Hochwärmedämmende Fenster- und Fassadensysteme (HWFF)

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1 Hochwärmedämmende Fenster- und Fassadensysteme (HWFF) Abschlussbericht Dezember 2011 Abschlussbericht zum Verbund Hochwärmedämmende Fenster- und Fassadensysteme (HWFF)

2 Dieses Forschungsvorhaben wurde gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages und betreut vom Projektträger Jülich (PtJ). Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren. Förderkennzeichen: A bis H Laufzeit: bis Redaktion: Siegfried Glaser, Glaser GmbH & Co. KG Projektkoordinator Siegfried Glaser Glaser FMB Am Kapellenberg Beverungen Tel.: Fax: s.glaser-fmb@t-online.de Seite 2 von 75

3 Ansprechpartner und Adressen der Verbundpartner: BBG GmbH & Co. KG Gerhard Hörtrich Heimenegger Weg Mindelheim Walter Stickling GmbH Michael Madecki Carl- Zeiss- Str Gütersloh VEKA AG Hermann Schmitz Dieselstraße Sendenhorst Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v. (ZAE Bayern) Dr. Helmut Weinläder Am Hubland Würzburg Schüring GmbH & Co. Fenster-Technologie KG Hans-Ulrich Förster Langbaurghstrasse Troisdorf Spich Roto Frank Bauelemente GmbH Dirk Stempfhuber Wilhelm-Frank-Straße Bad Mergentheim heroal- Johann Henkenjohann GmbH & Co. KG Michael Heidenfelder Österwieher Str Verl SKZ KFE ggmbh Süddeutsches Kunststoff-Zentrum Klaus Schink Friedrich-Bergius-Ring Würzburg Ansprechpartner und Adressen der Kooperationspartner: Bayer MaterialScience AG Division Polyurethanes Baysystems Moulded parts Peter Orywol Leverkusen Roto Frank AG Fenster- und Türtechnologie Eberhard Mammel Wilhelm-Frank-Platz Leinfelden-Echterdingen Lohmann GmbH & Co. KG Harald Krämer Irlicher Straße Neuwied Seite 3 von 75

4 Autorenliste in der Reihenfolge der Beiträge Siegfried Glaser Dr. Cornelia Stark Dr. Helmut Weinläder Manfred Popp, Klaus Schink Kyra Seibert Gerhard Hörtrich Glaser FMB GmbH & Co. KG für BBG GmbH & Co. KG Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v. (ZAE Bayern) SKZ KFE ggmbh Süddeutsches Kunststoff-Zentrum BBG GmbH & Co. KG Herbert Nonnen Schüring GmbH & Co. Fenster-Technologie KG Michael Madecki Walter Stickling GmbH Michael Heidenfelder heroal- Johann Henkenjohann GmbH & Co. KG Hermann Schmitz VEKA AG Dirk Stempfhuber Roto Frank Bauelemente GmbH Seite 4 von 75

5 Inhaltsverzeichnis 1 Projektinformationen und Ergebnisse Leistungsstarker Verbund Neuer, schlanker Fensterrahmen Ein starkes Profil und ein innovatives Fenster Thermisch optimiertes Fassadensystem Danksagung Thermische Optimierung und Charakterisierung, wissenschaftliche Öffentlichkeitsarbeit Zusammenfassung Ergebnisse... 9 Fensterprofil TT90-R... 9 Fassadenprofil 280 AF Verwertungsplanungen Öffentlichkeitsarbeit Konstruktive Gestaltung des neuen Fensterprofilsystems Zusammenfassung Aufgabenstellung und Ziele Schwachstellenanalyse bestehender PVC-Fenstersysteme Kammeroffenes KS-System Geschäumtes GS-System TopTherm Außenabmessungen...19 Glaseinstand...19 Beschlagsnuten...19 Dichtungen...20 Entwässerung...20 Anbindung an Ergänzungsprofile...21 Profilversteifungen Profil- und Systemprüfungen Zusammenfassung Aufgabenstellung und Ziele Profilprüfungen Systemprüfungen Ökobilanzieller Vergleich des TT90-R mit Fensterrahmen aus PVC und Aluminium Ziele und Untersuchungsrahmen Ergebnisse Konstruktive Optimierungen am Fassadensystem Zusammenfassung Aufgabenstellung und Ziele Befestigung der Druckleiste Gestaltung der Druckleiste Auslegung des Glasträgers Visualisierung der Entwürfe Entwicklung und Herstellung von Profil- Produktionstechniken für Fensterprofile; Profilproduktion für Prototypen und Referenzprojekte Aufgabe im Vorhaben Zusammenfassung...39 Seite 5 von 75

6 8 Konstruktion und Entwicklung von Beschlag und Versuchseinrichtungen, zum Fügen von Rahmen- und Flügelprofilen Zusammenfassung Konzept zur Konstruktion und Entwicklung von Blendrahmen- Flügel- und Pfostenprofil, hinsichtlich Beschlag und Entwässerung Zyklusprüfungen unter Maximallast, zur Ermittlung der Material- / Beschlagtauglichkeit Oberflächen Aufbau von Versuchsvorrichtungen, zum Fügen der Blendrahmen- und Flügelprofile Messen und Öffentlichkeitsarbeit Verwertungsplanung Herstellung von TopTherm 90 Fenster Zusammenfassung Ergebnisse Verwertungsplanungen Entwicklung und Herstellung von Profile für Fenster und Fassadensysteme Fenstersystem und Fassadensystem Fenstersystem...52 Umsetzung der Konstruktion...53 Ergebnis Teil 1: Fenstersystem...53 Verwertung Teil 1 : Fenstersystem Teil 2: Fassadensystem...54 Konzept und Konstruktion...54 Ergebnis Teil 2: Fassadensystem...57 Verwertung Teil 2 : Fassadensystem Entwicklung alternativer Fensterprofile, Einbringen der Erfahrungen eines Profilsystemherstellers Zusammenfassung Spezielle Untersuchungen und Entwicklungen von VEKA Ergebnisse Verwertungsplanungen Optimierungspotentiale für Wohndachfenster Aufgabenstellung und Ziele Wohndachfenstersysteme...64 Wärmetechnische Untersuchung...64 Statische Untersuchung Erzielte Ergebnisse Anwendungsanalyse Allgemeine Fensterprüfungen Vorträge, Veröffentlichungen und Informationsmöglichkeiten...74 Seite 6 von 75

7 1 Projektinformationen und Ergebnisse Siegfried Glaser Glaser FMB für Grenzebach GmbH Für die nachstehenden Ausführungen wurden teilweise Auszüge aus aktuellen HWFF- Projektveröffentlichungen genutzt. 1.1 Leistungsstarker Verbund Insgesamt waren zwei Forschungsinstitute und sieben mittelständische Unternehmen an dem mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) geförderten Forschungsprojekt beteiligt. Drei Kooperationspartner ergänzten die Entwicklungs- und Erprobungsarbeiten. 1.2 Neuer, schlanker Fensterrahmen Zwar haben sich die wärmedämmenden Eigenschaften von Verglasungen in den letzten dreißig Jahren erheblich verbessert. Bestes Beispiel ist die aktuelle Entwicklung des Vakuumisolierglases. Ein Vakuum im Scheibenzwischenraum ermöglicht hier Wärmedurchgangskoeffizienten für die Verglasung von 0,5 W/m²K. Trotzdem stellen Fenster im Vergleich zu Gebäudehüllen noch immer energetische Schwachstellen dar. Eine Ursache sind die aktuell verfügbaren Rahmen. Die Dämmwerte konventioneller Fensterrahmen liegen noch immer deutlich über den Wärmedurchgangskoeffizienten der besten Verglasungen. Sogar Passivhausfenster mit sehr guter Wärmedämmung für Rahmen und Dreischeibenverglasung erreichen kaum Uw-Werte unter 0,8 W/m²K. Der Preis hierfür sind schwerfällige Systeme mit verstärkten Profilen und Beschlägen sowie großen Bautiefen. Fazit: Die Zeit ist reif für Rahmen, die hochdämmend und trotzdem schlank und leicht sind. Im Forschungsprojekt Hochwärmedämmende Fenster- und Fassadensysteme sollten entsprechende Rahmenkonstruktionen für die Anwendungen als Standard-Fenster für den Neubau und die Sanierung im Wohnungsbau entwickelt werden. Bei den Entwicklungen sollten 3fach- Isoliergläser und Vakuumisoliergläser mit einbezogen werden. 1.3 Ein starkes Profil und ein innovatives Fenster Der gesamte neue Rahmen besteht aus Polyurethan (PU), allerdings in zwei Strukturformen. Der Dämmkern ist mit PU-Isolierschaum aufgeschäumt (Dichte: 110 g/l). Die durch die Aufschäumung entstehenden dünnen Wände mit Lufteinschlüssen führen zu einer geringen Wärmeleitfähigkeit. Warm- und Kaltseite sind thermisch weitestgehend voneinander entkoppelt. Eine dünne Schicht aus formstabilem und wetterfestem Polyurethan-Vollmaterial umhüllt den Schaumkern. Auch bei Temperaturen um 80 C ist Polyurethan fest und wärmebeständig. Die Funktionshülle besitzt eine variable Wandstärke und sichert die mechanischen und statischen Eigenschaften des Rahmens. Außerdem lässt sie gestalterischen Spielraum: Die Oberflächen können nahezu beliebig beklebt und lackiert werden. Das neue Profil besteht somit aus einem einzigen Material an einem Stück. Bei der späteren Entsorgung ergeben sich keine Probleme mit der Sortierung oder Verwertung. Das Gewicht des Sandwichaufbaus setzt sich zu 95% aus dem Hartschaumkern und zu 5% aus der Ummantelung zusammen. Bei dem beschriebenen Rahmen kann in vielen Fällen ohne Stahl- oder Aluminiumarmierung die nötige Stabilität erreicht werden. Auch daraus resultieren ein geringes Gewicht und niedrige Dämmwerte. Beim Einbau der Fenster gibt es keine Unterschiede zu herkömmlichen Rahmensystemen. Mit einem ebenfalls neu entwickelten Herstellungsverfahren wurden bereits erste Musterfenster hergestellt. Unter dem Namen TopTherm 90 wurden die Neuentwicklungen auf Fachmessen (Fensterbau, glasstec 2010) und Branchenveranstaltungen der Öffentlichkeit vorgestellt. Mit dieser Rahmenkonstruktion erhält man bei Seite 7 von 75

8 Verwendung von 3fach-Isolierglas passivhaustaugliche Fenster mit einem Fenster-U-Wert von 0,8 W/m²K. In Kombination mit Vakuumisolierglas erreicht man sogar einen Wert von 0,7 W/m²K. Die Zertifizierung beim Passivhaus Institut ist beauftragt. Berechnungen und Tests zeigten die auch sehr guten statischen Eigenschaften der entwickelten Konstruktion. Eine neuartige Klebetechnologie ermöglicht eine relativ einfache und kostengünstige Herstellung der Fenster. Weil auch Verglasung und Rahmen verklebt werden, ergibt sich eine erstaunlich gute statische Belastbarkeit. Die Demo- Produktion beim Partner Stickling in Gütersloh zeigt die wirtschaftliche Integration in vorhandene Produktionstechniken für Kunststofffenster. 1.4 Thermisch optimiertes Fassadensystem Ziel war ein thermisch optimiertes Fassadensystem mit der Möglichkeit, aktive Fassadenelemente aufzunehmen. Es sollte aus einem passiven Bauelement eine aktive Funktionseinheit aus Wetterschutz und Energieerzeugern entstehen. Dies ist in dem multifunktionalen Aktiv-Fassadensystem 280 AF umgesetzt worden. Neben ausgezeichneten Wärmedämmwerten weist die Fassade auch ein deutlich verbessertes Handling der Kabelführung von funktionalen Fassadenelementen wie PV-Modulen oder Fassadenkollektoren auf. Durch die geringfügig breitere innere Ansicht von 80 mm (außen 70 mm) und den integrierten Kabel-Verrohrungskanälen wurde ein Hauptanspruch an die Konstruktion, die Montage unabhängig von den Gewerken, realisiert. Das heißt, der Fassadenhersteller montiert die Fassade, führt z.b. die Anschlusskabel durch Kabeldurchführungen in den innen liegenden Kabelkanal, hier kann unabhängig von der Fassadenmontage der Installateur die Verkabelung durchführen. Durch die Lage der Kabelkanäle an den seitlichen Wangen der Fassadenprofile und reversiblen Abdeckungen ist es möglich, die Installation wie auch anfallende Wartungs- oder Reparaturarbeiten zeitlich unabhängig von der Fassadenmontage durchzuführen. Dieses System ermöglicht auch langfristig, auf innovative Entwicklungen von aktiven Fassadenelementen zu reagieren. Die bewährte Verbindungstechnik zwischen Pfosten und Riegel ermöglicht die einfache Weiterführung von Kabel und Rohren von der waagerechten in die senkrechte Ebene ohne zusätzliche Bearbeitung der Fassadenprofile. Die Pfosten- /Riegelbreite von 80 mm hat den weiteren Vorteil, dass die Einspanntiefe der Verglasung von üblicherweise 13 mm auf 20 mm wächst, was zum einen bei der Montage von Gläsern mit breiterem Randverbund (z.b. 3-fach Verglasung) wie auch auf die Randverbundverluste positive Auswirkungen hat. Die Fassadenprofile genügen aufgrund der bewährten Aluminiumausführung auch höchsten statischen Anforderungen und bieten hinsichtlich farblicher Gestaltung alle Möglichkeiten. Alle Komponenten lassen sich Sortenrein trennen und die Recyclingquote von Aluminium unterstreicht die Nachhaltigkeit eines solchen Fassadensystems. 1.5 Danksagung Ohne die finanzielle Förderung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) hätte das Verbundprojekt sicherlich nicht den guten Entwicklungsstand erreicht. Unser Dank gilt dem Projektträger des BMWi, PtJ, Forschungszentrum Jülich und hier insbesondere Herrn Markus Kratz, für die kooperative Projektbegleitung. Abschließend möchte ich allen Projektleitern der Teilaufgaben und den zahlreichen Mitarbeitern der beteiligten Unternehmen, Partner und Forschungsinstitute danken, mit deren engagiertem Einsatz das HWFF - Projekt wesentlich zum Erfolg geführt wurde. Seite 8 von 75

9 2 Thermische Optimierung und Charakterisierung, wissenschaftliche Öffentlichkeitsarbeit Dr. C. Stark, Dr. H. Weinläder ZAE Bayern 2.1 Zusammenfassung Am ZAE Bayern wurde eine hochgenaue Hot-Box-Apparatur zur Vermessung von Fensterund Profilsystemen in Anlehnung an die DIN EN aufgebaut. Das neuartige Fensterprofil TT90-R und die Pfosten-Riegelfassade 280 AF wurden mittels Simulationsrechnungen konzipiert, thermisch optimiert und die Dämmwerte anschließend experimentell validiert. Beide Systeme sind sowohl für die Aufnahme von Dreifachisolierglas als auch schlankem Vakuumisolierglas geeignet. Das TT90-R weist einen U f -Wert von 0,7 W/(m 2 K) sowie U w - Werte von 0,8 W/(m 2 K) bzw. 0,7 W/(m 2 K) mit Dreifachisolierglas bzw. Vakuumisolierglas auf. Die Fassade 280 AF erreicht bei 48 mm Dämmstärke einen U f -Wert von 0,8 W/(m 2 K) inklusive Schraubeneinfluss. 2.2 Ergebnisse Zu Projektbeginn wurde in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern Anforderungsprofile an die neuen Profilkonstruktionen erstellt. Fensterprofil TT90-R Ausgehend von Standardprofilen der Industriepartner wurden mittels Simulationsrechnungen thermische Optimierungskonzepte erarbeitet und den Projektpartnern vorgestellt. Am SKZ erfolgten begleitend hierzu die mechanischen Spannungsberechnungen. Die Ergebnisse zeigten, dass ein Ersatz der Stahlarmierung aus thermischer Sicht das größte Energieeinsparpotenzial verspricht. Hierdurch erhöht sich ohne große Änderung der Konstruktion die Dämmwirkung um bis zu 30%. Da bei den bisherigen Konstruktionen die verbleibenden Kunststoffstege immer noch Wärmebrücken darstellen, wurde mit der Konzeption neuartiger Aufbauten begonnen. Es wurde dabei auf eine vollständige thermische Trennung (also keine Verbindungsstege mehr) zwischen warmer und kalter Seite geachtet. Mit diesem Konzept erreicht man U f -Werte von ca. 0,5 W/(m 2 K) bei einer Profilbreite von 120 mm (s. Abb. 1). Um schlanke und architektonisch ansprechende Systeme zu ermöglichen, wurde eine Rahmentiefe von 90 mm als Standard auch für die Entwicklung eines neuen HWFF-Profils TT90-R festgelegt. Zur Herstellung des Profils wurde ein Herstellungsverfahren eingesetzt, bei dem ein Kern aus Dämmmaterial mit PU umschäumt wird. Die Firma BBG setzt dieses Verfahren bereits seit mehreren Jahren zum Umschäumen von Glasbauteilen (z.b. Automobilindustrie) ein. Das TT90-R wurde in enger Zusammenarbeit mit dem SKZ thermisch und statisch untersucht und optimiert. Bei BBG wurden erste Muster des GS-Profils in einer Pilotanlage gefertigt. Am ZAE erfolgte die thermische Charakterisierung, wobei an Materialproben die Wärmeleitfähigkeit von Dämmkern und Umhüllung ermittelt und anschließend mit den Messwerten eine thermische Simulation des Fensterrahmens durchgeführt wurde. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Prüfungen zur Statik erfolgten am SKZ. Seite 9 von 75

