Ziel der Entwicklung

Logo: PCM-ausgerüstetes PVC-Fenster mit integrierten Temperatursensoren in der Differenzklimakammer, © IHD Dresden gGmbH
PCM-ausgerüstetes PVC-Fenster mit integrierten Temperatursensoren in der Differenzklimakammer, © IHD Dresden gGmbH

Fenster und Außentüren sind trotz hoher Wärmedämmstandards thermisch besonders beanspruchte Bauelemente der Gebäudehülle. In der Praxis können Temperaturwechsel, kalte Oberflächen und lokale Wärmebrücken zu Kondensationsrisiken, thermisch bedingten Schadensfällen und Komforteinbußen in Innenräumen führen. Gleichzeitig suchen Fenster-, Türen-, Profil-, Kantel- und Bauunternehmen nach passiven, wartungsarmen Zusatzfunktionen, die ohne sichtbare Veränderung des Bauelements in bestehende Fertigungs- und Sanierungsprozesse integriert werden können.
Ziel des Projekts war es daher, ein Verfahren zur Dimensionierung und Herstellung PCM-ausgerüsteter Bauelemente zu entwickeln. PCM sind Phasenwechselmaterialien, die beim Schmelzen und Erstarren Wärme aufnehmen bzw. wieder abgeben und dadurch Temperaturverläufe zeitweise stabilisieren können. Im Vorhaben sollten geeignete PCM ausgewählt, im Labor charakterisiert und mit numerischen Modellen so bewertet werden, dass ihr Einbau in Fensterrahmen- und Türkonstruktionen gezielt ausgelegt werden kann.
Die Entwicklung richtete sich auf drei praxisnahe Funktionen: Wärmepufferung zur Stabilisierung der Innenraum- bzw. Bauteiltemperatur, Minderung kondensationskritischer Situationen an Bauelementoberflächen und das Abfangen thermischer Belastungen. Die Lösungen sollten das Erscheinungsbild üblicher Fenster- und Türkonstruktionen beibehalten, die mechanische Gebrauchstauglichkeit nicht verschlechtern und sich grundsätzlich mit industriellen oder handwerklichen Fertigungsschritten kombinieren lassen.

Vorteile und Lösungen

Der Lösungsansatz nutzt vorhandene oder gezielt geschaffene Hohlräume in Bauelementen, um PCM-Granulate in Fenster- und Türkonstruktionen einzubringen. Im Projekt wurden marktverfügbare PCM-Granulate auf Paraffinbasis ausgewählt und mittels DSC sowie Wasserdampfsorptionsmessungen charakterisiert. Die Laborwerte zeigten, dass der Phasenwechsel nicht als einzelner Punkt, sondern als Temperaturbereich zu bewerten ist. Diese Erkenntnis floss in die simulationsgestützte Dimensionierung ein.
Für Kunststofffenster wurden Mehrkammerprofile betrachtet. Ausgewählte Kammern des Blend- und Flügelrahmens wurden als Befüllungszonen definiert, mit PCM versehen und über konstruktive Verschlusslösungen abgedichtet. Für Holzfenster wurden profilierte Holzkanteln mit Einsatzfräsungen untersucht, in die PCM als Schüttgut eingebracht werden kann. Bei Türrohlingen wurde der Ansatz verfolgt, konventionelle Dämmmaterialien in ausgewählten Bereichen durch PCM-Granulat zu ersetzen.
Die entwickelten Varianten wurden zunächst im Labormaßstab geprüft. Dafür wurden Prüfkörper mit Temperatursensoren ausgestattet und in Differenzklimakammern wechselnden Klimabedingungen ausgesetzt. Anschließend wurden Bauelementdemonstratoren in Originalnähe hergestellt: ein PCM-ausgerüstetes PVC-Fenster sowie ein Türrohlingprüfkörper. Die Messungen zeigten eine nachvollziehbare Wärmepufferwirkung: Abkühl- und Aufheizvorgänge liefen bei PCM-ausgerüsteten Varianten verzögert ab, und Temperaturänderungen wurden gedämpft.
Der zentrale Vorteil liegt nicht in einer reinen Verbesserung des U-Wertes, sondern in einer zusätzlichen, bauteilintegrierten Speicherfunktion. Anwender erhalten damit ein passives Zusatzkonzept zur Minderung von Kondensationsrisiken und zur Erhöhung des thermischen Komforts. Für die industrielle Umsetzung wurden außerdem Fragen der Befüllung, Fixierung, Abdichtung, Handhabung und der möglichen Verwendung vorgeformter PCM-Elemente bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass die technische Umsetzung grundsätzlich möglich ist. Für Serienprodukte sind Füllmenge, Einbauort, Wärmeleitfähigkeit, konstruktive Anbindung und Kosten weiter zu optimieren.

Zielgruppe und Zielmarkt

Zielgruppen sind Hersteller von Fenstern, Außentüren, Kunststoffprofilen, Holzkanteln und PCM-Materialien sowie Unternehmen des Baugewerbes, die Lösungen für Neubau, Sanierung, Modernisierung und kondensationskritische Einbausituationen suchen. Besonders interessant sind hochwertige Sanierungs- und Modernisierungsanwendungen, Komfort- und Premiumsegmente sowie Gebäude, bei denen passive Maßnahmen zur Temperaturstabilisierung und Kondensationsminderung gefragt sind.
Fensterhersteller können mit PCM-ausgerüsteten Kunststoff- oder Holzfenstern ihr Portfolio um eine thermische Zusatzfunktion erweitern. Türenhersteller erhalten einen Ansatz für Haustür- und Türrohlingkonstruktionen mit höherer thermischer Masse und Wärmepufferfunktion. Profil- und Kantelhersteller können spezifische Vorprodukte für Fensterbauer anbieten. Für PCM-Hersteller entsteht ein zusätzlicher Absatzmarkt im Bauelementesektor. Das Baugewerbe kann die Ergebnisse in der Beratung und Ausführung von Neubau- und Sanierungsmaßnahmen nutzen.
Der Transfer erfolgt über Demonstratoren, Fachveröffentlichungen, Vorträge, IHD-Veranstaltungen, Messen, Beratungen, Schulungen sowie individuelle FuE- und Prüfaufträge. Für Anwenderunternehmen sind insbesondere Unterstützung bei PCM-Auswahl, konstruktiver Integration, Eignungstests, Gebrauchstauglichkeitsprüfung und Qualitätssicherung relevant. Die Verwertung am IHD kann über Beratungsleistungen, Kolloquien, Prüfleistungen und weiterführende Entwicklungsaufträge erfolgen. Der Schlussbericht weist für externe Transferpartner rechnerische Marktpotenziale im Fenster-, Außentür- und PCM-Materialbereich aus. Diese Potenziale hängen wesentlich von Marktdurchdringung, Füllmenge, industrieller Skalierbarkeit und der Akzeptanz des Zusatznutzens ab.