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The interest of scientists to study motion sequences exists in the fields of sports science, clinical analysis and computer animation for quite some time. While in the last decades mainly markerbased motion capture systems have been used to evaluate movements, the interest in markerless systems is growing more and more. Nevertheless, in the field of clinical analysis, markerless methods have not yet proven their value, partly due to a lack of studies evaluating the quality of the obtained data. Therefore, this study aims to validate two markerless motion capture softwares from Simi Reality Motion Systems. The software Simi Shape, which is a mixture of traditional image-based tracking supported by an artificial intelligence net (AI net), and the software Crush, that uses a completely AI-based method. For this purpose, all motion data was recorded with two in-house motion capture systems. One system for recording the movements for a markerbased evaluation as gold standard and one system for markerless tracking. Within a laboratory environment, eight cameras per system were mounted around the area of motion. By placing two cameras in the same position and using the same calibration, deviations in the image data between those for markerbased and markerless tracking were extremely minimal. Based on this data, markerbased tracking was performed using the Simi Motion program, markerless tracking was performed using the Simi Shape software system and the latest software from Simi Reality Motion Systems, Crush. When comparing the markerless data with the markerbased data, an average root mean square error of 0,038 m was calculated for Simi Shape and a deviation of 0,037 m for Crush. In a direct comparison of the two markerless systems, a root mean square error of 0,019 m was scored. Based on these data, conclusions could be drawn about the accuracies of the two markerless systems. The obtained kinematic data of the tracking are in the range of high accuracy, which is limited to a deviation of less than 0,05 m according to the literature.
Proteine spielen eine entscheidende Rolle im Stoffwechsel aller Lebewesen. Für die Lebensmittelindustrie sind die Grundbausteine der Proteine, besonders interessant, da sie den Geschmack von Lebensmitteln stark beeinflussen können, oder sich in Form von Supplementen als Nahrungsergänzungsmittel für Sportler eignen. Zur Gewinnung dieser Aminosäuren werden unteranderem Aminopeptidasen verwendet. In dieser Arbeit wurden fünf fungale Aminopeptidasen Pep 1 aus Aspergillus turcosus, Pep 4 aus Aspergillus thermomutatus, Pep 6 aus Coccidioides posadasii C735 delta SOWgp, Pep 7 aus Trichophyton interdigitale H6 und Pep 8 aus Onygena corvina in Pichia pastoris rekombinant exprimiert, mittels Ultrafiltration aufkonzentriert und biochemisch charakterisiert. Die Aminopeptidasen aus Aspergillus turcosus (Pep 1), Aspergillus thermomutatus (Pep 4) und Trichophyton interdigitale H6 (Pep 7) hatten ihr pH-Optimum bei pH 9, während die Aminopeptidasen aus Coccidioides posadasii C735 delta SOWgp (Pep 6) und Onygena corvina (Pep 8) bei pH 8,5 die höchste Aktivität aufwiesen. Die Temperaturoptima lagen bei 60 °C (Pep 1 und Pep 6) und 50 °C (Pep 4, Pep 7 und Pep 8) und alle waren zwischen 45 und 55 °C für 15 Minuten temperaturstabil. Die Aminopeptidasen hatten nach der Deglykosilierung ein Molekulargewicht von 57 (Pep 1), 52 (Pep 4 und Pep 7), 54 (Pep 6) und 53 kDA (Pep 8). Mit Leu-pNA als Substrat zeigten die fungalen Aminopeptidasen maximale spezifische Umsatzgeschwindigkeiten von 357 (Pep 1), 238 (Pep 4), 2000 (Pep 6), 56 (Pep 7) und 476 nkat/g (Pep 8). Pep 1 wurde am stärksten positiv von Bivalenten Ionen wie Mg2+, Co2+, Mn2+ und Ca2+ beeinflusst, in Gegenwart von 0,1 mM Mg2+ konnte eine relative Enzymaktivität von 345 % im Vergleich zum Referenzwert gemessen werden. Bei den anderen Aminopeptidasen konnten inhibitorische Effekte festgestellt werden. Bie allen fungalen Aminopeptidasen bei der Hydrolyse von vorhydrolysiertem Gluten die Freisetzung von Aminogruppen festgestellt werden, somit eignen sich die Aminopeptidasen in Kombination mit Endopeptidasen zur Hydrolyse von Proteingemischen. Bei der Hydrolyse konnte zudem die Freisetzung von Glutamin durch das L-Glutamine/Ammonia Assay Kit (Rapid) von Megazyme nachgewiesen werden.
Diese Bachelorarbeit hat sich ausführlich mit der Erstellung von Sicherheitskonzepten und der damit einhergehenden Erstellung einer Risikobeurteilung beschäftigt.
Dabei wurde festgestellt, dass eine besonders große Gefahr des Werkzeugwechselsystems durch die Gefährdung des herabfallenden Werkzeuges entsteht. Zum einen kann dies durch das Aufkommen eines Energie- bzw. Druckverlust entstehen. Dieses Risko wird durch den Einsatz einer bewährten Feder und einer selbsthemmenden Keilverbindung zwischen Verriegelungskolben und -bolzen vermindert.
Zum anderen kann durch Steuerungs- oder Programmierfehler das Werkzeugwechselsystem an nicht vorgesehener Stelle geöffnet werden und sich Fest- und Losteil trennen. Die dadurch entstehende Gefahr eines Herabfallenden Werkzeuges wird von einer steuerungsabhängigen Schutzmaßnahme verhindert, welche über eine genaue Positionsabfrage vor dem gefahrbringenden Szenario schützen sollen.
Hierbei sind verschiedene Konzepte ausgearbeitet worden, welche das von der Risikobeurteilung geforderte erforderliche PLr d erfüllen. Für die Konzepte wurden verschiedene berührungslose Sensoren und Sicherheitsschalter ausgesucht und ein Ventilschaltplan für die Erfüllung der Sicherheitsfunktion erstellt.
Auch andere Gefährdungen werden mithilfe der Anwendung von Normen, den Einsatz von inhärent sicheren Konstruktionen, technische/ergänzende Schutzmaßnahme oder Benutzerinformationen ausreichend vermindert.
Mithilfe einer weiteren Abschlussarbeit werden diese Sicherheitskonzepte und die damit einhergehende Risikobeurteilung überprüft und validiert. Hierfür wird die Norm DIN EN ISO 13849-2 verwendet.
Decarbonisation Strategies in Energy Systems Modelling: APV and e-tractors as Flexibility Assets
(2023)
This work presents an analysis of the impact of introducing Agrophotovoltaic technologies and electric tractors into Germany’s energy system. Agrophotovoltaics involves installing photovoltaic systems in agricultural areas, allowing for dual usage of the land for both energy generation and food production. Electric tractors, which are agricultural machinery powered by electric motors, can also function as energy storage units, providing flexibility to the grid. The analysis includes a sensitivity study to understand how the availability of agricultural land influences Agrophotovoltaic investments, followed by the examination of various scenarios that involve converting diesel tractors to electric tractors. These scenarios are based on the current CO2 emission reduction targets set by the German Government, aiming for a 65% reduction below 1990 levels by 2030 and achieving zero emissions by 2045. The results indicate that approximately 3% of available agricultural land is necessary to establish a viable energy mix in Germany. Furthermore, the expansion of electric tractors tends to reduce the overall system costs and enhances the energy-cost-efficiency of Agrophotovoltaic investments.
Variable refrigerant flow (VRF) and variable air volume (VAV) systems are considered among the best heating, ventilation, and air conditioning systems (HVAC) thanks to their ability to provide cooling and heating in different thermal zones of the same building. As well as their ability to recover the heat rejected from spaces requiring cooling and reuse it to heat another space. Nevertheless, at the same time, these systems are considered one of the most energy-consuming systems in the building. So, it is crucial to well size the system according to the building’s cooling and heating needs and the indoor temperature fluctuations. This study aims to compare these two energy systems by conducting an energy model simulation of a real building under a semi-arid climate for cooling and heating periods. The developed building energy model (BEM) was validated and calibrated using measured and simulated indoor air temperature and energy consumption data. The study aims to evaluate the effect of these HVAC systems on energy consumption and the indoor thermal comfort of the building. The numerical model was based on the Energy Plus simulation engine. The approach used in this paper has allowed us to reach significant quantitative energy saving along with a high level of indoor thermal comfort by using the VRF system compared to the VAV system. The findings prove that the VRF system provides 46.18% of the annual total heating energy savings and 6.14% of the annual cooling and ventilation energy savings compared to the VAV system.
During pyrolysis, biomass is carbonised in the absence of oxygen to produce biochar with heat and/or electricity as co-products making pyrolysis one of the promising negative emission technologies to reach climate goals worldwide. This paper presents a simplified representation of pyrolysis and analyses the impact of this technology on the energy system. Results show that the use of pyrolysis can allow getting zero emissions with lower costs by making changes in the unit commitment of the power plants, e.g. conventional power plants are used differently, as the emissions will be compensated by biochar. Additionally, the process of pyrolysis can enhance the flexibility of energy systems, as it shows a correlation between the electricity generated by pyrolysis and the hydrogen installation capacity, being hydrogen used less when pyrolysis appears. The results indicate that pyrolysis, which is available on the market, integrates well into the energy system with a promising potential to sequester carbon.
TRIZ Innovationstechnologie
(2023)
Recent advances in spiked shoe design, characterized by increased longitudinal stiffness, thicker midsole foams, and reconfigured geometry are considered to improve sprint performance. However, so far there is no empirical data on the effects of advanced spikes technology on maximal sprinting speed (MSS) published yet. Consequently, we assessed MSS via ‘flying 30m’ sprints of 44 trained male (PR: 10.32 s - 12.08 s) and female (PR: 11.56 s - 14.18 s) athletes, wearing both traditional and advanced spikes in a randomized, repeated measures design. The results revealed a statistically significant increase in MSS by 1.21% on average when using advanced spikes technology. Notably, 87% of participants showed improved MSS with the use of advanced spikes. A cluster analysis unveiled that athletes with higher MSS may benefit to a greater extent. However, individual responses varied widely, suggesting the influence of multiple factors that need detailed exploration. Therefore, coaches and athletes are advised to interpret the promising performance enhancements cautiously and evaluate the appropriateness of the advanced spike technology for their athletes critically.
High-tech running shoes and spikes ("super-footwear") are currently being debated in sports. There is direct evidence that distance running super shoes improve running economy; however, it is not well established to which extent world-class performances are affected over the range of track and road running events.
This study examined publicly available performance datasets of annual best track and road performances for evidence of potential systematic performance effects following the introduction of super footwear. The analysis was based on the 100 best performances per year for men and women in outdoor events from 2010 to 2022, provided by the world governing body of athletics (World Athletics).
We found evidence of progressing improvements in track and road running performances after the introduction of super distance running shoes in 2016 and super spike technology in 2019. This evidence is more pronounced for distances longer than 1500 m in women and longer than 5000 m in men. Women seem to benefit more from super footwear in distance running events than men.
While the observational study design limits causal inference, this study provides a database on potential systematic performance effects following the introduction of super shoes/spikes in track and road running events in world-class athletes. Further research is needed to examine the underlying mechanisms and, in particular, potential sex differences in the performance effects of super footwear.
As the population grows, so does the amount of biowaste. As demand for energy grows, biogas is a promising solution to the problem. Lignocellulosic materials are challenged of slow degradability due to the presence of polymers such as cellulose, lignin and hemicellulose. There are several pretreatment methods available to enhance the degradability of such materials, including enzymatic pretreatment. In this pretreatment, there are few parameters that can influence the results, the most important being the enzyme to solid ratio and the solid to liquid ratio. During this project, experiments were conducted to determine the optimal conditions for those two factors. It was discovered that a solid to liquid ratio of 31 g of buffer per 1 gram of organic dry matter produced the highest reducing sugar release in flasks when combined with 34 mg of protein per 1 gram of organic dry mass. Additionally, another experiment was carried out to investigate the impact of enzymatic pretreatment on biogas production using artificial biowaste as a substrate. Artificial biowaste produced 577,9 NL/kg oDM, while enzymatically pretreated biowaste produced 639,3 NL/kg oDM. This resulted in a 10,6% rise in cumulative biogas production compared to its use without enzymatic pretreatment. By the conclusion of the investigation, specific cumulative dry methane yields of 364,7 NL/kg oDM and 426,3 NL/kg oDM were obtained from artificial biowaste without and with enzymatic pretreatment, respectively. This resulted in a methane production boost of 16,9%. Additionally in case of the reactors with enzymatically pretreated substrate kinetic constant was lower more than double, where maximum volume of biogas increased, comparing to the reactors without enzymatic pretreatment.
Polyarticulated active prostheses constitute a promising solution for upper limb amputees. The bottleneck for their adoption though, is the lack of intuitive control. In this context, machine learning algorithms based on pattern recognition from electromyographic (EMG) signals represent a great opportunity for naturally operating prosthetic devices, but their performance is strongly affected by the selection of input features. In this study, we investigated different combinations of 13 EMG-derived features obtained from EMG signals of healthy individuals performing upper limb movements and tested their performance for movement classification using an Artificial Neural Network. We found that input data (i.e., the set of input features) can be reduced by more than 50% without any loss in accuracy, while diminishing the computing time required to train the classifier. Our results indicate that input features must be properly selected in order to optimize prosthetic control.
