Kaiserslautern - Fachbereich Bauingenieurwesen
Refine
Year of publication
Document Type
- Doctoral Thesis (94)
- Article (17)
- Conference Proceeding (3)
- Other (3)
- Habilitation (2)
- Bachelor Thesis (1)
- Book (1)
- Study Thesis (1)
Has Fulltext
- yes (122)
Keywords
- Querkraft (6)
- Querkrafttragfähigkeit (6)
- Bauen im Bestand (3)
- CAFM (3)
- Hochleistungsbeton (3)
- Hohlkörper (3)
- Stahlbetonbau (3)
- Überflutungsvorsorge (3)
- Abwasserreinigung (2)
- Bauphysik (2)
Faculty / Organisational entity
The dynamic behaviour of unsaturated sand rubber chips mixtures at various gravimetric contents is evaluated through an experimental study comprising resonant column tests in a fixed-free device. Chips were irregularly shaped with dimensions ranging from 5 to 14 mm. Three types of sand with different gradation have been considered. Relative density amounted to 0.5 for all specimens. Due to the large size of the chips, the diameter of the specimens had to be equal to 100 mm, which in turn required a re-calibration of the device assuming a frequency-dependent drive head inertia. The effects of confining stress, rubber chips content, and sand gradation on shear modulus and damping ratio are determined over wide ranges of the shear strain. At small strains, as known for sands, increasing the confining stress stiffens the mixtures. Increasing the rubber chips content reduces significantly the shear modulus and increases the damping ratio. At higher strains, increasing the confining stress or the rubber content flattens the reduction of the shear modulus with strain. Damping at high strains does not show any appreciable dependence on rubber content. Unloading–reloading sequences are used to assess shear modulus degradation and threshold strains. Finally, design equations are derived from the test results to predict the dynamic response of the composite material.
Zur Förderung der Nahmobilität, insbesondere der Basismobilität „Zufußgehen“, ist die Möglichkeit zur Teilhabe im öffentlichen Verkehrsraum für alle Menschen und im Besonderen für mobilitätseingeschränkte (Bedürfnisgruppen) unerlässlich. Nur mit Hilfe einer barrierefrei gestalteten Umwelt kann die Teilhabe Aller erreicht werden. In diesem Zusammenhang ist es notwendig, ein durchgehend barrierefreies Fußverkehrsnetz herzustellen. Hierzu sind die Fußverkehrsanlagen (Gehbereiche, Überquerungsstellen, Treppen, Rampen und Aufzüge) entsprechend zu gestalten. Ein nachvollziehbares und praxisorientiertes Verfahren zur Bewertung der Barrierefreiheit von Fußverkehrsnetzen existiert allerdings derzeit nicht. An diesem Punkt setzt die vorliegende Forschungsarbeit an. Durch die Entwicklung
eines Verfahrens zur Bewertung der bestehenden Barrierefreiheit von Fußverkehrsnetzen anhand von Qualitätsstufen wird ein praktisches Anwendungstool geschaffen. Dieses richtet sich an verantwortliche Personen, u.a. aus Planung, Politik und Verwaltung, um eine Priorisierung und Umsetzung von
Maßnahmen zum Abbau von Barrieren vornehmen zu können.
