Extrudiertes Polystyrol bietet in unterirdischen Anwendungen höhere Wärmedämmwerte (R-Werte) als expandiertes Polystyrol.

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ABSTRAKT

Eine neue Studie des Alaska University Transportation Center der University of Alaska Fairbanks (die Connor-Studie [1]) berichtete kürzlich über die Wärmedurchgangswiderstandswerte (R-Werte) von Dämmstoffen, die aus unterirdischen Anwendungen in anspruchsvollen Klimazonen entfernt wurden. Die Studie ergänzt die Daten zweier ähnlicher Vorstudien [2, 3]. In den drei Studien wurden die Wärmedurchgangswiderstandswerte (R-Werte) pro Zoll von extrudiertem Polystyrol (XPS) und expandiertem Polystyrol (EPS) ermittelt, die unter Straßen und Start- und Landebahnen von Flughäfen mit einer Nutzungsdauer von 1 bis 31 Jahren verbaut wurden. Die Daten dieser drei Studien wurden zusammengeführt, um die Leistung von XPS und EPS im Einsatz unter anspruchsvollen Bedingungen im Erdreich zuverlässiger zu bestimmen. Die neuen Daten bestätigen frühere Ergebnisse, die einen höheren Wärmedurchgangswiderstand pro Zoll für XPS im Vergleich zu EPS belegen. Tatsächlich zeigen die neuen Ergebnisse, dass die früheren Ergebnisse die Abnahme des Wärmedurchgangswiderstands von EPS im Laufe der Zeit unterschätzt haben. Um den gleichen Wärmedurchgangswiderstand (R-Wert) im Einsatz zu erreichen, muss EPS 1,5- bis 2-mal dicker sein als XPS.

EINFÜHRUNG

Der Wärmedurchgangskoeffizient (R-Wert) von Polystyrol-Dämmstoffen unter Straßen und Flugplätzen in kalten Klimazonen ist entscheidend, um die Infrastruktur vor Schäden durch Frosthebung und Permafrosttauen zu schützen. Daher müssen die wichtigsten Faktoren, die die Wärmedurchgangskoeffizienten im Betrieb beeinflussen, wie Alterung und Feuchtigkeitsaufnahme, berücksichtigt werden. Architekten, Ingenieure, Berater und erfahrene Bauplaner, die sich für die Langzeitleistung von Polystyrol-Dämmstoffen interessieren, werden einen neuen, aufschlussreichen Bericht über Testergebnisse von 15 vor Ort entnommenen Polystyrol-Dämmstoffproben aus drei verschiedenen unterirdischen Bereichen in kalten Klimazonen Alaskas zu schätzen wissen [1].

Der Abschlussbericht der Connor-Studie [1] kam zu folgenden Ergebnissen:

  1. Um den gleichen Wärmedurchgangskoeffizienten (R-Wert) im Gebrauch zu erreichen, muss EPS 1,5- bis 2-mal dicker sein als XPS.
  2. Die neuen Daten bestätigen frühere Ergebnisse, die einen höheren Wärmedurchgangskoeffizienten (R-Wert) pro Zoll für XPS im Vergleich zu EPS belegen. Tatsächlich deuten die neuen Ergebnisse darauf hin, dass die früheren Ergebnisse die Abnahme des Wärmedurchgangskoeffizienten von EPS im Laufe der Zeit unterschätzt haben.
  3. Vergleichende Labortests im kleinen Maßstab, die zur Klassifizierung von EPS- und XPS-Produkten verwendet werden (wie z. B. ASTM C272 [4] oder ASTM D2842 [5], auf die in den Materialnormen ASTM C578 [6] und CAN/ULC S701.1 [7] verwiesen wird), berücksichtigen den tatsächlichen Langzeit-R-Wert, der in der Praxis erreicht wird, nicht vollständig.
  4. Neuere EPS-Produkte führten nicht zu einer Verbesserung der R-Wert-Leistung, die nach der Feldgewinnung und jahrelanger Exposition unterhalb der Geländeoberfläche festgestellt wurde.
  5. Die Feuchtigkeitsaufnahme hat bei EPS einen wesentlich größeren negativen Einfluss auf den Wärmedämmwert (R-Wert) im Betrieb als die Feuchtigkeitsaufnahme und Alterung bei XPS.

HINTERGRUND

Vor der Connor-Studie betrug die älteste in den drei Berichten erfasste XPS-Probe 25 Jahre, die älteste EPS-Probe 15 Jahre. Die Gesamtzahl der Datenpunkte für XPS und EPS lag bei 18 bzw. 7. Die Connor-Studie lieferte zusätzliche Daten zu EPS- und XPS-Dämmstoffen, insbesondere für längere Nutzungsdauern, und ermöglichte so eine aktualisierte Vergleichsbewertung über einen ähnlichen Zeitraum.