10 Abb. 1: Fensterrahmen mit thermischer Trennung zwischen kalter und warmer Seite (grün: Dämmschaum, rot: Purenit, blau: Gerüst aus PVC oder Alu). Bei einer Profilstärke von 120 mm erreicht man mit diesem Aufbau einen U f -Wert von 0,5 W/(m 2 K). Tabelle 1: Gemessene Wärmeleitfähigkeiten der Materialien des von BBG hergestellten TT90-R- Profils und aus diesen berechneter U f -Wert der gesamten Rahmenkonstruktion. Wärmeleitfähigkeit Dämmkern 0,034 W/(mK) Wärmeleitfähigkeit Umhüllung 0,20 W/(mK) U f -Wert Rahmenkonstruktion 0,74 W/(m 2 K) In Kombination mit Dreifachisolierglas mit U g = 0,7 W/(m 2 K) erreicht das TT90-R-Profil bei einer Standardgröße von 1,23 m x 1,48 m einen U w -Wert für das gesamte Fenster von 0,8 W/(m 2 K), bei Verwendung von Vakuumisolierglas (VIG U g = 0,5 W/(m 2 K)) sogar nur 0,7 W/(m 2 K). Verglichen mit Passivhausfenstern ergibt sich hieraus bei schlankerem Rahmenaufbau (90 mm statt 110 mm und größer) eine Verringerung der Wärmeverluste um rund 15 %. Abb. 2: Wärmestromberechnung des TT90-R-Profils mit Vakuumisolierglas (VIG) bei Verwendung der Materialparameter aus Tabelle 1. Im Rahmenprofil sind kaum noch Wärmebrücken vorhanden, der Großteil des Wärmestroms geht über den Randverbund des VIG. Im Rahmen einer Musterfertigung wurden bei BBG Flügel- und Rahmenprofile des TT90-R hergestellt und daraus bei der Firma Stickling zwei Fenster gefertigt. Eines der Fenster diente zur thermischen Validierung in der Hot-Box am ZAE Bayern, das zweite durchlief die me- Seite 10 von 75

11 U f [W/(m 2 K)] HWFF Abschlussbericht chanischen Prüfungen (Windlast- und Schlagregen). Im Folgenden wurden thermische Optimierungsvorschläge für das Profil erarbeitet. Abb. 3 zeigt den erreichbaren U f -Wert des TT90-R in Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeiten von Dämmkern und Hülle. Bei den ersten Musterprofilen wurde ein PU-Hüllmaterial mit einer bereits sehr geringen Wärmeleitfähigkeit von 0,2 W/(mK) eingesetzt. Wesentlich geringere Wärmeleitfähigkeiten sind bei PU nicht zu erwarten, so dass eine wärmetechnische Optimierung des Hüllmaterials nicht angestrebt wurde. 0,90 0,85 0,80 0,75 Abb. 3: 0,70 0,65 0,60 0,55 Wärmeleitfähigkeit des Schaums 0,045 W/(mK) 0,040 W/(mK) 0,034 W/(mK) 0,030 W/(mK) 0,025 W/(mK) 0,50 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 Wärmeleitfähigkeit der Hülle [W/(mK)] Berechneter U f -Wert des TT90-R als Funktion der Wärmeleitfähigkeit von Dämmkern und Hüllmaterial. Beim Dämmkern, einem PU-Schaum, wurde die Wärmeleitfähigkeit der ersten Profilmuster, wie sie auch bei den bisherigen Hot-Box-Messungen verwendet wurden, zu 0,034 W/(mK) bestimmt. Da der Dämmkern nicht wesentlich zur mechanischen Stabilität beiträgt, wurde hier eine thermische Optimierung (geringere Dichte des Schaums) angestrebt. Bei BBG wurden Versuche mit einem optimierten Schaum gefahren, dessen Wärmeleitfähigkeit am ZAE Bayern zu 0,027 W/(mK) bestimmt wurde. Für ein Profil mit dem optimierten Schaum wurde ein U f -Wert des TT90-R von 0,68 W/(m 2 K) bei einer Bautiefe von 90 mm gemessen. Bei Verwendung eines Dreifachisolierglases mit einem U g -Wert von 0,7 W/(m 2 K) und Edelstahlabstandhaltern ergab sich ein gemessener U w - Wert für das Standardfenster (1,23 m x 1,48 m) von 0,79 W/(m 2 K) (siehe Tabelle 2). Mit Vakuumisolierglas mit einem U g -Wert von 0,5 W/(m 2 K) ergibt sich ein rechnerischer U w -Wert von 0,67 W/(m 2 K). Tabelle 2: In der Hot-Box gemessene thermische Kenndaten des TT90-R mit optimiertem Dämmschaum. Das Fenster der Standardgröße 1,23 m x 1,48 m war mit Dreifachisolierglas (36 mm dick) mit U g = 0,7 W/(m 2 K) und Edelstahlabstandhaltern ausgestattet. System Kennwert Messwert Rechenwert TT90-R (Profil) U f [W/(m 2 K)] 0,68 0,67 TT90-R (Fenster) U w [W/(m 2 K)] 0,79 0,78 Seite 11 von 75

12 Bei einer Bautiefe von nur 90 mm stellt das TT90-R mit diesen Dämmwerten ein einzigartiges Profil dar, welches allen anderen momentan am Markt verfügbaren Fensterprofilen thermisch überlegen ist. Vergleichbare Dämmwerte erreichen momentan nur Passivhausfenster, allerdings bei deutlich dickeren Systemaufbauten. Für Standardfenstergrößen ist die mechanische Stabilität des TT90-R auch ohne weitere Maßnahmen ausreichend. Durch das Einbringen von Aluminiumeinlegern an der Innen- und Außenseite des Blendrahmenprofils kann die Stabilität im Bedarfsfall weiter erhöht werden ohne die Dämmeigenschaften signifikant zu verschlechtern (s. Abb. 4). Abb. 4: Querschnitt des TT90-R Profils mit Aluminiumeinlegern im Blendrahmen und 3-fach Isolierglas. Um den Bau von mehrflügeligen Fenstern zu ermöglichen, wurden aus dem gleichen Material Pfosten entworfen, die stets mit Aluminiumeinlegern verstärkt werden. Die wärmetechnischen Eigenschaften unterscheiden sich nur unwesentlich von den normalen Fensterrahmen. Fassadenprofil 280 AF Nach mehreren Optimierungsmaßnahmen wurde vom Projektpartner heroal ein Fassadenprofil entworfen und gefertigt und am ZAE Bayern thermisch charakterisiert. Eine wesentliche thermische Optimierungsmaßnahme stellte die Neugestaltung der Druckleiste dar, so dass diese starrer ist und dadurch der Schraubenabstand vergrößert werden kann. Darüber hinaus wurde der Pfosten durch Verbreiterung und größere Tiefe modifiziert, wodurch vielfältige Module in die Felder eingebaut werden können, die Anschlüsse für Elektrik oder Fluid benötigen. Diese Anschlüsse können beidseits ohne großen Aufwand nach dem Fertigstellen der Fassade eingebaut werden, die Gewerke können nacheinander und unabhängig voneinander ihre Leistungen erbringen. Die höhere Ansichtsbreite ermöglicht darüber hinaus den Einbau von Gläsern höherer Dicke und auch von Vakuumisolierglas, das einen höheren Glaseinstand benötigt. Durch den höheren Glaseinstand wird die Wärmebrücke am Rand aller Module entschärft. Die Profile wurden in der Hot-Box thermisch vermessen (s. Abb. 6). Die entsprechenden wärmetechnischen Werte sind in Tabelle 3 und Tabelle 4 dargestellt. Für den Einbau von Scheiben mit einem höheren Gewicht, zum Beispiel 3-fach Isolierglas, wurden von heroal verschraubbare Glasträger entwickelt. Diese wurden in der Hotbox am ZAE Bayern wärmetechnisch untersucht. In Tabelle 5 ist der Wärmebrückenzuschlag gegenüber einem Profil mit Edelstahlschrauben ohne Glasträger angegeben. Seite 12 von 75

13 Abb. 5: Eingebaute Pfosten 280 AF mit Dämmplatten zur thermischen Vermessung in der Hot-Box. Tabelle 3: Berechnete thermische Kenndaten des 280 AF. System Kennwert 28 mm 48 mm 280 AF ohne Schraube U f [W/(m 2 K)] 1,00 0, AF mit Edelstahlschrauben (Durchmesser 4,5 mm und Abstand 30 cm) U f [W/(m 2 K)] 1,21 0,81 Seite 13 von 75

14 Tabelle 4: Gemessene thermische Kenndaten des 280 AF. System Kennwert 28 mm 48 mm 280 AF mit Kunststoffschrauben U f [W/(m 2 K)] 1, AF mit Edelstahlschrauben (Durchmesser 4,5 mm und Abstand 30 cm) U f [W/(m 2 K)] 1,22 0,81 Tabelle 5: Gemessener Wärmebrückenzuschlag für die verstärkten Glasträger im 280 AF mit 48 mm Einbaustärke und Edelstahlschrauben (Durchmesser 4,5 mm und Abstand 30 cm) Zuschlag pro Glasträger 0,009 W/K 2.3 Verwertungsplanungen Das ZAE Bayern zieht als eingetragener, gemeinnütziger Verein (laut Satzung: Förderung der angewandten Energieforschung ) keinen direkten monetären Vorteil aus der geplanten Produktentwicklung hochwärmedämmender Fenster- und Fassadensysteme. Im Rahmen des Projektes erfolgte jedoch ein Know-how- und Prestigegewinn der zu Anschlussprojekten (z.b. Fenstercheck FKZ K, DEENIF FKZ A) und Folgeaufträgen führte. Weitere Projekte sind momentan in Vorbereitung. 2.4 Öffentlichkeitsarbeit Das ZAE Bayern war für die umfassende wissenschaftliche Öffentlichkeitsarbeit verantwortlich. Dies umfasste die Einrichtung und Pflege der Projekthomepage ( sowie die kontinuierliche Präsentation der Projektergebnisse auf Messen und im Rahmen von Vorträgen und Veröffentlichungen. Messebesuche: Bau 2007, München Glasstec 2008, Düsseldorf Glasstec 2010, Düsseldorf 3 Konstruktive Gestaltung des neuen Fensterprofilsystems 3.1 Zusammenfassung Manfred Popp, Klaus Schink SKZ - KFE ggmbh, Würzburg Auf der Basis einer Schwachstellenanalyse der konkurrierenden PVC-Profilsysteme sowie der ersten thermischen Nachrechnungen des ZAE wurden mehrere unterschiedliche Konzepte für ein hochwärmedämmendes Fenster entwickelt. Neben verschiedenen Ansätzen mit z.t. vorgesetzter Scheibe oder aufgeklipsten Abdeckungen wurde auch ein Gestaltungsentwurf des Projektpartners BBG aufgegriffen und für die geplante Werkzeugfertigung optimiert. Die an den hergestellten Testmustern erkannten Schwachstellen wurden schließlich in einem zweiten Iterationsschritt erfolgreich überarbeitet und gleichzeitig wichtige Verbesserungen für die kommende Kleinserienproduktion von Referenzfenstern eingebracht (steckbare Dichtungen, variable Entwässerung etc.). Seite 14 von 75

15 3.2 Aufgabenstellung und Ziele Ziel des Projektes Hochwärmdämmende Fenster- und Fassadensysteme (HWFF) war die Entwicklung eines innovativen Profilkonzeptes mit einem Uf-Wert kleiner gleich 0,8 W/(m²K). Dieser heute bereits bei Passivhausfenstern mit hohem Aufwand erreichbare Wert sollte dabei mit einem Rahmen erzielt werden, der bezüglich Optik (Dicke und Ansichtsbreite) und Kosten einem herkömmlichen PVC-Standardfenster nahe kommt, um die Akzeptanz bei den potentiellen Kunden zu erhöhen. Zudem sollte der Rahmen alle Voraussetzungen erfüllen, um die zeitgleich in den beiden Schwesterprojekten "VIG" und "ProVIG" entwickelte Vakuum- Isolierglasscheibe optimal zu integrieren. 3.3 Schwachstellenanalyse bestehender PVC-Fenstersysteme Kunststofffenster aus PVC haben derzeit den größten Marktanteil im Wohnungsbau und stellen somit die stärkste Konkurrenz für jedes neu zu entwickelnde System dar. Ausgangspunkt der konstruktiven Überlegungen war daher eine Analyse der Schwachstellen bestehender PVC-Profile. Hierzu wurde stellvertretend für viele marktübliche PVC-Profile ein bestehendes Profilsystem inkl. der zugehörigen Stahleinleger und Beschläge in einem FEM-System mit Wind- und Gewichtslasten beaufschlagt und die resultierenden Spannungen und Verformungen ausgewertet. Dabei wurden folgende Punkte deutlich: Der Fuß der Glasleiste ist hohen Belastungen und Verformungen ausgesetzt Die dünnen inneren Kammerstege bieten dem Stahleinleger kaum Abstützungspunkte Durch das notwendige Passungsspiel zwischen Kammer und Stahleinleger trägt das Stahlprofil erst ab einer gewissen Mindestverformung mit Durch die zunehmende Verkleinerung der Stahleinleger zur Verbesserung der Dämmwirkung (U- oder L-Profile statt geschlossener Rohre) erfolgt die Verschraubung der Beschläge oftmals nur noch in den Kunststoff Abb. 6: Verformung des Profils und der Glasleiste unter Windlast und Scheibengewicht. Seite 15 von 75

16 3.4 Kammeroffenes KS-System HWFF Abschlussbericht Schrittweise Veränderungen der Profilgestaltung zusammen mit den parallel durchgeführten thermischen Berechnungen des ZAE sorgten für ein zunehmendes Verständnis für die Mechanismen des Wärmetransports und die Einflussgrößen auf die Dämmwirkung des Profils. Daraus ließen sich verschiedene Gestaltungsrichtlinien für die nachfolgenden Optimierungsschleifen ableiten: Die Profiltiefe muss auf rund 90 mm erhöht werden. Dieser Trend ist auch bereits bei mehreren parallel zum Vorhaben auf den Markt gekommenen Neusystemen (z.b. VEKA Alphaline 90, Kömmerling 88+) zu beobachten Zumindest die großen Kammern müssen mit Dämmmaterial zur Unterdrückung der Konvektion ausgefüllt werden Horizontal von innen nach außen verlaufende Querstege stellen Wärmebrücken dar, die die Wirksamkeit der parallel dazu angeordneten Dämmkammern deutlich herabsetzen. Senkrecht dazu verlaufende Stege sind dagegen wärmetechnisch weitgehend neutral Dies gilt ganz besonders für die Stahleinleger, die einen direkten Wärmetransport vorbei an allen Dämmstoffen bewirken Als Ersatz für die Stahleinleger sollte die Scheibe als tragendes Element mit dem Flügelprofil verklebt werden Auch der Randverband der 3-fach-Isolierglasscheiben und der VIG-Scheibe stellt eine Schwachstelle dar, weshalb der Glaseinstand möglichst groß sein sollte, um diesen Bereich durch eine Dämmschicht abzudecken Durch die Reduktion des Luftspalts zwischen Flügel und Blendrahmen auf ca. 4-5 mm lässt sich die Konvektion ähnlich stark vermindern wie durch eine aufwändige Mitteldichtung Diese Erkenntnisse wurden in weiter optimierten Profilentwürfen des SKZ umgesetzt. Insbesondere die Frage nach der versteifenden Wirkung des eingeklebten Glases wurde dabei frühzeitig in Angriff genommen, um bei dieser wichtigen Grundsatzentscheidung nicht in eine Sackgasse zu geraten. Die Untersuchungen an einem frühen Profilentwurf in Kombination mit einem vereinfachten Modell der VIG-Scheibe zeigten dabei schnell, dass die Scheibe selbst in der ungünstigen Belastungsrichtung senkrecht zur Fensterebene entscheidend zur Gesamtsteifigkeit beitragen kann. Eine simulierte Temperaturdifferenz zwischen Fensteraußen- und -innenseite machte jedoch auch deutlich, dass die mechanische Koppelung von Scheibe und Rahmenprofil zusätzliche Spannungen und Verformungen verursachen kann, die zumindest teilweise vom flexiblen Klebstoff kompensiert werden müssen. Seite 16 von 75

