Institut Nachhaltigkeit und Energie am Bau
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Publikation Methodenentwicklung und Optimierung der METAS-Radonkammer zur Herstellung von feldtypischen Messparametern(Institut Nachhaltigkeit und Energie am Bau, Hochschule für Architektur, Bau und Geomatik FHNW, 06.08.2024) Grapentin, RaphaelGemäss Schweizer Recht müssen Radonmessgeräte und Radondosimeter zugelassen werden. Dazu wird die Radonkammer des Eidgenössischen Instituts für Metrologie (METAS) genutzt. Die Radonkammer ermöglicht das Erzeugen einer Referenzkonzentration, die auf Primärstandards rückverfolgbar ist. Dabei konnten die Parameter der Luft, also Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck nicht gesteuert werden und lagen nur bedingt bei Werten, wie sie bei einer Radonmessung zu erwarten sind. Besonders radonexponierte Arbeitsplätze können eine grosse Bandbreite an Temperaturen und Luftfeuchtigkeiten aufweisen, ebenso können Messungen in grosser Höhe bei deutlich geringerem Druck stattfinden als solche im Schweizer Mittelland. Damit stellt sich die Frage, ob und wie stark die Messgenauigkeit von Radonmessgeräten und Radondosimetern von den Parametern der Luft abhängt. Aus diesem Grund war es notwendig die Radonkammer des METAS anzupassen, sodass die Temperatur, Luftfeuchtigkeit und der Luftdruck gesteuert werden können. Die Steuerung der Temperatur wurde über einen Wärmetauscher umgesetzt, der eine Flüssigkeit heizt oder kühlt. Diese Flüssigkeit umströmt die Hülle der Kammer in Schläuchen und überträgt so die Wärme. Mit einem Regelalgorithmus wird so die gewünschte Temperatur in der Kammer gehalten. Die Steuerung der Luftfeuchtigkeit funktioniert mit einem Ultraschallvernebler. Dieser wird elektrisch angesteuert und so die relative Luftfeuchtigkeit auf dem Zielwert stabilisiert. Eine Steuerung für den Luftdruck in der Kammer wurde zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht umgesetzt. In einer Testmessung wurden die Funktion der Steuerungen verifiziert. Bei Temperaturen von 5 °C, 20 °C und 40 °C und relativen Luftfeuchtigkeiten von 30%, 50% und 85% wurde eine Radonkonzentration von 400 Bq/m3 mit einem Luftvolumenstrom von 5.5 L/min erzeugt. Die Messungen zeigten, dass der Mittelwert der Temperatur nur in einer Messreihe um 0.01 °C von der Zieltemperatur abwich. Die Standardabweichungen der Temperatur betrugen maximal 0.05 °C. Bei der Luftfeuchtigkeit wurde mit 29.6% die grösste Abweichung des Mittelwertes vom Zielwert von 30% gemessen. Die Standardabweichungen der Messreihen betrugen maximal 1.1% relative Luftfeuchtigkeit. Damit wurde gezeigt, dass die Zielwerte für Temperatur und Luftfeuchtigkeit genau erreicht und über Messreihen von sechs Stunden stabil gehalten werden können. Abschliessend ist es weiterhin interessant eine Steuerung des Luftdrucks in der Messkammer zu realisieren, damit auch dieser Parameter kontrolliert werden kann. Anhand dieser Optimierungen können nun Messgeräte geprüft und Datengrundlagen geschaffen werden.05 - Forschungs- oder ArbeitsberichtPublikation Entwicklung von messtechnischen Verfahren für Zulassungen und Typenprüfungen von Radonmessgeräten hinsichtlich der Neuregelung in der neuen Strahlen-Messmittel-Verordnung (StMmV)(Institut Nachhaltigkeit und Energie am Bau, Hochschule für Architektur, Bau und Geomatik FHNW, 08.08.2024) Grapentin, RaphaelEs gibt diverse Geräte zur Messung von Radon in Luft. Dabei gibt es in der Schweiz die gesetzliche Grundlage um ein Gerät als Radonmessgerät oder als Radondosimeter zuzulassen. Diese Zulassung ermöglicht anerkannten Radonmessstellen mit diesen Geräten eine anerkannte Radonmessung durchzuführen. Für die Zulassung der Radonmessgeräte oder -dosimeter müssen bestimmte Bedingungen erfüllt werden, welche die Messgenauigkeit und auch den Messbereich betreffen. In diesem Bericht wurde untersucht, ob die Parameter der Luft, also Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck, einen Einfluss auf die Messgeräte haben und dazu führen könnten, dass ein Gerät die Bedingungen für die Zulassung nicht erfüllt. Die relevanten Parameter der Luft können sich bei Radonmessungen stark voneinander