Serravalle Copper Tubes

Vertiefung

Warum eine dichte Ummantelung die Energieeffizienz von Kühl- und Hydronikleitungen verbessert

Warum eine dichte Ummantelung die Energieeffizienz von Kühl- und Hydronikleitungen verbessert

Eine technische Analyse der Rolle des radialen Luftspalts, der ’scheinbaren‘ Wärmeleitfähigkeit und der Auswirkungen auf die Konstruktion von ACR-Systemen.

Vorwort

In der Baupraxis wird das Thema Isolierung von Kälte- und Hydronikleitungen oft auf zwei Parameter reduziert: Manteldicke und deklariertes λ. Dies ist eine Vereinfachung, die einem Vergleich mit der experimentellen Literatur der letzten fünfzehn Jahre nicht standhält. Der Wert, der auf dem Datenblatt einer PE-Schaum- oder Elastomerdämmung angegeben ist, wird fast immer unter Bedingungen gemessen, die nicht denen der tatsächlichen Installation entsprechen, und der Unterschied ist keine Kleinigkeit: In manchen Konfigurationen weicht die tatsächliche Leistung um mehr als 15% von der angegebenen Leistung ab.

Dieser Artikel soll verdeutlichen, warum bei gleichem Dämmmaterial und gleicher Nenndicke ein System, bei dem die Ummantelung in der Produktionsphase co-extrudiert oder anderweitig mit dem Kupferrohr verbunden wird, messbar besser abschneidet als eine vor Ort aufgespannte Dämmung – und warum dieser Unterschied bei der Berechnung der Wärmelast und der Betriebskosten ins Gewicht fällt.

1. Das physikalische Modell: der Wärmewiderstand eines isolierten Rohrs

Für ein zylindrisches Rohr im stationären Zustand ist der Wärmewiderstand pro Längeneinheit die Summe von drei Beiträgen in Serie:

R_tot = R_conv_int + R_cond_parete + R_cond_isol + R_conv_est

Im Falle einer isolierten Kupferkühlleitung sind die Leitungskräfte des Kupfers und die interne Konvektion im Vergleich zum Widerstand der Isolierung vernachlässigbar. Die Referenzformel für den Widerstand der Isolierung ist die klassische Formel für die zylindrische Wand:

R_cond_isol = ln(D2 / D1) / (2 · π · λ)

wo:

  • D2 = Außendurchmesser des Rohrs [m].
  • D1 = Rohraußendurchmesser [m].
  • λ = Wärmeleitfähigkeit des Materials [W/(m-K)].

Die gesamte Berechnung beruht auf einer oft unausgesprochenen Annahme: dass sich zwischen D1 (Kupfer) und dem Innendurchmesser des Mantels nichts befindet. In der Praxis gibt es fast immer einen radialen Luftspalt, und dieser Spalt verändert die Physik des Systems.

2. Der radiale Luftspalt: das strukturelle Problem der nachgerüsteten Isolatoren

Handelsübliche Rohre aus PE-Schaum, FEF (flexibler Elastomerschaum), PUR und dergleichen werden mit einem etwas größeren Innendurchmesser als dem nominalen Rohrdurchmesser hergestellt, damit sie durchgeschraubt oder in Längsrichtung geöffnet und mit Klebstoff versiegelt werden können. Dies ist eine Anforderung an die Installierbarkeit, kein Produktfehler.

Das Problem ist, dass dieser Abstand einen Luftspalt von unterschiedlicher Dicke erzeugt, in dem zwei Phänomene ausgelöst werden, die die Wärmeleistung verschlechtern:

1. Natürliche Konvektion im Hohlraum. Luft ist kein guter Isolator, wenn sie sich bewegen kann: Die Leitfähigkeit von ruhender Luft beträgt ungefähr λ_air = 0,026 W/(m-K), aber bei natürlicher Konvektion in einem vertikalen oder horizontalen Ringraum steigt die äquivalente Leitfähigkeit nichtlinear mit der Spaltdicke.

2. Schornsteineffekt entlang der Achse des Rohrs. Auf langen geraden Strecken wirkt der Spalt als bevorzugter Weg für den konvektiven Wärmetransport in axialer Richtung, insbesondere bei vertikalen Strecken und bei Vorhandensein erheblicher thermischer Gradienten (z.B. Heißgasleitungen von Wärmepumpen-Klimaanlagen).

Porzuczek weist in einer experimentellen Studie aus dem Jahr 2024, die an der Technischen Universität Krakau durchgeführt und in der Zeitschrift Materialien nach ISO 8497 veröffentlicht wurde, darauf hin, dass die ’scheinbare‘ (oder tatsächliche) Wärmeleitfähigkeit eines Produkts nur mit einem Prüfgerät für Rohrisolierungen korrekt gemessen werden kann: Die Methode der bewachten Heizplatte (GHP), mit der viele der angegebenen λ-Werte auf dem Brett erzeugt werden, reproduziert weder die zylindrische Geometrie noch die natürliche Konvektion, die um eine echte Isolierung herum entsteht.

