Wärmetechnische Eigenschaften von Kunststoffrahmenprofilen

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1 Seite 1 von 10 ift Rosenheim Abteilung Bauphysik Wärmetechnische Eigenschaften von Kunststoffrahmenprofilen Einfluss der Kammeranzahl auf das wärmetechnische Verhalten 1 Einführung Vier Kammern müssen es schon sein eben Made in Germany so lautet das Zitat eines Rahmenprofilherstellers der Kunststofffensterbranche. Über solche oder ähnliche Werbeaussagen stolpert der interessierte Käufer, wenn er sich für ein neues Kunststofffenstersystem entscheiden soll. Von hochdämmenden Systemen mit mehr als 7 Kammern und von Systemen mit Vorsatzschale ist die Rede. Nicht erst mit der Einführung der Energieeinsparverordnung (EnEV) und dem damit verbundenen Wegfall der Rahmenmaterialgruppen ist das olympische Feuer in der Disziplin Wärmeschutz entfacht. Aufgrund der jetzt zu führenden Einzelnachweise der Wärmedurchgangskoeffizienten U f und der damit verbundenen Vergleichbarkeit wird das Rahmenprofil in der Eigenschaft Wärmeschutz bis zur Perfektion getrimmt. 2 Gegenwärtige Entwicklung der Konstruktionen hinsichtlich des Wärmeschutzes Die ersten Kunststofffenstersysteme wurden in den 50er und 60er Jahren entwickelt. Dabei verzichtete man häufig auf die Stahlverstärkungen, da man von der Annahme ausging, dass die auf den Rahmen wirkenden Kräfte allein durch den Kunststoff übernommen werden können. Mit zunehmenden Glasgewichten und Abmessungen der Fenster war der Rahmen aus Kunststoff den

2 Seite 2 von 10 statischen Ansprüchen nicht mehr gewachsen. Erst in den späten 60er Jahren wurden die Entwicklungen von Rahmenprofilen mit Stahlverstärkungen vorangetrieben, um dem Absatzrückgang bei den Kunststofffenstern entgegenzuwirken. Erst durch den Einsatz von Stahlverstärkungen aus Rohrprofilen konnte die Statik der Kunststoffprofile deutlich verbessert und der Marktanteil der Kunststofffenster wieder erhöht werden. 50er und 60er Jahre 60er und 70er Jahre 80er Jahre Neues Jahrtausend Entwicklungsjahre Weiterentwicklung Detailverbesserungen Neue Ansätze? und -ergänzungen Bild 1 Entwicklung der Kunststoffprofilsysteme der letzten 50 Jahre In den 80er und 90er Jahren wurde die Entwicklung im Bereich des Wärmeschutzes vorangetrieben. Konkret wurde der verbesserte Wärmeschutz durch sukzessive Erhöhung der Kammeranzahl umgesetzt, wodurch gleichzeitig auch die Bautiefe der Rahmenprofile zunahm. Bild 2 zeigt die erreichbaren Wärmedurchgangskoeffizienten der Rahmenprofile in Abhängigkeit verschiedener Kammeranzahlen. Aus dem Kurvenverlauf ist deutlich zu entnehmen, dass eine Verbesserung des Wärmedurchgangskoeffizienten durch eine größere Kammeranzahl erreichbar ist, jedoch nimmt die relative Verbesserung der Dämmwirkung mit zunehmender Kammeranzahl und Bautiefe ab. Weitere Verbesserungen im Bereich des Wärmeschutzes werden dadurch erreicht, dass die Abmessungen der Hauptkammer mit der Stahlaussteifung in ihrer Bautiefe verringert werden. Da Stahl mit einer Wärmeleitfähigkeit von λ = 50 W/(mK) fast den 300fachen Wert wie das Rahmenmaterial PVC mit einer Wärmeleitfähigkeit von λ = 0,17 W/(mK) aufweist, konnte der Einfluss der schlecht isolierenden Zone der Hauptkammer zwar reduziert werden, doch wurde damit auch der statisch wirksame Querschnitt des Rahmenprofils verringert

