Auf Basis umfangreicher Messdatensätze experimentell und numerisch validierte Regeln zur optimierten Auslegung von Luft-Erdwärmetauschern

Ein Luft-Erdwärmetauscher (L-EWT) kommt wegen seines niedrigen Energiebedarfs und möglicher guter Aufwandszahlen als umweltfreundliche Versorgungskomponente für Gebäude in Betracht. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass ein L-EWT die Umgebungsluft je nach Jahreszeit vorwärmen oder auch kühlen kann. Dem zufolge sind L-EWT zur Energieeinsparung nicht nur für den Wohnhausbau interessant, sondern auch dort, wo immer noch große Mengen an fossiler Energie für die Raumkühlung benötigt werden, im Büro- und Produktionsgebäudesektor. Der Einsatzbereich eines L-EWT liegt zwischen Volumenströmen von 100 m3/h und mehreren 100.000 m3/h. Aus dieser Bandbreite und den instationären Randbedingungen entstehen erhebliche Schwierigkeiten, allgemeingültige Aussagen über das zu erwartende thermische Systemverhalten aus der Vielzahl möglicher Konstruktionsvarianten zu treffen. Hauptziel dieser Arbeit ist es, auf Basis umfangreicher, mehrjähriger Messungen an einer eigens konzipierten Testanlage und eines speziell angepassten numerischen Rechenmodells, Kennzahlen zu entwickeln, die es ermöglichen, die Betriebseigenschaften eines L-EWT im Planungsalltag zu bestimmen und ein technisch, ökologisch wie ökonomisch effizientes System zu identifizieren. Es werden die Kennzahlen elewt (Aufwandszahl), QV (Netto-Volumenleistung), ME (Meterertrag), sowie die Kombination aus v (Strömungsgeschwindigkeit) und VL (Metervolumenstrom) definiert, die zu wichtigen Informationen führen, mit denen die Qualität von Systemvarianten in der Planungsphase bewertet werden können. Weiterführende Erkenntnisse über die genauere Abschätzung von Bodenkennwerten werden dargestellt. Die hygienische Situation der durch den L-EWT transportierten Luft wird für die warme Jahreszeit, aufgrund auftretender Tauwasserbildung, beschrieben. Aus diesem Grund werden alle relevanten lufthygienischen Parameter in mehreren aufwendigen Messkampagnen erfasst und auf pathogene Wirkungen überprüft. Es wird über Sensitivitätsanalysen gezeigt, welche Fehler bei Annahme falscher Randbedingungen eintreten. Weiterhin werden in dieser Arbeit wesentliche, grundsätzliche Erkenntnisse aufbereitet, die sich aus der Betriebsbeobachtung und der Auswertung der umfangreich vorliegenden Messdaten mehrerer Anlagen ergeben haben und für die praktische Umsetzung und die Betriebsführung bedeutend sind. Hinweise zu Materialeigenschaften und zur Systemwirtschaftlichkeit sind detailliert aufgeführt.

Konstruktive und funktionale Entwicklung eines selbststeuernden Unterflurbewässerungsverfahrens

