TY - CHAP A1 - Altherr, Lena A1 - Döring, Bernd A1 - Frauenrath, Tobias A1 - Groß, Rolf A1 - Mohan, Nijanthan A1 - Oyen, Marc A1 - Schnittcher, Lukas A1 - Voß, Norbert ED - Reiff-Stephan, Jörg ED - Jäkel, Jens ED - Schwarz, André T1 - DiggiTwin: ein interdisziplinäres Projekt zur Nutzung digitaler Zwillinge auf dem Weg zu einem klimaneutralen Gebäudebestand T2 - Tagungsband AALE 2024 : Fit für die Zukunft: praktische Lösungen für die industrielle Automation N2 - Im Hinblick auf die Klimaziele der Bundesrepublik Deutschland konzentriert sich das Projekt Diggi Twin auf die nachhaltige Gebäudeoptimierung. Grundlage für eine ganzheitliche Gebäudeüberwachung und -optimierung bildet dabei die Digitalisierung und Automation im Sinne eines Smart Buildings. Das interdisziplinäre Projekt der FH Aachen hat das Ziel, ein bestehendes Hochschulgebäude und einen Neubau an klimaneutrale Standards anzupassen. Im Rahmen des Projekts werden bekannte Verfahren, wie das Building Information Modeling (BIM), so erweitert, dass ein digitaler Gebäudezwilling entsteht. Dieser kann zur Optimierung des Gebäudebetriebs herangezogen werden, sowie als Basis für eine Erweiterung des Bewertungssystems Nachhaltiges Bauen (BNB) dienen. Mithilfe von Sensortechnologie und künstlicher Intelligenz kann so ein präzises Monitoring wichtiger Gebäudedaten erfolgen, um ungenutzte Energieeinsparpotenziale zu erkennen und zu nutzen. Das Projekt erforscht und setzt methodische Erkenntnisse zu BIM und digitalen Gebäudezwillingen praxisnah um, indem es spezifische Fragen zur Energie- und Ressourceneffizienz von Gebäuden untersucht und konkrete Lösungen für die Gebäudeoptimierung entwickelt. KW - Anomalieerkennung KW - IoT KW - Überwachung & Optimierung KW - DiggiTwin KW - BIM KW - Smart Building KW - Digitalisierung Y1 - 2024 SN - 978-3-910103-02-3 U6 - http://dx.doi.org/10.33968/2024.67 N1 - 20. AALE-Konferenz. Bielefeld, 06.03.-08.03.2024 (Tagungsband unter https://doi.org/10.33968/2024.29) SP - 341 EP - 346 PB - le-tex publishing services GmbH CY - Leipzig ER - TY - CHAP A1 - Blanke, Tobias A1 - Schmidt, Katharina S. A1 - Göttsche, Joachim A1 - Döring, Bernd A1 - Frisch, Jérôme A1 - van Treeck, Christoph ED - Weidlich, Anke ED - Neumann, Dirk ED - Gust, Gunther ED - Staudt, Philipp ED - Schäfer, Mirko T1 - Time series aggregation for energy system design: review and extension of modelling seasonal storages T2 - Energy Informatics N2 - Using optimization to design a renewable energy system has become a computationally demanding task as the high temporal fluctuations of demand and supply arise within the considered time series. The aggregation of typical operation periods has become a popular method to reduce effort. These operation periods are modelled independently and cannot interact in most cases. Consequently, seasonal storage is not reproducible. This inability can lead to a significant error, especially for energy systems with a high share of fluctuating renewable energy. The previous paper, “Time series aggregation for energy system design: Modeling seasonal storage”, has developed a seasonal storage model to address this issue. Simultaneously, the paper “Optimal design of multi-energy systems with seasonal storage” has developed a different approach. This paper aims to review these models and extend the first model. The extension is a mathematical reformulation to decrease the number of variables and constraints. Furthermore, it aims to reduce the calculation time while achieving the same results. KW - Energy system KW - Renewable energy KW - Mixed integer linear programming (MILP) KW - Typical periods KW - Time-series aggregation Y1 - 2022 U6 - http://dx.doi.org/10.1186/s42162-022-00208-5 SN - 2520-8942 N1 - Proceedings of the 11th DACH+ Conference on Energy Informatics, 15-16 September 2022, Freiburg, Germany. VL - 5 IS - 1, Article number: 17 SP - 1 EP - 14 PB - Springer Nature ER - TY - JOUR A1 - Blanke, Tobias A1 - Hagenkamp, Markus A1 - Döring, Bernd A1 - Göttsche, Joachim A1 - Reger, Vitali A1 - Kuhnhenne, Markus T1 - Net-exergetic, hydraulic and thermal optimization of coaxial heat exchangers using fixed flow conditions instead of fixed flow rates JF - Geothermal Energy N2 - Previous studies optimized the dimensions of coaxial heat exchangers using constant mass fow rates as a boundary condition. They show a thermal optimal circular ring width of nearly