TY  - THES
A1  - Asam, Sarah
T1  - Potential of high resolution remote sensing data for leaf area index derivation using statistical and physical models
T1  - Potenzial hochaufgelöster Fernerkundungsdaten für die Ableitung des Blattflächenindex aus statistischen und physikalischen Modellen
N2  - Information on the state of the terrestrial vegetation cover is important for several ecological, economical, and planning issues. In this regard, vegetation properties such as the type, vitality, or density can be described by means of continuous biophysical parameters. One of these parameters is the leaf area index (LAI), which is defined as half the total leaf area per unit ground surface area. As leaves constitute the interface between the biosphere and the atmosphere, the LAI is used to model exchange processes between plants and their environment.  However, to account for the variability of ecosystems, spatially and temporally explicit information on LAI is needed both for monitoring and modeling applications.
Remote sensing aims at providing such information. LAI is commonly derived from remote sensing data by empirical-statistical or physical models. In the first approach, an empirical relationship between LAI measured in situ and the corresponding canopy spectral signature is established. Although this method achieves accurate LAI estimates, these relationships are only valid for the place and time at which the field data were sampled, which hampers automated LAI derivation. The physical approach uses a radiation transfer model to simulate canopy reflectance as a function of the scene’s geometry and of leaf and canopy parameters, from which LAI is derived through model inversion based on remote sensing data. However, this model inversion is not stable, as it is an under-determined and ill-posed problem.
Until now, LAI research focused either on the use of coarse resolution remote sensing data for global applications, or on LAI modeling over a confined area, mostly in forest and crop ecosystems, using medium to high spatial resolution data. This is why to date no study is available in which high spatial resolution data are used for LAI mapping in a heterogeneous, natural landscape such as alpine grasslands, although a growing amount of high spatial and temporal resolution remote sensing data would allow for an improved environmental monitoring. Therefore, issues related to model parameterization and inversion regularization techniques improving its stability have not yet been investigated for this ecosystem.
This research gap was taken up by this thesis, in which the potential of high spatial resolution remote sensing data for grassland LAI estimation based on statistical and radiation transfer modeling is analyzed, and the achieved accuracy and robustness of the two approaches is compared. The objectives were an ecosystem-adapted radiation transfer model set-up and an optimized LAI derivation in mountainous grassland areas. Multi-temporal LAI in situ measurements as well as time series of RapidEye data from 2011 and 2012 over the catchment of the River Ammer in the Bavarian alpine upland were used. In order to obtain accurate in situ data, a comparison of the LAI derivation algorithms implemented in the LAI-2000 PCA instrument with destructively measured LAI was performed first. For optimizing the empirical-statistical approach, it was then analyzed how the selection of vegetation indices and regression models impacts LAI modeling, and how well these models can be transferred to other dates. It was shown that LAI can be derived
with a mean accuracy of 80 % using contemporaneous field data, but that the accuracy decreases to on average 51 % when using these models on remote sensing data from other dates. The combined use of several data sets to create a regression which is used for LAI derivation at different points in time increased the LAI estimation accuracy to on average 65 %. Thus, reduced field measurement labor comes at the cost of LAI error rates being increased by 10 - 30 % as long as at least two campaigns are conducted. Further, it was shown that the use of RapidEye’s red edge channel improves the LAI derivation by on average 5.4 %.
With regard to physical LAI modeling, special interest lay in assessing the accuracy improvements that can be achieved through model set-up and inversion regularization techniques. First, a global sensitivity analysis was applied to the radiation transfer model in order to identify the most important model parameters and most sensitive spectral features. After model parameterization, several inversion regularizations, namely the use of a multiple sample solution, the additional use of vegetation indices, and the addition of noise, were analyzed. Further, an approach to include the local scene’s geometry in the retrieval process was introduced to account for the mountainous topography. LAI modeling accuracies of in average 70 % were achieved using the best combination of regularization techniques, which is in the upper range of accuracies that were achieved in the few existing other grassland studies based on in situ or air-borne measured hyperspectral data. Finally, further physically derived vegetation parameters and inversion uncertainty measures were evaluated in detail to identify challenging modeling conditions, which was mostly neglected in other studies. An increased modeling uncertainty for extremely high and low LAI values was observed. This indicates an insufficiently wide model parameterization and a canopy deviation from model assumptions on some fields. Further, the LAI modeling accuracies varied strongly between the different scenes. From this observation it can be deduced that the radiometric quality of the remote sensing data, which might be reduced by atmospheric effects or unexpected surface reflectances, exerts a high influence on the LAI modeling accuracy.
The major findings of the comparison between the empirical-statistical and physical LAI modeling approaches are the higher accuracies achieved by the empirical-statistical approach as long as contemporaneous field data are available, and the computationally efficiency of the statistical approach. However, when no or temporally unfitting in situ measurements are available, the physical approach achieves comparable or even higher accuracies. Furthermore, radiation transfer modeling enables the derivation of other leaf and canopy variables useful for ecological monitoring and modeling applications, as well as of pixel-wise uncertainty measures indicating the robustness and reliability of the model inversion and LAI derivation procedure. The established look-up tables can be used for further LAI derivation in Central European grassland also in other years.
