56.55 Bauphysik, Bautenschutz
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Das Ziel der vorliegenden Diplomarbeit war es, „Untersuchungen hinsichtlich des Einflusses von Phase Change Materials auf die Raumlufttemperatur“ durchzuführen und anschließend die Ergebnisse auszuwerten. Dabei galt es, thermodynamische Grundlagen zu erläutern sowie den derzeitigen Stand der Forschung darzulegen. Dies wurde umfassend bearbeitet, allerdings kann hierbei aufgrund des Umfangs und der Vielfalt im Bereich der internationalen PCM-Forschung kein Anspruch auf Vollständigkeit erhoben werden. Ein Hauptteil dieser Arbeit bestand darin, den Versuchsaufbau der Referenzräume im Eiermann-Bau in Apolda als Grundlage für spätere Messungen detailliert zu beschreiben. Dabei wurde auf die gesamte Messanlage, die eingebrachten PCM sowie auf daraus resultierende physikalische Kenngrößen ausführlich eingegangen. Es galt, geometrische, chemische und physikalische Einflüsse einzuschätzen, aber auch Schwachstellen aufzudecken, um die später folgenden Messreihen exakt auswerten zu können. Als kritisch einzuschätzende Größe fiel dabei besonders das eingebrachte Salzgemisch auf, welches hinsichtlich des Schmelz- und Kristallisationsbereiches als kaum beurteilbar auffiel. Dies konnte auch nach mehreren Untersuchungen, hier ist insbesondere die dynamische Differenzkalorimetrie zu nennen, nicht hinreichend geklärt werden. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurden vergleichende Messreihen durchgeführt, welche durch verschiedene Luftwechselraten gestaltet wurden. Im Maximum konnte dabei im PCM-konditionierten Raum eine Reduktion der Temperatur um 6 K erreicht werden. Dabei muss allerdings berücksichtigt werden, dass diese Differenz größtenteils auf die thermische Masse des Salzgemischs zurückgeführt werden kann. Eine abschließende Messung ohne Salzgemisch zeigte, dass aufgrund des latenten Wärmespeichervermögens des PCM-Putzes lediglich eine thermische Differenz von 2 K erreicht werden kann. Hinsichtlich der Luftwechselrate ist anzumerken, dass die erwartete, vergleichsweise zügige Auskühlung trotz Lüftung in der Praxis nicht nachvollzogen werden konnte. Zur Auswertung der gewonnenen Messwerte galt es, das am Lehrstuhl Bauphysik vorhandene mathematische Minimalmodell auf die am Objekt vorhandenen Randbedingungen anzupassen. Aus den Datenwolken der Atmosphärentemperatur sowie der Globalstrahlung mussten Funktionen approximiert werden, da diese äußeren Zwänge einen entscheidenden Einfluss auf den Verlauf der Innenraumtemperatur ausüben. Die Ergebnisse der Berechungen des Temperaturverlaufs können als zufrieden stellend betrachtet werden, jedoch wurde deutlich, dass ein genaues Nachstellen nicht möglich ist. Dies ist vor allem auf die Tatsache zurückzuführen, dass das Minimalmodell lediglich eine Beschreibung der wesentlichen Prozesse mathematisch abbildet. Eine kritische Auseinandersetzung hinsichtlich allgemeiner Standpunkte als auch der Anwendbarkeit auf die Referenzräume wurde abschließend diskutiert.
Bei der Untersuchung der Tageslichtnutzung in den Tropen werden zunächst die geschichtliche Entwicklung der Architektur in Rio de Janeiro und ihre klimatische Anpassung, die Tageslichtsituation vor Ort und die Bedingungen für den visuellen Komfort an Bildschirmarbeitsplätzen in Bürogebäuden analysiert. In einem zweiten Schritt werden Auslegungskriterien für Tageslichtkontrollsysteme festgelegt und ein Auslegungskonzept erarbeitet. Auf dieser Grundlage wird über Simulationen mit Siview/Radiance das Potential 12 verschiedener Tageslichtkontrollsysteme für verschiedene Himmelszustände ermittelt. Über eine neu entwickelte Methodik wird die Tageslichtautonomie für verschiedene Fassadenorientierungen unter Einsatz der entwickelten Tageslichtkontrollsysteme für den Standort Rio de Janeiro ermittelt. Der Einfluss der Möblierung wird beispielhaft untersucht. Abschließend wird eine energetische Bilanz, die sowohl die Kunstlichteinsparung als auch die Kühllast durch Kunst- und Tageslicht berücksichtigt, an zwei Systemen beispielhaft erstellt.
