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Es werden sowohl analytische als auch numerische Verfahren zur Berechnung der Wärmeverluste von Verglasungen vorgestellt, wobei alle am Energietransport beteiligten Prozesse, die Wärmeleitung, die thermisch getriebenen Konvektionsströmungen und die infrarote Strahlungswechselwirkung, korrekt und vollständig berücksichtigt werden. Mit Hilfe numerischer Strömungssimulation werden Verglasungen systematisch hinsichtlich der Füllgasart, der Infrarotverspiegelung, der Einbaulage und des Scheibenabstandes sowie der Anzahl der Gaszwischenräume (Zwei-, Drei- und Vierscheiben-Verglasung) untersucht und verglichen. Die Abhängigkeit des k-Wertes von den Temperaturen der angrenzenden Klimate (Atmosphäre und Innenraum) wird dargestellt.
Kleine Kommunen im ländlichen Raum sind aufgrund ihrer oft eingeschränkten personellen und finanziellen Kapazitäten bisher eher sporadisch in den Themenfeldern Energieeffizienz und Erneuerbare Energien aktiv. Immer wieder stellt sich daher Frage, wie die Klimaschutzstrategien des Bundes und der Länder dort mit dem verfügbaren Personal kostengünstig realisierbar sind. Vor diesem Hintergrund wird ein Werkzeug entwickelt, mit dessen Hilfe der aktive Einstieg in diese Thematik mit geringen Aufwand und überwiegend barrierefrei möglich ist.
Der Aufbau eines prozessorientierten Entwicklungs- und Moderationsmodells zur Erprobung und Umsetzung bezahlbarer Handlungsoptionen für Energieeinsparungen und effizienten Energieeinsatz im überwiegend ländlichen geprägten Raum ist der Schwerpunkt der Softwarelösung.
Kommunen werden mit deren Hilfe in die Lage versetzt, in die notwendigen Prozesse der Energie- und Wärmewende einzusteigen. Dabei soll der modulare Aufbau die regulären Schritte notwendiger (integrierter) Planungsprozesse nicht vollständig ersetzen. Vielmehr können innerhalb der Online-Anwendung - überwiegend automatisiert - konkrete Maßnahmenvorschläge erstellt werden, die ein solides Fundament der künftigen energetischen Entwicklung der Kommunen darstellen.
Für eine gezielte Validierung der Ergebnisse und der Ableitung potentieller Maßnahmen werden für die Erprobung Modellkommunen in Thüringen, Bayern und Hessen als Reallabore einbezogen.
Das Tool steht bisher zunächst nur den beteiligten Modellkommunen zur Verfügung. Die entwickelte Softwarelösung soll künftig Schritt für Schritt allen interessierten Kommunen mit diversen Hilfsmitteln und einer Vielzahl anderer praktischer Bestandteile zur Verfügung gestellt werden.
Summer overheating in buildings is a common problem, especially in office buildings with large glazed facades, high internal loads and low thermal mass. Phase change materials (PCM) that undergo a phase transition in the temperature range of thermal comfort can add thermal mass without increasing the structural load of the building. The investigated PCM were micro-encapsulated and mixed into gypsum plaster. The experiments showed a reduction of indoor-temperature of up to 4 K when using a 3 cm layer of PCM-plaster with micro-encapsulated paraffin. The measurement results could validate a numerical model that is based on a temperature dependent function for heat capacity. Thermal building simulation showed that a 3 cm layer of PCM-plaster can help to fulfil German regulations concerning heat protection of buildings in summer for most office rooms.
