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Forschungsinitiative Zukunft Bau - Forschungscluster 'Energieeffizientes und klimagerechtes Bauen', Praxistest der Auswirkungen von Einzelraumregelung für Heizung, Lüftung und Beleuchtung auf Energieeinsparung bzw. Senkung der Betriebskosten

Das Forschungsvorhaben untersucht die Praxistauglichkeit von Einzelraumregelsystemen für die Heizung, Lüftung und Beleuchtung bei ausgewählten Bundesbaumaßnahmen. Dabei sind Fragen hinsichtlich der Energieeffizienz, der Wirtschaftlichkeit und der Nutzerzufriedenheit zu beantworten. Im Ergebnis sind Empfehlungen für den praktischen Einsatz der Einzelraumregelung zu erwarten. Das Zusammenwirken zunehmend innovativer und komplexer Anlagen zur Heizung, Kühlung, Klimatisierung und Beleuchtung insbesondere von Nichtwohngebäuden unter Berücksichtigung eines von Betreibern und Nutzern gleichermaßen formulierten und ständig steigenden Anspruchs an den energieeffizienten Betrieb der Anlagen und des Gebäudes ist ohne den Einsatz von Raum- und Gebäudeautomationssystemen immer schwieriger zu leisten. Ein übergeordnetes Energie- und Lastmanagement zur Betriebsoptimierung unter den jeweils gegebenen spezifischen Nutzungsbedingungen erfordert darüber hinaus den Einsatz eines Energiemanagementsystems. Die Hersteller und Anbieter entsprechender Systeme propagieren signifikante Energieeinsparungen, die sich aber erfahrungsgemäß nicht in jedem Fall realisieren lassen. Darüber hinaus sind höhere Investitionskosten und ein Mehraufwand bei Inbetriebnahme und Unterhaltung zu berücksichtigen. Insgesamt gesehen bestehen uneinheitliche und bisweilen widersprüchliche Aussagen zum Energieeinsparpotenzial von Einzelraumregelsystemen. Aus Sicht des Investors ist dies ein höchst unbefriedigendes Ergebnis, müssen doch die zum Teil erheblich höheren Investitionskosten vorrangig (d. h. ungeachtet des Komfortgewinns) durch die energetischen Einsparungen gegenfinanziert werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll daher eine weitestgehend produkt- und technikneutrale Bewertung von Einzelraumregelsystemen in ausgewählten Bundesbauten erfolgen. Ziel des Forschungsvorhabens ist es deshalb, - am Beispiel von typischen Anwendungen in Verwaltungsgebäuden praktische Erfahrungen aus dem Betrieb zu erheben, - den mit dem jeweiligen System erzielten Energieverbrauch im Hinblick auf mögliche weitere Einsparungen hin zu untersuchen, - Daten zur Betreiber- und Nutzerzufriedenheit zu erheben und zu bewerten, - die untersuchten Systeme hinsichtlich der Investitions- und Betriebskosten zu bewerten, - die untersuchten Systeme hinsichtlich der Praxistauglichkeit mit modernen innovativen Lösungen zu vergleichen, - eine Empfehlung für den Einsatz von Systemen der Raumautomation in Verwaltungsgebäuden zu erarbeiten, - Erkenntnisse über diese Systeme aus der Praxis zu erhalten.

DC-Industrie - Intelligentes offenes DC-Netz in der Industrie für hocheffiziente Systemlösungen mit elektrischen Antrieben, Teilvorhaben HS OWL: Gerätequalifizierung und Einspeisetechnologie für DC-Komponenten

Im Rahmen des Teilvorhabens wird die HS-OWL als unabhängiger Partner das Projekt in Systemfragestellungen des DC-Netzes begleiten. Neben der wissenschaftlich/technischen Projektkoordination wird die HS-OWL sowohl grundlegende Untersuchungen bezüglich des Aufbaus von DC-Netzen durchführen, als auch Geräte aufbauen, die am DC-Netz betrieben werden können. Außerdem sollen zwei neuartige Versorgungsmodule aufgebaut werden, mit denen das DC-Netz versorgt werden soll. Weiterhin wird soll ein Netzsimulator für die unabhängige Qualifizierung von Geräten aufgebaut werden. Die HS-OWL wird in AP1 und AP2 an einem Konzept für DC-Netze mitarbeiten, hierbei wird der Fokus auf den Bereich EMV und den Anschlussbedingungen von Geräten liegen. Insbesondere sollen verschiedene Versorgungskonzepte untersucht werden, da sich daraus unmittelbar Kriterien der EMV, wie beispielsweise Gleichtaktspannungen gegen Erdpotential, ableiten. Ziel ist die Minimierung von Filtern und die Vermeidung von Schirmung des DC-Netzes. Auf Basis dieser Erkenntnisse wird die HS-OWL in AP3.1 zwei Versorgungsmodule als Demonstratoren aufbauen. In dem ersten Versorgungsmodul soll ein ungesteuerter Gleichrichter in Kombination mit einer an der HS-OWL entwickelten Rückspeiseschaltung.

