Der Energieverbrauch für die Heiz- und Kühlmittelverteilung in Gebäuden hängt vom Strömungswiderstand in den hydraulischen Systemen ab. Die Natur hat im Verlaufe der Evolution verschiedene energieeffiziente Lösungen zur Minderung von Strömungswiderständen entwickelt. Zudem existieren bereits zahlreiche bionische Entwicklungen, wie der bionische Rohrkrümmer oder optimierte Oberflächen, die Druckverluste in thermischen Netzen reduzieren können. In Wärme- und Kälteverteilungsnetzen wurden diese bisher jedoch nicht eingesetzt.
Projektkontext
2 bis 3 Prozent des gesamten elektrischen Energiebedarfs sind durch Umwälzpumpen in Ein- oder Zweifamilienhäusern verursacht (EU, Barthel, 2006). Der Bund der Energieverbraucher schätzt den Energiebedarf für Umwälzpumpen in allen deutschen Heizungsanlagen einschließlich Nichtwohngebäuden auf etwa 15 Terrawattstunden pro Jahr (TWh/a). Dies entspricht 3 Prozent des gesamten Stromverbrauchs der Bundesrepublik Deutschland. Wenn man zusätzlich die gesamte Kühlung, in privaten Haushalten und für die gewerbliche und industrielle Nutzung, mit einbezieht, kann ein Energiebedarf für alle Umwälzpumpen von etwa 20 TWh angenommen werden. Dieser Wert ist höher als der Energiebedarf, den der gesamte deutsche Schienenverkehr, einschließlich aller Straßen- und U-Bahnen benötigt. Die Möglichkeiten der Energieeinsparung sind also beachtlich.
Forschungsfokus
Der Fokus des Projektes liegt in der Reduktion des Strombedarfs für die Heiz- und Kühlmittelverteilung in Gebäuden mit neuen sowie mit bereits bewährten bionischen Prinzipien. Hierfür soll auf bereits nachgewiesene Druckverlustminderungen über Einzelkomponenten aufgebaut werden und zu einem Gesamtsystem zusammengeführt werden: beispielsweise mit Rohrbögen, Rohrmaterialien sowie mit modifizierten Trägermedien. Dabei gilt es, ein Optimum für typische Wärme- und Kältenetze zu finden, so dass im Zusammenspiel der Einzelkomponenten ein möglichst geringer Druckverlust entsteht.
Einen detaillierten Vergleich von konventionellem und bionischem Netz ermöglicht dieser Prüfstand.
© Hermann-Rietschel-InstitutWeitere Abbildungen
Schema mit Bewertung bionischer Lösungen für Heizungsnetze
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Manuell gebogener bionischer Krümmer aus PVC
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Ein im 3D-Laserverfahren gesinterter bionischer Krümmer
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Ein im 3D-Laserverfahren gesintertes bionisches T-Stück
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Eine weitere Variante eines im 3D-Laserverfahren gesinterten bionischen T-Stücks
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A special aqueous polymer solution reduces the pressure losses
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Hochgenauer Prüfstand für die gravimetrische Vermessung von Formstücken
© Hermann-Rietschel-InstitutErfolge
Es wurden bionischer Formstücke zur Umlenkung und Stromtrennung entwickelt, welche die Einzeldruckverluste um 20-30 Prozent reduzieren. Im Praxistest befinden sich Trägermedienzusätze, welche Rohrreibungswiderstände in Heizungsnetzen um etwa 40 Prozent reduzieren.
Die Reibungswiderstände verschiedener Rohr-Innenoberflächen wurden untersucht: VC-Haihaut, Gemeißelte Rillen, Rillen-Folie von 3M, Epoxidharz von Hempel.
© Hermann-Rietschel-InstitutAnwendung
Für neu errichtete häusliche Heiznetze und Wärmeverteilnetze können die Medienzusätze und die neuen Formstücke kombiniert eingesetzt werden, um die Druckverluste um insgesamt etwa 40 Prozent zu reduzieren – oder um den Einsatz kleinerer Rohre zu ermöglichen. Die neuen Formstücke können in allen Rohrnetzen mit hohem Formstückanteil eingesetzt werden. In integrierten Systemen und Komponenten wie Kombithermen und Kompaktwärmeerzeugern können die neuen Formstück-Geometrien mit geringem Bauraumbedarf verwendet werden.