The main focus of this chapter is the theoretical and instrumental processes that underpin densitometric methods widely used in thin-layer chromatography (TLC). Densitometric methods include UV–vis, luminescence, and fluorescence optical measurements as well as infrared and Raman spectroscopic measurements. The chapter is divided in two general parts: a theoretical part and a practical part. The systems for direct radioactivity measurements and the combination of TLC with mass spectrometry are also discussed. All these systems allow measuring an intensity distribution directly on a TLC plate. We call this “in situ detection” because no analyte is removed from the plate.
Recently, photovoltaic (PV) with energy storage systems (ESS) have been widely adopted in buildings to overcome growing power demands and earn financial benefits. The overall energy cost can be optimized by combining a well-sized hybrid PV/ESS system with an efficient energy management system (EMS). Generally, EMS is implemented within the overall functions of the Building Automation System (BAS). However, due to its limited computing resources, BAS cannot handle complex algorithms that aim to optimize energy use in real-time under different operating conditions. Furthermore, islanding the building's local network to maximize the PV energy share represents a challenging task due to the potential technical risks. In this context, this article addresses an improved approach based on upgrading the BAS data analytics capability by means of an edge computing technology. The edge communicates with the BAS low-level controller using a serial communication protocol. Taking advantage of the high computing ability of the edge device, an optimization-based EMS of the PV/ESS hybrid system is implemented. Different testing scenarios have been carried out on a real prototype with different weather conditions, and the results show the implementation feasibility and technical performance of such advanced EMS for the management of building energy resources. It has also been proven to be feasible and advantageous to operate the local energy network in island mode while ensuring system safety. Additionally, an estimated energy saving improvement of 6.23 % has been achieved using optimization-based EMS compared to the classical rule-based EMS, with better ESS constraints fulfillment.
For the treatment of bone defects, biodegradable, compressive biomaterials are needed as replacements that degrade as the bone regenerates. The problem with existing materials has either been their insufficient mechanical strength or the excessive differences in their elastic modulus, leading to stress shielding and eventual failure. In this study, the compressive strength of CPC ceramics (with a layer thickness of more than 12 layers) was compared with sintered β-TCP ceramics. It was assumed that as the number of layers increased, the mechanical strength of 3D-printed scaffolds would increase toward the value of sintered ceramics. In addition, the influence of the needle inner diameter on the mechanical strength was investigated. Circular scaffolds with 20, 25, 30, and 45 layers were 3D printed using a 3D bioplotter, solidified in a water-saturated atmosphere for 3 days, and then tested for compressive strength together with a β-TCP sintered ceramic using a Zwick universal testing machine. The 3D-printed scaffolds had a compressive strength of 41.56 ± 7.12 MPa, which was significantly higher than that of the sintered ceramic (24.16 ± 4.44 MPa). The 3D-printed scaffolds with round geometry reached or exceeded the upper limit of the compressive strength of cancellous bone toward substantia compacta. In addition, CPC scaffolds exhibited more bone-like compressibility than the comparable β-TCP sintered ceramic, demonstrating that the mechanical properties of CPC scaffolds are more similar to bone than sintered β-TCP ceramics.
Grundzüge der Strömungslehre
(2023)
Dieses ausgereifte Lehrbuch stellt in prägnant kurzer und mathematisch verständlicher Darstellung die strömungstechnischen Grundlagen dar. Aufgaben mit Lösungen helfen den Lernstoff richtig anzuwenden und fördern das Verständnis. Das Buch eignet sich zur Begleitung und Vertiefung der Vorlesungen über Strömungslehre sowie zum Selbststudium. Die vorliegende Auflage geht auf die immer größer werdende Rolle des Energiehaushalts ein und trägt damit den aktuellen Entwicklungen Rechnung. Ergänzt wurden aktuelle Übungsaufgaben der Strömungsmechanik, zahlreiche Beispiele veranschaulichen den Energiesatz.
Automation devices or automation stations (AS) take on the task of controlling, regulating, monitoring and, if necessary, optimising building systems and their system components (e.g. pumps, compressors, fans) based on recorded process variables. For this purpose, a wide range of control and regulation methods are used, starting with simple on/off controllers, through classic PID controllers, to higher-order controllers such as adaptive, model-predictive, knowledge-based or adaptive controllers.
Starting with a brief introduction to automation technology (Sect. 7.1), the chapter goes into the structure and functionality of the usual compact controllers using the application examples of solar thermal systems and heat pump systems (Sect. 7.2). Finally, the integration of system automation into a higher-level building automation system and into the building management system is described using specific application examples (Sect. 7.3).
This central book chapter now details the implementation of automation of solar domestic hot water systems, solar assisted building heating, rooms, solar cooling systems, heat pump heating systems, geothermal systems and thermally activated building component systems. Hydraulic and automation diagrams are used to explain how the automation of these systems works. A detailed insight into the engineering and technical interrelationships involved in the use of these systems, as well as the use of simulation tools, enables effective control and regulation. System characteristic curves and systematic procedures support the automation engineer in his tasks.
Renewable energy sources such as solar radiation, geothermal heat and ambient heat are available for energy conversion. With the help of special converters, these resources can be put to use. These include solar collectors, geothermal probes and chillers. They collect the energy and convert it to a temperature level high enough to be suitable for heat purposes. In the case of refrigeration machines, a distinction is made between electrically and thermally driven machines.
The use of renewable energy sources for heating and cooling in buildings today offers the best opportunities to avoid the use of fossil fuels and the associated climate-damaging emissions. However, unlike fossil fuels, renewable energy sources such as solar radiation are not available at the push of a button, but occur uncontrollably depending on weather conditions, the location of the building and the time of year. Their use is free of charge. However, complex converters and systems usually have to be installed in order to use them. These must be carefully planned and operated in order to avoid unnecessary costs and to generate the maximum possible yield. The regenerative energy systems are usually integrated into existing conventional systems. When designing the control and regulation equipment, it is crucial to design the automation of the systems in such a way that primarily renewable energy sources are used and the share of fossil energy sources is minimized.
This textbook helps use regenerative systems for heating and cooling effectively. Integration and automation schemes provide a quick overview. Practical examples clearly show standard solutions for the integration of regenerative energy sources. For the 2nd edition, improvements have been made to the text and illustrations, and references to standards have been updated. Control questions at the end of the main chapters serve to consolidate the understanding of the content.
Human interaction frequently includes decision-making processes during which interactants call on verbal and non-verbal resources to manage the flow of interaction. In 2017, Stevanovic et al. carried out pioneering work, analyzing the unfolding of moment-by-moment dynamics by investigating the behavioral matching during search and decision-making phases. By studying the similarities in the participant's body sway during a conversation task in Finnish, the authors showed higher behavioral matching during decision phases than during search phases. The purpose of this research was to investigate the whole-body sway and its coordination during joint search and decision-making phases as a replication of the study by Stevanovic et al. (2017) but based on a German population. Overall, 12 dyads participated in this study and were asked to decide on 8 adjectives, starting with a pre-defined letter, to describe a fictional character. During this joint-decision task (duration: 206.46 ± 116.08 s), body sway of both interactants was measured using a 3D motion capture system and center of mass (COM) accelerations were computed. Matching of body sway was calculated using a windowed cross correlation (WCC) of the COM accelerations. A total of 101 search and 101 decision phases were identified for the 12 dyads. Significant higher COM accelerations (5.4*10−3 vs. 3.7*10−3 mm/s2, p < 0.001) and WCC coefficients (0.47 vs. 0.45, p = 0.043) were found during decision-making phases than during search phases. The results suggest that body sway is one of the resources humans use to communicate the arrival at a joint decision. These findings contribute to a better understanding of interpersonal coordination from a human movement science perspective.
Background/Purpose
Several methods are used to evaluate the outcome of total hip arthroplasty (THA), however, their relationship at different time points after surgery is unclear. The purpose of this exploratory study was to investigate correlations between self-report function, performance-based tests (PBTs) and biomechanical parameters in patients 12 months after THA.
Methods
Eleven patients were included in this preliminary cross-sectional study. Hip disability and Osteoarthritis Outcome Score (HOOS) was completed for self-reported function. As PBTs, the Timed-up-and-Go test (TUG) and 30-Second-Chair-Stand test (30CST) were used. Biomechanical parameters were derived from analyses of hip strength, gait and balance. Potential correlations were calculated using Spearman correlation coefficient r.
Results
HOOS scores and parameters of PBTs showed moderate to strong correlations (0.3 < r < 0.7). Correlation analysis between HOOS scores and biomechanical parameters revealed moderate to strong correlations for hip strength whereas correlations with gait parameters and balance were rather weak (r < 0.3). Moderate to strong correlations were also found between parameters of hip strength and 30CST.
Conclusion
For THA outcome assessment 12 months after surgery, our first results indicate that self-report measures or PBTs could be used. Analysis of hip strength also appears to be reflected in HOOS and PBT parameters and may be considered as an adjunct. Given the weak correlations with gait and balance parameters, we suggest that gait analysis and balance testing should be performed in addition to PROMs and PBTs as they may provide supplementary information, especially for THA patients that are at risk for falls.
The increasing diffusion of rapidly developing AI technologies led to the idea of the experiment to combine TRIZ-based automated idea generation with the natural language processing tool ChatGPT, using the chatbot to interpret the automatically generated elementary solution principles. The article explores the opportunities and benefits of a novel AI-enhanced approach to teaching systematic innovation, analyses the learning experience, identifies the factors that affect students' innovation and problem-solving performance, and highlights the main difficulties students face, especially in interdisciplinary problems.
Im Zuge der Machbarkeitsstudie „BubbleMeth“ (FKZ BWFE310091) wurde die Machbarkeit der biologischen Methanisierung in einem neukonzipierten innovativen Pilot-Reaktor, basierend auf einer Gegenstromblasensäule mit separatem Entgasungs-Reaktor, sowohl für den Betrieb in der biologischen in-situ als auch der ex-situ Methanisierung demonstriert.
Die Pilot-Anlage besteht aus einer Gegenstromblasensäule und einem separaten Entgasungs-Reaktor und wurde an der Hochschule Offenburg geplant und gebaut. Die beiden Reaktor-Säulen haben jeweils eine Höhe von 10 m, einen Säulendurchmesser von 0,3 m und ein Gesamtreaktionsvolumen von etwa 1,1 m3. Der Gaseintrag erfolgt über Sinterplatten am Boden der Gegenstromblasensäule. In dieser Begasungssäule strömt die Flüssigkeit in entgegengesetzter Richtung zu den aufsteigenden Gasblasen und reichert sich durch den am Säulenfuß vorliegenden hydraulischen Druck zunehmend mit gelöstem Gas an. Die Säule, in die das Eduktgas am Säulenboden eingetragen wird, ist in Abbildung 1 auf der rechten Seite dargestellt und befindet sich auf der Saugseite einer Pumpe. Bei einer etwa 9,5 m hohen Wassersäule erhöht sich der Absolutdruck am Säulenboden auf etwa 1,95 bar, womit sich die Löslichkeit einer beliebigen Gaskomponente im Vergleich zum Atmosphärendruck bei konstanter Temperatur im Gleichgewicht gemäß dem Henry’schen Gesetz näherungsweise verdoppelt. Dieser Effekt wird genutzt, um die Verfügbarkeit von gelöstem Wasserstoff für die bei der biologischen Methanisierung katalytisch wirkenden hydrogenothrophen Archaeen zu erhöhen. Durch die Zirkulation der Flüssigkeit und den damit erreichten Druckwechsel wird auf der Seite des Entgasungs-Reaktors ein Ausgasen der relativ zum Atmosphärendruck übersättigten Gaskomponente ermöglicht. Durch die Zirkulation der Flüssigkeit über zwei Säulen wird außerdem die räumliche Trennung des Eduktgaseintrages und der Produktgasabtrennung erreicht.
Die in-situ Methanisierung wurde in der Machbarkeitsstudie bis zu einer organischen Beladungsrate von 0,94 kg m-3 d-1 realisiert. Die erwartete Biogasbildungsrate (BGBR) bei vollständiger Umsetzung des Glucose/Fructose-Substrates zu Methan und CO2 lag bei ca. 0,686 m3 m-3 d-1. Die gemessene BGBR erreichte 0,61 ± 0,03 m3 m-3 d-1. Die geringe Abweichung kann auf eine zusätzliche Nutzung des Substrates für den Erhaltungsstoffwechsel des gesamten biologischen Systems zurückgeführt werden. Der maximale volumetrische H2-Eintrag betrug während der in-situ Methanisierung 0,785 m3 m-3 d-1 und ist dabei bezogen auf das gesamte Reaktionsvolumen von ca. 1,1 m3 in beiden Reaktorkolonnen. Das eingesetzte H2:CO2-Verhältnis lag bei 2,3, um einen vollständigen CO2-Umsatz und eine damit verbundene Verschiebung des pH-Wertes in den alkalischen Bereich bei der in-situ Methanisierung zu vermeiden. Die Produktgaszusammensetzung lag stabil bei ca. 80 Vol.% CH4, 18 Vol.% CO2 und geringen Mengen an Stickstoff, die im Wesentlichen aus der manuellen Entnahme der Gasproben resultieren, und entsprach der erwarteten Zusammensetzung bei dem vorgegebenen H2:CO2-Verhältnis.
Im Anschluss an die Untersuchungsphase der in-situ Methanisierung wurde der Prozess auf die ex-situ Methanisierung umgestellt. Dazu wurde die OLR schrittweise reduziert und gleichzeitig der Eintrag von CO2 aus einer Druckgasflasche erhöht. Die ex-situ Methanisierung wurde im Rahmen der Machbarkeitsstudie bis zu einem volumenspezifischen CO2-Eintrag bezogen auf das Gesamtreaktionsvolumen von 1,1 m3 von 0,563 m3 CO2 m-3 d-1 durchgeführt.