17 Abb. 7: Durchbiegung unter 600 Pa Windlast bei einem konventionellen PVC-Fenster mit geklotzter Scheibe (links) und einem Entwurf mit geklebter VIG-Scheibe (Mitte) sowie Durchbiegung bei 50 C Temperaturunterschied innen/außen (rechts) Zur Erreichung eines besonders tiefen Glaseinstandes wurden auch Varianten getestet, bei denen die Scheibe nicht in den Glasfalz des Profils eingesetzt, sondern vor dieses vorgesetzt und dann mit einem Abdeckprofil verkleidet wird. Dadurch kann bei gleich bleibender Ansichtsbreite fast die gesamte Profilhöhe zur Dämmung des Randverbundes genutzt werden. Zur Gestaltung der Fügefläche zum Rahmen wurde dabei auch ein Stufenglas in die Überlegungen einbezogen. Eine weitere aufgegriffene Idee betrifft die Einbringung der Dämmkerne. Da diese bei den notwendigen geringen Raumgewichten sehr instabil und zerbrechlich sind, wäre es einfacher, diese in ein offenes Basisprofil einzulegen und die Kammern mit aufgeklipsten Schalen zu verschließen. Dies würde auch dem Trend zur Heimautomatisierung entgegen kommen, da sich so leicht Sensoren und Aktoren für die Belüftung, Einbruchserkennung usw. inkl. der notwendigen Anschlussleitungen unterbringen ließen, die auch dauerhaft zugänglich blieben. Auch die farblich unterschiedliche Gestaltung der beiden Fensterseiten sowie die Aufarbeitung bzw. der Ersatz verwitterter Schalen im Renovierungsfall würde durch dieses Konzept vereinfacht. Abb. 8: Konzepte mit vorgesetzter Scheibe für PVC (links) und Alu (rechts) Da mit VEKA und heroal je ein Systemgeber aus dem Bereich PVC- und Alu-Fenster Projektpartner ist, versuchte das SKZ, diese Gestaltungsidee auf beide Fenstertypen anzuwenden. Ergebnis waren die in Abbildung 3 dargestellten Profilquerschnitte mit einem tragenden Seite 17 von 75

18 Alu-Profil als Basis und aufgeklipsten Kunststoffprofilen (Ersatz für PVC-Fenster) bzw. einem PVC-Grundprofil und Aluschalen (Ersatz für Alu-Fenster). In der thermischen Nachrechnung erreichten diese abschließenden Entwürfe rechnerische Uf-Werte von 0,70 W/(m²K) bzw. 1,05 W/(m²K). Letzterer Wert erreicht zwar nicht die gewünschten 0,8 W/(m²K), im Bereich der generell schlechter dämmenden Alu-Fenster wäre dieses Ergebnis jedoch trotzdem ein großer Fortschritt. 3.5 Geschäumtes GS-System Parallel zu diesen beiden etwas konventionelleren Entwürfen, die bewusst auf die bestehenden Herstellungs- und Verarbeitungsverfahren für Alu- und Kunststofffenster Rücksicht nehmen, wurde vom Projektpartner BBG auch ein erster Entwurf für ein geschäumtes bzw. gegossenes Profilsystem erarbeitet. Dieses besteht aus einem geschäumten Polyurethan-Kern, der in einem zweiten Schritt mit einer kompakten Haut, ebenfalls aus PU, umgossen wird. Abb. 9: Erstentwurf (links) und optimierte Gestaltung des GS-Systems (TT90, rechts) Zur besseren Unterscheidung wurde dieses System im weiteren Projektverlauf als GS- System (geschäumtes System) bezeichnet und das Systemkonzept mit den geklipsten Schalen auf einem Basisprofil als KS-System (kammeroffenes System). Erste thermische Nachrechnungen am ZAE ergaben, dass die höhere Wärmeleitfähigkeit des Polyurethans gegenüber PVC durch das Fehlen aller Querstege und Stahleinleger und den großen Schaumanteil am Querschnitt mehr als kompensiert wird und somit sogar Uf- Werte unter 0,7 W/(m²K) erreichbar sein könnten. Wegen des somit noch höheren Wärmedämmpotentials, zusammen mit dem konventionelleren Design, das eine höhere Akzeptanz im mengenmäßig besonders interessanten Bereich der Altbausanierung erwarten lässt, wurde daher in der Folgezeit der Schwerpunkt auf die Fortentwicklung des GS-Systems gelegt. 3.6 TopTherm 90 Hierzu wurde bei einem Arbeitstreffen unter Mithilfe aller Projektteilnehmer live am CAD- System ein überarbeiteter Entwurf erstellt, der bezüglich Herstellbarkeit, Entwässerung, Beschlagsanbindung etc. zahlreiche Verbesserungen enthält (Abb. 4, rechts) und für die Öffentlichkeitsarbeiten auf den Namen TopTherm 90 (abgekürzt TT90) getauft wurde. Seite 18 von 75

19 Nach dem ersten Block von Profil- und Systemtests an den hergestellten Musterprofilen und Testfenstern wurde dieser Entwicklungsstand dann nochmals am SKZ überarbeitet, um den Schritt von der Machbarkeitsstudie zum serienreifen Profilsystem zu gehen. Dieser Schritt, der sich auch in dem Namenszusatz TT90-R (R wie Referenz) äußert, wurde notwendig, da mit dem Neubau des Projektpartners ZAE eine erste Referenzanwendung in Aussicht steht. Hierzu mussten allerdings verschiedene Schwachstellen des ursprünglichen TT90 beseitigt und die Fertigung serientauglicher gemacht werden. Abb. 10: Hauptabmessungen und Profilquerschnitte TT90-R Außenabmessungen Bei den Außenabmessungen wurde bewußt versucht, den Dämmwert eines Passivhausfensters ohne dessen teilweise extreme Bautiefe zu erreichen. Die Abmessungen entsprechen daher einem üblichen PVC-Fenster der neuesten Generation. Da die Wanddicken des besser wärmeleitenden Hautmaterials direkt den Uf-Wert beeinflussen, wurde die Grundwandstärke mit 2 mm so dünn wie fertigungstechnisch möglich gewählt. Lediglich die senkrecht zur Wärmeflussrichtung verlaufenden Ansichtsflächen sowie verschiedenen Anschraubflächen wurden aus Stabilitätsgründen auf 3 bzw. 4 mm verdickt. Glaseinstand Sowohl bei Isolierglasscheiben als auch bei der VIG-Scheibe stellt der Randverband den wärmetechnisch größten Schwachpunkt dar. Um hier eine gute Dämmung ohne Überschreitung des Taupunktes zu erreichen, musste der maximal mögliche Glaseinstand auf 35 mm vergrößert werden. Da die Scheibe als tragendes Element mit dem Flügel verklebt wird, sorgt dies gleichzeitig für eine größere nutzbare Fügefläche und damit für eine geringere Belastung des Glasrandes. Bei der möglichen Scheibendicke wurde eine Spanne von 9 mm für die dünnste VIG-Variante bis hin zu 44 mm für ein 3-fach-IG berücksichtigt. Beschlagsnuten Die Beschlagsnut im Flügel hat die üblichen Abmessungen für 16 mm breite Beschläge aus dem PVC-Fenster-Bereich. Auf der Blendrahmenseite sorgt eine 4,5 mm breite und 3 mm hohe Nase für die notwendige Abstützung der Verschlussstücke, besonders bei höheren Widerstandsklassen gegen Einbruch. In diesen Bereichen sind zusätzlich die Wanddicken der Hautkomponente lokal verdickt. Seite 19 von 75

20 Beim verfügbaren Einbauraum wurde berücksichtigt, dass die Musterfenster der TT90-R- Generation aus Gründen der Optik und zur Verbesserung der Dichtigkeit (keine Störung der inneren Dichtebene durch Eck- oder Scherenlager) mit verdeckt liegenden Roto Designo- Beschlägen ausgestattet werden sollten. Dichtungen Da sich die ursprünglich vorgesehenen, selbstklebenden Dichtungen bei den Systemprüfungen unter erhöhter Umgebungstemperatur nicht bewährt haben, wurde bei der Überarbeitung nach einer besseren Montagemöglichkeit gesucht. Dabei besteht das generelle Problem, dass Hinterschneidungen quer zur Entformungsrichtung bei dem verwendeten Schäumverfahren nur mit sehr aufwändiger Werkzeugtechnik umgesetzt werden können. Da die Trennebenen wegen der scharfen Kante und eventueller Gratbildung in möglichst unkritische Bereiche gelegt werden müssen, liegt die Entformungsrichtung bei beiden Profilen in Richtung der Scheibenebene. Quer liegende Dichtungsnuten wie bei PVC-Fenstern fallen somit praktisch aus. Bei Holzfenstern wird die Profilkontur über entsprechend geformte Fräser bzw. Hobelmesser erzeugt, weshalb auch dort quer liegende Nuten einen höheren Aufwand bedeuten. Zudem müssen die Nuten ebenfalls glatt ohne die bei extrudierten Profilen üblichen Hinterschnitte zur Fixierung der Dichtungsfüße ausgeführt sein. Somit lag es nahe, nach passenden Dichtungen aus dem Holzfensterbereich zu suchen. Wegen der leichteren Einhaltung der Randbedingungen für die Profilgestaltung (Vermeidung von Massenanhäufungen, Mindestwanddicken des Kerns, notwendige Entformungsschrägen etc.) wurden beim TT90-R beide Dichtungen in den Flügel verlegt. Auf eine Mitteldichtung wurde wie schon beim Erstentwurf verzichtet und stattdessen der Raum zwischen Flügel und Blendrahmen möglichst dichtkämmend ausgefüllt, ohne das Aufschwingen des Flügels bei kleinen Fensterbreiten zu blockieren (kleinste Flügelbreite ca. 400 mm) Entwässerung Ein verdeckt liegender Wasserablauf zur Fensterbank bietet eine ungestörte Optik, beim Einbau als bewegliches Element einer Fassade oder bei Renovierungen wird jedoch oftmals ein Wasseraustritt an der Ansichtsfläche benötigt. Um beide Möglichkeiten abzudecken, wurde die Entwässerungsnut so gestaltet, dass der Bohrwinkel durch die Schrägstellung der Nutflächen bereits weitgehend vorgegeben ist. Wird das Profil unter diesem Winkel komplett durchbohrt, endet der Wasserablauf am Boden des Blendrahmens, kurz vor der Kante zur äußeren Ansichtsfläche. Abb. 11: Lage der Entwässerung und Formteilentwurf des Wasserablaufs Für einen frontseitigen Ablauf geht die Bohrung dagegen nicht durch, sondern trifft sich mit einem von der Ansichtsfläche aus eingefrästen Langloch. In dieses wird ein Formteil einge- Seite 20 von 75

21 steckt und mit etwas Dichtmasse verklebt, so dass zusammen mit den Röhrchen für die gebohrten Löcher der Schaum vor dem Kontakt mit Wasser geschützt wird. Ohne diese Auskleidung könnte die Feuchtigkeit langsam in den Schaum eindiffundieren, wodurch sich der Dämmwert langfristig verschlechtern würde. In den bisherigen Testfenstern wurden die Wasserabläufe noch als Rapid- Prototyping- Muster hergestellt, für die kommende Kleinserienfertigung wurde das Teil jedoch am SKZ möglichst kunststoffgerecht überarbeitet, so dass ein passendes Spritzgießwerkzeug angefragt werden kann. Anbindung an Ergänzungsprofile Um die vielfältigen, in der Praxis vorkommenden Anbindungs- und Einbausituationen abdecken zu können, wurde eine Schnittstelle zu dem VEKA-Profilprogramm der Alphaline 90- Serie vorgesehen. Da die hinterschnittenen Pilzzapfen der PVC-Profile bei dem gegossenen TT90-System nicht umsetzbar sind, beschränkt sich diese Schnittstelle auf eine Nut mit angepasster Breite und Höhe im Boden des Blendrahmens. In diese können dann die Rasthaken der Fensterbankprofile etc. eintauchen, wobei störende weitere Details evtl. zuerst durch einen Sägeschnitt entfernt werden müssen. Die Aufgabe der Hinterschneidungen wird dann durch eine Verschraubung übernommen, wozu einzelne Wandabschnitte im Bodenbereich des Blendrahmens bereits aufgedickt wurden. Profilversteifungen Bei konventionellen Fenstern mit geklotzter Scheibe muss der Flügel eine so große Eigenstabilität aufweisen, dass er das hohe Gewicht des Scheibenpakets über viele Jahre (Jahrzehnte) auch bei erhöhten Temperaturen tragen kann. Dies ist bei PVC-Fenstern üblicherweise nur durch den Einsatz von eingeschobenen Stahlverstärkungen möglich. Beim TT90 muss dagegen nicht der Rahmen die Scheibe tragen, sondern die eingeklebte Scheibe versteift den sie umgebenden Rahmen - eine Methode, die im Automobilbau schon seit vielen Jahren erfolgreich praktiziert wird. Abb. 12: Profilversteifungen aus Aluminium im Blendrahmen und Pfosten Der Blendrahmen wird wiederum im eingebauten Zustand durch die Verschraubung mit dem Mauerwerk und die Putzschicht normalerweise gut fixiert. Bei Balkontüren oder großen, zusammenhängenden Fensterfronten jenseits der Normfenster-Abmessungen wird aber auch bei TT90 eine zusätzliche Versteifung des Blendrahmens notwendig werden. Dies gilt insbesondere für den im Zuge der letzten Überarbeitung ebenfalls neu hinzugekommenen Pfosten, der sich nur an seinen beiden Enden am Blendrahmen abstützen kann. Seite 21 von 75

22 Zur Abschätzung der Erfolgsaussichten eines geschäumten Profils wurde bereits in der Konstruktionsphase rechnerisch simuliert, welche Durchbiegung im Vergleich zu einem real gemessenen PVC-Profil mit Stahleinleger zu erreichen ist. Dabei wurde berücksichtigt, dass, basierend auf den Erfahrungen des Projektpartners BBG, durch die Beimengung von Glasfasern während des Mischprozesses der E-Modul der kompakten Hautkomponente etwa um den Faktor 10 gesteigert werden kann. Unter diesen Umständen konnte das neue Profil die PVC-Referenz in der Simulation bereits knapp übertreffen. Da die Glasfaserzugabe den Verschleiß der Herstellungsanlagen erhöht und die Verarbeitbarkeit verschlechtert (geringere Fließfähigkeit etc.), wurde dieser Ansatz bei den späteren Überlegungen zur Versteifungen der Profile nicht weiter verfolgt. Zudem würden beim Ablängen der Profile bei den Fensterherstellern gesundheitsgefährdende Stäube entstehen, da bestehende Sägeanlagen für PVC-Profile keine entsprechend ausgelegte Absaugung aufweisen. Aus den gleichen Gründen wurden auch zwischen Kern und Mantelmaterial eingegossene Versteifungsprofile aus GFK schnell wieder verworfen. Als Alternative wurden stranggepresste Aluminiumprofile mit verschiedenen Querschnitten im Computer simuliert, die entweder bereits in das Schäumwerkzeug des Kerns eingelegt werden und dann an dessen Oberfläche liegen oder zusammen mit dem Kern als Einzelteile in das Werkzeug der Hautkomponente eingebracht werden. In beiden Fällen entsteht ein schubfester Verbund zwischen dem kompakten Hautmaterial und den Alueinlegern. Voraussetzung hierfür ist jedoch eine ausreichende Haftung zwischen PU und Aluminium, was eine entsprechende Oberflächenbehandlung notwendig macht. Hierzu wurden am SKZ mit Unterstützung des Rohstoffherstellers Bayer bereits erste Haftungsversuche durchgeführt. Abb. 13: Haftungsversuche an vorbehandelten Aluprofilabschnitten 4 Profil- und Systemprüfungen Manfred Popp, Klaus Schink SKZ - KFE ggmbh, Würzburg 4.1 Zusammenfassung Seite 22 von 75

