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This study investigates the performance of two systems: personalized ventilation (PV) and ductless personalized ventilation (DPV). Even though the literature indicates a compelling performance of PV, it is not often used in practice due to its impracticality. Therefore, the present study assesses the possibility of replacing the inflexible PV with DPV in office rooms equipped with displacement ventilation (DV) in the summer season. Numerical simulations were utilized to evaluate the inhaled concentration of pollutants when PV and DPV are used. The systems were compared in a simulated office with two occupants: a susceptible occupant and a source occupant. Three types of pollution were simulated: exhaled infectious air, dermally emitted contamination, and room contamination from a passive source. Results indicated that PV improved the inhaled air quality regardless of the location of the pollution source; a higher PV supply flow rate positively impacted the inhaled air quality. Contrarily, the performance of DPV was highly sensitive to the source location and the personalized flow rate. A higher DPV flow rate tends to decrease the inhaled air quality due to increased mixing of pollutants in the room. Moreover, both systems achieved better results when the personalized system of the source occupant was switched off.
A new large‐field, high‐sensitivity, single‐mirror coincident schlieren optical instrument has been installed at the Bauhaus‐Universität Weimar for the purpose of indoor air research. Its performance is assessed by the non‐intrusive measurement of the thermal plume of a heated manikin. The schlieren system produces excellent qualitative images of the manikin's thermal plume and also quantitative data, especially schlieren velocimetry of the plume's velocity field that is derived from the digital cross‐correlation analysis of a large time sequence of schlieren images. The quantitative results are compared with thermistor and hot‐wire anemometer data obtained at discrete points in the plume. Good agreement is obtained, once the differences between path‐averaged schlieren data and planar anemometry data are reconciled.
Wiederkehrende Belastungen, wie sie beispielsweise an Brücken oder Windenergieanlagen auftreten, können innerhalb der Nutzungsdauer solcher Bauwerke bis zu 1.000.000.000 Lastwechsel erreichen. Um das dadurch eintretende Ermüdungsverhalten von Beton zu untersuchen, werden diese zyklischen Beanspruchungen in mechanischen Versuchen mit Prüfzylindern nachgestellt. Damit Versuche mit solch hohen Lastwechselzahlen in akzeptablen Zeitdauern durchgeführt werden können, wird die Belastungsfrequenz erhöht. Als Folge dieser erhöhten Belas-tungsfrequenz erwärmen sich allerdings die Betonprobekörper, was zu einem früheren, unrealistischen Versagenszeitpunkt führen kann, weshalb die Erwärmung begrenzt werden muss. Um die Wärmefreisetzung in der Probe zu untersuchen, wurden Versuche und Simulationen durchgeführt. Im Beitrag wird die analytische und messtechnische Analyse des Wärmeübergangs an erwärmten Betonzylindern vorgestellt. Resultierend daraus wird eine Möglichkeit zur Reduktion der Erwärmung an zyklisch beanspruchten Betonzylindern vorgestellt.
Im vorliegenden Beitrag werden Messungen und Berechnungen vorgestellt, die die Temperaturentwicklung in Betonzylindern aufgrund zyklischer Beanspruchung genau beschreiben. Die Messungen wurden in einem Versuchsstand, die Berechnungen im FEM-Programm ANSYS durchgeführt. Mit Hilfe der Temperaturmessungen konnten die Simulationen für die Temperaturentwicklung der Betonzylinder mit der verwendeten Betonrezeptur validiert werden. Die Untersuchungen lassen den Schluss zu, dass bei zyklischer Probekörperbelastung und der einhergehenden Probekörperdehnung Energie dissipiert wird und diese maßgeblich für die Erwärmung der Probe verantwortlich ist.
The performance of ductless personalized ventilation (DPV) was compared to the performance of a typical desk fan since they are both stand-alone systems that allow the users to personalize their indoor environment. The two systems were evaluated using a validated computational fluid dynamics (CFD) model of an office room occupied by two users. To investigate the impact of DPV and the fan on the inhaled air quality, two types of contamination sources were modelled in the domain: an active source and a passive source. Additionally, the influence of the compared systems on thermal comfort was assessed using the coupling of CFD with the comfort model developed by the University of California, Berkeley (UCB model). Results indicated that DPV performed generally better than the desk fan. It provided better thermal comfort and showed a superior performance in removing the exhaled contaminants. However, the desk fan performed better in removing the contaminants emitted from a passive source near the floor level. This indicates that the performance of DPV and desk fans depends highly on the location of the contamination source. Moreover, the simulations showed that both systems increased the spread of exhaled contamination when used by the source occupant.
