Aufgrund einer sich zuspitzenden Ressourcenknappheit und des global ansteigenden Energieverbrauchs, wird
nach innovativen Lösungen gesucht, um diesen Faktoren entgegenzuwirken. Dies verlangt in vielerlei
Hinsicht ein Umdenken in Bezug auf die Wahrnehmung zu diesen Themen, um eine nachhaltige Zukunft zu
gewährleisten. Deshalb wird innerhalb dieser Arbeit untersucht, ob es möglich ist, die Gebäudespeichermasse
in bestehenden Gebäuden zu aktivieren und dadurch ein Lastverschiebungspotential zu erreichen, welches
eine Senkung der Spitzenlast und ein nachhaltiges Lastmanagement zulässt.
Für die Ermittlung der Gebäudeträgheit und der Grundlast wird das Simulationsprogramm IDA ICE
verwendet. Da es sich um die Betrachtung einer ganzen Gemeinde handelt und die verschiedenen Bauweisen
berücksichtigt werden können, werden die Gebäude nach deren Jahrgang in die Kategorien Alt- oder Neubau
unterteilt sowie Referenzgebäude für die Nutzungen «Einfamilienhaus», «Mehrfamilienhaus» und «Hotel»
simuliert. Mittels der ausgewählten und simulierten Referenzgebäude lässt sich die gesamte Gemeinde
abbilden. Das Lastverschiebungspotential unterscheidet sich aufgrund der Bauweise stark zwischen den Altund
Neubauten. Damit eine Lasteinsparung für die Gemeinde möglich ist, werden sechs Zeitprofile mit
jeweils 4 h angelegt, in denen die Gebäude deren Heizsystem abschalten, solange keine Komforteinbussen
entstehen. Der Komfort wird anhand der Raumtemperaturen in den Gebäuden gemessen. Durch die
Einteilung der verschiedenen Gebäude in die Zeitintervalle und die versetzte Aktivierung der Heizsysteme
wird mit Hilfe der Gebäudespeicherfähigkeit eine Senkung der Spitzenlast um mehr als 13 % erreicht. Die
Senkung der Spitzenlast wirkt sich in wirtschaftlicher Sichtweise auf die Erstellung des Fernwärmenetzes aus
und auf die anfallenden jährlichen Betriebskosten der Förderpumpen. Aufgrund des tieferen Leistungsbedarfs
kann die Fernwärmeerzeugung kleiner dimensioniert und somit Investitionskosten gespart werden. Da sich
durch die Auswertung der Simulationen und der Analyse der Gebäude ergeben hat, dass vor allem Neubauten
nach den 2000er Jahren ein grosses Potential für eine Lastverschiebung und Optimierung darstellen, sollte die
Sanierung von Altbauten auf heutige Standards in Betracht gezogen werden. Dies wäre auch im Sinne der
vom Bund lancierten «Energiestrategie 2050», welche ebenfalls eine Steigerung der Energieeffizienz
innerhalb des Gebäudesektors vorsieht.
Due to an increasing scarcity of resources and rising global energy consumption, innovative solutions
are being sought to counteract these factors. In many ways, this requires a reconsideration of the
perception of these issues to ensure a sustainable future. Therefore, it has been investigated in this
thesis whether it is possible to activate the building storage mass in existing buildings, and thereby
achieve a load-shifting potential that allows a reduction of the peak-load and a sustainable load
management. The simulation programme "IDA ICE" is used to determine the building inertia and the
base-load. Since it is a matter of considering an entire municipality and the different construction
methods can be taken into account, the buildings are divided into the categories of old or new
construction according to their vintage, and reference buildings are simulated for the uses "singlefamily
house", "multi-family house" and "hotel". The entire municipality can be represented by
means of the selected and simulated reference buildings. The load-shifting potential differs greatly
between the old and new buildings due to the construction method. In order to make load-savings
possible for the municipality, six time profiles are created, each with four hours, in which the
buildings switch off their heating system as long as there is no loss of comfort. The comfort is
measured by the room temperatures in the buildings. By dividing the different buildings into the time
intervals and staggering the activation of the heating systems, a reduction of the peak-load by more
than 13 % is achieved with the help of the building storage capacity. The reduction of the peak-load
has an economic effect on the construction of the district heating network and on the annual
operating costs of the feedpumps. Due to the lower power demand, the district heating generation
can be dimensioned smaller and thus investment costs can be saved. Since the evaluation of the
simulations and the analysis of the buildings showed that especially new buildings after the 2000s
represent a great potential for load-shifting and optimisation, the renovation of old buildings to
current standards should be considered. This would also be in line with the "Energy Strategy 2050",
launched by the federal government, which also envisages an increase in energy efficiency within the
building sector.
Aufgrund einer sich zuspitzenden Ressourcenknappheit und des global ansteigenden Energieverbrauchs, wird
nach innovativen Lösungen gesucht, um diesen Faktoren entgegenzuwirken. Dies verlangt in vielerlei
Hinsicht ein Umdenken in Bezug auf die Wahrnehmung zu diesen Themen, um eine nachhaltige Zukunft zu
gewährleisten. Deshalb wird innerhalb dieser Arbeit untersucht, ob es möglich ist, die Gebäudespeichermasse
in bestehenden Gebäuden zu aktivieren und dadurch ein Lastverschiebungspotential zu erreichen, welches
eine Senkung der Spitzenlast und ein nachhaltiges Lastmanagement zulässt.