23 In Anlehnung an die Normen und Richtlinien für PVC-Fenster wurden zunächst bei Raumtemperatur verschiedene Tests an den Profilen und Musterfenstern durchgeführt. Bei diesen Prüfungen war es möglich, durch entsprechende konstruktive Maßnahmen die höchsten Einstufungsklassen und damit ein den etablierten Fenstersystemen vergleichbares Werteniveau zu erreichen. Die materialtechnischen (duroplastischer Kunststoff) und konstruktiven (eingeklebte Glasscheibe) Besonderheiten des TT90 ließen jedoch ein anderes Verhalten bei erhöhten Prüftemperaturen erwarten, wozu ein spezieller temperierter Prüfstand entwickelt und gebaut wurde. Die damit möglichen Tests zeigten schließlich, dass der starke temperaturabhängige Steifigkeits- und Festigkeitsabbau des PVCs bei den PU-Profilen nicht zu finden ist, so dass diese unter extremen Einsatzbedingungen sogar Vorteile aufweisen können. 4.2 Aufgabenstellung und Ziele International tätige Profilhersteller müssen sicherstellen, dass ihre Produkte unter den verschiedensten klimatischen Bedingungen ihre Funktion sicher erfüllen. Unterstützt werden sie dabei durch nationale und internationale Normen und Richtlinien, in denen die Anforderungen und Prüfabläufe genau festgeschrieben sind. Für ein neuartiges Profilsystem wie TT90, dessen Werkstoff, Herstell- und Fügeverfahren teilweise deutlich von den etablierten Systemen abweicht, sind solche Vorschriften jedoch nur lückenhaft vorhanden. Wo immer möglich, wurden die Tests daher in Anlehnung an die Anforderungen an PVC-Fenster durchgeführt, die ihre Gebrauchstauglichkeit und Haltbarkeit bereits seit mehreren Jahrzehnten bewiesen haben. Ein großer Unterschied ist jedoch material- und konstruktionsbedingt beim Verhalten unter erhöhten Umgebungstemperaturen zu erwarten. Da solche Tests derzeit noch nicht Standard sind und somit auch kommerzielle Angebote für fertige Testanlagen fehlen, sollte im Rahmen des Projektes ein entsprechend ausgerüsteter Prüfstand konstruiert und gebaut werden. 4.3 Profilprüfungen Profilsteifigkeit Die Messung der Durchbiegung unter Last ist eigentlich eine Prüfung, die erst am fertigen Fenster durchgeführt wird. Im Laufe einer System-Neuentwicklung müssen jedoch zunächst die Einzelkomponenten bewertet werden, bevor das Gesamtsystem betrachtet wird. Hierzu wurde ein einfacher Testaufbau geschaffen, in dem der Profilstab auf zwei Stützen im Abstand von 1 m aufliegt und mittig durch ein Gewicht von 96 N belastet wird. Eine Messuhr bestimmt dann die Durchbiegung. Da dieser Versuch nicht genormt ist und somit keine Bewertungsklassen vorliegen, wurde als Vergleichsmaßstab ein Blendrahmenprofil des bestehenden VEKA Softline 70-Systems mit Stahlverstärkung vermessen. Dieses VEKA-Profil stellte zu Beginn der Prüfungen den aktuellen Stand der Fenstertechnik dar und wurde deshalb als Referenz für die nachfolgenden Evolutionsschritte des TT90-Profils beibehalten. Die bei Raumtemperatur ermittelten Ergebnisse zeigen, dass das unverstärkte PU-Profil etwa auf dem Niveau eines PVC-Profils ohne Stahleinleger liegt. Mit zusätzlich eingeschäumten GFK- oder Alu-Versteifungen ist dann sogar der Wertebereich eines stahlarmierten PVC- Profils machbar. Dabei ist bei dieser reinen Profilprüfung die verstärkende Wirkung der eingeklebten Scheibe noch gar nicht berücksichtigt. Seite 23 von 75

24 Abb. 14: Durchbiegung verschiedener Blendrahmenprofile unter Wind- und Gewichtslast Stoßfestigkeit bei Kälte Dieser in Anlehnung an die RAL-GZ 716/1 bei 10 C durchgeführte Test dient eigentlich bei PVC-Profilen zur Kontrolle der Verarbeitungsbedingungen bei der Profilextrusion. Er ist somit kein direkter Test zur Überprüfung der Gebrauchstauglichkeit, da die geforderten Prüfbedingungen über die normalen Nutzungsbedingungen eines Fensters hinausgehen können. Gleichwohl wird mit der Schlagzähigkeit bei Kälte eine Eigenschaft geprüft, die zu dem Qualitätseindruck und der Lebensdauer eines Fensters beitragen kann, weshalb der Test auch an entsprechend temperierten Profilabschnitten des TT90-Systems durchgeführt wurde. Bei korrekter Anbindung zwischen Kern und Haut entstehen bei 2 mm Hautwanddicke noch Risse ohne Delamination. Bei 4 mm Wanddicke verschwinden auch diese und zurück bleibt nur ein kleiner Abdruck, der bei einem PVC-Profil keine Beanstandung darstellen würde. Warmlagerung Auch diese Prüfung ist in der RAL-GZ 716/1 vorgesehen und soll die nachträgliche Schwindung des Profils bei erneuter Erwärmung erfassen. Diese könnte, besonders bei eingeklebten Scheiben, zusätzliche Spannungen und Verformungen verursachen und, bei entsprechender Größe, auch die Luft- und Regendichtheit sowie die Funktion der Beschläge beeinträchtigen. Zur Erfüllung dieses Qualitätsanspruches dürfte ein PVC-Profil höchstens eine relative Schwindung von 2,0 % aufweisen bei max. 0,4 % Unterschied zwischen den beiden Ansichtsflächen. Nach einer Stunde Warmlagerung bei 100 C und anschließender Abkühlung auf Raumtemperatur konnte sowohl beim Flügel- als auch beim Blendrahmenprofil praktisch keine messbare Längenänderung festgestellt werden. Eckenfestigkeit Diese Prüfung aus der RAL-GZ 716/1 dient bei PVC-Profilen dem Nachweis der Schweißbarkeit. Dazu wird in Abhängigkeit von dem Widerstandsmoment des Profilquerschnitts und der Geometrie der Prüfvorrichtung eine zu erreichende Mindestbruchkraft berechnet. Seite 24 von 75

25 Diese stellt letztendlich auf indirektem Wege sicher, dass ein gewisser Mindestschweißfaktor beim Fügen des getesteten Profils unter optimalen Bedingungen erreichbar ist. Gleichzeitig bedeutet dies aber, dass auch diese Prüfung nicht unmittelbar die Einhaltung einer für die Gebrauchstauglichkeit notwendigen Mindesthaltbarkeit, unabhängig vom Werkstoff und der Detailausführung des Fensters, überwacht. Gleichwohl ist bekannt, dass PVC-Fenster, die diese Anforderungen einhalten, in der Praxis üblicherweise keine Probleme mit gerissen Schweißverbindungen haben und auch bei Transport und Einbau eine gewisse Festigkeitsreserve bei unsachgemäßer Handhabung aufweisen. Dies gilt auch für schon etwas ältere Profilsysteme mit entsprechend schmäleren Profilen (50 bis 60 mm) und damit geringeren rechnerischen Mindestkräften. Als Ziel für die Haltbarkeit der Eckenverklebung wurden daher die Hälfte des Idealwertes (rechnerischer Mindestwert, wenn das 90 mm breite TT90-Profil aus PVC bestünde und die Ecken verschweißt würden) von rund 3000 N, also 1500 N festgelegt. Nach mehreren Optimierungsschritten am Profil, einem zwischenzeitlichen Wechsel des Klebstoffherstellers und der schrittweisen Umstellung von händisch gefügten Ecken hin zu einer automatisierten Fertigung in der von Schüring entwickelten Eckenverklebungsmaschine wurden schließlich Werte von teilweise über 1700 N erreicht. Dabei traten mitunter bereits Risse im Hautmaterial des Profils auf, so dass die Maximalkraft für diese Profilgestaltung erreicht ist (Kurzzeit-Klebefaktor = 1). Abb. 15: Prüfeinrichtung für die Eckenfestigkeit (links) und Schadensbild der Bruchfläche (rechts) 4.4 Systemprüfungen Entwicklung eines klimatisierten Fenstersystemprüfstandes Durch das völlig neuartige Konzept und den anderen Werkstoff weist das TopTherm 90- Fenster einige Besonderheiten gegenüber einem PVC-Fenster mit geklotzter Isolierverglasung auf, die besonders das thermische Verhalten betreffen: Das duroplastische Polyurethan ändert seine Steifigkeit auf Grund der stabilen Vernetzungen zwischen den Molekülketten weit weniger mit der Temperatur als das thermoplastische PVC Durch die mechanische Koppelung der inneren und äußeren Scheibe eines VIG-Glases über die Abstandshalter verhält sich dieses bei Temperaturunterschieden wie ein Bimetallstreifen Durch die eingeklebte Scheibe können Längenänderungen in Folge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von PU und Glas nicht einfach ausgeglichen werden, sondern sorgen für zusätzliche Spannungen und Verformungen Seite 25 von 75

26 Weiterhin bewirkt die Verklebung, dass die Kräfte, die bei der Verbiegung der Scheibe unter Temperatur und Windlast entstehen, in den Flügelrahmen übertragen werden Es wurde daher schnell klar, dass über die Standardprüfungen bei Raumtemperatur hinaus auch Sonderprüfungen bei erhöhten Temperaturen stattfinden müssen. Da solche Prüfstände mit dem gewünschten Funktionsumfang nicht fertig am Markt erhältlich sind, wurde SKZintern beschlossen, diesen in Eigenleistung zu konstruieren und aufzubauen. Vorausgegangen war eine hierfür notwendige Fördermittelumstellung, die seitens der PTJ bewilligt wurde. Bei den Spezifikationen wurden auch Anregungen aus dem Kreis der Projektteilnehmer aufgegriffen: Probengröße 1,23 x 1,48 m (Fenster) bzw. 1,23 x 2,26 m (Türe) Einbau der Proben in einen 120 mm dicken Hilfsrahmen aus Holz. Dadurch können unterschiedliche Anbindungsmethoden zwischen Fenster und Mauerwerk umgesetzt werden und es ist eine gewisse zusätzliche Größenvariation der Probe möglich bis ca. 60 kippbare Kammer zum Nachstellen der Einbausituation von Dachfenstern Sog/Druck bis über 7000 Pa Luftdurchsatz über 500 m³/h Klimatisierung der Fensteraußenseite von C, falls möglich C Klimatisierung der Fensterinnenseite von C Zusätzlich Heizung über IR-Strahler, aufgeteilt auf mehrere Felder zur Simulation einer teilweise Abschattung (z.b. durch einen halb herunter gelassenen Rollladen) Messung der Fensterdurchbiegung an mind. 9 Messstellen Messung der Lufttemperatur auf der Fensteraußen- und -innenseite Messung der Fensteroberflächentemperatur auf der Fensteraußen- und -innenseite Frei konfigurierbarer Messablauf Ständiger Mitschrieb aller Messwerte Abb. 16: Bau der Klimakammer (links) und der Versorgungseinheit (rechts) Der zeitgleich zur letzten Konstruktionsphase stattgefundene Testlauf des ersten TT90- Prototypenfensters auf einem Standard-Prüfstand bei VEKA machte deutlich, dass die Dichtheit gegen Schlagregen andere Anforderungen an das Dichtungssystem und die Profilgestaltung stellt als die Luftdichtheit, was u.a. mit der Kapillarwirkung kleiner Spalte zu tun hat. Zudem ist bei der Luftdurchlässigkeitsprüfung ein gewisser Leckverlust erlaubt, während bei der Schlagregenprüfung jeder Wassereintritt nach innen sofort zum Abbruch des Testlaufs führt. Seite 26 von 75

27 Da sich die Bewässerung mit Sprühdüsen nicht mit den eingebauten Heizstrahlern und den vielen Sensoren im Kammerinneren verträgt, wurde zusätzlich zur hochgedämmten Klimakammer eine zweite, einfachere Kammer vorgesehen, die ohne Klimatisierung und nur mit Wegsensoren ausgerüstet die üblichen Standardprüfungen Luftdurchlässigkeit, Widerstandsfähigkeit gegen Windlast und Schlagregendichtheit bei Raumtemperatur abdeckt. Abb. 17: Fertig aufgebauter Prüfstand mit Klimaschränken, Prüfkammern und Versorgungseinheit Softwareseitig wurde ein Konzept verfolgt, das es erlaubt, aus den Phasen Klimatisierung, Bestrahlung, Beregnung und Druck vollkommen freie Prüfabläufe zusammen zu stellen, die auch Schleifen und Wiederholungen enthalten können. Zur Dokumentation und Überwachung werden die aufgenommenen Messdaten fortlaufend in einer Datei gespeichert und gleichzeitig live als Kurven auf dem Bildschirm dargestellt. Wichtige Ereignisse und Zwischenergebnisse werden zusätzlich in einem Protokoll festgehalten und ebenfalls auf dem Datenträger abgelegt. Zur (Fern-) Überwachung der Anlage existiert schließlich ein Client- Programm, das die wichtigsten Daten und Betriebszustände auf einem beliebigen Rechner innerhalb des Netzwerks abrufbar macht. Abb. 18: Prüfplan für eine Luftdurchlässigkeitsprüfung (links) und zugehöriger Mitschrieb der Messwerte (rechts) Neben diesem automatisch ablaufenden Prüfplan existiert auch ein manueller Betriebsmodus, in dem die Prozessgrößen Temperatur und Druck zusammen mit den Ventilstellungen direkt vom Bediener in einem schematischen Schaubild der Anlage manipuliert werden können Seite 27 von 75

28 Abb. 19: Manueller Betriebsmodus Normprüfungen bei Raumtemperatur Als Vergleichsmaßstab für die bei der Firma Stickling zusammengebauten TT90(-R)- Prototypenfenster wurden auch von den Projektpartnern VEKA und heroal Testmuster aus ihren jeweils hochwertigsten Profilserien (VEKA Alphaline 90 als Ersatz für das ältere Softline 70 bzw. heroal ProfiSerie 110E) zur Verfügung gestellt. An diesen Fenstern wurden insgesamt folgende Normprüfungen durchgeführt: Luftdurchlässigkeit EN 1026 bei max. 600 Pa Widerstandsfähigkeit gegen Windlast EN 12211, falls möglich bei P1 = 2000 Pa Schlagregendichtheit EN 1027 bei max. 600 Pa Der Iterationsschritt vom TT90 zum TT90-R brachte große Verbesserungen bezüglich der Beschlagsmontage, Dichtungseinbringung und Entwässerung. Gleichzeitig wurde die Fertigung der Testfenster erstmals mit Hilfe der Eckenverklebungsmaschine von Schüring durchgeführt, die eine reproduzierbarere Fügung und damit exaktere Flügel- und Blendrahmenmaße erlaubt. In der Summe führten diese Maßnahmen zu extrem dichten Fenstern, sowohl bei der Prüfung der Luftdurchlässigkeit als auch der Schlagregendichtheit, so dass hier problemlos die jeweils höchsten Klassen erreicht werden konnten. Bei der Durchbiegung unter Windlast machte sich der Verzicht auf eingegossene Versteifungsprofile nicht negativ bemerkbar, denn auch hier wurde kaum mehr als die Hälfte der in der höchsten Einstufungsklasse C erlaubten Durchbiegung gemessen. Die zugehörigen Druckwechseltests und die abschließende Sicherheitsprüfung bei ±3000 Pa wurden ohne Beschädigungen, bleibende Verformungen oder gelockerte Beschläge absolviert. Insgesamt zeigte das TT90-R-Fenster somit eine Gesamtperformance auf Augenhöhe mit den hochwertigen Vergleichsprodukten der Projektpartner. Seite 28 von 75

29 Sonderprüfungen bei erhöhter Temperatur Da die Beregnungskammer nicht isoliert ist, beschränken sich die Versuche bei erhöhter Temperatur auf die Luftdurchlässigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegen Windlast. Diese wurden bezüglich der Druckstufen an die Norm angelehnt, teilweise aber etwas gerafft bzw. gekürzt. Dies wurde notwendig, da einerseits das Druckerzeugungsgebläse nicht die hohen Lufttemperaturen der Klimaschränke ertragen kann, andererseits die Klimaschränke nicht stabil genug für die möglichen Drücke des Gebläses sind, weshalb die Klimatisierung während der Druckbeaufschlagung grundsätzlich abgeschaltet und sogar durch Ventile von der Prüfkammer entkoppelt werden muss. Je nach Art der Temperierung (Luft- oder Strahlungstemperierung) kann dies dazu führen, dass die Temperatur des Prüflings in der Folge langsam ansteigt oder abfällt, weshalb die wirklich zur Charakterisierung des Testfensterverhaltens notwendigen Prüfabschnitte zügig durchgeführt werden sollten. Bei Bedarf kann zwischen einzelnen Prüfabschnitten auch die Klimatisierung kurz wieder eingeschaltet werden, um z.b. Temperaturverluste durch die kältere Luft des Druckerzeugers kurzfristig wieder auszugleichen. Die Erwärmung der Fenster erfolgte im ersten Prüfungsblock über die Temperatur der umgewälzten Kammerluft. Regelgröße ist in diesem Fall die an einer zentralen Stelle innerhalb der Kammer über einen Pt100-Fühler aufgenommene Lufttemperatur. Auf Grund des gerichteten Luftstroms aus der Zufuhröffnung bilden sich innerhalb der Kammer Luftwirbel und damit Temperaturunterschiede aus, die gemäß Wärmebildaufnahmen auch mehr als 10 C betragen können. Zudem erhöht der Klimaschrank die tatsächliche Lufttemperatur in der Aufheizphase teilweise deutlich über die Solltemperatur, da der Fühler in der externen Prüfkammer nur langsam der Lufttemperatur folgt. Da die meisten Sensoren, Pneumatikzylinder und Dichtungen im Kammerinneren nur bis 80 C spezifiziert sind, wurde die Solltemperatur bei diesen Tests daher zur Sicherheit auf 60 C festgelegt. Dieser Wert liegt bereits deutlich über den bei weißen PVC-Fenstern im Praxiseinsatz feststellbaren Oberflächentemperaturen, dunkle Fenster können jedoch auch bis zu 70 C erreichen, Dachfenster im Extremfall sogar 80 C. Alternativ zur Wärmeeinbringung über die Luft wurde auch die Bestrahlung mittels IR- Strahlerfelder getestet. Durch die Abschattung des im Profil eingelassenen Scheibenrandes bleibt dieser kühler und es entstehend thermische Spannungen, die die beim Schneiden der Scheiben entstandenen Mikrorisse wachsen lassen können. Diese Belastungsart wurde daher von den Projektteilnehmern als die kritischere eingestuft. Seite 29 von 75

