RM Rudolf Müller
Zur Problematik der Gewährleistung von Oberflächentemperaturen

Abb. 1: Titelbild des Technischen Briefes Nr. 5 des Bundesfachausschusses WKSB im Hauptverband der Deutschen Bauindustrie (HDB) (Bild: HDB)

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10. Januar 2020 | Artikel teilen Artikel teilen

Zur Problematik der Gewährleistung von Oberflächentemperaturen

Die Anforderungen der Dämmspezifikationen sind häufig problematisch, da die Einhaltung oft nicht gewährleistet werden kann oder wirtschaftlich nicht sinnvoll ist. Der Technische Brief Nr. 5 des Bundesfachausschusses des WKSB im HDB  zeigt die Problematik und Lösungen auf.

Von Gerd Gollenstede in Kooperation mit dem BFA WKSB des HDB.
Anforderungen an die Dämmspezifikation sind häufig komplex und nicht unproblematisch. So werden Ansprüche formuliert wie beispielsweise:

  • „Die Isolierung ist so zu bemessen, dass bei Volllastbetrieb die Temperatur auf der Oberfläche der Ummantelung nicht höher als 30 °C über der Umgebungstemperatur, gemessen in 1 m Entfernung, liegt.“
  • „Die zulässige Temperaturdifferenz zwischen der Außenfläche des Blechmantels und der Umgebungstemperatur darf 20 °C bei einer Luftgeschwindigkeit von 0 m/s nicht überschreiten.
  • „Die Temperatur der Ummantelung darf 60 °C nicht überschreiten.“

Diese Anforderungen zeigen die Problematik, die beim Vorausbestimmen und Einhalten der Oberflächentemperaturen auftreten können. Es entsteht die Frage, inwieweit es technisch notwendig ist, maximale Oberflächentemperaturen zu spezifizieren.

Aufgaben der Dämmung an ­betriebstechnischen Anlagen

Die Aufgaben der Dämmungen an betriebstechnischen Anlagen sind vielfältig. Neben der Absicherung der Prozessparameter, der Reduzierung der Wärme- und Kälteverluste sowie dem Schall- und Brandschutz sind auch der Berührungs- und Explosionsschutz zu gewährleisten. Bei Kältedämmungen ist zusätzlich die Unterschreitung der Taupunkttemperatur zu vermeiden. Die Forderungen an die Einhaltung einer bestimmten Oberflächentemperatur basieren auf dem Berührungs- und Explosionsschutz sowie der Tauwasserverhütung. Daneben wird häufig angenommen, dass eine gleichmäßige und niedrige Oberflächentemperatur ein sicherer Indikator für einen geringen Wärmestrom ist. Diese Vorstellung ist falsch, denn die Oberflächentemperatur erhöht sich bei der Verringerung des Emissionsgrades der Ummantelung, gleichzeitig verringert sich die Wärmestromdichte (s. Abb. 2). Umgekehrt kann der Wind oder andere Luftbewegungen die Oberflächentemperatur senken, jedoch muss gleichzeitig ein erhöhter Wärmeverlust in Kauf genommen werden. Die Ansicht, dass die Oberflächentemperatur ein leicht zu kontrollierendes Maß für die Güte einer Dämmung ist, ist deshalb falsch.

Die Oberflächentemperatur eines Dämmsystems ist abhängig von:

  • der Mediumtemperatur;
  • dem Dämmstoff (Wärmeleitfähigkeit);
  • der Dämmdicke;
  • dem Einfluss von Wärmebrücken, wie z.B. der Stützkonstruktion
  • den Wärmeübergangsverhältnissen auf der Oberfläche der Dämmung, die durch den konvektiven Wärmeübergang sowie durch die Wärmestrahlung (abhängig vom Emissionsgrad der Ummantelung) bestimmt werden;
  • der seitlichen Wärmeableitung der Ummantelung, die den Abbau von ­Temperaturspitzen bestimmt;
  • der Temperatur der Umgebungsluft sowohl global als auch lokal;
  • der Anwesenheit von wärmeren oder kälteren Oberflächen, mit denen die Oberfläche der Dämmung im Strahlungsaustausch steht. Ein extremes Beispiel ist die Sonne (Aufheizung durch Sonneneinstrahlung).

