Es ist ein politisch erklärtes Ziel, den Ausstoß von klimaschädlichen Treibhausgasen weltweit zu verringern. Eine wesentliche Stellschraube im Gebiet des Bauwesens stellt hierbei die Einsparung von Energien zur Raumkonditionierung dar. Diese wird unter anderem über das Lüftungskonzept beeinflusst. Die Belüftung von Gebäuden ist zwingend notwendig, um die Emissionen der Baustoffe und die der Menschen, beispielsweise ihren CO2-Ausstoß über die Atmung, abzuführen und der Schimmelbildung vorzubeugen. Erfolgt die Belüftung über öffenbare Fenster – natürliche Lüftung – wird so allerdings energetisch aufwändig temperierte Raumluft mit untemperierter Außenluft ausgetauscht. Daraus können Wärmeverluste und thermisches Unbehagen resultieren. Energieeffiziente Technologien sind ventilatorgestützte Lüftungssysteme mit Wärmerückgewinnung. Doch nicht für alle Gebäudekonzepte und Nutzer stellen diese Lüftungskonzepte einen hohen Nutzerkomfort dar. Korrelationen zwischen Gebäuden mit ventilatorgestützten Lüftungsystemen und dem Sick-Building-Syndrom sind in der Literatur beschrieben, während hier für natürliche Lüftungskonzepte keine Korrelation besteht. Stattdessen wird in Nutzerbefragungen der natürlichen Lüftung eine hohe Akzeptanz zugeschrieben. Mit elektrisch angetriebenen Fenstern kann die natürliche Lüftung nutzerunabhängig gesteuert und so Wärmeverluste und thermisches Unbehagen kontrolliert werden. Bisher sind die Auslegungen solcher kontrollierten natürlichen Lüftungskonzepte noch sehr planungsintensiv. Das Ziel der Arbeit ist es, für Büro- und Verwaltungsgebäude Öffnungs- und Schließsignale einer kontrollierten natürlichen Lüftung zu geben. Diese zeichnen sich darüber aus, dass sie ein gesundes Raumklima, eine hohe Nutzerbehaglichkeit und Energieeffizienz über den Jahresverlauf schaffen und auf ihre Robustheit gegenüber Änderungen von Gebäuderandbedingungen überprüft sind. Für das Ziel wird ein über CO2- und Temperatursensoren gesteuertes Fenstersystem mittels dynamisch thermischer Gebäudesimulationen in vier Varianten von Schließsignalen auf thermische Behaglichkeit und Energiebedarf untersucht. Die Grundlage dazu stellt die bezüglich Entwurf, Konstruktion und Nutzung allgemeingültige Entwicklung eines Büroraums dar. Der Büroraum wird im Simulationsmodell abgebildet und in Realität errichtet. Die Kombination von Simulationsmodell und realem, als experimentellem Teststand ausgeführtem Büroraum ermöglicht verifizierte Ergebnisse. So werden vier Berechnungsmodelle für Luftvolumenströme von Fenstern über den Teststand verifiziert. Dazu dienen Luftwechselmessungen nach der Konstantinjektionsmethode an 173 Fensteröffnungen für fünf Außentemperatur- und elf Windgeschwindigkeitsbereiche. Das Berechnungsmodell nach DIN EN 16798-7 zeigt sich als realitätsnah. Da dieses Berechnungsmodell nicht im Gebäudesimulationsprogramm implementiert ist, wird eine Methode zur Implementierung entwickelt. Über das entwickelte Simulationsmodell zeigt sich, dass eine kombinierte CO2- und temperaturgesteuerte kontrollierte natürliche Lüftung nur zweimal im Jahr ihre Grenzwerte zur Fensteröffnung und -schließung variieren muss, um ganzjährig eine hohe Energieeffizienz und Nutzerbehaglichkeit zu schaffen. Die Schließsignale des sensorgesteuerten Fenstersystems werden in eine Zeitsteuerung überführt. Es zeigt sich, dass für die kühlen Monate jede Öffnung mit identischer Dauer angesetzt werden darf. In wärmeren Monaten muss die Öffnungsdauer in Abhängigkeit der Außentemperatur angepasst werden, so dass eine Zeitsteuerung mit einer Außentemperaturmessung gekoppelt werden muss. Die Ergebnisse zeigen, dass über eine Variation der Schließsignale einer kontrollierten natürlichen Lüftung die Energieeffizienz und die thermische Behaglichkeit wesentlich gesteigert werden und dass selbst bei geringen Windgeschwindigkeiten und Temperaturdifferenzen die Raumluftqualität stets gewährleistet ist. Für nahezu alle Standorte in Deutschland kann die kontrollierte natürliche Lüftung so den Kühlbedarf der untersuchten Büroräume eliminieren, ohne in einer sommerlichen Überhitzung der Räume zu resultieren. Die entwickelten und bezüglich Raumluftqualität und thermischer Behaglichkeit charakterisierten Sensor- und Zeitsteuerungen tragen dazu bei, die kontrollierte natürliche Lüftung als wartungsarme, technikreduzierte Alternative zu der ventilatorgestützten Lüftung zu etablieren.:1 Einleitung 2 Natürliche Lüftung 3 Kontrollmöglichkeiten der natürlichen Lüftung 4 Entwicklung der Untersuchungsmodelle 5 Voruntersuchungen 6 Sensorsteuerung für den Basisraum 7 Zeitsteuerung für den Basisraum 8 Übertragung auf unterschiedliche Gebäuderandbedingungen 9 Diskussion und Empfehlungen 10 Zusammenfassung und Ausblick 11 Literatur 12 Abbildungsnachweis 13 Bezeichnungen 14 Anhang / It is a politically declared goal to reduce the emission of climate-damaging greenhouse gases worldwide. To support this goal by the building industry a key driver is the saving of energy for room conditioning. Among other factors, this is influenced by the ventilation concept. Also the ventilation of