Hochschule für Architektur, Bau und Geomatik FHNW

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    Publikation
    Spatial distribution of radon in an experimental room
    (Elsevier, 16.11.2024) Grapentin, Raphael; Geiser, Antoine; Blaser Zürcher, Roger
    The spatial distribution of radon and the relevance of the placement of radon detectors relative to the entry path of radon-containing air in an experimental room was investigated. A radon emanation source was used from which the air was transported with a constant air flow into the room. The radon contaminated air was released under a floor element used for electrical wiring which has multiple holes connecting to the inner volume of the room. At 36 equally spaced lattice points in the room the radon activity concentration was measured with two different solid-state nuclear track detectors of type Radonova Radtrak and Radonova Rapidos. The radon exposure on the detectors was accumulated over 72 days. Additionally, an electronic measurement device of type Saphymo AlphaGUARD was used as reference. It indicated a radon exposition of 475(1) kBq.h/m3. The detectors of type Radtrak had a mean exposition of 564(36) kBq.h/m3 and the ones of type Rapidos 496(15) kBq.h/m3. Except for one outlier both types of detector showed a homogeneous distribution of radon in the room. Therefore, we have shown that under these experimental conditions the placement of the radon detector does not significantly influence the measurement result.
    01A - Beitrag in wissenschaftlicher Zeitschrift
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    Publikation
    A commissioning-oriented fault detection framework for building heating systems using SARIMAX models
    (29.10.2024) Sawant, Parantapa; Eismann, Ralph
    A scalable and rapidly deployable fault detection framework for building heating systems is presented. Unlike existing data-intensive machine learning approaches, a SARIMAX-based concept was implemented to address challenges with limited data availability after commissioning of the plant. The effectiveness of this framework is demonstrated on real-world data from multiple solar thermal systems, indicating potential for extensive field tests and applications for broader systems, including heat pumps and district heating.
    04B - Beitrag Konferenzschrift
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    Publikation
    FlexiCluster – Energetische Flexibilität von Arealen
    (Bundesamt für Energie BFE, 06.09.2024) Hall, Monika; Geissler, Achim
    Ziel des Projektes ist es, für Areale verbesserte Aussagen über das Zusammenspiel von Gebäudelast, Nutzung lokaler Strom-/Wärmeerzeugung, dem lokalen elektrischen Verteilnetz und der jeweiligen Trafostation zu machen. Insbesondere die Residuallast an der Trafostation ist für den Netzausbau ein wichtiger Parameter, weshalb sie detailliert betrachtet werden muss. Hierzu wird das System «Areal» in Verbindung mit dem System «elektrisches Netz» detailliert simuliert. Die komplexen Strukturen werden mit einer Multi-Agent Co-Simulations Umgebung abgebildet. Die System-Architektur setzt sich aus EnergyPlus (Gebäude inkl. Haustechnik), Mosaik (Multi-Agent Co-Simulation) und Pandapower (elektrisches Netz) zusammen. Mit der erstellten System-Architektur wird der Einfluss verschiedener Steuersignale auf verschieden Gebäude- und Arealparameter untersucht. Mit der erstellten System-Architektur wird ein Areal bestehend aus acht Einfamilienreihenhäusern mit unterschiedlichen Lastprofilen abgebildet. Aufgrund der Simulationen mit der erstellten System-Architektur kann gezeigt werden, dass das gewählte Lastmanagement (Day Ahead Preise, CO2äq-Emissionen, Trafoleistung und Trafotemperatur) für den netzdienlichen Betrieb des untersuchten Areals geeignet ist, ohne dass die thermische Behaglichkeit der Bewohnenden signifikant eingeschränkt wird. Es wird aber auch deutlich, dass die Netzeinspeisung eine grosse Rolle spielt. Ohne Berücksichtigung von Kurz- bzw. Langzeitspeicher kann das Areal gerade im Sommer nur eine sehr begrenzte Flexibilität aufweisen bzw. dem Lastmanagement nur bedingt Folge leisten.
    05 - Forschungs- oder Arbeitsbericht
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    Publikation
    Building and characterisation of a radon emanation source using a historical watch painted with radioluminescent paint containing radium
    (Institut Nachhaltigkeit und Energie am Bau, Hochschule für Architektur, Bau und Geomatik FHNW, 27.09.2024) Grapentin, Raphael
    Conducting experiments with 222Rn not always requires a radon emanation source traceable to primary standards, often it is sufficient to use a well characterised radium source. In this work we present the building and characterisation of a radon emanation source using a watch with radioluminescent paint containing 226Ra. The source with 179±9 kBq 226Ra was characterised for different air flow rates between 0.05 L/min and 2 L/min. The mean radon emanation coefficient was 0.54 ± 0.19 while a dependence of radon emanation on relative air humidity was discovered.
    05 - Forschungs- oder Arbeitsbericht
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    Publikation
    Baumaterialien für Städte im Klimawandel. Ein Materialkatalog mit Empfehlungen
    (27.08.2024) Hoffmann, Caroline
    Die gewählten Baumaterialien haben Auswirkungen auf das städtische Mikroklima. Zusätzlich beeinflusst die Materialisierung die Umwelt z.B. im Hinblick auf die Versickerungsfähigkeit, die Akustik oder die Blendung. Die Kurzpräsentation gibt Einblick in den Katalog, den derzeitigen Arbeitsstand und macht Empfehlungen zur Materialienwahl.
    06 - Präsentation
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    Publikation
    Dekarbonisierung und Ressourcen sparen beim Heizungsersatz
    (30.03.2023) Hall, Monika
    Der Wechsel einer fossil betriebenen Heizung zu Erneuerbaren Energie ist unumgänglich, doch wie einfach ist der Heizungsersatz möglich? Bei dem Ersatz sollte auch auf die Treibhausgasemissionen des neuen Heizsystems für die Erstellung geachtet werden. Es stellt sich die Frage, ob es sinnvoll ist jedes Haus mit einem neuen Heizsystem zu versehen oder ob ein kleiner Wärmeverbund mit einer Zentrale für mehrere Häuser nachhaltiger ist?
    06 - Präsentation
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    Publikation
    Potential-estimation of thermal micro-grids in urban areas based on heat load and building clustering
    (IOP Publishing, 2023) Hall, Monika; Bereuter, Pia; Geissler, Achim
    As a result of climate change, fossil heating systems must be replaced with renewable systems. The question arises whether it makes sense for each building to have its own new heating system or whether a thermal micro-grid is possible. In this paper a model is presented which allows to aggregate buildings into thermal micro-grid clusters. All gas-heated residential buildings of Basel (Switzerland) are marked via geo-data. The heat demand of each building is determined depending on the year of construction and is then converted into the heat load. Each building then is grouped into thermal micro-grids according to a given grid load limit. The thermal micro-grids generated in this way are marked in color, so that the potential of any given city district can be easily and quickly identified. If the grid load limit is increased, the number of possible micro-grids increases, also.
    01A - Beitrag in wissenschaftlicher Zeitschrift
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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, Raphael
    Gemäss 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 Arbeitsbericht
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    Publikation
    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, Raphael
    Es 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 Arbeitsbericht
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    Publikation
    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, Bernd
    Das 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 Arbeitsbericht