Frühere Studien

Die Esch-Studie [2] untersuchte zuvor 14,7 Fahrstreifenkilometer Straßen und 9.750 Fuß Flugfeldpiste, die vom Alaska Department of Highways zur Eindämmung von Frosthebung und Permafrosttauen errichtet wurden. In diesen Bereichen wurden Ende der 1960er Jahre Dämmmaterialien unterhalb der Geländeoberfläche verlegt und um 1984 zur späteren Auswertung entnommen. Die EPS-Proben waren 3 und 15 Jahre alt, die XPS-Proben 3, 5, 10, 15, 20 und 25 Jahre.

Die Studie von Pouliot und Savard [3] untersuchte später einen etwa 385 Meter langen Testabschnitt einer Fahrbahn in Saints-Martyrs-Canadiens, Québec (südlich von Québec), um die Leistungsfähigkeit von ungedämmten und gedämmten Fahrbahnabschnitten mit XPS und EPS zu vergleichen. Die Fahrbahn wurde 1995 gebaut, und die XPS- und EPS-Materialien wurden nach 1, 3, 5 und 7 Jahren Nutzung entnommen.

Vorhandene Dickenverhältnisse

Eine gängige Methode zur vergleichenden Bewertung von Polystyrol-Dämmstoffen ist die Angabe des Dickenverhältnisses. Die empfohlene EPS-Dämmdicke ergibt sich aus der Multiplikation der erforderlichen XPS-Dicke mit dem EPS/XPS-Dickenverhältnis. Benötigt die Konstruktion beispielsweise 10 cm XPS und beträgt das empfohlene Dickenverhältnis 1,5, so sollte die Spezifikation eine EPS-Dicke von 1,5 × 10 cm vorschreiben. Alternativ zu den 10 cm XPS wären 15 cm EPS erforderlich. In der Esch-Studie von 1986 wurde ein Dickenverhältnis von 1,36 empfohlen. In der Pouliot-und-Savard-Studie von 2003 lag es bei 1,20. Die Connor-Studie hingegen schlägt vor, die EPS-Dicke auf das 1,5- bis 2-Fache der XPS-Dicke zu erhöhen. Das Dickenverhältnis von EPS zu XPS wird üblicherweise aus bestehenden Bemessungsunterlagen wie ASCE 32 abgeleitet. Für horizontal verlegte Dämmstoffe empfehlen die ASCE 32-Norm für frostgeschützte Flachfundamente [8] und der International Residential Code [9] ein Dickenverhältnis von 1,43 für EPS Typ IX mit einem Bemessungswärmedurchgangskoeffizienten (R-Wert) von 2,8 im Vergleich zu XPS Typ IV mit einem Bemessungswärmedurchgangskoeffizienten (R-Wert) von 4,0 für die horizontale Verlegung in frostgeschützten Flachfundamenten. Diese Dämmstofftypen weisen ähnliche Dichten gemäß ASTM C578 auf. Das berechnete Dickenverhältnis von 1,43 basiert auf einer umfassenden Literaturrecherche [10]. Das von ASCE 32 vorgeschriebene Dickenverhältnis von 1,43 berücksichtigt die Unsicherheit hinsichtlich der Wirksamkeit von Fundamentdrainagemaßnahmen und die Möglichkeit ungünstigerer Bodenverhältnisse. Neben zwei früheren Studien liefert die Connor-Studie weitere Informationen zu diesen empfohlenen Dickenverhältnissen. Die Bodenverhältnisse variieren von Standort zu Standort und verschärfen sich mit zunehmender Nutzungsdauer.

DIE CONNOR-STUDIE

Die Connor-Studie liefert neue Langzeitdaten aus dem praktischen Einsatz, die zusätzliche Einblicke in das Feuchtigkeitsverhalten älterer und neuerer EPS- und XPS-Produkte ermöglichen. Die Daten zeigen, dass das Wärme- und Feuchtigkeitsverhalten neuerer EPS-Produkte (nach etwa fünf Jahren Einsatz) dem älterer EPS-Produkte entspricht. Die neuen Daten bestärken die Annahme, dass die in ASCE 32 sowie in den Studien von Esch und Pouliot und Savard vorgeschriebenen Dickenverhältnisse gültig sind oder sogar unterschätzt werden. Die Daten bestätigen weiterhin die überlegene Wärme- und Feuchtigkeitsbeständigkeit von XPS in Anwendungen unterhalb der Erdoberfläche.

