Kaiserslautern - Fachbereich Bauingenieurwesen
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Solar radiation data is essential for the development of many solar energy applications ranging from thermal collectors to building simulation tools, but its availability is limited, especially the diffuse radiation component. There are several studies aimed at predicting this value, but very few studies cover the generalizability of such models on varying climates. Our study investigates how well these models generalize and also show how to enhance their generalizability on different climates. Since machine learning approaches are known to generalize well, we apply them to truly understand how well they perform on different climates than they are originally trained. Therefore, we trained them on datasets from the U.S. and tested on several European climates. The machine learning model that is developed for U.S. climates not only showed low mean absolute error (MAE) of 23 W/m2, but also generalized very well on European climates with MAE in the range of 20 to 27 W/m2. Further investigation into the factors influencing the generalizability revealed that careful selection of the training data can improve the results significantly
Daylight is important for the well-being of humans. Therefore, many office buildings use
large windows and glass facades to let more daylight into office spaces. However, this increases the
chance of glare in office spaces, which results in visual discomfort. Shading systems in buildings
can prevent glare but are not effectively adapted to changing sky conditions and sun position,
thus losing valuable daylight. Moreover, many shading systems are also aesthetically unappealing.
Electrochromic (EC) glass in this regard might be a better alternative, due to its light transmission
properties that can be altered when a voltage is applied. EC glass facilitates zoning and also supports
control of each zone separately. This allows the right amount of daylight at any time of the day.
However, an effective control strategy is still required to efficiently control EC glass. Reinforcement
learning (RL) is a promising control strategy that can learn from rewards and penalties and use this
feedback to adapt to user inputs. We trained a Deep Q learning (DQN) agent on a set of weather data
and visual comfort data, where the agent tries to adapt to the occupant’s feedback while observing
the sun position and radiation at given intervals. The trained DQN agent can avoid bright daylight
and glare scenarios in 97% of the cases and increases the amount of useful daylight up to 90%, thus
significantly reducing the need for artificial lighting.
To achieve the Paris climate protection goals there is an urgent need for action in the energy sector. Innovative concepts in the fields of short-term flexibility, long-term energy storage and energy conversion are required to defossilize all sectors by 2040. Water management is already involved in this field with biogas production and power generation and partly with using flexibility options. However, further steps are possible. Additionally, from a water management perspective, the elimination of organic micropollutants (OMP) is increasingly important. In this feasibility study a concept is presented, reacting to energy surplus and deficits from the energy grid and thus providing the needed long-term storage in combination with the elimination of OMP in municipal wastewater treatment plants (WWTPs). The concept is based on the operation of an electrolyzer, driven by local power production on the plant (photovoltaic (PV), combined heat and power plant (CHP)-units) as well as renewable energy from the grid (to offer system service: automatic frequency restoration reserve (aFRR)), to produce hydrogen and oxygen. Hydrogen is fed into the local gas grid and oxygen used for micropollutant removal via upgrading it to ozone. The feasibility of such a concept was examined for the WWTP in Mainz (Germany). It has been shown that despite partially unfavorable boundary conditions concerning renewable surplus energy in the grid, implementing electrolysis operated with regenerative energy in combination with micropollutant removal using ozonation and activated carbon filter is a reasonable and sustainable option for both, the climate and water protection