Für die Ermittlung der Gebäudeträgheit und der Grundlast wird das Simulationsprogramm IDA ICE
verwendet. Da es sich um die Betrachtung einer ganzen Gemeinde handelt und die verschiedenen Bauweisen
berücksichtigt werden können, werden die Gebäude nach deren Jahrgang in die Kategorien Alt- oder Neubau
unterteilt sowie Referenzgebäude für die Nutzungen «Einfamilienhaus», «Mehrfamilienhaus» und «Hotel»
simuliert. Mittels der ausgewählten und simulierten Referenzgebäude lässt sich die gesamte Gemeinde
abbilden. Das Lastverschiebungspotential unterscheidet sich aufgrund der Bauweise stark zwischen den Altund
Neubauten. Damit eine Lasteinsparung für die Gemeinde möglich ist, werden sechs Zeitprofile mit
jeweils 4 h angelegt, in denen die Gebäude deren Heizsystem abschalten, solange keine Komforteinbussen
entstehen. Der Komfort wird anhand der Raumtemperaturen in den Gebäuden gemessen. Durch die
Einteilung der verschiedenen Gebäude in die Zeitintervalle und die versetzte Aktivierung der Heizsysteme
wird mit Hilfe der Gebäudespeicherfähigkeit eine Senkung der Spitzenlast um mehr als 13 % erreicht. Die
Senkung der Spitzenlast wirkt sich in wirtschaftlicher Sichtweise auf die Erstellung des Fernwärmenetzes aus
und auf die anfallenden jährlichen Betriebskosten der Förderpumpen. Aufgrund des tieferen Leistungsbedarfs
kann die Fernwärmeerzeugung kleiner dimensioniert und somit Investitionskosten gespart werden. Da sich
durch die Auswertung der Simulationen und der Analyse der Gebäude ergeben hat, dass vor allem Neubauten
nach den 2000er Jahren ein grosses Potential für eine Lastverschiebung und Optimierung darstellen, sollte die
Sanierung von Altbauten auf heutige Standards in Betracht gezogen werden. Dies wäre auch im Sinne der
vom Bund lancierten «Energiestrategie 2050», welche ebenfalls eine Steigerung der Energieeffizienz
innerhalb des Gebäudesektors vorsieht.
Due to an increasing scarcity of resources and rising global energy consumption, innovative solutions
are being sought to counteract these factors. In many ways, this requires a reconsideration of the
perception of these issues to ensure a sustainable future. Therefore, it has been investigated in this
thesis whether it is possible to activate the building storage mass in existing buildings, and thereby
achieve a load-shifting potential that allows a reduction of the peak-load and a sustainable load
management. The simulation programme "IDA ICE" is used to determine the building inertia and the
base-load. Since it is a matter of considering an entire municipality and the different construction
methods can be taken into account, the buildings are divided into the categories of old or new
construction according to their vintage, and reference buildings are simulated for the uses "singlefamily
house", "multi-family house" and "hotel". The entire municipality can be represented by
means of the selected and simulated reference buildings. The load-shifting potential differs greatly
between the old and new buildings due to the construction method. In order to make load-savings
possible for the municipality, six time profiles are created, each with four hours, in which the
buildings switch off their heating system as long as there is no loss of comfort. The comfort is
measured by the room temperatures in the buildings. By dividing the different buildings into the time
intervals and staggering the activation of the heating systems, a reduction of the peak-load by more
than 13 % is achieved with the help of the building storage capacity. The reduction of the peak-load
has an economic effect on the construction of the district heating network and on the annual
operating costs of the feedpumps. Due to the lower power demand, the district heating generation
can be dimensioned smaller and thus investment costs can be saved. Since the evaluation of the
simulations and the analysis of the buildings showed that especially new buildings after the 2000s
represent a great potential for load-shifting and optimisation, the renovation of old buildings to
current standards should be considered. This would also be in line with the "Energy Strategy 2050",
launched by the federal government, which also envisages an increase in energy efficiency within the
building sector.
Zur Einhaltung der Behaglichkeit in den jeweiligen Innenräumen wird von gebäudetechnischen System
erwartet, dass sie für den Nutzer ein relativ stabiles Raumklima aufrechterhalten. Äussere Einflüsse, wie
das Wetter, können als Störfaktoren für das betrachtete Modell qualifiziert werden und beeinflussen den
Betrieb der Wärmeabgabesysteme und der Klimaanlagen. In dieser Studienarbeit beschäftigen wir uns
mit der Frage: Wie stark beeinflusst das Klima den Energieverbrauch von Gebäuden?
Ziel der Arbeit ist es, den Einfluss verschiedener Wetterfaktoren auf den Energieverbrauch von Gebäuden
zu untersuchen. Für die Studienarbeit wurde ein abstraktes Modell der "American Society of Heating,
Refrigerating and Air-Conditioning Engineers" betrachtet, womit verschiedene Klimajahre in Basel
Binningen als Modellinput implementiert wurden, um den Energieverbrauch mit der Software IDAICE
zu untersuchen und anschliessend die Resultate quantitativ auswerten zu können. Die Analyse der
Simulationsergebnisse zeigte, dass die Aussenlufttemperatur unter den vielen Wetterfaktoren als signifikantesten
Modellinput qualifiziert werden können.
Neben den dynamischen Modellinputs, haben auch die bauphysikalischen Eigenschaften, einen Einfluss
auf den Wärmeenergiebedarf eines Gebäudes. In der Parameterstudie wurde festgestellt, dass die Gebäudekompaktheit
im Verhältnis der thermischen Gebäudehülloberfläche zum Volumen, den über das
Jahr grösseren relativen Einfluss auf den Energieverbrauch hat, als die normativ gewählten Wärmeübergangskoeffizienten.
Um eine zukunftsträchtige Aussage im Kontext der Heiz- und Kühllasten, mit dem Ziel das abstrakte
Modell auf ganze Areale übertragen zu können und auch in Substitution anderer Nutzungen, müssten
die vom Weltklimarat definierten repräsentativen Konzentrationspfade referenziert werden.
To maintain comfort within indoor spaces, building systems are expected to maintain a relatively stable
indoor climate for occupants. External factors such as weather conditions can be considered as disturbances
to the model under consideration and affect the operation of heating and cooling systems. This
study aims to examine the extent to which climate influences the energy consumption of buildings.
The objective of this study is to investigate the influence of various weather factors on the energy consumption
of buildings. An abstract model developed by the American Society of Heating, Refrigerating
and Air-Conditioning Engineers was utilized, incorporating different climate years in Basel Binningen
as model inputs. The software IDA-ICE was employed to analyze the energy consumption, and subsequently,
the results were quantitatively evaluated. The analysis of the simulation results revealed that
among the numerous weather factors, outdoor air temperature could be identified as the most significant
model input.
In addition to dynamic model inputs, the building's physical properties also impact its heating energy
demand. The parameter study indicated that building compactness, defined as the ratio of thermal building
envelope area to volume, has a greater relative influence on energy consumption over the course
of a year compared to the normatively selected heat transfer coefficients.