The use of high spatial resolution remote sensing data for LAI derivation enables a reliable land cover classification and thus a reduced LAI mapping error due to misclassifications. Furthermore, the RapidEye pixels being smaller than individual fields allow for a radiation transfer model inversion over homogeneous canopies in most cases, as canopy gaps or field parcels can be clearly distinguished. However, in case of unexpected local surface conditions such as blooming, litter, or canopy gaps, high spatial resolution data show corresponding strong deviations in reflectance values and hence LAI estimation, which would be reduced using coarser resolution data through the balancing effect of the surrounding surface reflectances. An optimal pixel size with regard to modeling accuracy hence depends on the canopy and landscape structure. Furthermore, a reduced spatial resolution would enable a considerable acceleration of the LAI map derivation.
This illustration of the potential of RapidEye data and of the challenges associated to LAI derivation in heterogeneous grassland areas contributes to the development of robust LAI estimation procedures based on new and upcoming, spatially and temporally high resolution remote sensing imagery such as Landsat 8 and Sentinel-2.
N2  - Informationen zum Zustand der Vegetation sind relevant für einige ökologische, ökonomische, und planerische Fragestellungen. Vegetationseigenschaften wie der Typ, die Vitalität oder die Dichte einer Pflanzendecke können dabei anhand von kontinuierlichen biophysikalischen Parametern beschrieben werden. Einer dieser Parameter ist der Blattflächenindex (engl. leaf area index, LAI), der als die halbe gesamte Blattoberfläche pro Bodenoberfläche definiert ist. Da die Blattfläche eine wichtige Schnittstelle zwischen der Biosphäre und der Atmosphäre darstellt, wird der LAI dazu verwendet, Austauschprozesse zwischen Pflanzen und ihrer Umwelt zu modellieren. Um die natürliche Variabilität von Ökosystemen berücksichtigen zu können, benötigt man für solche Monitoring- und Modellierungsanwendungen jedoch räumlich und zeitlich explizite LAI Informationen.
Die Fernerkundung stellt solche Informationen zur Verfügung. Fernerkundungsbasierte LAI-Kartierung basiert auf empirisch-statistischen und physikalischen Modellen. Im ersten Ansatz wird ein empirisches Verhältnis zwischen dem aufgezeichneten Reflexionssignal der Vegetationsdecke und in situ gemessenem LAI erstellt. Obwohl dieses Verfahren meist hohe Genauigkeiten erzielt, gilt das erstellte Verhältnis nur für den Ort und Zeitpunkt der Feldmessungen, was ein automatisiertes Verfahren behindert. Der physikalische Ansatz verwendet ein Strahlungstransfermodell um die spektrale Signatur einer Pflanzendecke in Abhängigkeit von der Szenengeometrie und verschiedenen Blatt- und Pflanzenparametern zu simulieren, von der LAI durch die Inversion des Modells basierend auf Fernerkundungsdaten abgeleitet wird. Die Modellinversion ist jedoch nicht stabil, da sie ein unterdeterminiertes und inkorrekt gestelltes Problem ist.
Bisher fokussierten LAI-Studien entweder auf die Verwendung räumlich grob ausgelöster  Fernerkundungsdaten für globale Anwendungen, oder auf LAI-Modellierung für Wälder und Anbaufrüchte innerhalb eines räumlich eingeschränkten Gebiets basierend auf mittel und hoch aufgelösten Daten. Obwohl die Menge an räumlich und zeitlich hoch aufgelösten Fernerkundungsdaten für ein verbessertes Umweltmonitoring kontinuierlich zunimmt, führte dies dazu, dass es keine Studie gibt die sich mit der Ableitung des LAI in heterogenen Landschaften wie beispielsweise alpinem Grünland, basierend auf räumlich hoch aufgelösten Daten, beschäftigen. Dementsprechend wurden damit verbundene Aspekte wie die Modellparametrisierung und Regularisierungsmöglichkeiten der Inversion für dieses Ökosystem noch nicht untersucht.
Diesem Forschungsbedarf wird mit dieser Arbeit, in der das Potenzial räumlich hoch aufgelöster Fernerkundungsdaten für die Ableitung von Grünland-LAI basierend auf statistischen Modellen und Strahlungstransfermodellierung analysiert wird, und in der die Genauigkeiten und Stabilität beider Verfahren verglichen werden, begegnet. Die Ziele der Arbeit sind eine an das Grünlandökosystem angepasste Einrichtung des Strahlungstransfermodells und die Ableitung des LAI für Grünland im Gebirgsraum. Multitemporale in situ LAI-Messungen sowie RapidEye-Zeitreihen aus den Jahren 2011 und 2012 aus dem Ammereinzugsgebiet im bayrischen Voralpenland wurden dazu verwendet.