Von den genannten Einflussgrößen sind nur wenige mit genügender Zuverlässigkeit vorher bestimmbar, wesentliche Größen sind dem Einfluss des Isolierunternehmens gänzlich entzogen und auch in der Regel vom Auftraggeber nicht genau prognostizierbar, dass sie als Grundlage für eine Vorausberechnung benutzt werden könnten. Dies gilt insbesondere für:

  • Temperatur und Strömungsverhältnisse der Umgebungsluft;
  • Oberflächengeometrie, -temperatur und Strahlungsverhältnisse benachbarter ­Objekte, welche mit der Ummantelung im Strahlungsaustausch stehen.

Außerdem bewirken manche Einflussgrößen, beispielsweise Wärmebrücken, dass die Oberflächentemperatur keine örtlich konstante Größe ist.

Im Bereich des Hochbaus können Wärmebrücken durch konstruktive Maßnahmen vermieden werden. Die Temperaturunterschiede von Umgebung und Raumtemperatur sind gering, die Temperaturen ändern sich am Tag vergleichsweise langsam.

Zur Problematik der Gewährleistung von Oberflächentemperaturen

Abb. 2: Oberflächentemperatur lt. Annahmen im Text

Wärmedämmungen

Bei Wärmedämmungen an betriebstechnischen Anlagen sind deutlich höhere Temperaturen und Änderungsgeschwindigkeiten möglich. Beispielsweise können bei Gas- und Dampfkraftwerken Betriebstemperaturen von 1.000 °C innerhalb von wenigen Minuten erreicht werden. Die dabei auf das Dämmsystem einwirkenden Kräfte (Eigenlast, Wind, Wärmedehnung etc.) müssen über Stütz- und Tragkonstruktionen in das Objekt eingeleitet werden. Die notwendigen metallischen Konstruktionen sind unvermeidbare Wärmebrücken im Dämmsystem.

Um bei den vielen Einflussgrößen die Oberflächentemperatur sicher gewährleisten zu können, sind hohe Sicherheitszuschläge erforderlich. In Summe führt dies zu unwirtschaftlichen Dämmdicken.

In explosionsgefährdeten Bereichen sind neben lokalen Temperaturspitzen auch elektrostatische Aufladungen zu berücksichtigen.

Über die Messung der Oberflächentemperatur

Die Ausführung von Dämmarbeiten an betriebstechnischen Anlagen in der Industrie und in der technischen Gebäudeausrüstung (TGA) ist in Deutschland über die DIN 4140 geregelt. Die Bestimmung der Oberflächentemperatur erfolgt gemäß Blatt 3 der
VDI 2055.

Sofern die Oberflächentemperatur vertraglich vereinbart werden sollen, stellt sich für die spätere Überprüfung die Frage, an welcher Stelle die vereinbarte Temperatur zu messen wäre.

Hierfür gibt es drei verschiedene Möglichkeiten:

  1. Die ungestörte Temperatur ϑ0 in der Mitte zwischen zwei Stützkonstruktionen. Diese Temperatur ist zwar einfach überprüfbar, jedoch werden hierbei nicht die erhöhten Temperaturen im Bereich der Stütz- und Tragkonstruktionen berücksichtigt. Außerdem ist zu beachten, dass sie von der Lage des Messpunktes auf dem Umfang abhängt (Abb. 4).
  2. Die maximal auftretende Oberflächentemperatur ϑs an den Stützkonstruktionen. Aus Sicht des Berührungsschutzes erscheint diese Möglichkeit als durchaus sinnvoll. Sie führt aber zu unwirtschaftlichen Lösungen mit sehr hohen Dämmdicken, wie aus Tabelle 1 ersichtlich. Das mögliche Ziel des Berührungsschutzes lässt sich mit einem Lochblech sicher, einfacher und wirtschaftlicher erreichen.
  3. Eine über die gesamte Oberfläche gemittelte Temperatur ϑm. Dieses Verfahren berücksichtigt den gesamten Temperaturverlauf auf der Oberfläche und entspricht auch der Berechnungsvorschrift nach VDI 2055-1. Dort wird der Einfluss der Stützkonstruktionen mittels eines Zuschlagswertes Δϑ zur Wärmeleitfähigkeit auf die gesamte Länge eines Schusses verteilt.

Annahmen der Abb. 2:

  • Rohrleitung DN 200, Mediumtemperatur 400 °C
  • Oberflächentemperatur ϑ0 in der Mitte zwischen zwei Stützkonstruktionen
  • Die über die Länge gemittelte ­
    Temperatur ϑm
  • Temperatur ϑs im Bereich der Stützkonstruktion
  • Umgebungstemperatur von 20 °C
  • Dämmstoff: Steinwolle – Drahtnetzmatten nach AGI Q 132, Grenzkurve 2

Bei einer Dämmdicke von 90 mm wird im ungestörten Bereich die für einen Berührungsschutz vorgegebene Temperatur von 60 °C unterschritten, während im Bereich der Stützkonstruktionen Temperaturen von 110 °C bis 130 °C auftreten. Selbst wenn man die Dämmdicke auf 180 mm verdoppelte, würden an den Stützkonstruktionen noch Temperaturen von 65 °C bis 75 °C auftreten. Dies zeigt, dass der Versuch, einen Berührungsschutz allein durch Dämmmaßnahmen zu erzielen, zu unwirtschaftlichen Lösungen führen kann.

Hinzuzufügen ist, dass die in Abb. 2 angegebenen Temperaturen ϑs im Bereich der Stützkonstruktionen Schätzungen sind. Die tatsächlich auftretenden Temperaturen werden wesentlich dadurch bestimmt, wie gut der Kontakt zwischen Objekt und Stützkonstruktion sowie zwischen Stützkonstruktion und Blechmantel ist. Zuverlässige Rechenverfahren zur Ermittlung der Oberflächentemperaturen an den Stützkonstruktionen gibt es nicht.

Wärmeübergangsverhältnisse an der Dämmoberfläche

Die Oberflächentemperatur einer Dämmung wird wesentlich durch den Wärmeübergangskoeffizienten bestimmt, der sich aus Anteilen der Konvektion und der Wärmestrahlung zusammensetzt, wohingegen der Wärmeverlust nur sehr wenig vom Wärmeübergangskoeffizienten abhängt.

Beispiel:

Die Berechnung in Abb. 3 gilt für eine Frischdampfleitung mit Mediumtemperatur ϑM = 530 °C bei einer Umgebungstemperatur von 10 °C. In den insgesamt vier Beispielen wird sowohl der Emissionsgrad der Ummantelung als auch die Luftgeschwindigkeit als Varia­ble geführt.

Aus den Ergebnissen ist zu entnehmen, dass eine gravierende Änderung dieser Randbedingungen sich nur gering auf die Wärmestromdichte auswirkt. Dagegen wird aber die mittlere Oberflächentemperatur sehr deutlich beeinflusst.

Annahmen der Tabelle in Abb. 3:

  • Rohrleitung im Freien
  • Nennweite DN 200
  • Ummantelung: Aluminiumblech
  • Mediumtemperatur: 530 °C Isolierdicke: 240 mm
  • Dämmstoff: Steinwolle – Drahtnetzmatten nach AGI Q 132, Grenzkurve 2
Zur Problematik der Gewährleistung von Oberflächentemperaturen

Abb. 3: Einfluss von Emissionsgrad. Annahmen der Tabelle im Text beachten!

