Wärmeleitfähigkeit: Stoffwerte und ihre Bedeutung

Die Wärmeleitfähigkeit (auch Wärmeleitzahl oder Wärmeleitkoeffizient) ist ein Kennwert aus der Physik. Er beschreibt, wie gut thermische Energie durch einen Stoff hindurchströmen kann und lässt sich für Gase, Flüssigkeiten sowie Feststoffe angeben. In der Haustechnik ist der Kennwert unter anderem wichtig, um die energetische Qualität von Bau- und Dämmstoffen zu vergleichen. Aber wie ist die Wärmeleitfähigkeit definiert, wie lässt sie sich bestimmen und wie hoch sind die Kennwerte verschiedener Materialien? 

Wärmeleitfähigkeit: Was ist das eigentlich? 

Die Wärmeleitfähigkeit (Formelzeichen k oder λ, ausgesprochen Lambda) gibt an, wie gut thermische Energie durch einen Stoff hindurchströmen kann. Sie bezieht sich auf die Stärke in Metern und wird in der Regel als spezifischer Wert in Watt pro Meter und Kelvin (W/mK) angegeben. Wichtig zu wissen ist, dass sich der Kennwert dabei lediglich auf den Teil des Wärmetransports bezieht, der ohne Stoffbewegung abläuft. Denn neben der sogenannten Wärmeleitung gibt es auch die stoffgebundene Konvektion, die vor allem in Gasen und Flüssigkeiten auftritt.

Dabei gilt Folgendes: Ist die Wärmeleitfähigkeit hoch, gelangt viel Wärme durch einen Stoff. Bei einer niedrigen Wärmeleitzahl haben Materialien hingegen eine höhere Dämmwirkung, wodurch sie den Wärmetransport behindern.

Die Bedeutung der Stoffwerte in der Heizungstechnik

Kennen Experten die Wärmeleitfähigkeit von Bau- und Dämmstoffen, können sie zum Beispiel den U-Wert einer Wand berechnen. Das ist nötig, um Wärmeverluste, Heizlast und die benötigte Leistung einer Heizungsanlage zu bestimmen. Geht es um die Dämmung von Rohren oder Wänden, können Sie anhand der Wärmeleitzahl verschiedene Materialien vergleichen. Wählen sie Dämmstoffe mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit, erreichen diese bei gleicher Stärke eine höhere Wirkung als Materialien mit höherem Wärmeleitkoeffizienten.

Aber auch bei der Planung und Auslegung einer Fußbodenheizung kommt der Kennwert zum Einsatz. Hier geht es vor allem um die Wärmeleitzahl der Bodenbeläge. Diese sollte möglichst hoch sein, um thermische Energie ungehindert an den Raum abgeben zu können. Anders unter dem Bodenaufbau: Ist die Wärmeleitzahl der Bauteile zum Erdreich oder zu unbeheizten Räumen sehr hoch, kann das zu unnötigen Wärmeverlusten führen. Verhindern lassen sich diese nur mit einer geeigneten Dämmung.

geringe Wärmeleitfähigkeit von Styropor
Die Wärmeleitfähigkeit von Styropor ist gering, weshalb das Material ein guter Dämmstoff ist. // © mr2853 – stock.adobe.com

Wie lässt sich die Wärmeleitfähigkeit berechnen? 

Die Wärmeleitzahl hängt neben der Dichte und der Zusammensetzung eines Materials auch von seinem Feuchtegehalt und seiner Temperatur ab. Gründe, aus denen sich der Kennwert nicht einfach berechnen lässt. Möchten Experten den Wärmeleitkoeffizienten eines Stoffes bestimmen, müssen sie diesen daher messtechnisch erfassen. Möglich ist das zum Beispiel mit Wärmestrommessern. Die Geräte ermitteln den Kennwert anhand der Leistung eines Heizelements, des Temperaturunterschieds und der Stärke des betrachteten Bauteils. Ist der Wert bekannt, können Experten mit der Wärmeleitfähigkeit berechnen, wie viel thermische Energie durch einen Stoff strömt. Möglich ist das mit der folgenden Gleichung:

Wärmestrom = (Wärmeleitfähigkeit x Fläche x Temperaturdifferenz) / Bauteilstärke

Ein Beispiel: Eine 30 Zentimeter starke Wand trennt den Innenbereich eines Hauses von der äußeren Umgebung, wobei es draußen zehn Grad Celsius (zehn Kelvin) kühler ist als drinnen. Besteht die Wand aus Beton (Wärmeleitfähigkeit 2,1 W/mK) strömen bei dieser Konstellation 70 Watt pro Quadratmeter hindurch. [Q = 2,1 W/mK x 1 m² x 10 K) / 0,3 m = 70 W]. Sinkt die Außentemperatur bei gleichbleibender Raumtemperatur (höhere Temperaturdifferenz), nimmt der Wärmestrom zu. Wird es draußen wärmer, strömt hingegen weniger thermische Energie durch die Wand. Dreht sich der Temperaturunterschied um, sodass es draußen wärmer als drinnen ist, gelangt Wärme entlang des Temperaturgefälles von außen nach innen.

Beispielwerte für verschiedene Bau- und Dämmstoffe 

Da die Berechnung der Wärmeleitfähigkeit nicht ohne weiteres möglich ist, kommen in der Praxis Tabellenwerte zum Einsatz. Die folgende Übersicht informiert über die Eigenschaften verschiedener Baustoffe.

Wärmeleitfähigkeit Baustoffe Kennwert Eignung als Wärmeleiter
Massivholz 0,1 bis 0,2 W/mK schlecht
Poren- oder Gasbeton 0,2 W/mKschlecht
Mauerwerk aus Ziegeln 0,5 bis 1,4 W/mKschlecht
Kalksandstein 0,5 bis 1,3 W/mKschlecht
Beton 2,1 W/mKschlecht
Baustahl 15 bis 60 W/mKmittel
Aluminium 200 W/mKgut
Kupfer 380 W/mKgut

Wie hoch die Kennwerte verschiedener Dämmstoffe im Vergleich sind, zeigt die folgende Tabelle. 

Wärmeleitfähigkeit Dämmung Kennwert
Vakuumdämmung 0,004 bis 0,006 W/mK
Aerogele 0,015 bis 0,012 W/mK
Polyurethan (PUR) 0,024 bis 0,035 W/mK
Glaswolle 0,032 bis 0,050 W/mK
Expandiertes Polystyrol (EPS) 0,035 bis 0,050 W/mK
Holzfaserplatten 0,04 bis 0,05 W/mK

In Gasen überlagern sich Formen des Wärmetransports. So kommt es hier neben der Wärmeleitung auch zur Konvektion. Wie hoch die Wärmeleitfähigkeit von Luft und anderen Gasen ist, zeigt die folgende Übersicht. 

Wärmeleitfähigkeit Luft und andere Gase im Normzustand Kennwert
Krypton (z.B. Fensterfüllung) 0,00949 W/mK
Xenon (z.B. Fensterfüllung) 0,0055 W/mK
Argon (z.B. Fensterfüllung) 0,0179 W/mK
Sauerstoff 0,0263 W/mK
Helium 0,1567 W/mK
Wasserstoff 0,186 W/mK
Luft 0,262 W/mK

Wichtig: Auch wenn die Wärmeleitfähigkeit von Luft und anderen Gasen gering ist, eignen sich die Stoffe nicht zur Dämmung. Der Grund dafür ist die Konvektion (Wärmemitführung), die in beweglichen Gasen auftritt. Dabei wandert thermische Energie nicht von Molekül zu Molekül, sondern gebunden an einem Molekül durch den Raum.

Heizung.de Autor Alexander Rosenkranz
Fazit von Alexander Rosenkranz
Die Wärmeleitfähigkeit ist ein Kennwert dafür, wie gut thermische Energie durch einen Stoff gelangt. Ist ihr Betrag in einem Material besser als in einem anderem, ergibt sich bei gleichen Temperaturverhältnissen ein höherer Wärmestrom. Zum Einsatz kommt der Kennwert zum Beispiel bei der Berechnung des U-Wertes, bei der Auslegung einer Fußbodenheizung oder bei der Auswahl geeigneter Dämmstoffe. 
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