THERMISCHE ANALYSE, MATERIALCHARAKTERISIERUNG, WÄRMETECHNIK

Für den Transport und die Verwendung von Flüssigwasserstoff sind neue Ausrüstungen (Ventile, Armaturen, Pumpen usw.) erforderlich.

Diese aus der Luftfahrtindustrie stammenden Bauteile wurden bei Umgebungstemperatur getestet. Die Dichtheit bei der Temperatur des flüssigen Wasserstoffs (20 K) war jedoch nicht gewährleistet.

Einige Elemente, die für flüssigen Stickstoff (77 K) verwendet wurden, werden derzeit in der Kryotechnik eingesetzt. Aber funktionieren sie auch noch bei 20 K?

Angesichts der Explosionsgefahr von Wasserstoff ist die Leckagetoleranz strenger als bei Stickstoff, der in geringen Dosen harmlos ist.

Um sicher zu sein, dass diese Elemente für Wasserstoff geeignet sind, haben wir einen Prüfstand entwickelt, der bei 20 K und bis zu 100 bar eventuelle Leckagen von Schaltelementen messen kann.

Der gemessene Leckagepegel liegt unter 10^-8mbar.L.S^-1.

Zur Durchführung des Tests haben wir eine Vakuumkammer mit einem Durchmesser von 600 mm verwendet, in die wir das zu prüfende Element gelegt haben. Ein Edelstahlrohr mit 6 mm Durchmesser wird verwendet, um das Gerät mit Helium unter Druck zu setzen (von 0,2 bis 100 bar). Bei Bedarf kann auch Wasserstoff verwendet werden, aber Helium ist einfacher zu handhaben und für Dichtheitsprüfungen effektiver.

Beschreibung des Prüfstandes :

Für die Prüfungen wurden die zu prüfenden Armaturen wie unten dargestellt in eine Vakuumkammer gelegt :

Gesamtansicht des leeren Gehäuses

1. Kalter Kopf	Kalter Kopf
2. Strahlenschutz 77K	Strahlenschutz 77K
3. Strahlungsschirm 20K	Strahlungsschirm 20K

KOMPONENTEN	SCHEMA
1. Vakuumkammer
2. Strahlungsschutz 77K
3. Strahlenschutz 20K
4. Zu prüfende Elemente
5. Helium-Stromversorgung

Schnitt durch das Messgerät mit den 3 Anschlussleitungen.

Unten, Ansicht der Messzone bei 20K mit den Instrumenteneinlässen.

Die Armaturen werden durch ein Rohr aus rostfreiem Stahl 316 mit 6 mm Durchmesser versorgt. Ein System von Ventilen ermöglicht die sequentielle Versorgung der 3 getesteten Fittings. Die Versorgung ermöglicht auch das Ablassen von Resthelium aus den verschiedenen Fittings. Zwei Druckregler regulieren den Druck. Einer ermöglicht eine präzise Einstellung von 0 bis 2,5 bar. Der andere ermöglicht eine Einstellung von 0 bis 200 bar. Zur Kontrolle des Drucks wird ein Präzisionsmanometer verwendet. Das Versorgungssystem ist auf dem nachstehenden Foto zu sehen :

Das Foto oben (rechts) zeigt den PFEIFFER-Lecksucher ASM340. Der minimal nachweisbare Füllstand beträgt 1 – ^10-13 Pa m3/s. Dies entspricht 1^,10-12 mbar.L/s. Im Vordergrund sieht man das Heliumversorgungssystem und das Spülsystem.

In der Mitte befindet sich das Heliumverteilungssystem, und links ist der Bildschirm für die Temperatur- und Vakuumkontrolle zu sehen.

- Ein Dichtheitsprüfgerät bei 20K und 100bar für flüssigen Wasserstoff

Urbane Hitzeinseln(UHI) führen zu einem erheblichen Temperaturunterschied zwischen Städten und umliegenden ländlichen Gebieten, der insbesondere nachts bis zu +10 °C betragen kann. Dieses Phänomen erhöht das thermische Unbehagen, verschlimmert die Gesundheitsrisiken während Hitzewellen und erhöht den Energieverbrauch für die Kühlung von Gebäuden. Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Intensität dieser Phänomene zu verringern:

Erhöhung der Albedo von Oberflächen

Eine hohe Albedo bedeutet eine größere Fähigkeit, Sonnenstrahlen zu reflektieren. In Großstädten sind die meisten Infrastrukturen jedoch aus dunklen Materialien gebaut. Um die Albedo zu erhöhen, ist es daher notwendig, helle Materialien wie weiße Dächer, reflektierende Farben oder helle Beschichtungen für Straßen und Gehwege zu verwenden. Dies verringert die Wärmeabsorption und senkt die Temperatur von Gebäuden.