Grundlage für das Bewertungsverfahren bilden Interviews und Befragungen von Fachleuten und Bedürfnisgruppen. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf motorisch und visuell eingeschränkten Personen. Die Befragungen befassten sich mit der Höhe der Erschwernisse, je nach Bedürfnisgruppe, bei der Nutzung von Fußverkehrsanlagen im öffentlichen Raum, wenn diese nicht den Vorgaben der Technischen Regelwerke entsprechen. Das Bewertungsverfahren übersetzt die Barrierefreiheit in eine verständliche und nachvollziehbare Größe, indem die Erschwernisse in eine gefühlte zusätzliche Entfernung umgerechnet werden. Weiterhin wird neben der gefühlten auch die tatsächliche zusätzliche Entfernung aufgrund von Umwegen berücksichtigt. Aufbauend auf der Bewertung von Fußverkehrsanlagen können so Routen und Verbindungen sowie Fußverkehrsnetze bewertet werden. Der grundsätzliche Ablauf des Bewertungsverfahrens ist für alle Bedürfnisgruppen gleich. Er besteht aus vier wesentlichen Schritten und hat jeweils eine von sechs Qualitätsstufen der Barrierefreiheit (QSB, Stufen von A bis F) zum Ergebnis. Im Rahmen der Forschungsarbeit wird festgelegt, dass der Übergang von der Stufe D zur
Stufe E für die Mehrheit der betrachteten Bedürfnisgruppen die Grenze zwischen Selbstständigkeit und Notwendigkeit fremder Hilfe beim Nutzen der Fußverkehrsanlagen darstellt. Das entwickelte Bewertungsverfahren bietet eine gute Grundlage zur Bewertung von Fußverkehrsnetzen in Bezug auf die Barrierefreiheit. Aufgrund der Modularität und Flexibilität ist es möglich, sowohl
weitere Aspekte als auch weitere Bedürfnisgruppen zu integrieren. Wichtig sind eine kontinuierliche Anwendung des Verfahrens und die Berücksichtigung der Barrierefreiheit von Anfang an in jeder Planung. Ebenfalls ist eine gesetzliche Integration der barrierefreien schrittweisen Umgestaltung anhand
anerkannter Technischer Regelwerke notwendig. Nur so kann ein durchgehend barrierefreies Netz entstehen und allen Menschen, egal ob mit oder ohne Mobilitätseinschränkung, eine Teilhabe im öffentlichen Verkehrsraum ohne fremde Hilfe ermöglicht werden. Zudem kann durch die Steigerung der
Attraktivität die Nahmobilität gefördert werden. Hiermit kann erreicht werden, Menschen bei kurzen Entfernungen vom zu Fuß gehen bzw. von der Nutzung des Rollstuhls zu überzeugen. Letztlich ist so auch eine Minderung des CO2-Ausstoßes denkbar, wenn für kurze Routen kein oder seltener das Kfz
genutzt wird. Das nachhaltigste und umweltschonendste Fortbewegungsmittel ist das zu Fuß gehen und ein barrierefreies Umfeld trägt somit schlussendlich zum Klimaschutz bei.
In 2022 verfehlten Gebäude- und Verkehrssektor die Klimaschutzziele in Deutschland. Im Gegensatz zum Verkehrssektor stehen im Gebäudesektor lange Lebensdauern schnellen Technologiewechseln entgegen, weshalb Strategien besonders frühzeitig umgesetzt werden müssen. Zudem ist der Gebäudebestand durch hohe Investitionskosten bei vergleichsweise geringen Treibhausgaseinsparungen je investiertem Euro geprägt. In Kombination erschweren diese Hemmnisse die Erreichung der Klimaschutzziele für den Wohngebäudebestand deutlich.
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Wohngebäudebestandsmodells, um Transformationspfade unter dem Einfluss variierender ökonomischer Rahmenbedingungen, wie z.B. dem Einfluss unterschiedlicher CO2-Preisverläufe und eine Reinvestition der CO2-Steuer in die Modernisierung der Gebäude, simulieren und analysieren zu können.
Im ersten Schritt wird ein Wohngebäudebestandsmodell bei Fortschreibung der ökonomischen Rahmenbedingungen im Startjahr entwickelt und angewendet. Hierzu werden wichtige Parameter des Gebäudebestands identifiziert und diese anhand des vergangenen Verlaufs analysiert sowie Szenarien und Prognosen betrachtet. Ergebnis sind Ausgangsbedingungen und Einflussfaktoren auf den weiteren Verlauf, die für die Modellierung genutzt werden. Im zweiten Schritt wird eine Systematik entwickelt, um Modernisierungsraten endogen bei Variation der ökonomischen Rahmenbedingungen berechnen zu können.
In der vorliegenden Arbeit wird ein Modell vorgestellt, dass die ökonomischen Rahmenbedingungen und das Kopplungsprinzip dynamisch bei der Simulation von Vollmodernisierungsraten berücksichtigt. Die Ergebnisse zeigen, dass Vollmodernisierungsraten von 2 %/a über längere Zeiträume extreme Rahmenbedingungen benötigen und unrealistisch sind. Haupthemmnisse sind der Sanierungsbedarf (Kopplungsprinzip), sinkende Energieeinsparpotenziale der jüngeren Baualtersklassen und Mitnahmeeffekte bei verbesserter Förderung. Da eine Erreichung der Klimaschutzziele nur durch Anpassung der CO2-Steuer (auch bei Reinvestition) nicht innerhalb realistischer Steuerhöhen im Modell möglich ist, wird stattdessen ein Maßnahmenpaket aus wirtschaftlichen und legislativen Rahmenbedingungen zur Zielerreichung vorgestellt.