Die vorliegende Bachelor-Thesis befasst sich mit den akustischen und energetischen Aspekten
einer Luft-Wasser-Wärmepumpe. Aufgrund der störenden Schallemissionen von einer Luft-
Wasser-Wärmepumpe, die wiederholt zu Konflikten führen, werden ein Schallschutznachweis für
den Lärmschutz und ein Nacht-Modus gefordert. Dazu wurde der Zusammenhang zwischen der
Energieeffizienz und der Schallemission untersucht. Des Weiteren wurde geprüft, ob es möglich
ist, das Geräusch einer Wärmepumpe mithilfe eines Lautsprechers zu emulieren und auf diese
Weise den Schallschutznachweis zu erbringen. Ausserdem wurde der Einfluss des Silent-Modes
auf die Energie und die Schallemission untersucht. Die Auswertung der Messungen ergab, dass je
höher die Kompressor-Drehzahl ist, desto höher auch die Schallemissionen sind. Die
Energieeffizienz sinkt wiederum bei steigender Kompressor-Drehzahl. Anhand von
Tonaufnahmen, konnte das Geräusch der Wärmepumpe emuliert werden. Die Messungen mit dem
Emulator belegen, dass der Nachweis auch mit einem Emulator gemacht werden könnte und dass
dieser für spezielle Topologien besser als die aktuelle Methode für den Schallschutznachweis
geeignet ist. Bei der Untersuchung des Silent-Modes zeigte sich, dass die Effizienz deutlich sinkt
und dieser bei einigen Frequenzen auch hörbar ist.
This bachelor thesis deals with the acoustic and energetic aspects of an air-to-water heat pump.
Due to the disturbing sound emissions from an air-to-water heat pump, which repeatedly lead to
conflicts, a soundproof certificate for noise protection and a night mode of the pump assembly are
required. For this purpose, the relationship between energy efficiency and noise emission was
investigated. Furthermore, it was examined whether it is possible to emulate the noise of a heat
pump with the help of a loudspeaker and in this way to provide the noise protection verification.
In addition, the influence of the silent mode on the energy and the sound emission was investigated.
The evaluation of the measurements showed that the higher the compressor speed, the higher the
sound emissions are. The energy efficiency in turn decreases as the compressor speed increases.
Using sound recordings, the noise of the heat pump could be emulated. The measurements with the
emulator prove that the verification could also be done with an emulator and that it is better suited
for special topologies than the current method for the sound insulation verification. The
investigation of the silent mode showed that the efficiency drops significantly and that it is also
audible at some frequencies.
Die vorliegende Bachelor-Thesis befasst sich mit den akustischen und energetischen Aspekten
einer Luft-Wasser-Wärmepumpe. Aufgrund der störenden Schallemissionen von einer Luft-
Wasser-Wärmepumpe, die wiederholt zu Konflikten führen, werden ein Schallschutznachweis für
den Lärmschutz und ein Nacht-Modus gefordert. Dazu wurde der Zusammenhang zwischen der
Energieeffizienz und der Schallemission untersucht. Des Weiteren wurde geprüft, ob es möglich
ist, das Geräusch einer Wärmepumpe mithilfe eines Lautsprechers zu emulieren und auf diese
Weise den Schallschutznachweis zu erbringen. Ausserdem wurde der Einfluss des Silent-Modes
auf die Energie und die Schallemission untersucht. Die Auswertung der Messungen ergab, dass je
höher die Kompressor-Drehzahl ist, desto höher auch die Schallemissionen sind. Die
Energieeffizienz sinkt wiederum bei steigender Kompressor-Drehzahl. Anhand von
Tonaufnahmen, konnte das Geräusch der Wärmepumpe emuliert werden. Die Messungen mit dem
Emulator belegen, dass der Nachweis auch mit einem Emulator gemacht werden könnte und dass
dieser für spezielle Topologien besser als die aktuelle Methode für den Schallschutznachweis
geeignet ist. Bei der Untersuchung des Silent-Modes zeigte sich, dass die Effizienz deutlich sinkt
und dieser bei einigen Frequenzen auch hörbar ist.
This bachelor thesis deals with the acoustic and energetic aspects of an air-to-water heat pump.
Due to the disturbing sound emissions from an air-to-water heat pump, which repeatedly lead to
conflicts, a soundproof certificate for noise protection and a night mode of the pump assembly are
required. For this purpose, the relationship between energy efficiency and noise emission was
investigated. Furthermore, it was examined whether it is possible to emulate the noise of a heat
pump with the help of a loudspeaker and in this way to provide the noise protection verification.
In addition, the influence of the silent mode on the energy and the sound emission was investigated.
The evaluation of the measurements showed that the higher the compressor speed, the higher the
sound emissions are. The energy efficiency in turn decreases as the compressor speed increases.
Using sound recordings, the noise of the heat pump could be emulated. The measurements with the
emulator prove that the verification could also be done with an emulator and that it is better suited
for special topologies than the current method for the sound insulation verification. The
investigation of the silent mode showed that the efficiency drops significantly and that it is also
audible at some frequencies.
In dieser Bachelorarbeit wird ein nachhaltiges Abwassermanagementkonzept für ein bestehendes
Schulgebäude im Norden Tansanias erarbeitet. Schwerpunkt der Arbeit sind dabei dezentrale
Abwasseraufbereitungsverfahren, einschliesslich Konzeptbeschreibung, Planungshilfen und einem möglichen
Terminplan für dessen Umsetzung.
Die Arbeit umfasst drei Teile: Ausgangslage, Konzeptfindung und einen Umsetzungsvorschlag.
Als Ausgangslage wird der Standort, das bestehende Wasserressourcenmanagement, sowie der kulturelle
Kontext analysiert. Dabei werden die anfallenden Wasserarten definiert und der Abwasseranfall ermittelt. Es
resultiert ein jährlicher Abwasseranfall von 730 m3.