In dieser Diplomarbeit werden – anhand eines Simulationsprogrammes – die diffusen Schallfelder in Atrien untersucht. Diesbezüglich standen Referenzobjekte in Berlin zur Verfügung. Es wurde untersucht, inwieweit sich die Raumgeometrie, die Volumina und die Absorptionseigenschaften der Umhüllungsflächen auf die Energieverteilung im Atriumsraum auswirken. Ziel der Arbeit ist es, Optimierungspotenziale aufzuzeigen und Lösungsvorschläge zu entwickeln, die zeigen, mit welchen Mitteln und Methoden die Raumakustik nachträglich verbessert werden kann.
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.
The spread of breathing air when playing wind instruments and singing was investigated and visualized using two methods: (1) schlieren imaging with a schlieren mirror and (2) background-oriented schlieren (BOS). These methods visualize airflow by visualizing density gradients in transparent media. The playing of professional woodwind and brass instrument players, as well as professional classical trained singers were investigated to estimate the spread distances of the breathing air. For a better comparison and consistent measurement series, a single high note, a single low note, and an extract of a musical piece were investigated. Additionally, anemometry was used to determine the velocity of the spreading breathing air and the extent to which it was quantifiable. The results showed that the ejected airflow from the examined instruments and singers did not exceed a spreading range of 1.2 m into the room. However, differences in the various instruments have to be considered to assess properly the spread of the breathing air. The findings discussed below help to estimate the risk of cross-infection for wind instrument players and singers and to develop efficacious safety precautions, which is essential during critical health periods such as the current COVID-19 pandemic.
Besides their multiple known benefits regarding urban microclimate, living walls can be used as decentralized stand-alone systems to treat greywater locally at the buildings. While this offers numerous environmental advantages, it can have a considerable impact on the hygrothermal performance of the facade as such systems involve bringing large quantities of water onto the facade. As it is difficult to represent complex entities such as plants in the typical simulation tools used for heat and moisture transport, this study suggests a new approach to tackle this challenge by coupling two tools: ENVI-Met and Delphin. ENVI-Met was used to simulate the impact of the plants to determine the local environmental parameters at the living wall. Delphin, on the other hand, was used to conduct the hygrothermal simulations using the local parameters calculated by ENVI-Met. Four wall constructions were investigated in this study: an uninsulated brick wall, a precast concrete plate, a sandy limestone wall, and a double-shell wall. The results showed that the living wall improved the U-value, the exterior surface temperature, and the heat flux through the wall. Moreover, the living wall did not increase the risk of moisture in the wall during winter and eliminated the risk of condensation.
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.
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.
Reconstruction of the indoor air temperature distribution using acoustic travel-time tomography
(2021)
Acoustic travel-time tomography (ATOM) is being increasingly considered recently as a remote sensing methodology to determine the indoor air temperatures distribution. It employs the relationship between the sound velocities along sound-paths and their related travel-times through measured room-impulse-response (RIR). Thus, the precise travel-time estimation is of critical importance which can be performed by applying an analysis time-window method. In this study, multiple analysis time-windows with different lengths are proposed to overcome the challenge of accurate detection of the travel-times at RIR. Hence, the ATOM-temperatures distribution has been measured at the climate chamber lab of the Bauhaus-University Weimar. As a benchmark, the temperatures of NTC thermistors are compared to the reconstructed temperatures derived from the ATOM technique illustrating this technique can be a reliable substitute for traditional thermal sensors. The numerical results indicate that the selection of an appropriate analysis time-window significantly enhances the accuracy of the reconstructed temperatures distribution.