DC-Industrie - Intelligentes offenes DC-Netz in der Industrie für hocheffiziente Systemlösungen mit elektrischen Antrieben, Teilvorhaben FhG: Entwicklung eines Smart Grid Netzmanagementansatzes für ein industrielles Mikro DC-Netz

Ziel des Vorhabens ist die Erhöhung der Leistungsdichte der Geräte zur Energieversorgung von Antrieben sowie die Steigerung der Energieeffizienz der gesamten Anlage und die Reduzierung von netzbedingten Produktionsausfallkosten. Der zur Zielerreichung geplante Wegfall von dezentraler AC/DC Wandlung in den Geräten führt zusätzlich zu einer Kostensenkung. Die Offenheit und die sichere, einfache, zentrale Bereitstellung des neuen DC-Netzes in der Anlage ermöglicht es jedem Leistungselektronikhersteller für den Maschinen- und Anlagenbau die Geräte kompakter, kostengünstiger und energieeffizienter zu gestalten. Durch Auftritte auf Messen, Seminare und Workshops partizipiert jedes interessierte Unternehmen an den Ergebnissen. So verbessert das Projekt die Wettbewerbsfähigkeit der Elektronikindustrie in Deutschland. Zentrales Element ist das zu entwickelnde offene DC-Versorgungsnetz 'DC-INDUSTRIE' innerhalb einer Produktionsanlage. Anhand zweier Anlagenapplikationen werden die Anforderungen an das DC-Netz erfasst und in einem umfassenden Systemkonzept umgesetzt. Das Systemkonzept bildet den Entwicklungsrahmen für die Überwindung der technologischen Hindernisse. In diesem Bereich fokussiert das IPA das Themenfeld des Netzmanagements. Aufbauend auf dem Systemkonzept entwickelt das IPA DC-Netzmodelle, die die Struktur und den Energieaustausch der einzelnen Komponenten wiedergeben. Auf dieser Basis werden Gestaltungsregeln und planungsunterstützende Werkzeuge konzipiert, entwickelt und prototypisch umgesetzt. Dabei sollen neben technischen Aspekten auch ökologische und wirtschaftliche Gesichtspunkte berücksichtigt werden. Abschließend werden die Ergebnisse anhand realer Versuchsträger anwendungsnah evaluiert.

Nachhaltige Nutzung erneuerbarer Energien für die Bereitstellung von Strom, Wärme und Kälte in Energiekonzepten für Gebäude und Quartiere unter Berücksichtigung der Gebäudeenergieeffizienz - Vorlaufforschung

Um bis zum Jahr 2050 ein treibhausgasneutrales Deutschland zu erreichen müssen auch Gebäude und Quartiere treibhausgasneutral gestaltet werden. Die Digitalisierung der Energieversorgung kann zu einer Optimierung der Energienutzung in Quartieren beitragen. Eine nachhaltige Energieversorgung erfordert eine Optimierung von Energiebereitstellung und Wärmedämmung unter Berücksichtigung der Umweltverträglichkeit des Gesamtsystems einschließlich der dafür verwendeten Anlagen und Ressourcen. Aufbauend auf einer Studie zum THG-neutralen Gebäudebestand untersucht das Forschungsprojekt bestehende und in Entwicklung befindliche Techniken sowie deren Kombinationen hinsichtlich Effektivität, Kostensenkungspotenziale, Praktikabilität, Umweltwirkungen etc. und ihre Anwendbarkeit in Quartieren. Ihr Einsatz für eine nachhaltige Energieversorgung soll in geeigneten Szenarien analysiert werden. Der Einfluss nationaler rechtlicher Rahmenbedingungen soll im Hinblick auf diese Ziele untersucht werden. Ergebnis des Projektes ist eine Entscheidungshilfe für den nachhaltige Gestaltung der Energieversorgung in Quartieren und Handlungsempfehlungen für die entsprechende Orientierung staatlicher Instrumente. Die relevanten Facetten des Problems sollen in Fachworkshops diskutiert und die Ergebnisse im Rahmen einschlägiger Fachtagungen und durch Fachveröffentlichungen präsentiert werden.

