600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
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Der Klimawandel und der damit einhergehende Temperaturanstieg stellen den Gebäudesektor in Bezug auf die sommerliche Überhitzung vor erhebliche Herausforderungen. Zur Abschätzung der Auswirkungen ist es relevant, Klimadaten für einen angemessenen Zeitraum zu verwenden, um geeignete Maßnahmen zur Hitzeminderung ergreifen zu können.Die sommerliche Überhitzung variiert je nach Gebäudetyp, Standort und örtlichen Gegebenheiten. Aus diesem Grund werden in dieser wissenschaftlichen Untersuchung Wohngebäude mit mehr als zehn Wohneinheiten für das Klimaszenario RCP4.5 im Jahr 2060 in Österreich analysiert. Zur Beurteilung des Wohnkomforts wurden umfangreiche Messungen im Rahmen einer Studie des Energieinstituts Vorarlberg an einem repräsentativen Gebäude über einen längeren Zeitraum durchgeführt. Basierend auf den gewonnenen Messwerten wird ein Referenzgebäude im Gebäudesimulationsprogramm IDA ICE konstruiert und simuliert. Um verschiedene Klimazonen angemessen abzubilden, werden die Standorte Bregenz, Klagenfurt und Wien für das Gebäude im Jahr 2022 betrachtet. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage, um den Einfluss des Klimawandels auf die sommerliche Überhitzung abschätzen zu können. Im nächsten Schritt werden die neuen Klimadatensätze für das Klimaszenario RCP4.5 im Jahr 2060 für dieselben Standorte implementiert und mit den Ergebnissen von 2022 verglichen. Dadurch können verschiedene Kennziffern wie maximale Temperaturen, Stundenanzahl mit Temperaturen über 25 °C bzw. 27 °C und die Häufigkeit von Übertemperaturgradstunden herangezogen werden, um die zukünftige Hitzebelastung zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen, dass mit einer Erhöhung der maximalen Temperatur, der mittleren Temperatur zwischen Mai und September sowie der Stundenanzahl mit Temperaturen über 25 °C bzw. 27 °C zu rechnen ist. Der Grenzwert von 25 °C wird dabei um 12 bis 29 Prozent überschritten. Die Maximaltem-peratur steigt um vier bis neun Prozent, während sich der Wert für die mittlere Temperatur um zwei bis drei Prozent erhöht. Besonders stark nimmt die Häufigkeit von Übertemperaturen über einen längeren Zeitraum zu. Für die Umsetzung passiver Maßnahmen zeigt sich, dass diese zu einer signifikanten Reduk-tion der Stundenanzahl mit Temperaturen über den Grenzwerten führen können. Auch durch simple Maßnahmen, wie die Integration einer Nachtlüftung, kann eine Absenkung der Tem-peraturen und folglich der Stundenanzahl über den Grenzwerten erreicht werden. Ein thermischer Komfort basierend ausschließlich auf passiven Maßnahmen kann nicht für sämtliche Standorte in der Zukunft gewährleistet werden.
The Fast Average Current Mode control methodology is a novel method for the implementation of a current compensator in a switched-mode power supply. It does not require compensation against sub-harmonic instability and is inductor independent. In this work, the digital implementation of this topology is compared against an analog implementation using simulation. Additionally, a hardware prototype is created to validate the digital simulation's results. In a Simulink environment, parameters of the digital implementation, such as the digital-to-analog converter resolutions and the delay counter frequency are varied to research their impact on system performance. The simulations show that a digital current compensator has similar performance as an analog implementation when designed tailored to the application. When evaluating the whole control loop the digital system is inferior due to added delays caused by digital to analog conversion. By operating the Buck converter hardware implementation as a current source, the functionality of the current mode control implementation in a FPGA was proven. Voltage control cannot be validated due to hardware issues. Due to the successful simulation of the source code with a mixed signal model of the converter, it can be assumed that it is functional. Apart from performance, a digital implementation shows many benefits compared to an analog solution, such as configurability of control parameters and easy compensation of component variations and aging.