Der maximale volumetrische H2-Eintrag betrug während der ex-situ Methanisierung 2,168 m3 m-3 d-1. Das eingesetzte H2:CO2-Verhältnis lag bei 3,6 bis 3,9. Die Produktgaszusammensetzung lag stabil bei ca. 91 Vol.% CH4, 8 Vol.% CO2 und geringen Mengen an Stickstoff, und entsprach der erwarteten Zusammensetzung bei dem vorgegebenen H2:CO2-Verhältnis.
Besonders bemerkenswert war, dass sowohl bei der in-situ als auch der ex-situ Methanisierung und den jeweils in der Machbarkeitsstudie eingesetzten maximalen volumetrischen H2-Einträge weder im austretenden Produktgas am Entgasungsreaktor noch im rezirkulierten Gas am Kopf des Begasungsreaktors Wasserstoff nachzuweisen war. Damit besteht großes Potenzial für eine weitere Steigerung der Methanbildungsrate. Aus diesem Grund sollen die Arbeiten zur biologischen Methanisierung in einem Innovationsprojekt fortgeführt werden. Die Anlage soll hinsichtlich ihrer Eignung in einer relevanten Einsatzumgebung zur Methanisierung von in Biogas enthaltenem CO2-bewertet werden. Dazu soll die Anlage außerdem mit einem preiswerten alkalischen Elektrolyseur kombiniert werden, um das Verfahren so kostengünstig wie möglich zu gestalten. Dieser Elektrolyseur soll in Anlehnung an die fluktuierende Energiebereitstellung Erneuerbarer Energien zyklisch betrieben werden und dabei vor allem zu Zeiten günstiger Spotmarktpreise in Betrieb sein.
In dieser Arbeit werden Untersuchungen an einem neuartigen Sensorkonzept zur Erfassung von Winkelbeschleunigungen durchgeführt. Ziel dieser Arbeit war es, die Möglichkeit, eine Miniaturisierung des Prototyps zu untersuchen. Hierfür wurde eine analytische und experimentelle Untersuchung durchgeführt. Für die analytische Betrachtung erfolgte eine Fehlerfortpflanzung nach Gauß, welche die Fertigungstoleranzen, Dimensionsfehler des Accelerometers, Rauschen und Messabweichungen von Accelerometer und Gyroskop berücksichtigt. Die Ergebnisse zeigen, dass bei Verwendung der hochwertigen Inertial Measurment Units (IMUs) eine theoretische Verkleinerung bis auf 21mm eine höhere Genauigkeit bietet als die numerischen Differentiationen der Winkelgeschwindigkeit.
Für die Verifizierung unter realen Bedingungen wurden verschiedene Prüfkonzepte verglichen.
Dabei erwies sich ein Pendelprüfstand als vielversprechender Ansatz. Durch die Verwendung von Kugellagern kann ein breites Spektrum an Winkelbeschleunigungen abgebildet werden. Die kontinuierliche Erfassung reflektierender Marker auf der Pendelstange ermöglicht die Ermittlung der Winkel, die als Grundlage für ein Modell dienen, wodurch sich reale Winkelbeschleunigungen mit den Messdaten des Sensors vergleichen lassen. Dabei stellt die Modellierung der Verlustterme eine zukünftige Herausforderung dar.
Die Ergebnisse zeigen, dass eine Miniaturisierung des Sensorprototyps möglich ist und das der Pendelprüfstand eine Methode zur Verifizierung darstellt. Dies trägt dazu bei, die Anwendungsmöglichkeiten des Sensorkonzepts in der Praxis zu erweitern.
A smart energy concept was designed and implemented for a cluster of 5 existing multi-family houses, which combines heat pumps, photovoltaic (PV) modules and combined heat and power units (CHP) to achieve energy- and cost-efficient operation. Measurement results of the first year of operation show that the local power generation by PV modules and CHP unit has a positive effect on the electrical self-sufficiency by reducing electricity import from the grid. In winter, when the CHP unit operates continuously for long periods, the entire electricity for the heat pump and 91 % of the total electricity demand of the neighborhood are supplied locally. In summer, only 53 % is generated within the neighborhood. The use of a specifically developed energy management system EMS is intended to further increase this share. CO2 emissions for heating and electricity of the neighborhood are evaluated and amount to 18.4 kg/(m2a). Compared to the previous energy system consisting of gas boilers (29.1 kg/(m2a)), savings of 37 % are achieved with electricity consumption from the grid being reduced by 65 %. In the second construction stage, an additional heat pump, CHP unit and PV modules will be added. The measurement results indicate that the final district energy system is likely to achieve the ambitious CO2 reduction goal of -50% and further increase the self-sufficiency of the district.
Enhancing engineering creativity with automated formulation of elementary solution principles
(2023)
The paper describes a method for the automated formulation of elementary creative stimuli for product or process design at different levels of abstraction and in different engineering domains. The experimental study evaluates the impact of structured automated idea generation on inventive thinking in engineering design and compares it with previous experimental studies in educational and industrial settings. The outlook highlights the benefits of using automated ideation in the context of AI-assisted invention and innovation.
This book constitutes the proceedings of the 23rd International TRIZ Future Conference on Towards AI-Aided Invention and Innovation, TFC 2023, which was held in Offenburg, Germany, during September 12–14, 2023. The event was sponsored by IFIP WG 5.4.
The 43 full papers presented in this book were carefully reviewed and selected from 80 submissions. The papers are divided into the following topical sections: AI and TRIZ; sustainable development; general vision of TRIZ; TRIZ impact in society; and TRIZ case studies.
Eco-innovations in chemical processes should be designed to use raw materials, energy and water as efficiently and economically as possible to avoid the generation of hazardous waste and to conserve raw material reserves. Applying inventive principles identified in natural systems to chemical process design can help avoid secondary problems. However, the selection of nature-inspired principles to improve technological or environmental problems is very time-consuming. In addition, it is necessary to match the strongest principles with the problems to be solved. Therefore, the research paper proposes a classification and assignment of nature-inspired inventive principles to eco-parameters, eco-engineering contradictions and eco-innovation domains, taking into account environmental, technological and economic requirements. This classification will help to identify suitable principles quickly and also to realize rapid innovation. In addition, to validate the proposed classification approach, the study is illustrated with the application of nature-inspired invention principles for the development of a sustainable process design for the extraction of high-purity silicon dioxide from pyrophyllite ores. Finally, the paper defines a future research agenda in the field of nature-inspired eco-engineering in the context of AI-assisted invention and innovation.
Der vorliegende Leitfaden entstand im Rahmen der wissenschaftlichen Querspange »LowEx-Bestand Analyse« des thematischen Projektverbunds »LowEx-Konzepte für die Wärmeversorgung von Mehrfamilien-Bestandsgebäuden (LowEx-Bestand)« zusammen. In diesem Verbund arbeiteten die drei Forschungsinstitute Fraunhofer ISE, KIT und Universität Freiburg (INATECH) mit Herstellern von Heizungs- und Lüftungstechnik und mit Unternehmen der Wohnungswirtschaft zusammen. Gemeinsam wurden Lösungen entwickelt, analysiert und demonstriert, die den effizienten Einsatz von Wärmepumpen, Wärmeübergabesystemen und Lüftungssystemen bei der energetischen Modernisierung von Mehrfamiliengebäuden zum Ziel haben.
In der Studie "Technisch-wissenschaftliche Analyse zur Energieeffizienz unterschiedlicher Trinkwasser-Erwärmungssysteme im Vergleich" im Auftrag der Viega GmbH & Co. KG werden verschiedene Trinkwasser-Erwärmungssysteme hinsichtlich ihrer Energieeffizienz in Wärmepumpensystemen vergleichend untersucht. Neben Aufbau und Parametrierung eines Simulationsmodells sowie Integration von Lastreihen nach Norm umfasst die Studie eine detaillierte Abbildung aller untersuchten Systeme. Dabei liegt ein Schwerpunkt auf der Einordnung des Energieeinsparpotenzials durch eine Warmwassertemperaturreduktion mit dem Viega AVS Trinkwasser Management System. Die untersuchten Varianten sind: Referenzsystem 1: Durchflusstrinkwassererwärmer DTE (1 stufig) mit Rücklaufeinschichtung. System 2: Viega DTE (2 stufig). System 3: Viega AVS Trinkwasser Management System mit DTE (2 stufig) und Ultrafiltrationsmodul im Zirkulationsrücklauf UFC. System 4: Wohnungsstation, 4-Leiter-System. System 5: Wohnungsstation, 2-Leiter-System. System 6: Elektrischer Durchlauferhitzer. Die Studie ergab, dass sich bei Einsatz einer Niedertemperatur-Wärmepumpe mit maximaler Vorlauftemperatur von 58 °C das Viega AVS System mit DTE und UFC, dezentrale elektrische Durchlauferhitzer sowie das 4-Leiter-System bei einer Trinkwassertemperatur von 45°C im Vergleich als energetisch am besten erweisen. Bei einer Wärmepumpe mit einer höheren maximalen Vorlauftemperatur von 64 °C kann auch das 4-Leiter-System bei einer Trinkwassertemperatur von 50°C sinnvoll eingesetzt werden. Die Ergebnisse zeigten auch, dass je höher die durch die Wärmepumpe bereitgestellte Temperatur (maximale Vorlauftemperatur), desto besser lassen sich auch die anderen Systeme einsetzen, da sich dadurch der Einsatz des Backup-Systems minimieren lässt. Das Viega Aqua VIP System mit Temperaturabsenkung schneidet im Vergleich sehr gut hinsichtlich des Einsatzes der Endenergie und der zu erreichenden Jahresarbeitszahl ab. Der Einsatz dieses Systems in Kombination mit einer Wärmepumpe bietet Potenzial für den Einsatz erneuerbarer Energien.
LowEx-Konzepte für die Wärmeversorgung von Mehrfamilien-Bestandsgebäuden ("LowEx-Bestand Analyse")
(2023)
Der vorliegende Abschlussbericht fasst die Ergebnisse der wissenschaftlichen Querspange »LowEx-Bestand Analyse« des thematischen Projektverbunds »LowEx-Konzepte für die Wärmeversorgung von Mehrfamilien-Bestandsgebäuden (LowEx-Bestand)« zusammen. In diesem Verbund arbeiteten drei Forschungsinstitute mit Herstellern von Heizungs- und Lüftungstechnik und mit Unternehmen der Wohnungswirtschaft zusammen. Gemeinsam wurden Lösungen entwickelt, analysiert und demonstriert, die den effizienten Einsatz von Wärmepumpen, Wärmeübergabesystemen und Lüftungssystemen bei der energetischen Modernisierung von Mehrfamiliengebäuden zum Ziel haben. LowEx-Systeme arbeiten durch geringe Temperaturdifferenzen zwischen Heizmedium und Nutzwärmebesonders effizient. Wärmepumpen haben dabei erhebliches Potenzial zur Absenkung der spezifischen CO2-Emissionen bei der Wärmebereitstellung. Für die energetische Modernisierung von Mehrfamiliengebäuden ist der Einsatz solcher Systeme mit besonderen Herausforderungen und Anforderungen an die Übergabe der Raumwärme, die Warmwasserbereitung und die Nutzung von Umweltwärme verbunden. Diese Herausforderungen werden in LowEx-Bestand adressiert.
Optimization of energetic refurbishment roadmaps for multi-family buildings utilizing heat pumps
(2023)
A novel methodology for calculating optimized refurbishment roadmaps is developed in this paper. The aim of the roadmaps is to determine when and how should which component of the building envelope and heat generation system be refurbished to achieve the lowest net present value. The integrated optimization approach couples a particle swarm optimization algorithm with a dynamic building simulation of the building envelope and the heat supply system. Due to a free selection of implementation times and refurbishment depth, the optimization method achieves the lowest net present value and high CO2 reduction and is therefore an important contribution to achieve climate neutrality in the building stock.
The method is exemplarily applied to a multi-family house built in 1970. In comparison to a standard refurbishment roadmap, cost savings of 6–16 % and CO2 savings of 6–59 % are possible. The sensitivity of the refurbishment roadmap measures is analyzed on the basis of a parametric analysis. Robust optimization results are obtained with a mean refurbishment level of approx. 50 kWh/m2/a of the building envelope. The preferred heat generation system is a bivalent brine-heat pump system with a share of 70 % of the heat load being covered by the electric heat pump.
Elektrische Wärmepumpen sind eine Schlüsseltechnologie für klimafreundliche Gebäude. In Mehrfamilienhäusern ist ihr Einsatz noch eine Herausforderung und entsprechend wenig verbreitet. Im Rahmen des Verbundprojekts "HEAVEN" haben Forschende nun ein Mehrquellen-Wärmepumpensystem entwickelt, das an die Anforderungen größerer Wohngebäude angepasst ist. Getestet wurde es im Rahmen des Verbundprojekts "Smartes Quartier Durlach" in einem Karlsruher Gebäude. Daten zum ersten Betriebsjahr liegen nun vor.
Diese Metadaten wurden zur Verfügung gestellt von der Literaturdatenbank RSWB®plus
Am 1. Juli 2022 trafen sich im Rahmen des Abschlusskolloquiums des Projekts ACA-Modes rund 60 Teilnehmende aus Forschung, Lehre und Industrie zu einer internationalen Konferenz an der Hochschule Offenburg. Hier wurden die Projektergebnisse rund um die erfolgreiche Implementierung modellprädiktiver Regelstrategien vorgestellt, aktuelle Fragestellungen diskutiert und Entwicklungspfade hin zu einem netzdienlichen Betrieb von Energieverbundsystemen skizziert.