unterscheiden. So wird Radon häufig in Wohnräumen und Kellerräumen gemessen, eben so wichtig sind Messungen an radonexponierten Arbeitsplätzen. Diese können grosse Unterschiede in der Temperatur und Luftfeuchtigkeit aufweisen. Unterschiedliche Luftdrücke sind zum Beispiel bei Messungen in grossen Höhen vorhanden. Die Messung von Radonkonzentrationen erfolgt oft über die Detektion der Alpha-Strahlung beim Zerfall von 222Rn oder dessen Folgeprodukte. Ebenso sind Messgeräte, welche die Gamma-Strahlung gewisser Folgeprodukte messen, verbreitet. Bei der Messung der Alpha-Strahlung ist dessen Reichweite und die Messgeometrie massgebend für die Kalibrierung eines Gerätes. Mit zunehmender Dichte des Mediums, also der Luft, nimmt die Alpha-Reichweite ab und umgekehrt. Es ist gegeben, dass die Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck die Dichte der Luft beeinflussen und somit die Messgenauigkeit eines Messgeräts beeinflussen können. Solche Effekte können bei den meisten Messgeräten auftreten. Eine Versuchsreihe wurde durchgeführt um die theoretischen Grundlagen anzuwenden. Dabei wurden ein AlphaGUARD und ein RadonMAPPER in 27 Messreihen unterschiedlichen Parametern, Radonkonzentration, Temperatur und Luftfeuchtigkeit, ausgesetzt und deren Messgenauigkeit mit der Referenzkonzentration verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Radonmapper bei 10 °C und 1000 Bq/m3 einen Mittelwert von 93% der Referenzkonzentration gemessen hat, bei einer Standardabweichung von 3%, bei 20 °C wurden 94±4% und bei 30 °C wurden 96±4% gemessen. Beim AlphaGUARD wurden umgekehrt 104±10%, 100±10% und 95±10% bei 10°C, 20°C respektive 30°C gemessen. Eine Abhängigkeit der Messwerte von der Luftfeuchtigkeit wurde nicht festgestellt. Damit wurde gezeigt, dass RadonMAPPER und AlphaGUARD eine Abhängigkeit der Messwerte sowie der Standardabweichung von der Temperatur aufweisen. Mithilfe einer linearen Extrapolation konnte jedoch gezeigt werden, dass die Anforderungen für die Eichung der Radonmessgeräte über den gesamten Betriebsbereich der Temperatur erfüllt sind. Ein Vergleich der Messdaten mit Studien zeigt, dass weitere Untersuchungen nötig sind, um abschliessend zu klären, wie die Geräte von den Parametern beeinflusst werden. Zu Radondosimetern wurde keine Messreihe durchgeführt. Auch gibt es keine Studien oder Untersuchungen, die zeigen, ob solche Dosimeter von den Parametern der Luft beeinflusst werden. Daraus ergibt sich, dass für Radonmessgeräte und Radondosimeter weitere Untersuchungen nötig sind, um den Einfluss von Umweltparametern auf Radonmessungen zu belegen. Eine Anpassung der Anforderungen an Radonmessgeräte und -dosimetern wäre zum jetzigen Zeitpunkt verfrüht und nicht ausreichend belegt.05 - Forschungs- oder ArbeitsberichtPublikation Low-Cost Monitoring thermischer Solaranlagen mit IoT-Sensor und maschinellem Lernen(Institut Nachhaltigkeit und Energie am Bau, Hochschule für Architektur, Bau und Geomatik FHNW, 10.04.2024) Sawant, Parantapa; Sintzel, Barbara; Eismann, Ralph; Hofmann, Joachim; Sitzmann, BerndDas Projekt behandelte die kritische Notwendigkeit, die Überwachung von solarthermischen Anlagen in Bezug auf einfache Implementierung, Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz zu verbessern. Dies wurde erreicht durch minimalen Hardwareaufwand in Form eines einzigen LoRaWAN Sensor zur Messung der Vorlauftemperatur, einer cloudbasierten Datenbank mit automatischer Einbindung von Wetterdaten der nächstgelegenen Wetterstation und eines regelbasierten Algorithmus (RBA) zur automatisierten Datenanalyse und Generation von Fehlermeldungen. Darüber hinaus waren alle Software-Tools Open Source. Die Grundlagen wurden bereits in einem früheren Projekt, «LoCoSol», gelegt. Ziel des aktuellen Projekts war es, die Genauigkeit der Fehlererkennung zu erhöhen, den Solarertrag zu schätzen und den Bewertungsprozess in einem benutzerfreundlichen und robusten Rahmen vollständig zu automatisieren. Die quantitative und qualitative Analyse der Ergebnisse bestätigte, dass die angestrebte Genauigkeit für die verschiedenen Key Performance Indikatoren (KPIs) erreicht wurde, z.B. 98% für den Pumpenbetrieb und 