Zugl.: Bonn, University, Diss., 2009.

Zur Ermittlung des Energieverbrauches bei Mensch und Tier stehen verschiedene Methoden zur Verfügung. Im Jahre 1780 nutzte Lavoisier die Schmelzwassermenge, um den Energieverlust eines Meerschweinchens zu berechnen. Das Tier saß in einem von Eis umgebenen Kalorimeter, die von ihm abgegebene Wärme brachte das Eis zum Schmelzen. Derzeit sind die indirekte Kalorimetrie, die den Energieumsatz über den im Respirationsversuch gemessenen Gaswechsel von O2 und CO2 sowie die im Harn ausgeschiedene Stickstoffmenge bestimmt, und die Isotopendilutionsmethode, die mit der unterschiedlichen Ausscheidungsrate von markierten Wasserstoff- (2H) und Sauerstoff- (18O) Atomen im Urin arbeitet, der „Goldstandard“ für die Bestimmung des Energieverbrauchs. Seit einigen Jahren bis heute steht die Herzfrequenzmethode in der Diskussion. Sie nutzt die Beziehung zwischen Herzfrequenz und Sauerstoffverbrauch zur Ermittlung des Energieumsatzes. Alle genannten Methoden haben Vor- und Nachteile, insbesondere für den einfachen und schnellen täglichen Einsatz sowie bei Langzeitstudien. Deshalb werden Alternativen gesucht. Diese Dissertation untersucht die Beziehung zwischen der akzelerometrisch erfassten dreidimensionalen Körperbeschleunigung und der Herzfrequenz beim Pferd in verschiedenen Gangarten. Dabei wird die Herzfrequenz als Vergleichs- und Bezugsgröße verwendet. Sie stellt das direkte Bindeglied zum Sauerstoffverbrauch und damit Energieaufwand dar. Es wurden drei Versuchsvarianten durchgeführt. Die Pferde gingen an der Hand, „geführt“, liefen frei in einem umzäunten Oval, „freilaufend“, oder wurden „geritten“. Bei den beiden Varianten „geführt“ und „freilaufend“ kamen jeweils dieselben vier Pferde zum Einsatz, die Variante „geritten“ absolvierten fünf andere Tiere. Die Versuche folgten verschiedenen Schemata mit den Gangarten Schritt, Trab und, zum Teil, Galopp. Bei allen Versuchen wurden parallel die dreidimensionale Körperbeschleunigung mit einer Frequenz von 32 Hz sowie die Herzfrequenz gemessen. Die Pulsuhr speicherte im kleinstmöglichen Intervall von fünf Sekunden. Nach Aufbereitung der Beschleunigungsrohdaten wurde letztendlich der dynamische Anteil der dreidimensionalen Beschleunigung in Form von „fünf-Sekunden-Mittelwerten“ berechnet. Anschließend wurden diese Beschleunigungswerte über die Regressionsanalyse mit den Originalwerten der Herzfrequenz in Beziehung gesetzt. Dabei wurden die Übergangsphasen zwischen den Gangarten ausgenommen, da die beiden Parameter hier ein sehr unterschiedliches und zeitversetztes Verhalten zeigen. Bei der Analyse der Gangarten Schritt und Trab konnte gut mit dem Modell der einfachen linearen Regression (y = a + bx) gearbeitet werden, mit Hinzukommen der dritten Gangart, Galopp, erwies sich das Modell der polynomialen Regression (y = a + bx + cx²) von Vorteil. Die Stärke des Zusammenhanges der beiden Größen wurde durch den Korrelationskoeffizienten r angezeigt. Bei differenzierter Betrachtung der Versuchsvarianten und der einzelnen Pferde erreichte r Werte von 0,86 bis 0,94, bei zusammenfassender Betrachtung aller Pferde einer Versuchsvariante Werte zwischen 0,82 und 0,87, stets bei signifikanter Korrelation (p < 0,05). Somit kann für die Parameter Herzfrequenz und Beschleunigung ein signifikanter und starker Zusammenhang beschrieben werden. Sie verhalten sich dabei nicht proportional zueinander. Schlussfolgernd lässt sich sagen, dass die Akzelerometrie für bestimmte Zielstellungen und unter bestimmten Voraussetzungen eine geeignete Methode ist, um den Energieaufwand von Pferden zu bestimmen. Sie ist schnell und meist störungsfrei durchzuführen und im Gegensatz zur Herzfrequenz nahezu unabhängig von emotionalen Einflüssen. Des Weiteren bietet die Akzelerometrie die Möglichkeit, die Ermittlung des Energieumsatzes mit einer Verhaltensanalyse zu kombinieren. Bedingungen für ihren Einsatz sind eine situationsspezifische und möglichst individuelle Kalibrierung, denn die Beschleunigungsmessung weist insofern Nachteile auf, als dass sie die Auswirkungen von zum Beispiel Bodenbeschaffenheit, Umwelteinflüssen oder das Tragen einer Last auf den Energieumsatz nicht berücksichtigt. Die parallele