Financing measures and incentive schemes for (existing and new) building owners can promote the sustainable settlement development of rural regions or municipalities and, in a wider sense, entire countries or cross-border regions. In order to be used on a broad scale, the concept of revolving funds must continue to be further developed. In this research, the concept of an advanced revolving housing fund (ARF) for building owners to support the sustainable development of rural regions and potential mechanisms are introduced. The ARF is designed to reflect impacts and challenges with regard to rural regions in Germany, Europe and beyond. Based on New Institutional Economics, the Theory of Spatial Organisms, an expert workshop, interviews and discussions and further literature research, the fundamentals for incentive schemes and the essential mechanisms and design aspects of the ARF are derived. This includes the principal structure and governance of a holding fund and several regional funds. Based on this, input parameters for the financial modelling of an ARF are presented as well as guiding elements for empirical testing to promote more research in this area. It is found that the ARF should have a regional focus and must be a comprehensive instrument of settlement development with additional informal and formal measures. The developed concept promises new impulses, in particular, for rural regions. It is proposed to test the concept by means of case studies in pioneer regions of different countries
Analyse des Potenzials von Phasenwechselmaterialien im Einsatz bei mehrschichtigen Bauelementen
(2023)
Das letzte Jahrzehnt hat die menschliche Wahrnehmung von Klimawandel und Energieverbrauch dramatisch verändert. Es ist ersichtlich, dass der Mensch aufgrund der
CO2-Emissionen aus dem fossilen Energieverbrauch eine dominante Rolle im Klima-
wandel spielt. Es ist heute weitgehend Konsens, dass wir den Einsatz fossiler Brenn-
stoffe reduzieren müssen, um die Abhängigkeit von den Lieferländern zu verringern
und die CO2-Emissionen zu reduzieren. In dieser Hinsicht ist die beste Alternative die
Verwendung Erneuerbarer Energien.
Energie aus solarer Strahlung ist weder kontinuierlich noch vollständig steuerbar, aber
quasi kostenlos verfügbar. Um die nicht kontinuierliche, teilweise steuerbare Bereit-
stellung zu kompensieren, muss die Energie für ihre Nutzung möglichst effizient ge-
speichert werden. Aktuell werden Bauteile bereits passiv als Wärmespeicher genutzt
und decken einen Teil des Wärmebedarfs von Gebäuden. Für eine umfangreichere
Deckung dieses Bedarfs können Bauteile mittels thermischer Aktivierung aktiv beladen
werden. Darüber hinaus können Materialien eingesetzt werden, um die thermische
Speicherkapazität zu erhöhen. Besonders interessant sind Phasenwechselmaterialien
(PCM), welche ohne Temperaturanstieg Wärme speichern.
PCMs weisen ein nichtlineares Verhalten auf, was bei Simulationen oder Steuerungen
neue Herausforderungen bedeutet. Daher ist es unerlässlich, ihr Verhalten anhand ei-
ner numerischen Methode zu modellieren. In dieser Dissertation wird die Finite-Diffe-
renzen-Methode (FDM) zur Modellierung und Simulation des thermischen Verhaltens
von thermisch aktivierten Bauteilen, ausgestattet mit PCM, benutzt und zur Diskreti-
sierung der Differentialgleichungen wird das Crank-Nicolson-Verfahren eingesetzt. Au-
ßerdem wird zur Modellierung des latenten Verhaltens von PCM die Enthalpie-Me-
thode angewendet. Die Hysterese vom PCM ist auch modelliert. Für die Simulation der
aktivierten Bauteile wird das Stern-Dreieck-Transformationsverfahren genutzt. Basie-
rend auf den genannten Methoden und den dazugehörigen Gleichungen wird ein Code
im MATLAB Programm implementiert, mit dem das thermische Verhalten von ther-
misch aktivierten Bauteilen, ausgestattet mit PCM, untersuchen werden kann. Letzt-
endlich wird zur Validierung des numerischen Modells das komplexe Verhalten von
PCM untersucht und zusätzlich wird der entwickelte Code durch thermische Simulati-
onen einer genormten Wand in „ANSYS Workbench“ verifiziert. Nach der Validierung
des Codes und seiner Entwicklung als TRNSYS-Komponente wird die Parametrisie-
rung durchgeführt. Sein Zweck war es, unter Berücksichtigung der verschiedenen Pa-
rameter eine Außenwand zu entwerfen, die den Heizwärmebedarf des Referenzge-
bäudes, SFH30 nach IEA SHC Task32, maximal und gleichmäßig im Laufe der drei
aufeinanderfolgenden kältesten Tage in jedem Monat der Heizperiode abdecken kann.
