600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
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Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von dezentralen Warmwasserbereitungssystemen, wobei der Fokus auf Energieeffizienz liegt. Als Vergleichs- und Referenzobjekt wird das Wohngebäude „KliNaWo“ mit 19 Wohneinheiten am Standort Feldkirch herangezogen, in welchem eine zentrale Warmwasserbereitung realisiert wurde. Als ersten Schritt werden die theoretischen Grundlagen hinsichtlich der zentralen und dezentralen Warmwasserbereitungs-systeme sowie der unterschiedlichen Wärmeerzeuger, Speichertechnologien und Verteilsysteme erarbeitet. Anschließend erfolgt eine Erläuterung der aktuellen Normensituation und den wichtigsten Fakten bezüglich Trinkwasserhygiene.
Des Weiteren wird das Referenzobjekt „KliNaWo“ sowie die verwendeten Messdaten zur Kalibrierung der Simulationsmodelle beschrieben. Im nachfolgenden Kapitel erfolgt eine detaillierte Darstellung der zu untersuchenden Systeme, wobei es sich um das Wohnungssatellitensystem sowohl mit kontinuierlicher Beladung als auch im Ladefensterbetrieb sowie um dezentrale Boiler-Wärmepumpen handelt. Anschließend wird die verwendete Simulationssoftware Polysun erläutert und erklärt wie die Systeme in der Software abgebildet und welche Ersatzmodelle angewendet werden.
Die Nutzenergie in Bezug auf das Warmwasser beträgt bei der zentralen Variante 20.584 kWh und ist bei allen dezentralen Systemen mit 20.142 kWh etwas geringer, da die Verteilverluste der Warmwasser-Einzelleitungen aufgrund des niedrigeren Temperaturniveaus geringer ausfallen. Da die rückgewinnbaren Wärmeverluste berücksichtigt werden, ergeben sich auch für den Heizwärmebedarf in Abhängigkeit der Variante unterschiedliche Werte im Bereich von 54.322 kWh bis 58.104 kWh. Als Vergleichsgröße wird der gesamte Stromverbrauch der Wärmepumpen inklusive der Förderpumpen herangezogen, welcher für die Deckung des Heizwärmebedarfs, der Verluste sowie des Energiebedarfs bezüglich Warmwasser notwendig ist.
Aus dem Vergleich der Varianten ergibt sich, dass der Stromverbrauch des zentralen Systems mit 14.109 kWh am geringsten ausfällt und das Wohnungssatellitensystem im Ladefensterbetrieb mit einem Strombedarf von 14.441 kWh nur wenig darüber liegt. Beim Wohnungssatellitensystem mit kontinuierlicher Beladung und bei den Boiler-Wärmepumpen-Systemen liegen die Stromverbräuche deutlich höher. Anhand der Simulationsergebnisse kann festgestellt werden, dass die dezentralen Anlagenkonfigurationen unter Berücksichtigung der ÖNROM B 2531 nicht effizienter sind als das zentrale System, wobei das Wohnungssatellitensystem im Ladefensterbetrieb in derselben Größenordnung wie das zentrale System liegt. Allerdings sind beim Wohnungssatellitensystem höhere Investitionskosten gegenüber der zentralen Variante zu erwarten, wodurch das System wirtschaftlich schlechter abschneidet.
Die Aktualität des Klimawandels fordert Maßnahmen in privaten und wirtschaftlichen Bereichen. Die Veränderungen des Klimas führen dazu, dass Regelungen und Gesetze für das Energiewesen der Unternehmen entwickelt werden. Die Gesetze verpflichten die Unternehmen für Energie- und Umweltaudits. Viele Unternehmen führen noch zusätzliche Maßnahmen für eine Verbesserung der Energieeffizienz und des Emissionsausstoßes ein. Die Maßnahmen werden immer relevanter.
Die Norm ISO 50001 unterstützt Unternehmen bei der Einführung und bei der Aufrechterhaltung eines Energiemanagementsystems. Das Energiemanagement hilft dabei, die energiebezogene Leistung zu verbessern und einen kontinuierlichen Verbesserungsprozess umzusetzen. Eine weitere freiwillige Möglichkeit ist das Klimaneutralitätsbündnis 2025. Das Bündnis soll den Mitgliedern helfen, den Emissionsausstoß zu verbessern. Die Mitglieder werden über einen definierten Zeitraum von 12 Jahren begleitet, um die Geschäftsprozesse anschließend klimaneutral zu gestalten.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Anforderungen der Norm ISO 50001 und dem Klimaneutralitätsbündnis. Beides sind freiwillige Instrumente, welche Unternehmen verwenden können, um das eigene Energiewesen zu optimieren und etwas zum Klimaschutz beizutragen. Die Forschung dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem Zusammenwirken der beiden Instrumente. Es wird untersucht, ob eine parallele Einführung und Bearbeitung in den Unternehmen möglich ist. Zusätzlich werden die Inhalte und die Anforderungen gegenübergestellt. Mögliche Überschneidungen werden zu Zwecken einer Erleichterung für die Unternehmen überprüft.