Erfassung von Herzfrequenz und Beschleunigung kann zum Beispiel zur Analyse und Kontrolle von Trainingserfolgen genutzt werden. Somit bringt die Kombination von Herzfrequenz- und Beschleunigungsmessung klare Vorteile. / There are different opportunities to determine the consumption of energy in humans and animals. In 1780 Lavoisier used the quantity of melt water to calculate the energy loss of a guinea pig. The guinea pig was located inside a calorimeter which was surrounded by ice. The emitted heat induced the melting of the ice. At present both, indirect calorimetry that estimates energy expenditure from respiratory measurements of oxygen consumption and carbon dioxide production plus the excretion of nitrogen with the urine and the DLW-method that uses the different urinary elimination rates of the isotopes 2H and 18O are the so called “golden standard” for the calculation of energy consumption. For several years until now there has been a discussion about the heart rate-method. This method uses the correlation between heart rate and oxygen consumption for the calculation of energy expenditure. All above mentioned methods have pros and cons, especially for simple and quick every day application and for long-term studies. Therefore alternatives are searched. This dissertation examines the relation between the accelerometricly measured three-dimensional body acceleration and the heart rate in horses at different gaits. The heart rate has been used for comparison and as a reference item. It directly relates the acceleration with the oxygen consumption and thus with the energy expenditure. There have been three variants of trials. Horses were led by the hand (HD), moved freely (MF) in an enclosed oval or were ridden (R). In the HD- and MF-trials the same four horses were used, for the R-trials five other horses came into action. The trials followed different schemes with the gaits of walk, trot and gallop. At every trial three-dimensional body-acceleration with a logging frequency of 32 Hz and heart rate were measured simultaneously. The heart rate meter stored the heart rate in the smallest possible intervals of five seconds. After processing the crude data the dynamic part of the three-dimensional acceleration was calculated in form of “five-second-means”. After that the regression analysis was used to relate these acceleration data to the original heart rate data. In this process the transitional phases between the gaits were excluded because there both parameters have a highly varying and time-shifted relation. The model of simple linear regression (y = a + bx) suited well for analysing walking and trotting. With adding the third gait gallop the model of polynomial regression (y = a + bx + cx²) became more favourable. The correlation coefficient r showed the strength of the correlation between both parameters. By the separate inspection of the variants of trials and the individual horses r reached values from 0,86 to 0,94; pooling all horses of each variant of trials yields r-values from 0,82 to 0,87, always with a significant correlation (p < 0,05). Hence a significant and strong correlation can be attributed to the parameters heart rate and acceleration. They are not proportional to each other. In conclusion one can say: for specific aims and under certain conditions the accelerometry is an appropriate method to assess energy expenditure in horses. You can implement it quickly and mostly disturbance-free and in contrast to the heart rate it is nearly independent of emotional influence. Furthermore accelerometry gives the opportunity to combine the determination of the energy expenditure with the analysis of behaviour. A possibly individual and situation-specific calibration are the preconditions for its application. A setback of the accelerometry is that the effects of such factors like the condition of the ground, environmental influences or carrying weights are not taken into consideration. Simultaneous measurement of heart rate and body-acceleration can for example be used for analysing and controlling the success of training. Consequently there are clear advantages of combining the measurement of heart rate and acceleration.