Schließlich wird ein Optimierungscode mit Hilfe der Simulated Annealing Methode im
MATLAB Programm implementiert. Mit diesem Code wird die Wandkonstruktion be-
stimmt, welche den gesamten Heizwärmebedarf des Referenzgebäudes gleichmäßig
im Lauf der drei aufeinanderfolgenden kältesten Tage in jedem Monat der Heizperiode
abdecken kann.
In der vorliegenden Dissertation wurden verschiedene Einflussfaktoren zur Entwicklung eines angepassten zementgebundenen Werkstoffes zum 3D-Drucken von Beton im 3D-Pulverdruckverfahren analysiert. Für die Entwicklung eines druckfähigen Compounds, der in seiner ausgehärteten Form eine hohe mechanische Festigkeit bei gleichbleibend hoher Qualität bietet, wurde im Rahmen dieser Arbeit untersucht, wie die einzelnen Ausgangsstoffe den Herstellungsprozess sowie die Qualität des gedruckten Betons beeinflussen und welche Faktoren dafür in welchem Maß relevant sind.
Zur Vergleichbarkeit unterschiedlicher Versuchsreihen wurden zunächst Analysemethoden definiert. Diese gliederten sich in vorbereitende Analysen zum 3D-Druckprozess und in Analysen, die speziell für das 3D-Pulverdruckverfahren definiert wurden sowie in die gängigen Festbetonuntersuchungen. Zu den vorbereitenden Analysen zählten neben der Untersuchung der Bindemittelflüssigkeit die Pulveranalysen. Bei der Auswertung der speziell für das 3D-Pulverdruckverfahren definierten Additiven Fertigungsparameter zeigte sich, dass die Korngrößenverteilung sowie die Partikelform einen essentiellen Einfluss auf die Fließfähigkeit des Compounds nehmen und daher die Grundlage für die Qualität des Druckergebnisses bieten.
Weitere Untersuchungen zur Auswirkung der Zusammensetzung auf die s. g. 3DP-Standfestigkeit wiesen darauf hin, dass gedruckte Betonstrukturen, in denen ausschließlich ein CEM I 52,5 R als Bindemittel enthalten ist, keine ausreichende Stabilität für eine optimale Nachbearbeitung kurz nach Druckvorgangsende bieten. Trotz des schnell erhärtenden Zements bedarf es für das vorgestellte Herstellungsverfahren ein noch reaktiveres Bindemittel in Form von Klinkerfeinmehl, um die notwendige 3DP-Standfestigkeit zu einem sehr frühen Zeitpunkt gewährleisten zu können. In weiteren Versuchsserien wurde ergänzend der Einfluss des Zusatzstoffes Silicastaub analysiert. Die Untersuchungsergebnisse zu diesem Einflussfaktor dokumentierten, dass mit einem geringen Massenanteil die Eigenschaften des gedruckten Betons optimiert werden konnten.
Teilweise konträr zu bekannten betontechnologischen Zusammenhängen verliefen die Festbetonuntersuchungen zum Einfluss des Wasser-Zement-Wertes. Zwar nimmt dieser Parameter wie in der konventionellen Betonproduktion einen signifikanten Einfluss auf die resultierende Druckfestigkeit, jedoch sind bekannte Wechselbeziehungen (wie bspw. eine Verringerung der Druckfestigkeit bei erhöhtem Wasser-Zement-Wert) oder bestimmte Kenngrößen (wie eine vollständige Hydratation des Zements bei einem Wasser-Zement-Wert von ca. 0,4) aufgrund der unterschiedlichen Produktionsweisen zwischen konventioneller Fertigung und dem 3D-Pulverdruckverfahren nicht kongruent. Dass die Feuchtigkeitsmenge gleichwohl im verwendeten Druckverfahren einen maßgebenden Einfluss auf die Festbetoneigenschaften hat, verdeutlichten die Untersuchungsergebnisse dieser Arbeit. Unter anderem deuteten verschiedene Versuchsreihen darauf hin, dass mit einem geringeren Verhältnis zwischen Bindemittelflüssigkeitsmenge bei theoretischer Sättigung des Compounds und tatsächlich eingebrachter Bindemittelflüssigkeits-menge das Potenzial einer vollständigen Hydratation und letztendlich einer höheren Druckfestigkeit der additiv gefertigten Betonelemente steigt.