3 Seite 3 von U f in W/(m² K) Kammeranzahl Bild 2 Wärmedurchgangskoeffizienten U f von Kunststoffprofilen in Abhängigkeit von der Kammeranzahl Andere Konstruktionen versuchen, den wärmetechnischen Schwachpunkt Stahlaussteifung beispielsweise durch thermisch getrennte Aussteifungen zu optimieren. Derartige Systeme sind bereits am Markt erhältlich. Zur Sicherstellung der Gebrauchstauglichkeit dieser Fenster ist es notwendig, die statischen Eigenschaften und auch das Zeitstandverhalten solcher Systeme exakt zu ermitteln. 3 Leistungsfähigkeit des U f -Wertes von Rahmenprofilen Mit der Einführung der Energieeinsparverordnung und den damit zu berücksichtigenden europäischen Normen ist der Einzelnachweis des Wärmedurchgangskoeffizienten U f notwendig geworden. Es stehen keine Rahmenmaterialgruppen mehr zur Verfügung. Der Einzelnachweis der Wärmedurchgangskoeffizienten U f für Rahmenprofile aus Kunststoff kann erfolgen über: Tabelle D.1 der EN ISO Berechnung nach EN ISO Messung nach EN

4 0,25 Publikation ift Rosenheim Seite 4 von 10 Nach Tabelle D.1 der EN ISO (Tabelle 1) ist im Bereich der Hohlprofile aus PVC nur der Wärmedurchgangskoeffizient U f für Rahmen mit 2 bzw. 3 Kammern zu ermitteln. Tabelle 1 Tabelle D.1 EN ISO Rahmenmaterial Rahmenart U f in W/(m 2 K) Polyurethan Metallkern Dicke des PUR 5 mm 2,8 PVC-Hohlprofile Zwei Kammern außenseitig raumseitig 2,2 Drei Kammern außenseitig raumseitig 2,0 Bei Rahmenquerschnitten mit mehr Kammern oder auch bei Sonderkonstruktionen ist der Nachweis nur noch über Berechnung bzw. Messung möglich. 2,20 2,00 Tabelle EN ISO U f in W/(m² K) 1,80 1,60 1,40 Berechnung nach EN ISO Messung nach EN Anzahl der Messungen Bild 3 Vergleich der Nachweismethoden für den U f -Wert bei einem 3-Kammersystem mit Anschlagdichtung bei verschiedenen Flügel- Blendrahmenkombinationen

5 Seite 5 von 10 Entsprechend der Nachweismethode ergeben sich Unterschiede in den Absolutwerten der ermittelten Wärmedurchgangskoeffizienten U f von Rahmenprofilen. Bild 3 zeigt am Beispiel von 3-Kammersystemen, dass der Nachweis über die Tabelle mit einem pauschalen U f -Wert für ein Dreikammersystem mit 2,0 W/(m 2 K) ungünstiger liegt als die berechneten bzw. gemessenen Werte. Bei den Ergebnissen in Bild 3 handelt es sich um Prüfungen an Rahmenprofilen, die in den letzten zwei Jahren am ift Rosenheim durchgeführt wurden. Die Ergebnisse der Berechnungen und Messungen aus Bild 3 weisen eine Streuung von jeweils 0,2 W/(m 2 K) auf, obwohl nur Rahmenprofile mit 3 Kammern und Anschlagdichtungssysteme aufgetragen sind. Es müssen also weitere Einflussgrößen vorhanden sein, die neben der Kammeranzahl und der Ausbildung der Anschlagdichtung bzw. der Mitteldichtung zu einem veränderten Wärmedurchgangskoeffizienten führen. Neben der geometrischen Gestaltung sowie der Ansichtsbreite und der Bautiefe des Rahmenprofils spielt die Stahlaussteifung und deren Eigenschaft und Wirkung eine wichtige Rolle bei der Frage, welcher Wärmedurchgangskoeffizient mit einem Rahmenprofil erreicht werden kann. Der Abstand der Stahlaussteifung zur Kammerwand kann den Wärmedurchgang des Rahmenprofils entscheidend beeinflussen. Dabei ist es wichtig, die Verringerung des Flächenträgheitsmoments durch die Reduzierung der Bautiefe des Stahls dadurch wieder zu kompensieren, dass der Stahl beispielsweise in seiner statisch wirksamen Fläche durch Umfalzen der freien Schenkel wieder vergrößert wird. Je Millimeter Abstand zwischen Stahlaussteifung und Kammerwand verbessert sich der Wärmedurchgangskoeffizient des Rahmenprofils um ca. 0,01 W/(m 2 K). Wird zur Verbesserung der statischen Eigenschaften die Wanddicke des Stahlquerschnitts bei gleichbleibenden Außenmaßen erhöht, ist nur mit einer sehr geringen Verschlechterung des Wärmedurchgangskoeffizienten zu rechnen. Die Oberfläche der Stahlaussteifung weist aufgrund der Verzinkungsschicht ein Emissionsvermögen von ca. ε = 0,3 auf. Wird eine Berechnung nach EN ISO durchgeführt, ist eine Emission von ε = 0,9 anzusetzen. Würde man exemplarisch die Berechnung mit beiden Emissionseigenschaften an einem Dreikammerprofil mit verschiedenen Abständen der Stahlaussteifung zur Kammerwand durchführen, ist nach Bild 4 eine entsprechende Verbesserung der Wärmedurchgangskoeffizienten zu erkennen. Für die