The advent of autonomous and self-driving cranes represents a significant advancement in industrial automation. One critical prerequisites for achieving this long-term goal is the accurate and reliable detection of tools guided by ropes in real-world environments. Since the tool is suspended by ropes, the tool pose cannot be controlled directly. This master’s thesis addresses the challenges of pose estimation for rope-guided tools using point cloud measurements. The proposed algorithm utilizes constraints imposed by the crane kinematics and information extracted during the segmentation process to efficiently infer the pose of the hook, therefore enabling the use of the pose for decision making in real-time critical applications. RANSAC (Random Sample and Consensus) is deployed in the segmentation process to extract geometric primitives from the point cloud which represent the ropes and distinctive parts of the tool. Since the point cloud is often to sparse for feature matching a bounding box is used to estimate the initial position of the tool. Two different methods are presented to improve the initial pose. A computationally expensive method with a high level of confidence, integrating the ICP (Iterative Closest Point) algorithm is used as a benchmark. A linear Kalman filter is used in the second method which is real-time capable. The benchmark is then used to evaluate the real-time capable approach. The core contributions of this research lie in the innovative utilization of bounding boxes for pose estimation. The findings and methodologies presented herein constitute an advancement towards the realization of autonomous and self-driving cranes.
Synthetic polymers, such as polyamide (PA), inherently possess a moderate number of surface functionalities compared to natural polymers, which negatively impacts the uniformity of metallic coatings obtained through wet-chemical methods like electroless plating. The paper presents the use of a siloxane interlayer formed from the condensation of the hydrolyzed 3-triethoxysilylpropyl succinic anhydride (TESPSA) precursor as a strategy to modify the surface properties of polyamide 6.6 (PA66) fabrics and improve the uniformity of the copper surface coating. The application of the siloxane intermediate coating demonstrates a significant improvement in electrical conductivity, up to 20 times higher than fabrics without the interlayer. The morphology of the coatings was investigated using scanning electron (SEM) and laser confocal scanning microscopy (LSM). In addition, dye adsorption, flexural rigidity, air permeability and contact angle measurements were conducted to monitor the change in the PA66 properties after the siloxane functionalization.
Der Übergang zu erneuerbaren Energiesystemen und deren optimale Betriebsweise ist entscheidend für die Reduzierung des Energieverbrauchs und der damit verbundenen Einsparung von CO2-Emissionen. In privaten Haushalten dominiert traditionell die Hystereseregelung bei der Wärmeerzeugung. Neuere Bauten, ausgestattet mit Wärmepumpen und Photovoltaikanlagen, bieten jedoch beachtliches Potenzial zur Effizienzsteigerung durch angepasste Regelungsstrategien. Eine intelligente Laststeuerung ermöglicht erhebliche Kosteneinsparungen und eine Erhöhung des Autarkiegrades. Vorhandene literarische Ansätze liefern Methoden zur Systemmodellierung und -identifikation. Darüber hinaus demonstrieren sie das Potenzial der Optimierung durch den Model Predictive Control (MPC) Ansatz. Eine spezifische Evaluierung anhand von Realdaten eines Energiesystems mit Abluft-Wärmepumpe fehlt jedoch. Daher bedarf es der Bewertung des Lastverschiebungspotentials dieser Systemkonfiguration. Die Systemidentifikation erfolgt basierend auf Messdaten, welche gleichzeitig als Referenz für den Vergleich des traditionellen Hysteresebetriebs mit der MPC-Steuerung dienen. Die Analyse offenbart das Lastverschiebungspotential durch die optimierte Betriebsweise einschließlich einer Gesamtkosteneinsparung von bis zu 42% und einer Steigerung des Autarkiegrades um bis zu 10%. Diese Potentiale variieren saisonal, sind jedoch das ganze Jahr über vorhanden.
