The interferometric cantilever displacement detection in non-contact atomic force microscopy (NC-AFM) is in fundamental aspects explored and optimized. Furthermore, the opto-mechanical interaction of the light field with the cantilever is investigated in detail. Cantilevers are harmonic oscillators that are designed to have a high sensitivity for the detection of minute external forces typically originating from tip-sample interaction. In this work, however, the high sensitivity is used for detailed studies of opto-mechanical forces due to the radiation pressure of the light interacting with the cantilever. The interferometer in the NC-AFM setup consists of an optical cavity working similar to a Fabry-Pérot interferometer in combination with a reference interference arm working similar to a Michelson interferometer combining multi-beam interference with a reference beam resulting in a complex superposition of beams forming the interferometric intensity modulation signal. The character of the interferometer can be adjusted from predominant Michelson to predominant Fabry-Pérot characteristics by the optical loss inside the cavity. A systematic approach for accurate alignment, by using 3D intensity maps and intensity-over-distance curves, as well as the implications of deficient fiber-cantilever configurations are explored and the impact of the interferometer configuration on the detection system noise floor is investigated. A new physical property, namely, the Fabry-Perot enhancement factor is introduced that is a direct measure for the light intensity interacting with the cantilever compared to the reference beam intensity reflected back inside the fiber. The quantification of the optical loss yields an exact knowledge of the amount of light interacting with the cantilever that is crucial to understand opto-mechanical effects. The resulting opto-mechanical force varies sinusoidally during the course of one oscillation cycle. It is a key result of this work that the sinusoidal modification of the cantilever restoring force can be described analogue to the restoring force of a pendulum. This results in an observable amplitude dependent frequency shift of the cantilever oscillation, allowing a calculation of the ratio of the opto-mechanical force relative to the cantilever restoring force and thus allows an in-situ measurement of the cantilever stiffness with remarkable precision. Further investigation of the cantilever oscillation yields that other characteristic properties of the oscillation are significantly modified by the opto-mechanical interaction. The observed effective fundamental mode Q-factor drops significantly while the cantilever amplitude response to a certain excitation voltage increases. A discrete numerical model describing the cantilever as a 1D linear chain of mass points is implemented, yielding that the additional opto-mechanical force results in a partial pinning of the cantilever at the edges of the interferometric fringes. Pinning efficiently shifts energy from the fundamental mode to higher modes and modes of a pinned cantilever, resulting in a complex modal structure.

Inhomogeneous and changing temperature distributions in machine tools lead to sometimes considerable quality problems in the manufacturing process. In addition, the switching on and off of aggregates, for example, leads to further fluctuations in the temperature field of machine tools. More than 100 specialists discussed these and other topics from the field of thermal research at the 1st Conference on Termal Issues in Machine Tools in Dresden from 22 to 23 March.:Efficient modelling and computation of structure-variable thermal behavior of machine tools S. Schroeder, A. Galant, B. Kauschinger, M. Beitelschmidt Parameter identification software for various thermal model types B. Hensel, S. Schroeder, K. Kabitzsch Minimising thermal error issues on turning centre M. Mareš, O. Horejš, J. Hornych The methods for controlled thermal deformations in machine tools A. P. Kuznetsov, H.-J. Koriath, A.O. Dorozhko Efficient FE-modelling of the thermo-elastic behaviour of a machine tool slide in lightweight design C. Peukert, J. Müller, M. Merx, A. Galant, A. Fickert, B. Zhou, S. Städtler, S. Ihlenfeldt, M. Beitelschmidt Development of a dynamic model for simulation of a thermoelectric self-cooling system for linear direct drives in machine tools E. Uhlmann, L. Prasol, S.Thom, S. Salein, R. Wiese System modelling and control concepts of different cooling system structures for machine tools J. Popken, L. Shabi, J. Weber, J. Weber The electric drive as a thermo-energetic black box S. Winkler, R. Werner Thermal error compensation on linear direct drive based on latent heat storage I. Voigt, S. Winkler, R. Werner, A. Bucht, W.-G. Drossel Industrial relevance and causes of thermal issues in machine tools M. Putz, C. Richter, J. Regel, M. Bräunig Clustering by optimal subsets to describe environment interdependencies J. Glänzel, R. Unger, S. Ihlenfeldt Using meta models for enclosures in machine tools F. Pavliček, D. P. Pamies, J. Mayr, S. Züst, P. Blaser, P. Hernández-Becerro, K. Wegener Model order reduction of thermal models of machine tools with varying boundary conditions P. Hernández-Becerro, J. Mayr, P. Blaser, F. Pavliček, K. Wegener Effectiveness of modelling the thermal behaviour of the ball screw unit with moving heat sources taken into account J. Jedrzejewski, Z. Kowal, W. Kwasny, Z. Winiarski Analyzing and optimizing the fluidic tempering of machine tool frames A. Hellmich, J. Glänzel, A. Pierer Thermo-mechanical interactions in hot stamping L. Penter, N. Pierschel Experimental