Für die abschließende Nachbehandlung der gedruckten Betonkörper wurde neben der Normlagerung in Wasser eine weitere Lagerungsvariante in Wasserglas untersucht. Hierbei stellte sich bei der Wasserglasnachbehandlung heraus, dass sich infolge chemischer sowie physikalischer Erhärtungsprozesse eine dichtere Betonmatrix einstellt, die neben einer konstant höheren Druckfestigkeit sowie einer geringeren Porosität eine höhere Abriebfestigkeit der Betonoberfläche erzeugt.
Letztlich konnte aufgrund der Analyse vielzähliger Einflussfaktoren ein Compound entwickelt werden, der infolge des vorgestellten Herstellungsprozesses vergleichbare Betoneigenschaften zum Leichtbeton erzielt. Des Weiteren verdeutlichten die Erkenntnisse dieser Arbeit die Grenzen sowie das Potenzial der additiven Fertigung im 3D-Pulverdruckverfahren.
Eine Anpassung von Wasserversorgungs- und Abwasserentsorgungssystemen im ländlichen Raum kann aufgrund vielfältiger Herausforderungen wie demografischen, siedlungsstrukturellen und klimatischen Veränderungen erforderlich werden. Im Zuge dessen können auch die Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz der bestehenden Systeme gesteigert werden. Das Ziel dieser Arbeit ist die Ableitung von Handlungsempfehlungen zur Unterstützung der notwendigen Anpassungsprozesse der Abwasserentsorgung ländlicher Gemeinden. Dazu werden verschiedene Transformationspfade für Abwassersysteme aufgezeigt und analysiert.
In dieser Arbeit wird ein softwaregestütztes Entscheidungs- und Optimierungssystem angewendet und evaluiert, dass optimale Anpassungsmöglichkeiten aufgezeigt. Das gemischt-ganzzahlige lineare Optimierungsmodell berechnet für jede Gemeinde in Abhängigkeit von dem ausgewählten Szenario und vorgegebenen Zielen den optimalen Transformationspfad mit seiner zeitlichen und räumlichen Umsetzung. In den Szenarien werden zukünftige Entwicklungen der Bevölkerung, der Siedlungsstruktur, des Wasserbedarfs, der Kosten technischer Anlagen und des Klimawandels berücksichtigt. Die Zielfunktion bildet sich aus der gewichteten Summe ökonomischer, ökologischer und sozialer Bewertungskriterien. Die beispielhafte Anwendung des Modells erfolgt für zwei repräsentative ländliche Modellkommunen in Rheinland-Pfalz.
Durch eine detaillierte Auswertung und Evaluierung von ausgewählten Kombinationen von Szenarien und Bewertungskriterien kann das Spektrum an möglichen Transformationspfaden von der Erhaltung des zentralen Systems bis hin zu dezentralen und ressourcenorientierten Systemen aufgezeigt werden. Sensitivitätsbetrachtungen zeigen, dass die Auswahl und Gewichtung der Bewertungskriterien und die lokalen Randbedingungen der Gemeinde einen größeren Einfluss auf die resultierende Transformationspfade haben als die Auswahl der Szenarien.
