Institut für Energie und Gebäude (ieg)
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Ein oberflächennahestes Geothermiesystem wird aufgrund der ungedämmten Rohrleitungen und der Verlegung in 1 m bis 2 m Tiefe durch verschiedenste klimatische und hydrogeologische Rahmenbedingungen beeinflusst. Durch eine hygrothermische Simulationsanalyse konnten diese Einflussgrößen kategorisiert und bewertet werden. Dabei ist neben den klimatischen Rahmenbedingungen die Datengrundlage, wie die Einschätzung des Wasserhaltevermögens des Erdreichs und deren Wärmeleitfähigkeit sowie die Bodendichte, elementar. Dies führt zu teilweise signifikanten Änderungen des spezifischen Energieentzugs eines oberflächennahesten Geothermiesystems.Es wurde eine Parameterstudie zur Einschätzung der Einflussgrößen durchgeführt und die wichtigsten Einflussfaktoren ermittelt und bewertet. Die Ergebnisse der Einflussgrößen auf oberflächennaheste Geothermiesysteme führen zur verbesserten Einschätzung des Energieentzugs unter bestimmten klimatischen und bodenbedingten Randbedingungen.Die Simulationsergebnisse zeigen teils deutliche Unterschiede zu den bisher in der Fachwelt bekannten Werten der VDI 4640-2 und könnten als Basis für weitere Untersuchungen dienen.
Effective classroom ventilation is essential for indoor environmental quality (IEQ), com fort and health of schoolchildren, who spend substantial time indoors. This controlled observational study compared manual window airing (WA) with decentralized mechanical ventilation (DV) in six classrooms of two elementary schools during the winter infection period. Symptoms of upper respiratory tract infections, salivary biomarkers, well-being, perceived comfort, and classroom-level IEQ were assessed through questionnaires, saliva samples and long-term monitoring. Ninety-eight schoolchildren participated (64 WA, 34 DV). Symptom-based outcomes of the WURSS-K questionnaire showed consistently lower illness burden in group DV, with several parameters reaching statistical significance and an absolute risk reduction of 7.8%. Salivary immunoglobulin A (sIgA) concentrations were also significantly lower in group DV (approximately 39–59%, p ≤ 0.01). Sensitivity analyses showed positive associations of CO2 and PM2.5 with sIgA and indicated that PM2.5 exposure accounted for group differences. Comfort perceptions mirrored measured IEQ: DV classrooms exhibited warmer, more stable thermal conditions, lower CO2 and PM2.5, and slightly better thermal and draught-related impressions. Overall, decentralized mechanical ventilation supported favorable IEQ and comfort and may influence mucosal immune activity through reduced particulate exposure, complementing the observed reduction in symptom burden. A multidimensional approach integrating medical outcomes with continuous IEQ monitoring proved valuable and should be expanded in larger, balanced cohort studies.
Gute Luft und ein angenehmes Raumklima in Klassenräumen können die Leistungsfähigkeit, das Wohlbefinden und die Gesundheit von Schülerinnen und Schülern sowie Lehrkräften fördern. Die Covid-19-Pandemie hat dabei deutlich gemacht, wie wichtig eine gute Belüftung von Innenräumen ist, um ein Ansteckungsrisiko von über die Luft übertragbaren Infektionen zu senken. Dennoch zeigen aktuelle Studien, dass die Luftqualität in vielen Schulen häufig noch unzureichend ist. Wenn keine maschinellen Lüftungsanlagen vorhanden sind, ist regelmäßiges Lüften über die Fenster im Klassenraum unverzichtbar. Das lässt sich im Schulalltag jedoch oft nur schwer konsequent umsetzen – vor allem dann, wenn draußen sehr kalte oder sehr warme Temperaturen herrschen, was den thermischen Komfort im Raum stark beeinträchtigen kann. Maschinelle Lüftungsanlagen bieten gegenüber der Fensterlüftung den großen Vorteil einer kontrollierten Frischluftzufuhr – unabhängig von den Umgebungsbedingungen (wie z.°B. Außentemperatur, Wind, Lärm) und vom Nutzerverhalten. In der Anwendung können jedoch Fehler auftreten. Neben Komfort- und gesundheitlichen Aspekten sollte auch darauf geachtet werden, Lüftungskonzepte möglichst energieeffizient umzusetzen. Hier knüpft das interdisziplinäre Forschungsprojekt der TH Nürnberg und der Wolf GmbH mit
Unterstützung der Paracelsus Medizinischen Privatuniversität Salzburg an. Es untersucht folgende primäre Fragestellungen:
• Wie kann eine gute und gesunde Raumluft in Klassenräumen erreicht werden?
• Wie kann ein möglichst energieeffizienter Betrieb von Lüftungsanlagen gewährleistet
werden?
• Welche Potenziale und Fehlerquellen können in der Praxis auftreten?
