Nachhaltige Architektur erfordert neue Bauformen, innovative Konstruktionen und die Verwendung neuartiger Baumaterialien. Zur Abschätzung des Risikos von feuchtebedingten Schäden finden Programme der hygrothermischen Bauteilsimulation Anwendung. Bei der Entwicklung solcher Simulationsprogramme spielt die korrekte Modellierung der Klimarandbedingungen eine entscheidende Rolle. Beim Übergang von der kurzwelligen horizontalen Strahlungsstromdichte auf die kurzwellige Strahlungsstromdichte eines beliebigen Bauteils müssen Himmelsrichtung der Flächennormalen und die Neigung des Bauteils zum Ausschluss von Eigenverschattung berücksichtigt werden. Das dargestellte integrale Modell erlaubt die Berechnung und Programmierung in einem hygrothermischen Simulationsprogramm. Für den Fall, dass nur Messwerte der globalen Strahlungsstromdichte zur Verfügung stehen, können die direkten und diffusen Anteile mithilfe geeigneter Modelle mit einer sehr guten Genauigkeit berechnet werden. Zur Berechnung der langwelligen Strahlungsbilanz eines Bauteils stehen nur selten jene Klimaparameter zur Verfügung, mit denen die atmosphärische langwellige Strahlungsflussdichte analytisch bestimmt werden kann, weshalb semi-empirische Modelle Anwendung finden müssen. Die langwellige Ausstrahlung der Atmosphäre kann mithilfe von bodennaher Lufttemperatur und Luftfeuchte sowie zweier Bedeckungsgrad-Indizes berechnet werden, welche die langwelligen Strahlungseigenschaften der Atmosphäre auf der Basis der vorhandenen kurzwelligen Strahlungsstromdichten beschreiben. Damit wird erstmals ein umfassendes Modell für die langwellige Strahlungsbilanz vorgelegt, welches alle Möglichkeiten der Datenverfügbarkeit berücksichtigt. Die Berechnung der Schlagregenstromdichte auf ein Bauteil kann mit den meisten vorliegenden semi-empirischen Modellen nur sehr ungenau erfolgen. Andere Verfahren, wie z.B. CFD-Simulationen, kommen wegen des beträchtlichen Aufwands meist nicht in Frage. Das bislang einzige vorliegende umfassende validierte semi-empirische Modell von Blocken kann durch die Berücksichtigung der mesoklimatischen Verhältnisse in seiner Genauigkeit verbessert werden. / Sustainable architecture requires new building design, innovative constructions and the use of newly developed building materials. In order to determine the risk of moisture-related damages, computer programs for hygrothermal building part simulation are being used. If one develops such a simulation program, correct modelling of climatic boundary conditions plays an important role. When calculating the shortwave solar radiation flux density at an arbitrary building part on the basis of the shortwave solar radiation flux density on the horizontal surface, one must take into consideration the orientation and the inclination of the building part in order to preclude self-shading. The presented integral model allows the calculation and the programming in a hygrothermal simulation program. If only measured values of global radiation flux density are available, direct and diffuse parts can be determined very precisely by means of validated models. When calculating the longwave radiation balance on a building part, the needed values for the correct determination of atmospheric longwave radiation are hardly available. That’s why semi-empirical models will be applied. The longwave radiation flux density of the atmosphere can be determined on the basis of near-ground temperature and relative humidity and two cloud cover indices, which describe the longwave irradiative properties of the atmosphere by means of available shortwave radiation flux densities. Therewith, firstly an integral model is being presented in order to determine longwave radiation balance, which considers all possibilities of data availability. Most models for determination of driving rain load work with very bad accuracy. Other methods such as computational fluid dynamics (CFD) are not possible for hygrothermal building part simulations because of the huge effort. The only fully validated semi-empirical model by Blocken can be improved, if meso-climatic boundary conditions are taken into consideration.