analysis of the heat flux into the grinding tool in creep feed grinding with CBN abrasives C. Wrobel, D. Trauth, P. Mattfeld, F. Klocke Development of multidimensional characteristic diagrams for the real-time correction of thermally caused TCP-displacements in precise machining M. Putz, C. Oppermann, M. Bräunig Measurement of near cutting edge temperatures in the single point diamond turning process E. Uhlmann, D. Oberschmidt, S. Frenzel, J. Polte Investigation of heat flows during the milling processes through infrared thermography and inverse modelling T. Helmig, T. Augspurger, Y. Frekers, B. Döbbeler, F. Klocke, R. Kneer Thermally induced displacements of machine tool structure, tool and workpiece due to cutting processes O. Horejš, M. Mareš, J. Hornych A new calibration approach for a grey-box model for thermal error compensation of a C-Axis C. Brecher, R. Spierling, M. Fey Investigation of passive torque of oil-air lubricated angular contact ball bearing and its modelling J. Kekula, M. Sulitka, P. Kolář, P. Kohút, J. Shim, C. H. Park, J. Hwang Cooling strategy for motorized spindle based on energy and power criterion to reduce thermal errors S. Grama, A. N. Badhe, A. Mathur Cooling potential of heat pipes and heat exchangers within a machine tool spindleo B. Denkena, B. Bergman, H. Klemme, D. Dahlmann Structure model based correction of machine tools X. Thiem, B. Kauschinger, S. Ihlenfeldt Optimal temperature probe location for the compensation of transient thermal errors G. Aguirre, J. Cilla, J. Otaegi, H. Urreta Adaptive learning control for thermal error compensation on 5-axis machine tools with sudden boundary condition changes P. Blaser, J. Mayr, F. Pavliček, P. Hernández-Becerro, K. Wegener Hybrid correction of thermal errors using temperature and deformation sensors C. Naumann, C. Brecher, C. Baum, F. Tzanetos, S. Ihlenfeldt, M. Putz Optimal sensor placement based on model order reduction P. Benner, R. Herzog, N. Lang, I. Riedel, J. Saak Workpiece temperature measurement and stabilization prior to dimensional measurement N. S. Mian, S. Fletcher, A. P. Longstaff Measurement of test pieces for thermal induced displacements on milling machines H. Höfer, H. Wiemer Model reduction for thermally induced deformation compensation of metrology frames J. v. d. Boom Local heat transfer measurement A. Kuntze, S. Odenbach, W. Uffrecht Thermal error compensation of 5-axis machine tools using a staggered modelling approach J. Mayr, T. Tiberini. P. Blaser, K. Wegener Design of a Photogrammetric Measurement System for Displacement and Deformation on Machine Tools M. Riedel, J. Deutsch, J. Müller. S. Ihlenfeldt Thermography on Machine Tools M. Riedel, J. Deutsch, J. Müller, S. Ihlenfeldt Test piece for thermal investigations of 5-axis machine tolls by on-machine measurement M. Wiesener. P. Blaser, S. Böhl, J. Mayr, K. Wegener

Das Schweißen von WPC stellt zunächst aufgrund der thermoplastischen Matrix eine effektive Fügetechnologie dar. Der Beitrag behandelt das Heizelementschweißen von WPC und liefert Aussagen zur Wirkung der Prozessparameter auf die mechanischen und geometrischen Nahteigenschaften, dem Rezeptureinfluss und der thermischen Instabilität der Holzfaser. An den WPC-Rezepturen auf Basis von Polypropylen mit 40 Gew.-% und 50 Gew.-% Holzfasern sowie des Einsatzes von PET-Fasern im Compound, werden die Zusammenhänge untersucht und die Versagensmechanismen aufgezeigt.

Wärmespeicher tragen bei optimierter Integration in Wärme- und Kälteversorgungsanlagen zur Einsparung von installierter Erzeugerleistung, Brennstoffeinsatz und Betriebskosten bei. Leider treten in Wärmespeichern oft noch beachtliche Verluste auf und das Potenzial zur Kosten- und Energieeinsparung wird nicht vollständig ausgeschöpft. Dabei spielen nicht nur Wärmeverluste an die Umgebung, sondern vor allem auch innere Verluste im Speicher eine Rolle. Schwerpunkte der vorliegenden Arbeit sind die Beschreibung der einzelnen Verluste an Wasserwärmespeichern, die Ermittlung ihrer Ausmaße abhängig von der konstruktiven Gestaltung und der Betriebsweise des Speichers sowie die Auswirkungen der Verluste auf einen vorgelagerten Wärmeerzeuger und den Einsatz von Primärenergie. Die Ergebnisse basieren auf umfangreichen Speichermodellierungen mit dem CFD-Code Fluent sowie experimentellen Untersuchungen an drei Testspeichern. Der quantitative Vergleich der Verluste für ausgewählte Beispiele zeigt bestehende Defizite sowie die Potenziale für die Verbesserung der Konstruktion neuer Wasserwärmespeicher auf. / If hot water storage tanks are optimally integrated in heat or cold supply systems, they contribute to a reduction of required capacity, fuel and operation costs. Unfortunately, even today remarkable heat losses and internal losses occur in hot water storage tanks. The potential for cost and energy reductions is not completely utilized yet. Here, not only heat losses to the ambience, but also internal losses play a decisive role. Main focus of the presented work is the description of the single losses at hot water storage tanks and the determination of the correlation between the losses, the tank design and the mode of operation. Furthermore the effects of the losses in the tank on the efficiency of different types of heat generators and the input of primary energy into the system have been examined. The results are based on extended numerical modeling with the CFD-code Fluent as well as experimental test with three storage tanks. The quantitative comparison of the losses for selected examples shows the current shortcomings but even the potential for an optimized hot water storage tank design.