93% für die Stagnationserkennung. Zusätzlich wurden vier neue KPIs für die Erkennung von Wärmeverlusten durch Nachtauskühlung mit einer zufriedenstellenden Genauigkeit von mindestens 86% implementiert. Der neue RBA schätzt auch den zu erwartenden Solarertrag für jede Anlage ausreichend ab. Gegenüber dem im Vorgängerprojekt entwickelten hybriden Algorithmus wurden mit dem RBA bereits gleichwertige, beziehungsweise für einige KPIs sogar höhere Genauigkeiten erreicht. Im Hinblick auf das Software-Framework wurde ein automatisiertes Test-Setup erstellt, welches die Zuverlässigkeit des Codes erhöht, und die RBA wurde in die Datenbankumgebung des Unternehmens implementiert. Dies erhöhte die Robustheit, da die Anzahl der beteiligten Softwaretools im Vergleich zum Vorgängerprojekt reduziert wurde. Die erfolgreiche Implementierung eines Überwachungssystems zur Erkennung von Betriebsfehlern oder Abweichungen vom geplanten Solarertrag aufgrund von Konstruktions- und Installationsfehlern an 468 Anlagen (in einem relativ kurzen Zeitraum) hat die Skalierbarkeit und Kosteneffizienz dieses Frameworks bewiesen. Im Vergleich zu einem typischen drahtgebundenen Datenerfassungssystem mit TCP/IP-Kommunikationsprotokoll und mehreren Sensoren zur Überwachung einer Anlage sind geringere Kosten zu erwarten. Eine kritische Diskussion der Ergebnisse zeigt jedoch auch die Grenzen der RBA in Bezug auf die Qualität der verwendeten Daten und den hohen Aufwand für die Anpassung der Parameter. Hier untersucht das Projekt die Integration von Algorithmen des maschinellen Lernens zur automatischen Fehlererkennung und zur verbesserten Schätzung der in der RBA verwendeten Parameter. Diese Methoden haben sich als vielversprechend erwiesen, wenn sie in Kombination mit der RBA eingesetzt werden, um ein automatisiertes und genaueres System zu erhalten.05 - Forschungs- oder ArbeitsberichtPublikation Abschlussbericht über die Messungen des Gleichgewichtsfaktors zwischen Radon und seinen kurzlebigen Folgeprodukten in Objekten des VBS. Eine Zusammenstellung und Auswertung von Kurz- und Langzeitmessungen der potenziellen Alphaenergiekonzentration sowie Messungen der Aerosolkonzentration(Institut Nachhaltigkeit und Energie am Bau, Hochschule für Architektur, Bau und Geomatik FHNW, 28.02.2024) Grapentin, RaphaelIn den Jahren von 2020 bis 2023 wurden in diversen ober- und unterirdischen Objekten des VBS Messungen durchgeführt, bei welchen die Radonkonzentration und der Gleichgewichtsfaktor simultan gemessen wurden. Neben 107 Kurzzeitmessungen in 43 Objekten wurden in drei Objekten insgesamt neun Langzeitmessungen durchgeführt. Zusätzlich wurden in einem Objekt drei Messungen der Radonkonzentration, des Gleichgewichtsfaktors und der Aerosolkonzentration durchgeführt. Über alle Kurzzeitmessungen lag der Mittelwert der Radonkonzentration bei 721 Bq/m3 und des Gleichgewichtsfaktors bei 0.29, die Langzeitmessungen zeigten Radonkonzentrationen zwischen 0 bis maximal 14000 Bq/m3 und Gleichgewichtsfaktoren zwischen 0.01 und 0.6. Dabei zeigt sich, dass die mechanische Belüftung eines Objektes einen starken Einfluss auf alle Messgrössen hat. Der Zusammenhang zwischen Aerosolkonzentration und Gleichgewichtsfaktor konnte nicht abschliessend geklärt werden. Aufgrund dieser Messwerte wird empfohlen, dass für eine präzise Dosisabschätzung eine Messung des Gleichgewichtsfaktors durchzuführen ist.05 - Forschungs- oder ArbeitsberichtPublikation Prüfung von Einstufungsparameter für die mögliche Zulassung von Radon-Personendosimeter(Institut Nachhaltigkeit und Energie am Bau, Hochschule für Architektur, Bau und Geomatik FHNW, 29.09.2023) Grapentin, RaphaelIn diesem Bericht wurden die Grundlagen der Radon-Personendosimetrie erläutert, es wurden verschiedene Messmethoden vorgestellt, die zur Messung oder Abschätzung der effektiven Dosis durch Radonexposition einer Person an radonexponierten Arbeitsplätzen eingesetzt werden können. Es wurden ebenfalls die aktuellen Anforderungen an Radonmessgeräte und -dosimeter, sowie für Personendosimeter für Photonen-, Beta- und Neutronenstrahlung präsentiert. Basierend auf diesen Anforderungen, weiteren Berechnungen und neusten