In Bezug auf die Konstruktion bedeutet dies, dass der auf dem Ummantelungskasten aufgedruckte λ-Wert als Labordaten korrekt sein kann, aber nicht als Systemdaten. Dies ist eine Unterscheidung, die bis in die 2000er Jahre selbst in Produktstandards oft übersehen wurde.

3. Der Unterschied zwischen deklariertem λ und λ ‚in situ‘: experimentelle Daten

In der Studie von Porzuczek (2024) wurden zehn Muster handelsüblicher Rohrummantelungen (Mineralwolle, PUR, PEF, FEF, EPS) getestet, die auf einem nominalen 20-mm-Rohr – der typischen Geometrie geteilter Kühlleitungen – gemäß ISO 8497 montiert wurden, wobei der in der realen Installation erzeugte Luftspalt beibehalten wurde. Die wichtigsten Ergebnisse:

Materialλ bei 10 °C angegeben [W/(m-K)].λ bei 10 °C gemessen [W/(m-K)].Stämme
Mineralwolle (MW-1)0,0330,033innerhalb der Grenzen
Mineralwolle (MW-2)0,0330,033innerhalb der Grenzen
Polyurethan (PUR-1)0,0320,034+6%
Polyurethan (PUR-2)0,0320,035+9%, bis zu +10% bei 100 °C
Polyethylen-Schaumstoff (PEF-1)0,0380,036 bei 10 °C, bis zu +16,4% bei 80 °C nach Zyklenaußerhalb des Limits
Flexibles Elastomer (FEF-1)0,0370,039+5%
Flexibles Elastomer (FEF-2)0,0370,041+11%
EPS0,0360,036innerhalb der Grenzen

Quelle: Porzuczek 2024, Tab. 3.

Bei fünf von zehn Proben – die alle regulär auf dem Markt waren und als konform mit den Produktnormen deklariert wurden – war die vor Ort gemessene Leitfähigkeit höher als deklariert, in zwei Fällen überschritt sie den von ISO 13787 geforderten Grenzwert von +10%.

Insbesondere für PEF fand die Studie ein kumulatives Phänomen: Bei fünf aufeinanderfolgenden Messungen bei 80 °C stieg λ im Vergleich zum angegebenen Wert progressiv von +9,6 Prozent auf +16,4 Prozent an. Porzuczek geht von Veränderungen in der Zellstruktur an der zulässigen Temperaturgrenze aus, aber der springende Punkt ist klar: Unter schweren Betriebsbedingungen kann die PEF-Leistung mit der Zeit abnehmen.

Bei PUR identifiziert dieselbe Studie eine spezifische Ursache: Konvektion im radialen Luftspalt erhöht den Wärmeverlust, insbesondere bei höheren Temperaturen. Aufgrund der Steifigkeit des Materials kann der radiale Luftspalt durch Kompression nicht vollständig beseitigt werden. Dies ist die inhärente Einschränkung jeder nachgerüsteten starren Isolierung.

Zu diesen Daten sollte ein weniger aktuelles, aber dennoch in der Literatur zitiertes Ergebnis hinzugefügt werden: Die ASTM veröffentlichte unter der Norm C335 eine Sammlung von Tests (über 150 Tests in zwei Jahren), die bei einem 305 mm langen Rohrabschnitt mit einem Längsspalt von nur 6,4 mm an einer Stoßfuge eine Verschlechterung der thermischen Leistung um 15 % ergab.

4. Auswirkungen auf die Gestaltung: Isolierung als wirtschaftliche Variable

Die Dimensionierung der Isolierung ist nicht nur eine Frage der Einhaltung von Vorschriften: Sie wirkt sich direkt auf die Betriebskosten der Anlage und die Amortisation der Anfangsinvestition aus.

Yıldız und Ersöz berechneten in zwei Artikeln aus den Jahren 2015 und 2016, die in der Zeitschrift Energy and Renewable and Sustainable Energy Reviews veröffentlicht wurden, die optimale wirtschaftliche Dicke für Gas- und Flüssigkeitsleitungen von R-410A VRF-Systemen. Ihre Ergebnisse zeigen, dass bei gleichem Kältemittel die optimale Dicke zwischen 9 und 12 mm für die Gasleitung und zwischen 6 und 9 mm für die Flüssigkeitsleitung variiert, mit Amortisationszeiten von weniger als einem Jahr für die ungünstigsten Situationen.

