600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
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Grey-Box-Modellierung einer Lüftungsanlage mit realen Betriebsdaten für die Optimierung des Reglers
(2022)
Oszillationen in Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen können die Lebensdauer
von Ventilen und Aktuatoren deutlich reduzieren und die Effizienz solcher
Anlagen negativ beeinflussen. Die hier betrachtete Lüftungsanlage eines Verkaufsraums zeigt deutlich schwingendes Verhalten, das höchst wahrscheinlich auf die Regelung zurückzuführen ist. Um dieses Verhalten zu untersuchen und ein
Testfeld für die Auslegung und Optimierung von alternativen Regelkonzepten
zu erstellen, wird ein Grey-Box-Modell der Anlage erstellt. Grey-Box-Modelle
sind physikalische Modelle, deren Parameter mit Messdaten identifiziert werden.
Die Ermittlung der Parameter (Systemidentifikation) des Grey-Box-Modells
wird hier mittels nichtlinearer Optimierung an dem realen Betriebsdatensatz
durchgeführt. Dieser Betriebsdatensatz hat im Vergleich zu anderen Arbeiten
aufgrund geringer Ausstattung der Anlage mit Sensorik und geringer Auflösung
der Messdaten eine niedrige Qualität. Aus diesem Grund können die einzelnen
Komponenten der Anlage (eine Wärmerückgewinnung, ein Heizregister und ein
Kühlregister) nicht separat identifiziert werden, sondern nur im Gesamtsystem.
Hieraus ergibt sich die Frage, welche physikalische Formulierung der Komponenten
der Anlage am besten geeignet ist. Konkret stellt sich die Frage, welche
Komplexität, welche Anzahl der zu identifizierenden Parameter und welche Annahmen, die für die Formulierung getroffen werden sinnvoll sind. Dazu werden
für die einzelnen Komponenten der Anlage jeweils verschiedene Modelle aus der
Literatur implementiert und verglichen. Untersucht wird, ob ein Zusammenhang
zwischen der Anzahl an Parametern, die sich durch eine bestimmte Formulierung
des Modells ergibt und der erreichten Güte des Modells zu beobachten ist.
Die Güte des Modells wir dabei mittels der Wurzel des mittleren quadratischen
Fehlers zwischen Modellausgang und Datensatz bewertet.
Die Ergebnisse dieser Fallstudie zeigen, dass ein möglicher Zusammenhang
zwischen der Anzahl an Parametern des Grey-Box-Modells und der Güte des
Modells besteht. Insbesondere zeigt sich mit diesem Datensatz ein deutlicher
Abfall der Modellgüte bei mehr als zehn Parametern. Es kann des Weiteren
bestätigt werden, dass bei der vorliegenden niedrigen Datenqualität die getroffenen
Annahmen für die Modellierung von erheblicher Bedeutung sind. Durch
bestimmte Formulierungen kann zwar die Güte des Modells erhöht werden, jedoch
wir dadurch die Generalisationsfähigkeit des Modells höchst wahrscheinlich
reduziert.
Die Integration regenerativer und innovativer Energiespeichertechnologien in der Gebäudetechnik ist ein zentraler Bestandteil der Strategie, um die globalen Ziele der Energiewende zu erreichen. Um die Energieeffizienz von Gebäuden zu verbessern, stellen geothermische Energiequellen sowie Erdspeichersysteme in Kombination mit Wärmepumpen und Kältemaschinen eine sehr effiziente Technologie dar. Da bei der Oberflächennahen Geothermie in Abhängigkeit des Standorts eine gemittelte Erdreichtemperatur von 10 °C bereitgestellt wird, kann vorallem bei Niedertemperatursystemen durch die Verwendung von Wärmepumpen eine hohe Jahresarbeitszahl erreicht werden. Wird ein Gebäude zusätzlich noch gekühlt, kann durch die Regeneration des Erdspeichersystems zudem der Effekt der saisonalen Energiespeicherung ausgenutzt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit werden drei unterschiedlichen Erdspeichersysteme für ein bestehendes Gebäude mit der Simulationssoftware Ida Ice simuliert. Die in dieser Arbeit verwendeten Erdspeichersysteme sind: Erdwärmesonden, Energiepfähle und Bodenabsorber. Die Speichersysteme werden mit einer Wärmepumpe und Kältemaschine für die Energiebereitstellung und der entsprechenden Regelungstechnik kombiniert. Neben einer energetischen Betrachtungsweise wird zusätzlich eine Wirtschaftlichkeitsberechnung durchgeführt, um die ökonomische Bewertung bei allen Energiespeichersystem mit zu berücksichtigen.