Heat pumps play a central role in decarbonizing the heat supply of buildings. However, in this article, implementing heat pumps in existing buildings, a significant challenge is still presented due to high temperature requirements. In this article, a systematic analysis of the effects of heat source temperatures, maximum heat pump condenser temperatures, and system temperatures on the seasonal performance of heat pump (HP) systems is presented. The quantitative performance analysis encompasses over 50 heat pumps installed in residential buildings, revealing correlations between the building characteristics, observed temperatures, and heat pump type. The performance of an HP system retrofitted to a 30-dwelling multifamily building is presented in more detail. The bivalent HP system combines air and ground as heat sources and achieves a seasonal performance factor of 3.25 with a share of the gas boiler of 27% in its first year of operation. In these findings, the technical feasibility of retrofitting heat pumps is demonstrated in existing buildings and insights are provided into overcoming the challenges associated with high temperature requirements.
Wärmepumpen sind eine Schlüsseltechnologie der Wärmewende. Durch die Nutzbarmachung von Umweltwärme und den Antrieb mit Elektrizität, die zunehmend aus erneuerbaren Energien gewonnen wird, kann die CO2-Intensität der Wärmeversorgung gesenkt werden. Eine Herausforderung besteht in der Anwendung in größeren Mehrfamilienbestandsgebäuden. Lösungsansätze und beispielhafte Umsetzungen werden hierzu vorgestellt.
Lithium-ion batteries exhibit slow voltage dynamics on the minute time scale that are usually associated with transport processes. We present a novel modelling approach toward these dynamics by combining physical and data-driven models into a Grey-box model. We use neural networks, in particular neural ordinary differential equations. The physical structure of the Grey-box model is borrowed from the Fickian diffusion law, where the transport domain is discretized using finite volumes. Within this physical structure, unknown parameters (diffusion coefficient, diffusion length, discretization) and dependencies (state of charge, lithium concentration) are replaced by neural networks and learnable parameters. We perform model-to-model comparisons, using as training data (a) a Fickian diffusion process, (b) a Warburg element, and (c) a resistor-capacitor circuit. Voltage dynamics during constant-current operation and pulse tests as well as electrochemical impedance spectra are simulated. The slow dynamics of all three physical models in the order of ten to 30 min are well captured by the Grey-box model, demonstrating the flexibility of the present approach.
Die Arbeit beinhaltet die Konzeption und den Aufbau eines Prüfstandes für den Elektromotor sowie den Antriebsstrang des Hocheffizienzfahrzeugs "Schluckspecht S6" der Hochschule Offenburg. Neben Beschreiben des Vorgehens bei dem Entwerfen von benötigten CAD-Modellen wird auch auf die Auswahl und Implementierung elektronischer Komponenten sowie die Programmierung des verwendeten Mikrocontrollers eingegangen. Die Ergebnisse eines ersten Tests des Prüfstandes werden außerdem aufgezeigt und diskutiert.
The aim of this bachelor thesis is to introduce a product data management (PDM) system to reduce the current difficulties in the project team workflow. The main objective is to reduce or prevent problems in the project team's collaboration processes by establishing a centralized, structured data repository.
The process to achieve this goal was to first talk to the project team and monitor professors to find the most effective strategies. Early research on PDM/PLM (Product Lifecycle Management) was conducted through literature reviews, online searches, thesis reviews, and video resources.
In order to gain a comprehensive understanding of PDM systems, the thesis used a combination of group discussions and literature reviews. The emphasis was on the practical application, which included the customization of configurations.
This article presents the development, parameterization, and experimental validation of a pseudo-three-dimensional (P3D) multiphysics aging model of a 500 mAh high-energy lithium-ion pouch cell with graphite negative electrode and lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC) positive electrode. This model includes electrochemical reactions for solid electrolyte interphase (SEI) formation at the graphite negative electrode, lithium plating, and SEI formation on plated lithium. The thermodynamics of the aging reactions are modeled depending on temperature and ion concentration and the reactions kinetics are described with an Arrhenius-type rate law. Good agreement of model predictions with galvanostatic charge/discharge measurements and electrochemical impedance spectroscopy is observed over a wide range of operating conditions. The model allows to quantify capacity loss due to cycling near beginning-of-life as function of operating conditions and the visualization of aging colormaps as function of both temperature and C-rate (0.05 to 2 C charge and discharge, −20 °C to 60 °C). The model predictions are also qualitatively verified through voltage relaxation, cell expansion and cell cycling measurements. Based on this full model, six different aging indicators for determination of the limits of fast charging are derived from post-processing simulations of a reduced, pseudo-two-dimensional isothermal model without aging mechanisms. The most successful aging indicator, compared to results from the full model, is based on combined lithium plating and SEI kinetics calculated from battery states available in the reduced model. This methodology is applicable to standard pseudo-two-dimensional models available today both commercially and as open source.
Im Automobilbau bietet der Einsatz der Multimaterialbauweise ein signifikantes Potenzial zur Gewichtsreduktion. Zugleich erfordert diese Bauweise eine große Anzahl von Fügeverfahren für die Verbindung der unterschiedlichen Werkstoffe und Werkstoffklassen. Dabei muss eine Vielzahl an konstruktiven und materialseitigen Anforderungen berücksichtigt werden. Um in diesem Auswahlprozess den Aspekt des Leichtbaus beim Fügeverfahren selbst systematisch zu integrieren, wurde eine Methodik entwickelt, welche die Fügeverfahren im Hinblick auf ihr jeweiliges Leichtbaupotenzial bewertet.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur biologischen Methanisierung von CO und/oder CO2 mittels methanogener Mikroorganismen durch Umsetzung von H2 und CO und/oder CO2, die eine Begasungskolonne und eine Entgasungskolonne, jeweils mit einer Bodenseite und einer der Bodenseite gegenüberliegenden oberen Seite, ein in der Begasungskolonne und der Entgasungskolonne bereitgestelltes Medium mit methanogenen Mikroorganismen, eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines H2 enthaltenden Gases in das Medium der Begasungskolonne, eine Abführeinrichtung zum Abführen eines CH4 enthaltenden Gases aus der Entgasungskolonne, eine Verbindungsleitung zwischen Begasungskolonne und Entgasungskolonne im Bereich der Bodenseiten, eine Pumpe zum Überführen von Medium über die Verbindungsleitung von der Begasungskolonne in die Entgasungskolonne, und eine Rückführleitung zwischen der Begasungskolonne und der Entgasungskolonne im Bereich der oberen Seiten zum Rückführen von Medium aus der Entgasungskolonne in die Begasungskolonne aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur biologischen Methanisierung von CO und/oder CO2 in einer Vorrichtung mittels methanogener Mikroorganismen als Teil eines in der Vorrichtung bereitgestellten Mediums, wobei das Medium in einem Kreislauf über eine Begasungskolonne und eine Entgasungskolonne geführt wird, wobei die Kolonnen jeweils über eine Verbindungsleitung im Bereich ihrer Bodenseiten und über eine Rückführleitung im Bereich der den Bodenseiten gegenüberliegenden oberen Seiten miteinander verbunden sind, worin das Medium sich in der Begasungskolonne absteigend und in der Entgasungskolonne aufsteigend bewegt, worin dem Medium in der Begasungskolonne ein H2 enthaltendes Gas zugeführt wird.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur biologischen Methanisierung von CO und/oder CO2mittels methanogener Mikroorganismen durch Umsetzung von H2und CO und/oder CO2, die eine Begasungskolonne und eine Entgasungskolonne, jeweils mit einer Bodenseite und einer der Bodenseite gegenüberliegenden oberen Seite, ein in der Begasungskolonne und der Entgasungskolonne bereitgestelltes Medium mit methanogenen Mikroorganismen, eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines H2enthaltenden Gases in das Medium der Begasungskolonne, eine Abführeinrichtung zum Abführen eines CH4enthaltenden Gases aus der Entgasungskolonne, eine Verbindungsleitung zwischen Begasungskolonne und Entgasungskolonne im Bereich der Bodenseiten, eine Pumpe zum Überführen von Medium über die Verbindungsleitung von der Begasungskolonne in die Entgasungskolonne, und eine Rückführleitung zwischen der Begasungskolonne und der Entgasungskolonne im Bereich der oberen Seiten zum Rückführen von Medium aus der Entgasungskolonne in die Begasungskolonne aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur biologischen Methanisierung von CO und/oder CO2in einer Vorrichtung mittels methanogener Mikroorganismen als Teil eines in der Vorrichtung bereitgestellten Mediums, wobei das Medium in einem Kreislauf über eine Begasungskolonne und eine Entgasungskolonne geführt wird, wobei die Kolonnen jeweils über eine Verbindungsleitung im Bereich ihrer Bodenseiten und über eine Rückführleitung im Bereich der den Bodenseiten gegenüberliegenden oberen Seiten miteinander verbunden sind, worin das Medium sich in der Begasungskolonne absteigend und in der Entgasungskolonne aufsteigend bewegt, worin dem Medium in der Begasungskolonne ein H2enthaltendes Gas zugeführt wird.
Encapsulant-free N.I.C.E. modules have strong ecological advantages compared to conventional laminated modules but suffer generally from lower electrical performance. Via long-term outdoor monitoring of fullsize industrial modules of both types with identical solar cells, we investigated if the performance difference remains constant over time and which parameters influence its value. After assessing about a full year’s data, two obvious levers for N.I.C.E. optimization are identified: The usage of textured glass and transparent adhesives on the module rear side. Also, the performance loss could be alleviated using tracking systems due to lower AOI values. Our measurements show additionally that N.I.C.E. module surfaces are in average about 2.5°C cooler compared to laminated modules. With these findings, we lay out a roadmap to reduce today’s LIV gap of about 5%rel by different optimizations.
Phytases are widely used food and feed enzymes to improve phosphate availability and reduce anti-nutritional factors. Despite the benefits, enzyme usage is restricted by the harsh conditions in a gastrointestinal tract (pH 2–6) and feed pelleting conditions at high temperatures (60–90 °C). The commercially available phytase Quantum® Blue has been immobilized as CLEAs using glutardialdehyde and soy protein resulting in a residual activity of 33%. The influence of the precipitating agent, precipitant concentration, cross-linker concentration and cross-linking time, sodium borohydride as well as the proteic feeders gluten, soy protein and bovine serum albumin (BSA) has been optimized. The best conditions were 90% (v/v) ethyl lactate as precipitating reagent, 100 mM glutardialdehyde and a soy protein concentration of 227 mg/L with a cross-linking time of 1 h. The intrinsically stable phytase remained its high thermal stability and temperature optimum. The phytase-CLEA achieved a 425% increase of residual activity under harsh acidic conditions between pH 2.2 and 3.5 compared to the free enzyme. The free and immobilized phytase were deployed in an in vitro assay simulating the acidic conditions in the gizzard of poultry at pH 2. The hydrolysis of phytate was monitored using a novel high-performance thin-layer chromatography (HPTLC) analysis and DAD scanner to study the InsPx fingerprint. All lower inositol phosphate pools (InsP1–InsP6) and free phosphate were separated and analyzed. The phytase-CLEA efficiently released 80% of the total phosphate within 180 min, whereas the free enzyme only released 6% in the same time under the same conditions.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur biologischen Methanisierung von CO und/oder CO2 mittels methanogener Mikroorganismen durch Umsetzung von H2 und CO und/oder CO2, die eine Begasungskolonne und eine Entgasungskolonne, jeweils mit
einer Bodenseite und einer der Bodenseite gegenüberliegenden oberen Seite, ein in der Begasungskolonne und der Entgasungskolonne bereitgestelltes Medium mit methanogenen Mikroorganismen, eine Zuführeinrichtung zum Zuführen eines H2 enthaltenden Gases in das Medium der Begasungskolonne, wobei die Zuführeinrichtung im Bereich der Bodenseite der Begasungskolonne angeordnet ist, eine Abführeinrichtung zum Abführen eines CH4 enthaltenden Gases aus der Entgasungskolonne, eine Verbindungsleitung zwischen Begasungskolonne und Entgasungskolonne im Bereich der Bodenseiten, eine Pumpe zum Überführen von Medium über die Verbindungsleitung von der Begasungskolonne in die Entgasungskolonne, und eine Rückführleitung zwischen der Begasungskolonne und der Entgasungskolonne im Bereich der oberen Seiten zum Rückführen von Medium
aus der Entgasungskolonne in die Begasungskolonne aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur biologischen Methanisierung von CO und/oder CO2 in einer Vorrichtung mittels methanogener Mikroorganismen als Teil eines in der Vorrichtung bereitgestellten Mediums, wobei das Medium in einem Kreislauf über eine Begasungskolonne und eine Entgasungskolonne geführt wird, wobei die Kolonnen jeweils über eine Verbindungsleitung im Bereich ihrer Bodenseiten und über eine Rückführleitung im Bereich der den Bodenseiten gegenüberliegenden oberen Seiten miteinander verbunden sind, worin das Medium sich in der Begasungskolonne absteigend und in der Entgasungskolonne aufsteigend bewegt, worin dem Medium im Bereich der Bodenseite der Begasungskolonne ein H2 enthaltendes Gas zugeführt wird.
