Isolierung

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Die Verluste durch Leitung und Strahlung entstehen durch die Temperaturdifferenz des Mediums in Kesseln, Leitungen und Armaturen zur Umgebung.

Die Höhe der Wärmeverluste wird im Wesentlichen durch die Größe der Oberfläche, die Mediums- und Umgebungstemperatur sowie die Ausführung der Isolierung beeinflusst.

Da diese Verluste nicht leistungsabhängig sind, treten sie immer, also auch in Stillstandsphasen, auf und sind damit bei nicht stillgelegten Anlagen oder Anlagenteilen auch 365 Tage im Jahr vorhanden. Besonders in Anlagen, die häufig in Teillast betrieben werden, wirken sie sich negativ auf den Jahresnutzungsgrad der Kesselanlage aus.

Info zu Jahresnutzungsgrad

Neben der aufwendigeren Untersuchung mit einer Wärmebildkamera können die „Hot Spots“ mit den größten Wärmeverlusten meist auch allein durch das Erspüren von heißen Bereichen, die visuelle Überprüfung der Isolierung oder mittels eines Oberflächen- oder Strahlungsthermometers erkannt und beseitigt werden.

Die Oberflächentemperatur ist allerdings nur bedingt ein Maß für die Höhe der Wärmeverluste. Insbesondere dann, wenn unterschiedliche Oberflächenwerkstoffe miteinander verglichen werden, spricht eine niedrigere Oberflächentemperatur mitunter für höhere Wärmeverluste.

Der Grund liegt im Strahlungskoeffizienten der Isolieroberfläche. Ein hoher Koeffizient erhöht die Wärmeverluste, senkt aber gleichzeitig die Oberflächentemperatur. Es ist also der Einsatz eines Werkstoffs mit geringem Emissionskoeffizienten ε vorteilhaft.

Beispiel:
Wärmespeicher	L = 3.600 mm, Ø = 1.700 mm
Isolierung	D = 100 mm
Mediumstemperatur	103 °C

Oberflächenwerkstoff¹⁾	Emissionskoeffizient ε	Wärmeverluste über Behältermantel	Oberflächentemperatur
Aluminium walzblank	0,05	627,5 W	30,0 °C
Aluminium oxidiert	0,13	635,5 W	29,0 °C
Verzinktes Blech blank	0,26	645,5 W	27,6 °C
Verzinktes Blech angestaubt	0,44	655,5 W	26,3 °C
Austenitischer Stahl	0,15	637,2 W	28,7 °C
Alu-Zink-Blech leicht oxidiert	0,18	639,7 W	28,4 °C
Nichtmetallische Oberfläche	0,94	671,2 W	24,2 °C

Auflistung der Emissionskoeffizienten, Wärmeverluste und Oberflächentemperaturen bei unterschiedlichen Oberflächen
1) nach VDI 2055 Blatt 1 Anhang A8

In bestehenden Anlagen entstehen die größten Wärmeverluste meist durch nicht isolierte Armaturen, durch bei Revision oder Reparatur von Anlagenteilen nicht erneut isolierte Bereiche oder durch beim Verschieben der Isolierschutzoberfläche gebildete Wärmebrücken.

Durch die Beseitigung dieser „Hot Spots“ in bestehenden Anlagen kann bereits ein Großteil der Leitungs- und Strahlungsverluste vermieden werden, ohne eine komplette Neuisolierung vornehmen zu müssen. Maßnahmen an nicht isolierten Bereichen der Gesamtanlage (z.B. Kessel, Leitungen, Armaturen, Behältern) stellen eine der wirtschaftlichsten Einsparmaßnahmen in vorhandenen Systemen dar.

Die Effizienz der Isolierung kann dabei durch nachfolgende Punkte verbessert werden.