Um verlässliche in situ Messwerte zu erhalten, wurde zunächst ein Vergleich der im LAI-2000 PCA Messinstrument implementierten Algorithmen mit destruktiv erhobenen LAI Werten durchgeführt. Zur Optimierung des empirisch-statistischen Ansatzes wurde dann untersucht, in welchem Maße die Verwendung verschiedener Vegetationsindizes und Regressionsmodelle die LAI-Modellierung beeinflussen, und wie gut diese Modelle auf andere Zeitpunkte übertragen werden können. Es wurde gezeigt, dass unter Verwendung von zeitgleich erhobenen Felddaten der LAI mit einer mittleren Genauigkeit von 80 % abgeleitet werden kann, dass sich die Genauigkeit aber auf 51 % verringert, wenn die Modelle auf Fernerkundungsdaten anderer Zeitpunkte angewendet werden. Die gemeinsame Nutzung mehrerer Felddatensätze zur Erstellung einer Regression welche auf andere Zeitpunkte
angewendet wird, erhöhte die Genauigkeit der LAI-Ableitung wiederum auf durchschnittlich 65 %. Ein verringerter Arbeitsaufwand für Feldmessungen wird also durch erhöhte Fehlerraten von 10 - 30 % pro Szene ausgewogen, solange mindestens zwei Messkampagnen durchgeführt werden. Außerdem wurde gezeigt, dass die Verwendung des “red edge” Bandes des RapidEye Sensors die LAI-Ableitung um im Mittel 5.4 % verbessert.
Im Hinblick auf die physikalische LAI-Modellierung waren vor allem die Verbesserung der Genauigkeit, die anhand von Modelleinstellungen und Regularisierungstechniken erzielt werden konnten, von Interesse. Zunächst wurde eine globale Sensitivitätsanalyse des Strahlungstransfermodells durchgeführt, um die wichtigsten Modellparameter und die sensitivsten spektralen Bereiche zu identifizieren. Nach der darauf basierenden Modellparametrisierung wurden in den nächsten Schritten mehrere Verfahren zu Stabilisierung der Inversion, nämlich die Verwendung multipler Lösungen, von Vegetationsindizes als Inputdaten, und von simuliertem Datenrauschen, analysiert. Außerdem wurde ein Ansatz eingeführt, der die Berücksichtigung der lokalen Szenengeometrien, und damit der Topographie des Untersuchungsgebietes, erlaubt.
Genauigkeiten von im Mittel 70 % konnten für die LAI-Modellierung unter Verwendung der besten Modell- und Inversionseinstellungen erreicht werden. Diese sind mit den Ergebnissen anderer Grünland-Studien, die jedoch auf in situ oder flugzeuggetragen gemessenen hyperspektralen Daten beruhen, vergleichbar. Zuletzt wurden weitere physikalisch modellierte Vegetationsparameter sowie Inversionsunsicherheitsmaße evaluiert, um besonders schwierige Modellierungsbedingungen zu identifizieren, was in anderen Studien bisher meist vernachlässigt wurde. Erhöhte Modellierungsunsicherheiten wurden für die Ableitung besonders niedriger und hoher LAI Werte beobachtet, was auf eine ungenügend weit gefasste Modellparametrisierung und stellenweise Abweichungen der Vegetationsdecke von den Modellannahmen hinweist. Außerdem variieren die Genauigkeiten der LAI Modellierung stark zwischen den einzelnen Szenen woraus abgeleitet werden kann dass die radiometrische Qualität der Fernerkundungsdaten, welche beispielsweise durch
atmosphärische Effekte oder unerwartete Oberflächenreflexionen beeinfluss werten kann, einen großen Einfluss auf die Modellierungsgenauigkeit hat.
Im Vergleich der empirisch-statistischen und physikalischen LAI-Modellierung fiel der empirisch-statistische Ansatz mit höheren Genauigkeiten, solange zeitgleich aufgenommene Felddaten vorliegen, sowie mit einer geringeren Berechnungszeit auf. Wenn jedoch keine zeitlich passenden Felddaten vorhanden sind, erreicht die physikalische Modellierung vergleichbare oder sogar höhere Genauigkeiten. Des Weiteren ermöglicht das Strahlungstransfermodel die Ableitung weiterer Blatt- und Pflanzeneigenschaften, welche für ökologische Monitoring- und Modellierungsanwendungen nützlich sind. Außerdem werden pixelgenaue Unsicherheitsmaße generiert, welche die Stabilität und Verlässlichkeit der Modellinversion und des gewonnenen LAI-Wertes charakterisieren. Die erstellten Datenbanken können darüber hinaus für die LAI-Modellierung in anderen Mitteleuropäischen Grünländern auch in anderen Jahren verwendet werden.
Die Verwendung von hochaufgelösten Fernerkundungsdaten ermöglicht eine verlässliche Landbedeckungsklassifikation und verringert damit Fehler in der LAI-Modellierung die durch Fehlklassifikationen verursacht werden. Da die RapidEye-Pixel außerdem kleiner als einzelnen Felder sind, konnte das Strahlungstransfermodell in den meisten Fällen über homogenen Pflanzendecken invertiert werden. Angesichts unerwarteter lokaler Oberflächenreflexionen, hervorgerufen beispielsweise durch Blüten, Streu, oder Lücken, zeigen die hochaufgelösten Daten jedoch auch entsprechend starke Abweichungen, welche in gröber aufgelösten Daten durch die Reflexion der umgebenden Oberflächen verringert sind. Eine optimale Pixelgröße im Hinblick auf die Modellierungsgenauigkeit hängt also von der Struktur der Vegetationsdecke und der Landschaft ab. Eine verringerte Pixelgröße würde darüber hinaus die Ableitung von LAI-Karten deutlich beschleunigen.
