Optimale Dämmschichtdicken

In der Klima- und Kältetechnik wird der Fokus immer stärker auf Effizienz und Wirtschaftlichkeit gelegt. Gerade der Bereich der Dämmung bietet noch hohe Einsparungspotentiale bei vergleichsweise geringem Aufwand. Im zweiten und letzten Teil des Beitrags werden weitere Ergebnisse einer aktuellen Studie der Firma Armacell vorgestellt sowie Lösungsansätze aufgezeigt.

Optimale Dämmschichtdicken für Kühlwasserinstallationen

Für die verschiedenen Gebäudetypen wurden zunächst unterschiedliche Kühlwasserinstallationen definiert und das Rohrleitungsnetz dann für den jeweiligen Kühlbedarf (75 bzw. 100 W/m²) entsprechend angepasst. Die unterschiedlichen Dämmniveaus wurden durch die AF/Arma­flex-Range widergespiegelt. AF/Armaflex ist ein flexibler Dämmstoff auf Basis synthetischen Kautschuks, der in Schläuchen und Platten angeboten wird. Mit seinen ausgezeichneten technischen Werten: Wärmeleitfähigkeit von λ_0°C ≤ 0,033 W/mK und Wasserdampfdiffusionswiderstandsfaktor von μ ≥ 10 000, verhindert dieser geschlossenzellige Dämmstoff langfristig sicher das Entstehen von Tauwasser und unnötiger Energieverluste von Kältedämmungen. Die AF/Armaflex-Schläuche zeichnen sich durch eine besondere Eigenschaft aus: Ihre Dämmschichtdicken sind so konzipiert, dass sie für den ganzen Durchmesserbereich – unabhängig vom jeweiligen Rohrdurchmesser – Tauwasserkontrolle gewährleisten. Bei gleicher Mediumtemperatur und identischen Umgebungsbedingungen muss die korrekte Dämmschichtdicke daher bei Einsatz von AF/Arma­flex-Schläuchen nur einmalig ermittelt werden. AF/Armaflex-Schläuche mit zunehmenden Dämmschichtdicken werden von AF-1 (7 bis 10 mm) bis AF-6 (32 bis 45 mm) angeboten.

In den Berechnungen wurden für jeden Rohrleitungsabschnitt alle möglichen Dämmschichtniveaus berücksichtigt und die Wärmegewinne jeweils separat für Vor- und Rücklauf berechnet. Zur Vermeidung der Tauwassergefahr reicht unter den angenommenen Bedingungen (Mediumtemperatur von +7 °C, Umgebungstemperatur von +26 °C und einer relativen Luftfeuchte von 70 %) in allen Gebäuden eine Dämmung mit AF-1, also eine Dämmschichtdicke von 7 bis 10 mm. Selbstverständlich mindert bereits eine AF-1-Dämmung die Wärmegewinne der Kühlwasserleitungen im Vergleich zum ungedämmten Zustand. Durch höhere Dämmschichtdicken lassen sich die Wärmeverluste jedoch weiter reduzieren. Diese höheren Einsparungen, die durch die Dämmschicht­dicken AF-2 bis AF-6 erreicht werden können, wurden auf der Basis der Differenz der jeweiligen Wärmegewinne zum Wärmegewinn bei einer AF1-Dämmung ermittelt. 

Je größer die Dämmschichtdicke, desto höhere Einsparungen sind möglich. Die höheren Energieeinsparungen führen zu Einsparungen der Betriebskosten und einer größeren Umweltfreundlichkeit, allerdings verlangen sie auch höhere Investitions­kosten. Es stellt sich also die Frage, ob sich der größere Investitionsaufwand finanziell lohnt, d.h. ob sich die Kosten im Laufe der Betriebszeit (bei Klimaanlagen etwa 15 bis 20 Jahre) amortisieren.
Wie die Grafik 1 zeigt, kann unter wirtschaftlichen Aspekten in allen Gebäudetypen unabhängig vom Kühlbedarf mit einer AF-4 -Dämmung (Dämmschichtdicke von 15,5 bis 25,0 mm) das Optimum erreicht werden. Bei einer angenommenen Betriebslaufzeit von 15 Jahren können mit einer AF-4-Dämmung die höchsten finanziellen Einsparungen erzielt werden, nach 20 Jahren sind die Einsparungen der Dämmniveaus AF-4, AF-5 und AF-6 fast gleich, aber selbst dann stellt die AF-4-Dämmung in den meisten Fällen das Optimum dar.