zero. Hydraulically optimal is an inner to outer pipe radius ratio of 0.65 for turbulent and 0.68 for laminar fow types. In contrast, in this study, fow conditions in the circular ring are kept constant (a set of fxed Reynolds numbers) during optimization. This approach ensures fxed fow conditions and prevents inappropriately high or low mass fow rates. The optimization is carried out for three objectives: Maximum energy gain, minimum hydraulic efort and eventually optimum net-exergy balance. The optimization changes the inner pipe radius and mass fow rate but not the Reynolds number of the circular ring. The thermal calculations base on Hellström’s borehole resistance and the hydraulic optimization on individually calculated linear loss of head coefcients. Increasing the inner pipe radius results in decreased hydraulic losses in the inner pipe but increased losses in the circular ring. The net-exergy diference is a key performance indicator and combines thermal and hydraulic calculations. It is the difference between thermal exergy fux and hydraulic efort. The Reynolds number in the circular ring is instead of the mass fow rate constant during all optimizations. The result from a thermal perspective is an optimal width of the circular ring of nearly zero. The hydraulically optimal inner pipe radius is 54% of the outer pipe radius for laminar fow and 60% for turbulent fow scenarios. Net-exergetic optimization shows a predominant infuence of hydraulic losses, especially for small temperature gains. The exact result depends on the earth’s thermal properties and the fow type. Conclusively, coaxial geothermal probes’ design should focus on the hydraulic optimum and take the thermal optimum as a secondary criterion due to the dominating hydraulics. Y1 - 2021 U6 - http://dx.doi.org/10.1186/s40517-021-00201-3 SN - 2195-9706 N1 - Corresponding author: Tobias Blanke VL - 9 IS - Article number: 19 PB - Springer CY - Berlin ER - TY - JOUR A1 - Hagenkamp, Markus A1 - Blanke, Tobias A1 - Döring, Bernd T1 - Thermoelectric building temperature control: a potential assessment JF - International Journal of Energy and Environmental Engineering N2 - This study focuses on thermoelectric elements (TEE) as an alternative for room temperature control. TEE are semi-conductor devices that can provide heating and cooling via a heat pump effect without direct noise emissions and no refrigerant use. An efficiency evaluation of the optimal operating mode is carried out for different numbers of TEE, ambient temperatures, and heating loads. The influence of an additional heat recovery unit on system efficiency and an unevenly distributed heating demand are examined. The results show that TEE can provide heat at a coefficient of performance (COP) greater than one especially for small heating demands and high ambient temperatures. The efficiency increases with the number of elements in the system and is subject to economies of scale. The best COP exceeds six at optimal operating conditions. An additional heat recovery unit proves beneficial for low ambient temperatures and systems with few TEE. It makes COPs above one possible at ambient temperatures below 0 ∘C. The effect increases efficiency by maximal 0.81 (from 1.90 to 2.71) at ambient temperature 5 K below room temperature and heating demand Q˙h=100W but is subject to diseconomies of scale. Thermoelectric technology is a valuable option for electricity-based heat supply and can provide cooling and ventilation functions. A careful system design as well as an additional heat recovery unit significantly benefits the performance. This makes TEE superior to direct current heating systems and competitive to heat pumps for small scale applications with focus on avoiding noise and harmful refrigerants. Y1 - 2021 U6 - http://dx.doi.org/10.1007/s40095-021-00424-x N1 - Corresponding author: Markus Hagenkamp VL - 13 SP - 241 EP - 254 PB - Springer CY - Berlin ER - TY - JOUR A1 - Blanke, Tobias A1 - Reger, Vitali A1 - Döring, Bernd A1 - Göttsche, Joachim A1 - Kuhnhenne, Markus T1 - Koaxiale Stahlenergiepfähle JF - Stahlbau N2 - Ein entscheidender Teil der Energiewende ist die Wärmewende im Gebäudesektor. Ein Schlüsselelement sind hier Wärmepumpen. Diese benötigen eine Wärmequelle, der sie Energie entziehen können, um sie auf ein höheres Temperaturniveau zu transformieren. Diese Wärmequelle kann bspw. das Erdreich