Nanoskalige Multischichten besitzen attraktive physikalische Eigenschaften wie den Riesenmagnetwiderstand, die sehr sensibel von der Struktur der Grenzfläche und der Einzelschichtdicke abhängen. Mit Hilfe einer Wärmebehandlung wird versucht, den Riesenmagnetwiderstand der durch Sputtern abgeschiedenen Schichten zu erhöhen. In entmischenden System Co/Cu wird bei Einzelschichtdicken von 2nm eine Erhöhung des Riesenmagnetwiderstandes gemessen. Allerdings verringert sich der Widerstand bei höheren Temperaturen drastisch. Die Verringerung wird begleitet von einem Zerfall der Schichtstruktur. Diese Arbeit untersucht die thermische Stabilität und morphologische Entwicklung nanoskaliger Multischichten mit binären nichtmischbaren Komponenten während der Wärmebehandlung mit Hilfe der Monte-Carlo-Methode und im Rahmen der Cahn-Hilliard-Theorie. Es wird gezeigt, dass bei einer Wärmebehandlung abgeschiedener Schichten die chemische Unschärfe der Phasengrenzfläche verringert werden kann. Bei der Wärmebehandlung bildet sich abhängig von der Temperatur eine morphologische Rauigkeit an der Phasengrenzfläche. Oberhalb einer kritische Temperatur findet ein Rauigkeitsübergang statt, bei der langwellige Rauigkeiten mit ständig wachsender Amplitude entstehen. Die Überlappung der Undulationen der morphologischen Rauigkeit von Unter- und Oberseite einer dünnen Schicht wurde als ein Mechanismus für die Bildung von Schichtdurchbrüchen identifiziert. In polykristallinen Schichten verursachen Korngrenzen thermische Instabilitäten der Multischicht. "Grain boundary grooving" wird als ein Mechanismus für die Bildung eines Schichtdurchbruchs an Korngrenzen vorgeschlagen. Durchbrochen Schichten ziehen sich getrieben durch Kapillarkräfte zurück. An den Endstellen bilden sich Wulste aus. Je nach Schichtdickenverhältnissesn kommt es zu einer Verschmelzung mit benachbarten Schichten gleicher Phase. Die ursprüngliche Schichtstruktur wird zerstört.

EINLEITUNG UND ZIELSTELLUNG: Die genaue Kenntnis über die thermische Beanspruchung einer Bremsscheibe ist für ihre funktionsgerechte Dimensionierung neben der mechanischen Belastung unabdingbar. Überdimensionierte Bremsscheiben führen zu einer größeren Fahrzeugmasse und somit erhöhten Energieverbrauch eines Straßenfahrzeugs. Etablierte Auslegungsstrategien berücksichtigen den Einfluss des Bremssattels nicht. Im Folgenden soll daher eine Möglichkeit aufgezeigt werden, die ungleichmäßige Pressung des Bremssattels in der thermischen Auslegung der Bremsscheibe zu berücksichtigen und eine genauere Temperaturverteilung in dieser zu ermitteln. Die angestrebten Erkenntnisse erlangen zunehmend Bedeutung durch die verschärfte Regulierung (Euro 7) zur Reduzierung von Bremsabrieb und den hierzu eingesetzten Werkstoffvariationen der Reibpartner. || METHODIK: Im Ersten Schritt wird eine strukturmechanische Simulation des Bremssattels durchgeführt, um die Pressungsverteilung zwischen Bremsbelag und –scheibe zu ermitteln. Diese Pressungsverteilung wird mittels nummerischer Integration und weiterer Berechnungen in eine Reibleistungsfunktion überführt. Anschließend kann mit der Reibleistungsfunktion der Wärmeeintrag in die Reibflächen der Bremsscheibe beschrieben werden und somit die thermodynamische Simulation zur Auslegung der Bremsscheibe durchgeführt werden. || ERGEBNISSE: Um die Genauigkeit der Simulation zu bewerten, wurden parallel zur Entwicklung der Methodik Versuche auf einem Schwungmassenprüfstand durchgeführt. Die von der Simulation vorhergesagte Bremsscheibentemperatur zeigt eine gute Übereinstimmung mit den durchgeführten Versuchen. || EINSCHRÄNKUNGEN: Als besonders kritisch erwies sich das Finden der Wärmeübergangskoeffizienten für die Abkühlung der Bremsscheibe während der thermodynamischen Simulation. Hier können CFD-Simulationen zukünftig für eine noch bessere Modellbildung sorgen. || ZUSAMMENFASSUNG: Die vorgestellten Ergebnisse der Simulationsmethodik zur thermischen Auslegung einer Bremsscheibe zeigen gute Übereinstimmungen mit den durchgeführten Versuchen. Durch die Kopplung von strukturmechanischer und thermodynamischer Simulation über die Reibleistungsfunktion, werden vergleichsweise wenige Berechnungsressourcen für die Simulation benötigt. Weitere Validierung des Modells wird derzeit durchgeführt.