Auf Grundlage normativer Regelungen, aktueller Forschungsvorhaben und deren Erkenntnisse (Kuhlmann u. a. 2008 und 2012) wurden experimentelle sowie numerische Untersuchungen an großen Ankerplatten mit mehr als der aktuell normativ zugelassenen Anzahl an Kopfbolzen durchgeführt. Ziel der Untersuchungen war es, einen Ansatz für die Tragfähigkeit großer nachgiebiger Ankerplatten mit Kopfbolzen zu entwickeln. Durch Variationen der maßgebenden Parameter wie der Ankerplattendicke, der Kopfbolzenlänge, des Grads der Rückhängebewehrung sowie des Zustands des Betons konnte anhand der experimentellen Untersuchungen ein Komponentenmodell verifiziert werden. Mögliche Versagensmechanismen, wie Stahlversagen der Kopfbolzen auf Zug, Fließen der Ankerplatte infolge der T-Stummelbildung, kegelförmiger Betonausbruch sowie Stahlversagen der Rückhängebewehrung, konnten mithilfe dieser Parameter abgebildet werden. Weiter hat sich beim Versagensmodus ‚kegelförmiger Betonausbruch‘ die Oberflächenbewehrung im Nachtraglastbereich als zusätzlicher Parameter herausgestellt.
Das auf Grundlage der DIN EN 1993-1-8 entwickelte Modell und die Berücksichtigung der Komponentensteifigkeiten ermöglichen die Bemessung starrer und nachgiebiger Ankerplatten. Durch den Einbezug der Steifigkeiten einzelner Komponenten kann die Gesamtsteifigkeit einer Anschlusskonfiguration berechnet werden, um ein duktiles Tragverhalten zu erhalten. Neben verschiedenen möglichen Fließzonen auf der Ankerplatte infolge unterschiedlicher Geometrien und Anordnungen der Verbindungsmittel werden kegelförmige Betonausbrüche in Abhängigkeit einer möglichen zusätzlichen Rückhängebewehrung im Modell berücksichtigt.
Das in dieser Arbeit beschriebene Modell für die sich bildende Zugseite starrer sowie nachgiebiger Ankerplatten mit mehr als aktuell nach Norm zulässigen Ver-bindungsmitteln konnte anhand experimenteller und numerischer Versuche verifiziert werden. Der plastische Bemessungsansatz zeigt, über alle Versuchsserien hinweg, eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Untersuchungen sowie den numerischen Parameterstudien.
In einem zweiten Schritt wurden Auswirkungen einer Kurzzeitrelaxation des Betons infolge Zwang auf große Ankerplatten in Verbindung mit Kopfbolzen untersucht. Mit dem in Anlehnung an die Komponentenmethode der DIN EN 1993-1-8 entwickelten Federmodell können zeitabhängige Verformungen von Beton infolge von Kriechen und Schwinden berücksichtigt werden. Mithilfe des anhand experimenteller und numerischer Versuche verifizierten Modells ist es möglich, Auswirkungen infolge Zwang auf Ankerplatten zu untersuchen.
In der vorliegenden Arbeit wird das Querkrafttragverhalten vorgefertigter Wand-elemente aus haufwerksporigem Leichtbeton (LAC) untersucht.
Leichtbeton mit haufwerksporigem Gefüge gilt als gut wärmedämmend und ressourcenschonend, weshalb er bei Verwendung in Fassadenelementen weiter an Bedeutung gewinnt. Allerdings führen unzureichende Erkenntnisse zum Querkraft-tragverhalten freitragender Wandbauteile ohne und mit Querkraftbewehrung zu normativen Einschränkungen in der konstruktiven Durchbildung und Herstellung der Fertigteile.
Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Bemessungsmodells für freitragende Wandelemente aus LAC, das mit geeigneten Bewehrungskonstruktionen sowohl die einwandfreie Herstellung im üblichen Walzverfahren ermöglicht als auch die Tragfähigkeit der Elemente sicherstellt.