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Bewertung der Energiespeichersysteme von vielen Dimensionierungsparametern abhängig sind und jedes System seine Vor- und Nachteile aufweist. Über einen kurzfristigen Zeitraum von zwei Jahren kann durch die Erdwärmesonden die höchste Vorlauftemperatur und dadurch die beste Jahresarbeitszahl erreicht werden. Langzeitsimulationen zeigen jedoch, dass ohne genügend Regenration das Erdreich bei der Erdwärmesondenvariante auskühlt, weshalb in einer zusätzlichen Variante die Regeneration der Erdwärmesonden durch das Verwenden einer Solarthermieanlage simuliert wird. Das Auskühlen des Erdreichs kann bei den Energiepfählen durch die natürlichen Speichereffekte, die aus der Koppelung des Gebäudefundaments mit den Energiepfählen resultieren, vermieden werden, wodurch die Energiepfahlvariante über einen Zeitraum von mehreren Jahren und ohne Regeneration die effizienteste Variante ist. Die Bodenabsorbervariante kann durch die limitierende Dimensionierung aufgrund der Gebäudefundamentoberfläche den Wärmebedarf des Gebäudes nicht decken, wodurch die Heizelemente beim Pufferspeicher aktiviert werden müssen, was zu einer schlechteren Jahresarbeitszahl führt. Auch im Vergleich zu der bestehenden Luftwärmepumpen-Referenzanlage weist die Bodenabsorbervariante einer geringere Jahresarbeitszahl auf, wodurch die Variante als die am wenigste effizienteste bewertet wird. Bei der Wirtschaftlichkeitsberechnung ist die Erdwärmesondenvariante aufgrund der hohen Investitionskosten die teuerste Variante und der Bodenabsorber die günstigste. Eine Sensitivitätsanalyse zeigt jedoch, dass bei einer Energiepreissteigerung die Bodenabsorber aufgrund der Aktivierung der Heizelemente beim Pufferspeicher in Richtung teuerste Variante tendiert.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Positionsbestimmung in Innenräumen mittels der Ultra Breitband Technologie, deren Genauigkeit sowie der Positionierung solcher Systeme in relevanten Beleuchtungsmodulen. Im ersten Teil der Arbeit wird die Ultrabreitband Technologie beschrieben, die sich für Ortbarkeit in Innenräumen durch die große Bandbreite, relativ gut eignet. Hierbei wird auf das UWB-Signal, die Regulierung bezüglich Frequenznutzung für Europa und USA sowie auf die UWB-Standards eingegangen. Im weiteren Verlauf der Arbeit werden die gegenwärtigen Positionsbestimmungs Verfahren beschrieben. Beispiele hierfür sind das Time of Flight (ToF), das Time of Arrival sowie nicht funkbasierte Methoden wie z. B. die Inertial Measurement Unit (IMU). Die Positionsbestimmung in der UWB-Technologie wird häufig mittels ToF und ToA bewerkstelligt. Im darauffolgenden Kapitel werden die gegenwärtigen Lokalisierungssysteme erklärt. Real Time Locating Systems (RTLS) kommen in vielen Lebensbereichen zum Einsatz, von Krankenhäusern bis zum Sport. Der zweite Teil der Arbeit besteht aus der Ausarbeitung von verschiedenen Konzepten zur Realisierung eines Demonstrators sowie der Ausarbeitung eines Simulationsmodells für die Positionsbestimmung, mit dem eine Ortungsgenauigkeit von 30 bis 50 cm erreicht werden kann.
Die Mensch-Roboter-Kollaboration verspricht, die Leistungsfähigkeit eines Roboters und die Stärken eines Menschen zu kombinieren. Das junge Thema bringt nicht nur Vorteile, sondern auch neue Sicherheitsbestimmungen und aufwändige Validierungsverfahren mit sich, was den Zeitbedarf für die Entwicklung neuer MRK-Applikationen erhöht. Oft ergibt sich erst bei der Validierung, dass die Sicherheitsbestimmungen (meist die biomechanischen Grenzwerte) nicht eingehalten werden können und dadurch Änderungen an der Applikation durchgeführt werden müssen. So bildet sich ein Kreislauf aus „Validieren“ und „Änderungen vornehmen“, der erst nach mehreren Zyklen beendet werden kann. Ziel der vorliegenden Masterarbeit ist es, Empfehlungen zu konzipieren, mit welchen dieser Kreislauf frühzeitig durchbrochen werden kann. Die Arbeit beschränkt sich dabei auf das Leistungs- und Kraftbegrenzungsschutzprinzip. Um den Einfluss unterschiedlicher Parameter, wie beispielsweise die maximale TCP-Geschwindigkeit oder die Greifergeometrie, auf die Kollisionskräfte und Drücke zu erforschen, wurde ein biofideles Messsystem und ein Roboter vom Typ ABB GoFa™ verwendet. Diese Untersuchungen dienen zusammen mit den Sicherheitsbestimmungen als Grundlage der Gestaltungsempfehlungen. Um eine Anwendung der Empfehlungen vorzuzeigen, wird in der vorliegenden Arbeit exemplarisch eine MRK-Applikation gestaltet und validiert
In unserer digitalen Welt haben es einige Technologie-Marken bis ganz nach oben geschafft. Große Tech-Unternehmen wie Apple, Amazon, Microsoft und Google belegen die ersten Plätze der Best Global Brands im Jahr 2021 (Interbrand, 2021). Aber auch Automobilhersteller wie Toyota, Mercedes-Benz und BMW spielen ganz oben mit.
