Kai Lieball
| Name | Kai Lieball |
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Feuchtigkeitscontroller zur Bestimmung von Kriechdehnung von Dämmmaterial
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- Titel
- Feuchtigkeitscontroller zur Bestimmung von Kriechdehnung von Dämmmaterial
- Autor/in
- Datierung
- 04.01.2023
- Beschreibung
- Für ein Forschungsprojekt zusammen mit der Swisspor AG wird ein System entwickelt, das es erlaubt,
grossräumige saisonale thermische Energiespeicher (STES) kostengünstig zu bauen. Dafür wird das gedämmte
Abdichtungssystem (GEAS) eingesetzt, welches dafür sorgt dass aus dem genutzten Raum kein Wasser austreten
kann und gleichzeitig thermisch gedämmt ist. Die vorliegende Bachelor-Thesis befasst sich mit dem Verhalten des
Dämmmaterials aus Polyisocyanuraten (PIR) unter mechanischer und thermischer Belastung und der daraus
resultierenden Kriechdehnung. Der Schwerpunkt liegt auf der Regelung der Luftfeuchtigkeit in einem Setup,
welches die Belastungen Simulieren kann und bis zum Zeitpunkt vor dieser Arbeit die Luftfeuchtigkeit nur
gemessen und nicht beeinflusst hat. Damit wurden bereits mehrere Versuche durchgeführt, die ergaben, dass
das Dämmmaterial durch erhöhte Luftfeuchtigkeit aufquillt. Nach einer Literaturrecherche zum Stand der Technik
in der Luftbefeuchtung und -trocknung wird mittels Experimenten ein Konzept für den Umbau des Prüfstands
entwickelt, damit die Luftfeuchtigkeit reguliert werden kann. Anschliessend wird der Prüfstand umgebaut und es
werden erste Experimente mit stabilisierter Luftfeuchtigkeit im Testkanal durchgeführt und ausgewertet. Die
Auswertung von drei erfolgreichen Experimenten ergeben einen direkten Zusammenhang zwischen
Luftfeuchtigkeit und Ausdehnung des Dämmmaterials. Zum Ende dieser Arbeit ist jedoch nicht klar ob der
Zusammenhang linear ist oder nicht. Auf Basis der erstellten Python-Skripts können in Zukunft weitere
Experimente durchgeführt und ausgewertet werden.
For a research project together with Swisspor AG, a system is being developed that will allow large-scale seasonal
thermal energy storage (STES) at low building cost. For this purpose, the insulated sealing system (GEAS) is used,
which ensures that no water is able to escape from the storage system and is at the same time thermally
insulated. The presented bachelor thesis deals with the behavior of the insulating material made of
polyisocyanurates (PIR) under mechanical and thermal stress and the resulting creep strain. The focus is on the
control of the humidity in a setup that can simulate the loads and up to the time before this thesis only measured
the humidity and did not influence it. Several tests have already been carried out with this test stand, which
showed that the insulation material swells due to increased humidity. After a literature research on the state of
the art in air humidification and drying, by means of experiments a concept for the modification of the test rig is
developed, so that the air humidity can be regulated. Subsequently, the test rig will be modified and first
experiments with stabilized humidity in the test channel will be carried out and evaluated.
The evaluation of three successful experiments shows a direct correlation between air humidity and expansion of
the insulation material. At the end of this work, however, it is not clear whether the correlation is linear or not.
Based on the created Python scripts, further experiments can be performed and evaluated in the future.
- Für ein Forschungsprojekt zusammen mit der Swisspor AG wird ein System entwickelt, das es erlaubt,
- Urheberrechtshinweis
- Fuchs Marco, Hochschule Luzern - Departement Technik & Architektur
- Departement
- Studiengang
- Art der Arbeit
- Betreuer/Betreuerin
- Importiert am
- 19.05.2023
- Übergeordnete Sets
- 1
Customer Journey of Small Scale BTES Owners in Switzerland
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- Titel
- Customer Journey of Small Scale BTES Owners in Switzerland
- Autor/in
- Datierung
- 10.06.2022
- Beschreibung
- Auf der Grundlage von Experten- und Stakeholder-Interviews wurden die aktuellen Kundenpersönlichkeiten
von kleinen BTES (borehole thermal energy storage) Besitzern identifiziert und ihre Customer Journey
untersucht. Die entwickelten Journeys wurden dann mithilfe von Customer Journey Maps grafisch
dargestellt. Entlang des Prozesses wurden Stakeholder-Schnittstellen und Pain Points identifiziert.
Based on expert and stakeholder interviews current customer personas of Small Scale BTES (borehole
thermal energy storage) owners were identified and their customer journey investigated. The developed
journeys were then depicted graphically using Customer Journey Maps. Along the process stakeholder
interfaces and pain points were identified.
- Auf der Grundlage von Experten- und Stakeholder-Interviews wurden die aktuellen Kundenpersönlichkeiten
- Urheberrechtshinweis
- Bigler Dominic Dimitri, Hochschule Luzern - Departement Technik & Architektur
- Departement
- Art der Arbeit
- Betreuer/Betreuerin
- Importiert am
- 14.09.2022
- Übergeordnete Sets
- 0
Customer Journey of Small Scale BTES Owners in Switzerland
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- Titel
- Customer Journey of Small Scale BTES Owners in Switzerland
- Autor/in
- Datierung
- 10.06.2022
- Beschreibung
- Auf der Grundlage von Experten- und Stakeholder-Interviews wurden die aktuellen Kundenpersönlichkeiten
von kleinen BTES (borehole thermal energy storage) Besitzern identifiziert und ihre Customer Journey
untersucht. Die entwickelten Journeys wurden dann mithilfe von Customer Journey Maps grafisch
dargestellt. Entlang des Prozesses wurden Stakeholder-Schnittstellen und Pain Points identifiziert.
Based on expert and stakeholder interviews current customer personas of Small Scale BTES (borehole
thermal energy storage) owners were identified and their customer journey investigated. The developed
journeys were then depicted graphically using Customer Journey Maps. Along the process stakeholder
interfaces and pain points were identified.