Der Klimaschutz ist eine Herausforderung und eine Verantwortung insbesondere gegenüber den nachfolgenden Generationen. Ein Baustein zum Klimaschutz ist die erhebliche Senkung des Energieverbrauches der bestehenden Gebäude. Bei der Sanierung von älteren oder gar zu Denkmalen erklärten Gebäuden stellt die Erhaltung der Originalsubstanz und des Erscheinungsbildes erhöhte Anforderungen an alle am Bau Beteiligten. Für eine energetische Ertüchtigung von historischen Fenstern, welche auch zukünftigen Anforderungen an den Klimaschutz genügen, zeigt diese Arbeit, dass eine detaillierte Planung und eine bauphysikalische Betrachtung notwendig sind. Diese Arbeit leistet einen Beitrag, damit zukünftig das thermische Verhalten der einzelnen Bestandteile (Verglasung, Randverbund, Rahmen) des energetisch ertüchtigten Fensters realitätsnah simuliert und bewertet werden kann. Ausgehend von einer vorbildhaften energetischen Sanierung eines Baudenkmals, welche auch zukünftige Anforderungen an den Klimaschutz genügt, wurden die Erfahrungen der Herstellung der Hochleistungsfenster des Modellgebäudes über die Beobachtungen in einem Zeitraum von über 15 Jahren dargelegt. Bei der Literaturrecherche zum Stand der Wissenschaft und Technik zum Thema Berechnung und Simulation von transparenten Bauteilen wurde besonders auf die freie Konvektion im geschlossenen Scheibenzwischenraum eingegangen. Darauf beruhend wurden eine Parameterstudie und eine Bewertung der Konvektionsmodelle vorgenommen. Das am Institut für Bauklimatik entwickelte numerische Simulationsprogramm [DELPHIN] beruht auf der Finite-Volumen-Methode für opake Bauteile und berücksichtigt den gekoppelten Wärme-, Feuchte-, Luft- und Salztransport für 1D-, 2D- und 3D- Probleme. Dieses Programm wurde parallel zu dieser Arbeit durch das DELPHIN-Entwicklerteam auf der Grundlage der Validierungen mittels Messungen an den Fenstern des Modellgebäudes um die freie Konvektion im geschlossenen Hohlraum zu einem Programm zur Berechnung von transparenten Bauteilen weiterentwickelt. Zusätzlich können damit unter Berücksichtigung der Feuchtespeicherung hygrothermische Schadensprognosen in der Ingenieurpraxis vorgenommen werden. Im Vergleich zur CFD-Simulation wird nur ein Bruchteil der Rechenleistung und Rechenzeit benötigt. Der Ansatz, mit den Messungen der Oberflächentemperatur und der Globalstrahlung senkrecht zur Fassadenebene alle wesentlichen Parameter zu erfassen und durch Nachsimulation von Scheibenoberflächentemperaturen im Kastenzwischenraum das Simulationsmodell und das Programm zu validieren, hat sich bewährt. Durch die Validierung unter Realbedingungen steigt die Akzeptanz dieser Simulation vor allem in der Praxis. Das entwickelte Simulationsmodell stellt ein Werkzeug für die wissenschaftlich gestützte Weiterentwicklung moderner Fenster für die Industrie dar. Zukünftig soll es zur Optimierung von anderen transparenten Bauteilen wie z. B. der thermischen Solarkollektoren sowie der Kombination aus thermischen Solarkollektoren und PV-Kollektoren beitragen. Eine weitere Zielgruppe dieser Arbeit sind Fachplaner und Fachbetriebe, welche sich auf die energetische Sanierung von Bestandsfenstern spezialisiert haben. Die Simulationen der Kastenfenster haben gezeigt, dass bei der Bauteil- und Gebäudesimulation die Berücksichtigung der Absorption der kurzwelligen Strahlung und die daraufhin veränderten freien Konvektionen und der langwellige Strahlungsaustausch in den geschlossenen Hohlräumen nicht vernachlässigt werden können. Der Fehler bei dem Monatsbilanzverfahren zur Berechnung des Heizenergiebedarfes ist bei 2-Scheibenverglasungen noch vertretbar. Bei hochenergieeffizienten Mehrscheibenverglasungen sollte das normative statische Berechnungsverfahren zur U-Wertermittlung von transparenten Bauteilen Verglasungen vorzugsweise durch eine thermische Simulation ersetzt werden. Hierbei sind der Klimastandort und die Ausrichtung für die Absorption der kurzwelligen Strahlung zu berücksichtigen. Eine Vereinfachung für ein Monatsbilanzverfahren für die jeweiligen Klimastandorte der Testreferenzjahre (TRY) [DWD] ist vorstellbar. Bei der Bauteil- und Gebäudesimulation unter Verwendung von Stundenwerten und noch kleineren Zeitschritten sowie in der Hitzeperiode muss diese Modellerweiterung implementiert werden. Durch die realitätsnahe Simulation der Scheibenoberflächentemperaturen auf der Raumseite kann die Empfindungstemperatur berechnet und nachfolgend eine Behaglichkeitsbewertung durchgeführt werden. Die Untersuchungsergebnisse beim Modellgebäude und der