Grey Box models provide an important approach for control analysis in the Heating, Ventilation and Air Conditioning (HVAC) sector. Grey Box models consist of physical models where parameters are estimated from data. Due to the vast amount of component models that can be found in literature, the question arises, which component models perform best on a given system or dataset? This question is investigated systematically using a test case system with real operational data. The test case system consists of a HVAC system containing an energy recovery unit (ER), a heating coil (HC) and a cooling coil (CC). For each component, several suitable model variants from the literature are adapted appropriately and implemented. Four model variants are implemented for the ER and five model variants each for the HC and CC. Further, three global optimization algorithms and four local optimization algorithms to solve the nonlinear least squares system identification are implemented, leading to a total of 700 combinations. The comparison of all variants shows that the global optimization algorithms do not provide significantly better solutions. Their runtimes are significantly higher. Analysis of the models shows a dependency of the model accuracy on the number of total parameters.
Im April 2000 wurde das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) in Deutschland beschlossen, mit dem ein Rechtsrahmen für die Förderung von regenerativen Stromerzeugungstechnologien geschaffen wurde. Zum 31.12.2020 sind erstmalig ca. 19.000 Anlagen aus dem zwanzigjährigen Förderzeitraum gefallen. Mit jedem Jahreswechsel folgt ein weiterer Jahrgang. Mit der EEG-Novelle 2021 wurden die Voraussetzungen für einen möglichen Weiterbetrieb der ausgeförderten Anlagen geschaffen.
In dieser Masterarbeit wird untersucht, welche Optionen betroffene Anlagenbetreiber von Photovoltaikanlagen mit maximal zehn Kilowattpeak haben und aufgezeigt, welche rechtlichen und technischen Vorgaben bestehen. Zu Beginn wird in die Grundlagen der Photovoltaikinstallation und die Regulatorik des EEG eingeführt. Der Anlagenbestand mit Inbetriebnahme im Zeitraum 2000 bis 2008 wird quantifiziert, die Regionalverteilung sowie bisherige Stilllegungen analysiert. Mit einer Systemsimulation wird ein Weiterbetriebsjahr einer Photovoltaikanlage zur Bewertung der Erlöse bei Umstellung auf Überschusseinspeisung mit teilweisem Eigenverbrauch des Solarstroms berechnet. Abschließend werden die Erlöse für die Weiterbetriebsvarianten unter der Preissituation des Jahres 2021 verglichen.
Es zeigt sich, dass der Großteil der Photovoltaikanlagen maximal zehn Kilowattpeak aufweist und sich in Bayern und Baden-Württemberg befindet. Die Mehrheit der bereits betroffenen Anlagen wird aktuell weiterbetrieben. Die höchsten finanziellen Überschüsse lassen sich mit der Umstellung auf Eigenverbrauch erzielen. Am einfachsten umzusetzen ist dahingegen der Weiterbetrieb in Volleinspeisung. Die sonstige Direktvermarktung kann eine Alternative zur Volleinspeisung darstellen. Mit einem Neubau ist eine deutliche Leistungssteigerung auf gleicher Dachfläche möglich, ohne einer Weiterbetriebsperspektive verbleibt die Demontage der Anlage.
The number of electric vehicles will increase rapidly in the coming years. Studies suggest that most owners prefer to charge their electric vehicle at home, which will fuel the need for charging stations in residential complexes where vehicles can be charged overnight. Currently, there already are over 100 such residential complexes, with another 70 added every year in Vorarlberg alone. In most existing residential complexes, however, the grid connections are not sufficient to charge all vehicles at the same time with maximum power. In addition, it is also desirable for grid operators and electricity producers that the power demand be as smooth and predictable as possible. To achieve this, ways to manage flexible loads need to be found, which can operate within the technical constraints. Therefore, the most common scenarios how the load can be made grid-friendly with the help of optional battery storage and/or photovoltaics using optimization methods of linear and stochastic programming were examined. At the same time, the needs of the vehicle owners for charging comfort - namely to find their vehicles reliably charged at the time of their respective departure - were addressed by combining both objectives using suitable weights. The algorithms determined were verified in practice on an existing Vlotte prototype installation. For this purpose, the necessary programs were implemented in Python, so that the data obtained during the test operation, which lasted one month, could be subjected to a well-founded analysis. In addition, simulation studies helped to further reveal the influence of PV and BESS sizing on the achievable optimums and confirm that advanced optimization algorithms such as the ones discussed are a vital contribution in reducing the charging stations’ peak load while at the same time maintaining high satisfaction levels.