Die EPS-Proben der Connor-Studie waren fünf Jahre (Dalton Highway, Alaska) bzw. 21 Jahre (Cripple Creek Highway, Alaska) unterirdischen Bedingungen ausgesetzt. Die XPS-Dämmstoffe wurden 31 Jahre lang unter diesen Bedingungen eingesetzt (Flughafen Golivan, Alaska). Diese Proben liefern zusätzliche Leistungsdaten für EPS und XPS nach 21 bzw. 31 Jahren Einsatzdauer. Die aus den unterirdischen Bereichen entnommenen EPS- und XPS-Proben wurden eingehend untersucht. Die Forscher stellten deutliche Unterschiede im effektiven Wärmedurchgangskoeffizienten (R-Wert) und im Wasseraufnahmeverhalten fest.

Die verschiedenen Standorte ermöglichen die Untersuchung der Leistungsfähigkeit unter verschiedensten Bedingungen mit einer ausreichend großen Stichprobe, um längerfristige Trends aufzuzeigen. Während dieser langen Einsatzzeiten waren die Polystyrol-Dämmstoffproben den Einflüssen von Alterung, Feuchtigkeitsaufnahme und -trocknung sowie Druckkräften ausgesetzt. Die zusammengefassten Daten aller drei Studien für EPS und XPS umfassen Stichprobenumfänge von 19 bzw. 21 Proben; die ältesten Proben waren 21 bzw. 31 Jahre im Einsatz. Die Ergebnisse zur Wärmedämmleistung (R-Wert) sind nachfolgend aufgeführt und in Abbildung 1 dargestellt.

Die Ergebnisse der Connor-Studie zeigen einen rapiden Abfall des Wärmedurchgangskoeffizienten (R-Wert) pro Zoll für EPS in den ersten fünf Betriebsjahren (R-Werte pro Zoll im Betriebszustand: 3,13 bis 3,70). Im Vergleich dazu sanken die R-Werte pro Zoll für XPS nach fünf Betriebsjahren bei zuvor gemessenen XPS-Proben nur allmählich (R-Werte pro Zoll: 4,51 bis 5,15). Die Connor-Studie ergab außerdem, dass die R-Werte pro Zoll für XPS kontinuierlich abnahmen und sich nach 31 Betriebsjahren bei einem Durchschnittswert von etwa 4,1 einpendelten. Im Vergleich dazu sanken die R-Werte pro Zoll für EPS rapide und erreichten nach 21 Betriebsjahren einen Durchschnittswert von etwa 2,2.

Abbildung 1: Wärmedurchgangswiderstand (R-Wert pro Zoll in °F h ft² / Btu) in Abhängigkeit von der Betriebsdauer Abbildung 1: Wärmedurchgangswiderstand (R-Wert pro Zoll in °F h ft²/Btu) in Abhängigkeit von der Betriebsdauer. Die Grafik zeigt die von Connor tabellarisch dargestellten Datenpunkte. Zusätzlich sind die Ausgleichskurve und die Ausgleichskurve minus einer Standardabweichung für EPS- und XPS-Proben gemäß Connors Gleichungsform dargestellt.

Abbildung 1 zeigt die Datenpunkte für den Wärmedurchgangskoeffizienten (R-Wert) pro Zoll im Betrieb, wie sie in der Connor-Studie ermittelt wurden. Die neuen Datenpunkte bestätigen frühere Ergebnisse, die einen höheren R-Wert pro Zoll für XPS im Vergleich zu EPS belegen. Tatsächlich deuten die neuen Ergebnisse darauf hin, dass die früheren Ergebnisse die Abnahme des Wärmedurchgangskoeffizienten von EPS im Laufe der Zeit unterschätzt haben.

Die Connor-Studie entwickelt das Konzept des durchschnittlichen Wärmedurchgangskoeffizienten (R-Wert) pro Zoll minus einer Standardabweichung (durchgezogene Linie in Abbildung 1) als eine Möglichkeit, die erforderlichen Dämmstoffdicken zu berechnen, um der Belastung durch extreme Bedingungen unterhalb der Erdoberfläche im Betrieb Rechnung zu tragen.

Um die mit der Nutzungsdauer abnehmenden Wärmedurchgangskoeffizienten (R-Werte) pro Zoll zu berücksichtigen, werden verschiedene Verfahren und entsprechende Multiplikatoren vorgeschlagen. Unabhängig vom gewählten Verfahren kommt die Connor-Studie zu dem Schluss, dass EPS-Schichten 1,5- bis 2-mal so dick wie XPS-Schichten sein müssen, um die gleiche Wärmeleistung wie XPS zu erzielen.

Implikationen für weitere Forschung

Faktoren, die die Leistung eines Dämmstoffs im praktischen Einsatz beeinflussen, sind unter anderem der Wärmedurchgangskoeffizient (R-Wert), Feuchtigkeit, Temperatur, Alterung, die Beschaffenheit des angrenzenden Bodens, die Wasserableitung und die Qualität der Installation. Alle XPS- und EPS-Polystyrolprodukte werden gemäß vergleichenden Labortests im kleinen Maßstab nach den Normen ASTM C578 [6], CAN/ULC S701.1 [7] oder AASHTO M230 [11] in Typen eingeteilt. Es ist irreführend, diese Ergebnisse aus kleinen Labortests auf die tatsächliche Leistung im praktischen Einsatz zu übertragen, insbesondere angesichts der vielen oben genannten Einflussfaktoren.