Diese Darstellung des Potenzials von RapidEye Daten für LAI-Modellierung und der speziellen Herausforderungen an die genutzten Verfahren in heterogenen Grünländern kann zur Entwicklung von robusten LAI-Ableitungsverfahren beitragen, anhand welcher neue, räumlich und zeitlich hoch aufgelöste, Fernerkundungsdaten wie die der Landsat 8 oder Sentinel-2 Sensoren in Wert gesetzt werden können.
KW  - Optische Fernerkundung
KW  - Blattflächenindex
KW  - Strahlungstransport
KW  - RapidEye
KW  - grasland
KW  - inversion techniques
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-108399
ER  - 
TY  - INPR
A1  - Reiss, Harald
T1  - Time scales and existence of time holes in non-transparent media
N2  - The analysis presented in this paper applies to experimental situations where observers or objects to be studied, all at stationary positions, are located in environments the optical thickness of which is strongly different. Non-transparent media comprise thin metallic films, packed or fluidised beds, superconductors, the Earth’s crust, and even dark clouds and other cosmological objects. The analysis applies mapping functions that correlate physical events, e, in non-transparent media, with their images, f(e), tentatively located on standard physical time scale. The analysis demonstrates, however, that physical time, in its rigorous sense, does not exist under non-transparency conditions. A proof of this conclusion is attempted in three steps: i) the theorem “there is no time without space and events” is accepted, (ii) images f[e(s,t)] do not constitute a dense, uncountably infinite set, and (iii) sets of images that are not uncountably infinite do not create physical time but only time-like sequences. As a consequence, mapping f[e(s,t)] in non-transparent space does not create physical analogues to the mathematical structure of the ordered, dense half-set R+ of real numbers, and reverse mapping, f-1f[e(s,t)], the mathematical inverse problem, would not allow unique identification and reconstruction of original events from their images. In these cases, causality as well as invariance of physical processes under time reversal, might be violated. An interesting problem is whether temporal cloaking (a time hole) in a transparent medium, as very recently reported in the literature, can be explained by the present analysis. Existence of time holes could perhaps be possible, not in transparent but in non-transparent media, as follows from the sequence of images, f[e(s,t)], that is not uncountably infinite, in contrast to R+. Impacts are expected for understanding physical diffusion-like, radiative transfer processes and stability models to protect superconductors against quenchs. There might be impacts also in relativity, quantum mechanics, nuclear decay, or in systems close to their phase transitions. The analysis is not restricted to objects of laboratory dimensions.
KW  - Zeitrichtung
KW  - Strahlungstransport
KW  - Supraleiter
KW  - Nicht-Transparente Medien
KW  - Physikalische Zeit
KW  - Inverse Probleme
KW  - Time hole
KW  - mapping function
KW  - Monte Carlo simulation
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-73554
N1  - Überarbeitung des Artikels urn:nbn:de:bvb:20-opus-67268
ER  - 
TY  - INPR
A1  - Reiss, Harald
T1  - Physical time and existence of time holes in non-transparent media
N2  - The analysis presented in this paper applies to experimental situations where observers or objects to be studied (both stationary, with respect to each other) are located in environments the optical thickness of which is strongly different. By their large optical thickness, non-transparent media are clearly distinguished from their transparent counterparts. Non-transparent media comprise thin metallic films, packed or fluidised beds, the Earth’s crust, and even dark clouds and other cosmological objects. As a representative example, a non-transparent slab is subjected to transient disturbances, and a rigorous analysis is presented whether physical time reasonably could be constructed under such condition. The analysis incorporates mapping functions that correlate physical events, e, in non-transparent media, with their images, f(e), tentatively located on a standard physical time scale. The analysis demonstrates, however, that physical time, in its rigorous sense, does not exist under non-transparency conditions. A proof of this conclusion is attempted in three steps: i) the theorem “there is no time without space and events” is accepted, (ii) images f[e(s,t)] do not constitute a dense, uncountably infinite set, and (iii) sets of images that are not uncountably infinite do not create physical time but only time-like sequences. As a consequence, mapping f[e(s,t)] in non-transparent space does not create physical analogues to the mathematical structure of the ordered, dense half-set R+ of real numbers, and reverse mapping, f-1f[e(s,t)] would not allow unique identification and reconstruction of original events from their images. In these cases, causality and determinism, as well as invariance of physical processes under time reversal, might be violated. Existence of time holes could be possible, as follows from the sequence of images, f[e(s,t)], that is not uncountably infinite, in contrast to R+. Practical impacts are expected for understanding physical diffusion-like, radiative transfer processes, stability models to protect superconductors against quenchs or for description of their transient local pair density and critical currents. Impacts would be expected also in mathematical formulations (differential equations) of classical physics, in relativity and perhaps in quantum mechanics, all as far as transient processes in non-transparent space would be concerned. An interesting problem is whether temporal cloaking (a time hole) in a transparent medium, as very recently reported in the literature, can be explained by the present analysis. The analysis is not restricted to objects of laboratory dimensions: Because of obviously existing radiation transfer analogues, it is tempting to discuss consequences also for much larger structures in particular if an origin of time is postulated.