Energieeffizienz im Maschinenbestand durch systemische Koppelung von Energieströmen mittels intelligenter Mess-, Steuer- und Regeltechnik, Teilvorhaben: Simulationsgestützte Auslegung und Betrieb von TGA-Anlagen

Gesamtzielsetzung des Verbundes ist die Energieeffizienzsteigerung in der Industrie am Beispiel von zwei unterschiedlichen Produktionsbereichen. Im Bereich Kunststoffspritzguss durch KWK-gerechte Anpassung von Produktionsmaschinen, Gebäudetechnik und Wärmenetzen (Smart KWK, Fa. Junghans) und im Bereich der Süßwarenherstellung durch Kombination von lokaler Klimatisierung und intelligenter MSR-Technik in Produktion und Gebäudetechnik (Smart Klima, Fa. Ferrero). Zentraler Punkt des Teilprojektes der Fa. Imtech ist die Entwicklung und Implementierung eines Demonstrators für ein simulationsgestütztes und vorhersagegesteuertes Energiemanagementsystem (SÜS), das die Anforderungen der Produktionsprozesse mit denen der technischen Infrastruktur abgleicht. Ein derartiges übergeordnetes EMS ermöglicht neben der Kenntnis des aktuellen Energiebedarfes auf Basis des Produktionsprogrammes, der Wettervorhersage und der Randbedingungen der Versorgungsnetze (Smart Grid) auch die Prognose der zukünftigen Energiebedarfe. Die Industrieunternehmen werden daher zu intelligenten Verbrauchern als zentraler Teilnehmer eines zukünftigen Smart Grid. Der von Imtech zu entwickelnde SÜS-Demonstrator befasst sich im Kern mit TGA und Energieversorgungseinrichtungen. Die Fa. Imtech entwickelt gemeinsam mit der Firma Limón eine übergeordnete Steuerung für al-le Teilprojekte. Schwerpunkt von Imtech liegt dabei im Bereich der technischen Infrastruktur. Im Teilprojekt Smart KWK steuert die SÜS insbesondere die Auskopplung der drei Abwärmeströme aus der KWK-Anlage und organisiert den Betrieb und die Versorgung der Sorptionskälteanlage in Abhängigkeit von der Anforderung der Produktionsanlagen. Bei Smart Klima erfordert die Betriebsführung dieser energieoptimierten Produktionsanlage eine intelligente Abstimmung von Produktionsplan, Maschinen und Anlagen, technischer Gebäudeausrüstung und Energieversorgung.

EnOB: Energieeffizientes Heizen und Kühlen mittels Wärmepumpen/Kältemaschinen unter Berücksichtigung externer Lasten

Um energieeffiziente Betriebsweisen für das Heizen und Kühlen mittels Wärmepumpen detailliert untersuchen zu können, sollen die dafür vorhandenen Labor- und Prüfeinrichtungen des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme (FhG-ISE) und des Instituts für Bauphysik (FhG-IBP) erweitert werden. Am ISE in Freiburg liegt der Fokus auf Testeinrichtungen der Erzeugerseite, für die Untersuchungen der Wärme/Kälteübergabe und -verteilung unter Berücksichtigung externer Lasten ist das IBP am Standort Valley verantwortlich. Am ISE wird die Laborseite im den Bereich Schall/Vibration, Hochtemperatur Hydraulik und Thermoanalyse insbesondere für brennbare Kältemittel verstärkt. Am IBP wird die Ausstattung für die Bewertung der Verteilerseite erweitert, durch Ergänzungen im Bereich der Übergabestationen und der Raumseitigen Systeme, so auch unter anderem ein Wärmelastsimulator und weitere Messtechnik aufgebaut.

1aPump: Einsatz von 3D Simulationsmethoden zur Steigerung des Wirkungsgrades von 1- und 2-schaufeligen Pumpen und zur energieeffizienten Förderung feststoffbeladener Fluide, Teilvorhaben: Implementierung und Erprobung der Simulationsmethoden

