Optimierung von Wärmedämmstoffen

Wärmedämmmaterialien sind hochporöse Faser- oder Schaumstrukturen, die einerseits eine möglichst niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen sollen, andererseits aber auch dauerhaft stabil sein müssen.

Das sind beispielsweise folgende Materialien:

• Metall-/Kunststoffschäume
• Faserdämmstoffe (z.B. Glas-/Steinwolle oder Naturfaser)
• Zellulosedämmstoffe
  

Um die optimale Wahl der Materialstruktur zu treffen, müssen verschiedene Eigenschaften ermittelt und quanitativ bewertet werden. Das Teilgebiet der Mathematik, was sich mit der Bestimmung von effektiven Materialeigenschaften befasst, ist die Homogenisierungstheorie. Die effektiven Materialeigenschaften werden dabei von den Lösungen bestimmter Zell-Probleme abgeleitet, die auf repräsentative Elementarvolumen (REV) gestellt werden.

Multiskalenansatz zur Simulation und Optimierung

Im Fokus unserer Forschung und Entwicklung steht die Mehrskalenmodellierung und -simulation. Auf der Mikroskala wird jede Faser des Faserdämmstoffes bzw. jede Zellwand des Schaumes abgebildet. Auf dieser Skala sind alle Details auf dem gewählten Berechnungsgitter aufgelöst, sodass die Eigenschaften präzise bestimmt werden können.

Wir simulieren in unserem Lösungsansatz u.a.:

• die Wärmeleitung
• die Wärmekonvektion durch Strömung
• die Wärmestrahlung

Diese fließen dann in eine Simulation auf makroskopischer Ebene ein, auf der die einzelnen Fasern nicht mehr im Detail aufgelöst werden können. Die makroskopische Simulation ist eingebettet in eine Optimierungsprozedur. Das Ziel, die Optimierung des Wärmeduchgangskoeffizienten (U-Wert), wird erreicht durch Iteration der beschriebenen Simulationsschritte auf Mikro- und Makroskala.

Verfolgt wird eine Mehrzieloptimierung, auch andere Eigenschaften wie die Festigkeit oder Steifigkeit werden deshalb berücksichtigt. Dabei werden verschiedene Tools eingesetzt, zum Einsatz kommt überwiegend, die von uns am Institut entwickelte Software FeelMath, aber auch kommerzielle Tools wie ANSYS (auf der Bauteilebene).