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung eines smarten Energiekonzepts für ein Bestandsquartier in Karlsruhe
(2023)
Die Transformation der Energieversorgung in Bestandsgebäuden ist für die Erreichung der Klimaziele im Gebäudesektor entscheidend. In einem modellhaften Quartiersprojekt in Karlsruhe-Durlach wird ein ‚smartes Energiekonzept‘, bestehend aus Wärmepumpen, Blockheizkraftwerk und PV-Anlagen mit lokalem Strom- und Wärmenetz umgesetzt und messtechnisch begleitet. Ziel ist dabei eine CO2-effiziente und wirtschaftliche Bereitstellung von Wärme und Strom.
In dem Artikel wird eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für das Wärme- und Stromcontracting auf Basis der realen Investitionskosten sowie der gemessenen und berechneten Energieflüsse durchgeführt. Die Wärmegestehungskosten hängen neben den Investitionskosten von den energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen ab. Mit ansteigender CO2-Steuer werden mittelfristig Wärmegestehungskosten erreicht, die unter denen konventioneller Energiesysteme liegen. Dadurch bietet das integrierte Energiekonzept ein breites Anwendungspotenzial für städtische Bestandsquartiere außerhalb von Fernwärme-Gebieten.
Um den Prozess der Direktreduktion von Eisenerz computergestützt zu simulieren, werden mathematische Modelle, zur Beschreibung von Gas-Feststoff-Reaktionen, in Python implementiert. In der vorliegenden Arbeit wird ein einzelnes Pellet aus Eisenerz, welches sich in einem Gasstrom aus reinem Wasserstoff befindet, betrachtet. Es werden mehrere Modellansätze aus der Literatur miteinander verglichen und davon geeignete zur recheneffizienten Implementierung ausgewählt. Die entwickelte Simulationssoftware besitzt eine grafische Oberfläche und bietet die Auswahl aus drei Modellen mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad. Diese sind vollständig parametriert und die meisten Parameter werden temperaturabhängig bestimmt oder sind frei wählbar. Die Durchführung von Parameterstudien ist über die lineare Variierung eines beliebigen Parameters möglich. Die Ergebnisse der Simulation können dann in Abhängigkeit der Zeit dargestellt oder im CSV-Format exportiert werden. Die Rechenmodelle sind in einem separaten Python-Modul zusammengefasst und können einfach in eine übergeordnete Modellierung eingebaut werden. Zur Validierung erfolgt ein Abgleich mit experimentellen Literaturdaten. Abschließend werden die Stärken und Schwächen der implementierten Modelle gegenübergestellt und bewertet.
Rückenschmerzen sind ein weit verbreitetes Problem in der deutschen Gesellschaft. In der Mehrzahl der Fälle von Schmerzen im unteren Rücken ist es schwierig, eine spezifische nozizeptive Ursache zu finden. Aus vorherigen Studien ist bekannt, dass manuelles Heben eine Belastung für die Wirbelsäule darstellen kann. Die Geschwindigkeit der Hebebewegung spielt eine Rolle, ebenso wie Gewicht und Stabilität der Gelenke und Gliedmaßen.
Ziel dieser Arbeit ist die Analyse der Veränderungen in der Kinematik der Lendenwirbelsäule, der Hüfte und des Knies beim Heben von Lasten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Gewichten. Für diese Arbeit wurden die kinematischen Daten von insgesamt 79 Personen ausgewertet. Die Stichprobe bestand aus 20 asymptomatischen Frauen, 22 asymptomatischen Männern, 19 Frauen mit chronischen Rückenschmerzen und 18 Männern mit chronischen Rückenschmerzen. Die Daten wurden mit einem 3D-Bewegungsanalysesystem in Verbindung mit einem Set passiver Marker aufgenommen.
Es wurde kein signifikanter Effekt auf die mittleren maximalen Gelenkwinkel durch den Vergleich der geschlechtlich gemischten Gruppe mit Rückenschmerzen mit asymptomatischen Personen festgestellt, im Vergleich des Verhältnisses zwischen lumbaler Bewegung zu Beckenbewegungen (L/P-ratio) konnten signifikante Unterschiede ermittelt werden. Der Vergleich der Geschlechter zeigte signifikante Unterschiede für den lumbopelvinen Rhythmus. Für die Parameter Gewicht und Geschwindigkeit wurde kein signifikanter Effekt erfasst.
Predictive control has great potential in the home energy management domain. However, such controls need reliable predictions of the system dynamics as well as energy consumption and generation, and the actual implementation in the real system is associated with many challenges. This paper presents the implementation of predictive controls for a heat pump with thermal storage in a real single-family house with a photovoltaic rooftop system. The predictive controls make use of a novel cloud camera-based short-term solar energy prediction and an intraday prediction system that includes additional data sources. In addition, machine learning methods were used to model the dynamics of the heating system and predict loads using extensive measured data. The results of the real and simulated operation will be presented.
In this paper, we propose an approach for gait phase detection for flat and inclined surfaces that can be used for an ankle-foot orthosis and the humanoid robot Sweaty. To cover different use cases, we use a rule-based algorithm. This offers the required flexibility and real-time capability. The inputs of the algorithm are inertial measurement unit and ankle joint angle signals. We show that the gait phases with the orthosis worn by a human participant and with Sweaty are reliably recognized by the algorithm under the condition of adapted transition conditions. E.g., the specificity for human gait on flat surfaces is 92 %. For the robot Sweaty, 95 % results in fully recognized gait cycles. Furthermore, the algorithm also allows the determination of the inclination angle of the ramp. The sensors of the orthosis provide 6.9 and that of the robot Sweaty 7.7 when walking onto the reference ramp with slope angle 7.9.
Purpose
To (1) identify neuromuscular and biomechanical injury risk factors in elite youth soccer players and (2) assess the predictive ability of a machine learning approach.
Material and Methods
Fifty-six elite male youth soccer players (age: 17.2 ± 1.1 years; height: 179 ± 8 cm; mass: 70.4 ± 9.2 kg) performed a 3D motion analysis, postural control testing, and strength testing. Non-contact lower extremities injuries were documented throughout 10 months. A least absolute shrinkage and selection operator (LASSO) regression model was used to identify the most important injury predictors. Predictive performance of the LASSO model was determined in a leave-one-out (LOO) prediction competition.
Results
Twenty-three non-contact injuries were registered. The LASSO model identified concentric knee extensor peak torque, hip transversal plane moment in the single-leg drop landing task and center of pressure sway in the single-leg stance test as the three most important predictors for injury in that order. The LASSO model was able to predict injury outcomes with a likelihood of 58% and an area under the ROC curve of 0.63 (sensitivity = 35%; specificity = 79%).
Conclusion
The three most important variables for predicting the injury outcome suggest the importance of neuromuscular and biomechanical performance measures in elite youth soccer. These preliminary results may have practical implications for future directions in injury risk screening and planning, as well as for the development of customized training programs to counteract intrinsic injury risk factors. However, the poor predictive performance of the final model confirms the challenge of predicting sports injuries, and the model must therefore be evaluated in larger samples.
Bewegungsanalysesysteme in der Forschung und für niedergelassene Orthopädinnen und Orthopäden
(2023)
Hintergrund
Komplexe biomechanische Bewegungsanalysen können für eine Vielzahl orthopädischer Fragestellungen wichtige Informationen liefern. Bei der Beschaffung von Bewegungsanalysesystemen sind neben den klassischen Messgütekriterien (Validität, Reliabilität, Objektivität) auch räumliche und zeitliche Rahmenbedingungen sowie Anforderungen an die Qualifikation des Messpersonals zu berücksichtigen.
Anwendung
In der komplexen Bewegungsanalyse werden Systeme zur Bestimmung der Kinematik, der Kinetik und der Muskelaktivität (Elektromyographie) eingesetzt. Der vorliegende Artikel gibt einen Überblick über Methoden der komplexen biomechanischen Bewegungsanalyse für den Einsatz in der orthopädischen Forschung oder in der individuellen Patientenversorgung. Neben dem Einsatz zur reinen Bewegungsanalyse wird auch der Einsatz von Bewegungsanalyseverfahren im Bereich des Biofeedbacktrainings diskutiert.
Beschaffung
Für die konkrete Anschaffung von Bewegungsanalysesystemen empfiehlt sich die Kontaktaufnahme mit Fachgesellschaften (z. B. Deutsche Gesellschaft für Biomechanik), Hochschulen und Universitäten mit vorhandenen Bewegungsanalyseeinrichtungen oder Vertriebsfirmen im Bereich der Biomechanik.
Background
Internal tibial loading is influenced by modifiable factors with implications for the risk of stress injury. Runners encounter varied surface steepness (gradients) when running outdoors and may adapt their speed according to the gradient. This study aimed to quantify tibial bending moments and stress at the anterior and posterior peripheries when running at different speeds on surfaces of different gradients.
Methods
Twenty recreational runners ran on a treadmill at 3 different speeds (2.5 m/s, 3.0 m/s, and 3.5 m/s) and gradients (level: 0%; uphill: +5%, +10%, and +15%; downhill: –5%, –10%, and –15%). Force and marker data were collected synchronously throughout. Bending moments were estimated at the distal third centroid of the tibia about the medial–lateral axis by ensuring static equilibrium at each 1% of stance. Stress was derived from bending moments at the anterior and posterior peripheries by modeling the tibia as a hollow ellipse. Two-way repeated-measures analysis of variance were conducted using both functional and discrete statistical analyses.
Results
There were significant main effects for running speed and gradient on peak bending moments and peak anterior and posterior stress. Higher running speeds resulted in greater tibial loading. Running uphill at +10% and +15% resulted in greater tibial loading than level running. Running downhill at –10% and –15% resulted in reduced tibial loading compared to level running. There was no difference between +5% or –5% and level running.
Conclusion
Running at faster speeds and uphill on gradients ≥+10% increased internal tibial loading, whereas slower running and downhill running on gradients ≥–10% reduced internal loading. Adapting running speed according to the gradient could be a protective mechanism, providing runners with a strategy to minimize the risk of tibial stress injuries.
Selbsttests in Lernmanagementsystemen (LMS) ermöglichen es Studierenden, den eigenen Lernfortschritt einzuschätzen. Im Gegensatz zur Einreichung und Korrektur vollständig ausformulierter Aufgabenlösungen nutzen LMS überwiegend die Eingabe der Lösung im Antwort-Auswahl-Verfahren (Single-Choice). Nach didaktischen Ansatz „Physik durch Informatik“ geben die Lernenden stattdessen ihre Aufgabenlösungen in einer Programmiersprache ins LMS ein, was eine automatisierte Rückmeldung erleichtert und das Erreichen einer höheren Kompetenzstufe fördert. Es wurden zehn LMS-Selbsttests erstellt, bei denen die Lösungen zu einer Lehrbuch-Aufgabenstellung jeweils durch Eingabe in einer Programmiersprache und von einer Kontrollgruppe im Antwort-Auswahl-Verfahren abgefragt wurden. Ergebnisse aus dem ersten Einsatz dieser Selbsttests für die Lehrveranstaltung Physik im Studiengang Biotechnologie werden vorgestellt.
Der prozentuale Energieaufwand für die Warmwasserbereitung ist umso höher, je geringer der Bedarf an Raumwärme – erreicht durch besser gedämmte Gebäudehüllen – ist. Gleichzeitig kann dieser Aufwand für Warmwasser aufgrund der normativ geforderten Systemtemperaturen von 60/55 °C bei zentraler Warmwasserbereitung über Wärmepumpen nur vergleichsweise energieaufwendig abgedeckt werden. Eine Studie des Fraunhofer ISE zeigt, wie groß dieser Temperatur-Effekt im Vergleich unterschiedlicher Trinkwasser-Erwärmungssysteme ist.
Photovoltaic thermal (PVT) technology has been drawing attention recently. Electrification of the heating sector with heat pumps run by carbon-free electricity sources like photovoltaics is setting the ground for the interest. This article gives insight into PVT technologies and collector designs according to application and operating temperatures. For most conventional designs, examples like prototypes from Research & Development projects are presented. In addition, commercial products are listed along these categories, and the influence on the gross thermal and electrical yield is depicted based on Solar Keymark certification data. The process of certification is presented in a comprehensive way, showing current limitations, giving an outlook on the most recent approach for enhanced procedures and specifications. Finally, different system layouts are presented, and examples from installations combined with a heat pump are given with their specific performances. Real performance data of several PVT installations are compared to conventional heat pump systems. The identified seasonal performance factors are in a range from 3.4 to 4.2 and in between air source and ground source heat pumps. Continuous monitoring and derived data are enablers to discover the decisive influence of the system layout and dimensioning on performance indicators like, for example, operating temperatures over the year.
Purpose
To summarize the mechanical loading of the spine in different activities of daily living and sports.
Methods
Since the direct measurement is not feasible in sports activities, a mathematical model was applied to quantify spinal loading of more than 600 physical tasks in more than 200 athletes from several sports disciplines. The outcome is compression and torque (normalized to body weight/mass) at L4/L5.
Results
The data demonstrate high compressive forces on the lumbar spine in sport-related activities, which are much higher than forces reported in normal daily activities and work tasks. Especially ballistic jumping and landing skills yield high estimated compression at L4/L5 of more than ten times body weight. Jumping, landing, heavy lifting and weight training in sports demonstrate compression forces significantly higher than guideline recommendations for working tasks.
Conclusion
These results may help to identify acute and long-term risks of low back pain and, thus, may guide the development of preventive interventions for low back pain or injury in athletes.
