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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.
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.
Robust estimators for free surface turbulence characterization: A stepped spillway application
(2020)
Robust estimators are parameters insensitive to the presence of outliers. However, they presume the shape of the variables’ probability density function. This study exemplifies the sensitivity of turbulent quantities to the use of classic and robust estimators and the presence of outliers in turbulent flow depth time series. A wide range of turbulence quantities was analysed based upon a stepped spillway case study, using flow depths sampled with Acoustic Displacement Meters as the flow variable of interest. The studied parameters include: the expected free surface level, the expected fluctuation intensity, the depth skewness, the autocorrelation timescales, the vertical velocity fluctuation intensity, the perturbations celerity and the one-dimensional free surface turbulence spectrum. Three levels of filtering were utilised prior to applying classic and robust estimators, showing that comparable robustness can be obtained either using classic estimators together with an intermediate filtering technique or using robust estimators instead, without any filtering technique.
Die im Zuge einer Betriebsübergabe anstehende Baumaßnahmen am eigenen Büro- und Produktionsgebäude boten ideale Voraussetzung zur Anwendung einer raum-kreierenden Außenhaut. Mit der elementierten, freistehenden Eichenholz-Fassade wurde ein bis dahin weitgehend funktionales Bauwerk substanzschonend und zugleich optisch ansprechender umgestaltet.
Bei der Entwicklung des Fassadensystems ging es darum die mögliche Dauerhaftigkeit von Holz bei direkter Bewitterung zu maximieren. Gleichzeitig soll gezeigt werden, dass mittels durchdachter Ansätze beim konstruktiven Holzschutz und die Wahl einer geeigneten Holzart langlebige Konstruktionen realisiert werden können.
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.
The low-pressure system Bernd involved extreme rainfalls in the Western part of Germany in July 2021,
resulting in major floods, severe damages and a tremendous number of casualties. Such extreme events
are rare and full flood protection can never be ensured with reasonable financial means. But still, this
event must be starting point to reconsider current design concepts. This article aims at sharing some
thoughts on potential hazards, the selection of return periods and remaining risk with the focus on Germany.
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.
Koaxiale Stahlenergiepfähle
(2021)
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.
Unsteady shallow meandering flows in rectangular reservoirs: a modal analysis of URANS modelling
(2022)
Shallow flows are common in natural and human-made environments. Even for simple rectangular shallow reservoirs, recent laboratory experiments show that the developing flow fields are particularly complex, involving large-scale turbulent structures. For specific combinations of reservoir size and hydraulic conditions, a meandering jet can be observed. While some aspects of this pseudo-2D flow pattern can be reproduced using a 2D numerical model, new 3D simulations, based on the unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations, show consistent advantages as presented herein. A Proper Orthogonal Decomposition was used to characterize the four most energetic modes of the meandering jet at the free surface level, allowing comparison against experimental data and 2D (depth-averaged) numerical results. Three different isotropic eddy viscosity models (RNG k-ε, k-ε, k-ω) were tested. The 3D models accurately predicted the frequency of the modes, whereas the amplitudes of the modes and associated energy were damped for the friction-dominant cases and augmented for non-frictional ones. The performance of the three turbulence models remained essentially similar, with slightly better predictions by RNG k-ε model in the case with the highest Reynolds number. Finally, the Q-criterion was used to identify vortices and study their dynamics, assisting on the identification of the differences between: i) the three-dimensional phenomenon (here reproduced), ii) its two-dimensional footprint in the free surface (experimental observations) and iii) the depth-averaged case (represented by 2D models).
This study investigated the anaerobic digestion of an algal–bacterial biofilm grown in artificial wastewater in an Algal Turf Scrubber (ATS). The ATS system was located in a greenhouse (50°54′19ʺN, 6°24′55ʺE, Germany) and was exposed to seasonal conditions during the experiment period. The methane (CH4) potential of untreated algal–bacterial biofilm (UAB) and thermally pretreated biofilm (PAB) using different microbial inocula was determined by anaerobic batch fermentation. Methane productivity of UAB differed significantly between microbial inocula of digested wastepaper, a mixture of manure and maize silage, anaerobic sewage sludge, and percolated green waste. UAB using sewage sludge as inoculum showed the highest methane productivity. The share of methane in biogas was dependent on inoculum. Using PAB, a strong positive impact on methane productivity was identified for the digested wastepaper (116.4%) and a mixture of manure and maize silage (107.4%) inocula. By contrast, the methane yield was significantly reduced for the digested anaerobic sewage sludge (50.6%) and percolated green waste (43.5%) inocula. To further evaluate the potential of algal–bacterial biofilm for biogas production in wastewater treatment and biogas plants in a circular bioeconomy, scale-up calculations were conducted. It was found that a 0.116 km2 ATS would be required in an average municipal wastewater treatment plant which can be viewed as problematic in terms of space consumption. However, a substantial amount of energy surplus (4.7–12.5 MWh a−1) can be gained through the addition of algal–bacterial biomass to the anaerobic digester of a municipal wastewater treatment plant. Wastewater treatment and subsequent energy production through algae show dominancy over conventional technologies.