Wir möchten zunehmend mit unserer Außenwelt vernetzt sein, auch während dem Autofahren (Ulrich, 2015). So haben wir die Möglichkeit, unser Smartphone über eine Integrations-Schnittstelle, wie z.B. Apple CarPlay, in das vorhandene Infotainment-System des Autos zu integrieren. Durch die Integration werden zwei Systeme von unterschiedlichen Marken, basierend auf verschiedenen Styleguides, auf einem Bildschirm abwechselnd genutzt und dargestellt. Man kann zwischen den beiden Systemen hin und her wechseln, je nachdem, welche Funktionen man gerade nutzen möchte. Dabei entsteht einerseits ein heterogenes Benutzererlebnis für die Nutzerinnen und Nutzer, und auch für Designerinnen und Designer entstehen gewisse Herausforderungen. Lassen sich die Systeme unterschiedlicher Marken bis zu einem gewissen Punkt visuell aneinander annähern, und kann dadurch die Usability für die Nutzerinnen und Nutzer erhöht werden? Mit diesen Herausforderungen im Design beschäftigt sich diese Arbeit.
Ergebnis ist die Konzeption eines Gestaltungssystems, welches einen Vorschlag für die Annäherung zwei heterogener grafischer Benutzeroberflächen von zwei unterschiedlichen Marken bietet, wenn diese zusammen auf einem Bildschirm dargestellt und von den Nutzerinnen und Nutzern genutzt werden können. Anhand des Systems können die Interfaces aneinander angenähert werden, und sich dennoch über identifizierte Gestaltungselemente differenzieren.
This master’s thesis provides an overview of a more efficient, future-oriented living concept in Dornbirn, Austria. The use of a combined heat and power unit (CHP), in combination with a thermal storage, as a heating system is specifically investigated. In order to make this heating system more attractive for the consumer, the sale of the generated electricity from the CHP is considered. The more efficient use of energy for heating increases the attractiveness by a minimisation of the living space. This master’s thesis aims to draw attention to the issue and to achieve a rethinking in the planning of future living space. For the research and elaboration of this thesis, statistics and trustworthy literature were used, and physical modelling was applied. This Master’s thesis can be assigned to the fields of energy technology, mechatronics, architecture and civil engineering. It contributes for students, researchers, and other interested person in these sectors.
Gesellschaftliche, wirtschaftliche und technologische Entwicklungen und Trends des organisationalen Kontextes haben nicht zu vernachlässigende Auswirkungen auf organisationales Lernen. Sie wirken sich auf Unternehmen und die Ausgestaltung ihrer Lernwelten aus. Die im Organisationsumfeld zu verzeichnenden, kontextuellen Entwicklungen führen zu einem möglichen Anpassungsbedarf organisationaler Lernwelten im Hinblick auf deren räumliche, zeitliche, inhaltliche und methodische Ausgestaltung. Aufgrund der steigenden Dynamik und Komplexität des Unternehmenskontextes wird ein Lernverständnis erforderlich, welches einen Umgang mit den Charakteristika der VUCA-Welt ermöglicht. Abseits des formalen Lernens erfolgt die Betrachtung neuer, informeller und kooperativer Lernformen, die für die Ausgestaltung organisationaler Lernwelten eine Rolle spielen können. Der New Learning Ansatz enthält Prinzipien, die als Orientierung für die Ausgestaltung organisationaler Lernwelten dienen können, um Organisationen in ihrer Dynamikrobustheit zu unterstützen. Im Rahmen der Forschungsarbeit wird aufgrund der Notwendigkeit der Anpassung an den Unternehmenskontext untersucht, wie organisationale Lernwelten gestaltet werden sollten, damit Unternehmen dynamikrobust bestehen können und durch erzeugten Marktdruck wettbewerbsfähig bleiben.