Erkenntnisse

Mit der Erhöhung des Emissionsgrades der Ummantelung bei ruhender Luft (Spalte 1 gegen 2) erhöht sich die Wärmestromdichte nur geringfügig, die Oberflächentemperatur ändert sich wesentlich. Ebenso wirkt sich bei konstantem Emissionsgrad eine veränderte Luftgeschwindigkeit (Spalte 1 gegen 3; Spalte 2 gegen 4) auf die Wärmestromdichte sehr wenig, auf die Oberflächentemperatur dagegen erheblich aus.

Die Oberflächentemperatur steigt von 16,2 °C auf 37,3 °C (Spalte 1 und 3), obwohl sich die Wärmestromdichte nur geringfügig verringert hat. Die Rechenergebnisse zeigen, dass die Wärmeübergangsverhältnisse die Oberflächentemperatur stark beeinflussen. Die Oberflächentemperatur ist nur dann ein Maß für den Wärmestrom, wenn der Wärmeübergangskoeffizient exakt bekannt ist. In der Praxis ist die Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten sehr aufwendig. Die stärksten Veränderungen der Oberflächentemperatur erfolgen jeweils zwischen der Luftgeschwindigkeit 0 m/s und 5 m/s: Geringe Veränderungen gegenüber dem Fall „stehende Außenluft” haben bereits Konsequenzen für die Oberflächentemperatur.

Zur Problematik der Gewährleistung von Oberflächentemperaturen

Abb. 4: Umfangsabhängigkeit der Oberflächentemperatur bei einer Wärmeisolierung (Bild: HDB)

Welche technischen und wirtschaftlich sinnvollen Alternativen bestehen bei der Wärmedämmung?

Wird ein Berührungsschutz mit den durch technische oder wirtschaftliche Anforderungen vorgegebenen Dämmdicken nicht erreicht, so ist ein Berührungsschutz aus einem Lochblech oder einem Schirmblech sinnvoll. Siehe DIN 4140 (Stand: 04-2014), Pkt. 4.5.7.  Für den Explosionsschutz reichen dämmtechnische Maßnahmen alleine nicht aus. Es sind immer zusätzliche Maßnahmen notwendig. Sind in explosionsgefährdeten Bereichen z.B. elektrostatische Aufladungen möglich, muss nach BGI 5127 geerdet werden. Siehe DIN 4140 (Stand: 04-2014), Pkt. 8.3.1

Kältedämmungen

Die Verhinderung der Durchfeuchtung des Dämmsystems steht im Vordergrund bei der Auslegung von Kältedämmungen. Dafür ist es notwendig, die Unterschreitung des Taupunktes auf der Oberfläche der Ummantelung zu verhindern. Die Tauwasserverhütung bei Kälteleitungen kann technisch sinnvoll nur durch eine Dämmung erreicht werden, deren Dicke so gewählt ist, dass die Oberflächentemperatur die Taupunkttemperatur nicht überschreitet. Wirtschaftlich vernünftig ist dies allerdings nur dann möglich, wenn die relative Feuchte der Umgebungsluft < 85 % ist. Dies entspricht zum Beispiel einer maximal zulässigen Oberflächentemperatur von ca. 2,5 K unterhalb einer Umgebungstemperatur von 20 °C.

Fazit

Einen einfachen Zusammenhang zwischen der Oberflächentemperatur einer Dämmung und ihrer Wärmeschutzwirkung gibt es nicht. Die Zusammenhänge sind sehr komplex.  Deshalb ist es nicht zulässig, allein von Oberflächentemperaturen auf die Höhe von Wärmeverlusten eines Dämmsystems zu schließen. Das Verlangen, die Oberflächentemperatur einer Dämmung zu gewährleisten, hat keine technische Basis, weil die Oberflächentemperatur von einer Reihe physikalischer Parameter abhängt, die nicht immer berechnet oder sicher abgeschätzt werden können. Es kann daher nicht empfohlen werden, auf ein derartiges Verlangen einzugehen.