Personalized ventilation (PV) is a mean of delivering conditioned outdoor air into the breathing zone of the occupants. This study aims to qualitatively investigate the personalized flows using two methods of visualization: (1) schlieren imaging using a large schlieren mirror and (2) thermography using an infrared camera. While the schlieren imaging was used to render the velocity and mass transport of the supplied flow, thermography was implemented to visualize the air temperature distribution induced by the PV. Both studies were conducted using a thermal manikin to simulate an occupant facing a PV outlet. As a reference, the flow supplied by an axial fan and a cased axial fan was visualized with the schlieren system as well and compared to the flow supplied by PV. Schlieren visualization results indicate that the steady, low-turbulence flow supplied by PV was able to penetrate the thermal convective boundary layer encasing the manikin's body, providing clean air for inhalation. Contrarily, the axial fan diffused the supplied air over a large target area with high turbulence intensity; it only disturbed the convective boundary layer rather than destroying it. The cased fan supplied a flow with a reduced target area which allowed supplying more air into the breathing zone compared to the fan. The results of thermography visualization showed that the supplied cool air from PV penetrated the corona-shaped thermal boundary layer. Furthermore, the supplied air cooled the surface temperature of the face, which indicates the large impact of PV on local thermal sensation and comfort.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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.
This study investigates the flow supplied by personalized ventilation (PV) by means of anemometer measurements and schlieren visualization. The study was conducted using a thermal manikin to simulate a seated occupant facing a PV outlet. Air velocity was measured at multiple points in the flow field; the collected velocity values were used to calculate the turbulence intensity. Results indicated that PV was supplying air with low turbulence intensity that was able to penetrate the convective boundary layer of the manikin to supply clean air for inhalation. The convective boundary layer, however, obstructed the supplied flow and reduced its velocity by a total of 0.26 m/s. The PV flow preserved its value until about 10 cm from the face where velocity started to drop. Further investigations were conducted to test a PV diffuser with a relatively large outlet diameter (18 cm). This diffuser was developed using 3d-modelling and 3d-printing. The diffuser successfully distributed the flow over the larger outlet area. However, the supplied velocity and turbulence fields were not uniform across the section.
This dataset presents the numerical analysis of the heat and moisture transport through a facade equipped with a living wall system designated for greywater treatment. While such greening systems provide many environmental benefits, they involve pumping large quantities of water onto the wall assembly, which can increase the risk of moisture in the wall as well as impaired energetic performance due to increased thermal conductivity with increased moisture content in the building materials. This dataset was acquired through numerical simulation using the coupling of two simulation tools, namely Envi-Met and Delphin. This coupling was used to include the complex role the plants play in shaping the near-wall environmental parameters in the hygrothermal simulations. Four different wall assemblies were investigated, each assembly was assessed twice: with and without the living wall. The presented data include the input and output parameters of the simulations, which were presented in the co-submitted article [1].
Traditionally, buildings in the Inner Himalayan valleys of Bhutan were constructed from rammed earth in the western regions and quarry stone in the central and eastern regions. Whilst basic architectural design elements have been retained, the construction methods have however changed over recent decades alongside expectations for indoor thermal comfort. Nevertheless, despite the need for space heating, thermal building performance remains largely unknown. Furthermore, no dedicated climate data is available for building performance assessments. This paper establishes such climatological information for the capital Thimphu and presents an investigation of building physics properties of traditional and contemporary building types. In a one month field study 10 buildings were surveyed, looking at building air tightness, indoor climate, wall U-values and water absorption of typical wall construction materials. The findings highlight comparably high wall U-values of 1.0 to 1.5 W/m²K for both current and historic constructions. Furthermore, air tightness tests show that, due to poorly sealed joints between construction elements, windows and doors, many buildings have high infiltration rates, reaching up to 5 air changes per hour. However, the results also indicate an indoor climate moderating effect of more traditional earth construction techniques. Based on these survey findings basic improvements are being suggested.
This dataset consists mainly of two subsets. The first subset includes measurements and simulation data conducted to validate the simulation tool ENVI-met. The measurements were conducted at the campus of the Bauhaus-University Weimar in Weimar, Germany and consisted of recording exterior air temperature, globe temperature, relative humidity, and wind velocity at 1.5 m at four points on four different days. After the measurements, the geometry of the campus was modelled and meshed; the simulations were conducted using the weather data of the measurements days with the aim of investigating the accuracy of the model.
The second data subset consists of ENVI-met simulation data of the potential of facade greening in improving the outdoor environment and the indoor air temperature during heatwaves in Central European cities. The data consist of the boundary conditions and the simulation output of two simulation models: with and without facade greening. The geometry of the models corresponded to a residential buildings district in Stuttgart, Germany. The simulation output consisted of exterior air temperature, mean radiant temperature, relative humidity, and wind velocity at 12 different probe points in the model in addition to the indoor air temperature of an exemplary building. The dataset presents both vertical profiles of the probed parameters as well as the time series output of the five-day simulation duration. Both data subsets correspond to the investigations presented in the co-submitted article [1].