Acoustic travel-time tomography (ATOM) determines the distribution of the temperature in a propagation medium by measuring the travel-time of acoustic signals between transmitters and receivers. To employ ATOM for indoor climate measurements, the impulse responses have been measured in the climate chamber lab of the Bauhaus-University Weimar and compared with the theoretical results of its image source model (ISM). A challenging task is distinguishing the reflections of interest in the reflectogram when the sound rays have similar travel-times. This paper presents a numerical method to address this problem by finding optimal positions of transmitter and receiver, since they have a direct impact on the distribution of travel times. These optimal positions have the minimum number of simultaneous arrival time within a threshold level. Moreover, for the tomographic reconstruction, when some of the voxels remain empty of sound-rays, it leads to inaccurate determination of the air temperature within those voxels. Based on the presented numerical method, the number of empty tomographic voxels are minimized to ensure the best sound-ray coverage of the room. Subsequently, a spatial temperature distribution is estimated by simultaneous iterative reconstruction technique (SIRT). The experimental set-up in the climate chamber verifies the simulation results.
Performance assessment of a ductless personalized ventilation system using a validated CFD model
(2018)
The aim of this study is twofold: to validate a computational fluid dynamics (CFD) model, and then to use the validated model to evaluate the performance of a ductless personalized ventilation (DPV) system. To validate the numerical model, a series of measurements was conducted in a climate chamber equipped with a thermal manikin. Various turbulence models, settings, and options were tested; simulation results were compared to the measured data to determine the turbulence model and solver settings that achieve the best agreement between the measured and simulated values. Subsequently, the validated CFD model was then used to evaluate the thermal environment and indoor air quality in a room equipped with a DPV system combined with displacement ventilation. Results from the numerical model were then used to quantify thermal sensation and comfort using the UC Berkeley thermal comfort model.
This study aims to develop an approach to couple a computational fluid dynamics (CFD) solver to the University of California, Berkeley (UCB) thermal comfort model to accurately evaluate thermal comfort. The coupling was made using an iterative JavaScript to automatically transfer data for each individual segment of the human body back and forth between the CFD solver and the UCB model until reaching convergence defined by a stopping criterion. The location from which data are transferred to the UCB model was determined using a new approach based on the temperature difference between subsequent points on the temperature profile curve in the vicinity of the body surface. This approach was used because the microclimate surrounding the human body differs in thickness depending on the body segment and the surrounding environment. To accurately simulate the thermal environment, the numerical model was validated beforehand using experimental data collected in a climate chamber equipped with a thermal manikin. Furthermore, an example of the practical implementations of this coupling is reported in this paper through radiant floor cooling simulation cases, in which overall and local thermal sensation and comfort were investigated using the coupled UCB model.
Für eine Abschätzung des Heizwärmebedarfs von Gebäuden und Quartieren können thermisch-energetische Simulationen eingesetzt werden. Grundlage dieser Simulationen sind geometrische und physikalische Gebäudemodelle. Die Erstellung des geometrischen Modells erfolgt in der Regel auf Basis von Bauplänen oder Vor-Ort-Begehungen, was mit einem großen Recherche- und Modellierungsaufwand verbunden ist. Spätere bauliche Veränderungen des Gebäudes müssen häufig manuell in das Modell eingearbeitet werden, was den Arbeitsaufwand zusätzlich erhöht. Das physikalische Modell stellt die Menge an Parametern und Randbedingungen dar, welche durch Materialeigenschaften, Lage und Umgebungs-einflüsse gegeben sind. Die Verknüpfung beider Modelle wird innerhalb der entsprechenden Simulations-software realisiert und ist meist nicht in andere Softwareprodukte überführbar. Mithilfe des Building Information Modeling (BIM) können Simulationsdaten sowohl konsistent gespeichert als auch über Schnittstellen mit entsprechenden Anwendungen ausgetauscht werden. Hierfür wird eine Methode vorgestellt, die thermisch-energetische Simulationen auf Basis des standardisierten Übergabe-formats Industry Foundation Classes (IFC) inklusive anschließender Auswertungen ermöglicht. Dabei werden geometrische und physikalische Parameter direkt aus einem über den gesamten Lebenszyklus aktuellen Gebäudemodell extrahiert und an die Simulation übergeben. Dies beschleunigt den Simulations-prozess hinsichtlich der Gebäudemodellierung und nach späteren baulichen Veränderungen. Die erarbeite-te Methode beruht hierbei auf einfachen Modellierungskonventionen bei der Erstellung des Bauwerksinformationsmodells und stellt eine vollständige Übertragbarkeit der Eingangs- und Ausgangswerte sicher.