Simulation fließen in Vorschläge zur energetischen Ertüchtigung von Bestandsfenstern mittels schmaler Wärmeschutzverglasung mit reduziertem Emissionsgrad ein. Auf der Grundlage dieses Modells kann das Optimum des Scheibenzwischenraumes der einzelnen Edelgase in Abhängigkeit der Neigung ermittelt werden. Das Modell gibt die Möglichkeit zur Bewertung und nachfolgend zur Minimierung von Schadprozessen, welche die Dauerhaftigkeit von transparenten Bauteilen beeinträchtigen. Für die Gebäudesimulation ist die Simulation der Wärmeströme der Verglasung und eine Betrachtung der Strahlungstransmission zu empfehlen. Die separate Simulation von U-Werten ist nicht zu bevorzugen.:1. Motivation, Ausgangssituation und Ziele 9 1.1. Motivation 9 1.2. Ziele, Thesen, Methodik und Relevanz des Dissertationsthemas 11 1.3. Strukturierung der Arbeit 16 2. Modellgebäude Handwerk 15 in Görlitz 17 2.1. Energetisches Gesamtkonzept 18 2.1.1. Dämmmaßnahmen 19 2.1.2. Erneuerung Anlagentechnik 20 2.2. Geschichte und Beurteilung des Denkmalwertes des Modellobjektes 24 2.3. Besondere Anforderungen an die Fenster am Beispiel des Gebäudes Handwerks 15 32 2.3.1. Brandschutzanforderungen 32 2.3.2. Schallschutzanforderungen 33 2.3.3. Belichtung 33 2.3.4. Architektonische Anforderungen-Beibehaltung des historischen Erscheinungsbildes 34 2.4. Energetische Ertüchtigung der Fenster des Modellgebäudes 37 2.4.1. Ausgangssituation 37 2.4.2. Verwendete Verglasung und Low-e-Beschichtung 39 2.4.3. Holz-Kastenfenster mit 2-Scheiben-Wärmeschutzverglasung aus Solarglas 41 2.4.4. Holz-Einfachfenster mit 3-Scheiben-Wärmeschutzverglasung aus Solarglas 44 2.5. Messungen und Beobachtungen am Modellgebäude 46 2.5.1. Messkonzept und Dokumentation des Monitorings und Messerfassungssystems 47 2.5.2. Messaufbau zur Erfassung des Innen- und Außenklimas 48 2.5.3. Bauteilmessstrecke Kastenfenster, 2. OG Nord 50 2.5.4. Bauteilmessstrecke Kastenfenster, 1. DG Süd 54 2.5.5. Bauteilmessstrecke Dachliegefenster, Nord, 2. DG 57 2.5.6. Beschreibung von bauphysikalischen Vorgängen bei den Verglasungen 63 2.5.7. Beschreibung von physikalischen Schadprozessen bei Fenstern 65 2.5.8. Zusammenfassung und Fazit aus den Messungen und den Beobachtungen 70 3. Stand der Wissenschaft und Technik 71 3.1. Aktuelle europäische Normung 72 3.2. Analytisches Modell für die Konvektion innerhalb des Scheibenzwischenraumes 78 3.3. Modell nach ISO 15 099 88 3.4. Modell nach Hollands, Unny, Raithby und Konicek u. a. 90 3.5. Modellzusammenstellung nach Klan und Thess 93 3.6. CFD-Simulationen von Mehrscheibenverglasungen 96 3.6.1. CFD-Simulationen im Vergleich zur DIN EN 673 96 3.6.2. CFD-Simulationen in Kombination mit Messungen im Versuchsstand 102   3.7. Übersicht über die Umsetzung der Verglasungsmodelle in den Computerprogrammen 104 3.7.1. Programm glaCE 3.03 von Glas-Trösch 105 3.7.2. Programm Calumen II 1.3.3/ CalumenLive von SAINT-GOBAIN GLASS 105 3.7.3. Programmpaket Optics, Windows und Therm mit Übergabe in Energy Plus 105 3.7.4. Einzonensimulationsprogramm Therakles 3.0 vom Institut für Bauklimatik 110 3.7.5. Programme der Energieeinsparverordnung 111 3.7.6. Programmpaket PHPP 8 111 3.7.7. Übersicht über die Software zur Berechnung von Verglasungskennwerten 112 3.8. Übersicht über die thermische Beanspruchung von Verglasungen 113 4. Vergleich und Bewertung der Konvektionsmodelle 117 4.1. Analytische Konvektionsmodelle 117 4.2. CFD–Simulation mit EasyCFD 124 4.3. Zusammenfassung und Bewertung der Konvektionsmodelle 125 5. Herleitung und Anwendung des Simulationsmodells 127 5.1. Benennung und Beschreibung der Wärmetransportmechanismen 127 5.2. Algorithmus zur thermischen Simulation von transparenten Bauteilen 140 5.3. Auswertung der Messung und der Simulation bei Kastenfenstern 148 5.4. Validierte thermische Simulation der Kastenfenster 156 5.5. Auswertung der Messung bei dem Dachliegefenster 160 6. Energetische Ertüchtigung von Bestandsfenstern 163 6.1. Situation bei Bestandsfenstern 164 6.2. Beispiele für die energetische Fenstersanierung 166 6.2.1. Bestandskastenfenster 167 6.2.2. Kastenfenster mit K-Glass™ 171 6.2.3. Kastenfenster mit Wärmeschutzverglasung und K-Glass im Innenflügelpaar 174 6.2.4. Kastenfenster mit Wärmeschutzverglasung und K-Glass im Außenflügelpaar 178 6.2.5. Energetische Ertüchtigung durch zusätzliche Fensterebene 182 6.3. Ergebnisse der umgesetzten energetischen Ertüchtigung von Bestandsfenstern 186 7. Zusammenfassung und Ausblick 187 Literaturverzeichnis 189 Anhang 197 Anhang I. Begriffe und Kennzahlen der Strömungsmechanik 197 Anhang