30 Abb. 20: Strahlerfelder zur IR-Temperierung Durch das Gegenkühlen der umgewälzten Luft mit Hilfe der Klimaschränke (Soll- Lufttemperatur 35 C) bewirken auch hier die Luftströmungen wieder eine etwas ungleichmäßige Temperaturverteilung. Zudem absorbieren Scheibe und Rahmen die Wärmestrahlen unterschiedlich gut und leiten die empfangene Wärme auch unterschiedlich schnell an die auf Raumtemperatur befindliche Fensterinnenseite weiter. Dies wird besonders zwischen den unterschiedlichen Rahmenmaterialien der drei untersuchten Profilsysteme deutlich. Regelgröße für die Taktung der Strahler war in allen Fällen die berührungslos gemessene Oberflächentemperatur am Rahmen, wobei jedes der beiden Strahlerfelder über einen eigenen Sensor und eine unabhängige Regelung verfügt. Um die höhere thermische Belastung dunkler Fenster zu simulieren, wurde die Solltemperatur bei diesen Versuchsläufen auf 70 C angehoben. In den Tests bei erhöhter Temperatur bewahrheiteten sich die erhofften Vorteile des duroplastischen Werkstoffs, dessen E-Modul weit weniger von der Temperatur abhängt, als dies beim thermoplastischen PVC der Fall ist. Die Folge ist eine nur geringe Zunahme der Luftdurchlässigkeit und der maximalen Durchbiegung, so dass bei erhöhter Temperatur die Ergebnisse des PVC-Fensters erreicht oder sogar übertroffen werden konnten. Seite 30 von 75

31 5 Ökobilanzieller Vergleich des TT90-R mit Fensterrahmen aus PVC und Aluminium Kyra Seibert SKZ - KFE ggmbh, Würzburg 5.1 Ziele und Untersuchungsrahmen Um die ökologischen Vor- und Nachteile des TT90-R zu untersuchen, wurde eine Ökobilanz erstellt, die den gesamten Lebensweg des TT90-R evaluiert und mit zwei am Markt etablierten Systemen aus PVC und Aluminium vergleicht. Funktionelle Einheit ist die Herstellung, 25-jährige Nutzung und Entsorgung eines Fensterrahmens für ein einflügeliges Fenster in den Maßen 1,23 m x 1,48 m. In der Herstellungsphase werden alle wesentlichen Materialien, Prozesse und Transporte berücksichtigt, in der Nutzungsphase der Ausgleich von Wärmeverlusten über eine Nutzungsdauer von 25 Jahren. Bei der Entsorgung werden materialtypische Verwertungs- und Beseitigungsquoten modelliert. Die Wirkungsabschätzung beinhaltet die Indikatoren: Erschöpfung abiotischer Ressourcen (ADP), Treibhauseffekt (GWP), Ozonabbau (ODP), Bildung von Photooxidantien (POCP), Versauerung (AP) und Eutrophierung (EP). 5.2 Ergebnisse Die Dämmwirkung des Rahmens und der daraus resultierende Energiebedarf zum Heizen ist ein zentraler Belastungstreiber in allen untersuchten Wirkungskategorien. Entsprechend wirken sich ein niedriger Uf- bzw. Uw-Wert positiv auf die Ergebnisse der Ökobilanz aus. Hier liegt eindeutig die Stärke des neuen Fensterrahmens TT90-R. Nachteile hat das TT90-R vor allem am Lebenswegende. Für Aluminium- und PVC-Rahmen gibt es ein etabliertes Sammel- und Aufbereitungssystem und das Recyclingmaterial kann erneut in der Fensterprofilherstellung eingesetzt werden. Polyurethan kann nicht durch erneutes Aufschmelzen direkt stofflich recycelt werden. Der Einsatz von Mahlgut als Füllstoff in neuen Fensterprofilen ist nach heutigem Stand der Technik ebenfalls nicht möglich. Über den gesamten Lebensweg zeigt das TT90-R bedingt durch geringe potentielle Umweltwirkungen in der Nutzungsphase deutliche Vorteile gegenüber dem Aluminium- Rahmen. TT90-R und PVC-Rahmen sind unter den gewählten Randbedingungen gleichwertig. Kann für das TT90-R ein hochwertiges Recycling umgesetzt werden, weist der Rahmen auch gegenüber dem untersuchten PVC-Rahmen in allen Wirkungskategorien Vorteile über den Lebensweg auf. Die Ergebnisse und Schlussfolgerungen sind für den Prototypen bzw. die erste Kleinserie des TT90-R gültig und müssen für ein in Großserie hergestelltes Produkt überprüft werden. Seite 31 von 75

32 Abb. 21: Normierte Ergebnisse der Wirkungsabschätzung 6 Konstruktive Optimierungen am Fassadensystem Manfred Popp, Klaus Schink SKZ - KFE ggmbh, Würzburg 6.1 Zusammenfassung Zur Unterstützung des Projektpartners heroal wurden Verbesserungsmöglichkeiten im Bereich der Druckleiste und deren Befestigung untersucht. Als Ausblick auf mögliche zukünftige Entwicklungssprünge wurden dabei verschiendenste Werkstoffklassen bezüglich ihrer Eignung für diesen Einsatzzweck bewertet. Da der Wechsel auf ein komplett anderes Befestigungsverfahren aufwändige Zulassungsprüfungen bedeutet hätte, wurde versucht, durch die Gestaltung der Druckleiste das aktuelle Befestigungssystem thermisch weiter zu verbessern. Für die Glasträger wurde ebenfalls eine neuartige Gestaltung mit geringeren Wärmeverlusten erarbeitet. Zusätzlich wurde das als Basislösung vorgesehene Adapterprofil zur Weiterverwendung der bestehenden Glasträger festigkeitstechnisch optimiert. Für die ersten Präsentationen des neuen Fassadenprofilsystems 280 AF wurde dieses schließlich als virtueller Prototyp um Module für Photovoltaik und Solarthermie ergänzt und visualisiert. 6.2 Aufgabenstellung und Ziele In der ersten Projektverlängerung sollten die Erkenntnisse aus der TT90-Entwicklung auf ein neues Fassadenprofil des Projektpartners heroal angewendet werden. Aufgrund des vorgegebenen, sehr gut wärmeleitenden Werkstoffs und der wesentlich höheren Anforderungen an die Steifigkeit und Festigkeit des Profils sind hier allerdings Grenzen bei der Übertragbarkeit gegeben. Gleichwohl konnten bei den thermischen Nachrechnungen des ZAE Schwachstellen im Bereich der Glasträger und besonders der Druckleiste inkl. der zugehörigen Befestigung gefunden werden. Die Aufgabe des SKZ lag daher in der konstruktiven Verbesserung der aktuell verwendeten Lösungen inkl. einem Ausblick auf mögliche neue Ansätze für zukünftige Optimierungsschritte. Seite 32 von 75

33 6.3 Befestigung der Druckleiste Da die Verscheibung bei Fassadensystemen üblicherweise von der Außenseite aus eingesetzt und gehalten wird, sind hier die Sicherheitsansprüche wesentlich größer als bei Fensterelementen, deren Scheibe von innen eingesetzt und durch die Gestaltung des Flügelquerschnitts automatisch vor einem Absturz nach Außen geschützt ist. Entsprechend umfangreich und aufwändig sind daher die notwendigen Zulassungstests für ein neues Befestigungssystem. Da bei steigenden Anforderungen an die Wärmedämmung von Fassaden die Befestigung über Edelstahlschrauben jedoch an Grenzen stoßen wird, wurden als Vorarbeit verschiedene Werkstoffklassen bezüglich ihres grundlegenden Potenzials für Befestigungselemente untersucht. Neben der Grundvoraussetzung der Beständigkeit gegen die herrschenden klimatischen Randbedingen (Hitze, Feuchtigkeit, UV-Strahlung) ist dabei besonders das Verhältnis zwischen (nutzbarer Langzeit-) Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit wichtig. Dieser als "Leistungsindex" bezeichnete Quotient gibt somit auch Werkstoffen geringer Festigkeit ein Chance, wenn gleichzeitig ihr Wärmetransport besonders niedrig ist. Die geforderte absolute Festigkeit muss dann über eine entsprechend große Querschnittsfläche des Bestigungselements erreicht werden. Werkstoff Leistungsindex Stahl niedrig legiert Edelstahl Titan Glas * Holz * PA 6 30% Gf 130 PU kompakt 220 * Glasfasern * Aramidfasern * Kohlefasern * * nur Kurzzeitwerte für die Festigkeit bekannt Tabelle 1: Leistungsindizes verschiedener Werkstoffe Ein generelles Problem bei der Beurteilung stellen die oftmals fehlenden Werte für die Langzeitfestigkeit bei erhöhter Temperatur dar. Bei thermoplastischen Kunststoffen ist bekannt, dass eine statisch aufgebrachte Last die Molekülketten abgleiten lässt. Zugegebene Glasfasern können diese Kriechneigung reduzieren, jedoch nicht völlig unterbinden, so dass die tatsächlich bei einer Belastung über 10 Jahre bei 80 C erlaubte Spannung weniger als 1/3 der Kurzzeitfestigkeit bei Raumtemperaturbeträgt. Bei anderen Werkstoffklassen wie den Metallen ist dieser Unterschied üblicherweise wesentlich geringer. Seite 33 von 75

34 Abb. 22: Zeit-Bruchlinien von PA 6 Gf 30 bei verschiedenen Temperaturen (Quelle: Oberbach, K.: Kunststoff- Kennwerte für Konstrukteure, Hanser Verlag 1980) Insgesamt lassen sich aus der Untersuchung folgende Schlüsse ziehen: Unter den metallischen Werkstoffen bietet der bisher schon für die Befestigungsschrauben verwendete Edelstahl die beste Eigenschaftskombination Bei den Nichtmetallen stechen die Fasermaterialien hervor, ganz besonders die allerdings UV-empfindliche Aramidfaser Größtes Problem der alternativen Werkstoffe ist, dass gleichzeitig mit dem Werkstoff auch die Art der Krafteinleitung komplett neu entwickelt werden muss. So könnten die Fasern prinzipiell als gewebtes Band, geflochtenes Seil oder als Formstück in Kombination mit einem Harz eingesetzt werden. Abb. 23: Mögliche Gestaltung der Verbindugselemente Seite 34 von 75

35 6.4 Gestaltung der Druckleiste Da der Wechsel auf eine komplett andere Befestigungslösung den zeitlichen und finanziellen Rahmen des Projektes gefährdet hätte, wurde versucht, das bestehende System weiter zu verbessern. Als größter Schwachpunkt erwies sich dabei die direkte metallische Wärmeleitung über die Schraube in das Schraubmaul des Pfosten- oder Riegelprofils. Kunststoffeinsätze im Schraubmaul oder Schrauben mit einer thermischen Trennung über einen Kunststoffkopf würden wieder die in Abschnitt 1.3 dargelegten Probleme mit der Dauerfestigkeit provozieren, weshalb die Anzahl der Schrauben den nächstliegenden Ansatzpunkt darstellte. Damit der Abstand von derzeit 250 mm auf die geplanten 300 mm vergrößert werden kann, muss jedoch sicher gestellt werden, dass die Druckleiste inkl. der Dichtungen weiterhin sicher an der Scheibe anliegt. Die Nachrechnung der flachsten Druckleiste aus dem derzeitigen heroal-programm ergab jedoch, dass bei 300 mm Abstand die Leiste in der Mitte infolge der elastischen Kräfte der Dichtung von der Scheibe abhebt. Abb. 24: Durchbiegung der Druckleiste bei 300 mm Schraubenabstand und 1500 N Vorspannkraft Als Lösung wurden daher verschiedene alternative Querschnitte simuliert, deren gesteigertes Widerstandsmoment eine Restvorspannung der Dichtung an allen Positionen sicherstellt. Seite 35 von 75

36 Abb. 25: Flächenträgheitsmomente verschiedener Designvarianten (links oben: Ausgangszustand) 6.5 Auslegung des Glasträgers Ein weiteres gut wärmeleitfähiges Element, das in Richtung des Wärmeflusses orientiert ist, ist der Glasträger, der das Gewicht der Scheibe oder des Flächenelementes in das Riegelprofil ableitet. Je nach Belastung kommen dabei zwei unterschiedlich massive Ausführungen zum Einsatz, für die jeweils eine bezüglich der Wärmeleitung optimierte Variante gesucht wurde. Durch den Einsatz von dünnem Edelstahlblech und die versteifende Wirkung eingebrachter Sicken konnte z.b. beim leichten Glasträger der Querschnitt um den Faktor 2,2 verringert werden. Zusammen mit der etwa 14mal geringeren Wärmeleitfähigkeit des Edelstahls gegenüber Aluminium ergibt sich so rechnerisch eine ca. 30fach geringere Wärmeleitung. Beim schweren Glasträger beträgt dieser Faktor immer noch ca. 22. Abb. 26: Entwurf eines leichten Glasträgers aus Edelstahl Seite 36 von 75

37 Verglichen mit der rundum verlaufenden Verschraubung der Druckleiste tragen die meist paarweise eingesetzten Glasträger deutlich weniger zur gesamten Wärmebilanz der Fassade bei. Im Projekt wurde daher zunächst eine Lösung favorisiert, bei der ein bestehender Glasträger durch ein Adapterprofil an den wesentlich vergrößerten Glaseinstand des neuen Profilsystems angepasst wird. Aufbauend auf dem heroal-entwurf wurden hierzu verschiedene Wanddicken und Radienübergänge so angepasst, dass sich bei sogar geringerem Materialeinsatz ein niedrigeres Spannungsniveau und somit eine höhere Tragfähigkeit ergibt. Abb. 27: Originalentwurf (links) und optimierter Querschnitt (rechts) des Adapters 6.6 Visualisierung der Entwürfe Eine Grundidee des neuen Profilsystems besteht darin, die Wärmebilanz der Fassade durch die Einbringung energiegewinnender Elemente entscheidend zu verbessern. Hierzu gehören sowohl Solarthermie- Module zur Erwärmung von Wasser als auch Photovoltaik-Module zur Stromgewinnung. Seite 37 von 75

38 Abb. 28: Fassade mit Photovoltaik- und Solarthermiemodul Beide Modularten benötigen entsprechenden Platz zwischen den Flächenelementen, um die Strom- und Wasserleitungen an die Elemente anzuschließen, weshalb der mögliche Glaseinstand deutlich erhöht wurde. Weiterhin ist es sinnvoll, wenn die Leitungen auch zwischen den Räumen und Stockwerken in den sowieso vorhandenen Profilkammern verlaufen können. Für eine nachträgliche Zugänglichkeit im Reparaturfall müssen diese dann allerdings durch abnehmbare Abdeckprofile verschlossen sein. Um den notwendigen Platzbedarf für die Installation besser abschätzen zu können, wurden die ersten heroal-entwürfe am SKZ durch herstellerneutral gehaltene Solarthermie- und Photovoltaik-Module inkl. der notwendigen Anschlusstechnik ergänzt. Ebenso wurde die Einbaubarkeit des TT90-Fensters als bewegliches Element sowie der VIG-Scheibe als Festverglasung am virtuellen Prototypen untersucht. Abschließend wurde als Ausblick auf eine mögliche Fortentwicklung auch eine Aufsatzfassade von dem geplanten Profil abgeleitet und visualisiert. Abb. 29: TT90 als bewegliches Element (links) und Entwurf einer Aufsatzfassade (rechts) Seite 38 von 75

39 7 Entwicklung und Herstellung von Profil- Produktionstechniken für Fensterprofile; Profilproduktion für Prototypen und Referenzprojekte 7.1 Aufgabe im Vorhaben Gerhard Hörtrich BBG GmbH & Co. KG Der Firma BBG wurde in dem Projekt HWFF die Aufgabe übertragen, Werkzeuge für die einzelnen Fertigungsschritte bei der Herstellung der Profile für das Fensterrahmensystem TT90-R, konstruktiv zu entwickeln, herzustellen und durch Prototypfertigung zu erproben. Das betrifft im einzelnen Werkzeuge für die Hartschaumkerne wie auch die Ummantelung dieser Kerne mit einer kompakten PU Außenhaut. Folgende Profile wurden dafür ausgewählt: (Fenster-) Flügel, (Fenster-) Rahmen und Pfosten (Element, das die Verbindung zwischen zwei direkt nebeneinander liegenden Flügeln herstellt). Aus den Erfahrungen der Herstellungsabläufe bis zu seriennahen Produkten, sollte eine komplette Fertigungslinie konzipiert werden, die als Komplettanlage für einen möglichen Produzenten dieser Fenstersysteme mit dem entsprechenden, dazugehörigen know how, zur Verfügung gestellt werden kann. 7.2 Zusammenfassung Entsprechend dem Anforderungsprofil für hochwärmedämmende Fensterprofile: Gute Wärmedämmung Leichtes Material Mechanisch stabil Witterungsbeständig Schlagfest Sowie möglichst nur ein Grundmaterial wurde für die Kernherstellung ein PU Hartschaum mit einer Dichte von g/l ausgewählt. Zur Ummantelung mit der Außenhaut wird ein Polyurethan verwendet, das eine endgültige Dichte von 1180 kg/m³ erreicht, und somit die notwendigen Härte- und Stabilitätseigenschaften für die fertigen Profile realisiert. Hersteller und Lieferant dieses Schaumes ist die Firma Bayer MaterialScience. In folgenden Schritten findet der Herstellungsprozeß der Profile statt: Kern schäumen (in offene Form) Oberflächenreinigung der Schaumkerne Montage von Abstandshaltern (Spacer) Ummanteln mit PU in geschlossener Form; Um die Fertigungsabläufe der Profile mit den ausgewählten Materialien und somit die Herstellbarkeit zu überprüfen, wurde mit Stablängen von 2 Meter begonnen. Von der Firma BBG wurden Werkzeuge für die Kerne, wie auch deren Ummantelung mit dem Außenhautmaterial für die beiden Profile Flügel und Rahmen hergestellt. Seite 39 von 75