Der Zustand des Entwässerungssystems wie der Anteil alter Kanäle, ein großer Anteil Mischsystem, große Durchmesser und eine große Kanallänge pro Einwohner sowie eine niedrige Siedlungsdichte fördern dezentrale Strukturen und sind geeignete Voraussetzungen für einen Systemwechsel. Bei der Priorisierung der Ziele Flexibilität, Wasserbilanz und Wasserrecycling wird die Dezentralisierung eines Systems mit Kleinkläranlagen favorisiert. Ein ressourcenorientiertes System mit einer Grau- und Schwarzwassertrennung ist nur zukünftig vorteilhaft, wenn die Ziele Wasserrecycling, Nährstoffrecycling und/oder Energieeffizienz priorisiert werden. Wenn ein Systemwechsel vollzogen werden soll, müssen auch die Auswirkungen auf die Wasserversorgung und Abwasserreinigung untersucht werden.
Es kann gezeigt werden, dass bei einer abnehmenden Bevölkerung dezentrale und ressourcenorientierte Systeme im ländlichen Raum eine Alternative darstellen. Zur Begleitung von Transformationsprozessen ist die Verwendung einer adäquaten Methodik zum Aufzeigen von verschiedenen Systemalternativen (z.B. mathematische Optimierung) zielführend.
Thermal comfort is one of the most important factors for occupant satisfaction and, as a result, for the building energy performance. Decentralized heating and cooling systems, also known as “Personal Environmental Comfort Systems” (PECS), have attracted significant interest in research and industry in recent years. While building simulation software is used in practice to improve the energy performance of buildings, most building simulation applications use the PMV approach for comfort calculations. This article presents a newly developed building controller that uses a holistic approach in the consideration of PECS within the framework of the building simulation software Esp-r. With PhySCo, a dynamic physiology, sensation, and comfort model, the presented building controller can adjust the setpoint temperatures of the central HVAC system as well as control the use of PECS based on the thermal sensation and comfort values of a virtual human. An adaptive building controller with a wide dead-band and adaptive setpoints between 18 to 26 °C (30 °C) was compared to a basic controller with a fixed and narrow setpoint range between 21 to 24 °C. The simulations were conducted for temperate western European climate (Mannheim, Germany), classified as Cfb climate according to Köppen-Geiger. With the adaptive controller, a 12.5% reduction in end-use energy was achieved in winter. For summer conditions, a variation between the adaptive controller, an office chair with a cooling function, and a fan increased the upper setpoint temperature to 30 °C while still maintaining comfortable conditions and reducing the end-use energy by 15.3%. In spring, the same variation led to a 9.3% reduction in the final energy. The combinations of other systems were studied with the newly presented controller.
Der Klimawandel erfordert den Ausbau urbaner blau-grüner Infrastrukturen, was jedoch mit einem erheblichen Mehrbedarf an Wasser einhergeht. Zentrale Abwasserinfrastrukturen genügen nicht den Ansprüchen der Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit. Daher ist ein neuer Umgang mit Wasser im städtischen Kontext notwendig. Die getrennte Erfassung von schwach belastetem Grauwasser aus Duschen und Handwaschbecken bietet eine nahezu kontinuierliche, wenig verschmutzte Wasserressource zur Wiederverwendung. Naturnahe Verfahren wie Bodenfilter können zur Grauwasseraufbereitung eingesetzt werden; der hohe Flächenbedarf beschränkte jedoch bisher den Einsatz in dicht besiedelten