- Auf der Grundlage von Experten- und Stakeholder-Interviews wurden die aktuellen Kundenpersönlichkeiten
- Urheberrechtshinweis
- Bigler Dominic Dimitri, Hochschule Luzern - Departement Technik & Architektur
- Departement
- Art der Arbeit
- Betreuer/Betreuerin
- Importiert am
- 14.09.2022
- Übergeordnete Sets
- 0
PCM Drop Kalorimeter und Zyklierapparatur
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- Titel
- PCM Drop Kalorimeter und Zyklierapparatur
- Autor/in
- Datierung
- 11.06.2021
- Beschreibung
- Die Ansprüche an Speichermöglichkeiten für Energien, vor allem im thermischen Bereich, werden immer
grösser. Eine Möglichkeit ist die Verwendung von Phasenwechselmaterialien, auch PCM genannt. Diese
Materialien können durch Ausnützung des Phasenübergangs hohe thermische Energie speichern. Das
Kompetenzzentrum der Hochschule Luzern im Bereich thermischer Energiespeicher ist daran interessiert,
neue Materialien zu erforschen. Ziel dabei ist es, ein möglichst kostengünstiges und zyklenstabiles Material
mit hoher Phasenwechselenthalpie zu entwickeln. Die Zyklenstabilität ist dann gewährleistet, wenn ein
Material nach mehreren Erstarrungs- und Schmelzvorgängen immer noch dieselbe Eigenschaft vorweist wie
zu Beginn. Um solche Messungen durchzuführen, ist eine gut ausgestattete Laboreinrichtung notwendig.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erweiterung, Optimierung und Entwicklung zweier bestehender
Laborerinrichtungen. Genauer gesagt, mit der Erweiterung einer Zyklierapparatur mit einem
Wärmestromsensor und der Überarbeitung eines Drop Kalorimeters. Diese beiden Einrichtungen gelten als
wichtige Ergänzung der bestehenden Laboreinrichtung an der HSLU.
Für die Zyklierapparatur gilt es mittels thermodynamischer Simulationen eine optimale Positionierung für
einen Wärmstromsensor zu ermitteln. Diese Erkenntnisse werden in einem Versuchsaufbau validiert und
ausgewertet. Nach den erfolgreichen Versuchen wird die Apparatur neu konzeptioniert und mit den Sensoren
sowie anderen konstruktiven Anpassungen erweitert.
Für den Drop Kalorimeter wird der bestehende Aufbau durch ein neues Konzept ersetzt. Dieses besteht aus
einem Dewar Gefäss und einem verbesserten Mechanismus für das Einführen der Probe.
Aus zeitlichen Gründen konnten beide entwickelten Einrichtungen nicht kalibriert werden. Dazu kommt das
die beiden Konzepte nicht mit PCM Messungen getestet und deren Ergebnisse nicht mit der PCM Datenbank
verglichen und validiert werden konnte.
The demands on storage options for energies, especially in the thermal field, are becoming ever greater. One
possibility is the use of Phase Change Materials, also called PCM. These materials can store high thermal
energy by exploiting the phase transition. The competence center of the Lucerne University of Applied
Sciences and Arts in the field of thermal energy storage is interested in researching new materials. The aim is
to develop a material with high phase change enthalpy that is as cost-effective and cycle-stable as possible.
Cycle stability is ensured when a material still exhibits the same property after several solidification and
melting processes as it did at the beginning. For this reason, it is very important to have a well equipped
laboratory facility to perform such measurements.
The present work deals with the extension, optimization and development of two existing laboratory
equipment. More specifically, with the extension of a cycling apparatus with a heat flow sensor and the
revision of a drop calorimeter. These two equipments are considered important additions to the existing
laboratory facilities at HSLU.
For the cycling apparatus, thermodynamic simulations are used to determine an optimal positioning for a heat
flow sensor. These findings will be validated and evaluated in an experimental setup. After the successful
experiments, the apparatus will be redesigned and extended with the sensors as well as other design
adjustments.
For the drop calorimeter, the existing setup will be replaced by a new concept. This consists of a Dewar
vessel and an improved mechanism for sample insertion.
Due to time constraints, both developed setups could not be calibrated. In addition, the two concepts could
not be tested with PCM measurements and their results could not be compared and validated with the PCM
database.
- Die Ansprüche an Speichermöglichkeiten für Energien, vor allem im thermischen Bereich, werden immer
- Urheberrechtshinweis
- Zgraggen Tim, Hochschule Luzern - Departement Technik & Architektur
- Departement
- Studiengang
- Art der Arbeit
- Betreuer/Betreuerin
- Importiert am
- 16.03.2022
- Übergeordnete Sets
- 1
Optimierung eines Seewasserwerkes mittels thermischer Energiespeicherung
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- Titel
- Optimierung eines Seewasserwerkes mittels thermischer Energiespeicherung
- Autor/in
- Datierung
- 11.06.2021
- Beschreibung
- In der vorliegenden Arbeit geht es um die Optimierung eines Seewasserwerkes mittels thermischer Energiespeicherung. In der Schweiz stammen 20% des Trinkwassers aus Seewasserwerken, in denen es zur Trinkwasserqualität aufbereitet wird. Das Seewasserwerk in Ipsach hat nach 50 Jahren Betriebszeit ausgedient und weicht nun einem Neubau. Ein wichtiges Ziel des neuen Seewasserwerkes ist die Dekarbonisierung der Wärmeversorgung im Trinkwasseraufbereitungsprozess und dem Betrieb der Anlage durch die Nutzung erneuerbarer Energien. Dazu sollen zwei Kaltwasserbecken des alten Seewasserwerkes durch den Einsatz des gedämmten Abdichtungssystems (GEAS) zu einem saisonalen thermischen Energiespeicher mit 120 m3 Speichervolumen umgenutzt werden.
In dieser Arbeit werden der Wärmebedarf und die mögliche Wärmerückgewinnung des neuen Seewasserwerkes zusammengefasst. Aus diesen Angaben lassen sich zwei Szenarien definieren. Das erste Szenario berücksichtigt als Wärmequelle Solarthermie. Das zweite Szenario nutzt eine Wärmepumpe, welche an die geplante PV-Anlage gekoppelt ist, als Wärmequelle.
Für die beiden Szenarien werden Jahressimulationen mit dem integrierten saisonalen thermischen Energiespeicher durchgeführt. Dazu wird ein Simulationstool vom Kompetenzzentrum für thermische Energiespeicher der Hochschule Luzern verwendet.