wissenschaftlichen Erkenntnissen wurde eine Empfehlung für die Einstufungsparameter für die mögliche Zulassung von Radon-Personendosimeter aufgestellt. Dabei wird als Messgrösse die potenzielle Alphaenergieexposition empfohlen. Diese biete eine einfache Berechnung der effektiven Dosis ohne separate Messung des Gleichgewichtsfaktors. Die Anforderungen an Linearität und Reproduzierbarkeit können bei Bedarf verschärft oder gelockert werden. Das viel Diskutierte Thema des zeitlichen Ansprechverhaltens von möglichen Radon-Personendosimeter kann als Anforderung formuliert werden, jedoch ist es einfacher, diese Anforderungen im Zulassungsverfahren einfliessen zu lassen. Dafür können die Messgeräte eine variierenden Radonkonzentration ausgesetzt werden, so wird das zeitliche Ansprechverhalten über die Linearität und Reproduzierbarkeit sichergestellt. Weitere Untersuchungen zu Alterungs- und Fadingeffekten können die Qualität und Messgenauigkeit der Radon-Personendosimetrie weiter steigern. In einem nächsten Schritt müssen verschiedene Messgeräte getestet werden, um zu prüfen, ob es Geräte gibt, die diesen Anforderungen entsprechen. Anschliessend können die gesetzlichen Grundlagen formuliert und umgesetzt werden.05 - Forschungs- oder ArbeitsberichtPublikation Neubestimmung von spezifischen Parametern, welche einen signifikanten Einfluss auf Radongaskonzentrationen in Räumen und der Berechnung von Personendosen haben, z.B. den Gleichgewichtsfaktor(Institut Nachhaltigkeit und Energie am Bau, Hochschule für Architektur, Bau und Geomatik FHNW, 07.03.2024) Grapentin, RaphaelIn diesem Bericht werden Parameter geprüft, die einen Einfluss auf Radongaskonzentrationen in Räumen und der Berechnung von Personendosen haben. Dazu wird die aktuelle Gesetzeslage in der Schweiz untersucht, wobei nur radonexponierte Arbeitsplätze berücksichtigt werden. Überschreitet die Radonkonzentration an einem Arbeitsplatz den Schwellenwert von 1000 Bq/m3 müssen Massnahmen getroffen werden, um die Radonkonzentration zu senken. Liegt diese auch nach dem Umsetzen der Massnahmen über dem Schwellenwert, muss die effektive Dosis exponierter Personen an diesem Arbeitsplatz abgeschätzt werden. Diese Abschätzung muss alle fünf Jahre überprüft werden. Dabei ist die effektive Dosis E = F × cB × JIRK, wobei F der Gleichgewichtsfaktor, cB der Dosiskonversionsfaktor und JIRK die über ein Jahr integrierte Radonexposition während Personenaufenthalt ist. Die Radonkonzentration am Arbeitsplatz ist dabei abhängig von Radoneintrittspfaden und verstärkenden und hemmenden Einflüssen. Die wichtigsten Eintrittspfade sind der konvektive Radoneintritt aus dem Untergrund, die Rado-nemanation aus Baumaterial und der Radoneintritt durch Trinkwassernutzung. Dabei wird der konvektive Radoneintritt von Unterdruck im Gebäude gegenüber der Bodenluft verstärkt. Jedoch ist zu bemerken, dass die Wichtigkeit der einzelnen Einflussfaktoren bei jedem Gebäude unterschiedlich sein können und eine individuelle Betrachtung nötig ist. Für den Gleichgewichts-faktor wird in der Literatur der Wert von F = 0.4 empfohlen. Messungen in Objekten des VBS ergeben einen Mittelwert von 0.29. Wie bei der Radonkonzentration ist auch beim Gleichgewichtsfaktor eine Messung nötig, um den genauen Wert zu ermitteln. Abschliessend muss der Dosiskonversionsfaktor verwendet werden, um die Radonexposition in eine effektive Dosis um-zurechnen. In der aktuellen Gesetzgebung in der Schweiz muss der Wert cB = 3.4 mSv/(mJ h/m3) verwendet werden. Die neusten internationalen Empfehlungen geben einen Wert von 3 mSv/(mJ h/m3) für die meisten Situationen vor. Bei grosser physischer Aktivität sollte 6 mSv/(mJ h/m3) verwendet werden, da die Atemrate höher ist.05 - Forschungs- oder ArbeitsberichtPublikation Experimental demonstration of grid-supportive scheduling of a polygeneration system using economic-MPC(Elsevier, 12.11.2021) Sawant, Parantapa; Bürger, Adrian; Felsmann, Clemens; Pfafferott, JensDrawing off the technical flexibility of building polygeneration systems to support a rapidly expanding renewable electricity grid requires the application of advanced controllers like model predictive control (MPC) that