Moderne Büroarchitektur mit Räumen in Leichtbauweise und großen transparenten Fassa-denanteilen verschärft im Zusammenwirken mit hohen internen Lasten die Problematik der sommerlichen Überhitzung in Gebäuden. Phasenübergangsmaterialien (PCM: phase change materials) stellen eine interessante Möglichkeit dar, sommerliche Überhitzung in Gebäuden ohne aufwändige Anlagentechnik wie beispielsweise Klimaanlagen zu reduzieren. Der thermische Komfort in Räumen, die mit einem PCM-Putz ausgestattet sind, kann signifikant erhöht werden. Die Arbeit untersucht Anwendungsmöglichkeiten und Optimierungspotential eines PCM-Putzes auf experimentelle und numerische Weise. Zur Untersuchung des PCM-Putzes wurden materialtechnische und experimentelle sowie numerische und numerisch-analytische Methoden eingesetzt. Die Kenntnis der thermischen Parameter des PCM-Putzes ist unablässig für die Berechnung der möglichen Temperaturreduktionen. Zur Bestimmung der Latentwärme, des qualitativen Schmelz- und Erstarrungsprozesses sowie des Temperaturintervalls, in dem der Phasenübergang stattfindet, wurden Messungen mit einem Differential Scanning Calorimeter (DSC) durchgeführt. Für die experimentelle Untersuchung des PCM-Putzes wurden zwei identische Testräume in Leichtbauweise erstellt. Die Räume wurden im Verifikationsobjekt „Eiermannbau“ des Sonderforschungsbereiches SFB 524 der Bauhaus-Universität Weimar gemessen. Nach der Überprüfung, dass sich beide Räume thermisch gleich verhalten, wurde ein Raum mit dem PCM-Putz und der zweite Raum mit einem vergleichbaren Innenputz ohne PCM verputzt. Thermoelemente zur Temperaturmessung im Bauteil, an der Oberfläche und zur Raumlufttemperaturbestimmung wurden angebracht und mit einer Messwerterfassungsanlage verbunden. Der Verlauf der Außenlufttemperatur und die Globalstrahlung am Standort der Versuchsräume wurden aufgezeichnet, um einen Klimadatensatz zu erstellen. Für die Berechnung der Temperaturverteilung in einem PCM-Bauteil mit kontinuierlichem Phasenübergang existiert keine geschlossene analytische Lösung. Daher wurde ein numerischer Ansatz gewählt, bei dem der Phasenübergang im Temperaturbereich T1 bis T2 mit Hilfe einer temperaturabhängigen Wärmekapazität c(T) innerhalb der erweiterten Fou-rier’schen Wärmeleitungsgleichung dargestellt wird. Die Funktion c(T) wird auf Basis der DSC-Messungen bestimmt. Die Modellierung erfolgte mit einem Finite-Differenzen-Verfahren auf Grundlage der Fourier’schen Wärmeleitungsgleichung. Im Rahmen der Arbeit wurde ein PCM-Modul entwickelt, das in ein Gebäudesimulationsprogramm implementiert wurde. Mit dem neuen Modul lassen sich sowohl die Temperaturverläufe in einem PCM-Bauteil wie auch seine Wechselwirkung mit dem Raumklima darstellen. Eine Validierung des entwickelten PCM-Moduls anhand von zahlreichen experimentellen Daten der Versuchsräume wurde für das PCM-Modul erfolgreich durchgeführt. Sommerliche Überhitzungsstunden können durch PCM in Wand- und Deckenelementen deutlich reduziert werden. Der PCM-Putz eignet sich vor allem für Anwendungen in Leichtbauten wie z.B. moderne Büroräume. In Räumen, in denen bereits eine ausreichende thermische Masse vorhanden ist, ist die Temperaturreduktion durch PCM nur gering. Kann das PCM während der Nachtstunden nicht erstarren, erschöpft sich seine Fähigkeit zur Latentwärmespeicherung. Erhöhte Nachtlüftung führt bei entsprechend niedrigen Außentemperaturen zu höherem Wärmeübergang und kann damit zur besseren Entladung des PCM beitragen. Im Rahmen der Dissertation konnten Aussagen zur idealen Phasenübergangstemperatur in Abhängigkeit des verwendeten Materials und der Schichtdicke getroffen werden. Die Reduktion der Oberflächentemperaturen, die sich bei Einsatz eines PCM-Putzes unter geeigneten Randbedingungen ergibt, beträgt 2.0 - 3.5 K für eine Putzschicht von 1 cm und 3.0 - 5.0 K für eine Putzschicht von 3 cm. Diese Werte wurden sowohl numerisch als auch durch experimentelle Untersuchungen ermittelt. Die Reduktion der Lufttemperaturen aufgrund einer Konditionierung des Raumes mit PCM-Putz beträgt bei geeigneten thermischen Verhältnissen ca. 1.0 - 2.5 K für eine Putzschicht von 1 cm und 2.0 - 3.0 K für eine Putzschicht von 3 cm. Die operative Temperatur als wichtiger Komfortparameter kann durch den Einsatz des PCM-Putzes um bis zu 4 K gesenkt werden. Damit lässt sich mit Hilfe eines PCM-Putzes die thermische Behaglichkeit in einem Raum deutlich erhöhen.