Gebieten. In dieser Arbeit werden technologiebasierte und konzeptionelle Ansätze vorgestellt. Dabei wurden acht vertikal durchströmte Bodenfilter zur nutzungsorientierten Grauwasseraufbereitung im kleintechnischen und Pilotmaßstab untersucht und zusätzlich ein Excel-basiertes Instrument entwickelt, das die Auswirkungen der Grauwasserseparation auf konventionelle zentrale Kläranlagen bewertet. Die Ergebnisse zeigen schwankende Zusammensetzungen und Mengen von Grauwasser. Aufgrund begrenzter Datenverfügbarkeit in der Fachliteratur wird empfohlen, die hier ermittelten 85-Perzentilwerte von 13 g CSB (chemischer Sauerstoffbedarf) pro Einwohner (E) und Tag sowie 55 L/(E·d) für die Bemessung von Anlagen zur Behandlung von gesiebtem, schwach belastetem Grauwasser heranzuziehen. Die ermittelten Stickstofffrachten und -konzentrationen waren aufgrund von Urinkontamination um 60 – 130 % höher als bisher angenommen, während die Phosphorkonzentrationen gesetzlich bedingt um ca. 60 % niedriger lagen. Alle Vertikalfilter wiesen im Ablauf meist < 2,0 mg/l abfiltrierbare Stoffe (AFS) bzw. < 10 mg/l CSB auf (also Eliminationen von überwiegend > 98 % AFS bzw. > 97 % CSB). Der aufgeständerte Rheinsandfilter zeigte bei < 12°C eine eingeschränkte Nitrifikation, während der Lavasandfilter bei > 5°C vollständig nitrifizierte. Die Vertikalfilter entfernten bis zu 50 – 70 % Stickstoff bei Drainageeinstau und Nitratrückführung. Der Lavasandfilter hielt Phosphor weitestgehend zurück. Die Reduktion von Escherichia coli, Enterokokken und Gesamtcoliformen betrug > 3 log-Stufen, während organische Spurenstoffe meist zu > 85 % entfernt wurden. Durch gezielte Anpassungen im Aufbau und Betrieb wurden für verschiedene Nutzungszwecke (Bewässerung, Versickerung und Toilettenspülung) geeignete Qualitäten erreicht. Der erforderliche Flächenbedarf für Bodenfilter zur Behandlung von schwach belastetem Grauwasser wurde zu 0,4 m2/E bestimmt (bezogen auf 85-Perzentilwerte). Dem liegen eine CSB-Flächenbelastung von 32 g/(m2·d) und eine hydraulische Flächenbelastung von 130 L/(m2·d) zugrunde. Die Anwendung von Lavasandfiltern in aufgeständerter Bauweise erwies sich als praxistauglich. Damit wird die Ausweitung des Bodenfilterverfahrens auf den urbanen Raum gefördert. Die Bilanzierungen zeigen, dass die Abtrennung von bis zu 17 % des an die Kläranlage angeschlossenen Grauwassers förderlich für den Kläranlagenbetrieb ist. Bei höheren Abtrennungsraten könnte jedoch eine Stickstoffrückgewinnung/-entfernung aus stickstoffreichen Schlammströmen erforderlich werden. Die Trennung bzw. dezentrale Aufbereitung von Grauwasser hat Vorteile wie Verdunstungskühlung und Wasserwiederverwendung und unterstützt zentral die Transition zu ressourcenorientierten Sanitärsystemen. Insgesamt können betrieblich und baulich angepasste Bodenfilter eine wichtige Rolle in dieser Umstellung spielen und einen deutlichen Beitrag zum nachhaltigen Umgang mit Wasser im städtischen Bereich leisten.
Zur Verankerung von Bügelschenkeln im Brandfall mit 90°-Winkelhaken gibt es bisher nur widersprüchliche Aussagen. Während in der kommentierten Fassung des EC2 90°-Winkelhaken als nicht geeignet für Anforderungen größer R90 bezeichnet werden, widerspricht Heft 600 des DAfStB dieser Aussage und erklärt 90°-Winkelhaken für geeignet.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es das Tragverhalten von 90°- und 135°-Winkelhaken, sowohl im gerissenen, als auch im ungerissenen Querschnitt unter Brandbeanspruchung zu untersuchen.
Es konnten signifikante Unterschiede im Tragverhalten gezeigt und Hinweise für die Praxis erarbeitet werden.