Die Konzeptfindung basiert auf der Untersuchung von Nutzungspotenzialen und Risiken am Standort. Mit
dem aufbereiteten Schwarzwasser sollen die Felder des Schulgeländes bewässert werden, was eine pathogene
Reduktion von 3-4 Log-Einheiten erfordert. Durch eine Nutzwertanalyse wird eine optimale Kombination
aus Schlammabscheider, anaerobem Tauchwandreaktor, anaeroben Filtern und einem horizontalen
Pflanzenfilter für die Aufbereitung des Schwarzwassers zur Feldbewässerung ermittelt.
Der Umsetzungsvorschlag beinhaltet eine Diversifizierung der Wasserversorgung durch eine
Regenwassernutzung. Mit einem Speichervolumen von 20 m³ lässt sich der Brauchwasserbedarf für das
Händewaschen in der WC-Anlage ganzjährig decken. Weiter wird das Grauwasser aus den
Handwaschbecken zur WC-Spülung verwendet, was eine jährliche Wassereinsparung von etwa 13%
ermöglicht. In einem späteren Schritt kann eine Urinseparierung für die Erzeugung von Trockendünger
nachgerüstet werden.
Die dezentralen Ansätze im Abwassermanagement verlagern die Verantwortung zurück zum Nutzer, was
dazu beiträgt, das Bewusstsein für den Wert von Wasser zu stärken. Mit dem entwickelten
Aufbereitungskonzept können rund 65% des anfallenden Abwassers wiederverwendet werden, was zur
Bekämpfung der lokalen Wasserknappheit beiträgt.
Ein nächster Schritt wäre die Realisierung des Konzepts, idealerweise im Rahmen der Summer School 2024.
This bachelor's thesis develops a sustainable wastewater management concept for an existing school
building in northern Tanzania. The focus of the work is on decentralized wastewater treatment
methods, including concept description, planning aids, and a possible timetable for its
implementation.
The work comprises three parts: the initial situation, concept finding, and a proposal for
implementation. The initial situation involves analyzing the location, existing water resource
management, and cultural context. The types of water produced and the volume of wastewater are
determined. This results in an annual wastewater volume of 730 m³.
Concept development is based on examining potential uses and risks at the site. The fields of the
school grounds are to be irrigated with the treated black water, which requires a pathogenic
reduction of 3-4 log units. A utility value analysis is used to determine an optimal combination of
settler, anaerobic baffled reactor, anaerobic filters, and a horizontal subsurface flow constructed
wetland for the treatment of black water for field irrigation.
The implementation proposal includes diversifying the water supply through the use of rainwater.
With a storage volume of 20 m³, the requirement for hand washing water in the toilet facility can be
covered all year round. Furthermore, the greywater from the handwashing basins is reused for toilet
flushing, enabling an annual water saving of approximately 13%. In a later step, urine separation
can be retrofitted for the production of dry fertilizer.
The decentralized approaches in wastewater management shift the responsibility back to the user,
which helps to strengthen awareness of the value of water. With the developed treatment concept,
about 65% of the wastewater generated can be reused, which contributes to combating local water
scarcity.
The next step would be to implement the concept, ideally as part of the Summer School 2024.
In dieser Bachelorarbeit wird ein nachhaltiges Abwassermanagementkonzept für ein bestehendes
Schulgebäude im Norden Tansanias erarbeitet. Schwerpunkt der Arbeit sind dabei dezentrale
Abwasseraufbereitungsverfahren, einschliesslich Konzeptbeschreibung, Planungshilfen und einem möglichen
Terminplan für dessen Umsetzung.
Die Arbeit umfasst drei Teile: Ausgangslage, Konzeptfindung und einen Umsetzungsvorschlag.
Als Ausgangslage wird der Standort, das bestehende Wasserressourcenmanagement, sowie der kulturelle
Kontext analysiert. Dabei werden die anfallenden Wasserarten definiert und der Abwasseranfall ermittelt. Es
resultiert ein jährlicher Abwasseranfall von 730 m3.
Die Konzeptfindung basiert auf der Untersuchung von Nutzungspotenzialen und Risiken am Standort. Mit
dem aufbereiteten Schwarzwasser sollen die Felder des Schulgeländes bewässert werden, was eine pathogene
Reduktion von 3-4 Log-Einheiten erfordert. Durch eine Nutzwertanalyse wird eine optimale Kombination
aus Schlammabscheider, anaerobem Tauchwandreaktor, anaeroben Filtern und einem horizontalen
Pflanzenfilter für die Aufbereitung des Schwarzwassers zur Feldbewässerung ermittelt.
Der Umsetzungsvorschlag beinhaltet eine Diversifizierung der Wasserversorgung durch eine
Regenwassernutzung. Mit einem Speichervolumen von 20 m³ lässt sich der Brauchwasserbedarf für das
Händewaschen in der WC-Anlage ganzjährig decken. Weiter wird das Grauwasser aus den
Handwaschbecken zur WC-Spülung verwendet, was eine jährliche Wassereinsparung von etwa 13%
ermöglicht. In einem späteren Schritt kann eine Urinseparierung für die Erzeugung von Trockendünger
nachgerüstet werden.
Die dezentralen Ansätze im Abwassermanagement verlagern die Verantwortung zurück zum Nutzer, was
dazu beiträgt, das Bewusstsein für den Wert von Wasser zu stärken. Mit dem entwickelten
Aufbereitungskonzept können rund 65% des anfallenden Abwassers wiederverwendet werden, was zur
Bekämpfung der lokalen Wasserknappheit beiträgt.
Ein nächster Schritt wäre die Realisierung des Konzepts, idealerweise im Rahmen der Summer School 2024.
This bachelor's thesis develops a sustainable wastewater management concept for an existing school
building in northern Tanzania. The focus of the work is on decentralized wastewater treatment
methods, including concept description, planning aids, and a possible timetable for its
implementation.
The work comprises three parts: the initial situation, concept finding, and a proposal for
implementation. The initial situation involves analyzing the location, existing water resource
management, and cultural context. The types of water produced and the volume of wastewater are
determined. This results in an annual wastewater volume of 730 m³.
Concept development is based on examining potential uses and risks at the site. The fields of the
school grounds are to be irrigated with the treated black water, which requires a pathogenic
reduction of 3-4 log units. A utility value analysis is used to determine an optimal combination of
settler, anaerobic baffled reactor, anaerobic filters, and a horizontal subsurface flow constructed
wetland for the treatment of black water for field irrigation.