KW  - Strahlungstransport
KW  - Zeitrichtung
KW  - Supraleiter
KW  - Computersimulation
KW  - Non-transparency
KW  - disturbance
KW  - physical time
KW  - time hole
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-67268
N1  - Von diesem Artikel gibt es eine überarbeitete Version unter urn:nbn:de:bvb:20-opus-73554.
ER  - 
TY  - THES
A1  - Weinläder, Helmut
T1  - Optische Charakterisierung von Latentwärmespeichermaterialien zur Tageslichtnutzung
T1  - Optical characterization of phase change materials for daylighting
N2  - In dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit sich durch den Einsatz von Latentwärmespeichermaterialien (kurz PCM = phase change material) Tageslichtelemente realisieren lassen, welche einen Teil der eingestrahlten Solarenergie zwischenspeichern und zeitverzögert während der Abend- und Nachtstunden wieder an den Innenraum abgeben. Hierdurch lassen sich mehrere Effekte erzielen: Der bei Verglasungen auftretende starke Wärmeeintrag während des Tages wird gedämpft und bis in die Abend- und Nachtstunden ausgedehnt. Im Sommer führt dies zu geringeren Kühllasten. Die zeitlich verzögerten abends auftretenden Wärmeeinträge können bei Bedarf über Nachtlüftung abgeführt werden. Im Winter sind die solaren Gewinne zeitlich besser mit den Wärmeverlusten korreliert was ihren Nutzungsgrad erhöht. Dies führt zu geringerem Heizenergiebedarf. Weiter wird im Winter aufgrund der Erhöhung der Systemoberflächentemperatur durch den Phasenwechsel des PCM die thermische Behaglichkeit in den Abendstunden vor allem in Systemnähe gesteigert. Im Sommer bleiben die Oberflächentemperaturen tagsüber niedrig, sofern ein PCM mit entsprechender Schmelztemperatur (<30°C) gewählt wird, so dass auch zu diesen Zeiten die thermische Behaglichkeit verbessert wird. Es wurden drei Latentwärmespeichermaterialien untersucht: ein Paraffin (RT25), sowie zwei Salzhydrate auf Basis von Kalziumchloridhexahydrat (S27) und Lithiumnitrattrihydrat (L30). Aus Messwerten des Transmissions- und Reflexionsgrades im flüssigen Zustand wurden die spektralen Daten der Brechungsindizes ermittelt. Strukturuntersuchungen der PCMs im festen Zustand erfolgten mittels Lichtmikroskopie und anhand von Streuverteilungsmessungen. Diese wurden mit der Mie-Theorie ausgewertet. Es wurde bei allen Materialien die Ausbildung einer Makrostruktur festgestellt, die wiederum mit einer Mikrostruktur unterlegt ist. Die Makrostruktur entsteht durch Grenzflächen Festkörper-Luft beim Erstarren und Zusammenziehen der Materialien, die Mikrostruktur durch sehr feine Lufteinschlüsse und Grenzflächen innerhalb des Festkörpergerüsts. Während die Makrostruktur vor allem bei den Salzhydraten in ihrer Größe variiert und sich an die Behälterdicke anpasst, liegt die Größe der Mikrostrukturen bei allen drei Materialien relativ konstant im Bereich um die 5-20 µm. Die Mikrostrukturen sind für die Lichtstreuung verantwortlich. Unter der Annahme, dass die Werte der Brechungsindizes im festen und flüssigen Zustand gleich sind, wurden mit dem 3-Fluss-Modell die spektralen effektiven Streukoeffizienten der festen PCMs bestimmt. Mit den ermittelten Größen lassen sich die optischen Eigenschaften der Materialien im festen und flüssigen Zustand für Schichtdicken zwischen 1,5 mm und 4 cm berechnen. Alle drei Materialien zeigen eine hohe Transmission im sichtbaren Spektralbereich und eine starke Absorption im Nahinfraroten. Dieses Verhalten ist für den Einsatz in Tageslichtelementen günstig, da man dort das sichtbare Licht zur Raumausleuchtung nutzen und den nahinfraroten Anteil in Form von Wärme speichern will. Für den Einsatz im Tageslichtelement müssen die PCMs auslaufsicher in Behälter eingebracht werden. Hierfür wurden Stegdoppelplatten (SDP) aus Plexiglas verwendet. Zwei Funktionsmuster mit RT25 und S27, bestehend aus einer Wärmeschutzverglasung, hinter der die PCM-befüllten SDPs angebracht waren, wurden unter natürlichen Klimabedingungen vermessen. Die Messdaten dienten zur Validierung eines Simulationsprogramms, mit dem das Verhalten der drei PCM-Tageslichtelemente unter genormten Bedingungen im Sommer- und Winterbetrieb untersucht wurde. Messungen und Simulationsrechnungen ergaben, dass die gewünschten Effekte (Dämpfung der Energiegewinne tagsüber, Verschiebung der Gewinne vom Tag in die Abend- und Nachtstunden, sowie Verbesserung der thermischen Behaglichkeit) mit den PCM-Tageslichtelementen erreicht werden. Anhand von Optimierungsrechnungen wurde gezeigt, dass die Energieeinkopplung in das PCM erhöht werden muss. Dies kann durch Beimengung absorbierender Materialien in das PCM oder durch Verwendung von Behältern mit höherer Absorption