Inhalt der Arbeit sind Untersuchungen zu mit der Molekularstrahlepitaxie (MBE) realisierten Materialkonzepten für ultra-schnelle Anwendungen in der Photonik. Nominell undotierte und Be dotierte GaInAs/AlInAs Vielfach-Quantenfilm Strukturen (MQW) wurden auf semi-isolierenden InP Substraten bei Wachstumstemperaturen bis zu 100°C mittels MBE (LT-MBE) abgeschieden. Untersucht wurden die kristallinen, elektrischen und optischen Eigenschaften dieser Schichtstrukturen im unbehandelten und ausgeheilten Zustand. Die elektrischen und optischen Eigenschaften der LT-MQWs sind auf Zustände nahe der Leitungsbandkante von GaInAs zurückzuführen. Die Dynamik der Ladungsträgerrelaxation wurde durch Anrege- und Abtastexperimente bestimmt. Messungen der differentiellen Transmission mit zusätzlicher Dauerstrichanregung, sowie Messungen mit zwei kurz aufeinander folgenden Anregepulsen, belegen das Potential von Be dotierten unbehandelten (ausgeheilten) LT GaInAs/AlInAs MQW Strukturen für die Verwendung in optischen Schaltern mit Schaltfrequenzen in der Größenordnung von 1 Tbit/s (250 Gbit/s). Die spannungsinduzierten Änderung der Interband-Transmission von Quantenkaskadenlaser (QCL) im gepulsten Betrieb wurde anhand von 8 Band k*p Berechnungen analysiert. Die Auswirkungen unterschiedlicher Ladungsträgerverteilungen und Probenerwärmung sind gegenüber dem dominierenden Effekt des elektrischen Feldes auf die Interband Transmission zu vernachlässigen. Der Einfluss von MBE Wachstumsparameter auf die Grenzflächenqualität von AlAsSb/GaInAs Heterostrukturen wurde anhand von Hall Messungen, temperatur- und intensitätsabhängigen PL Messungen, spektralen Messungen der Interband- und Intersubbandabsorption bestimmt. Bandstruktur-Näherungsrechnungen ermöglichten, den Einfluss von In Segregation und Sb Diffusion auf die Intersubbandabsorption zu analysieren. Intersubband Übergänge bei Wellenlängen von ca. 1800 nm (1550 nm) wurden in MQW (gekoppelten QW) Strukturen realisiert. / The present work describes investigation of new material concepts accomplished using molecular-beam-epitaxy (MBE) growth for application in ultra-fast photonic components. Nominally undoped and Be doped GaInAs/AlInAs multiple-quantumwell structures (MQW) were grown by MBE at growth temperatures down to 100 °C (LT-MBE) on semi-insulating InP substrates. Crystalline, electric and optical properties of as-grown and annealed structures were investigated. Energy states near the conduction band of GaInAs determine the electrical and optical properties of LT-MQWs. The dynamics of charge carrier relaxation was studied by means of pump and probe experiments. Measurements of the differential transmission when excited by an additional cw laser and measurements utilizing two closely sequenced pump pulses support the capability of Be doped as-grown (annealed) LT GaInAs/AlInAs MQW structures for use in optical switches at switching frequencies in the 1 Tbit/s (250 Gbit/s) range. The voltage-induced change of interband transmission of InP based quantum-cascade-lasers (QCL) during pulsed mode operation was analyzed by means of 8 band k*p calculations. The impacts of varying charge carrier distributions and of electrically heated samples can be neglected compared to the dominating effect of the electrical field on the interband transmission. The impact of MBE growth parameters on the interface quality of AlAsSb/ GaInAs heterostructures were determined by means of Hall measurements, temperature- and intensity-dependent PL measurements and spectral measurements of the interband- and intersubband-absorption. The impact of In segregation and Sb diffusion on the intersubband absorption was analyzed on the basis of bandstructure calculations. Intersubband transitions at wavelengths of about 1800 nm (1550 nm) were successfully achieved in MQW (coupled QW) structures.

