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Making solar thermal systems less expensive, often results in a lower system efficiency. However, the cost-benefit ratio is relevant from the perspective of the consumer. The complex impact of component-related and system-related design parameters on the economics of a complete system makes the evaluation and economical optimization difficult.
Therefore, a complete simulation environment has been developed, which can automatically optimize solar-thermal systems,including collector and system parameters. The main collector module consists of a one-dimensional thermal model that was validated with a commercial solar collector. The efficiency curve and the production cost werecalculated as a function of several design and construction parameters. The collector module was linked to the commercial software Polysun®, so that parametric studies can be performed with minimaleffort. Optimization problems can be solved by using the Matlab® optimization toolbox.
The simulation environment wasused for sensitivity studies and optimization problems in order to analyze the impact of collector design-parameters with respect to system cost, system yield andeconomic values. We will demonstrate how a collector can be optimized and how the ideal system parameters like collector number and storage volume can be easily calculated. Finally, we will show how the optimizer is used for a given system in order to find ideal values for the absorber-sheet thickness and the number of pipes. Due to the holistic approach, the application of this tool set can be used for collector development as well as for system planning.
Leichtbauanwendungen auf Basis des Containerbaus bieten ökologische und ökonomische Potenziale für das Bauwesen und sind daher relevant innerhalb der Energiewende zur Erreichung eines nahezu klimaneutralen Gebäudebestandes. Daher werden hier verschiedene Anwendungen in unterschiedlichen Klimazonen behandelt. Dazu werden zunächst die globalen Klimazonen analysiert und containerbasierte Leichtbaulösungen mit ihren Energiebedarfen und Nutzerprofilen vorgestellt. Durch bautechnische Optimierungen wird nahezu ein Passivhausstandard hergestellt. Auf Basis dieser Eingangsdaten werden verschiedene Energiekonzepte diskutiert, bei denen Solar- und Windenergie, aber auch Biomasse als regenerative Energieträger integriert werden. Die Konzepte werden allesamt mit der Software Polysun® simuliert und analysiert. Die verschiedenen Ansätze werden insbesondere in Bezug auf Energieautarkie, aber auch in Bezug auf Umsetzbarkeit verglichen und bewertet. Beispielsweise können mit einem Konzept bestehend aus einer Photovoltaik-Anlage, Wärmepumpe zur Wärme- und Kälteerzeugung sowie integriertem Batteriespeicher, Wärme- und Kältespeicher, sehr gute Ergebnisse erzielt werden. Schließlich wird noch der Einfluss der verschiedenen Klimazonen auf die erforderliche energietechnische Gebäudeausstattung sowie Potenziale für andere Anwendungskonzepte beschrieben.
The deployment of containers as building modules has grown in popularity over the past years due to their inherent strength, modular construction, and relatively low cost. The upcycled container architecture is being accepted since it is more eco-friendly than using the traditional building materials with intensive carbon footprint. Moreover, owing to the unquestionable urgency of climate change, existing climate-adaptive design strategies may no longer respond effectively as they are supposed to work in the previous passive design. Therefore, this paper explores the conceptual design for an upcycled shipping container building, which is designed as a carbon-smart modular living solution to a single family house under three design scenarios, related to cold, temperate, and hot–humid climatic zones, respectively. The extra feature of future climate adaption has been added by assessing the projected future climate data with the ASHRAE Standard 55 and Current Handbook of Fundamentals Comfort Model. Compared with the conventional design, Rome would gradually face more failures in conventional climate-adaptive design measures in the coming 60 years, as the growing trends in both cooling and dehumidification demand. Consequently, the appropriate utilization of internal heat gains are proposed to be the most promising measure, followed by the measure of windows sun shading and passive solar direct gain by using low mass, in the upcoming future in Rome. Future climate projection further shows different results in Berlin and Stockholm, where the special attention is around the occasional overheating risk towards the design goal of future thermal comfort.