Aus den Simulationen geht hervor, dass die Vorteile des zweiten Szenarios überwiegen, da die Energie aus der PV-Anlage neben dem Wärmebedarf auch für Pumpen eingesetzt werden kann. Um den Wärmebedarf decken zu können, werden 0.3% des gesamten PV-Ertrages für die Bereitstellung von Wärme benötigt. Weiter lässt sich dabei eine Einsatzoptimierung der Wärmepumpe durchführen, wodurch die Abwärme von Notstromgeneratoren besser ausgeschöpft werden kann. Eine 100% thermische Autarkie lässt sich nur mit einer Speichertemperatur von 95 °C erreichen. Der Einsatz des saisonalen thermischen Energiespeichers ist für die Erreichung des angestrebten Autarkiegrades zentral.
Die vorliegende Arbeit zeigt weiter die Grenzen des Simulationstools auf. Durch dessen Optimierung lassen sich die Simulationsergebnisse weiter verbessern. Dadurch kann das Simulationstool einen wichtigen Beitrag bei der Auslegung des GEAS-Speichersystems leisten.
This paper deals with the optimisation of a lake water plant by using thermal energy storage. In Switzerland, 20% of drinking water comes from lake water plants, where it is treated to drinking water quality. The lake water plant in Ipsach has reached the end of its service life after 50 years of operation and is now giving way to a new building. An important goal of the new lake water plant is to decarbonise the heat supply in the drinking water treatment process and the operation of the plant by using renewable energies. For this purpose, two cold water basins of the old lake water plant are to be converted into a seasonal thermal energy storage with a storage volume of 120 m3 by using the insulated sealing system (GEAS).
In this paper are the heat demand and the possible heat recovery of the new lake water plant summarised. Two scenarios can be defined from this information. The first scenario takes solar thermal energy into account as a heat source. The second scenario uses a heat pump, which is coupled to the planned PV system, as the heat source.
For both scenarios are annual simulations carried out with the integrated seasonal thermal energy storage. A simulation tool from the Competence Centre for Thermal Energy Storage at the Lucerne University of Applied Sciences and Arts is used for this purpose.
The simulations show that the advantages of the second scenario are greater due to energy from the PV system which also can be used for pumps in addition to the heat demand. In order to cover the heat demand, 0.3% of the total PV output is required for the provision of the heat. Furthermore, the usage of the heat pump can be optimised, so that the waste heat from emergency generators can be better utilised. 100% thermal self-sufficiency can only be achieved with a storage temperature of 95 °C. The useage of seasonal thermal energy storage is central to achieve the targeted degree of self-sufficiency.
This paper also shows the limitations of the simulation tool. By optimising it, the simulation results can be further improved. As a result, the simulation tool can make an important contribution to the design of the GEAS storage system.
- In der vorliegenden Arbeit geht es um die Optimierung eines Seewasserwerkes mittels thermischer Energiespeicherung. In der Schweiz stammen 20% des Trinkwassers aus Seewasserwerken, in denen es zur Trinkwasserqualität aufbereitet wird. Das Seewasserwerk in Ipsach hat nach 50 Jahren Betriebszeit ausgedient und weicht nun einem Neubau. Ein wichtiges Ziel des neuen Seewasserwerkes ist die Dekarbonisierung der Wärmeversorgung im Trinkwasseraufbereitungsprozess und dem Betrieb der Anlage durch die Nutzung erneuerbarer Energien. Dazu sollen zwei Kaltwasserbecken des alten Seewasserwerkes durch den Einsatz des gedämmten Abdichtungssystems (GEAS) zu einem saisonalen thermischen Energiespeicher mit 120 m3 Speichervolumen umgenutzt werden.
- Urheberrechtshinweis
- Weber Sandro, Hochschule Luzern - Departement Technik & Architektur
- Departement
- Studiengang
- Art der Arbeit
- Betreuer/Betreuerin
- Importiert am
- 16.03.2022
- Übergeordnete Sets
- 1
Experimentelle Untersuchung von Hochleistungskühlmitteln
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- Titel
- Experimentelle Untersuchung von Hochleistungskühlmitteln
- Autor/in
- Datierung
- 11.06.2021
- Beschreibung
- Die Firma Georg Fischer Machining Solutions AG hat sich der Aufgabe verschrieben, das Kühlen von
Hochpräzisions-Spindel in Werkzeugmaschinen effizienter zu machen. Dazu wurde in Zusammenarbeit mit der
Hochschule Luzern ein Hochleistungskühlmittel auf Basis von Wasser und einem Phasenwechselmaterial
entwickelt. Durch den Phasenwechsel kann im Vergleich zu herkömmlichen Kühlmitteln mehr Wärmeenergie
aufgenommen beziehungsweise abtransportiert werden.
Ziel dieser Arbeit ist es in einem ersten Schritt, die bereits vorhandenen Mess-Strecke mittels Wasser-Messungen
zu validieren. In einem zweiten Schritt soll anhand der Phasenwechseldispersion das thermische Verhalten und
die Eigenschaften solcher Hochleistungskühlmittel untersucht werden, um den optimalen Betriebspunkt zu
ermitteln. Die durchgeführten Messungen werden mit bekannten Korrelationen aus der Literatur verglichen.
Die Ergebnisse zeigen, dass bei optimaler Eintrittstemperatur bis zu dreimal mehr Wärme aufgenommen werden
kann als mit Wasser und sich die Phasenwechseldispersion dabei um weniger als 1 K erwärmt, im Vergleich zu
Wasser, dass sich um fast 3 K erwärmt. Die Nusselt-Zahlen der bereits bestehenden Korrelation ergeben
Abweichungen von weniger als 15 %, was auch den Abweichungen von Wasser entspricht.
The company Georg Fischer Machining Solutions AG has been dedicated to the task of improving the efficiency
of the cooling of high-precision spindles in machining tools. To this end, a high-performance coolant, based on
water and a phase change material was developed in collaboration with the Lucerne University of Applied Sciences
and Arts. As a result of the phase change, more thermal energy can be absorbed or transported away compared to
conventional coolants.
Firstly, the aim of this work is to validate the existing experimental setup by water measurements. Furthermore,
the thermal behaviour and thermophysical properties of such high-performance coolants are to be investigated to
determine the optimum operating conditions. The measurements carried out are subsequently compared with
known correlations from the literature.
