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Ausführende Stelle: Technische Universität Berlin - Fakultät III Prozesswissenschaften - Institut für Energietechnik - Fachgebiet Gebäudeenergiesysteme - Sekr. HL 45
Förderinitiative: Energieoptimiertes Bauen (EnOB)
Laufzeit: 09/2013 bis 05/2017
Bewilligte Summe: 642.317 €
Förderkennzeichen: 03ET1197A
Themen: Heizen, Lüften, Kühlen, Wärmenetze & Kältenetze
Innovation: Eine Vielzahl von bionischen Entwicklungen wie evolutionär optimierte Formteile, widerstandsmindernde Trägermedienzusätze und Rohroberflächen, die noch keine Verwendung in thermischen Verteilnetzen finden, werden in diesem Projekt adaptiert und bewertet.
Schlagworte:

Quintessenz

  • Bionik, also Lösungen aus der Natur, hilft, Strömungswiderstände in hydraulischen Systemen zu reduzieren
  • Dies reduziert den Strombedarf für Pumpen
  • Nutzung evolutionär optimierter Formteile sowie widerstandsmindernde  Trägermedienzusätze und Rohroberflächen in Wärme- und Kältesystemen
  • Bionisch optimierte Formstücke reduzieren die Druckverluste um 20-30 Prozent
  • Trägermedienzusätze reduzieren die Reibungswiderstände in den Leitungen um etwa 40 Prozent

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.

Bionische Prinzipien für Wärme- und Kältenetze: Einen detaillierten Vergleich von konventionellem und bionischem Netz ermöglicht dieser Prüfstand. Zu sehen ist die Prüfstandtafel.

Einen detaillierten Vergleich von konventionellem und bionischem Netz ermöglicht dieser Prüfstand.

© Hermann-Rietschel-Institut

Weitere Abbildungen

Bionische Prinzipien für Wärme- und Kältenetze: Zu sehen ist ein Schema mit Bewertung bionischer Lösungen für Heizungsnetze

Schema mit Bewertung bionischer Lösungen für Heizungsnetze

© Hermann-Rietschel-Institut
Bionische Prinzipien für Wärme- und Kältenetze: Zu sehen ist ein manuell gebogener bionischer Krümmer aus PVC

Manuell gebogener bionischer Krümmer aus PVC

© Hermann-Rietschel-Institut
Bionische Prinzipien für Wärme- und Kältenetze: Zu sehen ist ein im 3D-Laserverfahren gesinterter bionischer Krümmer

Ein im 3D-Laserverfahren gesinterter bionischer Krümmer

© Hermann-Rietschel-Institut
Bionische Prinzipien für Wärme- und Kältenetze: Zu sehen ist ein im 3D-Laserverfahren gesintertes bionisches T-Stück

Ein im 3D-Laserverfahren gesintertes bionisches T-Stück

© Hermann-Rietschel-Institut
Bionische Prinzipien für Wärme- und Kältenetze: Zu sehen ist eine weitere Variante eines im 3D-Laserverfahren gesinterten bionischen T-Stücks

Eine weitere Variante eines im 3D-Laserverfahren gesinterten bionischen T-Stücks

© Hermann-Rietschel-Institut
A special aqueous polymer solution reduces the pressure losses

A special aqueous polymer solution reduces the pressure losses

© Hermann-Rietschel-Institut
Bionische Prinzipien für Wärme- und Kältenetze: Zu sehen ist der hochgenaue Prüfstand für die gravimetrische Vermessung von Formstücken

Hochgenauer Prüfstand für die gravimetrische Vermessung von Formstücken

© Hermann-Rietschel-Institut

Erfolge

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.

Bionische Prinzipien für Wärme- und Kältenetze: Die Reibungswiderstände verschiedener Rohr-Innenoberflächen wurden untersucht: VC-Haihaut, Gemeißelte Rillen, Rillen-Folie von 3M, Epoxidharz von Hempel. Im Bild zu sehen sind die verschiedenen Rohrinnenoberflächen.

Die Reibungswiderstände verschiedener Rohr-Innenoberflächen wurden untersucht: VC-Haihaut, Gemeißelte Rillen, Rillen-Folie von 3M, Epoxidharz von Hempel.

© Hermann-Rietschel-Institut

Anwendung

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.

Letzte Aktualisierung: 23. Mai 2017

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