can handle multiple inputs and outputs, uncertainties in forecast data, and plant constraints amongst other features. In this original work, an economic-MPC-based optimal scheduling of a real-world building energy system is demonstrated and its performance is evaluated against a conventional controller. The demonstration includes the steps to integrate an optimisation-based supervisory controller into a standard building automation and control system with off-the-shelf HVAC components and usage of state-of-art algorithms for solving complex nonlinear mixed integer optimal control problems. With the MPC, quantitative benefits in terms of 6–12% demand-cost savings and qualitative benefits in terms of better controller adaptability and hardware-friendly operation are identified. Further research potential for improving the MPC framework in terms of field-level stability, minimising constraint violations, and inter-system communication for its deployment in a prosumer-network is also identified.01A - Beitrag in wissenschaftlicher ZeitschriftPublikation Hybrid ventilation in residential and office buildings(IOP Publishing, 2023) Hoffmann, Caroline; Hauri, Claudia; Primas, Alex; Dorer, Viktor; Huber, HeinrichThis project is focused on hybrid ventilation systems, a combination of natural and mechanical ventilation in residential and office buildings. Especially in dwellings hybrid ventilation systems are quite common. For instance, this can be the frequently occurring combination of exhaust fans in bathroom and toilet and / or a range hood in the kitchen with window ventilation in the other rooms. Currently, these systems are part of the planning reality, however, there are neither planning aids nor focused building standards available. A recently completed research project documents the state of the scientific knowledge, identifies most common planning challenges, and thus provides the basis for future planning aids for hybrid ventilation. This paper sets out to define the term "hybrid ventilation", presents the most common hybrid ventilation systems in Switzerland and gives planning guidelines for current components of hybrid ventilation systems.01A - Beitrag in wissenschaftlicher ZeitschriftPublikation Development of a Multi-Criteria Decision-Making model to assist building designers in the choice of superficial construction systems in urban areas(SAGE, 22.12.2022) Dürr, Jonas; Geissler, Achim; Hoffmann, CarolineAn enormous range of building materials that is almost impossible to keep track of is available. The trend toward building densification in cities continues apace. Coupled with climate change, a situation is emerging that poses ecological as well as economic risks in terms of living comfort in public, urban spaces. Building designers need help (tools) to be able to address a wide range of requirements within their planning. The development of the Multi-Criteria Decision-Making (MCDM) model BASK (engl. “Construction Materials for Cities in Climate Change”) is presented. The goal of the model is to assist building designers in determining surface materials for wall, ground and roof construction and help determine the best compromise between environmental, economic, and building practice criteria. Currently available criteria are heat stress, visual reflectance, CO equivalents, electricity production, retrofitability, sound absorption, construction costs, and life span. The criteria can be weighted by the designer, resulting in a customized ranking of construction systems that best meets the designer’s prioritized criteria. The design of BASK basically allows for an extension of the criteria. The version of BASK described in this paper includes 10 construction systems covering a wide range of construction types focused on walls. The tool requires technical data for materials considered in construction systems included, which are made available via a data base. The scope of construction systems can also be extended in the future. Based on the restricted set of construction systems the results of a sensitivity analysis and initial validation are given.01A - Beitrag in wissenschaftlicher Zeitschrift