The results show that at an optimal inlet temperature, up to three times more heat can be absorbed than with water
and that the phase change dispersion heats up by less than 1 K in the process compared to water, which heats up
to nearly 3 K. The Nusselt numbers of the already existing correlation results in deviations of less than 15 %, which
also corresponds to the deviations of water.
- Die Firma Georg Fischer Machining Solutions AG hat sich der Aufgabe verschrieben, das Kühlen von
- Urheberrechtshinweis
- Wahli Fabian, Hochschule Luzern - Departement Technik & Architektur
- Departement
- Studiengang
- Art der Arbeit
- Betreuer/Betreuerin
- Importiert am
- 16.03.2022
- Übergeordnete Sets
- 1
Numerische und experimentelle Untersuchung des Druckabfalls um Zylinder im Festbett
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- Titel
- Numerische und experimentelle Untersuchung des Druckabfalls um Zylinder im Festbett
- Autor/in
- Datierung
- 09.01.2021
- Beschreibung
- Die zunehmende Produktion von variablen erneuerbaren Energien erfordert die Integration von kompakten
thermischen Speichersystemen. Eine beliebte Option mit geringem Platzbedarf und hoher Kapazität sind
Latentwärmespeicher. Ihre hohe volumenspezifische Wärmekapazität wird durch die Verwendung von
Phasenwechselmaterialien (PCMs) als Speichermaterial erreicht. Es gibt verschiedene Bauformen für
Latentwärmespeicher, wie z. B. Direktkontakt [1], Wärmetauscher [2] oder makroverkapseltes PCM [3]. Für
letzteres ist eine geeignete Kapselgeometrie entscheidend für die Eigenschaften des Speichersystems.
In dieser Arbeit wird der Einfluss der Kapselgeometrie auf den Druckabfall durch analytische, numerische
und experimentelle Verfahren untersucht. Ziel ist es, ein numerisches Verfahren zu finden, mit welchem der
Druckverlust über verschiedene Festbettkonfigurationen bestimmt werden kann. Dazu wurden zwei
Festbettkonfigurationen, bestehend aus Zylindern mit jeweils unterschiedlichen Höhen-zu-Durchmesser-
Verhältnissen, h/d = 1 und h/d = 2.5 erstellt. Für numerische Simulationen wurden die Festbetten durch CTScans
mit dem CT-System d2 von Diondo digitalisiert. Zusätzlich wurden Festbetten mit identischen
Parametern in der 3D-Grafiksuite Blender erstellt.
Zuerst wurde der Druckgradient mit der Ergun-Gleichung berechnet. Für die Strömungssimulation wurden
die drei Programme VGSTUDIO, GeoDict und coupledNumerics verwendet. VGSTUDIO und GeoDict
benötigen als Geometrie-Input nur eine STL-Datei. Für die Simulation in coupledNumerics muss zuerst ein
Netz erstellt werden. Für die Netzgenerierung wurde, der in OpenFOAM enthaltene Netzgenerator,
snappyHexMesh verwendet.
Für die Validierung der Resultate von der Ergun-Gleichung und den Strömungssimulationen wurden
Experimente durchgeführt. Der dafür erstellte Experimentaufbau ist so konzipiert, dass Festbetten mit
verschiedenen Höhen aufgenommen und auf dem CT-System vermessen werden können. Der Vergleich zeigt eine Diskrepanz zwischen den Resultaten der Ergun-Gleichung und des Experiments.
Die Resultate von VGSTUDIO und GeoDict zeigen, dass ein anderer Solver benutzt werden muss, um
repräsentative Ergebnisse zu bekommen. CoupledNumerics liefert von allen numerischen Methoden die
plausibelsten Resultate. Allerdings sollte die Netzgenerierung optimiert werden.
Diese Arbeit zeigt, dass eine Simulation der Strömung durch ein Festbett aufgrund der komplexen Geometrie
grosse Schwierigkeiten mit sich bringt. Für zukünftige Arbeiten sollte die Verwendung von coupledNumerics
weiterverfolgt werden.
The increasing production of variable renewable energies necessitates the integration of compact thermal
storage systems. A popular option with a small footprint and high capacity are latent heat storage systems.
Their high volume-specific heat capacity comes from the utilization of phase change materials (PCMs) as the
storage material. There are several designs for latent heat storage systems, such as direct contact [1], heat
exchanger [2] or (macro-) encapsulated PCM [3], etc. When operating the latter, a suitable capsule geometry
is critical for the performance of the storage system.
In this study, the influence of the capsule geometry on the pressure drop is investigated by analytical,
numerical and experimental methods. The aim is to find a numerical method with which the pressure drop
can be determined over different packed-bed configurations. For this purpose, two packed-bed configurations
consisting of cylinders with different height-to-diameter ratios, h/d = 1 and h/d = 2.5, were created. For
numerical simulations, the fixed beds were digitised by CT scans with the CT system d2 from Diondo.
Additionally, fixed beds with identical parameters were created in the 3D graphic suite Blender.
First, the pressure gradient was calculated using the Ergun equation. For the flow simulation, the three
programmes VGSTUDIO, GeoDict and coupledNumerics were used. VGSTUDIO and GeoDict only require
an STL file as geometry input. For the simulation in coupledNumerics, a mesh must first be created. For the
mesh generation, the mesh generator snappyHexMesh, which is included in OpenFOAM, was used.
Experiments were carried out to validate the results of the Ergun equation and the flow simulations. The
experimental setup created for this purpose is designed in such a way that packed beds with different heights
can be used for experiments and measured on the CT system.
The comparison shows a discrepancy between the results of the Ergun equation and the experiment. The
results of VGSTUDIO and GeoDict show that a different solver must be used to get representative results.
CoupledNumerics provides the most plausible results of all numerical methods. However, the mesh
generation should be optimised.
This work shows that a simulation of the flow through a packed bed presents great difficulties due to the
complex geometry. For future work, the use of coupledNumerics should be pursued.