Entwicklung eines Sommerreferenzjahres zur Bestimmung der sommerlichen Überhitzung von Gebäuden
(2015)
Die Ableitung von sommer-fokussierten warmen Referenzjahren aus langjährigen Klimadaten erfolgt in Europa bisher nach unterschiedlichen, länderspezifischen Methoden, die sich in der Regel allein auf die Trockentemperatur beziehen und in der Auswahl eines zusammenhängenden realen Sommerhalbjahres resultieren. Simulationsergebnisse zur sommerlichen Überhitzung von natürlich belüfteten Gebäuden in Deutschland und Großbritannien zeigen jedoch für einige Wetterstationen weniger Überhitzung für Simulationen mit dem sommer-fokussierten Referenzjahr als für solche mit dem entsprechenden Testreferenzjahr (TRY) für den gleichen Ort. Dies gilt insbesondere dann, wenn einzelne Monate miteinander verglichen werden. Neben der Wahl eines kompletten Halbjahres, das sowohl extrem warme als auch vergleichsweise kühle Monate beinhalten kann, liegt dies vor allem begründet in der fehlenden Berücksichtigung der Solarstrahlung bei der Auswahl eines warmen Referenzjahres, die jedoch eine wichtige Rolle für sommerliche Überhitzungserscheinungen in Gebäuden spielt. Eine verlässliche, allgemein anerkannte Methode zur Erstellung von sommer-fokussierten Referenzjahren erscheint daher auch im Hinblick auf die rechtlichen Rahmenbedingungen in der Europäischen Union, die Strategien zur natürlichen Belüftung von Neubauten und Sanierungen begünstigen, erforderlich. Diese Arbeit präsentiert einen Ansatz zur Erstellung eines Sommerreferenzjahres (Summer Reference Year – SRY) aus dem TRY eines gegebenen Ortes und langjährigen Klimadaten. Die existierenden TRY-Daten werden hierbei skaliert, um den Bedingungen für Trockentemperatur und Solarstrahlung von nah-extremen Kandidatenjahren zu entsprechen, die separat über einen statistischen Ansatz ausgewählt werden. Anschließend werden Feuchttemperatur, Windgeschwindigkeit und Luftdruck des TRY durch lineare Korrelationen mit der Trockentemperatur angepasst, um die entsprechenden SRY-Daten zu erhalten. Der Vorteil dieser Methode liegt darin, dass das grundlegende Wettermuster des TRY erhalten bleibt und somit eine klare Relation zwischen SRY und TRY besteht, die eine Vergleichbarkeit von Simulationsergebnissen gewährleistet. Über vergleichende Gebäudesimulationen mit dem zugrundeliegenden TRY und langjährigen Klimadatensätzen kann nachgewiesen werden, dass sich das SRY zur Ermittlung sommerlicher Überhitzungserscheinungen in natürlich belüfteten Gebäuden eignet. Weiterhin kann gezeigt werden, dass das SRY im Gegensatz zur direkten Nutzung eines Kandidatenjahres für einen nah-extremen Sommer die Möglichkeit eines monatsscharfen Vergleichs mit dem TRY erlaubt und frei von wenig repräsentativen Besonderheiten ist, die in den entsprechenden Kandidatenjahren vorhanden sein können.