geschehen. Bei derart optimierten Tageslichtelementen sind Schichtdicken von rund 5 mm PCM ausreichend. Lichttechnische Untersuchungen ergaben, dass die Tageslichtelemente mit PCM oft ein stark inhomogenes optisches Erscheinungsbild zeigen, vor allem während des Phasenwechsels. Deshalb sollten für den Einsatz in der Praxis Möglichkeiten zur Kaschierung vorgesehen werden. Dies lässt sich z.B. durch streuende Behälter erreichen. Problematisch ist die Dichtigkeit der Behälter, vor allem wenn Salzhydrate als PCM verwendet werden. Die Kristalle üben beim Wachstum starke Kräfte auf die Behälterwandungen aus, so dass diese besonders bei größeren Behälterabmessungen dem Druck nicht standhalten und Risse bilden. Hier ist noch Entwicklungsarbeit zu leisten.
N2  - This thesis investigates the suitability of phase change materials (PCMs) as energy storage in daylighting elements. PCMs store part of the incoming solar radiation on sunny days while releasing the stored heat during the evening hours and the night. This time shift in solar energy gains reduces cooling loads in summer, especially if combined with night-time ventilation. In winter, solar energy gains correlate much better with the heating demand of buildings, thus reducing fuel consumption. In addition, the higher system temperatures due to the phase change improve thermal comfort during the evening hours. If PCMs with low melting points (<30°C) are used, the system temperatures stay cool even on hot summer days. This improves thermal comfort in summer as well. Three different PCMs were investigated: a paraffin wax (RT25) and two salt hydrates with calciumchloridehexahydrate (S27) and lithiumnitratetrihydrate (L30) as base materials. The spectral refractive indices in liquid state were calculated from measured transmittance and reflectance values. In solid state, microscopy and scattering measurements in combination with Mie-calculactions were used to determine the size of the structures responsible for scattering. All three PCMs showed macroscopic structuring with microstructures embedded. Air gaps generated through volume decrease during solidification of the materials cause the macroscopic structuring. The microstructures are due to very fine air bubbles and solid-solid boundaries. While the macroscopic structuring varies in size - especially the salt hydrates adjust to the dimensions of the confinement - the size of the microstructures is in the range between 5-20 µm for all of the materials. The microstructures are responsible for the scattering of light. With the assumption of non-changing refractive indices in liquid and solid state, the spectral effective scattering coefficients were calculated for the three PCMs in solid state via 3-flux-theory. The determined optical data were sufficient to calculate the optical properties of all three materials in liquid and solid state for a layer thickness between 1.5 mm and 4 cm. All PCMs show high transmission values in the visible wavelength range and high absorption in the NIR. This makes them very suitable for daylighting applications where the visible light is needed for room illumination and the NIR needs to be stored in the PCM as heat. For application as daylighting elements the PCM must be encapsulated. This was done by use of plastic containers, so-called double-skin sheets. Two samples with RT25 and S27 were built and incorporated into an outdoor measurement facility. The samples consisted of PCM-filled double-skin sheets behind a low-e-glazing. A simulation program was validated with the recorded data. This program was used to investigate the performance of the three PCM-daylighting-elements for winter and summer conditions. The above-mentioned effects (decrease in energy gains during the day, time-shift of energy gains into the evening hours and improvement of thermal comfort) could be verified. To optimize the daylighting-elements, the energy input into the PCM should be enhanced. This can be done by adding high-absorbing materials into the PCM or by using containers with higher absorption. In such optimized panels a PCM-thickness of 5 mm is sufficient. The system visual performance often had a very inhomogeneous appearance, especially during the melting and freezing process of the PCM. Therefore it is recommended to conceal these effects by using translucent containers with scattering properties instead of transparent ones. A major problem is the container tightness, especially if a salt hydrate is used as PCM. The crystal growth during the freezing process causes considerable stress on the containers which leads to cracks in bigger ones. This has to be worked on.