In today’s world, fiber optic networks for data transmission are an essential technology. This technology provides multiple advantages compared to conventional electrical data transmission. The simultaneous transmission of multiple optical signals in a single fiber is one of the main benefits of fiber optic cable. This is accomplished by directing the different optical signals into a single fibre and splitting them up after the transmission in order to obtain the individual signals. Arrayed Waveguide Gratings (AWGs) are used for this purpose in modern optical networks. Design and evaluation process are two components of AWG development. During the evaluation of several simulated and already manufactured AWGs for telecommunication applications, it was discovered that the channel spacing parameter does not conform telecommunication standards. The correct shift of the geometric parameter ”separation of the output waveguides” leads to the standard-conform channel spacing.
According to the current state of the art, no commercial tool is available which calculates the shift of this parameter correctly. The aim of this thesis is the development of a software tool to calculate the accurate shifting of the geometric parameter ”separation of the output waveguides” of an AWG. This tool operates as an interface between the design and evaluation processes and must be able to import the data format of the evaluation process and returns the data in a suitable data format for the design process. The Vorarlberg University of Applied Sciences uses three different methods for the shifting of the geometric parameter ”separation of the output waveguides”. These methods are evaluated and optimised as part of this thesis. Additionally, it has been determined that the shift of the geometric parameter ”separation of the output waveguides” has no significant impact on the performance of the AWG.
Ein neuer Ansatz um Kohlendioxid aus einem Verbrennungsprozess abzuscheiden, auch Carbon Capture (CC) genannt, basiert auf der Gashydratsynthese. Dabei wird das Gas in Einschlussverbindungen aus Wassermolekülen, sogenannte Clathrate, eingefangen. Bei der Gashydratsynthese aus flüssigem Wasser, wie es bei bisherigen Methoden der Fall ist, treten selbsthemmende Effekte auf, die den Abscheideprozess verlangsamen.
In dieser Arbeit wird daher eine neue Methode entwickelt, um die Gashydratsynthese aus dampfförmigem Wasser zu untersuchen. Realisiert wird dies mit einem eigens entwickelten Versuchsreaktor, wobei ein Fallfilmverdampfer im Zentrum kontinuierlich Wasser verdampft. Der Abscheideversuch wird bei 20 - 40 bar und einem CO2-N2-Prüfgasgemisch betrieben. Das Herunterkühlen des Reaktors, mit einer Vorlauftemperatur von bis zu -65 °C, sorgt für stabile Wachstumsbedingungen an der Innenwand. Die Versuchsdurchführung zeigt, dass bei einer Ausgangskonzentration von 11,8 mol% CO2 am Ende des Abscheideprozesses im Minimum 10,7 mol% erreicht werden. Der im Gashydrat angereicherte CO2-Gehalt im liegt bei ca. 89 mol%.
Damit ist die Funktionsfähigkeit der neuartigen CC-Methode bewiesen und die Grundlage für die Weiterentwicklung des Prozesses geschaffen.
Diese Arbeit analysiert mithilfe von Umfragen allgemeine Themen über Erneuerbare-Energie-Gemeinschaft (EEG) und deren Verrechnungs-Visualisierung. Sie befasst sich im speziellen mit der Verrechnungs-Visualisierungsplattform der Firma Exnaton. Diese wird von den Teilnehmenden der Pilot-EEG-Schnifis für die Proformarechnung verwendet.
Die Umfrageergebnisse werden grafisch und in Textform dargestellt und präsentiert. Auf Basis einer eigenen Interpretation und einer SWOT-Analyse wurde die Bewertung durchgeführt. Es soll eine strategische Entscheidungsmöglichkeit, für die Anwendung einer Verrechnungs-Visualisierungsplattform, geschaffen werden.
Die meistgewählten Erwartungen bzw. Wünsche an eine EEG (Klimaschutz, Umweltschutz und Stärkung der regionalen Gemeinschaft) werden als großes Potential der Energiewende gesehen. Mit knapp 78 % kann sich die Mehrheit der Befragten „Gut“ bis „Sehr gut“ vorstellen, sich an einer EEG zu beteiligen. Die nutzerfreundliche Gestaltung der relevanten Daten und die einfache Anwendung werden als Stärke der Exnaton-Verrechnungs-Visualisierungsplattform angesehen. Von den Teilnehmenden der Pilot-EEG-Schnifis bestehen schon 50 % der Befragten im Jahr 2021 auf eine 15-minütige Visualisierung ihrer EEG-Daten. Dies lässt auf ein großes Potential an EEGs und den damit benötigten Verrechnungs-Visualisierungsplattformen schließen.