Krankenhäuser sind heute äußerst komplexe Objekte, in denen komplizierte funktionale Anforderungen zusammen stoßen, die nur mit Hilfe einer sehr intensiven technischen Ausstattung zufrieden stellend gelöst werden können. Sie sind durch die medizintechnische Ausrüstung, die zum Teil sehr hohen hygienischen Anforderungen, die Patientenansprüche sowie die schärferen wirtschaftlichen Bedingungen gekennzeichnet. Gleichzeitig haben Krankenhäuser einen sehr hohen Energieverbrauch, der ein großes Einsparpotenzial beinhaltet, das vor dem Hintergrund der schlechteren Verfügbarkeit und der ökologischen Probleme des CO2-Ausstoßes durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe sowie der Notwendigkeit einer gesicherten Energieversorgung eine zunehmende Bedeutung hat. Die energetische Struktur eines Gebäudes wird entscheidend in den frühen projekt- und Entwurfsphasen für die gesamte Lebensdauer des Gebäudes festgelegt. Der Architekt und andere Entscheider benötigen daher Instrumente, um diese Struktur einfach bestimmen und beurteilen zu können. Hierfür ist eine energetische Analyse und die Definition des Einflusspotenzials des architektonischen und baukonstruktiven Entwurfes auf den Energieverbrauch notwendig. Darauf aufbauend werden spezifische flächenbezogene Energieaufwandszahlen gebildet, wodurch eine energetische Beurteilung unabhängig von konkreten Entwürfen möglich wird. Durch die Definition von optimalen energetischen Strukturen einzelner Referenzbereiche von Krankenhäusern wird ein Maßstab geschaffen, an dem die tatsächlichen Entwürfe gemessen werden können, um daraus dimensionslose flächenbezogene Energieaufwandszahlen bilden zu können. Diese stellen Kennzahlen für die energetische Struktur von Entwürfen dar, wodurch eine Vergleichbarkeit sowohl bei einzelnen Bereichen des Krankenhauses wie auch beim gesamten Gebäude hergestellt wird. Energetisch vorteilhafter ist eine flächige Gebäudestruktur mit einer direkten Zuordnung der Technikzentralen zu den angeschlossenen Versorgungsbereichen. Die Schaffung von optimierten Installationsbedingungen ermöglicht eine energieoptimierte Struktur der Technischen Ausrüstung und ist beim Entwurf zu berücksichtigen.
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.
Aufgrund des visko-elastoplastischen Materialverhaltens von Beton wird Probekörpern und Bauteilen infolge zyklischer Beanspruchungen Energie zugeführt. Die entsprechenden Energiegrößen werden durch Hystereseflächen der Spannungs-Dehnungslinien beschrieben. In der Literatur finden sich dabei unterschiedliche Ansätze, wofür diese Energie verwendet wird. Erste Untersuchungen zeigen, dass zumindest ein Teil dieser dissipierten Energie in thermische Energie umgewandelt wird. Mithilfe der in diesem Beitrag beschriebenen Methodik lassen sich diese Energiegrößen für jeden Lastwechsel eines Ermüdungsversuches schnell und zuverlässig bestimmen. Anschließend wurden mit dem implementierten Algorithmus die dissipierten Energien von insgesamt 27 zyklischen Versuchen ausgewertet. Analog zu der Dehnungsentwicklung und der Steifigkeitsdegradation weisen auch die Verläufe der dissipierten Energie über die Lastwechselzahl einen dreiphasigen Verlauf auf. Die Auswertung zeigt außerdem eine Korrelation zwischen der Bruchlastwechselzahl und der dissipierten Energie. Auch der Zusammenhang zwischen Probekörpererwärmung und dissipierter Energie konnte bestätigt werden.
Personalisierte Lüftung (PL) kann die thermische Behaglichkeit sowie die Qualität der eingeatmeten Atemluft verbessern, in dem jedem Arbeitsplatz Frischluft separat zugeführt wird. In diesem Beitrag wird die Wirkung der PL auf die thermische Behaglichkeit der Nutzer unter sommerlichen Randbedingungen untersucht. Hierfür wurden zwei Ansätze zur Bewertung des Kühlungseffekts der PL untersucht: basierend auf (1) der äquivalenten Temperatur und (2) dem thermischen Empfinden. Grundlage der Auswertung sind in einer Klimakammer gemessene sowie numerisch simulierte Daten. Vor der Durchführung der Simulationen wurde das numerische Modell zunächst anhand der gemessenen Daten validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass der Ansatz basierend auf dem thermischen Empfinden zur Evaluierung des Kühlungseffekts der PL sinnvoller sein kann, da bei diesem die komplexen physiologischen Faktoren besser berücksichtigt werden.