sein, dessen Wärme durch Erdsonden erschlossen werden kann. In diesem Beitrag werden in Stahlpfähle integrierte Koaxialsonden mit dem Stand der Technik von Erdsonden gleichen Durchmessers bezüglich ihrer thermischen Leistungsmerkmale verglichen. Die Stahlenergiepfähle bieten neben der Wärmegewinnung weitere Vorteile, da sie auch eine statische Funktion übernehmen und rückstandsfrei zurückgebaut werden können. Es werden analytische und numerische Berechnungen vorgestellt, um die thermischen Potenziale beider Systeme zu vergleichen. Außerdem wird ein Testaufbau gezeigt, bei dem Stahlenergiepfähle in zwei verschiedenen Längen mit vorhandenen gängigen Erdsonden verglichen werden können. Die Berechnungen zeigen einen deutlichen thermischen Mehrertrag zwischen 26 % und 148 % der Stahlenergiepfähle gegenüber dem Stand der Technik abhängig vom Erdreich. Die Messergebnisse zeigen einen thermischen Mehrertrag von über 100 %. Es lässt sich also signifikante Erdsondenlänge einsparen. Dabei ist zu beachten, dass sich damit der thermisch genutzte Bereich des Erdreichs reduziert, wodurch die thermische Regeneration und/oder das Langzeitverhalten des Erdreichs an Bedeutung gewinnt. Y1 - 2021 VL - 90. 2021 IS - 6 SP - 417 EP - 424 PB - Wiley CY - Weinheim ER - TY - JOUR A1 - Kuhnhenne, Markus A1 - Reger, Vitali A1 - Pyschny, Dominik A1 - Döring, Bernd T1 - Influence of airtightness of steel sandwich panel joints on heat losses JF - E3S Web of Conferences 12th Nordic Symposium on Building Physics (NSB 2020) N2 - Energy saving ordinances requires that buildings must be designed in such a way that the heat transfer surface including the joints is permanently air impermeable. The prefabricated roof and wall panels in lightweight steel constructions are airtight in the area of the steel covering layers. The sealing of the panel joints contributes to fulfil the comprehensive requirements for an airtight building envelope. To improve the airtightness of steel sandwich panels, additional sealing tapes can be installed in the panel joint. The influence of these sealing tapes was evaluated by measurements carried out by the RWTH Aachen University - Sustainable Metal Building Envelopes. Different installation situations were evaluated by carrying out airtightness tests for different joint distances. In addition, the influence on the heat transfer coefficient was also evaluated using the Finite Element Method (FEM). The combination of obtained air volume flow and transmission losses enables to create an "effective heat transfer coefficient" due to transmission and infiltration. This summarizes both effects in one value and is particularly helpful for approximate calculations on energy efficiency. Y1 - 2020 U6 - http://dx.doi.org/10.1051/e3sconf/202017205008 VL - 172 IS - Art. 05008 PB - EDP Sciences CY - Les Ulis ER - TY - JOUR A1 - Reger, Vitali A1 - Kuhnhenne, Markus A1 - Ebbert, Thiemo A1 - Hachul, Helmut A1 - Blanke, Tobias A1 - Döring, Bernd T1 - Nutzung erneuerbarer Energien durch thermische Aktivierung von Komponenten aus Stahl JF - Stahlbau N2 - Die Versorgung von Neubauten soll möglichst weitgehend unabhängig von fossilen Energieträgern erfolgen. Erneuerbare Energien spielen dafür eine gewichtige Rolle. Eine gute Möglichkeit, erneuerbare Energien ohne viel zusätzlichen Aufwand nutzbar zu machen, ist, bereits vorhandenen Komponenten im Gebäude zusätzliche Funktionen zu geben. Hier kann bspw. die Fassade oder das Dach solarthermisch aktiviert oder durch Fotovoltaikmodule ergänzt werden. Auch Tiefgründungen können neben der statischen Funktion noch eine geothermische Funktion zur Aufnahme oder Abgabe von Wärme erhalten. Neben der Erzeugung bietet sich auch für die Verteilung der Wärme oder Kälte im Gebäude die Integration in Bauteile an. Hier kann bspw. der Boden durch eine Fußbodenheizung oder die Decke durch Deckenstrahlplatten aktiviert werden. Im Rahmen der Veröffentlichung wird auf die thermische Aktivierung von Stahlkomponenten eingegangen. Es wird eine Lösung vorgestellt, die vorgehängte hinterlüftete Stahlfassade (VHF) solarthermisch zu aktivieren. Außerdem werden zwei Möglichkeiten zur geothermischen Aktivierung von Tiefgründungen mittels Stahlpfählen gezeigt. Zuletzt wird ein System zur thermischen Aktivierung von Stahltrapezprofilen an der Decke erläutert, welches Wärme zuführen oder bei Bedarf abführen kann. Y1 - 2020 U6 - http://dx.doi.org/10.1002/stab.202000031 SN - 1437-1049 VL - 2020 IS - Volume 89, Issue 6512-519 SP - 512 EP - 519 PB - Ernst & Sohn CY - Berlin ER - TY - JOUR A1 - Reger, Vitali A1 - Kuhnhenne, Markus A1 - Hachul, Helmut A1 - Döring, Bernd A1 - Blanke, Tobias A1 - Göttsche, Joachim T1 - Plusenergiegebäude 2.0 in Stahlleichtbauweise JF - Stahlbau Y1 - 2019 U6 - http://dx.doi.org/10.1002/stab.201900034 SN - 1437-1049 (E-journal), 0038-9145 (print) VL - 88 IS - 6 SP - 522 EP - 528 PB - Ernst & Sohn CY - Berlin ER - TY - JOUR A1 - Reger, V. A1 - Döring, Bernd A1 - Kuhnhenne, M. T1 - Passive und aktive Maßnahmen zur Flächenkühlung im Stahl(leicht)bau JF - Bauingenieur N2 - Mit steigenden Dämmstandards und höheren Komfortanforderungen der Nutzer gerät die Problematik der sommerlichen Überhitzung zunehmend in den Fokus. Um die Überhitzung möglichst gering zu halten, sind Maßnahmen und Lösungen zu entwickeln, die den potenziellen Kühlbedarf eines Gebäudes vermeiden sowie reduzieren. Im Rahmen des europäischen Forschungsprojektes BATIMASS wurden Techniken untersucht, die die sommerliche Raumtemperatur ohne zusätzliche Kühlung (passiv) oder aber mit energieeffizienter wasserbasierter Flächenkühlung (aktiv) reduzieren und die besonders für Gebäude in Stahl(leicht)bauweise geeignet sind. Dafür wurde die Methodik der thermisch äquivalenten Decke weiterentwickelt, um das thermische Verhalten von Profilblechdecken in Gebäuden für beide Lösungsansätze analysieren zu können. Darüber hinaus wurde der Einsatz von Phasenwechselmaterial (PCM) zur Steigerung der Speicherfähigkeit von leichten Decken mit besonders geringer thermischer Masse in Simulationen sowie im Labor untersucht und bewertet. Y1 - 2016 U6 - http://dx.doi.org/10.37544/0005-6650-2016-07-08-63 SN - 0005-6650 N1 - gedruckt in der Bereichsbibliothek Bayernallee unter der Signatur 13 Z 049 VL - 91 IS - Jul/Aug SP - 309 EP - 316 PB - VDI Fachmedien CY - Düsseldorf ER - TY - RPRT A1 - Sansom, M. A1 - Lawson, R.M. A1 - Tucho, R. A1 - Kendrick, C. A1 - Ogden, R. A1 - Resalati, S. A1 - Garay, R. A1 - Döring, Bernd A1 - Reger, V. A1 - Gilbert, J. A1 - Heikkinen, J. A1 - Hemmila, K. T1 - Building in active thermal mass into steel structures (BATIMASS) - EUR 28166EN N2 - The main objective of the BATIMASS project was to address how the energy balance in relatively lightweight steel buildings can be improved by building in ‘active thermal mass’ (ATM) into the building fabric. This was achieved through concept design, dynamic thermal modelling and testing of a number of potentially viable systems and concepts. A significant programme of thermal simulation modelling was undertaken utilising the thermally equivalent slab (TES) concept to model the passive thermal capacity effect of profiled, composite metal floor decks. It is apparent from the modelling results that thermal mass is a highly complex phenomenon which is highly dependent upon building type, occupancy patterns, climate and many other aspects of the building design and servicing strategy. The ATM systems developed, both conceptually and for prototype testing, focussed on water-cooled composite slabs, the Cofradal floor system and the phase change material (PCM) Energain. In addition to laboratory testing of prototypes, whole building monitoring was undertaken at the Kubik building in Spain and the RWTH test building in Germany. Advanced thermal modelling was also undertaken to estimate the likely benefits of the ATM concept designs developed and for comparison with the test results. In addition to thermal testing, structural tests were conducted on composite floor specimens incorporating embedded water pipes. This Final Report presents the results of the activities carried out under this RFCS contract RFSR CT 2012 00033. The work carried out is reported in six major sections corresponding to the technical Work Packages of the project. Only summaries of the work carried out are provided in this report; all work undertaken is fully reported in the formal project deliverables. KW - industrial research KW - iron and steel industry KW - research project KW - materials technology KW - resistance of materials KW - steel KW - metal structure KW - ingot KW - building industry KW - research report Y1 - 2016 SN - 978-92-79-63176-4 U6 - http://dx.doi.org/10.2777/25999 SN - 1831-9424 PB - Publications Office of the European Union CY - Luxembourg ER -