The implementation proposal includes diversifying the water supply through the use of rainwater.
With a storage volume of 20 m³, the requirement for hand washing water in the toilet facility can be
covered all year round. Furthermore, the greywater from the handwashing basins is reused for toilet
flushing, enabling an annual water saving of approximately 13%. In a later step, urine separation
can be retrofitted for the production of dry fertilizer.
The decentralized approaches in wastewater management shift the responsibility back to the user,
which helps to strengthen awareness of the value of water. With the developed treatment concept,
about 65% of the wastewater generated can be reused, which contributes to combating local water
scarcity.
The next step would be to implement the concept, ideally as part of the Summer School 2024.
Im Juli 2022 veröffentlichte die Eidgenössische Koordinationskommission für Arbeitssicherheit (EKAS) die
Richtlinie 1871, betreffend der Arbeitssicherheit in Laboren. Neu werden minimale Raumluftwechselzahlen
gefordert, welche wesentlich höher sind als die bisher verwendeten Planungswerte. Die
Arbeitsnehmersicherheit steht selbstverständlich an erster Stelle, dennoch stellt sich die Frage ob die neuen
minimalen Raumluftwechselzahlen tatsächlich mehr Sicherheit gewährleisten. Es gilt zu prüfen, ob
niedrigere Raumluftwechselzahlen die gleiche Sicherheit erbringen können, wie die neu geforderten
Raumluftwechselzahlen, oder ob gesundheitsgefährdende Stoffkonzentrationen entstehen. In Anbetracht des
Energieverbrauches bedeutet eine höhere Raumluftwechselzahl einen höheren Energieverbrauch und somit
eine höhere CO2-Belastung für die Umwelt.
Um diese Untersuchung durchzuführen, werden vier authentische Szenarien in einem Labor an der ETH
Zürich bei verschiedenen Raumluftwechselzahlen untersucht. Mit den beiden Arbeitsstoffen Ethanol und
Aceton wird erforscht, ob sich eine gesundheitsgefährdende Stoffkonzentration im Raum bildet. Für die
Energiebetrachtung werden drei verschiedene Betriebsprofile für das Referenzobjekt erstellt, um den neu
benötigten Energiebedarf durch die neuen Raumluftwechselzahlen mit dem IST-Zustand und dem
Planungswert zu vergleichen.
Die Messresultate der untersuchten Szenarien zeigen, dass die neu geforderte minimale Raumluftwechselzahl
von drei, zu hoch ist. Ein einfacher Raumluftwechsel ist ausreichend, da sich bei dieser Raumluftwechselzahl
keine gesundheitsgefährdenden Stoffkonzentrationen bilden. Die Energiebetrachtung zeigt, dass durch die
neu geforderten Raumluftwechselzahlen in der Summe 140 % mehr thermische und elektrische Energie
benötigt wird.
Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass die Sicherheit für die Nutzerschaft bei einem einfachen
Raumluftwechsel in den vier Szenarien gewährleistet ist. In diesem Betrachtungsfall ist es möglich mit
tieferen Raumluftwechselzahlen als minimal gefordert, gemäss der EKAS Richtlinie, die Laboratorien zu
betreiben. Dadurch können grosse Mengen an Energie eingespart werden und die Umwelt wird weniger
belastet.
In July 2022 the Federal Coordination Commission for Occupational Safety (abbreviated to EKAS) released
the new guideline 1871 concerning the safety of laboratories. Minimal room air exchange rates are now
required, which are significantly higher than the previously used design values. Of course, ensuring a safe
workplace is a top priority. However, the question arises whether the new room air exchange rates actually
guarantee increased safety. It must be examined whether lower room air exchange rates can provide the same
level of safety as the newly required ones, or if they result in concentrations of substances that are hazardous
to health. In terms of energy, a higher number of room air changes means higher energy consumption and
thus a higher CO2 load for the environment.
To carry out this investigation, four authentic scenarios at different room air exchange rates are examined in a
laboratory at ETH Zurich. The two working substances ethanol and acetone are used to investigate whether
concentrations of substances that are hazardous to health are formed in the room. To look at the energy
analysis, three different operating profiles are created for the reference object to compare the new energy
requirement due to the new room air exchange rates with the actual state and the design value.
The measurement results for the scenarios investigated have shown, the newly required minimum room air
exchange rate of three is too high. A single room air exchange is sufficient, since at this exchange rate, no
substance concentrations hazardous to health are formed. The energy analysis reveals that the newly required
number of room air changes results in a total of 140 % higher thermal and electrical energy consumption.
The conducted investigations show that safety is guaranteed for the users with a single room air change for
the four different scenarios. In this case, it is possible to operate the laboratories with lower air exchange rates
than the minimum required by the EKAS guidelines. This would lead to significant energy savings and
reduced impact on the environment.
Im Juli 2022 veröffentlichte die Eidgenössische Koordinationskommission für Arbeitssicherheit (EKAS) die
Richtlinie 1871, betreffend der Arbeitssicherheit in Laboren. Neu werden minimale Raumluftwechselzahlen
gefordert, welche wesentlich höher sind als die bisher verwendeten Planungswerte. Die
Arbeitsnehmersicherheit steht selbstverständlich an erster Stelle, dennoch stellt sich die Frage ob die neuen
minimalen Raumluftwechselzahlen tatsächlich mehr Sicherheit gewährleisten. Es gilt zu prüfen, ob
niedrigere Raumluftwechselzahlen die gleiche Sicherheit erbringen können, wie die neu geforderten
Raumluftwechselzahlen, oder ob gesundheitsgefährdende Stoffkonzentrationen entstehen. In Anbetracht des
Energieverbrauches bedeutet eine höhere Raumluftwechselzahl einen höheren Energieverbrauch und somit
eine höhere CO2-Belastung für die Umwelt.
