Wärmeleitfähigkeit: Stoffwerte und ihre Bedeutung

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.

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.

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

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.  

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.