Zur Förderung feststoffbeladener Fluide wie z.B. Abwässer oder Schlämme werden Pumpen mit nur wenigen (z.B. 1 oder 2) Schaufeln verwendet, um Verstopfungen der Pumpenhydrauliken zu vermeiden. Während die Aggregate mit Priorisierung auf höchste Verfügbarkeit im Betrieb ausgelegt werden, ist eine gleichzeitige Verbesserung ihrer Energieeffizienz mangels geeigneter Methoden aktuell noch nicht machbar. Daher sollen in diesem Projekt 3D CAE-Methoden für numerische Strömungs- und Schwingungsuntersuchungen auf Basis von OpenFOAM weiterentwickelt werden. Die Methoden werden experimentell validiert und für 1- und 2-Schaufelpumpen allgemein anwendbar gemacht. Die Ergebnisse dienen einem verbesserten Verständnis der Wirkzusammenhänge zwischen Pumpendesign, Betriebsverhalten und Verstopfungsneigung und eröffnen die Möglichkeit zur systematischen Erhöhung des Wirkungsgrades unter Berücksichtigung einer geringen Verstopfungsanfälligkeit. In dem Vorhaben wird ein kombinierter numerisch-experimenteller Ansatz verfolgt. Ein entscheidender Schritt zur möglichst vollständigen Ausschöpfung des vermuteten Wirkungsgradpotentials in 1- und 2-Schaufelpumpen ist die Erhöhung der Treffsicherheit der verfügbaren CFD-Methoden. Einen großen Hebel vermuten die Antragsteller aufgrund der starken zeitlichen Schwankungen der Strömungsgrößen in der Vorgabe realistischer transienter Randbedingungen für das numerische Modell. Diese werden in einem ersten Schritt aus zeitauflösenden Messungen der Druck- und ggf. Volumenstrompulsationen einer Versuchspumpe gewonnen. Im zweiten Schritt ist die gekoppelte Simulation der Pumpe mit der gesamten Anlage vorgesehen, wodurch Ein- und Ausströmränder im Modell wegfallen und damit auch die Notwendigkeit der Messung von Randbedingungen entfällt. Im Weiteren liegt das Augenmerk neben der Bewertung konventioneller statistischer Modelle auf der Erprobung skalenadaptiver Turbulenzmodelle.

1aPump: Einsatz von 3D Simulationsmethoden zur Steigerung des Wirkungsgrades von 1- und 2-schaufeligen Pumpen und zur energieeffizienten Förderung feststoffbeladener Fluide, Teilvorhaben: Entwicklung und Validierung von 3D Simulationsmethoden

Zur Förderung feststoffbeladener Fluide wie z.B. Abwässer oder Schlämme werden Pumpen mit nur wenigen (z.B. 1 oder 2) Schaufeln verwendet, um Verstopfungen der Pumpenhydrauliken zu vermeiden. Während die Aggregate mit Priorisierung auf höchste Verfügbarkeit im Betrieb ausgelegt werden, ist eine gleichzeitige Verbesserung ihrer Energieeffizienz mangels geeigneter Methoden aktuell noch nicht machbar. Daher sollen in diesem Projekt 3D CAE-Methoden für numerische Strömungs- und Schwingungsuntersuchungen auf Basis von OpenFOAM weiterentwickelt werden. Die Methoden werden experimentell validiert und für 1- und 2-Schaufelpumpen allgemein anwendbar gemacht. Die Ergebnisse dienen einem verbesserten Verständnis der Wirkzusammenhänge zwischen Pumpendesign, Betriebsverhalten und Verstopfungsneigung und eröffnen die Möglichkeit zur systematischen Erhöhung des Wirkungsgrades unter Berücksichtigung einer geringen Verstopfungsanfälligkeit. In dem Vorhaben wird ein kombinierter numerisch-experimenteller Ansatz verfolgt. Ein entscheidender Schritt zur möglichst vollständigen Ausschöpfung des vermuteten Wirkungsgradpotentials in 1- und 2- Schaufelpumpen ist die Erhöhung der Treffsicherheit der verfügbaren CFD-Methoden. Einen großen Hebel vermuten die Antragsteller aufgrund der starken zeitlichen Schwankungen der Strömungsgrößen in der Vorgabe realistischer transienter Randbedingungen für das numerische Modell. Diese werden in einem ersten Schritt aus zeitauflösenden Messungen der Druck- und ggf. Volumenstrompulsationen einer Versuchspumpe gewonnen. Im zweiten Schritt ist die gekoppelte Simulation der Pumpe mit der gesamten Anlage vorgesehen, wodurch Ein- und Ausströmränder im Modell wegfallen und damit auch die Notwendigkeit der Messung von Randbedingungen entfällt. Im Weiteren liegt das Augenmerk neben der Bewertung konventioneller statistischer Modelle auf der Erprobung skalenadaptiver Turbulenzmodelle.

Energieeffiziente dynamische Vakuumbehandlung von Metallschmelzen, Teilvorhaben: Prozessmodellgenerierung, Bildanalysesystem und Validierung

Energieeffiziente dynamische Vakuumbehandlung von Metallschmelzen, Teilvorhaben: Metallurgische Untersuchungen an Versuchsschmelzen

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