- Die zunehmende Produktion von variablen erneuerbaren Energien erfordert die Integration von kompakten
- Urheberrechtshinweis
- Fenk Benjamin, Hochschule Luzern - Departement Technik & Architektur
- Departement
- Studiengang
- Art der Arbeit
- Betreuer/Betreuerin
- Importiert am
- 19.05.2021
- Übergeordnete Sets
- 1
Energy Retrofit of a Housing Estate
Name that can easily go onto 2 lines
Author that can easily go onto 2 lines as well
- Titel
- Energy Retrofit of a Housing Estate
- Autor/in
- Datierung
- 15.01.2021
- Beschreibung
- Die Liegenschaft in Edlibach besteht aus 12 Einfamilienhäusern. Alle Häuser sind an einen zentralen Ölheizkessel angeschlossen. Ziel dieses Berichts ist es, eine energetische Sanierungsanalyse durchzuführen, indem verschiedene Heizenergiesysteme in Betracht gezogen werden, die energieeffizient, kosteneffektiv und die geringsten Umweltauswirkungen haben.
Zurzeit besteht die Heizungsanlage aus einem konventionellen Heizkessel, der bald sein Lebensende erreicht. Als erster Schritt wurde ein Brainstorming und eine Marktforschung durchgeführt, um die verschiedenen Energiesysteme zu analysieren. Von dort aus wurden diese Energiesysteme auf fünf Lösungen eingegrenzt, nämlich: Brennwertkessel, Photovoltaikanlagen mit und ohne Batterie, Solarthermieanlagen mit Eisspeicher oder Oberflächenwassertank und Anschluss an das Fernwärmenetz.
Die aktuelle Situation der Wohnsiedlung in Bezug auf die Gebäudehülle, den Energiebedarf und die anfallenden Kosten wurden untersucht. Die Auswahl der endgültigen Energiesysteme erfolgte nach sorgfältiger Prüfung der Energiepolitik und der Vorschriften für Gebäudeenergiesysteme. Anschließend wurden Energiesystemmodelle entwickelt, um die Systemleistungen und Energieflüsse innerhalb des Systems zu verstehen. Danach wurden die Gesamtbetriebskosten berechnet, um die Wirtschaftlichkeit des Systems zu prüfen. Eine der abschließenden Aufgaben war die Berechnung der Umweltemissionen des Systems während seiner Betriebsphase.
Die Ergebnisse zeigen, dass Systeme bestehend aus Photovoltaikmodulen, Wärmepumpe und einem Batteriespeicher aus allen drei betrachteten Perspektiven die attraktivste Lösung ist. Diese Ergebnisse zeigen auch, wie wichtig es ist, ein Energiesystem mit einer Kombination aus Photovoltaik-Modulen und solarthermischen Modulen zu betrachten. Diese Studie kann als Referenz für den Vergleich von Energiesystemen und für die Bewertung ihrer jeweiligen Leistungen verwendet werden.
This Bachelor thesis presents an energy retrofit analysis by considering various heating energy systems with an energy efficient, cost effective and with the least environmental impact. This is performed with a housing estate in Edlibach, which consists of 12 single family houses. All the houses are connected to a central oil-fired boiler.
At present, the heating system consists of a conventional boiler which is soon reaching its end life. As a first step, brainstorming and market research were executed to analyse the different energy systems. From there, these energy systems were narrowed down to five solutions which are: a condensing boiler, photovoltaic systems with and without battery, solar thermal systems with ice storage or a surface water tank and connection to the district heating grid.
The current situation of the housing estate regarding its building envelope, energy demand and cost encountered were studied. The choices of the final energy systems were made after carefully reviewing the energy policies and building energy system regulations. Afterwards, energy system models were developed to understand the system performances and energy flows within the system. Subsequently, the total cost of ownership was calculated to see when the system pays off. One of the final tasks was to calculate the system’s environmental emissions during its operational phase.
The results show that systems consisting of photovoltaic modules, heat pump and a battery storage is the most attractive solution from all the three considered perspectives. These results also indicate the importance of considering energy system with a combination of photovoltaic modules and solar thermal modules. This study can be used as a reference for energy system comparisons and for evaluating their respective performances.
- Die Liegenschaft in Edlibach besteht aus 12 Einfamilienhäusern. Alle Häuser sind an einen zentralen Ölheizkessel angeschlossen. Ziel dieses Berichts ist es, eine energetische Sanierungsanalyse durchzuführen, indem verschiedene Heizenergiesysteme in Betracht gezogen werden, die energieeffizient, kosteneffektiv und die geringsten Umweltauswirkungen haben.
- Urheberrechtshinweis
- Mundakattu Atul, Hochschule Luzern - Departement Technik & Architektur
- Departement
- Studiengang
- Art der Arbeit
- Betreuer/Betreuerin
- Importiert am
- 27.04.2021
- Übergeordnete Sets
- 1
Thermische Energiespeicher und Tourismus
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- Titel
- Thermische Energiespeicher und Tourismus
- Untertitel
- ein interdisziplinäres Projekt zur nachhaltigen Nutzung von Eisflächen
- Autor/in
- Datierung
- 04.06.2019
- Beschreibung
- Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der thermischen Nutzung von Seen als offenen Latent-Wärmespeicher. Dies erfolgt durch eine Machbarkeitsstudie anhand des Bergsees Obersee in Arosa, Kanton Graubünden. Da in der Schweiz Energie verhältnismässig günstig ist, ist es für Betreiber von Energie-Infrastrukturen wie Kraftwerke oder Leitungen schwierig, ihre Anlagen zu amortisieren. Aus diesem Kontext soll ein neuer Weg gegangen und ein Mehrfachnutzen generiert werden. Wird der Obersee im Winter als Eisspeicher genutzt, kann man daraus einerseits Heizwärme gewinnen und andererseits kann die Eisfläche im Winter touristisch genutzt werden. Mangels stabiler Eisdecke kommt es immer wieder vor, dass der Obersee nicht zur Begehung freigegeben werden kann. Die Klimaerwärmung weist auch in Zukunft nicht auf Besserung.