Um diese Untersuchung durchzuführen, werden vier authentische Szenarien in einem Labor an der ETH
Zürich bei verschiedenen Raumluftwechselzahlen untersucht. Mit den beiden Arbeitsstoffen Ethanol und
Aceton wird erforscht, ob sich eine gesundheitsgefährdende Stoffkonzentration im Raum bildet. Für die
Energiebetrachtung werden drei verschiedene Betriebsprofile für das Referenzobjekt erstellt, um den neu
benötigten Energiebedarf durch die neuen Raumluftwechselzahlen mit dem IST-Zustand und dem
Planungswert zu vergleichen.
Die Messresultate der untersuchten Szenarien zeigen, dass die neu geforderte minimale Raumluftwechselzahl
von drei, zu hoch ist. Ein einfacher Raumluftwechsel ist ausreichend, da sich bei dieser Raumluftwechselzahl
keine gesundheitsgefährdenden Stoffkonzentrationen bilden. Die Energiebetrachtung zeigt, dass durch die
neu geforderten Raumluftwechselzahlen in der Summe 140 % mehr thermische und elektrische Energie
benötigt wird.
Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass die Sicherheit für die Nutzerschaft bei einem einfachen
Raumluftwechsel in den vier Szenarien gewährleistet ist. In diesem Betrachtungsfall ist es möglich mit
tieferen Raumluftwechselzahlen als minimal gefordert, gemäss der EKAS Richtlinie, die Laboratorien zu
betreiben. Dadurch können grosse Mengen an Energie eingespart werden und die Umwelt wird weniger
belastet.
In July 2022 the Federal Coordination Commission for Occupational Safety (abbreviated to EKAS) released
the new guideline 1871 concerning the safety of laboratories. Minimal room air exchange rates are now
required, which are significantly higher than the previously used design values. Of course, ensuring a safe
workplace is a top priority. However, the question arises whether the new room air exchange rates actually
guarantee increased safety. It must be examined whether lower room air exchange rates can provide the same
level of safety as the newly required ones, or if they result in concentrations of substances that are hazardous
to health. In terms of energy, a higher number of room air changes means higher energy consumption and
thus a higher CO2 load for the environment.
To carry out this investigation, four authentic scenarios at different room air exchange rates are examined in a
laboratory at ETH Zurich. The two working substances ethanol and acetone are used to investigate whether
concentrations of substances that are hazardous to health are formed in the room. To look at the energy
analysis, three different operating profiles are created for the reference object to compare the new energy
requirement due to the new room air exchange rates with the actual state and the design value.
The measurement results for the scenarios investigated have shown, the newly required minimum room air
exchange rate of three is too high. A single room air exchange is sufficient, since at this exchange rate, no
substance concentrations hazardous to health are formed. The energy analysis reveals that the newly required
number of room air changes results in a total of 140 % higher thermal and electrical energy consumption.
The conducted investigations show that safety is guaranteed for the users with a single room air change for
the four different scenarios. In this case, it is possible to operate the laboratories with lower air exchange rates
than the minimum required by the EKAS guidelines. This would lead to significant energy savings and
reduced impact on the environment.
Thema dieser Bachelorarbeit ist die Ausarbeitung von effizienten Wassererwärmungsanlagen. Wassererwärmungsanlagen müssen die Komfort- und Hygienenforderungen erfüllen. Daher werden Zirkulationssysteme verbaut. Diese Systeme bringen in ihrer konventionellen Ausführung jedoch unerwünschte Konsequenzen mit sich. Durch die Rückführung der Zirkulation in den Warmwasserspeicher wird dieser durchmischt. Dies führt zum häufigen Nachladen durch den Brauchwarmwasser-Erzeuger bei gleichzeitig hohen Rücklauftemperaturen. Hohe Rücklauftemperaturen sorgen für einen Effizienzverlust.
Eine Literaturrecherche diente als Grundlage für die Entwicklung der Konzepte. Nach einer theoretischen Ausarbeitung und Evaluation der Konzepte wurde die vielversprechendste Variante in einem Versuchsaufbau des Institut für Gebäudetechnik und Energie (IGE) der Hochschule Luzern untersucht. Die Ergebnisse der Versuche wurden dokumentiert und ausgewertet, sodass Konzeptempfehlungen formuliert werden konnten.
Entwickelt wurde ein Konzept, das die Zirkulation speicherextern durch eine Zirkulationswärme-pumpe nacherwärmt. Dabei wurden unterschiedliche Varianten erprobt – 1) eine nicht-modulierende Zirkulationswärmepumpe mit hydraulischer Entkoppelung über den Warmwasserspeicher, 2) eine modulierende Zirkulationswärmepumpe und 3) eine Zirkulationswärmepumpe mit Puffer. Analysiert wurden die Varianten nach definierten Kriterien.
Aus Sicht der Kriterien Hygiene, Komfort, Warmwasserbereitstellung und Energieeffizienz konnten alle drei Varianten eine deutliche Verbesserung im Vergleich zur konventionellen Zirkulation erzielen. Die zwei Varianten modulierende Zirkulationswärmepumpe (2) und Zirkulationswärmepumpe mit Puffer (3) wiesen weitere Vorteile auf. Beide Varianten zeigten einen kontinuierlichen und störungsarmen Verlauf auf hohem Temperaturniveau.
Eine Rückführung der Zirkulation in den Warmwasserspeicher ist dabei der Rückführung direkt in die Warmwasserleitung vorzuziehen, da der Speicher Temperaturschwankungen des Nacherwärmers aufnehmen kann. Grundsätzlich sind aber beide Arten der Rückführung der Zirkulation möglich.
Auf Grund der zusätzlichen Komponenten, wie zum Beispiel Wärmepumpe, Regelung etc., verursachen die erarbeiteten Varianten höhere Investitionskosten. Durch günstigere Betriebskosten können die Investitionskosten aber bereits nach 5 bis 10 Jahren amortisiert werden.
Auf Grund der Messdaten und Erfahrungen konnten Anforderungskriterien an Wärmepumpen-Fabrikate formuliert werden. Die Wärmepumpen müssen mit hohen Rücklauftemperaturen umgehen können und eine geringe Temperaturspreizung ermöglichen.
Die Messungen bestätigen, dass das Konzept des Einsatzes einer Zirkulationswärmepumpe (modulierend oder mit separatem Puffer) die Rückführung der Zirkulation ohne eine wesentliche Durchmischung des Speichers erlaubt. Dieses Konzept kann den Hygiene- und Komfortansprüchen gerecht werden. Gleichzeitig verbessert es die Energieeffizienz von Wassererwärmungsanlagen.