Unter Einfluss des gegenwärtigen Klimawandels sowie dem Anstieg der Erdbevölkerung ist der effiziente Umgang mit den vorhandenen Wasserressourcen ein zentrales Thema in der Bewässerungslandwirtschaft. Die Unterflurbewässerung ist ein seit Jahrtausenden bekanntes Verfahren, bei dem das Bewässerungswasser unterhalb der Erdoberfläche aufgebracht wird und der Pflanze direkt im Wurzelraum zur Verfügung steht. Die Gefäßbewässerung ist ein selbststeuerndes Verfahren wobei die Wassergabe aus dem unglasierten Tongefäß aufgrund der im umgebenden Boden anliegenden Saugspannung erfolgt. Diese wassersparende und dem Wasserbedarf der Pflanze angepasste Bewässerungsweise ist Grundlage der Überlegungen und Untersuchungen der vorliegenden Arbeit. Ausgehend von dem Gedanken der Kombination der Vorteile der Gefäßbewässerung mit denen moderner Materialien, die eine maschinelle Installation ermöglichen und eine lange Lebensdauer aufweisen, wurde die Entwicklung einer selbststeuernden Bewässerung verfolgt. Materialrecherchen und eine Auswahl als geeignet identifizierter Materialien führten zu Laboruntersuchungen an Hand derer die Darcy-Eigenschaften (linearer Zusammenhang zwischen Volumenstrom und anliegendem Druck) überprüft wurden. Membranen erwiesen sich danach als geeignet, so dass an einer ausgewählten Schlauchmembran weitergehende Untersuchungen zum Einsatz für die Bewässerung vorgenommen wurden. Diese umfassten Langzeitlaborversuche im Boden zur Untersuchung der Entwicklung der Durchlässigkeit der Schlauchmembran über die Zeit, sowie zum Nachweis der Selbststeuerung des Systems. Mit den gewonnenen Ergebnissen war es möglich großmaßstäbliche Versuche im Gewächshaus zu realisieren, bei der die Schlauchmembran im Vergleich zur Tropfbewässerung hinsichtlich Wasserverbrauch und Ernteertrag an Standorten in Deutschland und Algerien getestet wurde. Diese Gewächshausversuche zeigten vielversprechende Ergebnisse für die Membranschlauchbewässerung mit im Vergleich zur Tropfbewässerung erhöhten Erträgen bei gleichzeitig geringerem Wasserverbrauch. Dies wurde besonders bei Verwendung von Bewässerungswasser mit erhöhtem Salzgehalt deutlich. Sorgfältiger Beachtung bedarf die Wasserqualität, da die Membranschlauchbewässerung auf Wasserverunreinigungen mit Durchflussverminderung reagiert, die sich nachteilig auf die Pflanzenentwicklung auswirkt. Aufgabe weiterer Forschungen muss es demnach sein, technische Verfahren zu entwickeln, die die langfristige Leistungsfähigkeit der Membran im Bewässerungsbetrieb aufrechterhalten.

Stability of preconditioned finite volume schemes at low Mach numbers

In [4], Guillard and Viozat propose a finite volume method for the simulation of inviscid steady as well as unsteady flows at low Mach numbers, based on a preconditioning technique. The scheme satisfies the results of a single scale asymptotic analysis in a discrete sense and comprises the advantage that this can be derived by a slight modification of the dissipation term within the numerical flux function. Unfortunately, it can be observed by numerical experiments that the preconditioned approach combined with an explicit time integration scheme turns out to be unstable if the time step Dt does not satisfy the requirement to be O(M2) as the Mach number M tends to zero, whereas the corresponding standard method remains stable up to Dt=O(M), M to 0, which results from the well-known CFL-condition. We present a comprehensive mathematical substantiation of this numerical phenomenon by means of a von Neumann stability analysis, which reveals that in contrast to the standard approach, the dissipation matrix of the preconditioned numerical flux function possesses an eigenvalue growing like M-2 as M tends to zero, thus causing the diminishment of the stability region of the explicit scheme. Thereby, we present statements for both the standard preconditioner used by Guillard and Viozat [4] and the more general one due to Turkel [21]. The theoretical results are after wards confirmed by numerical experiments.

Numerical simulation of tunnel fires using preconditioned finite volume schemes

This article is concerned with the numerical simulation of flows at low Mach numbers which are subject to the gravitational force and strong heat sources. As a specific example for such flows, a fire event in a car tunnel will be considered in detail. The low Mach flow is treated with a preconditioning technique allowing the computation of unsteady flows, while the source terms for gravitation and heat are incorporated via operator splitting. It is shown that a first order discretization in space is not able to compute the buoyancy forces properly on reasonable grids. The feasibility of the method is demonstrated on several test cases.

Numerical Methods for Non-Stationary Stokes Flow

We consider a first order implicit time stepping procedure (Euler scheme) for the non-stationary Stokes equations in smoothly bounded domains of R3. Using energy estimates we can prove optimal convergence properties in the Sobolev spaces Hm(G) (m = 0;1;2) uniformly in time, provided that the solution of the Stokes equations has a certain degree of regularity. For the solution of the resulting Stokes resolvent boundary value problems we use a representation in form of hydrodynamical volume and boundary layer potentials, where the unknown source densities of the latter can be determined from uniquely solvable boundary integral equations’ systems. For the numerical computation of the potentials and the solution of the boundary integral equations a boundary element method of collocation type is used. Some simulations of a model problem are carried out and illustrate the efficiency of the method.