Die neu erschienenen „Empfehlungen zum Einsatz von Verkehrsnachfragemodellen für den Personenverkehr“ liefern erstmals als Empfehlungspapier der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen einen umfassenden Überblick zu den verschiedenen Aspekten der Modellierung und geben dem Fachplaner konkrete Hilfestellung für die Konzeption von Nachfragemodellen. Das Empfehlungspapier zielt unter anderem darauf ab, die Erwartungen und das Anspruchsniveau in Hinblick auf Sachgerechtigkeit der Modelle, die erzielbare Modellqualität und den Detaillierungsgrad der Modellaussagen zu harmonisieren.
In der Praxis bestehen vielfältige Einsatzbereiche für Verkehrsnachfragemodelle. Mit ihnen können Kenngrößen des Verkehrsangebots und der Verkehrsnachfrage für den heutigen Zustand wie auch für zukünftige Zustände bereitgestellt werden, um so die Grundlagen für verkehrsplanerische Entscheidungen zu liefern. Die neuen „Empfehlungen zum Einsatz von Verkehrsnachfragemodellen für den Personenverkehr“ (EVNM-PV) (FGSV 2022) veranschaulichen anhand von typischen Planungsaufgaben, welche differenzierten Anforderungen daraus für die Modellkonzeption und -erstellung resultieren. Vor dem Hintergrund der konkreten Aufgabenstellung sowie deren spezifischer planerischer Anforderungen bildet die abzuleitende Modellspezifikation die verabredete Grundlage zwischen Auftraggeber und Modellersteller für die konkrete inhaltliche, fachliche Ausgestaltung des Verkehrsmodells.
Stützen und Träger aus Stahlprofilen können in Fundamente oder Wände aus Stahlbeton einbetoniert werden. Diese Anschlüsse wirken in der Regel wie Einspannungen, die eine ausreichende Einspanntiefe erfordern. Im Folgenden wird eine verallgemeinerte Berechnungsmethode für in Stahlbetonkonstruktionen eingespannte Stahlprofile aus gewalzten I-Profilen, geschweißten I-Profilen, runden Hohlprofilen, eckigen Hohlprofilen und einzelligen Kastenquerschnitten vorgestellt. Für Beanspruchungen infolge einachsiger Biegung um die starke und schwache Profilachse werden der profilabhängige Ansatz der Betondruckspannungen im Einspannbereich und die Ermittlung der Einspanntiefe behandelt. Unter Berücksichtigung der Normalkraft werden an den maßgebenden Stellen Tragfähigkeitsnachweise für die Stahlprofile geführt. Als Ergänzung zu den Berechnungsformeln werden Bemessungshilfen zur Verfügung gestellt, die die Wahl der mitwirkenden Breiten und der Einspanntiefen erleichtert.
Landslides, rock falls or related subaerial and subaqueous mass slides can generate devastating impulse waves in adjacent waterbodies. Such waves can occur in lakes and fjords, or due to glacier calving in bays or at steep ocean coastlines. Infrastructure and residential houses along coastlines of those waterbodies are often situated on low elevation terrain, and are potentially at risk from inundation. Impulse waves, running up a uniform slope and generating an overland flow over an initially dry adjacent horizontal plane, represent a frequently found scenario, which needs to be better understood for disaster planning and mitigation. This study presents a novel set of large-scale flume test focusing on solitary waves propagating over a 1:14.5 slope and breaking onto a horizontal section. Examining the characteristics of overland flow, this study gives, for the first time, insight into the fundamental process of overland flow of a broken solitary wave: its shape and celerity, as well as its momentum when wave breaking has taken place beforehand.