40 . Flügelkern- Werkzeug, geöffnet, 2 Meter Bei den Werkzeugen für Kerne wird der Schaum aus dem Mischkopf kommend in ein, mit Trennmittel vorbehandeltes, offenes (aufgeklapptes) Werkzeug eingetragen, das unmittelbar nach Füllung geschlossen wird. Im geschlossenen Werkzeug schäumt das Material formfüllend auf. Rückstände von Trennmittel, die sich auf der Oberfläche der Kerne nach Entformung befinden müssen rückstandslos entfernt werden, um die Haftung des Kernes zum Außenhautmaterial nicht zu beeinträchtigen. Das fand für die Prototypen und die ersten Kleinserien mittel Strahlen mit Glasperlen statt. Getestet und für die Zukunft vorgesehen ist die Reinigung über Vakuumplasma. Um die Kerne in den Außenhautwerkzeugen so zu lagern, dass umlaufend eine definierte Kavität für das Ummantelungsmaterial garantiert werden kann, sind in die Kerne Distanzhalter eingedrückt worden, die den entsprechenden notwendigen Spalt garantieren. Distanzhalter (Spacer) Musterfenster, die aus, auf diese Weise produzierten Profilen gefertigt worden sind, wurden beim SKZ und beim ZAE in Würzburg mit positivem Ergebnis getestet. Seite 40 von 75

41 Für die ersten Fenster wurden die notwendigen Dichtungen an die Profile angeklebt. Aus den Erfahrungen mit diesen ersten Chargen erfolgte eine Optimierung der Profilquerschnitte. Dabei wurden die Fließspalte für das Ummantelungsmaterial, die Rahmen- und die Flügelgeometrie verbessert sowie Stecknuten für die Dichtungsmontage entwickelt. Weiterhin hatte sich bei Stabilitätsuntersuchungen herausgestellt, dass es für einige Einsatzfälle nötig ist, die Steifigkeit der Pfosten und Rahmenprofile zu erhöhen Um das zu erreichen, werden nun in diesen beiden Geometrien Verstärkungen aus Aluminium eingelagert, die die nötige Steifigkeit garantieren. Um diese Verbesserungen an realen Teilen überprüfen zu können wurden, diesen Erkenntnissen folgend, Werkzeuge für die drei Profile in Mindelheim hergestellt diesmal für eine Stablänge von 3 Metern. Verbesserte Rahmen- Flügelkombination mit eingesteckten Dichtungen am Flügel Aluminiumverstärkungen im Rahmenprofil Zwei Flügel gegen einen Pfosten schlagend Pfosten mit Aluminiumverstärkungen Die Integration der Aluminiumverstärkungen erfolgt vor der Ummantelung der Kerne an diesen durch eine Fixierung mit (auch wieder) Aluminiumstiften. Seite 41 von 75

42 Die Verwendung von Aluminium ist notwendig, um keine Werkzeuge beim nachträglichen Trennen der Profile auf Bedarfslängen, zu beschädigen. Vorkonfektionierte Verstärkungsleisten An Rahmenkernen Der überwiegende Teil der Fensterhersteller arbeitet mit Profilstangen in der Länge von 6 m, d.h. dass eine Reihe von Anlagen auf dies Länge ausgelegt ist. Um zu überprüfen ob wir mit dem TT90-R auch Profile in dieser Länge fertigen können, wurde ein Ummantelungswerkzeug für das Flügelprofil gefertigt. Dieses Werkzeug befindet sich bei der Firma Bayer in Leverkusen im Polyurethan-Technikum. Mit je drei eingelegten Flügelkernen wurden Stangen in der Länge 6 Meter erfolgreich ummantelt. Damit ist auch der Nachweis gelungen, dass mit diesen Längen in Zukunft gearbeitet werden kann. 6 Meter Stangen Flügelprofil, ummantelt Seite 42 von 75

43 4.2 Ergebnisse Fertigungsgerechte Werkzeuge für 3 m Stangen liegen vor. Kleinserien können jederzeit damit produziert werden. Für eine Serienanlage existiert, auf Grund der bisherigen Erfahrungen, ein konkretes Layout: Materialbehälter für Kernherstellung für Außenhaut Schäumanlage Außenhaut Schäumanlage Kerne Endkontrolle Werkzeugrotamat für Außenhaut Oberflächen- Behandlung mit Vakuumplasma Werkzeugrotamat für Kernfertigung Entgraten und Spacermontage 4.3 Verwertungsplanungen Für den Herstellprozeß der TT90- R Fensterprofile bestehen internationale Schutzrechte der Fa. BBG. BBG hat anhand der positiven Erfahrungen mit diesen Fertigungsabläufen bereits Produktionskonzepte erstellt. Die Firma beabsichtigt Komplettanlagen für die Profilherstellung an Fensterhersteller zu vertreiben. Erste internationale Anfragen dafür liegen vor. Seite 43 von 75

44 8 Konstruktion und Entwicklung von Beschlag und Versuchseinrichtungen, zum Fügen von Rahmen- und Flügelprofilen Herbert Nonnen Schüring GmbH & Co. Fenster-Technologie KG 8.1 Zusammenfassung Alle in der Vorhabenbeschreibung HWFF aufgeführten und der Firma Schüring dort zugeordneten Aufgaben konnten während der Projektlaufzeit, wie auch in den jeweiligen Zwischenberichten dokumentiert, mit positiven Ergebnissen ausgeführt und abgeschlossen werden. Konzept zur Konstruktion und Entwicklung von Blendrahmen- und Flügelprofil, sowie für eine Pfostenkombination, hinsichtlich Beschlag und Entwässerung. Zyklusprüfungen unter Maximallast, zur Ermittlung der Material- u. Beschlagtauglichkeit. Oberflächen Konstruktionen und Aufbau von Versuchsvorrichtungen, zum Fügen der Blendrahmen- und Flügelprofile. 8.2 Konzept zur Konstruktion und Entwicklung von Blendrahmen- Flügel- und Pfostenprofil, hinsichtlich Beschlag und Entwässerung Für die sichere und dauerhafte Befestigung der Fensterbeschläge im Rahmen- und Flügelprofil, für ein effizientes Entwässerungssystem, sowie für die Befestigung eines Setzpfostens im Blendrahmenprofil, wurden von Schüring die notwendigen Details, wie Material, Materialstärke und Anordnung für die Konstruktion ermittelt und vorgegeben. Ausreißfestigkeit: Bei den späteren Untersuchungen an den abgemusterten Profilstäben zeigten die durchgeführten Ausreißversuche, bei Verwendung einer handelsüblichen Beschlag-Schraube Ø 4,2 x 25mm, ein vergleichbares, ja sogar besseres Ergebnis gegenüber einem 2-Kammer-PVC- Profil. Flügelprofil mit Beschlagsnut Blendrahmenprofil mit Ecklager- und Schließteilbereich Ergebnisse der Ausreißversuche: TT 90-Profil = 1308 N PVC 2-Kammerprofil = 946 N Bei den folgenden Dauerlastprüfungen konnten die erzielten Werte bestätigt werden. Seite 44 von 75

45 Entwässerung: Zu den Anforderungen an ein effizientes Fenstersystem, hinsichtlich Dichtheit, Bedienfreundlichkeit sowie Zuverlässigkeit, gehört ein funktionierendes, an die Profilgeometrie und ein an das Material angepasstes Entwässerungssystem. Diese Entwicklung wurde von Schüring übernommen. Neben der Funktion und der Verarbeitbarkeit, sollte das zu entwickelnde System preisneutral zu heutigen Standardlösungen im Aluminium- und PVC-Fenstersystemen sein. Die Umsetzung ist den nachstehenden Darstellungen zu entnehmen. Entwurf des Entwässerungssystems Wasserablauf im Profil Ablauf Außen Verbindung von Pfosten und Blendrahmen: Bei der Herstellung eines 2-flügeligen Fensters wird in der Regel mit einem Setzpfosten gearbeitet, der zwischen dem unteren und oberen Blendrahmen passgenau eingesetzt und mechanisch über einen Beschlag verbunden wird. Hierzu wurde von Schüring eine wirkungsvolle, sowie stabile und für den Verarbeiter einfach einzubringende Beschlaglösung entwickelt. Für die Herstellung einer konturgenauen Blendrahmengeometrie an den Kopfseiten des Setzpfostens, wurde eine entsprechende Vorrichtung mit dem dazugehörenden Werkzeug angefertigt und eine Fenster-Pfostenkombination in der Größe 1800 x 1800 mm aufgebaut. Profilverbindung Blendrahmen / Setzpfosten Kopffräse Seite 45 von 75

46 8.3 Zyklusprüfungen unter Maximallast, zur Ermittlung der Material- / Beschlagtauglichkeit Parallel zu den mechanischen Prüfungen beim SKZ, wurde bei Schüring ein Prüfstand aufgebaut, um ein TT90-Fenster in der Größe 1002 mm x 1482 mm (Blendrahmen-Außenmaß), angelehnt an die RAL-Richtlinie 607/3 (Drehbeschläge und Drehkippbeschläge Gütesicherung), hinsichtlich Lagerstellen, Schraub- und Verschlußpunkte, in einem Dauertest zu prüfen. Eingesetzter Beschlag und Befestigung: R21 DK-Beschlag, Befestigung in der Euronut mittels Beschlagschrauben in der Dimension Ø 4,3 mm x 25 mm. Alle Verschraubungspositionen wurden mit einem Akkuschrauber mit Drehmoment endfest angezogen. Zum reproduzieren des Glasgewichtes von ca. 31,6 kg (3-fach Verglasung mit 3 x 4 mm Glasstärke) wurde eine 22 mm Spanplatte mit einem Gewicht von ca. 13 kg und beginnend mit einem Zusatzgewicht von 20 kg verwendet. Prüfungsverlauf : Der Fensterflügel wurde Zyklen mit dem Gewicht der Spanplatte und anschließend ansteigenden Zusatzgewichten in Schritten von jeweils 20 kg bis zu einem Gesamtgewicht von 93 kg getestet. Diese Prüfungen wurden im Drehkipp-Zyklus durchgeführt. Beginn des Zyklus ist die Offenstellung, danach Fensterflügel aufdrehen auf 90 Öffnung, anschließend Fensterflügel zudrehen und in die Kippstellung fahren, danach Verriegeln des Fensterbeschlags. Nach diesen Prüfungen waren keine Veränderungen an den Schraubbefestigungen des Eckund Scherenlagers, sowie an den anderen Beschlagteilen des TT90 Fensters feststellbar. Eckrisse waren in den Fügenähten nicht erkennbar aufgetreten. Mit diesem Resultat aus dem Zyklustest konnte ein weiteres wichtiges, sowie positives Fazit im Projekt HWFF gezogen werden. Prüfstand mit TT90 Fenster Drehöffnen mit Zusatzgewichten innen und außen Kippöffnen 8.4 Oberflächen Das eingesetzte Material bei dem entwickelten Fensterprofilsystem TT90 hat keine eigene Dekoroberfläche und muss, ähnlich wie Aluminium-Profile, mit einer Folie oder einer Lackierung beschichtet werden. Grundvoraussetzung für beide Verfahren ist eine absolute Haftfähigkeit der Materialoberfläche. Da die jeweiligen Profilstäbe in einem formgebundenen Herstellverfahren produziert werden, bei dem zur Entformung ein Trennmittel eingesetzt wird, kann es zu Haftungsproblemen auf der Oberfläche der Profile kommen. Das zeigten mehrere Versuchsreihen, die mit Unterstützung der Bayer AG und der Firma Acmos durchgeführt wurden. Letztendlich konnte ein wasserlösliches Produkt ausgetestet werden, welches rückstandsfrei zu verarbeiten ist und eine dauerhafte sowie auch optisch einwandfreie Lackierung möglich macht. Seite 46 von 75

47 Profil 1 Profil 2 Profil 3 Versuchsreihen mit unterschiedlichen Standard-Formtrennmitteln. Keine oder nur ungenügende Haftung des Lacks bei Profil -1- und -2; Fertigung mit einem wasserlöslichen Formtrennmittel bei Profil -3-. Einwandfreier Haftgrund und eine beanstandungsfreie Lackoberfläche. Ein so hergestelltes Fenster wurde auf der glasstec 2010 ausgestellt Seite 47 von 75

48 8.5 Aufbau von Versuchsvorrichtungen, zum Fügen der Blendrahmen- und Flügelprofile Ein überaus wichtiger und tragender Meilenstein im HWFF-Projekt war das Fügen der Flügel- und Blendrahmen. Wie schon in den Zwischenberichten im Verlauf des Projekts beschrieben, wurde von Schüring, unter Mitwirkung der Fa. Henkel, ein Klebstoff sowie ein Fertigungsverfahren entwickelt und zum Patent angemeldet, das es dem späteren Profilverarbeiter bzw. Fensterhersteller mit verhältnismäßig moderaten Aufwand ermöglicht, die Fertigung der TopTherm 90 Fenster parallel zu seiner heutigen PVC-Fensterfertigung zu betreiben. Zum Sachstand: Aufbauend auf Studien und zahlreichen Versuchsreihen und den hieraus resultierenden Erkenntnissen, wurde von Henkel ein bestehendes Basisprodukt in Richtung erhöhte Anfangsund maximaler Endfestigkeit weiterentwickelt. Zum Fügen der Profile und Auftragen des entwickelten Klebstoffes, wurden bei Schüring Versuchsanlagen konstruiert und aufgebaut. In zahlreichen Fügeversuchen mit nachgeschalteten Bruchprüfungen, zur Ermittlung der Eckenfestigkeit, konnten zum Abschluss die optimalen Bedingungen und Werte für eine dauerhafte Fügeverbindung ermittelt bzw. festgelegt werden. Die nach Abschluss der Versuchsreihen beim SKZ ermittelten Werte der Eckenbruchprüfungen lagen zwischen 1700N beim Flügelprofil und 1850N beim Blendrahmenprofil. Wie die Bruchversuche zeigten, entsprechen diese Werte der Festigkeit des Mantelmaterials. Nach Abschluss der Vorversuche und der Eckenbruchprüfungen, wurden auf den Versuchsanlagen komplette Fensterelemente für die nachgeschalteten Systemprüfungen, wie Schlagregen, Windlast usw. hergestellt. Diese Prüfungen wurden dann beim Projektpartner SKZ durchgeführt. Die durchgängig zufriedenstellenden Resultate und Bewertungen sind im Bericht vom SKZ nachzulesen. Fertigungsbereich zum Fügen von Rahmen und Flügel Auftragen des Klebstoffs u. Fügen eines Flügelrahmens Seite 48 von 75

49 Abgestellte Flügel- und Blendrahmen Kopffräse für Zusatzprofil Pfosten Mit diesem Gesamtergebnis konnte die Teilaufgabe Fügen positiv abgeschlossen werden. Fazit: Moderate Investitionskosten für eine zusätzliche bzw. ergänzende Fertigung von hochwärmedämmenden Fenstersystemen, geprüften Verfahren und die Verwendbarkeit von bestehenden Beschlagsystemen, unterstützen das Projekt in einem erheblichen Maße bei der industriellen Realisierung bzw. bei der Markteinführung und geben dem interessierten Fensterhersteller die Möglichkeit, neue Märkte bei einem wirtschaftlich überschaubaren Risiko zu erschließen. 8.6 Messen und Öffentlichkeitsarbeit In den Jahren 2008 und 2010 wurde das neu entwickelte Fenstersystem TT90, anlässlich der internationalen Fensterbauausstellung in Nürnberg, auf dem Messestand von Schüring, einem breiten und interessierten Publikum vorgestellt. Permanent ausgestellt und Besuchern zugänglich ist das Fenstersystem im Ausstellungsbereich der Fa. Schüring. Darüber hinaus erfolgten Veröffentlichungen in Printmedien, sowie über Poster in Eingangs- und Ausstellungsbereichen. Messepräsentation des Fenstersystems TT90 im März 2010 auf der internationalen Fensterbau in Nürnberg Seite 49 von 75