Footwear plays a critical role in our daily lives, affecting our performance, health and overall well-being. Well-designed footwear can provide protection, comfort and improved foot functionality, while poorly designed footwear can lead to mobility problems and declines in physical activity. The overall goal of footwear research is to provide a scientific basis for professionals in the field to provide an optimal footwear solution for a given person, for a given task, in a given environment, while using sustainable manufacturing processes. This article suggests potential directions for future research with a focus on athletic footwear biomechanics. Directions include the evidence-based individualisation of footwear, the interaction between design and prolonged use, and improving the sustainability of footwear. The authors also provide a speculative outlook on methodological developments that may provide greater insight into these areas. These developments may include: (1) the use of larger scale, real-world and representative data, (2) the use of 3D printing to create experimental footwear, (3) the advancement of in silico research methods, and (4) furthering multidisciplinary collaboration. If successfully applied in the future, footwear research will contribute to active and healthy lifestyles across the lifespan.
Appraising the Methodological Quality of Sports Injury Video Analysis Studies: The QA-SIVAS Scale
(2023)
Background
Video analysis (VA) is commonly used in the assessment of sports injuries and has received considerable research interest. Until now, no tool has been available for the assessment of study quality. Therefore, the objective of this study was to develop and evaluate a valid instrument that reliably assesses the methodological quality of VA studies.
Methods
The Quality Appraisal for Sports Injury Video Analysis Studies (QA-SIVAS) scale was developed using a modified Delphi approach including expert consensus and pilot testing. Reliability was examined through intraclass correlation coefficient (ICC3,1) and free-marginal kappa statistics by three independent raters. Construct validity was investigated by comparing QA-SIVAS with expert ratings by using Kendall’s tau analysis. Rating time was studied by applying the scale to 21 studies and computing the mean time for rating per study article.
Results
The QA-SIVAS scale consists of an 18-item checklist addressing the study design, data source, conduct, report, and discussion of VA studies in sports injury research. Inter- and intra-rater reliability were excellent with ICCs > 0.97. Expert ratings revealed a high construct validity (0.71; p < 0.001). Mean rating time was 10 ± 2 min per article.
Conclusion
QA-SIVAS is a reliable and valid instrument that can be easily applied to sports injury research. Future studies in the field of VA should adhere to standardized methodological criteria and strict quality guidelines.
Injury prevention is essential in running due to the risk of overuse injury development. Tailoring running shoes to individual needs may be a promising strategy to reduce this risk. Novel manufacturing processes allow the production of individualised running shoes that incorporate features that meet individual biomechanical and experiential needs. However, specific ways to individualise footwear to reduce injury risk are poorly understood. Therefore, this scoping review provides an overview of (1) footwear design features that have the potential for individualisation; and (2) the literature on the differential responses to footwear design features between selected groups of individuals. These purposes focus exclusively on reducing the risk of overuse injuries. We included studies in the English language on adults that analysed: (1) potential interaction effects between footwear design features and subgroups of runners or covariates (e.g., age, sex) for running-related biomechanical risk factors or injury incidences; (2) footwear comfort perception for a systematically modified footwear design feature. Most of the included articles (n = 107) analysed male runners. Female runners may be more susceptible to footwear-induced changes and overuse injury development; future research should target more heterogonous sampling. Several footwear design features (e.g., midsole characteristics, upper, outsole profile) show potential for individualisation. However, the literature addressing individualised footwear solutions and the potential to reduce biomechanical risk factors is limited. Future studies should leverage more extensive data collections considering relevant covariates and subgroups while systematically modifying isolated footwear design features to inform footwear individualisation.
In this paper we report on further success of our work to develop a multi-method energy optimization which works with a digital twin concept. The twin concept serves to replicate production processes of different kinds of production companies, including complex energy systems and test market interactions to then use them for model predictive optimizing. The presented work finally reports about the performed flexibility assessment leading to a flexibility audit with a list of measures and the impact of energy optimizations made related to interactions with the local power grid i.e., the exchange node of the low voltage distribution grid. The analysis and continuous exploration of flexibilities as well as the exchange with energy markets require a “guide” leading to continuous optimization with a further tool like the Flexibility Survey and Control Panel helping decision-making processes on the day-ahead horizon for real production plants or the investment planning to improve machinery, staff schedules and production
infrastructure.
Maintaining stability while walking on arbitrary surfaces or dealing with external perturbations is of great interest in humanoid robotics research. Increasing the system’s autonomous robustness to a variety of postural threats during locomotion is the key despite the need to evaluate noisy sensor signals. The equations of motion are the foundation of all published approaches. In contrast, we propose a more adequate evaluation of the equations of motion with respect to an arbitrary moving reference point in a non-inertial reference frame. Conceptual advantages are, e.g., getting independent of global position and velocity vectors estimated by sensor fusions or calculating the imaginary zero-moment point walking on different inclined ground surfaces. Further, we improve the calculation results by reducing noise-amplifying methods in our algorithm and using specific characteristics of physical robots. We use simulation results to compare our algorithm with established approaches and test it with experimental robot data.
In 4D printing, an additively manufactured component is given the ability to change its shape or function in an intended and useful manner over time. The technology of 4D printing is still in an early stage of development. Nevertheless, interesting research and initial applications exist in the literature. In this work, a novel methodical approach is presented that helps transfer existing 4D printing research results and knowledge into solving application tasks systematically. Moreover, two different smart materials are analyzed, used, and combined following the presented methodical approach to solving the given task in the form of recovering an object from a poorly accessible space. This is implemented by self-positioning, grabbing, and extracting the target object. The first smart material used to realize these tasks is a shape-memory polymer, while the second is a polymer-based magnetic composite. In addition to the presentation and detailed implementation of the methodical approach, the potentials and behavior of the two smart materials are further examined and narrowed down as a result of the investigation. The results show that the developed methodical approach contributes to moving 4D printing closer toward a viable alternative to existing technologies due to its problem-oriented nature.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Beantwortung der Frage, wie sich eine individuelle Fußbettung auf die Druckverteilung im Fuß und das körperliche Wohlbefinden im Allgemeinen auswirkt. Zu Anfang stehen die Nullhypothesen, dass durch eine solche Einlage keine Veränderungen in der Druckverteilung zu erwarten sind.
Um die Forschungsfrage zu beantworten, wurde eine experimentelle interventionelle Pilotstudie mit einer Kohorte von neun Probanden ohne orthopädische Probleme durchgeführt, die alle eine individuelle Schuheinlage erhielten. Die plantare Druckverteilung im Schuh wurde einmal ohne und einmal mit der Einlage sowohl statisch als auch dynamisch erfasst. Die Ergebnisse wurden anschließend verglichen. Die dynamische Datenerfassung beinhaltete die folgenden Konditionen: geradeaus Gehen, Gehen im Kreis (links- und rechtsherum), Stehen und der Transfer einer Kiste mit sich drehendem Oberkörper. Gleichzeitig wurde das Wohlbefinden der Probanden mit verschiedenen Fragebögen erfasst.
Die Anwendung einer individuellen Einlage zeigte im Bereich des medialen Mittelfußes einen Druckanstieg von über 100%, der Rückfuß wurde während des Stehens und Gehens entlastet. Der Vorfuß wurde während des Stehens teilweise mehr belastet. Diese Veränderungen können unter Umständen auf das Einführen der Längsgewölbestütze in der Einlage zurückgeführt werden. Die Auswertung der Fragebögen zu dieser Studie ergab, dass sich speziell für die Füße das Wohlbefinden leicht zum Schlechteren änderte, andere Bereiche, welche in den Fragebögen eruiert wurden, zeigten keine nennenswerten Veränderungen auf.
Daraus wird geschlossen, dass eine Schuheinlage die Druckverteilung in der Fußsohle stark verändern kann. Weiterführende Studien könnten den Einfluss der Einlage im Allgemeinen und der Wirkungsweise einer Längsgewölbestütze im Besonderen mit kinematischen Daten weiter belegen. Längerfristige Studien könnten die Langzeitwirkung von Einlagen auf das Wohlbefinden genauer erforschen.
In recent years, the demand for reliable power, driven by sensitive electronic equipment, has surged. Even minor deviations from the nominal supply can lead to malfunctions or failure. Despite technological advancements, power quality issues persist due to various factors like short circuits, overloads, voltage fluctuations, unbalanced loads, and non-linear loads.
This thesis extensively explores power quality anomalies in industrial and commercial sectors, using power system data as the primary analytical resource. It addresses the critical need for power supply reliability in today's evolving power grid industry, affected by non-linear loads, renewable energy integration, and electric vehicles. This field of study is paramount for ensuring power supply reliability and stability in the evolving power grid industry.
The core of this thesis involves a comprehensive investigation of power quality, with a focus on frequency, power, and harmonics in voltage and current signals. The research employs Python programming for advanced data analysis, utilizing techniques such as advanced Fast Fourier Transformation (FFT) analysis. The primary objective is to provide valuable insights aimed at elevating power supply quality and enhancing reliability in both industrial and commercial environments.
Immunosorbent turnip vein clearing virus (TVCV) particles displaying the IgG-binding domains D and E of Staphylococcus aureus protein A (PA) on every coat protein (CP) subunit (TVCVPA) were purified from plants via optimized and new protocols. The latter used polyethylene glycol (PEG) raw precipitates, from which virions were selectively re-solubilized in reverse PEG concentration gradients. This procedure improved the integrity of both TVCVPA and the wild-type subgroup 3 tobamovirus. TVCVPA could be loaded with more than 500 IgGs per virion, which mediated the immunocapture of fluorescent dyes, GFP, and active enzymes. Bi-enzyme ensembles of cooperating glucose oxidase and horseradish peroxidase were tethered together on the TVCVPA carriers via a single antibody type, with one enzyme conjugated chemically to its Fc region, and the other one bound as a target, yielding synthetic multi-enzyme complexes. In microtiter plates, the TVCVPA-displayed sugar-sensing system possessed a considerably increased reusability upon repeated testing, compared to the IgG-bound enzyme pair in the absence of the virus. A high coverage of the viral adapters was also achieved on Ta2O5 sensor chip surfaces coated with a polyelectrolyte interlayer, as a prerequisite for durable TVCVPA-assisted electrochemical biosensing via modularly IgG-assembled sensor enzymes.
Turbocharger housings in internal combustion engines are subjected to severe mechanical and thermal cyclic loads throughout their life-time or during engine testing. The combination of thermal transients and mechanical load cycling results in a complex evolution of damage, leading to thermo-mechanical fatigue (TMF) of the material. For the computational TMF life assessment of high temperature components, the DTMF model can provide reliable TMF life predictions. The model is based on a short fatigue crack growth law and uses local finite-element (FE) results to predict the number of cycles to failure for a technical crack. In engine applications, it is nowadays often acceptable to have short cracks as long as they do not propagate and cause loss of function of the component. Thus, it is necessary to predict not only potential crack locations and the corresponding number of cycles for a technical crack, but also to determine subsequent crack growth or even a possible crack arrest. In this work, a method is proposed that allows the simulation of TMF crack growth in high temperature components using FE simulations and non-linear fracture mechanics (NLFM).
A NLFM based crack growth simulation method is described. This method starts with the FE analysis of a component. In this paper, the method is demonstrated for an automotive turbocharger housing subjected to TMF loading. A transient elastic-viscoplastic FE analysis is used to simulate four heating and cooling cycles of an engine test. The stresses, inelastic strains, and temperature histories from the FEA are then used to perform TMF life predictions using the standard DTMF model. The crack position and the crack plane of critical hotspots are then identified. Simulated cracks are inserted at the hotspots. For the model demonstrated, cracks were inserted at two hotspot locations. The ΔJ integral is computed as a fracture mechanics parameter at each point along the crack-front, and the crack extension of each point is then evaluated, allowing the crack to grow iteratively. The paper concludes with a comparison of the crack growth curves for both hotspots with experimental results.
Cast aluminum cylinder blocks are frequently used in gasoline and diesel internal combustion engines because of their light-weight advantage. However, the disadvantage of aluminum alloys is their relatively low strength and fatigue resistance which make aluminum blocks prone to fatigue cracking. Engine blocks must withstand a combination of low-cycle fatigue (LCF) thermal loads and high-cycle fatigue (HCF) combustion and dynamic loads. Reliable computational methods are needed that allow for accurate fatigue assessment of cylinder blocks under this combined loading. In several publications, the mechanism-based thermomechanical fatigue (TMF) damage model DTMF describing the growth of short fatigue cracks has been extended to include the effect of both LCF thermal loads and superimposed HCF loadings. This approach is applied to the finite life fatigue assessment of an aluminum cylinder block. The required material properties related to LCF are determined from uniaxial LCF tests. The additional material properties required for the assessment of superimposed HCF are obtained from the literature for similar materials. The predictions of the model agree well with engine dyno test results. Finally, some improvements to the current process are discussed.
The cellulase-producing Trichoderma reesei strain RL-P37 exhibits significant potential, yielding 7.3 g/L of cellulase in 241 hours. Microscopic investigations reveal a link between spore formation and enzyme production, suggesting the need for research into the intricate relationship between enzyme production, stress responses, and the nutritional prerequisites of fungi. Comparatively, the use of sodium hydroxide (NaOH) treatment, as opposed to water treatment, results in the reduction of micronutrient content and carbon source extraction as filtrate. Despite these challenges, research by He et al. (2021) highlights NaOH's efficiency in cellulose extraction from plant-based sources. Using NaOH pretreatment can be proven as effective by designing a proper cultivation method. The selection of inducers for enzyme induction gains importance, with soluble inducers, as emphasized by Zhang et al. (2022), exhibiting superior effectiveness. Hence, adopting soluble inducers in designing cultivation methods for improved enzyme production in shaking flasks is recommended. Enzymatic treatment of bio-waste, as outlined by Hu et al. (2021), shows promise in augmenting essential component content by breaking down plant cell walls and intercellular compartments. However, the feasibility of using an artificial bio-waste medium for cultivating Trichoderma reesei is questioned. Investigating the impact of micronutrient levels, particularly the inhibitory role of zinc, on fungal growth becomes essential. These findings underscore the necessity for ongoing research and optimization in cellulase production, emphasizing both strain productivity and cultivation methodologies.