Thermal building simulation based on BIM-models. Thermal energetic simulations are used for the estimation of the heating demand of buildings and districts. These simulations are based on building models containing geometrical and physical information. The creation of geometrical models is usually based on existing construction plans or in situ assessments which demand a comparatively big effort of investigation and modeling. Alterations, which are later applied to the structure, request manual changes of the related model, which increases the effort additionally. The physical model represents the total amount of parameters and boundary conditions that are influenced by material properties, location and environmental influences on the building. The link between both models is realized within the correspondent simulation soft-ware and is usually not transferable to other software products. By Applying Building Information Modeling (BIM) simulation data is stored consistently and an exchange to other software is enabled. Therefore, a method which allows a thermal energetic simulation based on the exchange format Industry Foundation Classes (IFC) including an evaluation is presented. All geometrical and physical information are extracted directly from the building model that is kept up-to-date during its life cycle and transferred to the simulation. This accelerates the simulation process regarding the geometrical modeling and adjustments after later changes of the building. The developed method is based on simple conventions for the creation of the building model and ensures a complete transfer of all simulation data.
Für eine Abschätzung des Heizwärmebedarfs von Gebäuden und Quartieren können thermisch-energetische Simulationen eingesetzt werden. Grundlage dieser Simulationen sind geometrische und physikalische Gebäudemodelle. Die Erstellung des geometrischen Modells erfolgt in der Regel auf Basis von Bauplänen oder Vor-Ort-Begehungen, was mit einem großen Recherche- und Modellierungsaufwand verbunden ist. Spätere bauliche Veränderungen des Gebäudes müssen häufig manuell in das Modell eingearbeitet werden, was den Arbeitsaufwand zusätzlich erhöht. Das physikalische Modell stellt die Menge an Parametern und Randbedingungen dar, welche durch Materialeigenschaften, Lage und Umgebungs-einflüsse gegeben sind. Die Verknüpfung beider Modelle wird innerhalb der entsprechenden Simulations-software realisiert und ist meist nicht in andere Softwareprodukte überführbar.
Mithilfe des Building Information Modeling (BIM) können Simulationsdaten sowohl konsistent gespeichert als auch über Schnittstellen mit entsprechenden Anwendungen ausgetauscht werden. Hierfür wird eine Methode vorgestellt, die thermisch-energetische Simulationen auf Basis des standardisierten Übergabe-formats Industry Foundation Classes (IFC) inklusive anschließender Auswertungen ermöglicht. Dabei werden geometrische und physikalische Parameter direkt aus einem über den gesamten Lebenszyklus aktuellen Gebäudemodell extrahiert und an die Simulation übergeben. Dies beschleunigt den Simulations-prozess hinsichtlich der Gebäudemodellierung und nach späteren baulichen Veränderungen. Die erarbeite-te Methode beruht hierbei auf einfachen Modellierungskonventionen bei der Erstellung des Bauwerksinformationsmodells und stellt eine vollständige Übertragbarkeit der Eingangs- und Ausgangswerte sicher.
Thermal building simulation based on BIM-models. Thermal energetic simulations are used for the estimation of the heating demand of buildings and districts. These simulations are based on building models containing geometrical and physical information. The creation of geometrical models is usually based on existing construction plans or in situ assessments which demand a comparatively big effort of investigation and modeling. Alterations, which are later applied to the structure, request manual changes of the related model, which increases the effort additionally. The physical model represents the total amount of parameters and boundary conditions that are influenced by material properties, location and environmental influences on the building. The link between both models is realized within the correspondent simulation soft-ware and is usually not transferable to other software products.