Zu Beginn der Arbeit wird das offene, natürliche System «Obersee» abgegrenzt und die saisonalen Energieflüsse au Grundlage der meteorologischen CH2018-Modelldaten betrachtet. Diese natürlichen Energieflüsse werden mit Matlab simuliert, woraus unter anderem Eis- und Schneeverlauf ersichtlich sind. Auf Grundlage dessen soll das Wärmepotenzial des Obersees heute und in Zukunft abgeschätzt werden. Es werden mehrere Möglichkeiten zur technischen Umsetzung diskutiert. Der Fokus liegt dabei auf geschlossenen Primärkreisläufen, bei welchen die Wärmeübertragung im See über einen Solekreislauf stattfindet. Schlussendlich wird auf den Nutzen und Aufwand des Projekts aus Sicht von allen betroffenen Parteien hingewiesen und eine Empfehlung zur Realisierung abgegeben.
Der Obersee hat ein Wärmepotenzial von ungefähr 3 MW und ist für eine Niedertemperatur-Anwendung geeignet. Mit der thermischen Nutzung kann auch in Zukunft, sicherlich bis Ende des Jahrhunderts, eine begehfähige Eisschicht sichergestellt werden. Eine technische Umsetzung mittels geschlossenem Primärkreislauf ist jedoch unrealistisch. Das Verhältnis von Aufwand zu Nutzen steht in keinem Verhältnis, da sich bereits die Materialkosten für den Primärkreislauf auf mehrere Millionen Franken belaufen. Die nötige Wärmeübertragungsfläche und der Druckverlust der Soleströmung werden sehr hoch. Denkbar ist eine Umsetzung mittels offenem Primärkreislauf, ähnlich der bereits bekannten, thermischen Nutzung von Seen im sensiblen Bereich. Dabei würde das Seewasser direkt zur Wärmepumpe gepumpt und die Wärme dort auf den Verdampfer übertragen. Durch den Wassereinlauf in der obersten Schicht des Sees entsteht eine erzwungene Konvektion, deren Einfluss auf die Eisbildung unklar ist. Dies muss in einem nächsten Schritt abgeklärt werden.
The bachelor thesis deals with the thermal use of lakes as open latent heat storages. This is done by means of
a feasibility study on the mountain lake Obersee in Arosa, canton Graubünden (Switzerland). Since energy is
relatively cheap in Switzerland, it is difficult for operators of energy infrastructures such as power plants or
pipelines to amortize their facilities. From this context, a new path should be taken and multiple benefits
generated. If the Obersee is used as an ice storage in winter, it can be used to generate heat on the one hand
and the ice surface can be used for tourism in winter on the other. Due to the lack of a stable ice cover, it
happens again and again that the Obersee cannot be opened for walking. Global warming will not improve in
the future either.
At the beginning of the work, the open, natural system "Obersee" is delimited and the seasonal energy flows
are considered on the basis of the meteorological CH2018 model data. These natural energy flows are
simulated with Matlab, which shows, among other things, the course of ice and snow. On the basis of this, the
heat potential of the Obersee is to be estimated today and in the future. Several possibilities for technical
implementation will be discussed. The focus here is on closed primary cycles in which the heat transfer in the
lake takes place via a brine cycle. Finally, the benefits and costs of the project from the point of view of all
parties concerned will be pointed out and a recommendation for implementation will be made.
Obersee has a heat potential of approximately 3 MW and is suitable for low-temperature applications.
Thermal utilisation will also ensure a walk-in ice layer in the future, certainly by the end of the century.
However, a technical implementation by means of a closed primary circuit is unrealistic. The cost-benefit
ratio is disproportionate, as the material costs for the primary circuit already amount to several million francs.
The required heat transfer area and the pressure loss of the brine flow become very high. An implementation
by means of an open primary cycle is conceivable, similar to the already known thermal use of lakes in
sensitive areas. The lake water would be pumped directly to the heat pump and the heat would be transferred
to the evaporator. The water inlet in the uppermost layer of the lake causes forced convection, the influence
of which on ice formation is unclear. This must be clarified in a next step.
- Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der thermischen Nutzung von Seen als offenen Latent-Wärmespeicher. Dies erfolgt durch eine Machbarkeitsstudie anhand des Bergsees Obersee in Arosa, Kanton Graubünden. Da in der Schweiz Energie verhältnismässig günstig ist, ist es für Betreiber von Energie-Infrastrukturen wie Kraftwerke oder Leitungen schwierig, ihre Anlagen zu amortisieren. Aus diesem Kontext soll ein neuer Weg gegangen und ein Mehrfachnutzen generiert werden. Wird der Obersee im Winter als Eisspeicher genutzt, kann man daraus einerseits Heizwärme gewinnen und andererseits kann die Eisfläche im Winter touristisch genutzt werden. Mangels stabiler Eisdecke kommt es immer wieder vor, dass der Obersee nicht zur Begehung freigegeben werden kann. Die Klimaerwärmung weist auch in Zukunft nicht auf Besserung.
- Urheberrechtshinweis
- Püntener Patrizia, Hochschule Luzern - Departement Technik & Architektur
- Departement
- Studiengang
- Art der Arbeit
- Betreuer/Betreuerin
- Importiert am
- 19.05.2020
- Übergeordnete Sets
- 1
Thermische Speicherfähigkeit von Gebäuden aus zeitaufgelösten Energieverbrauchsdaten
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- Titel
- Thermische Speicherfähigkeit von Gebäuden aus zeitaufgelösten Energieverbrauchsdaten
- Autor/in
- Datierung
- 05.07.2019
- Beschreibung
- In der vorliegenden Arbeit wird der Heizwärmebedarf aus Verbrauchszeitreihen von 40
Wärmepumpen aus verschiedenen Gebäuden ermittelt. Für die Separation des Heizwärmebedarfs
und des Brauchwarmwasserbedarfs existiert bereits ein teilweise funktionierendes
Verfahren, welches vom Verfasser geprüft worden ist. Anschliessend sind die
erfolgreich klassifizierten Objekte als Richtwert für die Entwicklung eines neuen Verfahrens
verwendet worden. Über ein Jahr lang ist der aufsummierte Heimwärmebedarf des
alten Verfahrens mit demjenigen des neuen verglichen worden. Daraus sind vielversprechende
Ergebnisse resultiert. Die Verbrauchsspuren weisen meist nur geringfügige Abweichungen
zueinander auf. Anschliessend ist aus dem extrahierten Heizwärmebedarf, mit
einem bereits entwickelten Simulationstool, ein Gebäudemodell erstellt worden. Obwohl
der Heizwärmebedarf aus den beiden Separationsverfahren nahezu identisch ist, erzeugt
das Simulationstool sehr unterschiedliche Gebäudemodelle.
