Institut für Duale Studiengänge
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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.
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.
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.
In der Schriftenreihe „Voneinander Lehren lernen“, die vom LearningCenter der Hochschule Osnabrück herausgegeben wird, werden anwendungsbezogene Beiträge zur Qualitätsentwicklung in Studium und Lehre publiziert.
Die Schriftenreihe ist an das hochschuldidaktische Konzept des „Scholarship of Teaching and Learning“ angelehnt. Demnach soll sie insbesondere den Fachlehrenden aller Studiengänge als Plattform dienen, um ihre eigenen Erfahrungen, Ideen und Konzepte zur Lehr- und Studiengangentwicklung systematisch zu reflektieren und entsprechende Erkenntnisse für andere nutzbar zu machen. Ziel ist es, den Diskurs über hochschuldidaktische Themen in die Fächer zu tragen und so nachhaltig zu einer hohen Qualität der Lehr-Lernprozesse in den Studiengängen beizutragen. Ergänzt werden die Texte der Fachlehrenden um Beiträge von Mitarbeiter*innen der im Bereich Studium und Lehre tätigen Organisationseinheiten.
Die Schriftenreihe ist eng an das Lehrkolleg der Hochschule Osnabrück gekoppelt. Dabei handelt es sich um ein Angebotsformat des LearningCenters, in dem Professor*innen und Lehrkräfte für besondere Aufgaben die Möglichkeit haben, unter hochschuldidaktischer Begleitung innovative Lehrentwicklungsprojekte in ihren eigenen Lehrveranstaltungen und Modulen umzusetzen. Der erste Band der Schriftenreihe enthält Beiträge von Teilnehmer*innen des Lehrkollegs 2018, in dem verschiedene Entwicklungsprojekte zur Förderung von Kompetenzen für selbstreguliertes Lernen durchgeführt wurden.
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.
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.
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.
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.
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.