Projekt 09639/01

Wärme-Plus-Fenster – Entwicklung eines hochgedämmten Fensterrahmens insbesondere für den Einsatz in Passivhäusern

Projektdurchführung

ISOFACH Sanierungsgestaltungs GmbH
Lange Str. 18
34131 Kassel

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

In den letzten fünfzehn Jahren hat sich eine revolutionäre Entwicklung der Verglasungsqualität vollzogen, wodurch sich die Wärmeverluste von Fensterverglasungen um den Faktor 10 reduzieren ließen. Die thermischen Eigenschaften der Fensterrahmen haben bei dieser Entwicklung nicht mitgehalten. Das Einsparpotential der Verglasung lässt sich jedoch nur mit einem sehr guten Rahmen voll ausschöpfen.
Bei Passivhäusern und sehr guten Niedrigenergiehäusern ist die Vermeidung bzw. Verringerung von Wärmebrücken eine unbedingte Notwendigkeit. Zielsetzung des Vorhabens ist es, Rahmenprofile zu entwickeln mit einem angepassten Wärmedämmwert.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenMit den üblichen Fensterrahmenmaterialien, z. B. Holz, lassen sich Fensterrahmen in der gewünschten Qualität kaum herstellen. Nur mit Materialien mit einer sehr geringen Wärmeleitfähigkeit lassen sich entsprechende Ergebnisse erzielen. PU-Hartschäume sind für diese Zielsetzung die geeignetsten Materialien. PU-Isolierschäume weisen Wärmeleitwerte von <0,03 W/(mK) auf und PU-Hartintegralschäume von ca. 0,06 W/(m K). Zum Vergleich: Fichtenholz hat einen Wärmeleitwert von 0,13 W/(mK).
Die Technik einer Kombination von zwei verschiedenen PU-Schäumen ist im Fensterprofilbau unbekannt. Hier war es notwendig, durch mehrere Versuche die Machbarkeit solcher Techniken nachzuweisen. Der hohe Aufwand für den Bau der Formen lässt allerdings nur eine begrenzte Zahl von Versuchen zu. Durch Berechnungen der Wärmebrückenverlustkoeffizienten wurden dann die Energieverluste verschiedener Profilvarianten ermittelt. Schrittweise wurde eine Optimierung der Formgebung erzielt. Hierbei wurde deutlich, dass nur der eingeschlagene Weg mit einer Kombination von PU-Hartintegralschaum und PU-Isolierschaum zu den gewünschten Ergebnissen führt.
Der größere Aufwand, der durch die Verarbeitung von zwei Schaumsystemen entsteht, wird durch einen geringeren Materialverbrauch ausgeglichen, denn für den Isolierschaum wird nur 1/10 der Rohstoffmenge benötigt.


Ergebnisse und Diskussion

Nachdem die Formgebung unter energetischen Gesichtspunkten rechnerisch optimiert wurde und damit das technisch machbare Optimum erreicht wurde (es wurde ein Wärmebrückenverlustkoeffizient von 0,0137 W/(mK) erreicht), galt es anschließend, noch eine Optimierung bezüglich der Profilfertigung vorzunehmen. Zugunsten einer kostengünstigeren Fertigungsweise musste eine geringfügige Einbuße der energetischen Qualität hingenommen werden. Der jetzige Wärmebrückenverlustkoeffizient beträgt 0,0215 W/(mK). Der Fenster U-Wert eines 1,2x1,2 m großen Fensters mit einem Scheiben U-Wert von 0,7 W/(m²K) beträgt 0,758 W/(m²K). Damit wurde erstmals ein passivhaustaugliches Fenster konstruiert, das nach der Definition Passivhaustauglich einen U-Wert von 0,8 W(m²K) unterschreitet.
Die Formen für die ersten Prototypen wurden entsprechend den rechnerisch optimierten Profilen gebaut. Bei diesen Fensterprofilen wurde zunächst der Hartintegralschaum in die Form gegossen und in einem zweiten Arbeitsschritt der Isolierschaum. Für diese Vorgehensweise ist eine Blindform erforderlich, mit deren Hilfe der Hohlraum für den Isolierschaum geschaffen wird. Mit dieser Technik wurden gute Ergebnisse erzielt.

Eine andere Technologie, die eine wirtschaftlichere Herstellung der Fensterprofile verspricht, wurde von der Firma Puren in Überlingen ins Gespräch gebracht. Bei dieser Technik soll der Isolierkern aus Blockmaterial in der benötigten Form ausgeschnitten, dann in die Form eingelegt und anschließend mit dem PU-Hartintegralschaum eingegossen werden. Um diese Technologie ausprobieren zu können, mussten allerdings die Formen nochmals umgebaut werden.

Nach ersten Versuchen bei der Firma Puren zeigte sich, dass durch die unterschiedliche Materialverteilung des Hartintegralschaumes die Profile nach dem Ausschalen krumm wurden. Die Formen wurden dann ins Technikum der Firma BAYER nach Leverkusen gebracht. Hier sollten durch verschiedene Versuche der Materialverteilung der Mangel dieser Fertigungstechnik beseitigt werden, was allerdings noch nicht ganz gelungen ist. Durch das Einkleben der Metallprofile konnte die leichte Biegung der Profile korrigiert werden und ein weiteres Musterfenster gebaut werden. Nach diesen insgesamt positiven Erfahrungen fand ein Gespräch mit den Fachleuten des Instituts für Fenstertechnik (ift) in Rosenheim statt. Die Formgebung des Fensters wurde nun nochmals nach Wünschen des Rosenheimer Fensterinstituts korrigiert. Danach hat die Firma Puren einen Formenbaubetrieb beauftragt, Formen aus Aluminium-Blockmaterial herzustellen.

Mit den neuen präziseren Formen konnte nun eine deutlich höhere Verdichtung des Hartintegralschaumes erreicht werden. Dies hatte allerdings ebenfalls wieder den Effekt, daß die Profile nach dem Ausschalen krumm wurden. Die Oberflächenqualität der Profile hat sich durch die höhere Materialverdichtung erheblich verbessert. Mit diesen Profilen wurde ein weiteres Musterfenster gebaut, das zum Messen der energetischen Qualität zur Universität nach Lund gebracht wurde. Unter Leitung von Herrn Dr. Feist wurden die Messungen durchgeführt. Die Messergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung mit den zuvor ermittelten rechnerischen Werten (Der UF-Wert betrug 0,666 W/(m²K).

Ergänzend zum Fenster werden diverse Zusatzelemente, wie Festverglasung, Einbauzargen, vorgefertigte Laibungselemente, wärmebrückenminimierte Kraftanker zur Befestigung von Balkongeländern entwickelt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das Fenster wurde auf der 2. und 3. Passivhaus-Tagung in Düsseldorf und Bregenz der Öffentlichkeit vorgestellt.


Fazit

Das Projekt wurde erfolgreich abgeschlossen. Die für Passivhäuser angestrebten energetischen Bewertungskriterien UW < 0,8 W/(m2K) wurde mit UW 0,76 W/(m2K) mit einer Verglasung Ug 0,66 W/(m2K) deutlich unterschritten. Der Rahmen U-Wert beträgt 0,51 W/(m2K) - ein bisher noch nicht erreichter Wert.