When predicting sound pressure levels induced by structure-borne sound sources and describing the sound propagation path through the building structure as exactly as possible, it is necessary to characterize the vibration behavior of the structure-borne sound sources. In this investigation, the characterization of structure-borne sound sources was performed using the two-stage method (TSM) described in EN 15657. Four different structure-borne sound sources were characterized and subsequently installed in a lightweight test stand. The resulting sound pressure levels in an adjacent receiving room were measured. In the second step, sound pressure levels were predicted according to EN 12354-5 based on the parameters of the structure-borne sound sources. Subsequently, the predicted and the measured sound pressure levels were compared to obtain reliable statements on the achievable accuracy when using source quantities determined by TSM with this prediction method.
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.
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.
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.
This article focuses on further developments of the background-oriented schlieren (BOS) technique to visualize convective indoor air flow, which is usually defined by very small density gradients. Since the light rays deflect when passing through fluids with different densities, BOS can detect the resulting refractive index gradients as integration along a line of sight. In this paper, the BOS technique is used to yield a two-dimensional visualization of small density gradients. The novelty of the described method is the implementation of a highly sensitive BOS setup to visualize the ascending thermal plume from a heated thermal manikin with temperature differences of minimum 1 K. To guarantee steady boundary conditions, the thermal manikin was seated in a climate laboratory. For the experimental investigations, a high-resolution DLSR camera was used capturing a large field of view with sufficient detail accuracy. Several parameters such as various backgrounds, focal lengths, room air temperatures, and distances between the object of investigation, camera, and structured background were tested to find the most suitable parameters to visualize convective indoor air flow. Besides these measurements, this paper presents the analyzing method using cross-correlation algorithms and finally the results of visualizing the convective indoor air flow with BOS. The highly sensitive BOS setup presented in this article complements the commonly used invasive methods that highly influence weak air flows.
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.
It is widely accepted that most people spend the majority of their lives indoors. Most individuals do not realize that while indoors, roughly half of heat exchange affecting their thermal comfort is in the form of thermal infrared radiation. We show that while researchers have been aware of its thermal comfort significance over the past century, systemic error has crept into the most common evaluation techniques, preventing adequate characterization of the radiant environment. Measuring and characterizing radiant heat transfer is a critical component of both building energy efficiency and occupant thermal comfort and productivity. Globe thermometers are typically used to measure mean radiant temperature (MRT), a commonly used metric for accounting for the radiant effects of an environment at a point in space. In this paper we extend previous field work to a controlled laboratory setting to (1) rigorously demonstrate that existing correction factors used in the American Society of Heating Ventilation and Air-conditioning Engineers (ASHRAE) Standard 55 or ISO7726 for using globe thermometers to quantify MRT are not sufficient; (2) develop a correction to improve the use of globe thermometers to address problems in the current standards; and (3) show that mean radiant temperature measured with ping-pong ball-sized globe thermometers is not reliable due to a stochastic convective bias. We also provide an analysis of the maximum precision of globe sensors themselves, a piece missing from the domain in contemporary literature.
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.
The technique of Acoustic travel-time TOMography (ATOM) allows for measuring the distribution of air temperatures throughout the entire room based on the determined sound-travel-times of early reflections, currently up to second order reflections. The number of detected early reflections in the room impulse response (RIR) which stands for the desired sound paths inside the room, has a significant impact on the resolution of reconstructed temperatures. This study investigates the possibility of utilizing an array of directional sound sources for ATOM measurements instead of a single omnidirectional loudspeaker used in the previous studies [1–3]. The developed measurement setup consists of two directional sound sources placed near the edge of the floor in the climate chamber of the Bauhaus-University Weimar and one omnidirectional receiver at center of the room near the ceiling. In order to compensate for the reduced number of sound paths when using directional sound sources, it is proposed to take high-energy early reflections up to third order into account. For this purpose, the simulated travel times up to third-order image sources were implemented in the image source model (ISM) algorithm, by which these early reflections can be detected effectively for air temperature reconstructions. To minimize the uncertainties of travel-times estimation due to the positioning of the sound transducers inside the room, measurements were conducted to determine the exact emitting point of the utilized sound source i.e. its acoustic center (AC). For these measurements, three types of excitation signals (MLS, linear and logarithmic chirp signals) with various frequency ranges were used considering that the acoustic center of a sound source is a frequency dependent parameter [4]. Furthermore, measurements were conducted to determine an optimum excitation signal based on the given condition of the ATOM measurement set-up which defines an optimum method for the RIR estimation correspondingly. Finally, the uncertainty of the measuring system utilizing an array of directional sound sources was analyzed.