Der Schwerpunkt liegt auf der Anwendung dezentraler Lüftungstechnik mit Außenluftwechsel, da diese gut für die Nachrüstung von Räumen in Bildungseinrichtungen geeignet ist. Für eine ganzheitliche Betrachtung werden eine zentrale raumlufttechnische Anlage und eine reine Fensterlüftung in Kombination mit CO2-Ampeln in die Untersuchungen eingeschlossen. Es wird der Einfluss auf physikalische Parameter auf der einen Seite und den Menschen auf der anderen Seite analysiert. Dabei werden die Aspekte Raumluftqualität, thermischer Komfort, Gesundheit und Energie betrachtet. Zur umfassenden Bewertung von Lüftungsstrategien verbindet das Projekt Simulationsstudien und eine empirische Feldstudie. In einer siebenmonatigen, kontrollierten Beobachtungsstudie wurden drei Lüftungskonzepte in der Praxis an drei Grundschulen über die Winterinfektionssaison 2023/24 detailliert untersucht:
• Reine Fensterlüftung in Kombination mit CO2-Ampeln
• Maschinelle Lüftung über dezentrale Lüftungsgeräte
• Maschinelle Lüftung über eine zentrale Lüftungsanlage
Im Rahmen eines umfangreichen Langzeit-Monitorings wurden Parameter zur Luftqualität und des thermischen Raumklimas sowie Fensteröffnungszustände in acht Klassenräumen und Wetterdaten an den drei Schulstandorten erfasst. Während der Studie kamen Fragebögen zu Raumkomfort und Wohlbefinden der Schulkinder sowie zu Erkältungssymptomen zum Einsatz. Ergänzend wurden Speichelproben der Schulkinder auf Infektionsparameter ausgewertet. Forschungsbericht (10.08.18.7- 22.32 & 22.33) 8 In numerischen Strömungssimulationen wurden Lüftungskonzepte für ein dezentrales Lüftungsgerät untersucht. Zusätzlich wurden Jahressimulationen sechs verschiedener Lüftungskonzepte in einer gekoppelten thermisch-energetischen Gebäudesimulation durchgeführt. Auf Basis der Ergebnisse aus Simulation und Feldstudie wurden praxisnahe Handlungsempfehlungen für gute und effiziente Lüftungskonzepte für Schulen formuliert und potenzielle Fehlerquellen im Umgang mit maschinellen Lüftungsanlagen identifiziert. Fachgerecht geplante und gut betriebene Lüftungstechnik – idealerweise mit Wärmerückgewinnung und bedarfsabhängiger Regelung – kann dazu beitragen, eine hohe Raumluftqualität in Klassenräumen zu gewährleisten, das Infektionsrisiko zu senken, den thermischen Komfort zu erhalten und Energie einzusparen.
Indoor environmental quality is essential for pupils` health, comfort, and academic performance. However, recent studies indicate that indoor air quality (IAQ) in classrooms is often inadequate. This observational study examines the impact of three ventilation concepts on IAQ and thermal comfort under real-life school conditions: manual window airing combined with CO2 traffic lights, decentralized mechanical ventilation, and centralized mechanical ventilation. Eight classrooms in three elementary schools were monitored from 10/2023 to 04/2024. Continuous long-term measurements covered CO2, PM2.5, VOCs, indoor air temperature, relative humidity and window opening states in the classrooms, and ambient data including PM2.5 at each school. Significant differences were found in all five indoor parameters across the three ventilation concepts. The decentralized ventilation group achieved the lowest CO2 concentrations (18–22% lower), while the window airing group showed the highest PM2.5 levels (mean of 6 µg/m3) and the lowest temperatures (21% of the time below 20 °C). Relative humidity tended to be too low for all concepts, particu-larly with mechanical ventilation (medians below 40%). Windows in the window airing group were opened approximately twice as long. The findings highlight the benefits of well-operated mechanical ventilation systems and underscore the importance of user awareness and system management.
To explore the ecological potential of large-scale geothermal collector systems (LSC) as a renewable heating and cooling solution for residential units in the U.S. West Coast finite volume simulations (FVM) were carried out. This study investigates for the first time in the LSC performance outside of Europe, demonstrating their significant potential for district heating and cooling solutions. However, it also reveals challenges in warmer climates where cooling requirements exceed heating demands. LSC systems here struggle due to increased soil temperatures, limiting their use for cooling, necessitating additional air conditioning. The FVM simulations also demonstrated that there is no supplementary soil dryness effect by using LSC systems. LSC systems paired with ground-source heat pumps (GS-HP) could reduce CO2 emissions by 72 % to 81 % compared to conventional Heating, Ventilation and Air Conditioning (HVAC) systems with economic benefits for residents. The efficiency comparison with air-source heat pumps (AS-HP) revealed a climate dependency of which solution is more efficient. This research outlines the ecological potential of LSC systems in diverse U.S. climates, marking a step forward in sector coupling and decarbonization strategies.