Chitin ist nach Cellulose, das am zweit häufigsten vorkommende Biopolymer auf der Erde und erlangt durch die positiven Eigenschaften seiner Oligomere immer mehr an Aufmerksamkeit in der Industrie. Derzeit werden Chitin-Oligomere rein chemisch mittels starker Säurebehandlung gewonnen. Alternativ können Endo- und Exochitinasen für eine umweltfreundlichere Hydrolyse eingesetzt werden. In dieser Arbeit wurden drei fungale Endochitinasen aus den Ursprungsorganismen Trichoderma harzianum (Chit33-TH), Trichoderma asperellum (Chit36-TA) und Myceliophthora thermophila (Chit46-MT) in Pichia pastoris rekombinant exprimiert, mittels Ni-NTA-Affinitätschromatographie und Dialyse aufgereinigt und biochemisch charakterisiert. Dabei zeigten die Chitinasen maximale spezifische Umsatzgeschwindigkeiten von 16 (Chit33-TH), 50 (Chit36-TA) und 98 nkat/mg (Chit46-MT). Die Endochitinasen hatten nach der Deglykosylierung ein molekulares Gewicht von 33 (Chit33-TH), 36 (Chit36-TA) und 46 kDa (Chit46-MT). Die pH-Optima und Temperaturmaxima lagen für alle drei Enzyme bei einem pH-Wert von 4,5 und 50 °C, zudem waren sie bei 45 bis 50 °C für 15 Minuten temperaturstabil. Detergenzien und Kationen wie Cu2+, Mn2+, Co2+ und Zn2+ hatten einen inhibierenden Effekt ab 1 mM. Höhere Ca2+-Konzentrationen ab 10 mM reduzierten die Enzymaktivität um bis zu 30 %. Eine Produktinhibition mit N-Acetylglucosamin konnte nicht festgestellt werden. Bei allen rekombinanten Enzymen konnte mittels DNS-Assay die Freisetzung von reduzierenden Zuckerenden und somit geeignete Eigenschaften kolloidales Chitin zu wasserlösliche ChitinOligomere umzuwandeln, nachgewiesen werden. Insbesondere Chit46-MT erreichte nach 24 h einen Hydrolysegrad bis zu 96 % und bewies, dass eine enzymatische Hydrolyse für die industrielle Chitin-Oligomerproduktion nutzbar ist.
One of the main problematics of the seals tests is the time and money consuming they are. Up to now, there are few tries to do a digitalisation of a test where the seals behaviour can be known.
This work aims to digitally reproduce a seal test to extract their behaviour when working under different operation conditions to see their impact on the pimp’s efficiency. In this thesis, due to the Lomaking effect, the leakage and the forces applied on the stator will be the base of analysis.
First of all, among all the literature available for very different kind of seals and inner patterns, it has been chosen the most appropriate and precise data. The data chosen is “Test results for liquid Damper Seals using a Round-Hole Roughness Pattern for the Stator” from Fayolle, P. and “Static and Rotordynamic Characteristics of Liquid Annular Seals with Circumferentially/Grooved Stator and Smooth Rotor using three levels of circumferential Inlet-Fluid” from Torres J.M.
From the literature, dimensions of the test rig and the seals will be extracted to model them into a 3D CAD software. With the 3D CAD digitalisation, the fluid volumes for a rotor-centred position, meaning without eccentricity, will be extracted, and used. The following components have been modelled:
- Smooth Annular Liquid Seal (Grooved Rotor)
- Grooved Annular Liquid Seal (Smooth Rotor)
- Round-Hole Pattern Annular Liquid Seal (𝐻𝑑=2 𝑚𝑚) (Smooth Rotor)
- Straight Honeycomb Annular Liquid Seal (Smooth Rotor)
- Convergent Honeycomb Annular Liquid Seal (Smooth Rotor)
- Smooth Rotor / Smooth Annular Liquid Seal (Smooth Rotor)
As there is just one test rig, all the components have been adapted to the different dimensions of the seals by referencing some measures. This allows to test any seal with the same test rig.
Afterwards a CFD simulation that will be used to obtain leakage and stator forces. The parameters that will be changed are the rotational velocity of the fluid (2000 rpm, 4000 rpm, and 6000 rpm) and the pressure drop (2,068 bar, 4,137 bar, 6,205 bar, and 8,274 bar).
Those results will be compared to the literature ones, and they will determine if digitalisation can be validated or not. Even though the relative error is higher than 5% but the tendency is the same and it is thought that by changing some parameters the test results can be even closer to the literature ones.
To date, many experiments have been performed to study how the internal geometrical shapes of the annular liquid seal can reduce internal leakage and increase pump efficiency. These can be time-consuming and expensive as all rotordynamic coefficients must be determined in each case.
Nowadays, accurate simulation methods to calculate rotordynamic coefficients of annular seals are still rare. Therefore, new numerical methods must be designed and validated for annular seals.
The present study aims to contribute to this labour by providing a summary of the available test rig and seals dimensions and experimental results obtained in the following experiments:
− Kaneko, S et al., Experimental Study on Static and Dynamic Characteristics of Liquid Annular Convergent-Tapered Seals with Honeycomb Roughness Pattern (2003) [1] − J. Alex Moreland, Influence of pre-swirl and eccentricity in smooth stator/grooved rotor liquid annular seals, static and rotordynamic characteristics (2016) [2]
A 3D CAD simulation with Siemens NX Software of the test rig used in J. Alex Moreland’s experiment has been made. The following annular liquid seals have also been 3D modelled, as well as their fluid volume:
− Smooth Annular Liquid Seal (SS/GR) (J. Alex Moreland experiment)
− Grooved Annular Liquid Seal (GS/SR)
− Round-Hole Pattern Annular Liquid Seal (𝐻𝑑=2 mm) (GS/SR)
− Straight Honeycomb Annular Liquid Seal (GS/SR)
− Convergent Honeycomb Annular Liquid Seal (No. 3) (GS/SR)
− Smooth Annular Liquid Seal (SS/SR) (S. Kaneko experiment)
In the case of the seals used in S. Kaneko’s experiments, the test rig has been adapted to each seal, defining interpart expressions which can be easily modified.
Afterwards, it has been done a CFD simulation of the Smooth Annular Liquid Seal using Ansys CFX Software. To do so, the fluid volume geometry has been simplified to do a first approximation. Results have been compared for an eccentricity 𝜀0=0.00 for the following ranges of rotor speeds and differential of pressure:
− Δ𝑃= 2.07, 4.14, 6.21, and 8.27 bar,
− 𝜔= 2, 4, 6 and 8 krpm.
Even results obtained have the same trend as the one proportionated by the literature, they cannot be validated as the error is above 5%. It is also observed that as the pressure drop increases, the relative error decreases considerably.
In dieser Bachelorarbeit wurde eine Studie zum Dehnungsverhalten von Schuhen mit elastischem Obermaterial beim Gehen und Laufen bei verschiedenen Geschwindigkeiten durchgeführt. Aktuell gibt es auf diesem Gebiet keine belastbaren Daten. Hierfür wurde von 33 Probandinnen und Probanden mit vier verschiedenen Schuhgrößen die Dehnung des Schuhobermaterials durch markerbasiertes Motion Capturing aufgenommen. Hierzu wurde eine Markerkette von insgesamt 6 Markern über dem Mittelfußbereich angebracht. Auf einem Laufband wurden im Gehen drei Geschwindigkeiten zwischen 1,0 m/s und 1,5 m/s und im Laufen sieben Geschwindigkeiten zwischen 1,5 m/s und 4,5 m/s aufgenommen. Die Datenauswertung erfolgte zum Großteil mittels von Matlab. Die Ergebnisse zeigen für die maximale Dehnung des Obermaterials im Gehen signifikante Unterschiede von p < 0,001. Auch das Laufen zeigt diese Signifikanz jedoch ausschließlich in den Vergleichen der niedrigen Laufgeschwindigkeiten. Die Dehnungsgeschwindigkeit zeigt im Gehen und in den meisten Bereichen des Laufens eine Signifikanz von p < 0,001. Die Ergebnisse der Dehnungsbeschleunigung weisen ebenfalls eine Signifikanz von p < 0,001 auf. Die Betrachtung der Teilbereiche der Markerkette zeigt in der Dehnung und der Dehnungsgeschwindigkeit Signifikanzen von p < 0,001. Die größte Dehnung entstand im mittleren Markerbereich, wohingegen die Randbereiche signifikant weniger gedehnt wurden. Die Dehnungsgeschwindigkeit zeigt jedoch eine signifikant höhere Geschwindigkeit in den Randbereichen im Vergleich zu dem mittleren Bereich. Im direkten Vergleich zwischen Gehen und Laufen zeigt sich keine Signifikanz. Nicht signifikant sind außerdem die verschiedenen Schuhgrößen im Vergleich zueinander. Die Ergebnisse zeigen, dass die Laufgeschwindigkeit einen Einfluss auf das Dehnungsverhalten bezüglich Dehnung, Dehnungsgeschwindigkeit und Dehnungsbeschleunigung hat.
Zur ergonomischen Unterstützung von Industriearbeitern werden zunehmend Exoskelette eingesetzt. Studien über die Wirkung und den Einfluss von Exoskeletten auf den Körper sind jedoch rar. Diese Arbeit beschäftigt sich daher mit der Wirkung des Rückenexoskeletts BionicBack des deutschen Exoskelett Herstellers hTRIUS auf die Wirbelsäulenkrümmung bei industriellen Hebearbeiten. Im Speziellen wird die Wirbelsäulenkrümmung beim Umpalettieren aus drei verschiedenen Hebehöhen (91 cm, 59 cm, 15 cm) mit Hilfe eines markerbasierten 3D Motion Capture Systems untersucht. Um den Versuchsaufbau alltagsnah und realistisch zu gestalten, wurde diese Pilotstudie in Kooperation mit der Firma Zehnder am Standort Lahr durchgeführt, die sowohl die Probanden als auch den Versuchsaufbau zur Verfügung stellte. Vier gesunde männliche Probanden mit einem durchschnittlichen Alter von 39,5 Jahren (SD = 6,5), einem durchschnittlichen Körpergewicht von 72,75 kg (SD = 7,1) und einer durchschnittlichen Körpergröße von 175 cm (SD = 2,6) wurden in zwei Schichten eingeteilt. Mit den Probanden wurden vor und nach der Schicht sowie an zwei aufeinander folgenden Tagen Messungen durchgeführt, wobei an einem Tag das BionicBack während der Arbeit und der Messung getragen wurde und am an-deren Tag nicht. Während einer Messung nahmen die Testpersonen ein Paket mit einem Gewicht von 21,1 kg dreimal von jeder Hebehöhe von einer Palette auf und legten es auf einer anderen ab. Anschließend wurde die Krümmung der Wirbelsäule am tiefsten Punkt der Hebebewegung untersucht, wobei die Gesamtkrümmung in dieser Position durch die Addition von drei repräsentativen Segmentwinkeln dargestellt wird. Die Abweichung dieser Gesamtkrümmungen in der tiefsten Beugeposition von der individuellen neutralen Wirbelsäulenstellung der Probanden im Stehen ergeben die Werte, die zwischen den einzelnen Versuchsbedingungen verglichen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass das BionicBack den Abstand zur Neutralstellung bzw. die Gesamtkrümmung des Rückens im Vergleich zu ohne BionicBack bis zu -11,5° (Median: -11,5° (SD = 5,2); Mittelwert: -8,4° (SD = 6,4)) entsprechend -30% vor der Schicht und bis zu -5,6° (Median: -5,6° (SD = 3,5); Mittelwert: -4,1° (SD = 5,4)) ent-sprechend -17% nach der Schicht reduzieren kann. Die Betrachtung der einzelnen Segmentwinkel zeigt, dass die Reduzierung des Abstandes von der Neutralstellung hauptsächlich im Lendenwirbelbereich stattfindet. Der Vergleich der Wirbelsäulen-krümmung vor und nach der Schicht ohne BionicBack zeigt, dass die Wirbelsäulen-krümmung nach der Schicht, mit Ausnahme der tiefsten Hebehöhe, eine größere Abweichung von der Neutralstellung aufweist als vor der Schicht. Der Vergleich mit BionicBack zeigt, dass die Wirbelsäulenkrümmung nach der Schicht mit Ausnahme der niedrigsten Hubhöhe nicht bzw. weniger von der Neutralstellung abweicht als vor der Schicht. Aufgrund der Ergebnisse wird vermutet, dass das BionicBack durch die Unterstützung einer neutraleren Rückenhaltung das Verletzungsrisiko reduzieren kann. Des Weiteren wird vermutet, dass die Muskelermüdung während einer Arbeitsschicht einen Einfluss auf die Wirbelsäulenkrümmung beim Heben hat. Es wird angenommen, dass dieser Einfluss durch das BionicBack reduziert werden kann. Allerdings dürfen die Grenzen dieser Pilotstudie nicht außer Acht gelassen werden. Sei es die Anzahl der Versuchspersonen, die keine Aussage über die Allgemeingültigkeit zu-lässt und keine effektive statistische Analyse erlaubt, oder systematische Fehler, die aufgrund der Modellvereinfachung und der Methodik auftreten können. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um die Ergebnisse zu validieren. Diese Arbeit soll die Grundlage für weitere Studien mit einer weiterentwickelten Methodik und einer größeren Anzahl von Probanden bilden.