KW  - Tageslichtelement
KW  - Latentwärmespeicher
KW  - Strahlungstransport
KW  - Tageslichtnutzung
KW  - Latentwärmespeicher
KW  - PCM
KW  - Verglasung
KW  - radiation transport
KW  - daylighting
KW  - latent heat
KW  - phase change material
KW  - energy storage
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-7872
ER  - 
TY  - THES
A1  - Reiss, Harald
T1  - Strahlungstransport in dispersen nicht-transparenten Medien
T1  - Radiative transfer in disperse non-transparent media
N2  - In dieser Habilitationsschrift wird das Gesamtgebiet des Wärmetransports in dispersen Medien untersucht, kompakt, ohne Anspruch auf Vollständigkeit, jedoch mit Schwerpunkt auf Strahlungstransport in nicht-transparenten Medien; hier sind es bevorzugt hochporöse Substanzen, die aus Festkörperteilchen bestehen. Die Ergebnisse lassen sich auf andere disperse nicht-transparente Medien wie dichte Gasatmosphären oder einige Zweiphasengemische übertragen, wenn Nicht-Strahlungsanteile und Gesamt-Energieerhaltung korrekt formuliert werden. Die vorliegenden Untersuchungen konzentrieren sich auf stationäre Randbedingungen und Strahlungsquellen. Die Motivation zu dieser Arbeit ist mindestens zweifach: Die Trennung des totalen Wärmestroms in seine Komponenten, in irgendeinem kontinuierlichen oder dispersen Medium, ist eines der herausfordernden, gleichzeitig schwierigsten physikalischen Probleme bei der Analyse des Wärmetransports; zum zweiten ist es für die Verringerung von Wärmeverlusten (z. B. in thermischen Isolierungen) dringend erforderlich, die einzelnen Komponenten der Wärmeverlustströme zu kennen, um sie einzeln zu minimieren (das geht offensichtlich nur, wenn man den totalen Wärmstrom in seine Komponenten zerlegen kann). Die Trennung kann erfolgreich sein, wenn die optische Dicke des untersuchten Mediums sehr groß ist (das Medium ist dann nicht-transparent). In dieser idealen, in der Energietechnik jedoch häufig auftretenden Situation (und nicht nur dort), liefert das Strahlungsdiffusionsmodell den korrekten Ansatz zur Beschreibung des Strahlungsanteils und dessen Temperaturabhängigkeit. Wegen Energieerhaltung und mit der additiven Näherung erlaubt dieses Ergebnis umgekehrt die Berechnung auch der Nichtstrahlungsanteile im totalen Wärmestrom; diese sind demnach alle gleichzeitig in kalorimetrischen Messungen zugänglich. Damit wird nachfolgende separate Analyse dieser Komponenten mittels geeigneter theoretischer Modelle möglich. Da das Temperaturprofil im Medium alle Wärmestromkomponenten zum totalen Wärmestrom miteinander koppelt, ist für diesen Ansatz die Kenntnis der Temperaturabhängigkeit auch aller Nicht-Strahlungsanteile erforderlich. Neben der kalorimetrischen Methode kann die Bestimmung der Extinktion des dispersen Mediums und hiermit des Strahlungstransports auch mittels Spektroskopie sowie Berechnung nach der strengen Mie-Theorie der Lichtstreuung und mit dem Rosseland-Mittelwert vorgenommen werden. Dadurch wird ein Vergleich möglich zwischen Ergebnissen, die mittels drei voneinander völlig unabhängiger Methoden, nämlich kalorimetrisch, spektroskopisch und analytisch/numerisch erzielt wurden. Die Ergebnisse stimmen überein, wenn das Medium nicht-transparent ist; dieser Nachweis wird in der vorliegenden Habilitationsschrift geführt. Im ersten Teil der Habilitationsschrift wird in breit angelegtem Review die Fachliteratur zum Strahlungstransport bis zum Jahr 1985 diskutiert und Methoden zur Lösung der Strahlungstransportgleichung auch im Fall stark anisotroper Streuung beschrieben. Wegen der Forderung nach Energieerhaltung und mit dem oben genannten Ziel, auch die Nicht-Strahlungskomponenten zu analysieren, muß diese Diskussion die theoretischen Aspekte auch dieser Anteile (hier Gas- und Festkörperkontakt-Wärmetransport) einschließen. Den Schluß des ersten Teils bildet ein Katalog offener Fragen, die im zweiten Teil der Habilitationsschrift angegangen werden. Dort werden mittels experimenteller und analytisch/numerischer Ergebnisse das Strahlungsdiffusionsmodell und seine Anwendbarkeit auf disperse nicht-transparente Medien bestätigt. Die Analysen sind gerichtet auf reine oder mit Infrarot-Trübungsmitteln dotierte Pulver und Faserpapiere; beide sind leicht zugängliche, wohl-definierte Testsubstanzen disperser Medien. Ein wichtiger Teil dieser Untersuchungen enthält Messungen ihrer Wärmeleitfähigkeit unter Vakuum und unter externer mechanischer Druckbelastung. Mit evakuierten, druckbelasteten Faserpapieren wurden Wärmeleitfähigkeiten erzielt, die zu den niedrigsten gehören, die bis 1985 an solchen Medien bei hohen Temperaturen gemessen wurden. Weiter sollen optimale Teilchendurchmesser gefunden werden, mit denen das Extinktionsvermögen solcher Schüttungen signifikant erhöht werden kann. Insbesondere ist eine exotische Vorhersage der Mie-Theorie zu prüfen, nach welcher die Extinktion perfekt elektrisch leitender, langer, extrem dünner Zylinder (unter 50 nm) um Größenordnungen über derjenigen herkömmlicher (nichtleitender) Pulver oder Fasern liegt; hierfür sind Materialproben herzustellen. In der Habilitationsschrift wird aufgezeigt, welcher Weg für diesen Nachweis beschritten werden muß (wenige Jahre nach Vorlage der Habilitationsschrift wurden Gustav Mies und Milton Kerkers Vorhersagen auf diesem Weg mit feinsten metallisierten Glasfasern und mit Nickelfasern in Veröffentlichungen des Autors gemeinsam mit J. Fricke, M. Arduini-Schuster, H.-P. Ebert, R. Caps, D. Büttner und A. Kreh erstmalig bestätigt).