II. Eigenschaften von Gasen nach DIN EN 673 199 Anhang III. Berechnung des optimalen Scheibenabstandes 202 Anhang IV. Simulation des optimalen Scheibenabstandes 205 Anhang V. Hinweise zur statistischen Auswertung 208 / Climate protection is a challenge and a responsibility, especially towards future generations. One component of climate protection is the considerable reduction of the energy consumption of existing buildings. When renovating older buildings or even buildings that have been declared monuments, the preservation of the original substance and appearance places increased demands on all those involved in the construction. For an energetic retrofitting of historic windows, which also meet future requirements for climate protection, this work shows that a detailed planning and a structural-physical consideration are necessary. This work makes a contribution so that in the future the thermal behavior of the individual components (glazing, edge seal, frame) of the energetically upgraded window can be realistically simulated and evaluated. Based on an exemplary energetic refurbishment of an architectural monument, which also meets future climate protection requirements, the experiences of the production of the high-performance windows of the model building were presented via the observations over a period of more than 15 years. During the literature research on the state of the art in science and technology on the subject of calculation and simulation of transparent building components, special attention was paid to free convection in the closed space between the panes. Based on this, a parameter study and an evaluation of convection models were carried out. The numerical simulation program [DELPHIN] developed at the Institute of Building Climatology is based on the finite volume method for opaque building components and considers the coupled heat, moisture, air and salt transport for 1D, 2D and 3D problems. This program was further developed in parallel to this work by the DELPHIN development team on the basis of validations by means of measurements at the windows of the model building around the free convection in the closed cavity to a program for the calculation of transparent building components. In addition, hygrothermal damage predictions can be made in engineering practice with this program, taking moisture storage into account. Compared to CFD simulation, only a fraction of the computing power and computing time is required. The approach to capture all essential parameters with measurements of surface temperature and global radiation perpendicular to the facade plane and to validate the simulation model and the program by post-simulation of pane surface temperatures in the inter-box space has proven to be successful. The validation under real conditions increases the acceptance of this simulation, especially in practice. The developed simulation model represents a tool for the scientifically supported further development of modern windows for the industry. In the future, it should contribute to the optimization of other transparent components such as thermal solar collectors as well as the combination of thermal solar collectors and PV collectors. Another target group of this work are professional planners and specialized companies, which have specialized in the energetic renovation of existing windows. The simulations of the box-type windows have shown that in the component and building simulation, the consideration of the absorption of short-wave radiation and the resulting changes in free convection and long-wave radiation exchange in the closed cavities cannot be neglected. The error in the monthly balance method for the calculation of the heating energy demand is with 2-pane glazing is still acceptable. In the case of highly energy-efficient multi-pane glazing, the normative static calculation procedure should be used for the U-value calculation of transparent glazing components should preferably be replaced by a thermal simulation. Here, the climatic location and orientation should be taken into account for the absorption of short-wave radiation. A simplification for a monthly balance procedure for the respective climate locations of the test reference years (TRY) [DWD] is conceivable. For the component and building simulation using hourly values and even smaller time steps as well as in the heat period, this model extension has to be implemented. By the realistic simulation of the pane surface temperatures on the room side, the sensation temperature can