50 8.7 Verwertungsplanung Schüring wird nach Ablauf des Projekts, voraussichtlich ab Juli 2011, eine Kleinserienanlage zum Fügen herstellen und in Zusammenarbeit mit der Firma Stickling, dort im Hause, eine Demo-Fertigung aufbauen. Ziel ist es, die Fenster für den Neubau des ZAE im nächsten Jahr hierauf zu fertigen und gleichzeitig einem interessierten Kunden- und Verarbeiterkreis die Einfachheit der Produktion dieses neuen energieeffizienten Fenstersystems vorzustellen. Ergänzend werden die maschinellen Einrichtungen in die Werbeunterlagen, Bereich Maschinenbau, der Firma Schüring einfließen, sowie auf den kommenden nationalen wie internationalen Messen zusammen mit dem Fenstersystem als Einheit vorgestellt. Gerade auf den internationalen Märkten ist ein hohes Interesse und ein erhöhter Bedarf zu erwarten. Daher wird im Hause Schüring die Möglichkeit nicht ausgeschlossen, in Zusammenarbeit mit den Partnern aus dem Projekt HWFF, gemeinsame Anstrengungen im Vertrieb zu koordinieren, um eine Beschleunigung in der Verbreitung und Vermarktung zu erreichen. 9 Herstellung von TopTherm 90 Fenster 9.1 Zusammenfassung Es gab technische Arbeitstreffen zur Abstimmung und Modifizierung der Produktionstechniken für Fenster- und Fassadenelemente. Die Voraussetzungen und Vorbereitungen zur Herstellung von TT90 Muster- und Ausstellungsfenster wurden mit den beteiligten Partnern festgelegt und in Abstimmung mit den Zulieferern praktiziert. Im Hause Stickling wurden die Arbeitsschritte praktiziert. Ablängen (1) Primern (2) Klebstoff auftragen (3) Fügen (4) Eckwinkel (5) Fügen und Winkeln (6) Seite 50 von 75

51 Dichtungen einkleben (7) Glasmontage (8) Beschlagmontage (9) Bei den Konzepten und Entwicklungen des Fenster- und Fassadensystems brachte Stickling die Erfahrungen und Vorschläge zum Stand der Technik und die Anforderungen für Verbesserungen ein. Bei den Detailfragen und Lösungen wurde besonders auf die Anwenderproblematik und eine einfache und gewerbeunabhängige Montage geachtet Der Kundenkreis hat sich verändert. Das nötige Umweltbewusstsein steht im Vordergrund. Deshalb verlangt der Kunde immer mehr höher gedämmte Fenster bzw. Dreifachverglasung. Die Uw-Werte müssen mindestens 1.0 betragen. Wenn es möglich ist, sogar noch besser.die Tendenz geht auch bei den Hauseingangstüren in diese Richtung, da vielfach Fördermittel der KFW-Bank in Anspruch genommen werden, welche einen absoluten Wärmeschutz verlangt. Eine nicht zu unterschätzende Problematik ist die aufwändige Fertigung der Profile durch ihre Profildicke bzw. Bautiefe sowie das anschließende Handling der Fenster durch das Gewicht, welches durch die einzelnen Komponenten wie Glas, Profil, Stahl, etc. entstanden ist.hierzu sind auch die Beschlaghersteller gefordert. Die Standard-Beschläge sind auf mehr als max. 100 kg geprüft, was aber allein durch den Schallschutz oder Einbruchschutz schnell erreicht wird. Die Beschlag-Industrie arbeitet aber an Lösungen, um höhere Gewichte abzudeckenauch in der Altbau-Montage gibt es Schwierigkeiten bei der Umsetzung nach RAL bzw. EnEV innen Diffusionsdicht und außen Diffusionsdurchlässig nach EnEV Seite 51 von 75

52 9.2 Ergebnisse Bei den regelmäßigen Arbeitstreffen wurden die Ergebnisse und Sachstände innerhalb der Teilaufgaben und im Gesamtprojekt bearbeitet und bewertet, weitere Aufgaben und Arbeiten abgestimmt und die Erledigungstermine festgelegt. Damit das Projekt abgeschlossen werden konnte, wurde am ein Antrag auf Verlängerung beim Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie bis zum gestellt, welcher auch genehmigt wurde.die Firma Stickling hat in 2010 und 2011 im Unterauftrag der Firma heroal im Verlängerungsprojekt mitgewirkt und die spezifischen Arbeiten eines Fensterherstellers durchgeführt. Zusätzlich wurden aber auch die Arbeiten aus der Teilaufgabe Stickling beendet. 9.3 Verwertungsplanungen In absehbarer Zeit wird die Firma Stickling als erstes Unternehmen auf eine Demo- Produktion der TT90 Fenster umstellen. Somit ist die Firma Stickling auch als Erste in der Lage, ein Passivhaustaugliches Fenster herzustellen Ziel ist es, die Fenster für den Neubau des ZAE im nächsten Jahr zu fertigen. Gleichzeitig soll auf Messen einem interessierten Kundenkreis die neue Fertigung nahe gebracht werden. 10 Entwicklung und Herstellung von Profile für Fenster und Fassadensysteme 10.1 Fenstersystem und Fassadensystem Ziel des Projekts ist die Entwicklung und Optimierung eines hochwärmedämmenden Fenster- und Fassadensystems mit schlanken Rahmen- und Profilkonstruktionen Fenstersystem Die in der Vorhabenbeschreibung HWFF aufgeführten Aufgaben der Firma heroal wurden im Berichtszeitraum bis durch Herrn Heidenfelder und seinem Konstruktionsteam durchgeführt. Die Ergebnisse wurden in den jeweiligen Sachstands- und Zwischenberichten dokumentiert. Konzept und Konstruktion Zum Projektstart wurden die Anforderungen und Möglichkeiten überprüft und das Anforderungsprofil festgelegt. Seite 52 von 75

53 Lösungsansätze und Konzepte für ein HWFF-System wurden diskutiert und konkrete Vorschläge erarbeitet. In Zusammenarbeit mit Herrn Popp (SKZ) / Herrn Wendel (Roto) und der heroal- Konstruktionsabteilung wurden die technischen Bedingungen wie Beschlagsnut, Entwässerungssystem und Dichtungsaufnahmen sowie die Zwängungsfreiheit auf den Entwurf übertragen. Um einen sicheren und effizienten Fertigungsprozess zu gewährleisten, wurden die in der allgemeinen Konstruktion von Fensterprofilen bekannten Fertigungstoleranzen zugrunde gelegt. Umsetzung der Konstruktion Nach Abschluss der konstruktiven Arbeiten an den Profilen wurde unverzüglich die Werkzeug-konstruktion durch die Fa. BBG eingeleitet. Anfang Dezember 07 wurden die ersten Profilquerschnitte (innerer Dämmkern) vorgestellt. Die weiteren Schritte wie Eckverbindung/Verklebung, Beschlageinbau und Dichtungen sowie die Verglasung wurden auf den Weg gebracht. Nach den ersten Eckenprüfungen hat sich bestätigt, dass die Verwendung von Eckwinkeln nicht notwendig ist. Die Flügelfertigung und der Einsatz der Scheibe verliefen reibungslos. Die erreichten Werte der Standsicherheitsversuche der Eckverbindung waren aber noch verbesserungswürdig und somit weitere Tests erforderlich. Auch die bei der Fa. Veka und Schüring durchgeführten Funktionsprüfungen zeigten, dass Nachbesserungen am Dichtungssystem und den Wandstärken der Profile erforderlich waren. Durch die Partner wurden in weiteren Detailuntersuchungen verschiedene Materialsorten, Klebetechniken und Konstruktionsvarianten (z.b. Wandstärkenoptimierung) analysiert und bewertet. Hierbei wurden wichtige Erkenntnisse für die letztendliche Konstruktion für ein dauerhaftes und sicheres Fenster gewonnen. Die hieraus resultierende Werkzeuganpassung wurde durch die Fa. BBG durchgeführt. Parallel zur Entwicklung des Fensters wurden auch die entsprechenden Prüfvorrichtungen wie Hot-Box und LWW (Luft-Wasser-Wind) Prüfstand beim ZAE und SKZ geplant und erstellt. Um sicher zu stellen, dass Veränderungen keinen negativen Einfluss auf das angestrebte Ziel ein es energetisch optimiertem Fenstersystem zu entwickeln hatten, wurde durch das ZAE unter Verwendung von Simulationssoftware laufend die Konstruktion auf ihre Wärmeleitfähigkeit überprüft. Nach Werkzeugkorrektur, Neuproduktion und Fertigung erfolgten beim ZAE/SKZ umfangreiche Prüfungen hinsichtlich Wärmedurchgang, Luftdurchlässigkeit und Schlagregendichtigkeit. Hierbei zeigte sich sowohl die Stärke (Wärmedurchlass bis zu Uw= 0,67 W/m²k), aber auch die Grenze im Bereich der statische Belastbarkeit im Vergleich zu einem Kunststoffbzw. Aluminiumprofil. Ergebnis Teil 1: Fenstersystem Aus unserer Sicht haben wir mit dem Fenster TT90 das angesetzte Ziel, die Entwicklung und den Test eines hochwärmegedämmten Fensters erreicht. Die Ergebnisse haben gezeigt welches Potenzial im Material PUR steckt. Die Klebetechnik der Eckverbindung beweist dies eindrucksvoll. Allerdings ist der Einsatzbereich für diese Konstruktion noch zu beschränkt auf einfache Lochfenster, gerade komplexe Fensterelemente mit verschiedenen Ansichtsbreiten und Aufteilungen können noch nicht abgebildet werden. Der aus der modernen Architektur kommende Wunsch nach Fensterelementen, die großflächig und mit möglichst wenig Rahmenanteil sind, ist hiermit nicht erfüllt. Trotzdem wird für das Fenster TT90 ein zumindest am Anfang noch kleiner aber wirtschaftlich interessanter Markt für den Fensterhersteller entstehen. Verwertung Teil 1 : Fenstersystem heroal setzt seit vielen Jahren in Aluminium-Produkten in den Bereichen Rollladen und Fenster PUR- Schäume ein. Seite 53 von 75

54 Für uns war es wichtig, weitere Möglichkeiten dieses Materials zu analysieren und zu bewerten. Wir werden in Hinblick auf die kontinuierliche Verringerung des Wärmedurchlasses bei Fenstern weiter auf dieses Material zur thermischen Isolation setzen. Im Ergänzungsvorhaben FaS ab lag dann der Schwerpunkt der Fa. heroal in der Entwicklung einer integrativen Fassade Teil 2: Fassadensystem Die in der Vorhabenbeschreibung HWFF aufgeführten Aufgaben der Fa. heroal wurden im Berichtszeitraum bis durch Herrn Heidenfelder und seinem Konstruktionsteam durchgeführt. Die Ergebnisse wurden in den jeweiligen Sachstands- und Zwischenberichten dokumentiert. Konzept und Konstruktion In der Ideenphase sind wir davon ausgegangen, dass eine gesamtenergetische Überarbeitung erforderlich ist. Das heißt, dass sowohl der Einbaubereich für die Funktionselemente (z.b. PV) sowie die tragende Konstruktion wärmetechnisch verbessert werden müssen. Daher wurde durch die Konstruktion der Fa. heroal ein Aufsatzfassadensystem entwickelt. Nach ersten Entwürfen wurden Wärmeberechnungen vom ZAE durchgeführt. Hierbei zeigte sich, dass für den statisch tragenden Teil (Pfosten/Riegel) keine wärmetechnische Verbesserung notwendig ist. Hauptwärmebrücke ist der Glasrand (Randverbund + Deckgläser). Weiter ergaben die Berechnungen, dass der Schraubeneinfluss (Befestigungsschrauben) sowie die Isolation im Einbaubereich durch eine Versuchsreihe (Messungen in der Hotbox) genauer untersucht werden müssen, um Ausgangsdaten für mögliche Optimierungen zu bekommen. Durch das ZAE wurde dann in Zusammenarbeit mit der Konstruktion der Fa. heroal ein umfangreicher Versuchsplan erstellt. Mit den Messungen wurde dann Mitte Dezember 2009 begonnen. U f -Wert in W/(m²K) gedämmte Druckleiste und ungedämmte Druckleiste und Schaumisolator Kunststoffisolator Mit Kunststoffschrauben 1,32 ± 0,05 1,80 ± 0,05 Mit Edelstahlschrauben 1,54 ± 0,05 2,00 ± 0,05 Einfluss der Verschraubung 0,22 0,20 Tabelle 6: Ergebnisse der Messungen mit gedämmter Druckleiste und Schaumisolator im Vergleich zur Vorläufervariante mit ungedämmter Druckleiste und Kunststoffisolator (Schraubeneinfluss) Abbildung 1: Fotographie des Fassadenprofils in der Hotbox Seite 54 von 75

55 Die Ergebnisse haben gezeigt, dass der Schraubeneinfluss bei energetisch optimierten Systemen größer wird. Als weiteren Schwerpunkt wurde vom SKZ die Lastabtragung über sogenannte Glasträger, die die Gewichte der Funktionselemente abtragen und die Befestigungsschrauben der Druckleisten untersucht. Abbildung 2: Glasträger Hierbei wurde einmal das Material der Glasträger und der Schrauben, in der Regel Aluminium bzw. Edelstahl, grundsätzlich mit anderen Werkstoffen hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit und statischer Belastbarkeit untersucht. Fazit hieraus war, dass die zurzeit verwendeten Materialien den besten Kompromiss aus wärmetechnischen und statischen Anforderungen darstellen. Im Laufe des weiteren Entwicklungsprozesses wurde durch das SKZ mittels FEM- Berechnungen die Geometrie des Glasträgers optimiert. Abbildung 3: FEM-Analyse Glasträger unter Last Die Ergebnisse wurden in einem Pfosten- und einem Riegelprofil umgesetzt, welche die Anforderungen moderner Funktionselemente hinsichtlich der Einspannmöglichkeiten sowie die sichere Lastabtragung erlauben. Für die Leitungs- und Kabelanschlüsse wurde die Ansichtsbreite auf 80 mm erweitert um, einen problemlosen Übergang aus dem Falzbereich in den Installationsbereich zu ermöglichen. Dies wiederum erlaubt eine unabhängig vom Fassadenbau durchgeführte Installation der Leitungen und Kabel. Seite 55 von 75

56 Nach erfolgter Werkzeugeinrichtung und Bemusterung wurde im weiteren Verlauf des Projekts die Einbausituation verschiedener Komponenten überprüft. Hierbei stellten sich die Einspanntiefe von 20 mm sowie die Einspannstärke von 28 mm 68 mm als Optimum heraus. Durch den Einsatz von VIG-ISO Ug = 0,5 W/m²k erreicht die Fassaden sowohl im Bereich der Festverglasung wie auch bei beweglichen Elementen (Fenster) Werte (je nach Ausführung Ucw< 0,7W/m²k) unterhalb des Passivhausstandard von Ucw=0,8 W/m²k. Im weiteren Verlauf wurden die Vorbereitungen für eine Fassadenprüfung auf dem heroal- Fenster/Fassadenprüfstand getroffen. Ziel dieser umfangreichen Prüfung war, die Gebrauchstauglichkeit hinsichtlich Luftdurchlässigkeit, Schlagregendichtigkeit und Widerstand gegen Windlasten zu dokumentieren. Bei dieser Prüfung wurden folgende Werte erreicht: Widerstandsfähigkeit bei Windlast: 2 kn/m² / 3 kn/m² nach EN Schlagregendichtheit Klasse: RE 1200 nach EN Luftdurchlässigkeit: Klasse 4 nach EN Hiermit erfüllt die neue Fassade alle Anforderungen und geht in puncto Widerstandsfähigkeit gegen Windlast und Schlagregendichtigkeit sogar darüber hinaus. Seite 56 von 75

57 Ergebnis Teil 2: Fassadensystem Neben ausgezeichneten Wärmedämmwerten weist die Pfosten-/Riegelkonstruktion auch ein deutlich verbessertes Handling der Leitungs- und Kabelführung von funktionalen Fassadenelementen wie PV-Modulen oder Fassadenkollektoren auf. Durch die geringfügig breitere innere Ansicht von 80 mm (außen 70 mm) und den integrierten Kabel-Verrohrungskanälen wurde ein Hauptanspruch an die Konstruktion, Gewerke unabhängige Montage, realisiert. Das heißt, der Fassadenhersteller montiert die Fassade, führt z.b. die Anschlusskabel durch Kabeldurchführungen in den innen liegenden Kabelkanal, hier kann unabhängig von der Fassadenmontage der Installateur die Verkabelung durchführen. Durch die Lage der Kabelkanäle an den seitlichen Wangen der Fassadenprofile und reversiblen Abdeckungen ist es möglich, die Installation wie auch anfallende Wartungs- oder Reparaturarbeiten zeitlich unabhängig von der Fassadenmontage durchzuführen. Diese Pfosten-/Riegelkonstruktion ermöglicht auch langfristig, auf innovative Entwicklungen von aktiven Fassadenelementen zu reagieren. Verwertung Teil 2 : Fassadensystem Die Pfosten-/Riegelkonstruktion muss noch erheblich erweitert werden um, die Anforderungen an ein Fassadensystem zu erfüllen. Des Weiteren ist der Nachweis der Verbindungstechnik mit bauaufsichtlicher Zulassung erforderlich sowie die für die CE-Kennzeichnung notwendigen offiziellen Prüfungen bei einer notifizierten Prüfstelle. heroal zieht in Betracht, nach Ende des Projekts die Fassade als eigeständiges System weiter zu entwickeln, da wir davon ausgehen, dass ein kleiner aber wirtschaftlich interessanter Markt für den Fassadenhersteller existiert. Seite 57 von 75