By Applying Building Information Modeling (BIM) simulation data is stored consistently and an exchange to other software is enabled. Therefore, a method which allows a thermal energetic simulation based on the exchange format Industry Foundation Classes (IFC) including an evaluation is presented. All geometrical and physical information are extracted directly from the building model that is kept up-to-date during its life cycle and transferred to the simulation. This accelerates the simulation process regarding the geometrical modeling and adjustments after later changes of the building. The developed method is based on simple conventions for the creation of the building model and ensures a complete transfer of all simulation data.
Overheating is a major problem in many modern buildings due to the utilization of lightweight constructions with low heat storing capacity. A possible answer to this problem is the emplacement of phase change materials (PCM), thereby increasing the thermal mass of a building. These materials change their state of aggregation within a defined temperature range. Useful PCM for buildings show a phase transition from solid to liquid and vice versa. The thermal mass of the materials is increased by the latent heat. A modified gypsum plaster and a salt mixture were chosen as two materials for the study of their impact on room temperature reduction. For realistic investigations, test rooms were erected where measurements were carried out under different conditions such as temporary air change, alternate internal heat gains or clouding. The experimental data was finally reproduced by dint of a mathematical model.
The human body is surrounded by a micro‐climate which results from its convective release of heat. In this study, the air temperature and flow velocity of this micro‐climate were measured in a climate chamber at various room temperatures, using a thermal manikin simulating the heat release of the human being. Different techniques (Particle Streak Tracking, thermography, anemometry, and thermistors) were used for measurement and visualization. The manikin surface temperature was adjusted to the particular indoor climate based on simulations with a thermoregulation model (UCBerkeley Thermal Comfort Model). We found that generally, the micro‐climate is thinner at the lower part of the torso, but expands going up. At the head, there is a relatively thick thermal layer, which results in an ascending plume above the head. However, the micro‐climate shape strongly depends not only on the body segment, but also on boundary conditions: the higher the temperature difference between the surface temperature of the manikin and the air temperature, the faster the air flow in the micro‐climate. Finally, convective heat transfer coefficients strongly increase with falling room temperature, while radiative heat transfer coefficients decrease. The type of body segment strongly influences the convective heat transfer coefficient, while only minimally influencing the radiative heat transfer coefficient.
Occupant needs with regard to residential buildings are not well known due to a lack of representative scientific studies. To improve the lack of data, a large scale study was carried out using a Post Occupancy Evaluation of 1,416 building occupants. Several criteria describing the needs of occupants were evaluated with regard to their subjective level of relevance. Additionally, we investigated the degree to which deficiencies subjectively exist, and the degree to which occupants were able to accept them. From the data obtained, a hierarchy of criteria was created. It was found that building occupants ranked the physiological needs of air quality and thermal comfort the highest. Health hazards such as mould and contaminated building materials were unacceptable for occupants, while other deficiencies were more likely to be tolerated. Occupant satisfaction was also investigated. We found that most occupants can be classified as satisfied, although some differences do exist between different populations. To explain the relationship between the constructs of what we call relevance, acceptance, deficiency and satisfaction, we then created an explanatory model. Using correlation and regression analysis, the validity of the model was then confirmed by applying the collected data. The results of the study are both relevant in shaping further research and in providing guidance on how to maximize tenant satisfaction in real estate management.
Patients and staff in hospitals are exposed to a complex sound environment with rather high noise levels. In intensive care units, the main noise sources are hospital staff on duty and medical equipment, which generates both operating noise and acoustic alarms. Although noise in most cases is produced during activities for the purpose of saving life, noise can induce significant changes in the depth and quality of sleep and negatively affect health in general. Results of a survey of hospital staff are presented as well as measurements in two German hospital wards: a standard two-bed room and a special Intermediate Care Unit (IMC-Unit), each in a different Intensive Care Unit (ICU). Sound pressure data were collected over a 48 hour period and converted into different levels (LAFeq, LAFmax, LAFmin, LAF 5%), as well as a rating level LAr, which is used to take tonality and impulsiveness into account. An analysis of the survey and the measured data, together with a comparison of thresholds of national and international regulations and standards describe the acoustic situation and its likely noise effects on staff and patients.
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.
Forscher prognostizieren in den kommenden Jahren eine Klimaerwärmung bis zu 6 ° C. Aus diesem Grund wurde das EU – Forschungsprojekt „ Climate for Culture“ ins Leben gerufen, um Auswirkungen dieses Klimawandels auf denkmalgeschützte, kulturhistorische Gebäude zu untersuchen. Ziel ist es, entsprechende Schutzmaßnahmen in konservatorischer Hinsicht zu erarbeiten.
