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Prädiktive Wärmeflussregelung solaroptimierter Wohngebäude - Thermische Simulation komplexer Gebäude
(2003)
Moderne Wohngebäude heute, besonders aber die der Zukunft, werden sich zu einem großen Teil selbst mit Wärme versorgen. Hierbei spielen Entwicklungen im Bereich der Fassadenkonstruktionen eine zentrale Rolle. Zum erhöhten solaren Wärmeeintrag kommen die Eigenschaften der Wärmespeicherung und verzögerten Wärmeabgabe hinzu. Aufgrund dieser Eigenschaften definiert sich das Gebäudeverhalten neu und komplexer. Im Rahmen der Entwicklungen von Wärmeflussregelungen in solarthermisch beheizten Wohngebäuden mit neuartigen Fassaden wird in diesem Beitrag auf die Modellentwicklung moderner Fassadenkonstruktionen hinsichtlich Transparenter Wärmedämmung und Phasenwechselmaterialien im Wandverbund, kombiniert mit der regelungstechnisch interessanten Neuentwicklung von Verschattungseinrichtungen über schaltbare Schichten am Fenster, eingegangen. Der Beitrag beschreibt den Entwurf eines Regelungskonzeptes für die thermische Raumklimaregelung. Diese Untersuchungen basieren auf komplexen Simulationsmodellen, wobei bei der Modellentwicklung der neuartigen Fassadenelemente auf reale Messwerte zurückgegriffen werden konnte.
On Computer-Aided Instruction Tools for Teaching College Engineering Mechanics Related Courses
(2004)
In this research, questionnaires are designed to survey among teachers and students the current situation of applying Computer-Aided Instruction (CAI) tools to teaching and learning of college engineering mechanics related courses in Taiwan. The needs for CAI tools for teaching these mechanics related courses are investigated in the survey. Several prototypes of interactive multimedia tools are designed and implemented using information technologies. The applicability and effectiveness of these tools on assisting teaching of engineering mechanics related courses are discussed and evaluated. Moreover, a website for managing and sharing collected and developed CAI resources is constructed.
A simulation system has been developed as a computer aided design tool to evaluate the effect of proposed design on the thermal environment during the designing process. This system calculates outdoor surface temperatures in order to evaluate the thermal impact of a design factor in outdoor space. In this study, the previous heat balance simulation system was improved to predict the surface temperature of a proposed design using 3D-CAD. This system is able to input the complicated outdoor spatial forms efficiently and also to evaluate the surface temperature distribution from any viewpoint.
Ausgehend von mathematischen Überlegungen haben wir einfache Modellansätze zur Bearbeitung des folgenden Optimierungsproblems erarbeitet und numerische Tests durchgeführt: Eine Landkarte wird in Quadrate unterteilt, wobei jedes Quadrat mit einem Faktor zu bewerten ist. Dieser Wichtungsfaktor sei klein, wenn das Gebiet problemlos passierbar ist und entsprechend groß, wenn es sich um ein Naturschutz-gebiet, einen See oder ein schwer befahrbares Gebiet handelt. Gesucht wird nach einer günstigen Verbindung vom Punkt A zum Punkt B, wobei die durch den Wichtungsfaktor gegebenen landschaftlichen Besonderheiten zu berücksichtigen sind. Wir formulieren das Problem zunächst als Variationsproblem. Eine notwendige Bedingung, der die Lösungsfunktion genügen muß, ist die Euler-Lagrangesche Differentialgleichung. Mit Hilfe der Hamiltonschen Funktion ist es möglich, diese Differentialgleichung in kanonischer Form zu schreiben. Durch Vereinfachung des Modelles gelingt es, das System der kanonischen Gleichungen so zu konkretisieren, daß es als Ausgangspunkt für numerische Untersuchungen betrachtet werden kann. Dazu verwandeln wir die ursprüngliche Landschaft in eine >Berglandschaft<, wobei hohe Berge schwer passierbare Gebiete charakterisieren. Das einfachste Modell ist ein einzelner Berg, der mit Hilfe der Dichtefunktion einer zweidimensionalen Normalverteilung erzeugt wird. Zusätzlich haben wir Berechnungen an zwei sich überlagernden Bergen sowie einer Schlucht durchgeführt.
The method of difference potentials can be used to solve discrete elliptic boundary value problems, where all derivatives are approximated by finite differences. Considering the classical potential theory, an integral equation on the boundary will be investigated, which is solved approximately by the help of a quadrature formula. The advantage of the discrete method consists in the establishment of a linear equation system on the boundary, which can be immediately solved on the computer. The described method of difference potentials is based on the discrete Laplace equation in the three-dimensional case. In the first step the integral representation of the discrete fundamental solution is presented and the convergence behaviour with respect to the continuous fundamental solution is discussed. Because the method can be used to solve boundary value problems in interior as well as in exterior domains, it is necessary to explain some geometrical aspects in relation with the discrete domain and the double-layer boundary. A discrete analogue of the integral representation for functions in will be presented. The main result consists in splitting the difference potential on the boundary into a discrete single- and double-layer potential, respectively. The discrete potentials are used to establish and solve a linear equation system on the boundary. The actual form of this equation systems and the conditions for solvability are presented for Dirichlet and Neumann problems in interior as well as in exterior domains
We give a summary of our results based on discrete Cauchy-Riemann operators in the plane. These operators are defined in a way that the factorization of the real Laplacian into two adjoint Cauchy-Riemann operators is possible. This property is similar to the continuous case and can especially be used for calculating the discrete fundamental solution of our finite difference operators. Based on the discrete fundamental solution we define a discrete operator that is right inverse to the discrete Cauchy-Riemann operator. In relation with this operator and an operator on the boundary we are able to prove a discrete version of the Borel-Pompeiu formula. In the second part we present a possibility to solve discrete Stokes and Navier-Stokes problems. The concept is based on the orthogonal decomposition of the space l2 into the space of discrete holomorphic functions and its orthogonal complement. By introducing the orthoprojectors P+h and Q+h we can prove the existence and uniqueness of the solution of discrete Stokes problems. In addition we state a problem that is equivalent to the discrete Navier-Stokes problem and can be used in an iteration procedure to describe the solution of this problem. For a special case of the Navier-Stokes equations we are able to calculate discrete potential and stream functions. The adapted model includes important algebraical properties and can immediately be used for numerical calculations. A numerical example is presented at the end of the article.