6 Seite 6 von 10 Darstellung wurde an einer schematisierten Flügel-Blendrahmen-Profilkombination der Abstand der Aussteifung nach und nach erhöht; die errechneten Werte nach EN ISO wurden aufgetragen. Bei solchen Konstruktionen ist darauf zu achten, dass die Lastabtragung beispielsweise durch vorstehende Nasen in der Hauptkammer sichergestellt wird. 2,00 1,90 U f in W/(m² K) 1,80 1,70 1,60 ε = 0,9 ε = 0,3 s 1,50 s 1, Abstand s zwischen Stahlaussteifung und Kammerwand in mm Bild 4 Wärmedurchgangskoeffizient U f einer schematisierten Flügel-Blendrahmen- Profilkombination in Abhängigkeit des Abstandes zwischen Stahlaussteifung und Kammerwand bei unterschiedlichem Emissionsvermögen Allein der Einfluss des Abstandes der Aussteifung zur Kammerwand kann den Wert des Wärmedurchgangskoeffizienten entscheidend beeinflussen. Macht man sich die Einflussfaktoren, die in Bild 5 dargestellt sind, in entsprechender Weise zunutze, kann eine Rahmenprofilkombination trotz geringer Kammeranzahl gute Wärmedurchgangskoeffizienten erreichen. Bild 6 zeigt die Wertebereiche der U f -Werte, die sich aufgrund von Berechnungen von Flügel-Blendrahmen-Profilkombinationen bei verschiedenen Kammeranzahlen ergeben haben. Wie eingangs beschrieben nimmt die relative Verbesserung der Wärmedurchgangskoeffizienten mit zunehmender Kammeranzahl ab (Bild 2). Es ist daher kritisch zu hinterfragen, ob eine weitere Erhöhung der Kammeranzahl sinnvoll ist, wenn beispielsweise ein 5-Kammersystem mit optimiertem Wärmeschutz annähernd den gleichen U f -Wert erreicht wie ein 7-Kammersystem.

7 Seite 7 von 10 Anzahl und Geometrie der Kammern Anzahl der Dichtungsebenen Profilausbildung Bautiefe d f s df Abstand s zwischen Aussteifung und Kammerwand b 1max B b 2max Art und Form der Aussteifung Ansichtsbreite B der Profilkombination Ansichtsbreite b der Aussteifung Bild 5 Darstellung einer Flügel-Blendrahmen-Profilkombination (3 Kammern) mit Angabe der für den Wärmedurchgangskoeffizienten maßgeblichen Einflussgrößen 2,0 1,8 3-Kammerprofil AD U f in W/(m² K) 1,6 1,4 4-Kammerprofil AD 5-Kammerprofil AD 7-Kammerprofil AD 1,2 Kammeranzahl Bild 6 Wertebereiche des Wärmedurchgangskoeffizienten U f von Flügel- Blendrahmen-Profilkombinationen mit unterschiedlicher Kammeranzahl und Anschlagdichtung (AD) berechnet nach EN ISO Einfluss des Rahmens auf das Fenster und das Gebäude Betrachtet man das Bauteil Fenster, das letztendlich für die energetische Bewertung eines Gebäudes herangezogen wird, so kann an einem einfachen Beispiel veranschaulicht werden, in welchem Maße das Fenster durch den Rahmen und dessen wärmetechnische Eigenschaften beeinflusst wird.