Eine AF-4-Dämmung ist auch aus Sicht der technischen Planung optimal: Denn bei der Planung kältetechnischer Anlagen gibt es selten Platz für noch größere Dämmschicht­dicken. Dies gilt insbesondere für die Anlagentechnik in Bürogebäuden. Der vorhandene Platz wird durch die Notwendigkeit einer ausreichenden „Luftzirkulation“ (Konvektion) weiter eingeschränkt. Liegen Rohre und Kanäle zu dicht nebeneinander bzw. verlaufen sie in zu geringen Abständen von Wänden und sonstigen Ein­bauten, können Stauzonen entstehen, wodurch die Gefahr der Tauwasserbildung steigt. Die DIN 4140 fordert daher einen Abstand von 100 mm zwischen fertig gedämmten Rohrleitungen bzw. als Abstand zur Wand oder Decke. 

In der Tabelle 5 können die energetischen, finanziellen und CO₂-Einsparpotentiale nachgelesen werden, die durch eine AF-4-Dämmung für die Laufzeit von 20 Jahren in den einzelnen Gebäudetypen realisiert werden können.

Durch eine Dämmung der Anlagenteile mit einer AF-4-Dämmung können die CO₂-Emissionen wesentlich reduziert werden. Abhängig von der Gebäudegröße liegt das Einsparpotential zwischen 80 und 500 t. Zum Vergleich: Ein CO₂-Ausstoß von 500 t entspricht in etwa der jährlichen CO₂-Emission von 100 Einfamilienhäusern mit einer Gebäudenutzfläche von 150 m² und einem Gesamtenergiebedarf von 100 kWh/m².

Energieeinsparpotentiale von Kältemittelsystemen in Kühlanlagen

Auch in der Kühltechnik ist das Einsparpotential durch den Einsatz höherer Dämmschichtdicken ganz erheblich. In Supermärkten entfallen 40 bis 60 % des Energieverbrauchs auf die Kältetechnik. Obwohl die Kosten für den Energieverbrauch oft sogar höher sind als der
Gewinn, den der Supermarkt abwirft, werden die Kälteanlagen in der Regel auf Grund der kurzfristigen Investitionskosten ausgewählt und geplant.

Für diesen Anwendungsbereich wurden typische Kühlanlagen untersucht, wie man sie in Supermärkten zur Lagerung und zum Verkauf von Nahrungsmitteln findet. Die Anzahl dieser Kühlvitrinen bzw. Tiefkühlzellen ist abhängig vom jeweiligen Bedarf des Kühlraums. In der Studie wurden Kühlanlagen mit 8 bzw. 16 Kühlvitrinen und 3 bzw. 6 Tiefkühlzellen untersucht. Die technischen Details können der Tabelle 7 entnommen werden.
Die Kühlvitrinen bzw. Tiefkühlzellen sind typischerweise miteinander verbunden und sie werden zentral gekühlt. Die Kältemittelleitung ist in der Regel an ein zentrales Kältegerät angeschlossen, das sich außerhalb des Einkaufs- oder Lagerraums befindet. Es besteht aus Verdichter und Verflüssiger und ist meist auf dem Gebäudedach installiert.
Das Kältemittel wird den Verdampfern in den Kühlvitrinen durch die Vorlaufleitungen im flüssigen Zustand zugeführt. Hier verdampft es und wird im gasförmigen Zustand durch die Rücklaufleitung (Saugleitung) zum Verdichter auf das Dach abtransportiert. Um das Entstehen von Tauwasser zu verhindern, muss die Saugleitung entsprechend gedämmt werden. Diese Tauwasserdämmung ist in der Regel aber nicht die optimale Lösung in Hinblick auf Energieeinsparung. Ein höheres Dämmniveau schützt die Kältemittelleitungen bedeutend wirksamer vor Erwärmung, so dass der Energieverbrauch des Verdichters verringert werden kann. Der Rohrdurchmesser der Saugleitung ist abhängig von der Kühlleistung (Kühlbedarf) und der Verdampfungstemperatur. Die Gesamtlänge der Saugleitung wurde für alle untersuchten Kühlanlagen mit 10 m angenommen.