be calculated and subsequently a comfort evaluation can be carried out. The results of the investigations in the model building and the simulation are incorporated into proposals for the energy upgrading of existing windows by means of narrow thermal insulation glazing with reduced emissivity. On the basis of this model, the optimum of the space between the panes of the individual noble gases can be determined as a function of the inclination. The model gives the opportunity to evaluate and subsequently minimize damage processes that affect the durability of transparent building components. For the building simulation, the simulation of the heat fluxes of the glazing and a consideration of the radiation transmission is recommended. The separate simulation of U-values is not to be preferred. The advice on the design or evaluation of the impairment due to condensation and frost formation on the outside of the glazing of transparent constructions should be continued by implementing the slope dependence of convection in the software and a validation by comparing measurement and simulation.:1. Motivation, Ausgangssituation und Ziele 9 1.1. Motivation 9 1.2. Ziele, Thesen, Methodik und Relevanz des Dissertationsthemas 11 1.3. Strukturierung der Arbeit 16 2. Modellgebäude Handwerk 15 in Görlitz 17 2.1. Energetisches Gesamtkonzept 18 2.1.1. Dämmmaßnahmen 19 2.1.2. Erneuerung Anlagentechnik 20 2.2. Geschichte und Beurteilung des Denkmalwertes des Modellobjektes 24 2.3. Besondere Anforderungen an die Fenster am Beispiel des Gebäudes Handwerks 15 32 2.3.1. Brandschutzanforderungen 32 2.3.2. Schallschutzanforderungen 33 2.3.3. Belichtung 33 2.3.4. Architektonische Anforderungen-Beibehaltung des historischen Erscheinungsbildes 34 2.4. Energetische Ertüchtigung der Fenster des Modellgebäudes 37 2.4.1. Ausgangssituation 37 2.4.2. Verwendete Verglasung und Low-e-Beschichtung 39 2.4.3. Holz-Kastenfenster mit 2-Scheiben-Wärmeschutzverglasung aus Solarglas 41 2.4.4. Holz-Einfachfenster mit 3-Scheiben-Wärmeschutzverglasung aus Solarglas 44 2.5. Messungen und Beobachtungen am Modellgebäude 46 2.5.1. Messkonzept und Dokumentation des Monitorings und Messerfassungssystems 47 2.5.2. Messaufbau zur Erfassung des Innen- und Außenklimas 48 2.5.3. Bauteilmessstrecke Kastenfenster, 2. OG Nord 50 2.5.4. Bauteilmessstrecke Kastenfenster, 1. DG Süd 54 2.5.5. Bauteilmessstrecke Dachliegefenster, Nord, 2. DG 57 2.5.6. Beschreibung von bauphysikalischen Vorgängen bei den Verglasungen 63 2.5.7. Beschreibung von physikalischen Schadprozessen bei Fenstern 65 2.5.8. Zusammenfassung und Fazit aus den Messungen und den Beobachtungen 70 3. Stand der Wissenschaft und Technik 71 3.1. Aktuelle europäische Normung 72 3.2. Analytisches Modell für die Konvektion innerhalb des Scheibenzwischenraumes 78 3.3. Modell nach ISO 15 099 88 3.4. Modell nach Hollands, Unny, Raithby und Konicek u. a. 90 3.5. Modellzusammenstellung nach Klan und Thess 93 3.6. CFD-Simulationen von Mehrscheibenverglasungen 96 3.6.1. CFD-Simulationen im Vergleich zur DIN EN 673 96 3.6.2. CFD-Simulationen in Kombination mit Messungen im Versuchsstand 102   3.7. Übersicht über die Umsetzung der Verglasungsmodelle in den Computerprogrammen 104 3.7.1. Programm glaCE 3.03 von Glas-Trösch 105 3.7.2. Programm Calumen II 1.3.3/ CalumenLive von SAINT-GOBAIN GLASS 105 3.7.3. Programmpaket Optics, Windows und Therm mit Übergabe in Energy Plus 105 3.7.4. Einzonensimulationsprogramm Therakles 3.0 vom Institut für Bauklimatik 110 3.7.5. Programme der Energieeinsparverordnung 111 3.7.6. Programmpaket PHPP 8 111 3.7.7. Übersicht über die Software zur Berechnung von Verglasungskennwerten 112 3.8. Übersicht über die thermische Beanspruchung von Verglasungen 113 4. Vergleich und Bewertung der Konvektionsmodelle 117 4.1. Analytische Konvektionsmodelle 117 4.2. CFD–Simulation mit EasyCFD 124 4.3. Zusammenfassung und Bewertung der Konvektionsmodelle 125 5. Herleitung und Anwendung des Simulationsmodells 127 5.1. Benennung und Beschreibung der Wärmetransportmechanismen 127 5.2. Algorithmus zur thermischen Simulation von transparenten Bauteilen 140 5.3. Auswertung der Messung und der Simulation bei Kastenfenstern 148 5.4. Validierte thermische Simulation der Kastenfenster 156 5.5. Auswertung der Messung bei dem Dachliegefenster 160 6. Energetische Ertüchtigung von Bestandsfenstern 163 6.1. Situation bei Bestandsfenstern 164 6.2. Beispiele für die energetische Fenstersanierung 166 6.2.1. Bestandskastenfenster 167 6.2.2. Kastenfenster mit K-Glass™ 171 6.2.3. Kastenfenster mit Wärmeschutzverglasung und K-Glass im Innenflügelpaar 174 6.2.4. Kastenfenster mit Wärmeschutzverglasung und K-Glass im Außenflügelpaar 178 6.2.5. Energetische Ertüchtigung durch zusätzliche Fensterebene 182 6.3. Ergebnisse der umgesetzten energetischen Ertüchtigung von Bestandsfenstern 186 7. Zusammenfassung und Ausblick 187 Literaturverzeichnis 189 Anhang 197 Anhang I. Begriffe und Kennzahlen der Strömungsmechanik 197 Anhang II. Eigenschaften von Gasen nach DIN EN 673 199 Anhang III. Berechnung des optimalen Scheibenabstandes 202 Anhang IV. Simulation des optimalen Scheibenabstandes 205 Anhang V. Hinweise zur statistischen Auswertung 208

Zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen und Energiekosten in der Industrie kann die Steigerung der Energieeffizienz durch Nutzung der verfügbaren Abwärme einen wichtigen Beitrag leisten. Mit den Methoden der Wärmeintegration kann das Abwärmepotenzial quantifiziert und systematisch Maßnahmen zur Nutzung von Abwärme identifiziert werden. Durch die mathematische Optimierung des Wärmetransports von Wärmequellen hin zu Wärmesenken kann ein Wärmeübertrager Netzwerk gebildet werden. Hierbei können je nach Formulierung der Zielfunktion des Optimierungsproblems der benötigte Energiebedarf, die Kosten oder Treibhausgasemissionen minimiert werden. In dieser Arbeit wird ein Ansatz für mehrperiodische Optimierungsprobleme weiterentwickelt und um die Einbindung von sensiblen und latenten thermischen Energiespeichern erweitert. Die Berücksichtigung des Phasenwechsels erfolgt mit Hilfe einer intervallweise linearen Funktion der Speichertemperatur. Durch Einführen von Binärvariablen erfolgt eine Berücksichtigung des jeweils relevanten Intervalls. Darüber hinaus wird eine Methode zur Berücksichtigung von Wärmeverlusten der Rohrleitungen vorgestellt. Die entwickelten Methoden werden in einem Fallbeispiel aus der Textilindustrie angewendet und im Rahmen von Sensitivitätsanalysen ausgewählte Einflussfaktoren untersucht. / Increasing the energy efficiency by using available waste heat can make an important contribution to reducing greenhouse gas emissions and energy costs in the industry. Heat integration methods can be used to quantify the waste heat potential and systematically identify measures for waste heat utilization. By mathematically optimizing the heat transport from heat sources to heat sinks, a heat exchanger network can be designed. Depending on the formulation of the objective function of the optimization problem, the required energy demand, costs or greenhouse gas emissions can be minimized. In this work, an approach for multiperiod optimization problems is further developed and extended to include sensible and latent thermal energy storage. The phase change is considered by an interval linear function of the storage temperature. By introducing binary variables, the relevant interval is taken into account. Furthermore, a method for including heat losses of pipelines is presented. The developed methods are applied in a case study from the textile industry and selected influencing factors are investigated within the scope of sensitivity analyses.

Research work performed on an axial piston pump is shown in a holistic manner, analyzing each lubricating interface by linking their gap height and temperature behavior to the overall pump efficiency. The temperature field and dynamic fluid film height were measured in two of the three lubricating interfaces. This is the first time that the temperature fields and gap heights were simultaneously measured in two of the main three interfaces of an axial piston machine. For a deeper analysis of the measurement data, all gaps were simulated with a numerical tool which takes solid body deformation due to temperature and pressure loads into account. This unique combination of both extensive measurement data and sophisticated simulation resulted in novel trends that clarify the complex phenomena occurring in these hydrostatic fluid films.

We present a phase-field crystal model for solidification that accounts for thermal transport and a temperature-dependent lattice parameter. Elasticity effects are characterized through the continuous elastic field computed from the microscopic density field. We showcase the model capabilities via selected numerical investigations which focus on the prototypical growth of two-dimensional crystals from the melt, resulting in faceted shapes and dendrites. This work sets the grounds for a comprehensive mesoscale model of solidification including thermal expansion.