Die Wärmedämmung eines Fensters wird im wesentlichen von zwei Faktoren bestimmt: dem Rahmen und der Verglasung. War bis vor wenigen Jahren der k-Wert des Kunstoffrahmens noch besser als der der Verglasung, so hat sich das Blatt inzwischen gewendet. Die Verglasung zog hinsichtlich der Wärmedämmung nicht nur mit dem Rahmen gleich, sondern ging sogar an ihm vorbei.
Profilentwicklung mit IQ: Sensationeller k-Wert 1,2 W/m2K
Rahmen + Verglasung = Fenster
Die Wärmedämmung eines Fensters wird im wesentlichen von zwei Faktoren bestimmt: dem Rahmen und der Verglasung. War bis vor wenigen Jahren der k-Wert des Kunstoffrahmens noch besser als der der Verglasung, so hat sich das Blatt inzwischen gewendet. Die Verglasung zog hinsichtlich der Wärmedämmung nicht nur mit dem Rahmen gleich, sondern ging sogar an ihm vorbei.
Die Bemühungen der Kunststofffenster-Systemgeber zielten darauf, diesen Vorsprung zumindest näherungsweise auszugleichen und Profile mit niedrigerem Wärmedurchgangskoeffizienten zu entwickeln. Der erste Schritt von nahezu allen Systemgebern bestand darin, eine Verbesserung des k-Wertes bei gleicher Bautiefe durch zusätzlich eingezogene Stege zu erzielen. "Bei der Erhöhung von Zweikammer- zu Dreikammerprofilen brachte dieser Versuch noch eine nennenswerte Verbesserung.
Eine weitere Steigerung der Kammernanzahl führte jedoch nicht zu den gewünschten Ergebnisssen", erläutert Bauingenieur Matthias Rühr von der GEALAN-Konstruktionsabteilung.
Komplexe Anforderungen an neues Profilsystem
Von Anfang an stand bei GEALAN prinzipiell fest, dass ein komplett neues System entwickelt werden muss, um den gewünschten Anforderungen gerecht zu werden; denn neben der verbesserten Wärmedämmung galt es, die zu-sätzlichen Eigenschaften zu erfüllen:
Lüftungsmöglichkeit
keine Verschlechterung der statischen Werte
schmale Ansichten
verbesserten Einbruchschutz
Recyclingfähigkeit
Für Matthias Rühr und seine Kollegen galt es, vor Aufnahme der Entwicklungsaktivitäten die grundsätzliche Frage zu klären, wie die Beschaffenheit eines Fensterpro-fils aussehen muss, das neben den aufgeführten Kriterien eine wesentlich bessere Wärmdämmung aufweist. Klar war, dass die Bautiefe entsprechend vergrößert werden mußte. Aus der Erfahrung mit dem System S 6000 wusste man bei GEALAN, eine Verbesserung des k-Wertes ist mit einem Mitteldichtungssystem leichter zu erreichen, als mit einem Anschlagdichtungssystem.
Aus der mittig angebrachten Dichtung im Blendrahmenfalz resultieren zwei stehende Luftschichten, die einen besseren Wärmedämmwert errmöglichen, als die große Luftschicht des ganzen Blendrahmenfalzes. Früh schied die in Betracht gezogenen Möglichkeit aus, Hohlkammern auszuschäumen oder evtl. auch geschäumte Vorsatzschalen vor die Rahmen zu setzen. Hier war man der Meinung, dass dieser Mix nur schwer zu recyceln ist und somit nicht in Frage kommt.
EDV-gestützte Profilentwicklung mit IQ
"Nachdem diese Möglichkeit verworfen wurde, konnte die Verbesserung des Wärmedurchgangskoeffizienten nur auf anderem Weg erzielt werden. Darin bestand für uns eine besondere Herausforderung," fährt Rühr fort. " Wir wollten der GEALAN-Linie treu bleiben und ein intelligentes Profil entwickeln, das unseren eigenen Ansprüchen gerecht wird. Eben ein Produkt mit IQ. Mit Hilfe unseres Isothermenprogrammes wollten wir das Innenleben des neuen Profils untersuchen und Schwachstellen sukzessive abstellen".
Bei der Entwicklung des neuen Systems war es für die GEALAN-Konstrukteure besonders wichtig, jede Änderung am Profil durch eine Vergleichsrechnung mit dem Isothermenprogramm hinsichtlich der Wärmedämmung zu untersuchen. Hier kam es zunächst nicht auf den k-Wert selbst an, sondern vielmehr um die Verbesserung des Wertes bezüglich der Veränderung am Profil. Wichtig war nur der Unterschied zwischen den einzelnen Entwicklungsstufen.
Um diese Vergleiche leichter vorliegen zu haben, wurde mit dem Programm der Uf – Wert bestimmt. Erstmals konnten auch die Wärmeströme innerhalb des Profils während der Entwicklungszeit graphisch dargestellt weerden. Diese Erkenntnisse waren für die Gestaltung und die Lage der inneren Stege und Kammern von großem Nutzen.
Der Weg der kleinen Schritte
"Der erste Schritt bestand darin, die neue Bautiefe festzulegen. Eine bessere Wärmedämmung durfte auf keinen Fall zu Lasten einer verschlechterten Statik erkauft werden," führt der Konstrukteur weiter aus. "Bei einer zunächst angedachten Bautiefe von 70 mm war nur eine Zwischenlösung möglich. Gute Dämmeigenschaften ließen sich so nur durch eine Verschlechterung der statischen Werte erreichen".