Optimierung des Emissionsgrades von Materialien

DerEmissionsgrad ist die Fähigkeit einer Oberfläche, absorbierte Wärme in Form von Infrarotstrahlung abzugeben. Um ihn zu verbessern, sollten helle, reflektierende Materialien wie Beton oder helle Fliesen verwendet werden. Dies trägt dazu bei, dass die Oberflächen am Abend abkühlen und der Wärmestau begrenzt wird.

Zunehmende Begrünung

Die Vegetation wirkt als natürlicher Wärmeregulator und trägt zur Verbesserung der Luftqualität in Städten bei. Daher ist es notwendig, die Grünflächen in städtischen Gebieten zu vergrößern, insbesondere in der Nähe von Gebäuden und Straßen, indem städtische Parks, baumbestandene Alleen, Gärten und grüne Fassaden angelegt werden. Diese Entwicklungen fördern die Luftzirkulation, spenden Schatten und reduzieren den Wärmestau.

Überdenken der städtischen Morphologie (Stadtschluchten)

Enge Straßen, die von hohen Gebäuden gesäumt werden, stauen die Wärme und verringern die Luftzirkulation. Um diesen urbanen Canyon-Effekt zu beheben, ist es notwendig, mehr Platz zwischen den Gebäuden zu lassen, Belüftungskorridore zu schaffen und die Höhen und Ausrichtungen der Gebäude zu variieren. Dadurch wird die Luftzirkulation verbessert und der Wärmestau begrenzt.

Schlussfolgerung

Der Kampf gegen städtische Hitzeinseln beruht auf einer Kombination von Lösungen: sorgfältige Auswahl von Materialien, angemessene Stadtplanung und Stärkung der Natur in der Stadt. Wir von THEMACS Ingénierie bieten unser Fachwissen und unsere Messinstrumente an, um Sie bei der Gestaltung widerstandsfähigerer und komfortablerer Städte zu unterstützen.

- Wie können wir gegen städtische Wärmeinseln (UHI) vorgehen?

Was ist die SRI?

Angesichts der Herausforderungen der globalen Erwärmung und der städtischen Hitzeinseln (UHI) spielt die Wahl der Materialien, die in Großstädten verwendet werden, eine sehr wichtige Rolle. Der SolarReflectanceIndex (SRI) ist einer der Schlüsselindikatoren zur Messung der thermischen Leistung von Materialien.

Definition des SRI

Der SRI ist ein Index, der Beschichtungen (Farben, Putze, Dächer usw.) nach ihrer Fähigkeit einstuft, sich unter Sonneneinstrahlung nicht zu erwärmen. Er wird anhand von zwei grundlegenden Messungen berechnet: der Albedo (Sonnenreflexionsgrad) und dem thermischen Emissionsgrad. Der SRI wird auf einer Skala von 0 bis 100 ausgedrückt:

• 0 entspricht einer schwarzen Referenzfarbe,
• 100 entspricht einer weißen Referenzfarbe (mit definierten Eigenschaften: Albedo, Emissionsgrad usw.).

Stark reflektierende Materialien können einen SRI-Wert von über 100haben , während sehr dunkle oder wenig emittierende Oberflächen (wie einige Metalle) einen negativen SRI-Wert haben können .

Wie wird der SRI gemessen?

Sie wird vor Ortgemessen, um das tatsächliche Verhalten von Oberflächen unter städtischen Bedingungen zu bewerten. Es kann auch im Labor, oft an Proben, mit Hilfe der Spektrometrie gemessen werden. Die Methode gilt für horizontale, opake Oberflächen mit geringer Neigung unter Standardbedingungen (Sonneneinstrahlung, Wind etc.). Es muss ein minimaler Emissionsgrad (>0,1) vorhanden sein , damit die Messung aussagekräftig ist.

Der Nutzen von SRI für Städte und Gebäude

Der SRI ermöglicht es, die Fähigkeit von Beschichtungen zu vergleichen, die städtische Erwärmung zu begrenzen, und dient als Kriterium bei Projekten für Dächer, Fassaden oder Außenverkleidungen, um den Hitzeeffekt zu verringern und den thermischen Komfort zu verbessern. Er hilft auch bei der Identifizierung von „coolen“ Beschichtungen: hell, stark reflektierend oder mit hohem Emissionsgrad.