Im Zuge dieser Arbeit wird ein Energiemonitoring beim Logistikunternehmen Gebrüder Weiss GmbH eingeführt. Das Unternehmen mit Sitz in Lauterach (Vorarlberg) betreibt weltweit rund 165 Standorte. Die Niederlassung in Lauterach bildet den Versuchsstandort für das Energiemonitoring. Es werden geeignete Partnerunternehmen gesucht, welche ein Energiemonitoringsystem anbieten. Im Zuge der Partnersuche wird ein Pilotprojekt umgesetzt, welches dem Unternehmen erste Einblicke in die Materie bietet. Nach dem erfolgreichen Abschluss des Pilotprojektes folgt die Implementierung des Energiemonitorings. Die einzelnen Schritte und Herausforderungen des Projektes werden dargelegt und die abschließende Umsetzung wird beschrieben. Nach der Einführung in Lauterach folgt die weltweite Ausrollung des Energiemonitorings in allen Standorten.
Eindimensionales Siliziumkarbid-Faserwachstum ohne Katalysator über karbothermische Reduktion
(2020)
In dieser Arbeit werden eindimensionale Siliziumkarbid-Fasern über die karbothermische Reduktion von stickstoffdotiertem Siliziumoxykarbid-Glas, welches über einen Sol-Gel-Prozess synthetisiert wurde, hergestellt. Als Wachstumssubstrat für die Fasern werden drei Arten von Kohlenstofffasern verwendet, die entweder in Sol eingelegt sind oder erst bei der karbothermischen Reduktion mit dem Precursor im Graphittiegel eingelegt werden. Es werden vier Formen von eindimensionalem Siliziumkarbid produziert, bei denen Durchmesser und Länge von <100 nm bis zu mehreren µm variieren. Die Charakterisierung der synthetisierten Fasern erfolgt über optische Mikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Raman-Spektroskopie. Der Einfluss der Druckentwicklung während der karbothermischen Reduktion auf das Faserwachstum wird anhand von Druck-Temperatur-Verläufen ermittelt.
Graphite substrates underwent two methods of creating doped silicon carbide films via carbothermal reduction; the first method being liquid-phase processing, or dip-coating, and the second gas-phase processing, otherwise referred to as the solid-vapour reaction. The dip-coating procedure resulted in flaky coatings, while the solid-vapour reaction resulted in polycrystalline films with columnar growth that displayed promising morphological and electrical properties. The films were tested on their performance as semiconductor diodes, and proved that carbothermal reduction in the gas phase is a promising technique for creating polycrystalline silicon carbide films for the application of light-emitting diodes.
Mit dem entwickelten, gemischt-ganzzahligen linearen Optimierungsmodell wird ein grosser Beitrag geleistet, das die wichtigen Betriebskennzahlen einer PV-Speicheranlage, wie der Eigenverbrauchsanteil um bis zu 89 % und der Autarkiegrad um bis zu 73 % durch eine variable Grenzkostenoptimierung bei zusätzlicher E-Auto Berücksichtigung gesteigert werden können. Der Eigenverbrauch der PV-Erzeugung wird durch den stationären Batteriespeicher auf 71 % mehr als verdoppelt. Das beispielhafte Szenario hat einen Haushaltsverbrauch von 5 MWh pro Jahr und besteht aus einer 5 kWp PV-Anlage, mit einem 5 kWh Batteriespeicher und dem Tesla Model 3 mit einer Jahresfahrleistung von 16778 km.
Das erstellte Softwareprogramm kann einfach auf weitere verschiedene Anlagenkonstellationen und mit eigenen Eingangszeitreihenprofile der Haushaltslast, der PV-Erzeugung und der E-Auto Nutzung parametriert werden. Neben der Kennzahlenberechnung des konkreten Szenarios wird der jeweilige Einfluss einer Anlagenkomponente, wie PV, Batterie und Last bei deren Variation, auf die Kennzahlen grafisch gut sichtbar dargestellt.
Die Ergebnisse bestätigen bisherige Arbeiten, dass die Dimensionierung der Anlagenkomponenten nach der einfachen Faust-Formel 1:1:1 erfolgen soll: Der stationäre Batteriespeicher und die PV-Anlage sollen gleich gross sein und ihre Grösse in kWh soll der Jahreslast in MWh entsprechen. Damit wird nahezu schon ein gutes Optimum von Eigenverbrauch, Eigenverbrauchsanteil und Autarkiegrad bei minimalen Energiekosten gefunden und die Netzbelastung durch Bezug und Einspeisung kann reduziert werden.