Entwurf eines Spieler-Modells für eine erweiterbare Spielplattform zur Ausbildung in der Bauphysik
(2012)
Im Projekt Intelligentes Lernen beschäftigen sich die Professuren Content Management und Web-Technologien, Systeme der Virtuellen Realität und Bauphysik der Bauhaus- Universität Weimar mit der Entwicklung innovativer Informationstechnologien für eLearning- Umgebungen. In den Teilbereichen Retrieval, Extraktion und Visualisierung großer Dokumentkollektionen, sowie simulations- und planbasierter Wissensvermittlung werden Algorithmen und Werkzeuge erforscht, um eLearning-Systeme leistungsfähiger zu machen und um somit den Lernerfolg zu optimieren.
Ziel des Projekts, auf dem Gebiet des simulationsbasierten Wissenstransfers, ist die Entwicklung eines Multiplayer Online Games (MOG) zur Ausbildungsunterstützung in der Bauphysik.
Im Rahmen der vorliegenden Bachelorarbeit wird für diese digitale Lernsoftware ein Spieler- Modell zur Verwaltung der spielerspezifischen Daten entworfen und in das bestehende Framework integriert. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Organisation der erlernten Fähigkeiten des Spielers und in der an den Wissensstand angepassten Auswahl geeigneter Spielaufgaben. Für die Anwendung im eLearning-Bereich ist die Erweiterbarkeit des Modells um neue Lernkomplexe eine wesentliche Anforderung.
Die Auswirkungen einer Fassadenbegrünung auf den Wärmeinseleffekt in Stuttgart wurde für eine Hitzeperiode numerisch simuliert und bewertet. Die Ergebnisse zeigten positive Auswirkungen innerhalb des Simulationsgebiets sowie eine geringe Fernwirkung auf benachbarte Stadtquartiere. Diese Änderungen können zur Verbesserung des thermischen Komforts im Außenraum beitragen. Eine reduzierte Temperatur der Außenoberfläche führt darüber hinaus auch zu einer geringeren Oberflächentemperatur der Wandinnenseite, welche die Innenraumtemperatur beeinflusst. Folglich kann die thermische Behaglichkeit auch im Innenraum erhöht werden.
Capturing Sheep With Minecraft befasst sich mit ausgewählten Problemen der Bauphysik und deren Umsetzung mithilfe des Computerspiels Minecraft. Es werden ausgewählte Probleme der Bauphysik in Minecraft abgebildet um diese Schülern und Studenten näher zu bringen. Es wurde ein Szenario in Minecraft entworfen welches durch entgegenwirken der abgebildeten Probleme, durch den Spieler gelöst werden soll.
Bei Analysen des Gebäudebestands im Quartierskontext werden zu Dokumentationszwecken viele Bilddaten erzeugt. Diese Daten sind im Nachhinein häufig keinen eindeutig genauen Standorten und Blickwinkeln auf das Bauwerk zuzuordnen. Insbesondere gilt dies für Ortsunkundige oder für Detailaufnahmen. Eine zusätzliche Herausforderung stellt die Aufnahme von Wärmebrücken- oder andersartigen Gebäudedetails durch Thermogramme dar. In der Praxis kommen hier oftmals analoge, fehleranfällige Lösungen zum Einsatz.
Durch die Nutzung von Georeferenzierung kann diese Lücke geschlossen und eine eindeutige Kommunikation und Auswertung gewährleistet werden. Im Gegensatz zu den üblichen Kameras sind Smartphones nach Stand der Technik ausreichend ausgestattet, um neben Daten zu Standort auch die Orientierungswinkel einer Bildaufnahme zu dokumentieren. Die georefenzierten Bilder können auf Grundlage der in den sogenannten Exif-Daten mitgeschriebenen Informationen händisch in ein bestehendes Quartiersmodell integriert werden.
Anhand eines universitären Musterquartiers wird die nutzerfreundliche Realisierung beispielhaft erprobt und auf ihre Potentiale zur Automatisierung in Python untersucht. Hierfür wurde ein bestehendes Quartiersmodell als geometrische Grundlage genutzt und um RGB-Bilder sowie Thermogramme erweitert. Das beschriebene Vorgehen wird im Rahmen der Anwendung auf seinen möglichen Einsatz im Rahmen einer energetischen Quartierserfassung sowie einer Bauschadensdokumentation untersucht.
Mit dem vorliegenden Beitrag wird dem Nutzenden ein Werkzeug bereitgestellt, das die hochwertige Dokumentation einer Bestandserfassung, auch im Quartierskontext, ermöglicht.