Aufgrund des Zusammenhanges zwischen Temperatur und Luftfeuchte führt diese Klimaerwärmung auch zu einer Änderung des Feuchtehaushaltes im Außenbereich und, bedingt durch einen immer vorhandenen Luftwechsel, schließlich auch im Innenbereich von Gebäuden.
Die Fähigkeit eines Gebäudes, durch seine Beschaffenheit auf Feuchteeinflüsse zu reagieren, wird maßgeblich bestimmt durch seine Möglichkeit, in der Gebäudehülle und der vorhandenen Einrichtung anfallende Feuchte zwischenzuspeichern und diese zeitversetzt wieder an die Umgebung abzugeben. Diese Fähigkeit sorptiver Flächen zur Feuchtepufferung konnte bislang nur mit erheblichem Aufwand ermittelt werden.
In der vorliegenden Arbeit wird versucht, durch einfachere Methoden mittels hygrothermischer Simulation einen „Zweizahlwert“ zu erhalten, mit dem sich diese Raumkompetenz schnell und nachvollziehbar darstellen lässt.
Nutzerorientierte Bausanierung bedeutet eine gegenüber dem konventionellen Vorgehen deutlich verstärkte Ausrichtung des Planungs- und Sanierungsprozesses auf die Anforderungen und Bedürfnisse des zukünftigen Nutzers eines Gebäudes. Dies hat einerseits ein hochwertigeres Produkt zum Ergebnis, erfordert andererseits aber auch den Einsatz neuer Methoden und Baustoffe sowie ein vernetztes Zusammenarbeiten aller am Bauprozess Beteiligten. Der Fokus der Publikation liegt dabei auf den Bereichen, die eine hohe Relevanz für die nutzerorientierte Bausanierung aufweisen. Dabei handelt es sich insbesondere um: Computergestütztes Bauaufmaß und digitale Bauwerksmodellierung (BIM), bauphysikalische Methoden zur Optimierung von Energieeffizienz und Behaglichkeit bei der Sanierung von Bestandsgebäuden, zerstörungsfreie Untersuchungsmethoden im Rahmen einer substanzschonenden Bauzustandsanalyse und Entwicklung von Ergänzungsbaustoffen.
Das Projekt nuBau ist eine Kooperation zwischen den Fakultäten Bauingenieurwesen und Architektur der Bauhaus-Universität Weimar. Die beteiligten Professuren sind: Bauphysik, Informatik in der Architektur, Polymere Werkstoffe und Werkstoffe des Bauens.
Bauphysikalisches Quartett
(2012)
Quartett ist ein ebenso altes, wie auch beliebtes Kartenspiel. Vor allem bei Kindern erfreut es sich großer Beliebtheit, während in den älteren Generationen kaum jemand mit Quartettkarten spielt.
Quartettspiele speziell für Kleinkinder sind zum Großteil mit Inhalten versehen, die Wissen auf spielerische Art und Weise vermitteln. Dabei werden gute Lernerfolge in dieser Zielgruppe verzeichnet.
Wie lassen sich also diese Lernerfolge durch das Spielen mit Quartettkarten erzielen? Und wie kann dieser Effekt auch auf Studenten übertragen werden?
Ziel dieser Arbeit ist es, das Konzept des Quartettkartenspiels auf bauphysikalische Inhalte anzuwenden und gegebenenfalls die Spielprinzipien zu erweitern oder zu verändern. Dabei sind die Studenten der Fakultät Bauingenieurswesen die Zielgruppe, an die sich das Spiel richten soll.
Besondere Herausforderung ist es, unterschiedliche Objekteklassen von bauphysikalischer Relevanz in einem Spiel zusammenzubringen und vergleichbar zu machen. Das sich ergebende Quartettkartenspiel sollte nicht nur eine Objektklasse, sondern mehrere Objektklassen zum Inhalt haben. Dabei sollen die Objektklassen so gewählt werden, dass sich Kategorien mit bauphysikalischem Inhalt finden lassen.
Augenmerk sollte auch auf die Strukturierung der Lerninhalte gelegt werden, um eine leichte Übertragung des Spielkonzepts auf andere Fachdomänen zu ermöglichen. Das Ergebnis der Arbeit sind zwei fertige und spielbare Quartette.
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.