58 11 Entwicklung alternativer Fensterprofile, Einbringen der Erfahrungen eines Profilsystemherstellers. Hermann Schmitz VEKA AG 11.1 Zusammenfassung Die Wärmedämmeigenschaften von Fensterrahmen haben sich in den vergangenen Jahren deutlich verbessert. Wegen der im Vergleich zu starren Bauteilen deutlich vielfältigeren Anforderungen müssen im Hinblick auf die Wärmedämmeigenschaften jedoch Kompromisse eingegangen werden. Im Rahmen dieses Projektes war die Vorgabe ein Fenstersystem mit nochmals deutlich verbesserten Dämmeigenschaften zu entwickeln. Hierbei wurde herausgelöst aus dem Alltagsgeschäft ein Fensterprofilsystem mit alternativen Werkstoffen entwickelt. Es konnten Profile aus einem alternativen Material (PUR) realisiert werden, mit denen eine deutliche Verbesserung der Wärmedämmeigenschaften erreicht wird. Im Rahmen dieser Arbeit konnte die VEKA AG an zahlreichen Stellen das Projekt entscheidend voranbringen. Kontinuierlich wurden im Arbeitskreis aktuelle Informationen aus dem Fenstermarkt berücksichtigt. Bemerkenswert ist, dass sich das Bewusstsein für den Klimaschutz innerhalb des Projektzeitraumes stark verändert und der mögliche Aufwand für hoch wärmedämmende Fenster deutlich erhöht hat. Für das System TT90 wurde eine Bautiefe von 90 mm gewählt. Die Vergrößerung der Bautiefe ist eine übliche Methode zur Verbesserung der Wärmedämmeigenschaften eines Fenstersystems. Diese Maßnahme ist jedoch auch mit Nachteilen verbunden. So wird die Montage und das Handling erschwert. Außerdem benötigt man für ein Profilsystem zahlreiche Zusatzprofile wie Verbreiterungen und Anschlussprofile. Durch die Wahl der Bautiefe von 90 mm kann die VEKA AG Profile in entsprechender Bautiefe aus dem Standardsortiment anbieten, auch wenn diese nachgearbeitet und manuell positioniert werden müssen. Für das System TT90 wurde eine selbstklebende Dichtung entwickelt und für Prüfungszwecke beigestellt. Diese Dichtung erfüllt sowohl die Anforderungen an eine Anschlagdichtung, als auch an eine Verglasungsdichtung. Da die Fenstersysteme, die im Extrusionsverfahren hergestellt werden, mit Dichtungsnuten ausgestattet werden können, werden hier größtenteils verrastbare Dichtungen oder werksseitig einextrudierte Dichtungen eingesetzt. Dies ist bei Fenstersystemen, die in diesem Fertigungsverfahren hergestellt werden, nicht möglich. Daher sind andere Lösungen für die Befestigung der Dichtung notwendig. Im ersten Schritt fiel hier die Wahl auf eine selbstklebende Dichtung. Abb.1: Bild: Selbstklebende Dichtung Prototyp Auf die Profilgestaltung konnte seitens der VEKA AG insoweit Einfluss genommen werden als das trotz der sich aus dem Fertigungsverfahren ergebende Restriktionen Standarddichtungen eingesetzt werden können. Seite 58 von 75

59 Insbesondere auf die Auswahl der Rahmen- und der Flügeldichtung konnte entscheidender Einfluss genommen werden. So konnten einsteckbare Standarddichtungen aus dem Holzfensterbereich eingesetzt werden. Abb. 2: Bild: Dichtungen TT90 Im Rahmen des Projektes wurde eine Ökoeffizienzanalyse durchgeführt. Ein bestehendes Fenstersystem wurde im Hinblick auf die ökologischen Aspekte mit dem neu entwickelten Fenstersystem verglichen. Hier konnte VEKA für den Werkstoff PVC entscheidende Kennzahlen beisteuern. Da das PUR- Grundmaterial nicht lichtbeständig ist, müssen die Profile vor Licht, insbesondere vor Sonnenlicht, geschützt werden. Dies kann u.a. durch eine Lackierung oder eine Foliierung erfolgen. VEKA konnte das Projektkonsortium über Marktanforderungen an ein Fenster und die sich aus den branchenüblichen Normen und Richtlinien ergebenden Anforderungen informieren. Prototypen aus dem System TT90 wurden auf dem VEKA Messestand der fensterbau frontale 2010 in Nürnberg und auf den technischen Kundentagungen 2011 vorgestellt. Hieraus ergaben sich Rückinformationen bezüglich der Akzeptanz des neuen Systems, die in die Projektarbeit mit einflossen. Parallel zum Partner SKZ wurden von VEKA Dichtigkeitsprüfungen an dem TT90 Fenster durchgeführt. Abb. 3: Bild: Dichtigkeitsprüfung TT90 Seite 59 von 75

60 Abb. 4 und 5: Bild: Dichtigkeitsprüfung TT90 an einem Element mit Pfosten Die Fenster wurden auf den werkseigenen Prüfständen der VEKA AG auf Wind- und Schlagregendichtigkeit untersucht. Insbesondere bei den aluminiumverstärkten Pfosten zeigte sich eine überzeugend hohe Steifigkeit. Diese Entwicklungen belegen, dass auch alternative Rahmen-Verbundsysteme den Anforderungen an zukünftige Fenster entsprechen und eine akzeptable Alternative bieten Spezielle Untersuchungen und Entwicklungen von VEKA Ein grundsätzliches Problem sind Wärmeverluste durch die für die Statik notwendigen Stahlverstärkungen. VEKA hat Versuche mit anderen Materialien durchgeführt, U.a. mit glasfaserverstärkten Verbundwerkstoffen und Dämmmaterialien. Hierzu wurden die notwendigen Extrusionswerkzeuge hergestellt und in zahlreichen Versuchen die optimalen Parameter bestimmt. Abb. 6: Bild: GFK-Verstärktes Extrusionsprofil Ausgehend von den Erkenntnissen aus dem ersten Extrusionswerkzeug wurde ein Flügelprofil mit einem Kern aus glasfaserverstärktem Kunststoff entwickelt und getestet. Die Festigkeiten eines solchen im Co- Extrusionsverfahren hergestellten Profils sind für normale Flügelgrößen ausreichend. Seite 60 von 75

61 Abb. 7: Bild: GFK-Verstärktes Flügelprofil Durch die Einbringung von Dämmstoff in den Profilquerschnitt lassen sich die Dämmeigenschaften zusätzlich verbessern. Es fanden zahlreiche Versuche statt, einen Dämmstoff direkt während der Extrusion in dafür vorgesehene Kammern einzubringen. Abb. 8: Bild: Ausgeschäumtes Extrusionsprofil (inline) 11.3 Ergebnisse Im Rahmen dieses Projektes konnte ein alternatives Fenstersystem entwickelt werden (TT90). Es basiert auf einer Außenschicht aus PUR, die im Bedarfsfall noch mit Aluminiumprofilen verstärkt werden können, und einem Dämmkern aus PUR-Schaum. Fenster aus diesen Profilen konnten im Rahmen des Projektes getestet werden. Die Prüfung von Fensterelementen auf Wind- und Schlagregendichtigkeit wurden bei der VEKA AG durchgeführt. Die Dichtigkeit und Stabilität insbesondere die Durchbiegung bei Winddruck im Bereich des Pfostens war bei der gemessenen Elementgröße sehr positiv. Es konnte gezeigt werden, dass Co- Extrudierte Profile mit einem Kern aus glasfaserverstärktem Kunststoff zu Versuchszwecken hergestellt werden können. Außerdem ist es im Versuchsbetrieb möglich, Profile direkt inline auszuschäumen. Beides verringert den Wärmetransport innerhalb der Fensterprofile Seite 61 von 75

62 11.4 Verwertungsplanungen Die während des Projektes gewonnenen Erfahrungen im Hinblick auf alternative Materialien werden in den Profilsystemen der VEKA AG einfließen, sobald die Entwicklungen serienreif sind. So werden direkt während der Extrusion gedämmte Profile und GFK-Verstärkte Profile auch weiterhin nach Abschluss des Projektes untersucht. Sobald diese Entwicklungen die Serienreife erreicht haben, sollen entsprechende Produkte eingeführt werden. Für das Material PVC gibt es einen geschlossenen Rohstoffkreislauf. Die üblicherweise in Kunststofffenstern verbauten Materialien können während des Recyclings voneinander getrennt werden. Fenster aus dem System TT90 (PUR) können beim Recyclingprozess nach der Aufgabe nicht von PVC-Fenstern getrennt werden. Dies hat große Nachteile bei der Verwendung der regenerierten Kunststoffe. Das Profilsystem konnte in den branchenüblichen Produkttests seine Leistungsfähigkeit unter Beweis stellen. Vor einer Markteinführung sind jedoch noch einige Punkte zu lösen: Für die Herstellung dieser Profile ist ein völlig anderes Fertigungsverfahren notwendig. Für die Herstellung von Fenstern müssen deutliche Änderungen in der Fertigung vorgenommen werden. Das Grundmaterial PUR ist nicht lichtbeständig. Das macht entweder eine umlaufende Foliierung oder eine Lackierung notwendig. Da die Profile in Spritzgusswerkzeugen hergestellt werden, sind in der Profilkontur weder Innenstege noch Hinterschnitte möglich. Dies erschwert den Anschluss von Zusatzprofilen, von Dichtungen und von Spritzgussteilen. Bei der Befestigung von Beschlagteilen konnten noch nicht die Festigkeitswerte einer herkömmlichen Konstruktion erreicht werden. Der Rohstoffpreis für die TT90-Profile ist im Vergleich zu den derzeit verwendeten Werkstoffen deutlich höher. 12 Optimierungspotentiale für Wohndachfenster 12.1 Aufgabenstellung und Ziele Im Rahmen des Verbundvorhabens Hochwärmedämmende Fenster und Fassadensysteme (HWFF) beteiligte sich auch die Firma Roto Frank Bauelemente GmbH als Hersteller von Wohndachfenstern. Trotz eines im Produktportfolio bereits vorhandenen Niedrigenergiefensters mit einem erreichten Uw von 1,0 W/m²K sah Roto die Notwendigkeit weiterer energetischer Verbesserungen. Betrachtet man den heute erreichbaren U-Wert für Dächer, der in einer Größenordnung von ca. 0,2 W/(m²K) liegt und berücksichtigt, dass moderne Wohnräume im Dach ein ausreichendes Tageslichtangebot benötigen, so wird deutlich, inwieweit Dachflächenfenster zu einer Verschlechterung des Dämmstandards beitragen. Gerade hieraus erwächst der Bedarf die Bauteilkomponente Dachfenster weiter zu optimieren. Es soll ein Beitrag geleistet werden die Transmissionswärmeverluste sowie die Lüftungswärmeverluste soweit zu reduzieren, dass der Einsatz von Dachflächenfenstern hinsichtlich der energetischen Einbindung in den Baukörper den steigenden Anforderungen an einen rationellen Energieeinsatz genügen. Durch die langjährigen Erfahrungen der Roto Frank Bauelemente GmbH bei der Entwicklung, der Produktion und dem Einsatz von Dachflächenfenstern existiert ein umfangreiches Wissen und Erfahrung, ohne die eine wissenschaftliche Bearbeitung von innovativen Maßnahmen keine Aussicht auf Erfolg bei der Umsetzung in die breite Anwendung hätte. Seite 62 von 75

63 Anforderungsprofil an Produkte von Roto: Innovation o Innovative Materialien o innovative Produktionstechnik / Montagetechnik, positive Differenzierung zu den aktuell auf dem Markt befindlichen Produkten über: o U-Wert, o Komfort o Funktion o Anschlusstechnik, o Prozesssicherheit in der Montage auf dem Bau Erlebbarem Kundennutzen durch: o Technische Werte --> Energieeinsparung o Komfort (Bedienkomfort) o Qualität, Robustheit o Einfache und sichere Installation / Montage o Preis - Leistungsverhältnis Selbstverständlich ist auch der wirtschaftliche Erfolg unverzichtbar: Positive Ertragssituation für den Produzenten Hohe Prozesssicherheit in der Produktion, damit niedrige Produktfehlerrate Hohe Funktionssicherheit im Einsatz, d.h. niedrige Reklamationsquote Aufgaben und Ziele für Roto Erarbeitung der Konzepte und Spezifikationen mit Festlegung der Ziele und zu erwartende Ergebnisse. Analyse und Bewertung Stand der Technik (Profilsysteme und Einheit Fenster, Glas + Rahmen) für Dachfenster. Erstellung von Anforderungsprofilen (Lasten- und Pflichtenhefte) für Dachfenster. Analyse und Bewertung der Marktpotenziale und Festlegung der im Projekt zu erzielenden Herstellkosten für neue Systeme und Fenster. Vorgabe ausgewählter Profile und Rahmenkonstruktionen als Basis für Optimierungen Bewertung der Optimierungskonzepte und neuer Entwicklungen aus Sicht der Herstellung, Funktionen, Kosten und Anwendungen. Analyse und Bewertung der Machbarkeiten und Umsetzungspotentiale Konstruktion der Fenstereinheiten (Profile, Material- und Herstellvorgaben, Anbindungen, Abdichtungen, Glaseinbindungen, Dachanschlüsse etc.) unter Mitarbeit der Systemhersteller und Institute. Bewertung der Umsetzbarkeit mit den Instituten, den Systemherstellern und den Maschinenbauern. Herstellung optimierter Prüfmuster und Mitarbeit bei Tests und Prüfungen. Bewertung der Test- und Prüfergebnisse Mitarbeit bei der konzeptionellen Entwicklung von Versuchsvorrichtungen und Demonstratoren. Seite 63 von 75

64 Nachweis der Praxistauglichkeit und Mitarbeit bei der Optimierung von Prozess- und Herstelltechniken sowie Ermittlung von Material und Prozessparameter durch Tests unter Produktionsbedingungen in Bad Mergentheim. Bereitstellung von Materialien und Personal für die Tests. Anwendungsanalyse und Verwertungsstrategie 12.2 Wohndachfenstersysteme Wärmetechnische Untersuchung Anhand des vorhandenen Wohndachfenstersystems von Roto sollte zunächst hier eine Ist- Standanalyse vorgenommen werden. Nach der Überstellung der aktuellen Profilquerschnitte konnte am ZAE eine rechnerische Überprüfung der aktuellen Profile am Fenstertyp WDF 6/8.K vorgenommen werden. Uf- Berechnung des aktuellen Profils mit Optimierungsvorschlag durch Ausschäumen (unten) Seite 64 von 75

65 Das heutige System weist im Rahmenquerschnitt oben einen Uf-Wert von 1,74 W/m²K auf, der durch Ausschäumen optimiert werden könnte. Ein anderes Verbesserungspotential wurde in der Anbringung einer weiteren Schleifdichtung gesehen. Dadurch könnte der Wert auf 1,67 W/m²K verbessert werden. Da beim Wohndachfenster aufgrund der Entwässerung des Falzraumes die Profilgeometrie unten anders ist als oben oder seitlich, verschlechtert sich in diesem Bereich die Wärmedämmung um ca. 15%. Bei zukünftigen Systemen muss daher das Ziel sein, einen umlaufend guten Aufbau der Profilgestaltung zu schaffen. Dachflächenfenster Uw- Werte -Matrix in Abhängigkeit von Rahmen und Verglasungs- U- Wert. In der Tabelle oben wird noch mal gezeigt, wo im Zusammenspiel zwischen Verglasung und Rahmen entsprechende Wärmedämmwerte für ein Wohndachfenster erreicht werden können. Um eine wirkliche Verbesserung zu dem bereits bestehenden Niedrigenergiefenster von Roto zu erhalten, wurde der Zielwert von Uw=0,8 W/m²K definiert. Um dies zu erreichen wurden verschiedene Punkte angegangen. Dabei mussten zur Optimierung des Uw auch einige mechanische Neuerungen in das Fenster eingebracht werden. Statische Untersuchung Als weitere mögliche Optimierung wurde der Wegfall oder Ersatz der Stahlarmierungen geprüft. Dazu wurden Tests in Bezug auf Durchbiegung der Fensterelemente durchgeführt. Dazu wurden zum einen komplette Rahmen aber auch einzelne Stäbe unter statischer Last geprüft. Seite 65 von 75

66 Prüfungsaufbau für Durchbiegungsversuche im Hause ROTO Ergebnis der Untersuchungen war, dass die Befestigung und Positionierung der Armierung im Profil einen entscheidenden Einfluss auf die Durchbiegung des Gesamtelementes hat, aber ohne diese Armierung in einem Standard PVC-Profil keine ausreichende Stabilität erreicht werden kann. Die durch die Praxisversuche erlangten Kenntnisse wurden in einer Berechnung der Profile über ein FEM- Programm durch den Projektpartner SKZ geprüft. Hierbei wurden die Ergebnisse bestätigt und herausgefunden, dass eine Berechnung der Verformung eines Fensterprofils mit eingeschobener Armierung und Verschraubung ein sehr komplexes System mit nicht nachstellbaren Kontaktbedingungen zwischen Schrauben Armierung und Fensterprofil ist. Die Verbindung der Armierung mit dem PVC-Profil durch die Armierungsschraube ist in der unteren Messung als Stiftverbindung dargestellt. Doch auch diese Kontaktbedingung hat Probleme beim Berechnen ergeben, so dass die Berechnung nicht vollständig abgeschlossen werden konnte. Seite 66 von 75

67 Flügelprofil ROTO WDF 6/8.K mit Einspannung Flügelprofil ROTO WDF 6/8.K mit Einspannung unter Last Seite 67 von 75