Zunächst werden experimentelle Untersuchungen zur Verdichtung von Elementen aus haufwerksporigem Leichtbeton durchgeführt. Darauf aufbauend ermöglichen Auszug-versuche mit einem modifizierten BeamEndTest eine Aussage über das Verbund- und Verankerungsverhalten von Bewehrungsstäben in LAC.
Mit den Ergebnissen der Auszugversuche werden Großversuche an Wandbauteilen konzipiert und durchgeführt, welche die Beurteilung der Querkrafttragfähigkeit von Bauteilen ohne und mit Querkraftbewehrung erlauben. Aus den experimentellen Untersuchungen wird ein an den Eurocode 2 und DIN EN 1520:2011-06 angelehnter Bemessungsvorschlag entwickelt, der unter anderem auch die Schubschlankheit der Elemente und die Verankerung der Querkraftbewehrung als Einflussparameter berücksichtigt.
Teile dieser Arbeit wurden im Forschungsvorhaben „Innovative Konstruktions- und Bemessungsregeln zur Optimierung der Querkraft- und Torsionstragfähigkeit von freitragenden Wandplatten aus LAC“ erarbeitet. Dabei handelt es sich um ein Kooperationsprojekt zwischen der Technischen Universität Kaiserslautern (Prof. Dr.-Ing. Matthias Pahn, Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schnell), der Hochschule Koblenz (Prof. Dr.-Ing. Ralf Zeitler) und dem Bundesverband Leichtbeton e.V. (Dieter Heller). Das Projekt wurde gefördert durch das Bundesministerium fürWirtschaft und Energie.
Verbundträger stellen in der Regel aufgrund der Anordnung der Ausgangsmaterialien im System entsprechend den jeweils vorteilhaften Eigenschaften sehr wirtschaftliche Konstruktionen dar. Neben den enormen Steifigkeiten und Tragfähigkeiten im Vergleich zu losen aufeinanderliegenden Querschnitten und dem deutlichen Einsparen an Eigengewicht im Vergleich zu Massivkonstruktionen zeichnen sich Verbundträger aufgrund hoher Vorfertigungsgrade durch einen schnellen Bauablauf aus.
Da die Verbundfuge zwischen Träger und Betonplatte in der Regel nicht unendlich starr ausgeführt werden kann, treten unter Last Relativverschiebungen zwischen den Teilquerschnitten auf, welche das Trag- und Verformungsverhalten des Gesamtsystems maßgebend beeinflussen können. Zum detaillierten Abbilden des realen Last- Verformungs-Verhaltens ist eine Berücksichtigung der Nachgiebigkeit der Verbundfuge daher unerlässlich. Da die Wirtschaftlichkeit von Stahl-Beton-Verbundträgern, den „klassischen Verbundträgern“, maßgebend durch das Ausnutzen plastischer Tragreserven im Grenzzustand der Tragfähigkeit abhängt, werden im Rahmen vorliegender Arbeit Berechnungsverfahren untersucht, die sowohl das nichtlineare Materialverhalten der Teilquerschnitte als auch das nichtlineare Last-Verformungs- Verhalten der Verbundfuge berücksichtigen.
Der Fokus vorliegender Arbeit liegt auf statisch unbestimmten Systemen, da sich die äußeren Schnittgrößen und die Steifigkeitsverteilung entlang der Trägerlänge gegenseitig beeinflussen. Konkret erfolgt die Modellierung mit der Segment-Lamellen- Methode, welche aufbauend auf der Differentialgleichung des elastischen Verbundes über zahlreiche elastische Lastschritte unter Reduktion der Steifigkeit einzelner Querschnittsbereiche das nichtlineare Tragverhalten mit guter Näherung darstellen kann. Darüber hinaus wird eine Übertragung der im Holzbau üblichen Stabwerkmodelle durch Berücksichtigung nichtlinearen Materialverhaltens auf Stahl-Beton-Verbundträger gegeben.
Zur Kalibrierung der Modelle und um zusätzliche Erkenntnisse zum Trag- und Verformungsverhalten von Verbundträgern vor allem in der Verbundfuge zu erhalten, werden drei großmaßstäbliche, statisch unbestimmt gelagerte Stahl-Beton- Verbundträger mit unterschiedlicher Verbundwirkung experimentell untersucht. Als Besonderheit ist zu nennen, dass abweichend von der aktuellen Normenregelung sowohl im Feld- als auch im Stützbereich eine Teilverdübelung vorliegt. Zusätzlich werden drei Versuche an großmaßstäblichen statisch bestimmt gelagerten Holz-Beton- Verbundträgern durchgeführt.