Beispielsweise wird der Langzeit-Wärmedurchgangswiderstand (LTTR) [12] bzw. die Alterung, die auf einem kurzfristigen, kleinmaßstäblichen Labortest basiert, von einigen als Auslegungs-R-Wert und wichtigstes Produktkriterium angesehen. Diese Annahme ist unzutreffend. Eine einzelne, kleinmaßstäbliche Testcharakteristik wie die Alterung sagt den im Betrieb vorgesehenen Wärmedurchgangswiderstand einer Isolierung nicht präzise voraus, insbesondere wenn die tatsächliche, im Feld erprobte Leistung der Isolierung unter extremen realen Bedingungen bereits bestätigt wurde.

Darüber hinaus lässt sich aus einer Feldstudie in einer Region des Landes aufgrund der unterschiedlichen Klimazonen und Bodenverhältnisse möglicherweise nicht die Leistung in allen anderen Regionen ableiten. Glücklicherweise untersuchten diese drei Studien verschiedene Klimazonen mit ausgeprägten Frost-Tau-Wechseln, wie beispielsweise Fairbanks, Alaska, und Quebec, Kanada. Die Studien liefern wichtige Langzeitdaten, während die zur Klassifizierung von Polystyrol verwendeten kleinmaßstäblichen Testmethoden keine Aussagekraft über die Langzeitleistung haben. Der Anwender ist dafür verantwortlich, sicherzustellen, dass diese Forschungsdaten auf seine Klimaregion anwendbar sind.

Eine weitere wichtige Erkenntnis der Connor-Studie weist auf die Nachteile von Feuchtigkeitsaufnahmemessungen im kleinen Maßstab als Indikator für die Leistung im praktischen Einsatz hin. Neben der Messung des Wärmedurchgangskoeffizienten (R-Wert pro Zoll) wurde die Feuchtigkeitsaufnahme aller Proben gemessen. Die Connor-Studie untersuchte die Korrelation zwischen den Messwerten für die Wasseraufnahme (Wassergehalt in Volumenprozent) und den R-Werten pro Zoll. Ein EPS-Produkt wies laut Labortests im kleinen Maßstab (gemäß ASTM C578) die gleiche Feuchtigkeitsaufnahme wie XPS auf, zeigte aber im praktischen Einsatz deutlich andere Ergebnisse.

Anders ausgedrückt: Die verbesserten Ergebnisse der Feuchtigkeitsaufnahmetests im kleinen Maßstab für EPS führten nicht zu einer statistisch signifikanten Verbesserung der bereits raschen Verschlechterung des R-Werts von EPS aufgrund der Feuchtigkeitsaufnahme im Betrieb. In diesen Studien trägt der relative Unterschied in der Feuchtigkeitsaufnahme dazu bei, die Verschlechterung der R-Werte unterhalb der Geländeoberfläche im Betrieb zu erklären. XPS absorbierte in allen Studien im Durchschnitt weniger Feuchtigkeit als EPS; daher ist ein Dickenverhältnis für EPS-Produkte erforderlich.

ZUSAMMENFASSUNG UND SCHLUSSFOLGERUNGEN

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Widerstandsfähigkeit von XPS durch wissenschaftliche Studien und empirische Belege erneut bestätigt wurde.

Die Studie legt nahe, dass kleinmaßstäbliche Tests zur Klassifizierung von Produkten gemäß den Materialnormen ASTM C578 oder CAN/ULC S701.1 die tatsächlichen Leistungsminderungen im praktischen Einsatz nicht berücksichtigen. Die Feuchtigkeitsaufnahme von EPS hat einen deutlich größeren negativen Einfluss auf den Wärmedurchgangskoeffizienten (R-Wert) im Betrieb als Feuchtigkeitsaufnahme und Alterung bei XPS. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass EPS und XPS in diesen anspruchsvollen Anwendungen unterhalb der Erdoberfläche nach der Feuchtigkeitsaufnahme im Betrieb nur geringfügig austrocknen.

Als jüngste von drei derartigen Studien bestätigt die Connor-Studie den höheren Wärmewiderstand von XPS im Vergleich zu EPS und führt dies auf die geringere Feuchtigkeitsaufnahme von XPS im Vergleich zu EPS zurück; außerdem empfiehlt sie ein EPS-zu-XPS-Dickenverhältnis von 1,5 bis 2,0.

Hinweis: Eine Version dieser Studie, einschließlich Autoren, Danksagungen und Referenzen, finden Sie hier auf der Website der Extruded Polystyrene Foam Association .

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