Nachhaltige Architektur erfordert neue Bauformen, innovative Konstruktionen und die Verwendung neuartiger Baumaterialien. Zur Abschätzung des Risikos von feuchtebedingten Schäden finden Programme der hygrothermischen Bauteilsimulation Anwendung. Bei der Entwicklung solcher Simulationsprogramme spielt die korrekte Modellierung der Klimarandbedingungen eine entscheidende Rolle. Beim Übergang von der kurzwelligen horizontalen Strahlungsstromdichte auf die kurzwellige Strahlungsstromdichte eines beliebigen Bauteils müssen Himmelsrichtung der Flächennormalen und die Neigung des Bauteils zum Ausschluss von Eigenverschattung berücksichtigt werden. Das dargestellte integrale Modell erlaubt die Berechnung und Programmierung in einem hygrothermischen Simulationsprogramm. Für den Fall, dass nur Messwerte der globalen Strahlungsstromdichte zur Verfügung stehen, können die direkten und diffusen Anteile mithilfe geeigneter Modelle mit einer sehr guten Genauigkeit berechnet werden. Zur Berechnung der langwelligen Strahlungsbilanz eines Bauteils stehen nur selten jene Klimaparameter zur Verfügung, mit denen die atmosphärische langwellige Strahlungsflussdichte analytisch bestimmt werden kann, weshalb semi-empirische Modelle Anwendung finden müssen. Die langwellige Ausstrahlung der Atmosphäre kann mithilfe von bodennaher Lufttemperatur und Luftfeuchte sowie zweier Bedeckungsgrad-Indizes berechnet werden, welche die langwelligen Strahlungseigenschaften der Atmosphäre auf der Basis der vorhandenen kurzwelligen Strahlungsstromdichten beschreiben. Damit wird erstmals ein umfassendes Modell für die langwellige Strahlungsbilanz vorgelegt, welches alle Möglichkeiten der Datenverfügbarkeit berücksichtigt. Die Berechnung der Schlagregenstromdichte auf ein Bauteil kann mit den meisten vorliegenden semi-empirischen Modellen nur sehr ungenau erfolgen. Andere Verfahren, wie z.B. CFD-Simulationen, kommen wegen des beträchtlichen Aufwands meist nicht in Frage. Das bislang einzige vorliegende umfassende validierte semi-empirische Modell von Blocken kann durch die Berücksichtigung der mesoklimatischen Verhältnisse in seiner Genauigkeit verbessert werden. / Sustainable architecture requires new building design, innovative constructions and the use of newly developed building materials. In order to determine the risk of moisture-related damages, computer programs for hygrothermal building part simulation are being used. If one develops such a simulation program, correct modelling of climatic boundary conditions plays an important role. When calculating the shortwave solar radiation flux density at an arbitrary building part on the basis of the shortwave solar radiation flux density on the horizontal surface, one must take into consideration the orientation and the inclination of the building part in order to preclude self-shading. The presented integral model allows the calculation and the programming in a hygrothermal simulation program. If only measured values of global radiation flux density are available, direct and diffuse parts can be determined very precisely by means of validated models. When calculating the longwave radiation balance on a building part, the needed values for the correct determination of atmospheric longwave radiation are hardly available. That’s why semi-empirical models will be applied. The longwave radiation flux density of the atmosphere can be determined on the basis of near-ground temperature and relative humidity and two cloud cover indices, which describe the longwave irradiative properties of the atmosphere by means of available shortwave radiation flux densities. Therewith, firstly an integral model is being presented in order to determine longwave radiation balance, which considers all possibilities of data availability. Most models for determination of driving rain load work with very bad accuracy. Other methods such as computational fluid dynamics (CFD) are not possible for hygrothermal building part simulations because of the huge effort. The only fully validated semi-empirical model by Blocken can be improved, if meso-climatic boundary conditions are taken into consideration.

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