Beim Vergleich der Versuchsergebnisse mit der Modellrechnung kann gezeigt werden, dass das globale Last- und Verformungsverhalten von Verbundträgern mit sehr guter Näherung abgebildet werden kann. Hierdurch eignen sich beide Modellrechnungen als Basis einer verformungsorientierten Bemessung, bei der die Traglast des Systems bei Erreichen von Grenzdehnungen der Teilquerschnitte oder der Grenzverformung in der Verbundfuge erreicht wird. Vorteilhaft bei dieser Bemessung ist, dass einerseits sowohl nichtlineares Materialverhalten als auch die Nachgiebigkeit der Verbundfuge bei der Bemessung berücksichtigt werden kann und andererseits der Verformungszustand unmittelbar bestimmt werden kann.
Particulate matter has been considered an indicator for the pollution of urban stormwater runoff for quite some time. There are only few studies that have investigated the contamination with organic micropollutants and metals both in the dis-solved and particulate phase as well as across different particle size classes. Yet, this distribution plays an important role in better understanding and optimising urban stormwater treatment measures. Therefore, this work aimed at assessing the composition of particulate matter in urban stormwater in terms of the physico-chemical properties (particle size distribution and organic content), as well as the occurrence of organic micropollutants and metals, their association to particulate matter and their removal from urban runoff. An intensive long term monitoring campaign at a centralised stormwater treatment facility of an industrial area was conducted. The stormwater runoff was sampled with large volume sampling tanks filled volume-proportional to the runoff at the two outlets of the facility. This allowed the determination of the event mean concentrations as well as the load-related removal efficiencies of the treatment facility for different parameters. Within each sample the concentrations of total suspended solids across different particle size fractions (< 63 µm, 63 – 125 µm, 125 – 250 µm, 250 – 2000 µm) were measured as well as their organic content. Furthermore, the concentrations and the phase distribution of 5 metals (Chromium, Copper, Zinc, Cadmium, Lead) and 29 organic micropollutants including polycyclic aromatic hydrocarbons, industrial chemicals (e.g. organophosphates, alkyphenols) and biocides were ana-lysed across different particle size fractions. In this study, over a period of almost 2.5 years, a total of 36 sampling events were recorded and investigated within two sampling periods (2015 – 2016 and 2017 – 2019) at the rainwater treatment facility in Freiburg Haid. The occurrence of organic micropollutants was determined in 22 of these events and the occurrence of metals in 17. The evaluation of the event mean concentration of total suspended solids showed that the fine fraction of the solids is of particular importance, as it showed an event mean concentration more than twice as high (34 mg \(L^{-1}\)) as the coarser particle fraction (14.9 mg \(L^{-1}\)). Regarding the occurrence of total suspended solids in terms of the transported solid load, the solids < 63 µm accounted for a mean proportion of 61 %, the fraction 63 – 125 µm for 13 %, the fraction 125 – 250 µm for 6 % and the fraction 250 – 2000 µm for 9 % of the total solid mass. In terms of the organic content of the solids, the results showed a clear increase of the organic content with increasing particle size (measured as loss on ignition).
As in the case of solids, the highest concentrations of the organic micropollutants and metals investigated were found in the particle size fraction < 63 µm. This fine fraction of the particles also accounted for the largest load of organic micropollutants and metals. Therefore, the particle loading with organic micropollutants or metals respectively the particle-bound micropollutant/metal concentration was calculated in this study. For most substances, a rather equal distribution over the smallest three particle size fractions was found. A certain correlation of the organic content with the occurrence of organic micropollutants and metals could be shown, therefore it can be assumed that the particle-bound concentration is certainly influenced by the organic content of the particulate matter. However, due to the fact that, among other things, the largest particle-bound pollutant loads are transported with particles < 63 µm, the fine fraction represents the relevant particle size in urban stormwater runoff. Regarding the total treatment efficiency (including sedimentation efficiency and volume retention), the investigated facility in this study was able to reduce the load of fine particles by only a quarter. The larger particle size classes were reduced by far more than half in most cases. If total suspended solids in its entire particle size range were used as a proxy to estimate the removal efficiency of metals and organic micropollutants, the efficiency would be overestimated and the actual pollutant load released into the environment would thus be underestimated. However, the investigation, weather the particle size fraction < 63 µm would be more suitable, showed that even for substances with a high tendency to adsorb onto particles (e.g. Cr, Cu, IND, GHI), the total treatment efficiency was still overestimated by the fine fraction.