Isolierdicke und Oberfläche

Durch eine Erhöhung der Isolierstärke können die Oberflächentemperatur und der Wärmeverlust reduziert werden. Hier gilt es jedoch, eine vernünftige, wirtschaftliche Optimierung zu wählen, da eine Verdoppelung der Isolierstärke keinesfalls eine Halbierung der Oberflächenverluste bedeutet.

Für den Gesamtwärmeverlust spielt neben der Isolierstärke und der Mediumstemperatur auch die Größe der Oberfläche eine entscheidende Rolle. Hier sind kompakte Kesselbauarten sowie integrierte Abgaswärmetauscher und eine daraus resultierende kleinere Isolieroberfläche von Vorteil.

Wärmeverluste über den isolierten Bereich der Behälter- oder Kesseloberfläche

	Mediumstemperatur: 150 °C
	Mediumstemperatur: 125 °C
	Mediumstemperatur: 100 °C
	Mediumstemperatur: 75 °C

Die Abbildung „Wärmeverluste über den isolierten Bereich der Behälter- oder Kesseloberfläche“ zeigt für eine Kesselhaustemperatur von 20 °C, dass bei einer Isolierstärke von 100 mm und einer Mediumstemperatur von 100 °C ein Wärmeverlust von etwa 32 W/m² entsteht.

Bei einer Isolierstärke von 150 mm verringert sich dieser um etwa 32 % auf rund 21,6 W/m². Wird die Isolierstärke auf 200 mm erhöht, reduziert sich der Wärmeverlust gegenüber einer 100 mm-Isolierung um 44 % auf 17,9 W/m².

Dies gilt jeweils nur für die isolierten Bereiche ohne Wärmebrücken. Da die Verluste über diese Brücken schnell die Verluste im gut isolierten zylindrischen Bereich überschreiten können, sind sie stets mitzubetrachten und möglichst zu minimieren.

Isolierung von Rohrleitungen

Die durchgehende Isolierung von Rohrleitungen mit heißem Medium ist inzwischen in allen Anlagenteilen zur Energieeinsparung und zum Arbeitsschutz verpflichtend vorgeschrieben (z.B. Energieeinsparverordnung). Bei der Entscheidung für eine bestimmte Isolierdicke sollten jedoch nicht nur die Vorschriften, sondern vor allem die Wirtschaftlichkeit ausschlaggebend sein.

Anhand des folgenden Diagramms kann in Abhängigkeit der Mediumstemperatur, des Rohrdurchmessers und der Isolierstärke sowohl der absolute Wärmeverlust pro Meter unisolierter Rohrleitung (linke Ordinate), als auch der Einsparfaktor einer isolierten Rohrleitung (rechte Ordinate) bestimmt werden.

Einsparfaktor durch Isolierung und Wärmeverluste an Rohrleitungen

	Mediumstemperatur: 75 °C (^{. . . . . .})
	Mediumstemperatur: 100 °C (^_______)
	Mediumstemperatur: 150 °C (^_______)
	Mediumstemperatur: 200 °C (- - - -)
	Isolierstärke s = 150 mm
	Isolierstärke s = 100 mm
	Isolierstärke s = 60 mm
	Isolierstärke s = 20 mm
	Wärmeverlust im unisolierten Zustand
	Einsparung durch Isolierung
	Einsparung durch Isolierung

Die Berechnungen für das obenstehende Diagramm „Einsparfaktor durch Isolierung und Wärmeverluste an Rohrleitungen“ erfolgen in Anlehnung an die VDI 2055 Blatt 1: Unisoliertes lackiertes Stahlrohr, Isolierung Mineralwolle, Isoliermantel Aluminium Walzblech, horizontale Rohrleitung, Umgebungs-temperatur 20 °C.