This paper investigates the performance analysis and operational challenges of mini-grids in Sub-Saharan Africa, focusing on the Tsumkwe and Gam mini-grids, the only officially recognized mini-grids in Namibia. The study addresses a critical gap in understanding mini-grid efficiency, technical difficulties, and future potential. The key research questions focus on assessing mini-grid performance, identifying technical and operational challenges, quantifying the relationship between electricity demand and supply, and providing recommendations for enhancing rural electrification through mini-grids. These insights are crucial for evaluating the effectiveness of mini-grids in the African context and understanding their role in advancing rural electrification. By using a mixed-method approach, the research combines quantitative and qualitative data to offer a comprehensive analysis of these two mini-grid systems of Namibia. The data collected from 2017 to 2022 include metrics on energy supply, consumption, photovoltaic generation, community load, and meteorological conditions. Qualitative insights were gathered through field visits, surveys, and interviews with mini-grid operators, allowing for a thorough examination of community perspectives, operational issues, and technical performance. The findings reveal that the Tsumkwe mini-grid has seen a decline in efficiency due to maintenance problems and battery overheating, while the Gam mini-grid, initially oversized, now struggles with increased demand and new connections. This study provides the first detailed technical insights, identifies consumer archetypes, and evaluates the energy dynamics of mini-grids in Namibia. Recommendations include improved maintenance protocols, advanced battery management, and enhanced data monitoring. By analyzing Tsumkwe and Gam, this paper offers valuable lessons for mini-grid development in Sub-Saharan Africa, stressing the need for continuous evaluation and strategic improvements to achieve sustainable rural electrification.
This study focuses on the numerical simulation of air flows in classrooms to investigate
comfort, infection control and energy efficiency. At first validation methods of a
computational fluid dynamics (CFD) simulation such as the mesh independence test and experimental validation are explained in detail. A mesh study is then carried out to determine the optimum mesh density for CFD simulations of the ventilation laboratory (room volume 123 m3). The experimental validation carried out shows that the simulation model reflects reality very well. Considering the measurement tolerance, the maximum deviation of the simulation from reality is 6.30% for the temperature and 8.29% for the air velocity. This validated CFD model is the basis for high-quality simulations of different ventilation scenarios. Specifically, the spread of airborne pathogens such as coronaviruses in classrooms will be investigated. This should help to implement future infection control measures in a more targeted manner.
In the course of the COVID-19 pandemic, indoor ventilation came into focus. In Germany, some schools were retrofitted with decentralized ventilation systems. This monitoring study compares the influence of mechanical and natural ventilation in classroom settings on indoor air quality (IAQ). Three different concepts are investigated: exclusively natural ventilation in combination with carbon dioxide (CO2) measuring devices and mechanical ventilation with decentralized air handling units (AHUs) and with a central ventilation system. This study examines eight classrooms across three elementary schools, continuously measuring CO2 concentrations and various other parameters. The evaluation of the monitoring data shows that the correct setting of ventilation systems is not a matter of course and is an important factor.
Im Forschungsvorhaben „+EQ-Net II“ wird der Betrieb eines gemischt genutzten Gebäudes über ein mehrjähriges Monitoring wissenschaftlich analysiert. Ziel ist es, Betriebsoptimierungspotenziale an der Anlagentechnik inklusive einer Großkollektoranlage zu heben. Aufgrund der Messdaten konnten bereits erhebliche Einsparpotenziale in der Wärmeverteilung aufgezeigt werden.
Large-Scale Geothermal Collector Systems for 5th Generation District Heating and Cooling Networks
(2021)
Low temperature district heating and cooling networks (5GDHC) in combination with very shallow geothermal energy potentials enable the complete renewable heating and cooling supply of settlements up to entire city districts. With the help of 5GDHC, heating and cooling can be distributed at a low temperature level with almost no distribution losses and made useable to consumers via decentralized heat pumps (HP). Numerous renewable heat sources, from wastewater heat exchangers and low-temperature industrial waste heat to borehole heat exchangers and large-scale geothermal collector systems (LSC), can be used for these networks. The use of large-scale geothermal collector systems also offers the opportunity to shift heating and cooling loads seasonally, contributing to flexibility in the heating network. In addition, the soil can be cooled below freezing point due to the strong regeneration caused by the solar irradiation. Multilayer geothermal collector systems can be used to deliberately generate excessive cooling of individual areas in order to provide cooling energy for residential buildings, office complexes or industrial applications. Planning these systems requires expertise and understanding regarding the interaction of these technologies in the overall system. This paper provides a summary of experience in planning 5GDHC with large-scale geothermal collector systems as well as other renewable heat sources.