N2  - The present thesis for habilitation investigates, in compact form, without claiming completeness, the field of heat, in particular radiative, transfer in disperse media if they are non-transparent. Preference is given to high porosity substances being composed of solid particles. The obtained results can be applied to other disperse media like dense gas atmospheres or some two-phase fluids provided non-radiative components of total heat flow, and corresponding total energy balances, are appropriately modelled. The present investigations are concentrated on stationary boundary conditions and radiation sources. Motivation for this work is at least two-fold: First, splitting of total heat flow into its components is one of the most challenging and difficult problems of experimental physics in any, continuous or disperse, medium, and, secondly, reduction of total heat losses (e. g. in thermal insulations) inevitably requests minimisation steps simultaneously to be taken with all its separated components (this of course works only if separation really is successful). Separation can be successful if the optical thickness of the medium is large (the medium then is non-transparent). In this ideal situation that, nonetheless, frequently arises, not only in energy technology, the radiative diffusion model delivers correct expressions for the radiative heat flow component and its temperature dependency. By conservation of energy, this result together with the additive approximation in turn allows determination, from calorimetric measurements, of also the non-radiative contributions to total heat transfer. The approach thus provides a key to subsequently analyse all heat transfer components by appropriate theoretical models. Since the temperature profile in the medium couples all heat transfer components to total heat flow, knowledge of the temperature dependence of also the non-radiative components is indispensable for this purpose. Besides calorimetric methods, spectral measurements of radiation extinction coefficient, and calculation of spectral extinction properties of disperse media by application of rigorous Mie-theory of scattering and of the Rosseland mean, provide another approach to radiative heat flow and to temperature dependent radiation extinction properties. Accordingly, comparison between results obtained from three different, completely independent methods (calorimetric, spectroscopic and theoretical) to determine extinction coefficients can be made and indeed proves to be successful if the medium is non-transparent; this proof of concept shall be demonstrated in the present thesis. In its first part, this thesis for habilitation presents a general review covering the literature on radiative transfer up to the year 1985 and evaluates methods for solution of the equation of radiative transfer also in case of strongly anisotropic scattering. Because of conservation of energy, and in view of the goal to analyse also the non-radiative heat transfer components, the analysis necessarily must include a description of the theoretical aspects of gaseous and solid/solid contact conduction heat transfer mechanisms. At the end of its first part, a catalogue of open questions is presented that will be tackled in the second part of the thesis. There, experimental and analytical/numerical results that verify the radiation diffusion model and its applicability to disperse media are reported. The analysis is focused on heat transfer in pure and opacified powders and fibrous media; both are easily accessible, disperse sample substances with well defined physical/thermal properties. An important part of these investigations covers thermal conductivity measurements under vacuum and under external mechanical load. Experimental results obtained with load-bearing, evacuated boards of glass fibre paper demonstrate smallest values of thermal conductivity that have been obtained until 1985 in such disperse media at high temperatures. The thesis further deals with the problem of how to substantially increase radiation extinction by optimum particle diameters. In particular, an exotic prediction of Mie theory of scattering shall be confirmed according to which the extinction properties of perfectly electrically conducting, long, extremely thin cylinders (below 50 nm) shall be larger, by orders of magnitude, than those of conventional, non-conducting powders or fibres, and samples shall be prepared. The thesis describes the way how to successfully prove this prediction (few years after submission of the thesis, following the methods suggested here and using finest metallised glass fibres, and with very thin Ni-fibres, Gustav Mie’s and Milton Kerker's predictions for the first time were confirmed in publications of the present author together with J. Fricke, M. Arduini-Schuster, H.-P. Ebert, R. Caps, D. Büttner und A. Kreh).
KW  - Strahlungstransport
KW  - Disperse Phase
KW  - Extinktion
KW  - Mie-Streuung
KW  - Wärmeleitung
KW  - Diffusionsmodell
KW  - Wirkungsquerschnitt
KW  - optimale Teilchendurchmesser
KW  - Superisolierung
KW  - Diffusion model
KW  - reaction cross section
KW  - optimum particle diameter
KW  - superinsulation
Y1  - 1985
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-66669
N1  - Würzburg, Univ., Habil.-Schr., 1988
ER  -