Aufgrund der verschiedenen Rahmenbedingungen vor Ort (Platzverhältnisse, Warmwasserspeicher, Bestand oder Neubau) haben die Varianten ihren Einsatzbereich in verschiedenen Setups. Um eine individuelle und angemessene Empfehlung basierend auf der Komplexizität, die sich aus der Vielzahl der Variablen ergibt, abgeben zu können, wurde ein Entscheidungsframework entwickelt. Je nach Auswahl erhält man am Schluss ein passendes Konzept mit entsprechenden Infos und Planungshinweisen.
The topic of this bachelor thesis is the development of efficient hot water heating systems. Hot water heating systems must meet comfort and hygiene requirements, which is why circulation systems are installed. However, conventional circulation systems have undesired consequences. By circulating the water back into the hot water storage tank, the water gets mixed, resulting in frequent reheating by the hot water generator with high return temperatures, leading to energy inefficiency.
A literature review served as the basis for concept development. After theoretical elaboration and evaluation of the concepts, the most promising variants were examined in a test setup at the Institute of Building Technology and Energy (IGE) at Lucerne University of Applied Sciences and Arts. The results of the experiments were documented and evaluated to formulate concept recommendations.
Multiple concepts were developed that use an external circulation heat pump for re-heating. Different variants were tested: 1) a non-modulating circulation heat pump with hydraulic decoupling via the hot water storage tank, 2) a modulating circulation heat pump, and 3) a circulation heat pump with a buffer. The variants were analyzed based on criteria, defined for this thesis.
From a hygiene, comfort, hot water supply, and energy efficiency perspective, all three variants achieved a significant improvement compared to conventional circulation. The two variants, modulating circulation heat pump (2) and circulation heat pump with a buffer (3), showed additional advantages. Both variants exhibited continuous and trouble-free operation at a high temperature level.
Returning the circulation to the hot water storage tank is preferable to returning it directly to the hot water pipe, as the storage tank can absorb temperature fluctuations from the reheater. However, both methods of circulation return are possible.
Due to additional components such as heat pumps, control systems, etc., the developed variants require higher investment costs. However, with lower operating costs, the investment costs can be amortized within 5 to 10 years.
Based on the measurement data and experiences, requirements for heat pump manufacturers could be formulated. The heat pumps must be capable of handling high return temperatures and enable a low temperature difference.
The measurements confirm that the concept of using a circulation heat pump (modulating or with a separate buffer) allows for circulation return without significant mixing of the hot water storage tank. This concept can meet the hygiene and comfort requirements while improving the energy efficiency of hot water heating systems.
Due to various on-site conditions such as space limitations, existing or new construction, the two preferred variants have their application areas in different setups. To provide an individual and appropriate recommendation based on the complexity arising from multiple variables, a decision-
making framework was developed. Depending on the selection, a suitable concept with corresponding information and planning recommendations can be obtained.
Thema dieser Bachelorarbeit ist die Ausarbeitung von effizienten Wassererwärmungsanlagen. Wassererwärmungsanlagen müssen die Komfort- und Hygienenforderungen erfüllen. Daher werden Zirkulationssysteme verbaut. Diese Systeme bringen in ihrer konventionellen Ausführung jedoch unerwünschte Konsequenzen mit sich. Durch die Rückführung der Zirkulation in den Warmwasserspeicher wird dieser durchmischt. Dies führt zum häufigen Nachladen durch den Brauchwarmwasser-Erzeuger bei gleichzeitig hohen Rücklauftemperaturen. Hohe Rücklauftemperaturen sorgen für einen Effizienzverlust.
Eine Literaturrecherche diente als Grundlage für die Entwicklung der Konzepte. Nach einer theoretischen Ausarbeitung und Evaluation der Konzepte wurde die vielversprechendste Variante in einem Versuchsaufbau des Institut für Gebäudetechnik und Energie (IGE) der Hochschule Luzern untersucht. Die Ergebnisse der Versuche wurden dokumentiert und ausgewertet, sodass Konzeptempfehlungen formuliert werden konnten.
Entwickelt wurde ein Konzept, das die Zirkulation speicherextern durch eine Zirkulationswärme-pumpe nacherwärmt. Dabei wurden unterschiedliche Varianten erprobt – 1) eine nicht-modulierende Zirkulationswärmepumpe mit hydraulischer Entkoppelung über den Warmwasserspeicher, 2) eine modulierende Zirkulationswärmepumpe und 3) eine Zirkulationswärmepumpe mit Puffer. Analysiert wurden die Varianten nach definierten Kriterien.
Aus Sicht der Kriterien Hygiene, Komfort, Warmwasserbereitstellung und Energieeffizienz konnten alle drei Varianten eine deutliche Verbesserung im Vergleich zur konventionellen Zirkulation erzielen. Die zwei Varianten modulierende Zirkulationswärmepumpe (2) und Zirkulationswärmepumpe mit Puffer (3) wiesen weitere Vorteile auf. Beide Varianten zeigten einen kontinuierlichen und störungsarmen Verlauf auf hohem Temperaturniveau.
Eine Rückführung der Zirkulation in den Warmwasserspeicher ist dabei der Rückführung direkt in die Warmwasserleitung vorzuziehen, da der Speicher Temperaturschwankungen des Nacherwärmers aufnehmen kann. Grundsätzlich sind aber beide Arten der Rückführung der Zirkulation möglich.
Auf Grund der zusätzlichen Komponenten, wie zum Beispiel Wärmepumpe, Regelung etc., verursachen die erarbeiteten Varianten höhere Investitionskosten. Durch günstigere Betriebskosten können die Investitionskosten aber bereits nach 5 bis 10 Jahren amortisiert werden.
Auf Grund der Messdaten und Erfahrungen konnten Anforderungskriterien an Wärmepumpen-Fabrikate formuliert werden. Die Wärmepumpen müssen mit hohen Rücklauftemperaturen umgehen können und eine geringe Temperaturspreizung ermöglichen.