Mit dem geplanten EU Ecolabel für Finanzprodukte möchte die EU ein auf EU-Ebene etabliertes Label zur Zertifizierung nachhaltiger Geldanlagen schaffen. Ziel der Masterarbeit war es herauszufinden, welchen Stellenwert ein solches Siegel für junge Privatanlegende hätte und ob es für sie für die nachhaltige Geldanlage relevant wäre. Zur Beantwortung der Fragestellung wurde eine quantitative Studie unter Studierenden in Österreich und Deutschland im Alter von 18 bis 29 Jahren durchgeführt, welche für diese Arbeit als junge Privatanlegende definiert wurden. Zur Definition und Messung der Akzeptanz wurde ein Einstellungsmodell gewählt.
Die Ergebnisse zeigen, dass das geplante EU Ecolabel für Finanzprodukte für die Zielgruppe für die Nutzung zur nachhaltigen Geldanlage relevant wäre und entsprechend der in der Studie verzeichneten Einstellungshaltung eine Chance auf Akzeptanz bei ihnen hätte. Letztere könnte sich jedoch bei Veränderung der Meinungshaltung von Gesellschaft oder Umfeld verändern. Eine Nutzung des Siegels hätte mehrheitlich den Stellenwert der Unterstützung von Nachhaltigkeit im Allgemeinen sowie der Leistung eines persönlichen Beitrags zur Nachhaltigkeit.
In einem nächsten Schritt könnte sich weiterführende Forschung mit der Resonanz der Finanzinstitutionen und Unternehmen zum geplanten EU Ecolabel für Finanzprodukte beschäftigen.
IEC 61499 ist ein Standard für die verteilte Automatisierung. Damit lassen sich Systeme designen, die eine Vielzahl von Knoten vernetzen können. Dadurch lassen sich komplexe Aufgaben in der Industrie leichter bewältigen. Um dies zu ermöglichen, müssen alle Systembestandteile miteinander kommunizieren können. Ein solches Kommunikationsnetzwerk kann dann schnell sehr komplex werden und damit schwer zu verwalten sein. Wenn es darum geht, an viele Teilnehmer Daten zu verteilen, hat sich das Publish-Subscribe Kommunikationsmuster bewährt.
ZeroMQ ist eine Bibliothek, mit der über Sockets unter anderem solche Publish-Subscribe Kommunikationsnetzwerke realisiert werden können. Sie baut auf dem ZeroMQ Message Transport Protocol (ZMTP) auf. Dabei ist die Verwendung unwesentlich komplexer als mit Berkeley Sockets.
4DIAC/Forte bietet ein Framework um Applikationen nach IEC 61499 zu erstellen. In dieser Thesis wird 4DIAC/Forte und ZeroMQ vorgestellt. Es wird die Struktur einer Kopplungsschicht zwischen Forte und ZeroMQ präsentiert und implementiert. Anschließend werden Messungen von Latenz und Throughput durchgeführt, um die Performance zu evaluieren.
In Forte sind traditionelle Sockets für die Kommunikation bereits implementiert. Sie unterstützen das Client-Server Muster und Publish-Subscribe mittels UDP Multicast. Mit diesen Lösungen werden die Messungen ebenfalls durchgeführt um einen Vergleich mit ZeroMQ aufzustellen. Es werden auch vorhandene Daten für DDS herangezogen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich ZeroMQ für die Kommunikation in Forte eignet und dabei hilft, die Komplexität zu reduzieren und die Handhabung zu vereinfachen.