Petri-Netze und deren Erweiterungen stellen ein leistungsfähiges Instrument zur Model-lierung, Simulation und Animation von Systemen bzw. Prozessen dar. Mathematische Methoden die sowohl analytisch beschreibbar als auch graphisch darstellbar sind, wie z. B. Warteschlangenprobleme, Netzpläne, Suche optimaler Wege in Netzen bzw. Dynamische Optimierung, können mit Hilfe von Petri-Netzen modelliert werden. Werden Petri-Netze zur graphischen Darstellung gewählt, so können die Stellen (passive Knoten) mit Markenverweilzeiten sowie die Transitionen (aktive Knoten) mit Schaltzeiten belegt werden. Für die Zeiten sind deterministische bzw. stochastische Größen einsetzbar. Wird dem Gesamtnetz eine zentrale Uhr und den einzelnen zeitbehafteten Knoten jeweils eine lokale Uhr zugeordnet, so lassen sich die Prozeßabläufe mittels Animation sichtbar machen. Ein an der Professur Computergestützte Techniken entwickeltes Programmsystem dient zur Demonstration der einzelnen Probleme. In anschaulicher Weise kann damit das Ver-ständnis für die genannten Methoden sowie die mit ihrer Hilfe dargestellten Prozesse erleichtert werden.
Die technische Entwicklung, insbesondere auf dem Gebiet der Digitaltechnik eröffnet heute neue und sehr weitreichende Möglichkeiten für die Automatisierung in Zweck- und Wohnbauten. Die zur Verfügung stehenden technischen Komponenten (intelligente Sensoren und Aktoren sowie ein hausinternes Netz für die Datenübertragung -Feldbus-) unterscheiden sich für diese Einsatzfälle kaum. Die Zielstellungen sind jedoch gänzlich andere. Intelligenz im Wohnbau bedeutet vor allem intelligente Alltagsbewältigung (z.B. Zeiteinsparung), Komfort und Wohlbefinden. Daß im Heimbereich nichtfunktionale Faktoren (Human Interface, Ästhetik, Preis, Attraktivität) eine große Rolle spielen, ist in das Problembewußtsein der Gerätehersteller und Käufer getreten. Im Bereich der Heimautomatisierung werden zunehmend moderne, die Möglichkeiten der konventioellen Steuerungs- und Regelungstechnik ergänzende Technologien wie Fuzzy- Steuerungen zur Optimierung der internen Arbeitsweise von Geräten eingesetzt. Die informatorische Vernetzung im Wohnbau unterstützt darüberhinaus wichtige Anliegen des Gebäudemanagements (energetische, ergonomische und ökologische Betrachtungen der Gebäudenutzung unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten).
Nichtstationäre Baustellenprozesse sind dadurch gekennzeichnet, daß ihr Ablauf nicht vollständig vorhersehbar ist, sondern einer Vielzahl von Störungen unterworfen sein kann. Zur Planung und Steuerung dieser Prozesse sind daher Methoden erforderlich, welche u.a. eine große Anpassungsfähigkeit, die Darstellung paralleler Vorgänge, die Erfassung plötzlicher Störungen sowie stochastische bzw. unscharfe Parameter zulassen. Hiervon ausgehend wurden spezielle Simulationssysteme entwickelt. In der Praxis dient jedoch in den meisten Fällen das Balkendiagramm bzw. die Netzplantechnik als Planungshilfsmittel. Dabei ist der Informationsgehalt der Netzplantechnik eindeutig geringer gegenüber der Simulation. Auch fallen deterministische Berechnungen in der Regel zu optimistisch aus. Ein Wechsel von der Netzplantechnik zur Simulation ist möglich, indem zunächst Netzpläne auf der Grundlage von Petri-Netzen dargestellt werden und somit ein schrittweiser Übergang zur Simulation erfolgt. Neben der Modellbildung kommt der Bereitstellung realitätsnaher Parameter, die den Berechnungen zugrunde gelegt werden, eine große Bedeutung zu. Bei der Terminplanung sind Kenntnisse zu bestimmten äußeren Einflüssen (z. B. Niederschlag) oft nur in unscharfer Weise vorhanden. Hier bietet sich der Einsatz von Fuzzy-Verfahren an. Mit ihrer Hilfe lassen sich unscharfe Faktoren erfassen und in die Planung einbeziehen. Sowohl zur Darstellung von Petri-Netzen als zur Berechnung (Simulation) auf deren Grundlage sowie zur Aufbereitung der Daten mittels Fuzzy-Verfahren liegen entsprechende Rechenprogramme vor.