Film- und Alltagsszenen als Lernfeld für die mathematisch-technische Modellbildung und Simulation
(2016)
Es werden ausgewählte Beispiele und Ideen vorgestellt, die Studierende des Moduls "Modellierung und Simulation" besonders motivieren sollen, mathematisch-technische Problemstellungen wissen-schaftlich zu bearbeiten. Dabei werden Fragestellungen aus dem persönlichen Alltag, aber auch aus dem Alltag berühmter Geheimagenten behandelt. Zu diesen Projekten gehören die Erstellung geeigneter mathematischer Modelle, die Implementierung in Matlab/Simulink® sowie die Systemsimulation. Die Erfahrungen zu Motivation und Erfolg, aber auch zu Schwierigkeiten bei der Bearbeitung werden abschließend reflektiert.
Semi-solid metal alloys, as used in industrial thixoforming, have a special microstructure of globular grains suspended in a liquid metal matrix. The complex rheological properties are strongly influenced by the local solid fraction, particle shape, particle size and state of agglomeration. It was analysed how the microstructure develops in dependence of the shear rate and cooling rate during the solidification and it was observed that the average particle size increased with increasing shear rate and decreasing cooling rate. In order to account for those phenomena, the rate of crystal growth and the relationship between average particle diameter and viscosity was modelled by applying the Sherwood two-film model for the mass transport. The dependence of the viscosity from the particle size were modelled with a modified Krieger–Dougherty model. Based on the rheological and microstructural observations an evaluation method was elaborated that allows for the construction of objective master curves that are independent of the particle growth during the experimentation. The isothermal experiments for the characterisation of the rheological behaviour consisted of step-change of shear-rate and yield-stress experiments. From the experimental data the steady-state flow curves could be determined as well as the time-dependent relaxation of the shear stress after a change of shear rate. The steady-state rheological behaviour was found to be shear thinning. Nevertheless, immediately after a shear-rate change an overshoot was observed that resulted from a short-time shear-thickening behaviour. The yield stress was found to strongly depend on the microstructure and the degree of agglomeration of the solid phase. With increasing rest time the yield stress was increasing strongly, because of the agglomeration of the solid particles. Based on the step-change of shear-rate experiments a single-phase flow has been developed that consists of a modified Herschel–Bulkley approach and accounts for the thixotropic as well as for the yield-stress behaviour of the alloys.
Die Kostenreduzierung solarthermischer Systeme bleibt eine der großen Herausforderungen, um die Solarthermie wirtschaftlich attraktiv zu machen. In der vorliegenden Arbeit wurde eine vollständige Simulationsumgebung geschaffen, mit der bereits in der Entwicklungsphase automatisierte Optimierungen in Bezug auf Ertrag und Wirtschaftlichkeit von Kollektoren und Systemen zur Brauchwassererwärmung und Heizungsunterstützung möglich sind. Die Anwendung dieses Simulationstools ist sowohl für den Komponentenhersteller als auch für den Systemplaner relevant.
A suspension of PMMA spheres in a density matched saccharose solution is investigated with a classical Searle rheometer and a NMR (Nuclear Magnetic Resonance) spectrometer. Here the NMR is used to measure the radial distribution of the PMMA spheres in the rotating cell, in addition to the local velocity profile of the suspension. The influence of particle concentration on the wall depletion is studied. Further analysis are carried out with computational fluid dynamics software. The velocity field as well as the solid distribution in the couette flow is simulated with a two-phase model including the Darcy law and compared to the experimental data.
In dieser Arbeit wird untersucht, wie sich ein steigender energetischer Autarkiegrad eines speziellen containerbasierten Einfamilienhauses auf verschiedene ökologische Indikatoren auswirkt. Zur Steigerung des Autarkiegrades wurden folgende Komponenten verbaut und variiert: Photovoltaik (PV) mit und ohne Batteriespeicher sowie Vakuum-Isolations-Paneelen (VIP) und Phasenwechselmaterialien (PCM) in der Gebäudehülle. Bei der Betrachtung der Umweltbelastungen stehen dabei die folgenden Lebenswegphasen im Vordergrund: Herstellung, Nutzung und Verwertung. Das Recycling Potenzial spielt hier eine untergeordnete Rolle. Nach der Definition des Gebäudes und der Ermittlung der Wärme und Strombedarfswerte werden die Ergebnisse für die verschiedenen Umweltindikatoren einzeln errechnet. Das Treibhauspotenzial (GWP), Versauerungspotenzial (AP) und der abiotische Ressourcenverbrauch werden in Abhängigkeit vom Autarkiegrad dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die ökologisch günstigste Lösung je nach Umweltindikator sehr unterschiedlich ausgeprägt ist und zwischen 0 bis 75 % Autarkiegrad liegt. Abschließend findet eine kurze ökonomische Betrachtung statt.
