Simulation: Türhersteller profitiert von Simulationstools

Einbruchshemmende Türen wärmedämmend zu bauen, ist für Hersteller eine Herausforderung. Ihre komplexe Konstruktion bietet Schlupflöcher für Luftströme. Mit wissenschaftlichen Simulationsmethoden planten Fraunhofer-Forscher eine wärmedämmende Konstruktion am Computer – ohne teuren Prototypenbau.

Kleine und mittelständische Unternehmen haben üblicherweise keine eigene Forschungsabteilung. Doch das Know-how von Wissenschaftlern kann auch dort schnellen Mehrwert schaffen. Das zeigt das Beispiel eines Herstellers von einbruchhemmenden Haustüren aus Rheinland-Pfalz: Simulationsmethoden und Softwaretools des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern haben dabei geholfen, dessen einbruchhemmende Türen so zu konstruieren, dass sie nun über die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) förderwürdig sind. Die neue Rahmenkonstruktion gibt der gesamten Tür einen Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) von 0,49 W/qmK. Ihre einbruchhemmenden Eigenschaften blieben dabei erhalten.

»Das ist ein sehr niedriger Wert für einbruchhemmende Türen mit ihrer komplexen Konstruktion«, so Dr. Matthias Kabel aus der Abteilung Strömungs- und Materialsimulation des ITWM. »Zuvor hatten die Rahmenkonstruktionen einen Wert von 2,84 W/qmK. Jetzt liegt der U-Wert der Modelle aus dem Firmenkatalog unter 1,3 W/qmK. Alle Türen sind damit förderwürdig«, sagt Dr. Kabel. Der U-Wert ist ein Maß für den Wärmedurchgang eines Gases durch einen festen Körper. Er wird in Watt pro Quadratmeter und Kelvin angegeben (W/qmK). »Wir haben durch das Projekt nachgewiesen, dass wir mit unseren komplexen Simulationsmethoden und Softwaretools auch Alltagsgegenstände optimieren können – mit direktem Mehrwert für den Auftraggeber«, so Dr. Kabel.

Kein teurer Prototypenbau notwendig

Das Unternehmen stellt einbruchhemmende Türen und Türrahmen aus Aluminium her. Das Problem: Aluminium leitet Wärme besonders gut weiter. Kälte dringt ins Haus ein und Innenwärme entweicht nach außen. »Kein optimaler Zustand für die Energieeffizienz des Hauses«, sagt Dr. Kabel. Die ITWM-Forscher verglichen und prüften die Konstruktionsvorschläge, indem sie alle wesentlichen funktionalen Eigenschaften mittels präziser numerischer Berechnungsverfahren vorhersagten. »Mit Hilfe der Computersimulationen konnten wir eine große Anzahl möglicher Varianten betrachten und die einzelnen Materialien im Bereich des Türblatts und des Rahmenprofils millimetergenau auslegen«, so Dr. Kabel. Der Hersteller musste für die einzelnen Varianten keine eigenen Prototypen bauen. Dadurch sparte er Zeit und Kosten. »Wir konnten mit unseren Tools schnell Informationen zur Türkonstruktion und zum Wärmeübergang mit den Vorgaben der DIN-Norm für Wärmedämmung bei Fenstern, Türen und Abschlüssen abgleichen. Daraus ließen sich dann Vorschläge für optimale Konstruktionspläne der verschiedenen Türmodelle des Unternehmens erstellen«, sagt Dr. Kabel.

Im ersten Schritt zeigten die Wissenschaftler, dass sie die realen Messwerte des Wärmeübergangs am Computer exakt simulieren können. »Das hat Vertrauen beim Kunden geschaffen. Das Unternehmen hat keine eigene Forschungsabteilung und arbeitete bei der Produktentwicklung intensiv mit uns zusammen«, so Dr. Kabel. »Ohne die Simulation hatte der Hersteller nur den Mittelwert des Wärmeverlusts des Rahmens vorliegen. Mit Hilfe der computergestützten Darstellung ließ sich nun aber genau ermitteln, welches Teil des Rahmens für welchen Teil des Wärmeverlusts verantwortlich war. Wir machten konkrete Vorschläge, wie sich das Design des Rahmens wärmetechnisch optimieren ließ.« Die Forscher passten ihre Simulationssoftware an die Anforderungen der Türproblematik an: Dazu gehörte beispielsweise, die richtigen Materialparameter auszuwählen, die physikalischen Effekte des Wärmetransports in Türen digital realitätsgetreu darzustellen sowie die entsprechende DIN-Norm in der Simulationssoftware zu berücksichtigen.

Die Wärmedämmung von Häusern ist ein zentraler Bestandteil der Energiewende und wird in Deutschland gefördert. Die Bundesregierung will den Energieverbrauch in Wohngebäuden bis 2050 stark senken. Über die KfW fördert sie auch den Einbau wärmegedämmter Innen- und Außentüren. Allerdings nur dann, wenn diese einen U-Wert von unter 1,3 W/qmK vorweisen können.

 

Bild: Querschnitt einbruchhemmender Außentüren: Mit Hilfe wissenschaftlicher Simulationsmethoden lokalisierten Fraunhofer-Forscher exakt die Stellen, an denen die Wärme über den Aluminiumrahmen entweicht (dunkle Farbe)

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