Die Studie von Daşdemir, Ertürk, Keçebaş und Demircan (2017), die in der Zeitschrift Energy veröffentlicht wurde, erweiterte die Analyse um den Effekt des Luftspalts. Die Schlussfolgerung ist, dass bei Rohren mit kleinem Durchmesser, wie sie für geteilte Kühlleitungen typisch sind (Ø < 1″), der Luftspalt mehr Einfluss auf die Energiebilanz hat als die Dicke der Isolierung selbst, während bei Rohren mit großem Durchmesser die Dicke dominiert.

Abujab und Abusafa bezifferten in einer Fallstudie über ein VRF-System, die 2022 in Energy Reports veröffentlicht wurde, die Verringerung der Energieverluste mit einer Dämmung in optimaler Stärke auf 78,5 Prozent bis 81,6 Prozent im Vergleich zu einem nicht gedämmten System. Die Zahl an sich ist erwartungsgemäß, aber es ist wichtig zu beachten, dass diese Berechnungen von einer perfekt haftenden Isolierung ausgehen: Jeder cm² Luftspalt zieht Prozentpunkte von dieser Reduzierung ab.

5. Das vorgedämmte System: was sich technisch ändert

Ein System, bei dem die Ummantelung während der Produktion aufgebracht wird – entweder durch direkte Extrusion auf das Kupfer oder durch thermische Prozesse, bei denen eine vorgeformte, geschlossenzellige PE-Schaumstoffummantelung auf den Außendurchmesser des Rohrs geklebt wird – löst das Problem an der Wurzel. Der Unterschied ist nicht kosmetisch:

  • Eliminierung des radialen Luftspalts. Der geschlossenzellige PE-Schaum, der in der Leitung angebracht wird, folgt dem tatsächlichen Durchmesser des Kupfers ohne Kupplungstoleranzen. Die gemessene Wärmeleitfähigkeit ist die gleiche wie die tatsächliche operative Wärmeleitfähigkeit.
  • Durchgängigkeit der Isolierung an Biegungen. Nachgerüstete Ummantelungen neigen dazu, sich zu verformen und in gekrümmten Abschnitten Mikrospalten zu öffnen. Ein mit dem Rohr verbundener Mantel verformt sich elastisch mit.
  • Reduzierte Exzentrizität des Isolators. Bei einem nominell gleichmäßigen Rohr kann die Exzentrizität der nachträglich aufgebrachten Ummantelung – in Kombination mit dem Kupplungsspiel – dazu führen, dass die tatsächliche Dämmdicke an einigen Stellen deutlich geringer ist als die nominale.
  • Intrinsische Dampfsperre. Vorgedämmte Systeme mit geschlossenzelligem PE-Schaum und äußerer PE-Folie erreichen Wasserdampfdiffusionswiderstände μ-Faktoren > 15.000 (EN 13469), ein Wert, der die Bildung von interstitieller Kondensation verhindert – die nicht nur ein gesundheitliches und strukturelles Problem darstellt, sondern auch die Wärmeleitfähigkeit der Isolierung selbst weiter verschlechtert (das Vorhandensein von Wasser in den Poren kann λ je nach Material um einen Faktor 3-8 erhöhen).

Die Referenznorm für geschlossenzelligen PE-Schaum, der für ACR-Rohre verwendet wird, ist EN ISO 15758, während Kupfer die Norm EN 12735-1 für Klima- und Kälteanwendungen (R32, R410A, R407C) erfüllen muss. Die für die Inneninstallation erforderliche Mindestbrandklasse ist BL-s1-d0 gemäß EN 13501-1.

6. Was Sie in den Spezifikationen angeben und was Sie vor Ort überprüfen sollten

Ausgehend von den obigen Ausführungen einige operative Richtlinien für diejenigen, die ACR-Systeme entwerfen oder installieren:

In der Spezifikationsphase:

  • Geben Sie nicht nur den deklarierten λ-Wert bei 10 °C an, sondern den λ-Wert an Ort und Stelle, oder beantragen Sie alternativ eine Testzertifizierung nach ISO 8497 / ASTM C335 (Röhrchentest, nicht Flachbodentest).
  • Geben Sie den Dampfdiffusionswiderstandsfaktor μ (EN 13469) als verbindlichen Parameter an, der nicht optional ist.
  • Fordern Sie für die Installation im Freien eine UV-Schutzfolie mit zertifizierter Beständigkeit an (z.B. ASTM G-155, beschleunigte Alterungstests von erheblicher Dauer).
  • Bitten Sie den Hersteller um eine ausdrückliche Erklärung über die Haftung der Ummantelung und das Anwendungsverfahren.