Regenerative Energiekonzepte zur Versorgung von Containergebäuden für verschiedene Klimazonen
(2020)
Leichtbauanwendungen auf Basis des Containerbaus bieten ökologische und ökonomische Potenziale für das Bauwesen und sind daher relevant innerhalb der Energiewende zur Erreichung eines nahezu klimaneutralen Gebäudebestandes. Daher werden hier verschiedene Anwendungen in unterschiedlichen Klimazonen behandelt.
Dazu werden zunächst die globalen Klimazonen analysiert und containerbasierte Leichtbaulösungen mit ihren Energiebedarfen und Nutzerprofilen vorgestellt. Durch bautechnische Optimierungen wird nahezu ein Passivhausstandard hergestellt. Auf Basis dieser Eingangsdaten werden verschiedene Energiekonzepte diskutiert, bei denen Solar- und Windenergie, aber auch Biomasse als regenerative Energieträger integriert werden. Die Konzepte werden allesamt mit der Software Polysun® simuliert und analysiert. Die verschiedenen Ansätze werden insbesondere in Bezug Energieautarkie, aber auch in Bezug auf Umsetzbarkeit verglichen und bewertet. Beispielsweise können mit einem Konzept bestehend aus einer Photovoltaik-Anlage, Wärmepumpe zur Wärme- und Kälteerzeugung sowie integriertem Batteriespeicher, Wärme- und Kältespeicher sehr gute Ergebnisse erzielt werden.
Schließlich wird noch der Einfluss der verschiedenen Klimazonen auf die erforderliche energietechnische Gebäudeausstattung sowie Potenziale für andere Anwendungskonzepte beschrieben.
Semi-solid metal alloys, as used in thixoforming, have a special microstructure of globular grains suspended in a liquid metal matrix. The material under investigation is a tin–lead alloy (Sn–15% Pb) which exhibits a similar microstructure as aluminum alloys. The experiments were performed with concentric cylinder rheometers. Initially, the liquid alloy is cooled down to the semi-solid range under constant shearing and then kept under isothermal conditions for further experimentation. The microstructure is characterized in dependence of the shearing time. The rheological techniques consisted of step change of shear rate and shear stress ramp experiments for different solid fractions (40–50%). Based on the experimental data a single phase model has been derived, where the semi-solid alloy is regarded as a homogeneous material with thixotropic properties and the microstructure is characterized by a structural parameter. The model consists of two parts: the equation of state, including a finite yield stress, and a rate equation for the structural parameter. The model equations are employed into numerical software and used for the simulation of a characteristic thixocasting process. The results are compared to real experiments.
Die Kostenreduzierung solarthermischer Systeme bleibt eine der großen Herausforderungen, um die Solarthermie wirtschaftlich attraktiv zu machen. Es wurde eine vollständige Simulationsumgebung geschaffen, mit der bereits in der Entwicklungsphase automatisierte Optimierungen in Bezug auf Ertrag und Wirtschaftlichkeit von Kollektoren und Systemen zur Brauchwassererwärmung und Heizungsunterstützung möglich sind. Dabei können konstruktive wie auch systemische Parameter variiert und optimiert werden.
Der Einsatz regenerativer Energien ist eine wichtige Maßnahme zur Minderung von Treibhausgas-Emissionen in der Landwirtschaft und leistet einen Beitrag zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit. Im vorliegenden Fall wird ein Ferkelaufzuchtstall betrachtet, dessen hoher Wärmebedarf aktuell durch spezielle elektrische Wärmelampen gedeckt wird. Zusätzlich besteht regional die Problematik, dass zahlreiche Holzbestände durch den Borkenkäfer befallen sind und somit in nächster Zeit zwangsläufig gefällt werden müssen. Hierdurch fallen die Holzpreise auf den Märkten, weshalb eine Eigennutzung gegenüber dem Brennholzverkauf eine lohnende Alternative darstellt.