In dieser Arbeit wird die Entwicklung einer Methode zur Messung von Bodenreaktionskräften bei menschlicher Lokomotion auf variablen Untergründen behandelt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, unter realistischen Bedingungen eine Ganganalyse in einem Biomechaniklabor durchführen zu können.
Bisher ist es nicht möglich in einem Biomechaniklabor verschiedene Untergründe nach einer bestimmten Methode auszutauschen, womit Szenarien im Alltag besser simuliert werden können.
Um dieses Ziel zu erreichen wurde ein geeignetes Konzept für die Fertigung der benötigten Bodenplatten und Bodenbeläge erstellt. Darauffolgend wurden die Komponenten angefertigt oder schon vorhandene modelliert. Die Anwendung der entwickelten Methode wurde unter realen Bedingungen einer Ganganalyse erfolgreich untersucht. Hierbei konnten exemplarisch die durchschnittlichen Bodenreaktionskräfte in z-Richtung für die Untergründe Kunstrasen, Kunststoffbahn (Tartanboden) und Steinboden untersucht werden. Das größte Optimierungspotential bei diesem Funktionstest zeigte sich bei der Anpassung der geeigneten An- und Ablaufstrecken mit den jeweiligen Untergründen.
Mit dieser entwickelten Methode können in einem Biomechaniklabor besser die Bedingungen die alltäglich benötigten Ganganpassungen an verschiedene Untergründe simuliert werden. In Kombination mit weiteren Messmethoden, wie die Messung der Muskelaktivität (EMG) und der Gangkinematik, kann so ein tieferes Verständnis des menschlichen Gangbildes gewonnen werden.
Estimation and projecting total steel industry production costs from 2019 to 2030 for Germany
(2023)
This thesis analyses the total production cost of the German steel industry from 2019 to 2022, as well as a projection of the German steel industry's total production cost until 2030. The research separates the costs of steel production into their primary components, such as raw materials, energy, CO2 cost, capital expenses and operating expenses. The cost of steel production is determined separately for primary steelmaking with the blast furnace and basic oxygen furnace (BF-BOF) and secondary steelmaking with the electric arc furnace (EAF).
The analysis indicates that, following the COVID-19 disaster and the fuel crisis, the overall cost of producing steel in Germany has progressively risen over the previous few years, reaching its peak in the first half of 2022. In addition, there are considerable disparities between the production costs of primary and secondary steelmaking processes, with primary steelmaking generally being more expensive.
In this analysis, the total cost of production for the German steel industry in the year 2030 has been estimated by taking into account historical trends as well as other predictions that are currently available.
This thesis provides overall insights on the economics of the German steel sector. By giving thorough information on production costs and changes over time, this research can assist guide crucial future investment decisions in this essential industry. To ensure long-term success, our findings emphasize the significance of investing in more sustainable and ecologically friendly steel production processes.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, zwei unterschiedliche Bewegungserfassungssysteme zu vergleichen. Dabei wird die neue Technologie der markerlosen Bewegungserfassung mit der gängigen markerbasierten Methode verglichen. Es sollen Aspekte wie Aufbau, Vorbereitung, Durchführung, Nachbearbeitung und Messergebnisse analysiert und gegenübergestellt werden.
Im Rahmen einer Querschnittsstudie wurden insgesamt 27 Probanden bei Richtungswechsel mit unterschiedlichen Winkeln in drei verschiedenen Geschwindigkeiten gemessen. Dabei nahmen beide Systeme gleichzeitig in Verbindung mit zwei Kraftmessplatten die Bewegung auf. Von jeder Geschwindigkeit wurden drei gültige Durchläufe aufgezeichnet und anschließend das Knieabduktionsmoment betrachtet. Über das maximale und minimale Knieabduktionsmoment hat für jeden Winkel und Geschwindigkeit ein Vergleich der beiden Systeme stattgefunden.
Aufbau, Vorbereitung und Durchführung des markerlosen Systems erwiesen sich als deutlich einfacher und reibungsloser. Bei dem markerbasierten System ging viel Zeit für die Systemkalibrierung, das Aufkleben von Markern oder das Wiederholen der Messung durch abfallende Marker verloren. Auch die Datennachbearbeitung ist bei dem markerbasierten System deutlich zeitaufwendiger. Die markerlosen Daten werden allerdings fix ausgegeben und können bei auftretenden Fehlern nicht bearbeitet werden.
Die beiden Systeme wurden zum Schluss anhand des gemessenen Maximums und Minimums des Knieabduktionsmoments verglichen. Insgesamt messen die beiden Systeme durchschnittlich ein unterschiedliches Maximum von 0,2 +- 0,33, bei dem Minimum lag die gesamte durchschnittliche Differenz der beiden Systeme bei -0,34 +- 0,65. Das markerlose System zeigte durchschnittlich höhere Maxima und niedrigere Minima als das markerbasierte System auf. Durch die teilweise starken Messunterschiede und auftretenden Messfehler des markerlosen Systems, sollten die Messergebnisse des Knieabduktionsmoments zur Beurteilung von Rupturen des vorderen Kreuzbandes kritisch hinterfragt werden.
To improve the building’s energy efficiency many parameters should be assessed considering the building envelope, energy loads, occupation, and HVAC systems. Fenestration is among the most important variables impacting residential building indoor temperatures. So, it is crucial to use the most optimal energy-efficient window glazing in buildings to reduce energy consumption and at the same time provide visual daylight comfort and thermal comfort. Many studies have focused on the improvement of building energy efficiency focusing on the building envelope or the heating, ventilation, and cooling systems. But just a few studies have focused on studying the effect of glazing on building energy consumption. Thus, this paper aims to study the influence of different glazing types on the building’s heating and cooling energy consumption. A real case study building located under a semi-arid climate was used. The building energy model has been conducted using the OpenStudio simulation engine. Building indoor temperature was calibrated using ASHRAE’s statistical indices. Then a comparative analysis was conducted using seven different types of windows including single, double, and triple glazing filled with air and argon. Tripleglazed and double-glazed windows with argon space offer 37% and 32% of annual energy savings. It should be stressed that the methodology developed in this paper could be useful for further studies to improve building energy efficiency using optimal window glazing.
Vergleich eines iOS-basierten zu einem markerbasierten System zur dreidimensionalen Bewegungsanalyse
(2023)
Die iOS-basierte Methode zur dreidimensionalen Bewegungsanalyse wird mithilfe von OpenCap durchgeführt. OpenCap ist eine Open-Source-Software, die laut Hersteller eine gute Alternative zu herkömmlichen Methoden der Bewegungsanalyse sein soll. Durch eine verständliche Menüführung, geringe Anschaffungskosten und ohne Notwendigkeit von Fachpersonal, soll hiermit eine großflächigere Anwendung von dreidimensionalen Bewegungsanalyse gegeben werden. (Uhlrich et al., 2022) Um diese Hypothese zu belegen wurde im Rahmen dieser Bachelorthesis eine kleine Studie mit 12 Probanden durchgeführt. Diese waren hauptsächlich Freiwillige der Hochschule Offenburg und sowohl männlich (7/12 Probanden) als auch weiblich (5/12 Probanden). Das Alter lag bei 25,76 ±5,08 Jahre, die Größe betrug 1,73 ±0,08 Meter und das Gewicht 69,38 ±7,12 Kilogramm. Die Probanden wurden zum Vergleich mit zwei verschiedenen Methoden zur dreidimensionalen Bewegungsanalyse (OpenCap und markerbasierter) und bei zwei verschiedenen Sprungformen, aufgenommen.
Anschließend wurden die Ergebnisse der Gelenkwinkel für Hüfte und Knie der rechten Körperhälfte der Probanden betrachtet. Dabei fiel auf, dass die gemessenen Werte von OpenCap, für Hüfte und Knie verschieden stark von den markerbasierten Werten abwichen. Die Differenz der Hüftflexionswinkel, zwischen den beiden Messmethoden, war um einiges größer als die ermittelte Differenz der Knieflexionswinkel. Diese lag beim Counter Movement Jump (CMJ) für die Hüfte bei 8,01° ±10,89° und für das Knie bei -0,9° ±3,22°. Beim Drop Jump (DJ) ergaben die Differenzen für die Hüfte 15,91° ±12,35° und für das Knie 3,03° ±2,59°. Außerdem wichen die Ergebnisse auch von der Studie der OpenCap Erfinder ab, die mit einem mittleren absoluten Fehler von 4,5°, die App anpriesen. (Uhlrich et al., 2022)
Der Vergleich zeigte somit das OpenCap eine gute Alternative zur Messung offensichtlicher Körpersegmente oder Bewegungen, wie beispielsweise dem Knie, sein kann. Für Messungen der Hüftpartie eignet es sich derzeitig, aufgrund seiner Ungenauigkeit, weniger.
Um den Erfolg einer Operation zu beurteilen, werden in klinischen Untersuchungen häufig Fragebögen genutzt. Ziel dieser Arbeit ist es, herauszufinden, ob es einen Zusammenhang zwischen subjektiven Outcome-Scores der Fragebögen und biomechanischen Parametern gibt. Die Forschungsfrage lautet: „Reicht ein Fragebogen zur Beurteilung des Operationserfolges oder sind weitere objektive Untersuchungen von Nutzen.
Um dies zu beantworten, wurde eine Querschnittsstudie mit elf Probanden durchgeführt. Diese mussten vor zwölf Monaten mit einer Hüft-Totalendoprothese versorgt worden sein. Die Probanden mussten verschiedene Fragebögen ausfüllen, anschließend wurde eine Ganganalyse mittels Optogait durchgeführt und die Maximalkraft mit dem Multifunktionalen Diagnostikgerät ermittelt. Die Ergebnisse der Fragebögen wurden mit den biomechanischen Parametern auf eine statistische Korrelation überprüft.
Die Studie hat gezeigt, dass es zwischen einigen Unterkapiteln der Fragebögen und den biomechanischen Parameter moderate bis starke statistisch signifikante Korrelation gibt. Jedoch nicht mit allen Parametern und nicht in der Gesamtbetrachtung der Fragebögen.
Dies zeigt, dass es zwar Zusammenhänge zwischen subjektiven Outcome-Scores und biomechanischen Parametern gibt, diese aber nur einen groben Eindruck des Operationserfolges widerspiegeln. Für eine Beurteilung reicht ein Fragebogen alleine damit nicht aus, und man sollte biomechanische Parameter zusätzlich nutzen.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist das netzdienliche Betreiben einer Wärmepumpe. Um diese Netzdienlichkeit zu erreichen, wird ein modellprädiktiver Regler entwickelt und implementiert, dessen Ziel es ist die Stromkosten einer Wärmepumpe zu senken. Dazu werden die Variablen Stromkosten und ein simulierter Heizbetrieb betrachtet.
Die Entwicklung eines modellprädiktiven Reglers setzt zunächst eine Modellierung der Komponenten des Heizsystems voraus. Ebenfalls muss eine Kostenfunktion formuliert werden, die es zu minimieren gilt. In einem Optimierungsproblem werden die Modelle als Randbedingungen und die Kostenfunktion als Zielfunktion der Optimierung formuliert. Dazu müssen gewisse Vereinfachungen getroffen werden, um das Optimierungsproblem zuverlässig und ohne enormen Rechenaufwand in einer Regelungsschleife lösen zu können.
Nun wird das Optimierungsproblem mit externen Modulen verknüpft, die eine Kommunikation mit der realen Wärmepumpen, Strompreisprognosen und Wettervorhersagen ermöglichen. Der dabei entwickelte Algorithmus wird auf einem Raspberry Pi Einplatinencomputer gespeichert und dort in einem regelmäßigen Zeitintervall von 15 Minuten ausgeführt, um den Betrieb der Wärmepumpe zu regeln.
Schließlich wird der modellprädiktive Regler in Betrieb genommen. Anschließend kann der modellprädiktive Betrieb mit dem konventionellen Betrieb verglichen werden. Aus dem Vergleich wird deutlich, dass eine modellprädiktive Regelung tatsächlich die Netzdienlichkeit einer Wärmepumpe verbessern kann. Andererseits werden auch die Entwicklungspotentiale identifiziert.
Diese Bachelorarbeit befasst sich mit der Konstruktion eines Testgerätes zur Untersuchung der Schuh-Fuß und Schuh-Bodeninteraktion beim Speerwurf. Zu Beginn wird eine kurze Einleitung zu den Grundlagen des Speerwurfs gegeben, sowie ein vergleichbares Gerät der technischen Universität Dänemark vorgestellt. Anschließend werden verschiedene Möglichkeiten zum Antrieb der Aktuatoren vorgestellt und diskutiert. Der finale Entwurf besteht aus einer Rahmenkonstruktion aus Aluminiumprofilschienen, einer Boden- und Kraftmessplatte, einer Schuhleiste, welche an mehreren Gelenken gelagert ist und so verschiedene Stellungen des Fußes nachahmen kann, einem Normzylinder, der einen Stoß auf die zu untersuchende Schuhleiste ausführt, und einem Linearantrieb, der die Schuhleiste auf die Kraftmessplatte drückt und so für Halt sorgt.