Die Festlegung einer maximal zulässigen Wärmestromdichte beruht auf der Absicht, Energie einzusparen, einen chemischen Prozess führen zu können, die Auskühlung eines Mediums zu verlangsamen oder auf ähnlichen objekt- oder mediumbezogenen Absichten. Hierbei handelt es sich um die Hauptaufgabe des Wärmeschutzes, nämlich die Verminderung von Wärmeströmen.

Die Forderung nach einer maximal zulässigen Oberflächentemperatur einer Dämmung kann nur in der Arbeitssicherheit für das Betriebspersonal sinnvoll begründet sein. Oberflächen dürfen in leicht berührbaren Bereichen nur so warm werden, dass eine Verbrennung nicht möglich ist. Dabei sind Ummantelungen mit einem hohen Emissionswert (wie z.B. farbbeschichtete Bleche) von Vorteil, wohingegen glänzende Ummantelungen mit einem ­niedrigen Emissionswert (wie z.B. Aluminium) deutlich höhere Isolierdicken für gleiche Oberflächentemperaturen zur Folge haben.

Lässt sich die maximal zulässige Oberflächentemperatur nicht einhalten, sind andere Maßnahmen zu ergreifen. Dies kann z. B. durch zusätzliche, auf Distanz angebrachte Lochbleche oder Schirmbleche erfolgen.

Bei Kältedämmungen ist das Einhalten einer festgelegten Oberflächentemperatur zur Verhinderung von Tauwasser auf der Oberfläche eine technisch begründete Forderung und ein Kriterium für die Ermittlung der Dämmdicke.

Zur sicheren Verhinderung von Tauwasser müssen auch hier die dargelegten Einflüsse, wie z. B. verringerter Wärmeübergangskoeffizient, niedrigere Lufttemperatur bei dicht liegenden Leitungen, verringerte Wärmestrahlung durch gegenüberliegende Flächen gleicher Temperatur, beachtet werden.

Es ist daher technisch nicht möglich, bei Dämmmaßnahmen die Oberflächentemperatur unabhängig von eindeutig und vollständig definierten Umgebungsbedingungen zu gewährleisten.


Autor

Dipl.-Ing. (FH) Gerd Gollenstede: Vors. des Techn. Ausschusses der BFA WKSB im HDB, Abteilungsleiter Technischer Service der KAEFER Industrie GmbH
Gerd.Gollenstede@kaefer.com


Info: Bundesfachausschuss Wärme-, Kälte-, Schall- und Brandschutz (BFA WKSB) im Hauptverband der Deutschen Bauindustrie (HDB)

Die BFA WKSB ist die Branchenvertretung der Bauindustriefirmen aus den Bereichen Wärme-, Kälte-, Schall- und Brandschutz. Der von den Mitgliedern und Gästen gemeinsam gebildete Technische Ausschuss wirkt an der Weiterentwicklung des Standes der Technik mit. Die Fachpublikationen der BFA WKSB sind als als Regeln der Technik allgemein anerkannt und bieten fundiertes Wissen zu allen kaufmännischen und technischen Fragen der Industriedämmung an.

An der 2015er Revision des Technischen Brief Nr. 5 haben mitgewirkt: Helmut Bramann, Peter Bernhoff, Stefan Debold, Gerd Gollenstede, Theodor Haack, Dr. Günther Kasparek, Sascha Leschzyk, Thomas Ortlieb, Andreas Regel, Walter Riering, Jürgen Schmoldt, Roland Schreiner, Joachim Weber.

Wie alle Technischen und Kaufmännischen Briefe kann auch dieser Brief kostenfrei als PDF heruntergeladen werden.

 
Der Beitrag ist auch in Ausgabe 3.2019 der Fachzeitschrift TI – Technische Isolierung (November 2019) erschienen.

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