Die Messungen bestätigen, dass das Konzept des Einsatzes einer Zirkulationswärmepumpe (modulierend oder mit separatem Puffer) die Rückführung der Zirkulation ohne eine wesentliche Durchmischung des Speichers erlaubt. Dieses Konzept kann den Hygiene- und Komfortansprüchen gerecht werden. Gleichzeitig verbessert es die Energieeffizienz von Wassererwärmungsanlagen.
Aufgrund der verschiedenen Rahmenbedingungen vor Ort (Platzverhältnisse, Warmwasserspeicher, Bestand oder Neubau) haben die Varianten ihren Einsatzbereich in verschiedenen Setups. Um eine individuelle und angemessene Empfehlung basierend auf der Komplexizität, die sich aus der Vielzahl der Variablen ergibt, abgeben zu können, wurde ein Entscheidungsframework entwickelt. Je nach Auswahl erhält man am Schluss ein passendes Konzept mit entsprechenden Infos und Planungshinweisen.
The topic of this bachelor thesis is the development of efficient hot water heating systems. Hot water heating systems must meet comfort and hygiene requirements, which is why circulation systems are installed. However, conventional circulation systems have undesired consequences. By circulating the water back into the hot water storage tank, the water gets mixed, resulting in frequent reheating by the hot water generator with high return temperatures, leading to energy inefficiency.
A literature review served as the basis for concept development. After theoretical elaboration and evaluation of the concepts, the most promising variants were examined in a test setup at the Institute of Building Technology and Energy (IGE) at Lucerne University of Applied Sciences and Arts. The results of the experiments were documented and evaluated to formulate concept recommendations.
Multiple concepts were developed that use an external circulation heat pump for re-heating. Different variants were tested: 1) a non-modulating circulation heat pump with hydraulic decoupling via the hot water storage tank, 2) a modulating circulation heat pump, and 3) a circulation heat pump with a buffer. The variants were analyzed based on criteria, defined for this thesis.
From a hygiene, comfort, hot water supply, and energy efficiency perspective, all three variants achieved a significant improvement compared to conventional circulation. The two variants, modulating circulation heat pump (2) and circulation heat pump with a buffer (3), showed additional advantages. Both variants exhibited continuous and trouble-free operation at a high temperature level.
Returning the circulation to the hot water storage tank is preferable to returning it directly to the hot water pipe, as the storage tank can absorb temperature fluctuations from the reheater. However, both methods of circulation return are possible.
Due to additional components such as heat pumps, control systems, etc., the developed variants require higher investment costs. However, with lower operating costs, the investment costs can be amortized within 5 to 10 years.
Based on the measurement data and experiences, requirements for heat pump manufacturers could be formulated. The heat pumps must be capable of handling high return temperatures and enable a low temperature difference.
The measurements confirm that the concept of using a circulation heat pump (modulating or with a separate buffer) allows for circulation return without significant mixing of the hot water storage tank. This concept can meet the hygiene and comfort requirements while improving the energy efficiency of hot water heating systems.
Due to various on-site conditions such as space limitations, existing or new construction, the two preferred variants have their application areas in different setups. To provide an individual and appropriate recommendation based on the complexity arising from multiple variables, a decision-
making framework was developed. Depending on the selection, a suitable concept with corresponding information and planning recommendations can be obtained.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Prozess zur Überwindung von Kapazitätsengpässen
in thermischen Netzen aufzuzeigen. Dabei liegt der Schwerpunkt auf den Themenbereichen
IoT-Analysetools und Engpassüberwindung unter Einsatz von Wärmepumpensystemen. Um
diese Themen veranschaulichen zu können, wurde eine theoretische Analyse zum Prozess der
Engpassüberwindung durchgeführt. Die Analyse greift das Analysieren, Identifizieren und
Überwinden von Engpässen auf. Eine Variantenstudie sowie die Produktentwicklung eines
IoT-Clamp-On-Messgerätes vertiefen diese Thematik.
Die Variantenstudie hat gezeigt, dass Wärmepumpenlösungen gut zum Überwinden von Engpässen
in thermischen Netzen geeignet sind. Jedoch ist im Fall der durchgeführten Variantenstudie
die Rentabilität bei allen Varianten nicht gegeben. Somit können die Varianten technisch
eingesetzt werden, sind jedoch unter Berücksichtigung der gegebenen Situation wirtschaftlich
nMit dem Clamp-On-Messgerät "ClamCon" konnte ein Grossteil der gesetzten Ziele erreicht
werden. Die einfache Handhabung sowie die sehr gute Funkübertragungssicherheit haben sich
in den durchgeführten Tests bestätigt. Im Gegensatz dazu stehen die Messgenauigkeit von +/-
15 %, sowie die Instabilität eines internen Ein-Kabel-Busses, welcher die Datenübertragung
der Tempersensoren sicherstellt. Das Produkt ist somit auch unter dem Gesichtspunkt der bestehenden
Problematiken einsatzfähig. Diese Aussage wird durch die akzeptablen Ergebnisse
der Feldmessung unterstützt.icht rentabel. Die Rentabilität kann durch Vergrössern der Wärmebezugsdicht verbessert werden.
The aim of this study is to present the process of overcoming capacity constraints in thermal
networks. The focus is on the topics of IoT analysis tools and bottleneck resolution using heat
pump systems. In order to illustrate these topics, a theoretical analysis of the bottleneck resolution
process was conducted, which involves analyzing, identifying, and overcoming constraints.
A variant study and the development of an IoT clamp-on measuring device further
delve into this subject.
The variant study has shown that heat pump solutions are well-suited for overcoming constraints
in thermal networks. However, in the case of the conducted variant study, profitability
is not achieved in either variant. Therefore, while the variants can be technically implemented,
they are not economically viable considering the given situation. Profitability can be improved
by increasing the heat supply density.
The "ClamCon" clamp-on measuring device has achieved a large part of the set goals. The ease
of use and excellent wireless transmission security have been confirmed in the conducted tests.
In contrast, the measurement accuracy of +/- 15% and the instability of an internal single-cable
bus, which ensures the data transmission of temperature sensors, pose challenges. Nevertheless,
the product is still functional considering the existing issues. This statement is supported
by the acceptable results of the field measurement.