Durch Anreize zur Auswahl von Materialien, die nach dem SRIleistungsfähig sind, werden auch der Bedarf an Klimaanlagen, der Energieverbrauch und die negativen Auswirkungen auf Gesundheit und Komfort verringert .

Schlussfolgerung

Der SRI ist heute ein unverzichtbarer Indikator für jeden, der nachhaltig bauen oder renovieren möchte: Er reduziert Wärmeinseln, optimiert den Komfort und erfüllt die Erwartungen der Umwelt.

Bei THEMACS Ingénierie stellen wir Ihnen unser Fachwissen zur Verfügung: Messungen der Albedo, des Emissionsgrades, SRI-Berechnungen im Labor oder vor Ort, um Ihnen bei der Auswahl leistungsfähiger Beschichtungen gegen die Hitze zu helfen.

- Was ist der SRI (Solar Reflectance Index)?

Städtische Wärmeinseln (Urban Heat Islands, UHI) stellen eine große Herausforderung für die öffentliche Gesundheit, den thermischen Komfort und den Energieverbrauch von Städten dar. Im Sommer tragen Straßen, Parkplätze und Gehwege aufgrund ihrer geringen Albedo und ihrer hohen Wärmespeicherkapazität stark zu diesem Phänomen bei.

Um diese Auswirkungen zu analysieren und zu antizipieren, hat THEMACS IngénierieThermocity entwickelt , ein auf die thermische Kartierung von Straßeninfrastrukturen spezialisiertes Werkzeug.

Warum Straßen im Sommer kartografieren?

Straßen machen einen großen Teil der städtischen Flächen aus. Hauptsächlich aus Asphalt und Beton bestehend, absorbieren sie massiv die Sonnenstrahlung, nehmen tagsüber Wärme auf und geben sie nachts wieder ab, was zur Entwicklung von UCI beiträgt.

Die Kartierung ihrer Temperatur ermöglicht es,die heißesten Bereiche der Stadt zu identifizieren, die Wirksamkeit der verwendeten Materialien zu vergleichen (heller Asphalt, Drainagen, herkömmliche Materialien ) und Planungsmaßnahmen zu priorisieren (innovative Straßenbeläge, Randbegrünung, Kühlungslösungen).

Thermocity: eine innovative Messlösung

Dank Thermocity realisiert THEMACS Ingénierie :

• hochauflösende thermische Messungen,
• eine genaue Kartografie der Oberflächentemperaturen,
• eine vergleichende Analyse von Stadtvierteln, Straßen und Materialien.

Anhand dieser Daten können wirksame Entscheidungen zur Eindämmung von Hitzeinseln getroffen werden.

Relevanz für Städte und Gemeinden

Die thermische Kartierung von Straßen im Sommer ermöglicht es,die Materialwahl bei der Renovierung von Wegen und Straßenanzupassenund die Begrünung in sensiblen Bereichen zu optimieren. Es bietet auch die Möglichkeit, die indirekten Energiekosten, die mit der Klimatisierung verbunden sind, zu senken und den thermischen Komfort der Bewohner zuverbessern, insbesondere in Hitzeperioden.

Mithilfe der von Thermocitygesammelten Daten können Städte nachhaltige und effiziente Lösungen in ihre Stadtentwicklungsprojekte integrieren.

Schlussfolgerung

Straßen spielen eine wichtige Rolle bei der Intensität von städtischen Wärmeinseln. Mit Thermocity bietet THEMACS Ingénierie ein einzigartiges Fachwissen, um effektiv zu messen, zu verstehen und zu handeln.

Durch die Kartierung der Straßentemperaturen im Sommer erhalten die Städte eine Entscheidungshilfe, die für den Bau komfortablerer und nachhaltigerer städtischer Räume unerlässlich ist.

- Thermocity: Kartierung von Straßen zum besseren Verständnis von städtischen Wärmeinseln (UHI)

Städtische Wärmeinseln(Urban Heat Islands, UHI) bezeichnen erhebliche Temperaturunterschiede zwischen Stadtzentren und den umliegenden ländlichen Gebieten, die besonders nachts spürbar sind. Das Verständnis der Parameter, die sie beeinflussen, ist notwendig, um sie besser vorhersehen und geeignete Lösungen umsetzen zu können. Bei THEMACS Ingénierie analysieren wir die drei wichtigsten Faktoren, die den größten Einfluss auf UHI haben: Albedo, Emissionsgrad und Stadtschluchten.