buildings is absolutely necessary in order to remove the emissions of the building materials and those of the people, for example their CO2 emissions through breathing as well as to prevent mould. However, if ventilation is carried out via openable windows - natural ventilation - then energetically expensive tempered room air is exchanged with cold outside air. This could result in heat loss and thermal discomfort. Mechanical ventilation systems with heat recovery are energy-efficient technologies. However, these ventilation concepts do not represent a high level of user comfort for all building concepts and users. Correlations between buildings with mechanical ventilation systems and sick building syndrome are described in the literature, while there is no such correlation for natural ventilation concepts. Instead, a high level of acceptance is attributed to it in user surveys. With electrically driven and controlled windows, natural ventilation can be controlled independently from the user, thus minimizing heat loss and thermal discomfort. So far, the design of such controlled natural ventilation concepts is still very planning-intensive. The aim of this work is to provide opening and closing signals for controlled natural ventilation in office buildings. These are characterized for their capability to create a high indoor air quality, high user comfort and high energy efficiency over the course of the year and are tested for their robustness against changes in building characteristics. To achieve this goal, a window system controlled by CO2 and temperature sensors is examined for its impact on thermal comfort and energy demand by means of building simulation tools with four variants of closing signals. As a basis for this examination an office room is utilized that conforms to the current standards in terms of design, construction and use. The office space is transferred to a simulation model and constructed in reality. The combination of the simulation model and the real office space, which is designed as an experimental test rig, enables verified results. Thus, four calculation models for air flow volumes of windows are verified via the test rig. Air exchange measurements according to the constant injection method on 173 window openings for five outdoor temperature and eleven wind speed ranges are used for this purpose. The calculation model according to DIN EN 16798-7 proves to be close to reality. Since this calculation model is not implemented in the building simulation program, a method for its implementation is developed. Using the developed simulation model, it is shown that a combined CO2- and temperature-controlled natural ventilation creates a high energy efficiency and user comfort throughout the year by varying its limit values for window opening and closing only twice a year. The closing signals of the sensor controlled window system are transferred to a time control system. It turns out that for the cold months, each opening could be set to the same opening time. In warmer months, the opening time must be adjusted depending on the outside temperature. Thus, a time control should be coupled with an outside air temperature measurement. The results show that by varying the closing signals of a controlled natural ventilation system, the energy efficiency and thermal comfort is significantly increased and that a high indoor air quality is always guaranteed even at low wind speeds and low temperature differences. For almost all locations in Germany, controlled natural ventilation can thus eliminate the cooling requirements in the office spaces studied without overheating in the summer. The developed sensor and time control systems are characterized by high indoor air quality and good thermal comfort. Thus, these systems are a contribution to promote controlled natural ventilation as a low-maintenance and technically reduced alternative to mechanical ventilation.:1 Einleitung 2 Natürliche Lüftung 3 Kontrollmöglichkeiten der natürlichen Lüftung 4 Entwicklung der Untersuchungsmodelle 5 Voruntersuchungen 6 Sensorsteuerung für den Basisraum 7 Zeitsteuerung für den Basisraum 8 Übertragung auf unterschiedliche Gebäuderandbedingungen 9 Diskussion und Empfehlungen 10 Zusammenfassung und Ausblick 11 Literatur 12 Abbildungsnachweis 13 Bezeichnungen 14 Anhang

<p>To apply Industry 4.0 technologies and accelerate the modernization of continuous pharmaceutical manufacturing, digital twin (DT) and advanced process control (APC) strategies are indispensable. The DT serves as a virtual representation that mirrors the behavior of the physical process system, enabling real-time monitoring and predictive capabilities. Consequently, this facilitates the feasibility of real-time release testing (RTRT) and enhances drug product development and manufacturing efficiency by reducing the need for extensive sampling and testing. Moreover, APC strategies are required to address variations in raw material properties and process uncertainties while ensuring that desired critical quality attributes (CQAs) of in-process materials and final products are maintained. When deviations from quality targets are detected, APC must provide optimal real-time corrective actions, offering better control performance than the traditional open loop-control method. The progress in DT and APC is beneficial in shifting from the paradigm of Quality-by-Test (QbT) to that of Quality-by-Design (QbD) and Quality-by-Control (QbC), which emphasize the importance of process knowledge and real-time information to ensure product quality.