Auf der Basis der zunächst angedachten Bautiefe von 70 mm entstand die erste Zeichnung einer Flügel-Blenrahmen-Kombination, die in unser Isothermenprogramm übernommen wurde. Die Berechnung ergab als "Basiswert" einen Uf – Wert von 1,515 W/m2K. Auf Grundlage dieser Konstruktionsvorgabe sollte nun Schritt für Schritt das Profil optimiert werden. Für diese Detailarbeit waren die oben genannten Wärmeströme innerhalb des Profils und der Aussteifung wichtig. In der Abbildung sieht man den Fluß der Wärme farbig abgestuft. Helle bis weiße Bereiche zeigen einen sehr großen Wärmefluss an, der in der nächsten Variante möglichst eliminiert werden sollte.
Aussteifungsstahl als wärmetechnisches Hauptproblem
Der Bereich des größten Wärmeflusses ist erwartungsgemäß im Aussteifungsstahl zu finden. Nun kann generell nach einem anderen Material Ausschau gehalten werden, welches eine geringere Wärmeleitfähigkeit hat. Stahl jedoch ist von der Stabilität, der Kosten- und Bearbeitungsseite momentan das geeignetste Material. "Schon zuvor geführte Berechnungen haben gezeigt, daß der Stahl durch kleine Kunststoffnäschen von den Stegen getrennt werden muss, um den großflächigen Kontakt zwischen Stahl und Wandung zu unterbinden. Zu gute kommt auch, dass sich hier eine zusätzliche Kammer mit einer stehenden und somit gut dämmenden Luftschicht bildet," resümiert Matthias Rühr.
Um die Entkopplung des Stahles weiter zu verstärken, wurde bei der nächsten Variante die Bautiefe von 70 mm auf 72 mm erhöht. In Richtung des Wärmeflusses war nun Platz für eine zusätzliche Kammer. Zusätzlich wurde der Stahl auf zwei PVC-Füße gestellt, der den direkten Kontakt zum Blendrahmenrücken verhindern sollte. Der berechnete U-Wert betrug 1,457 W/m2K, was einer Änderung von 0,058 W/m2K zu dem Basiswert entsprach. "Die Begutachtung der Wärmeströme zeigt, dass die unteren Abstandhalter den Wärmestrom zum Stahl nicht unterbinden.
Das war auch für uns eine überraschende Erkenntnis. Der Wärmefluss fand komplett über die kleinen unteren Stege in den Stahl statt," so Matthias Rühr weiter. Aufgrund dieser Feststellung verzichteten die GEALAN-Konstrukteure bei der nächsten Entwicklungsstufe auf die unteren Abstandhalter. Dieser zusätzlich gewonnene Platz wird beim neuen Profil S 7000 IQ nun mit einem größeren Stahl genutzt, womit sich die Statik des Profils verbessert.
Optimierung bis ins Detail
Auch ein zweiter Schwachpunkt ließ sich durch die Wärmestromdarstellung aufdecken. Im Bereich des mittleren Dichtungsanschlags fand ein großer Wärmefluss zum Stahl hin statt. Zu erkennen ist dies an der hellen, bis weißen Farbe in der Darstellung. Dieser Bereich blieb bei der Profilentwicklung bisher immer unberücksichtigt. Der nächste Profilvorschlag sollte gerade diesen Punkt versuchen zu entschärfen.
Die Bautiefe wurde von zuletzt 72 mm auf 74 mm erhöht. Um den angesprochenen Bereich des mittleren Dichtungsanschlags zu verbessern, wurde an dessen vorderem Ende die Außenkontur nach oben gezogen. "Wir gingen davon aus, daß diese Maßnahme den Wärmstrom zum Stahl hin weitestgehend unterbinden würde. Die Berechnung hat unseren Gedankengang bestätigt. Das Wärmestrombild zeigt an diesem Bereich eine weitaus dunklere Farbgebung als die beiden vorausgehenden. Zwar findet noch ein Wärmefluss statt, jedoch ist dieser bei weitem geringer. Auch im Uf – Wert schlägt sich diese Verbesserung nieder. Hier erreichten wir einen Vergleichswert von 1,437 W/m2K", so Rühr.
Geprüfter k-Wert von 1,2 W/m2K
Mit diesen Vorgaben konnte dann das Profil erstellt werden. In der Hotbox wurde auf herkömmliche Art und Weise eine k-Wert-Prüfung durchgeführt. Der Uf – Wert kann nach Aussage der Fachkreise um ca. 0,2 W/m2K vom k-Wert nach oben abweichen. Man konnte durch die vorausgehenden Berechnungen sicher sein, dass hier im Bezug auf den k-Wert ein großer Schritt nach vorne getan wurde. Die Prüfung beim ift in Rosenheim bestätigte die GEALAN-Berechnung des hervorragenden k-Wertes von 1,2 W/m2K.
Den Blick nach vorne gerichtet
Was wird sich in der Entwicklung neuer Kunststofffensterprofile tun? Wohin werden die k-Werte, bzw. die Uf – Werte einzelner Profilkombinationen gehen? Für Rühr steht fest: "Die Bautiefen werden weiter steigen und die Anzahl der Kammern sich erhöhen. So wird in nicht all zu langer Zukunft auch ein k-Wert von 1,0 W/m2K realisierbar sein. Natürlich müssen wir uns nach der Einführung der Energieeinsparverordnung an zunächst betragsmäßig höhere Werte gewöhnen, was aber nichts an der Tatsache ändert, dass die Wärmedämmung der Fenster weiter zunehmen wird".