Beispiel (abgeleitet aus dem Diagramm „Einsparfaktor durch Isolierung und Wärmeverluste an Rohrleitungen“):

Durchmesser Leitung	DN 250
Mediumstemperatur	130 °C

	Wärmeverlust im unisolierten Zustand (Linke Ordinate)
	${\overset{\cdot}{Q}}_{v, unisoliert} = 837 [\frac{W}{m}]$
	Einsparung durch Isolierung (Rechte Ordinate) (Isolierstärke s = 60 mm; f_iso = 12,6)
	${\overset{\cdot}{Q}}_{v, isoliert} = \frac{837 [\frac{W}{m}]}{12.6} = 66.4 [\frac{W}{m}]$
	Einsparung durch Isolierung (Rechte Ordinate) (Isolierstärke s = 150 mm; f_iso = 20,5)
	${\overset{\cdot}{Q}}_{v, isoliert} = \frac{837 [\frac{W}{m}]}{20.5} = 40.8 [\frac{W}{m}]$

Für eine Vorlaufleitung mit einer Länge von 200 m ergibt sich durch eine Erhöhung der Isolierstärke von 60 mm auf 150 mm eine Einsparung von rund 2458 € pro Jahr (bei angenommenen 8 000 Betriebsstunden und 6 ct/kWh Energiekosten).

Jeder Meter unisolierte Rohrleitung kostet hier etwa 400 € im Jahr.

Beispiel	Stärke der Isolierung [mm]	Wärmeverlust der Rohrleitung [W/m]	Gesamtwärmeverlust¹⁾ [kWh]	Einsparung absolut²⁾ [kWh]	Einsparung prozentual²⁾ [%]	Eingesparte Kosten²⁾ [€]
A	unisoliert	837,0	1.396.800	---	---
B	s = 60	66,4	106.240	---	---
C	s = 150	40,8	65.280	40.960	38,6	2.457,60

Einsparpotential durch Erhöhung der Isolierstärke am Beispiel einer Vorlaufleitung
1) Bei 200 m Rohrlänge und 8.000 Betriebsstunden/Jahr
2) In Bezug auf die Dicke der Isolierung s = 60 mm

Minimierung von Wärmebrücken

Wärmebrücken treten immer dann auf, wenn metallische Verbindungen mit einer sehr guten Wärmeleitfähigkeit die Isolierung durchbrechen. Dies ist z.B. bei Stutzen, Kesselstühlen oder Bühnenkonsolen der Fall.

Besonders im Bereich des Isolierschutzmantels ist darauf zu achten, dass die funktionsbedingt notwendigen Durchdringungen keinen direkten Kontakt zum Isoliermantel haben, da an diesen Stellen sonst Wärmebrücken entstehen und zu einem Energieverlust führen. Bereits eine einfache Umwicklung von Stutzen mit einem Isoliergewebe kann dies zuverlässig verhindern. Elemente, die der Verbesserung der Statik und Steifigkeit dienen, sollten innerhalb der Isolierung liegen und leiten dann auch keine Wärme nach außen zum Isolierschutzmantel.

Es sollten bei zylindrischen Mänteln keine Abstandshalter eingesetzt werden, da diese ebenfalls wie Wärmebrücken wirken. Die Wärmeleitung von der heißen Kesseltrommel zum Isolierschutzmantel ist unterbunden, und die Wärmedämmung der Isoliermatte ist vollflächig wirksam.

Vermeidung von Wärmebrücken durch die Isolierung ohne Abstandshalter am zylindrischen Kessel- und Behältermantel Vermeidung von Wärmebrücken durch die Isolierung ohne Abstandshalter am zylindrischen Kessel- und Behältermantel

Isolierte Revisionsöffnungen

Heißwasserkessel unterliegen wiederkehrenden, inneren Überprüfungen durch die zuständigen Überwachungsorganisationen. Die dafür erforderlichen Revisionsöffnungen wie Hand-, Kopf-, oder Mannlöcher erfordern Durchbrüche im Isoliermantel. Diese Durchbrüche werden isoliert und mit abnehmbaren Isolierdeckeln verschlossen.