In this paper, the heating demand is determined from consumption time series of 40
heat pumps from different buildings. For the separation of the heating demand and the
domestic hot water demand a partially functioning procedure already exists, which was
examined by the author. Subsequently, the successfully classified objects were used as a
guideline for the development of a new process. For more than a year, the total home
heating requirement of the old process was compared with that of the new one. The
results are promising. The traces of consumption usually show only minor deviations from
each other. Subsequently, a building model was created from the extracted heat demand
using a simulation tool that had already been developed. Although the heating demand
from the two separation processes is almost identical, the simulation tool generates very
different building models.
- In der vorliegenden Arbeit wird der Heizwärmebedarf aus Verbrauchszeitreihen von 40
- Urheberrechtshinweis
- Ulrich Michael, Hochschule Luzern - Departement Technik & Architektur
- Departement
- Studiengang
- Art der Arbeit
- Betreuer/Betreuerin
- Importiert am
- 18.05.2020
- Übergeordnete Sets
- 1
Automated customer profiling and usage splitting of electricity consumption with big data analytics (methods)
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Author that can easily go onto 2 lines as well
- Titel
- Automated customer profiling and usage splitting of electricity consumption with big data analytics (methods)
- Autor/in
- Datierung
- 07.01.2019
- Beschreibung
- Currently, Switzerland is facing fundamental changes in its energy markets due to economic and technological
developments as well as political decisions at home and abroad. Of the approximately 60 terawatt hours of
electricity consumed annually in Switzerland, around 18 terawatt hours are consumed by private households (status
as of 2011) [1]. Thus, there is a widespread interest in the electrical consumption of buildings. For example, it
is of great interest to understand what purposes electricity is used for in order to set priorities for reducing its
consumption.
The total yearly electrical energy demand of buildings is currently predominately used for accounting purposes.
Thus, big data sets are potentially available. Within this thesis, two data sets for residential buildings in two
Swiss municipalities were analysed. The age-related segmentations of the buildings in the data sets were discovered
and visualized with bar graphs. In addition, the electrical energy demands were analysed and visualized with box
plots.
Additionally, the specific electrical energy demands with respect to energy reference areas were calculated and
visualized with empirical cumulative distribution functions. Furthermore, a new approach was used to divide
the distributions of the overall specific electrical energy demands into shares for appliances, space heating and
domestic hot water production. The outcomes obtained by using this method were compared with values from
existing surveys concerning the electricity consumption in typical households as well as with standard values for
domestic hot water demand. The comparison showed that the extracted heat demands tend to be too low. However,
the new approach seems promising in terms to extract different shares from the total yearly specific electrical energy
demand for buildings from big data sets. Further developments, based on this work, in terms of a comprehensive
analytical methods are required.
It is important to note that an improvement of the reliability of the method or an extension of the methods requires
additional data sources.
Die Schweiz steht derzeit aufgrund der wirtschaftlichen und technologischen Entwicklung sowie der politischen
Entscheidungen im In- und Ausland vor grundlegenden Veränderungen in den Energiemärkten. Von den rund
60 Terawattstunden Strom, die in der Schweiz jährlich verbraucht werden, entfallen ca. 18 Terawattstunden auf
private Haushalte (Stand 2011) [1]. Daher steht der Stromverbrauch der Privathaushalte im Zentrum des Interesses.
Eine zentrale Frage ist, für welche Zwecke der Strom verwendet wird, um Prioritäten für die Reduzierung des
Stromverbrauchs zu setzen.
Für die Elektrizitätsrechnung wird der jährliche elektrische Energiebedarf von Gebäuden berechnet. Daher existieren
sehr grosse Datensätze des elektrischen Energiebedarfs. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Datensätze
von zwei Schweizer Gemeinden analysiert. Die Altersstruktur der darin enthaltenen Gebäude wurde mit Balkendiagrammen
visualisiert. Zudem wurden die elektrische Energiebedarfe analysiert und mit Boxplots visualisiert.
Zusätzlich wurde der spezifische elektrische Energiebedarf in Bezug auf die Energiebezugsfläche berechnet und mit
empirischen kumulativen Verteilungsfunktionen visualisiert. Darüber hinaus wurde ein neuer Ansatz zur Aufteilung
der Verteilung des gesamten spezifischen elektrischen Energiebedarfs in Anteile für Geräte, Raumheizung und
Warmwasser angewendet. Die Ergebnisse der Methode wurden mit Werten aus bestehenden Erhebungen zum
Stromverbrauch in typischen Haushalten sowie mit Richtwerten für den Warmwasserbedarf verglichen. Der Vergleich
zeigte, dass die erhalten Wärmebedarfe tendenziell zu niedrig sind. Der neue Ansatz scheint jedoch vielversprechend
zu sein, um aus Datensätzen des jährlichen elektrischen Energiebedarfs von Gebäuden unterschiedliche
Anteile nach Nutzungszweck zu erhalten. Es sind weitere Entwicklungen erforderlich, um auf der Grundlage dieser
Arbeit eine umfassende Analysemethode zu entwickeln.
Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass für zuverlässigere Ergebnisse und für eine Weiterentwicklung der Methode
mehr Daten benötigt werden.
- Currently, Switzerland is facing fundamental changes in its energy markets due to economic and technological
- Urheberrechtshinweis
- Lötscher Damian, Hochschule Luzern - Departement Technik & Architektur
- Departement
- Studiengang
- Art der Arbeit
- Betreuer/Betreuerin
- Importiert am
- 29.04.2020
- Übergeordnete Sets
- 1
Latent storage for low temperature applications
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Author that can easily go onto 2 lines as well
- Titel
- Latent storage for low temperature applications
- Autor/in
- Datierung
- 07.01.2019
- Beschreibung
- The Scottish company Sunamp Ltd produces latent thermal storage batteries in which heat or cold is stored using phase change materials (PCM). Sunamp manufactures a variety of batteries with storage temperatures from -5°C to 120°C. Sunamp together with the Lucerne University of Applied Sciences and Arts, have set themselves the goal of developing a latent storage system for cold storage at temperatures between -30°C and -5°C. For low temperature applications in this temperature range there is currently no product available on the market which uses latent storage. The most common way currently used for thermal cold storage at low temperatures, is sensible storage with water-glycol mixtures. The aim of this bachelor thesis is to find PCM which are suitable for use in a low-temperature latent storage.