In einer Machbarkeitsstudie wird eine Solarthermieanlage ausgelegt, die einen Großteil des hohen Wärmebedarfs der Jungtiere decken soll und deren Überschusswärme in den Sommermonaten zur Trocknung des Hackgutes verwendet wird. Die hierdurch getrocknete Biomasse wird zur Deckung des verbleibenden Wärmebedarfes genutzt, wodurch die Anlage nahezu CO2-neutral ist. In einer Variantenstudie werden verschiedene Auslegungsparameter variiert und in Bezug auf Wirtschaftlichkeit diskutiert.
Container-based lightweight buildings offer a high ecologic and economic potential when they are designed as nearly zero-energy container buildings (NZECBs). Thus, they are relevant to energy transition in achieving an almost climate-neutral building stock. This paper describes and applies design strategies for suitable building concepts and energy systems to be used in NZECBs for different climates. Therefore, different applications in representative climatic zones were selected. Initially, the global climate zones were characterized and analyzed with regard to their potential for self-sufficiency and renewable energies in buildings. The design strategies were further developed and demonstrated for three cases: a single-family house in Sweden, a multi-family house in Germany, and a small school building in rural Ethiopia. For each case, design guidelines were derived and building concepts were developed. On the basis of these input data, various energy concepts were developed in which solar and wind energy, as well as biomass, were integrated as renewable energy sources. All the concepts were simulated and analyzed with the Polysun® software. The various approaches were compared and evaluated, particularly with regard to energy self-sufficiency. Self-sufficiency rates up to 80% were achieved. Finally, the influence of different climate zones on the energy efficiency of the single-family house was studied as well as the influence of the size of battery storage and insulation.
In dieser Studie wird die Umsetzbarkeit von solarthermischen Großanlagen in der südafrikanischen Getränkeindustrie mit üblicherweise großen Produktionsanlagen in den Provinzen Gauteng und Western Cape untersucht. Für die technischökonomische Bewertung werden verschiedene kommerziell verfügbare Kollektortypen gegenübergestellt, charakteristische Energiebedarfsprofile für „ready-to-drink“ Getränke definiert und Simulationen in Polysun für verschiedene Konfigurationen, mit und ohne Speicher, durchgeführt. Es zeigt sich, dass Parabolrinnenkollektoren in den wichtigsten Wirtschaftszentren Südafrikas rentabel sein können, um Gas, Schweröl, Diesel und sogar Kohle zu ersetzen, Dieser Ansatz könnte breiter auf den Lebensmittel- und Getränkesektor angewendet werden, wo die meisten Dampfheizsysteme zu finden sind.
Es wurde ein numerisches Modell insbesondere für thermosiphonische Fassadensysteme entwickelt und mit experimentellen Daten validiert. Mittels Systemsimulation wurden die Sensitivitäten des solaren Deckungsgrades in Abhängigkeit von diversen Design- und Einflussparametern untersucht. Es zeigt sich, dass Fassaden- bzw. Balkonsysteme durch die optimale Wahl der Parameter einen attraktiven Beitrag zur Energieeinsparung in großen Wohnkomplexen darstellen.
Semi-solid metal alloys, as used in thixoforming, have a special microstructure of globular grains suspended in a liquid metal matrix. The complex rheological properties are strongly influenced by the local solid fraction, particle shape, particle size and state of agglomeration. There is a high demand for models and software tools allowing the simulation of semi-solid casting processes. The material under investigation is a tin-lead alloy (Sn-15%Pb) which exhibits a similar microstructure to aluminium alloys. The experiments were performed with a concentric cylinder rheometer of the Searle type. Initially, the liquid alloy is cooled down to the semi-solid range under constant shearing and then kept under isothermal conditions for further experimentation. Based on the experimental data, a single-phase model has been derived where the semi-solid alloy is regarded as a homogeneous material with thixotropic properties and the microstructure is characterised by a structural parameter. The model consists of two parts: the equation of state, including a finite yield stress, and a rate equation for the structural parameter. The model equations are employed in numerical software and used for the simulation of characteristic filling cases and the comparison with the conventional filling.