Optimale Dämmschichtdicken für Kältemittelleitungen in Kühlwasserinstallationen

Die Energieeinsparungen für Kühlanlagen lassen sich analog zu den Berechnungen für Klimaanlagen ermitteln. Im Falle der Kühlanlagen mit Kühlvitrinen, die mit einer Mediumtemperatur von -5 °C gefahren wird, kann das Entstehen von Tauwasser auf den Kältemittelleitungen unter den angenommenen Bedingungen (Umgebungstemperatur von +26 °C und relative Luftfeuchte von 60 %) mit einer AF-1-Dämmung verhindert werden. Um die Kältemittelleitungen der Anlage mit Tiefkühlzellen (Mediumtemperatur von -36 °C) vor Tauwasser zu schützen, muss die Dämmung 21,5 mm (bei einem Durchmesser der Saugleitung von 64 mm) bzw. 22,5 mm (bei einem Durchmesser von 88,9 mm) dick sein. Das entspricht der AF/Armaflex-Dämmung AF-4.

Anders als klimatechnische Anlagen laufen kühltechnische Anlagen zur Lagerung von Lebensmitteln in der Regel an 365 Tagen im Jahr. Aufgrund der längeren Betriebszeit und der niedrigeren Mediumtemperaturen der Kältemittelleitungen rentieren sich bei Kühlanlagen auch bei einer durchschnittlichen Betriebsdauer von nur zehn Jahren nochmals deutlich höhere Dämmschicht­dicken. Für Tiefkühlanlagen (Mediumtemperatur von -36 °C) würde sich wahrscheinlich auch eine über eine AF/Armaflex AF-6-Dämmung hinausgehende Isolierung rechnen. Da ein solch hohes Dämmniveau aus betriebs- und installationstechnischen Gründen jedoch in der Regel nicht möglich ist, wurden in den Berechnungen keine größeren Dämmschichtdicken berücksichtigt.

In der Tabelle 8 können die energetischen, finanziellen und CO₂-Einsparpotentiale, die durch eine AF-6-Dämmung für die Laufzeit von zehn Jahren realisiert werden können, nachgelesen werden. Unter wirtschaftlichen Aspekten besonders interessant sind die extrem kurzen Amortisationszeiten der zusätzlichen Investitionskosten bei allen Installationen. Die Mehrkosten haben sich bereits nach wenigen Monaten amortisiert.

Zusammenfassung und Fazit

Bei der Erzeugung des für Kälte- und Klimaanlagen notwendigen Kaltmediums fallen hohe Energiekosten an. Um die Anlagen so energieeffizient wie möglich zu betreiben, spielt die Dämmung eine wichtige Rolle im Gesamtkonzept. Sie sorgt dafür, dass die erforderliche Mediumtemperatur möglichst lange gehalten wird und die Kältemaschine seltener anlaufen muss. Wie die Ergebnisse der Armacell-Studie zeigen, lassen sich durch optimale Dämmschichtdicken auf Kühl­wasserleitungen von Klimaanlagen und Kältemittelleitungen von Kühlanlagen wesentliche Einsparpotentiale realisieren. Die optimale Dämmung für Kühlwasserleitungen ist eine „AF-4“-Dämmung (Dämmschichtdicke 15,5 bis 25,0 mm) und die optimale Dämmung für Kältemittelleitungen ist eine AF-6-Dämmung (Dämmschichtdicke 32 bis 50 mm). Die höheren Investitionskos­ten, die durch den Einsatz der optimalen anstelle einer minimalen Tauwasserdämmung entstehen, machen sich im Laufe der Betriebszeit bezahlt. Bei Kühlanlagen haben sich die Kosten sogar schon nach rund sieben bis neun Monaten amortisiert. Beachtlich sind die Ergebnisse auch unter dem Umweltaspekt. Allein durch eine optimale Dämmung der Rohrleitungen können die CO_2-Emissionen der untersuchten Anlagen jährlich um mehrere Tonnen gesenkt werden. Die Ergebnisse erlauben verallgemeinernde Aussagen:  Durch den Einsatz optimaler Dämmschichtdicken auf Kühlwasser- bzw. Kältemittelleitungen können die CO_2-Emissionen pro installiertem Kubikmeter „AF/Armaflex“-Dämmung jährlich erheblich reduziert werden. Und zwar um:

› ca. 1150 kg CO₂ beim Betrieb von Klimaanlagen,

› ca. 1900  kg CO₂ beim Betrieb von Kühlanlagen mit einer Mediumtemperatur von -5 °C und

› ca. 2550 kg CO₂ beim Betrieb von Kühlanlagen mit einer Mediumtemperatur von -36 °C.

Eines dürfte die Studie ganz deutlich gemacht haben: Diente die Dämmung von kaltgehenden Leitungen vorrangig der Tauwasserverhinderung, sollte die Vermeidung von Energie­verlusten aus Anlagenteilen zukünftig ein primäres Ziel werden.