Wird gerade verlegt:

  • Vermeiden Sie es, die Isolierung zu zerschneiden und anschließend mit Klebeband wieder zusammenzusetzen: der Längsschnitt ist eine dauerhafte thermische Schwachstelle.
  • Achten Sie besonders auf die Übergänge zwischen isolierten und blanken Leitungen (Anschlüsse an Ventile, Patronen): Hier treten statistisch gesehen die größten Verluste auf.
  • Wenn es enge Kurven gibt, überprüfen Sie visuell, ob sich der Mantel nicht verformt hat und dadurch Lücken entstanden sind.

Wird überprüft:

  • Infrarot-Thermografie an signifikanten Abschnitten der Anlage bei laufender Maschine, um heiße Stellen (bei Wärmepumpen) oder kalte Stellen (bei Kühlanlagen) zu identifizieren, die auf Unterbrechungen in der Isolierung hinweisen.

7. Schlussfolgerungen

Der Unterschied zwischen einem vorgedämmten System, bei dem die Ummantelung am Rohr befestigt ist, und einem System mit vor Ort verlegter Dämmung ist keine Frage des Marketings. Es handelt sich um eine messbare thermophysikalische Tatsache, die in unabhängiger Literatur dokumentiert und in Prozentpunkten der Systemeffizienz quantifizierbar ist.

Bei Konstruktionsberechnungen besteht die Tendenz, die deklarierten λ als Eingabedaten zu verwenden – das ist gängige Praxis und in vielen Fällen die einzigen verfügbaren Daten. Die Studie von Porzuczek aus dem Jahr 2024 zeigt zusammen mit der bisherigen Literatur über die Auswirkungen des Luftspalts, dass dieser Ansatz die tatsächlichen Verluste systematisch unterschätzt, in einigen Fällen um 10-16%. Bei einem mittelgroßen bis großen VRF-System führen diese Prozentpunkte über einen Lebenshorizont von 10-15 Jahren zu nicht vernachlässigbaren Betriebskosten und einer Generatorgröße, die sich unter Spitzenbedingungen als unzureichend erweisen kann.

Für diejenigen, die ACR-Systeme entwerfen und installieren, ist die operative Botschaft einfach: Behandeln Sie die Mantelhaftung als einen technischen Parameter, nicht als ein Produktdetail. Der Unterschied zwischen einem korrekten Datenblatt im Labor und einer effizienten Installation in der Praxis geht von dort aus.

Bibliographische Referenzen

  1. Porzuczek, J. (2024). Vergleichende Studie über ausgewählte Isoliermaterialien für industrielle Rohrleitungen. Materialien, 17(7), 1601. https://doi.org/10.3390/ma17071601
  2. Daşdemir, A.; Ertürk, M.; Keçebaş, A.; Demircan, C. (2017). Auswirkungen des Luftspalts auf die Dämmstärke und die Lebenszykluskosten für verschiedene Rohrdurchmesser in Pipelines. Energie, 122, 492-504.
  3. Yıldız, A.; Ersöz, M.A. (2015). Bestimmung der wirtschaftlich optimalen Dämmstärke für VRF-Systeme (variabler Kältemittelfluss). Energie, 89, 835-844.
  4. Yıldız, A.; Ersöz, M.A. (2016). Die Auswirkung der Windgeschwindigkeit auf die wirtschaftlich optimale Dämmstärke für HLK-Kanalanwendungen. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 55, 1289-1300.
  5. Abujab, M.; Abusafa, A. (2022). Optimale Isolierungsdicke von Rohren in einem System mit variablem Kältemittelfluss (VRF) – An-Najah Child Institute als Fallstudie. Energieberichte, 8, 321-330.
  6. ASTM International – Thermische Leistung von isolierten Rohrsystemen. STP29487S.
  7. ISO 8497 – Wärmedämmung – Bestimmung der stationären Wärmedurchgangseigenschaften einer Wärmedämmung für runde Rohre.
  8. ASTM C335 – Standard Test Method for Steady-State Heat Transfer Properties of Horizontal Pipe Insulations.
  9. ISO 13787 – Wärmedämmstoffe für die Haustechnik und industrielle Anlagen – Bestimmung der deklarierten Wärmeleitfähigkeit.
  10. EN 12735-1 – Kupfer und Kupferlegierungen – Nahtlose, runde Rohre für die Kälte- und Klimatechnik – Teil 1: Rohre für Rohrleitungssysteme.
  11. EN ISO 15758 – Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden und Industrieanlagen – Berechnung der Wasserdampfdiffusion – Kalte Rohrdämmsysteme.
  12. EN 13469 – Wärmedämmstoffe für die Haustechnik und für industrielle Anlagen – Bestimmung der Wasserdampfdurchlässigkeit von vorgeformten Rohrisolierungen.
  13. EN 13501-1 – Brandklassifizierung von Bauprodukten und Bauelementen.