Auf der Grundlage eines mathematischen Modells zur Beschreibung der Druckentwicklung in pneumatischen Verdichtungsanlagen, welche zur Herstellung von Kernen und Formen dienen, wurden Computerprogramme erstellt. Mit deren Hilfe können Parameteridentifikationen zur Ermittlung maschinentechnischer Größen (Durchflusskoeffizienten, Ventilfunktionen) durchgeführt und Druckverläufe berechnet werden. Es erfolgt der Nachweis, dass das mathematische Modell die Prozesse hinreichend genau wiedergibt. Im theoretischen Teil werden Betrachtungen zu Einflussgrößen auf die Druckentwicklung angestellt. Dabei wurde festgestellt, dass das Maschinenbehältervolumen den größten Einfluss ausübt. Weiterhin sind Untersuchungen bzgl. der Druckentwicklungsabhängigkeit von Ventileigenschaften durchgeführt worden. Als Kriterium zur Bewertung von pneumatischen Anlagen wurden die Energiebilanz und der Druckanstieg über dem Formstoff diskutiert.

Die immer schneller steigenden Energiepreise haben in der jüngsten Vergangenheit eine breite Diskussion über Energieeffizienz und alternative Erzeugungsverfahren ausgelöst. Von besonderer Bedeutung ist dies für den Gebäudesektor und die darin installierte Anlagentechnik, da in Deutschland ca. 30 % des Energieverbrauches hier anfallen. Eine Minderung dieses Verbrauches kann nur durch eine Vielzahl von Maßnahmen erreicht werden, die schon bei der Planung berücksichtigt werden müssen. Vor diesem Hintergrund wird in diesem Artikel die Anordnung von freien Heizflächen im Raum untersucht sowie energetische und wärmephysiologische Ergebnisse aufgezeigt. Die beschriebenen Analysen wurden für eine repräsentative Raumgeometrie vorgenommen, wodurch es möglich ist, die Aussagen auf eine Vielzahl von Räumen zu übertragen. / The steady rise in energy prices has recently triggered a broad discussion on energy efficiency and alternative methods of generation. Since approximately 30 % of the total energy consumption is attributable to HVAC installations (Heating, Ventilation and Air Conditioning), this sector is acutely relevant for the building industry and for building services. Reduction of the building energy consumption can be achieved only by applying a wide range of measures across the whole process from planning to the realisation stage. Considering the aforementioned, the influence on thermal comfort and energy consumption of different radiator positions within a room is described in the following paper. The analysis was carried out for a representative room geometry, which allows the results to be applied to a broad spectrum of real room configurations.

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Im Zuge der immer größer werdenden Knappheit fossiler Ressourcen und des damit verbundenen Anstiegs des Rohölpreises ergibt sich ein Trend hin zur Elektromobilität. In den nächsten Jahren werden jedoch nur Elektrofahrzeuge mit deutlich eingeschränkter maximaler Reichweite im Vergleich zu Benzin- oder Dieselfahrzeugen produziert werden können. Um den täglichen Umgang des Kunden mit einem Elektrofahrzeug trotzdem möglichst reibungslos zu ermöglichen, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine neuartige Anzeige der verbleibenden Reichweite auf der Navigationskarte entwickelt. Nach detaillierter Analyse vorhandener Ansätze wurde je ein empirisches und ein modellbasiertes Verfahren ausgearbeitet. Die Ansätze wurden systematisch verglichen und zu einem komplett neuartigen, hybriden Ansatz kombiniert. Die auftretenden Verbräuche des Fahrzeugs werden im Kundenbetrieb erfasst, je nach Fahrsituation klassifiziert und für eine Extrapolation in der Zukunft verwendet. Die entwickelte Methodik zur Untersuchung der erreichbaren Genauigkeit ergab ein erzielbares Fehlermaß von durchschnittlich unter 10%. / Due to the prospect of a worldwide shortage of fossil fuels and the correlated increase of prices for crude-oil, a global trend to invest in electric mobility has started. During the next couple of years, electric vehicles will still have restrictions on the maximum distance that can be driven before having the need to recharge the battery. The potential costumers face the so-called „range-anxiety“, the fear to be stranded prior to reaching the destination. In order to provide a safe and easy way of operating such a vehicle, the work conducted in the course of this doctoral thesis led to a new way of displaying the remaining range of the vehicle on a navigation map. After detailed analysis of the state of the art, an empirical- and a model-based solution for calculating the remaining range were developed utilizing predictive map-data from a roadnetwork. After a systematical optimization of the developed solutions, an embedded prototype was developed which captured the driving situation of the vehicle together with the corresponding energy-consumption in order to provide a context-aware interpolation of the remaining range, depending on where the costumer would drive next. A developed methodology of objectively determining the error produced by the system resulted in a mean-deviation of 10% of absolute value.