Many test drives are carried out in the automotive environment. During these test drives many signals are recorded. The task of the test engineers is to find certain patterns (e.g. an emergency stop) in these long time series. Finding these interesting patterns is currently done with rule based processing. This procedure is very time consuming and requires a test engineer with expertise. In this thesis it is examined if the emerging field of machine learning can be used to support the engineers in this task. Active Learning, a subarea of machine learning, is used to train a classifier during the labeling process. Thereby it proposes similar windows to the already labeled ones. This saves the annotator time for searching or formulating rules for the problem. A data generator is worked out to replace the missing labeled data for tests. The custom performance measure “proportion of seen samples” is developed to make the success measurable. A modular software architecture is designed. With that, several combinations of Time Series Classification algorithms and query strategies are compared on artificial data. The results are verified on real datasets, which are open source available. The best performing, but computational intensive solution is an adapted RandOm Convolutional KErnel Transform (ROCKET). The custom query strategy “certainty sampling” shows the best results for highly imbalanced datasets.
Pump-Probe-Elastographie
(2020)
Krebs ist die zweit häufigste Todesursache in Deutschland. Seine frühzeitige Detektion ist wichtig für eine erfolgreiche Behandlung. Die Detektion und Charakterisierung der Tumore kann unter anderem anhand ihrer mechanischen Eigenschaften erfolgen.
Die Pump-Probe-Elastographie (PPE) ist eine neue und vielversprechende Methode um die mechanischen Eigenschaften von Gewebe durch optische Anregung und Detektion der dadurch entstehenden akustischen Wellen zu charakterisieren.
In dieser Arbeit wurde ein PPE-Mikroskop aufgebaut und anschließend untersucht, wie die Wellenfronten möglichst deutlich sichtbar werden und welchen Einfluss die Pulsenergie auf die erzeugten Wellen hat. Dies geschah anhand zweier Proben – Wasser und Glas. Beide sind transparent und bieten daher auch die Möglichkeit der Messung im Volumen. Wasser unterscheidet sich zudem von Glas, da es kompressibel ist und somit die Entstehung von Stoßwellen erlaubt. In Glas wiederum können nicht nur Longitudinalwellen, sondern auch Transversalwellen und Rayleigh-Wellen entstehen.
Als Ergebnis dieser Arbeit wird gezeigt, dass die Messergebnisse in Wasser abhängig von der Pulsenergie sind, denn die entstehenden Stoßwellen breiten sich mit Überschallgeschwindigkeit aus, was bei zukünftigen Messungen mit Zellgewebe zu beachten ist. In Glas hat die Pulsenergie zwar keinen Einfluss auf die Wellengeschwindigkeit, jedoch werden die Messungen mit zunehmender Energie deutlicher. Auch ist bei Messungen im Volumen nur die Longitudinalwelle zu sehen. Misst man jedoch auf der Glasoberfläche, so entsteht auch eine Druckwelle in der Luft, welche wiederum abhängig von der Pulsenergie ist. Zusätzlich ist in einigen Messungen eine weitere Welle zu erkennen, welche unabhängig von der Pulsenergie ist und sich im Glas, oder auf dessen Oberfläche ausbreitet.
In recent years, much research has been done on medical laser applications inside the human body, as they are minimally invasive and therefore have fewer side effects and are less expensive than conventional therapies. In order to bring the laser light into the human body, a glass fibre with a diffuser is needed. The goal of this master thesis is the characterization and production of fibre optic diffusers that can be used for the three therapeutic applications: photodynamic therapy, laser-induced thermotherapy and endovenous laser therapy. For this purpose the following goals have to be achieved:
- Optimization of the efficiency and homogeneity of internally structured diffusers
- Examine damage thresholds of the diffusers in the tissue using a crash test
- Achieving a better understanding of the decouple mechanism with a simulation
Using an ultra-short pulse laser, modifications could be introduced into the fibre in this way that the radiation profile is homogeneous and the decoupling efficiency is 68.3 %. It was discovered that the radiation profile depends on the wavelength. Attempts have been made to improve the decoupling efficiency by mirroring the distal end of the fibre. The mirror reflects the remaining light back into the fibre, so that it is also decoupled lateral on the modifications. Vapor-deposited aluminum with physical vapor deposition is a promising approach. However, the adhesion of the coating must be improved or the coating must be protected by a mechanical cover, otherwise it will flake off too quickly.
In a crash test, it was shown that the glass fibre diffusers can withstand 20 W laser power for 300 s without visible change. In an ex vivo test, the coagulation zone in the tissue was examined and it was showed that the diffusers radiate radially homogeneously. Using a ray trace simulation, the course of the light rays in the fibre was examined and the correlation of modification width and length with the decoupling efficiency was investigated. It was discovered that there are helical light rays in the fibre, which cannot be decoupled by modifications in the fibre centre.