8 Seite 8 von 10 Der Rahmen nimmt bei einem Fenster in der Regel einen Flächenanteil von ca. 20 bis 30 % ein. Die Verwendung eines verbesserten Rahmenprofils kann sich somit auch nur zu einem Teil auf das wärmetechnische Verhalten des gesamten Fensters auswirken. Im Regelfall erreicht die Verglasung einen besseren Wärmedurchgangskoeffizienten U g als der verwendete Rahmen. In diesem Fall ist der Einfluss der Rahmenansichtsbreite bei der Ermittlung des Wärmedurchgangskoeffizienten eines gesamten Fensters nicht zu vernachlässigen. Vergleicht man beispielsweise ein Fenster mit verschiedenen Ansichtsbreiten der Rahmen, kann allein bei Verwendung einer geringeren Ansichtsbreite und dem damit verbundenen größeren Glasanteil der Wärmedurchgang des Gesamtfensters um bis zu U W = 0,1 W/(m²K) verbessert werden. Dieser Theorie widerspricht die Verlängerung des Randverbundes bei Verwendung kleiner Ansichtsbreiten des Rahmen, da der längenbezogene Wärmedurchgangskoeffizient Ψ sich auf die sichtbare Länge des Randverbundes bezieht, und diese von der Ansichtsbreite des Rahmens abhängig ist. Der Einfluss ist jedoch nur sehr gering und würde die Gesamtbilanz um nur U W = 0,01 W/(m 2 K) erhöhen. Der Einbau des Rahmenprofils in die Fensterleibung beeinflusst nicht unwesentlich die Energiebilanz eines Gebäudes. Wird dieser nur unzureichend ausgeführt oder der Rahmen falsch positioniert, kann unter Umständen durch den Bauanschluss mehr Energie verloren gehen als durch das Rahmenprofil selbst. Somit kann nur die Verwendung eines wärmetechnisch optimierten Rahmenprofils in Verbindung mit einem richtig ausgeführten Baukörperanschluss zu einer nachweisbaren Verbesserung des Gesamtenergieverbrauchs eines Gebäudes führen. Werden beim Einbau eines Kunststoffrahmenprofils entsprechende Montageregeln und die Einbaulage berücksichtigt, ist die Tauwassergefahr bezogen auf die Profiloberfläche nur sehr gering. Bild 7 zeigt den Isothermenverlauf an einem Vierkammerprofilsystem mit Innenanschlag.

9 Seite 9 von 10 Außenlufttemperatur 15 C +10 C Innenlufttemperatur +20 C Bild 7 Isothermenverlauf an einem Vierkammerprofilsystem mit Innenanschlag 5 Der Siegertyp Sind Rahmenprofile im Bereich des Wärmeschutzes wirklich bis zur Perfektion getrimmt? Verschiedene Kammersysteme auf dem Markt versprechen, dass der Wärmeschutz um so besser wird, je mehr Kammern ein Profil hat. Dabei stellt sich die Frage, ob die Kammeranzahl wirklich das wärmetechnisch entscheidende Merkmal bezüglich des Wärmeschutzes ist. Viele Möglichkeiten bieten sich den Systemgebern, auch mit einer geringen Kammeranzahl vergleichsweise gute Wärmedurchgangskoeffizienten zu erreichen. Letztendlich entscheidet über die wärmetechnische Leistungsfähigkeit eines Rahmenprofils nur der Einzelnachweis des Wärmedurchgangskoeffizienten durch Berechnung oder Messung. Aber an den Rahmen werden nicht nur Anforderungen hinsichtlich des Wärmeschutzes gestellt. Er hat weitere Eigenschaften in vielerlei Funktionsbereichen zu erfüllen. Nur wenn es gelingt, die Leistungsfähigkeit eines Rahmen in seiner gesamten Bandbreite so zu verbessern, dass auch das Produkt Fenster allen Anforderungen optimal gewachsen ist, steht der Siegertyp fest.

10 Seite 10 von 10 Schlagregendichtheit, Luftdichtheit, Lüftung Wärme und Licht Schallschutz Sicherheit, Einbruchhemmung, Brand-, Beschussund Explosionshemmung Mechanische Belastbarkeit, Durchbiegung, Bedienung Bild 8 Anforderungen an das Bauteil Fenster; Wärmeschutz ist nur eine Einflussgröße Literatur [1] Kunststofffenster Bieter Bewertung; Worauf man achten sollte. Schorndorf: Verlag Karl Hoffmann [2] E DIN EN ISO : Wärmetechnisches Verhalten von Fenstern, Türen und Abschlüssen; Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten Teil 2: Numerisches Verfahren für Rahmen. Berlin: Beuth Verlag GmbH [3] E DIN EN : Fenster, Türen und Abschlüsse; Bestimmung des Wärmedurchgangskoeffizienten mittels des Heizkastenverfahrens Teil 2: Rahmen. Berlin: Beuth Verlag GmbH [4] DIN EN 12524: Baustoffe und produkte; Wärme- und feuchteschutztechnische Eigenschaften Tabellierte Bemessungswerte. Berlin: Beuth Verlag GmbH