At first a market analysis was carried out to find out at which temperatures a latent storage could be needed. Afterwards, materials were researched, and candidates were selected. At last the thermal properties of the selected materials were determined in various measurements and experiments.
In the market analysis it was investigated what temperatures are used in the food industry. It was found that temperatures between -30°C to -18°C are used for the transport, the storage and the retail of frozen food. Within this temperature range materials were researched with suitable phase change temperatures. The properties such as phase change enthalpy and toxicity of the found materials were compared, and the most suitable materials were selected for experimental analysis. The eight selected PCM candidates included three eutectic salt water solutions and five are organic compounds of different classes of materials. The selected eutectic water-salt solutions are aluminum nitrate solution (Al(NO3)3), Magnesium chloride solution (MgCl2), and sodium chloride solution (NaCl). The selected organic materials include 1,3-Dibromopropane, 1-Heptanol, n-Decane, Propionic acid and Nonaldehyde. DSC measurements, T-History experiments, and material compatibility experiments were performed with the selected materials. With the DSC measurements the phase change temperature, the melting enthalpy and the specific heat capacity were measured. With the help of the T-History experiment the subcooling could be determined and crystallization could be observed. With the material compatibility experiments, it was possible to determine how the materials behave in combination with copper, steel and aluminum. In addition, a setup was developed and constructed for future cycle stability measurements.
It was shown that the eutectic salt water mixtures have the best thermophysical properties such as enthalpy of fusion and specific heat, however they exhibit a poor compatibility with metals. The organic materials have good thermophysical properties. The organics have good compatibilities with aluminum. The compatibility with copper and steel depends on the material.
Die schottische Firma Sunamp Ltd verkauft und produziert thermische Wärmespeicher-Batterien in denen Wärme oder Kälte mit Phasenwechselmaterialien (PCM) gespeichert wird. Sunamp stellt verschiedene Batterien mit Speichertemperaturen von -5°C bis 120°C her. Sunamp zusammen mit der Hochschule Luzern haben sich das Ziel gesetzt einen Latent-speicher für Kältespeicherung im Temperaturbereich von -30°C bis -5°C zu entwickeln. Für Tieftemperaturanwendungen in diesem Temperaturbereich gibt es noch kein Produkt auf dem Markt, welches latente Speicherung verwendet. Zur Kältespeicherung im Tieftemperatur-bereich wird momentan hauptsächlich sensible Kältespeicherung mit Wasser-Glykol Mischungen eingesetzt. Ziel dieser Bachelor-Thesis ist es PCM zu finden welche für die Anwendung in einem Tieftemperatur Latentspeicher geeignet sind.
Als erstes wurde eine Marktanalyse durchgeführt um herauszufinden bei welchen Temperaturen ein Latentspeicher Anwendung finden könnte. Danach wurden Materialien recherchiert und geeignete Kandidaten wurden ausgewählt. Als letztes wurden die thermischen Eigenschaften der ausgewählten Materialien in verschiedenen Experimenten untersucht.
In der Marktanalyse wurden die Temperaturen in der Lebensmittelindustrie untersucht. Es konnte herausgefunden werden, dass für den Transport, die Lagerung und den Verkauf von tiefgekühlten Lebensmitteln Temperaturen im Bereich von -30°C bis -18°C verwendet werden. Von den Materialien die für diesen Temperaturbereich gefunden wurden, wurden acht ausgewählt die ungiftig sind, günstig sind und eine hohe Phasenwechselenthalpie aufweisen. Von den gewählten Materialien sind drei eutektische Salzwasser-Lösungen und fünf sind organische Verbindungen. Die ausgewählten eutektischen Salzwasser-Lösungen sind Aluminiumnitratlösung (Al(NO3)3), Magnesiumchloridlösung (MgCl2) und Natrium-chloridlösung (NaCl). Die ausgewählten organischen Materialien sind 1,3-Dibrompropan, 1-Heptanol, n-Decan, Propionsäure und Nonaldehyd. Mit den gewählten Materialien wurden DSC-Messungen, T-History Experimente und Materialverträglichkeits-Experimente durch-geführt. Durch DSC Messungen wurde die Phasenwechseltemperatur, die Schmelzenthalpie und die spezifische Wärmekapazität gemessen. Mithilfe des T-History-Experiments konnte das Subcooling bestimmt werden und die Kristallisation beobachtet werden. Mit den Material-verträglichkeits-Experimenten, konnte bestimmt werden wie die Materialien sich in Kombination mit Kupfer Stahl und Aluminium verhalten. Zusätzlich wurde ein Prüfstand für zukünftige Zyklenstabilitätsmessungen ausgelegt und aufgebaut.
Es zeigte sich, dass die eutektischen Salzwasser-Lösungen die besten thermophysikalischen Eigenschaften wie Phasenwechselenthalpie und spezifische Wärmekapizität aufweisen. Die Verträglichkeit der Salzwasser-Lösungen mit Metallen ist mangelhaft. Die organischen Verbindungen besitzen gute thermophysikalische Eigenschaften. Die Verträglichkeit mit Aluminium ist gut. Bei Kupfer und Stahl ist die Verträglichkeit von dem Material abhängig.
- The Scottish company Sunamp Ltd produces latent thermal storage batteries in which heat or cold is stored using phase change materials (PCM). Sunamp manufactures a variety of batteries with storage temperatures from -5°C to 120°C. Sunamp together with the Lucerne University of Applied Sciences and Arts, have set themselves the goal of developing a latent storage system for cold storage at temperatures between -30°C and -5°C. For low temperature applications in this temperature range there is currently no product available on the market which uses latent storage. The most common way currently used for thermal cold storage at low temperatures, is sensible storage with water-glycol mixtures. The aim of this bachelor thesis is to find PCM which are suitable for use in a low-temperature latent storage.
- Urheberrechtshinweis
- Kurmann David, Hochschule Luzern - Departement Technik & Architektur
- Departement
- Studiengang
- Art der Arbeit
- Betreuer/Betreuerin
- Importiert am
- 29.04.2020
- Übergeordnete Sets
- 1