Verbesserte Faserverteilung erhöht Wärmedämmung

Gemeinsam mit vier Partnern untersuchen wir die Auswirkungen der Faserverteilung in holzbasierten Dämmstoffen mit dem Ziel, die Wärmedämmung zu verbessern. Angepeilt ist eine Wärmeleitfähigkeit niedriger als 35 W/K. Gefördert wird das Projekt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).

Dämmstoffe aus regenerativen Rohstoffen sind nachhaltiger und besser fürs Klima als konventionelle Dämmstoffe wie Mineralwolle und Hartschäume, haben aber einen Nachteil: Ihre Wärmeleitfähigkeit ist höher und ihre Wärmedämmung deshalb geringer. Entscheidend für die Wärmedämmung sind Verteilung und Orientierung der Zellulosefasern. Darum wollen wir die Richtungsabhängigkeit des Wärmetransports nutzen, um unterschiedlich orientierte Schichten gezielt so anzuordnen, dass die Wärmedämmung optimiert wird.

Bei Porosität bis zu 90 Prozent sind Materialdichte und Wärmeleitfähigkeit proportional. Das stimmt aber bei hochporösen Materialien wie den untersuchten Dämmplatten nicht mehr; ein Grund könnte die Wärmestrahlung sein, deren Einfluss noch nicht abschließend untersucht wurde.

Holzfasergeometrien zweiskalig modellieren

Die Dämmstoffplatten enthalten neben Einzelfasern auch Faserbündel unterschiedlicher Größe, was ihre geometrische Modellierung erschwert. Unsere Aufgabe ist die Bildverarbeitung und Simulation der effektiven Wärmeleitfähigkeit der Holzfaserdämmplatten. Dazu analysieren wir die Holzfasergeometrien anhand von 3D-Bilddaten, modellieren die beobachteten Strukturen geometrisch und simulieren schließlich den Wärmetransport. Die Wände der hohlen Zellulosefasern können nur bei extrem hohen Auflösungen korrekt abgebildet werden. Das geht nur für winzige Volumina, maximal einen Kubikzentimeter. Deshalb modellieren und simulieren wir auf zwei Skalen. Die Wärmetransportsimulation auf der feinen Skala wird genutzt, um ein vereinfachtes Geometriemodell aus Zylindern oder Balken zu kalibrieren. Wir schreiben ihnen quasi »effektive Wärmeleiteigenschaften« zu. Aus diesen einfacheren Elementen generieren wir nun virtuelle Proben, die repräsentativ für die Plattenskala – also die Plattendicke – sind. Zuletzt optimieren wir auf dieser gröberen Skala: dafür simulieren wir die Wärmeleitung in zehn Zentimeter dicke Dämmplatten.

Ergebnisse ausdehnen auf andere hochporöse Materialien

Die Methoden, die in diesem Projekt entwickelt werden, sollen nicht nur den Wärmetransport in Holzfaserdämmplatten simulieren und optimieren, sondern die verbesserte Simulation des Wärmetransports in verschiedenen hochporösen Materialien gewährleisten. Das zweiskalige Vorgehen bei Modellierung und Simulation sowie die Bildverarbeitungsmethoden für dünnwandige Strukturen lassen sich einerseits auf andere Materialeigenschaften von Holzwerkstoffen wie Festigkeit von Möbelplatten andererseits auch auf andere Materialklassen wie zellulare Werkstoffe oder hochporöse Batterie- und Brennstoffzellenmaterialien übertragen.