</p> <p><br></p> <p>This study focuses on four key elements and their applications in a continuous dry granulation tableting process, including feeding, blending, roll compaction, ribbon milling and tableting unit operations. Firstly, the necessity of a digital infrastructure for data collection and integration is emphasized. An ISA-95-based hierarchical automation framework is implemented for continuous pharmaceutical manufacturing, with each level serving specific purposes related to production, sensing, process control, manufacturing operations, and business planning. Secondly, investigation of process analytical technology (PAT) tools for real-time measurements is highlighted as a prerequisite for effective real-time process management. For instance, the measurement of mass flow rate, a critical process parameter (CPP) in continuous manufacturing, was previously limited to loss-in-weight (LIW) feeders. To overcome this limitation, a novel capacitance-based mass flow sensor, the ECVT sensor, has been integrated into the continuous direct compaction process to capture real-time powder flow rates downstream of the LIW feeders. Additionally, the use of near-infrared (NIR)-based sensor for real-time measurement of ribbon solid fraction in dry granulation processes is explored. Proper spectra selection and pre-processing techniques are employed to transform the spectra into useful real-time information. Thirdly, the development of quantitative models that establish a link between CPPs and CQAs is addressed, enabling effective product design and process control. Mechanistic models and hybrid models are employed to describe the continuous direct compaction (DC) and dry granulation (DG) processes. Finally, applying APC strategies becomes feasible with the aid of real-time measurements and model predictions. Real-time optimization techniques are used to combine measurements and model predictions to infer unmeasured states or mitigate the impact of measurement noise. In this work, the moving horizon estimation-based nonlinear model predictive control (MHE-NMPC) framework is utilized. It leverages the capabilities of MHE for parameter updates and state estimation to enable adaptive models using data from the past time window. Simultaneously, NMPC ensures satisfactory setpoint tracking and disturbance rejection by minimizing the error between the model predictions and setpoint in the future time window. The MHE-NMPC framework has been implemented in the tableting process and demonstrated satisfactory control performance even when plant model mismatch exists. In addition, the application of MHE enables the sensor fusion framework, where at-line measurements and online measurements can be integrated if the past time window length is sufficient. The sensor fusion framework proves to be beneficial in extending the at-line measurement application from just validation to real-time decision-making.</p>

The thesis deals the issue of solution of continuous systems by evolutionary computational techniques. Evolutionary computing techniques fall into the field of softcomputing, an advanced metaheuristics optimization that is becoming more and more a method of solving complicated optimization problems with the gradual increase in computing performance of computers. The solution of continuous systems, or the synthesis of continuous control circuits, is one of the areas where these advanced algorithms find their application. When dealing with continuous systems we will focus on regulatory issues. Evolutionary computing can then become a tool not only for optimization of controller parameters but also to design its structure. Various algorithms (genetic algorithm, differential evolution, etc.) can be used to optimize the parameters of the controller, for the design of the controller structurewe usually encounter so called grammatical evolution. However, the use of grammatical evolution is not necessary if appropriate coding is used, as suggested in the presented thesis. The thesis presents a method of designing the structure and parameters of a general linear controller using the genetic algorithm. A general linear regulator is known also as so called polynomial controller, if we encounter the polynomial theory of control. The method of encoding the description of the general linear controller into the genetic chain is crucial, it determines a set of algorithms that are usable for optimization and influence the efficiency of the calculations. Described coding, effective EVT implementation, including multi-criteria optimization, is a key benefit of this work.