Nitrogen removal from wastewater is increasingly important to protect natural water sources and has proven a challenge for wastewater treatment plants in different countries. Strict discharge norms for nitrogen components and unfavourable wastewater quality are among the main challenges observed.
An example WWTP (450,000 PECOD,120), representative of these challenges (i.e. strict discharge norm for NH4-N and TN, partially unfavourable wastewater composition for upstream denitrification) was modelled with the software SIMBA. The model was calibrated, and validated, using different statistical parameters. The model was used for dynamic simulation to test different operational and automation strategies, to improve nitrogen removal.
The tested strategies considered the bypass of primary clarifiers, changes in the anaerobic, anoxic, and aerobic reactors configuration, changes in the aeration system (DO setpoint, the inclusion of online sensors and different control approaches in the aeration loop), the adjustment of the internal recirculation rate, the implementation of intermittent denitrification, among others. The addition of an anaerobic digestion stage, considering the adjustment of the sludge age in the biological treatment and the treatment of the centrate (including nitrogen backload), was tested as well.
To evaluate the strategies' performance, an evaluation criteria chart was created to select the best strategies from an overall perspective, considering the improvements or deterioration in norm compliance, aeration requirements, pollutant emissions to the environment, and biogas production (if applicable).
The best overall results were obtained with strategies that aimed to improve the denitrification capacity (e.g. increase anoxic volume by reducing aerobic volume), adjusted the air requirements (e.g. inclusion of an NH4-N online measurement in the aeration control loop), and provided flexibility (e.g. intermittent denitrification). With the right combination of strategies, the norm compliance was significantly improved e.g. reduced from 31 to 4 in a year, as well as the emissions to the environment.
The inclusion of an anaerobic digestion stage for sewage sludge treatment challenges the nitrogen removal even further, but similar optimisation strategies, based on the same approach were able to improve norm compliance.
However, none of the combinations, with or without anaerobic digestion, achieved total norm compliance. Therefore, a different technology than A2/O, an SBR treatment stage was designed, providing increased operational flexibility. The A2/O system in the computer model was replaced by an SBR process. This showed the best results, based on the criteria previously defined, with total norm compliance.
Based on the learnings of the design, redesign, and strategies tested, a guideline for an integral optimisation of nitrogen removal was developed, based on six pillars, considering a detailed WWTP operational analysis, the use of dynamic simulation as a tool, the testing of known and simple optimization approaches, the definition of clear and objective evaluation criteria, the consideration of anaerobic digestion (and the backload) and finally the re-evaluation of the type of technology for biological wastewater treatment.
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.
Individual thermal comfort in buildings, especially in office workplaces, is becoming increasingly
important in modern society. While technical devices for user-specific heating are well known and
implemented, only a few proven methods for individual cooling of a single person are available, most
of which are limited to convective heat transfer.
The primary goal of this research was the development of an effective and efficient cooling system
for individual building occupants based on longwave radiation exchange. To achieve this, the
technological concept of a thermoelectric cooling partition with latent heat storage (Thecla) was
developed. The system combines Peltier elements and heat storage based on a phase change
material to provide a tempered surface for directional radiative cooling of a person.
Thecla has been practically evaluated in the form of real prototypes in hardware tests and human
subject studies. In addition, the concept was evaluated theoretically through precise thermodynamic
analyses of each individual component and of the overall system. Based on these assessments, an
explicit computational model of Thecla was developed, which calculates the thermodynamic
behavior and energy balance of the system for varying environmental and operating parameters.
Coupled with measured and simulated building energy data, the overall energy efficiency of Thecla in
combination with central space cooling systems was assessed.
The analysis suggests, that the system concept of the thermoelectric partition is effective for
individual user cooling. Thecla provides a perceptible and measurable cooling effect associated with
a reduction in the overall thermal sensation. The applied technologies allow cooling operation over
relevant periods of time and, through latent heat storage, a temporal shift of cooling loads in
buildings. For realistic application scenarios in buildings with central air conditioning, an existing
energy-saving potential by using Thecla could be proven and quantified.