Auch die Revisions- und Reinigungsöffnungen an den Abgassammelkammern und Abgaswärmetauschergehäusen werden mit der gleichen Isoliertechnik verschlossen, sodass keine erhöhte Strahlungswärme an den Revisionsöffnungen verloren geht. Beschriftungen weisen auf darunterliegende Revisionsöffnungen hin.

Besonders nach Revisionen oder wenn die Isolierdeckel aus anderen Gründen entfernt wurden, ist darauf zu achten, dass die Revisionsöffnungen auch erneut isoliert werden.

Der Wärmeverlust einer nicht wieder verschlossenen Revisionsöffnung mit etwa 0,5 m² Fläche bedeutet bei einer Mediumstemperatur von 100 °C einen Energieverlust von etwa 15 kWh pro Tag.

Abnehmbare Isolierungen an Revisionsöffnungen (UT-HZ mit integriertem Abgaswärmetauscher)

Isolierte Armaturen

In Heißwasserkesselanlagen finden sich an vielen Stellen Armaturen, die für die Bedienung und Wartung der Anlage notwendig sind. Aus Montage- oder Kostengründen oder wegen unterschiedlicher Liefergrenzen wird auch bei Neuanlagen immer noch oft auf die Isolierung von Armaturen oder Übergangsflanschen verzichtet. Ebenso sind in Bestandsanlagen häufig nicht isolierte Armaturen aufzufinden.

Diese unisolierten Bereiche verursachen jedoch einen sehr hohen Energieverlust. Zur Abschätzung des Energieverlusts einer unisolierten Armatur kann folgende Tabelle dienen.

Rohr-Nennweite		DN 32	DN 40	DN 50	DN 65	DN 80	DN 100	DN 125	DN 150	DN 200	DN 250
Länge nach EN 558 Reihe 1	[mm]	180	200	230	290	310	350	400	480	600	730
Wärmeverlust unisoliert	[W]	44	54	75	114	139	193	262	367	574	858
Wärmeverlust isoliert	[W]	6	6	7	9	9	11	14	19	28	40
Einsparung	[W]	38	48	68	105	130	183	248	349	546	818
Wärmeverlust bei 8 000 Bh/a	[kWh/a]	304	384	541	842	1.037	1.462	1.982	2.788	4.367	6.544
Einsparung bei 8,5 Ct/kWh	[€/a]	26	33	46	72	88	124	168	237	371	556

Wärmeverluste und Betriebskosten von unisolierten Armaturen (Mediumstemperatur 100 °C, Umgebungstemperatur 20 °C)

Hinweise zur Tabelle

Mediumstemperatur 100 °C, Umgebungstemperatur 20 °C
Berechnung der Rohrleitungswärmeverluste in Anlehnung an VDI 2055 Blatt 1
Umrechnung der Wärmeverluste der Rohrleitungen in Wärmeverluste der Armaturen mit Längenfaktor 1,6 für isolierte Armaturen und Längenfaktor 2 für unisolierte Armaturen. (Somit ergeben sich deutlich konservativere Wärmeverluste für unisolierte Armaturen und geringere Einsparungen als über die Berechnung komplett nach VDI 2055 Blatt 1.)
Armaturenlänge nach DIN EN 558 Reihe 1
Gerechnet mit einer Isolierdicke von 100 % (Isolierstärke = DN bis DN 100; Isolierstärke = 100 mm ab DN 125)

Die Reduzierung der Wärmeverluste durch die Dämmung von Armaturen beträgt bei einer Mediumstemperatur von 100 °C und einer Armatur mit Nennweite DN 100 etwa 193 W. Bei einer Nennweite von DN 150 etwa 367 W. Bei Kosten für die Dämmung einer Armatur von 150 bis 300 € amortisiert sich die Investition in die Isolierung innerhalb eines Jahres.

Da in einem kompletten Heizungs- oder Heißwassersystem an vielen Stellen Armaturen benötigt werden, beträgt das Gesamtpotenzial durch Isolierung der Armaturen durchschnittlich etwa 1–5 % des Brennstoffverbrauchs.

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