Albedo

Die Albedo bezeichnet die Fähigkeit einer der Sonnenstrahlung ausgesetzten Oberfläche, die empfangene Energie zu reflektieren. Sie reicht von 0 bis 1:

– 0 entspricht einer völlig schwarzen Oberfläche, die die gesamte von der Sonne ausgestrahlte Energie absorbiert. – 1 entspricht einer vollkommen weißen Oberfläche, die die gesamte Sonnenstrahlung reflektiert.

Eine dunkle Oberfläche, wie z. B. undurchlässiger Boden (Beton, Asphalt), dunkle Dächer oder Wände (Ziegel), absorbiert eine große Menge an Energie und speichert somit viel Wärme. Diese Wärme wird dann nachts massenhaft freigesetzt und trägt zur Bildung von städtischen Wärmeinseln bei.

Emissionsgrad

Derthermische Emissionsgrad ist eine dimensionslose Eigenschaft, die die Fähigkeit einer Oberfläche, Infrarotstrahlung zu emittieren, charakterisiert. Er hängt von mehreren Parametern ab, darunter Temperatur, Wellenlänge und Oberflächenbeschaffenheit.

– Ein Material mit hohem Emissionsgrad gibt die absorbierte Wärme leicht ab. – Ein Material mit niedrigem Emissionsgrad speichert diese Wärme länger, was zur Erwärmung der Umgebungsluft beiträgt.

In Großstädten steigt die Wärme aufgrund von Faktoren wie starkem Verkehr, Klimaanlagen, Schornsteinen und der Verwendung von reflektierenden Materialien (Asphalt, Fliesen, matte Farben usw.) schnell an. Der Emissionsgrad spielt daher eine entscheidende Rolle, da er bestimmt, wie sich eine Stadt nachts abkühlt. Schlecht gewählte Materialien können das UHI verstärken, indem sie die nächtliche Abkühlung verlangsamen.

Stadtschluchten

Stadtschluchten sind Gebiete, in denen die Gebäude so dicht beieinander stehen, dass zwischen ihnen nur wenig Platz ist und die Luftzirkulation eingeschränkt ist. Diese Anordnung führt zu einem Wärmestau, insbesondere tagsüber, wenn die Sonne scheint (Abbildung 1). Sie reduziert den Wärmeaustausch, insbesondere den Strahlungsaustausch, während der Nacht. Infolgedessen kann die von den Gebäuden und dem Boden angesammelte Wärme nicht wirksam abgeführt werden, wodurch die UHI verstärkt wird.

Abbildung 1 – Der „Sky-View-Faktor“ – (Quelle: APUR)

- Parameter, die UHI beeinflussen: Albedo, Emissionsgrad, Urban-Canyon-Effekt

Eine städtische Wärmeinsel(UHI) ist ein Anstieg der Luft- und Oberflächentemperaturen in Stadtzentren im Vergleich zu angrenzenden ländlichen oder bewaldeten Gebieten, insbesondere nachts.

Verursacht

Dieses Phänomen ist auf die Bauweise der Städte zurückzuführen (Asphalt, dunkle Dächer, fehlende Vegetation, dichte menschliche Aktivitäten), die die Luftzirkulation verringert und tagsüber eine hohe Wärmeaufnahme bewirkt, die dann nachts wieder abgegeben wird. Die Temperatur kann bis zu zehn Grad höher sein als in den umliegenden Gebieten, insbesondere in Zeiten großer Hitze.

Ein Beispiel für den UHI-Wert im 9. Arrondissement von Paris:

Quelle: https://www.construction21.org/france/articles/h/paris-icu.html

Die Folgen

Diese Wärmekuppeln, die städtische Gebiete bedecken, können zu thermischem Unbehagen führen und erhebliche Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und den Energieverbrauch in städtischen Gebieten haben. Dieses Phänomen wird mit der Zeit immer schlimmer. Um hier Abhilfe zu schaffen, muss die Albedo von Oberflächen erhöht und die Begrünung von Gebäuden und städtischen Räumen verstärkt werden.

Unser Fachwissen:

THEMACS Ingénierie bietet Ihnen eine schnelle Charakterisierung der Albedo Ihrer Materialien und Oberflächenbeschichtungen, um Wärmeinseln in der Umgebung zu reduzieren. Dazu messen wir den spektralen Emissionsgrad und charakterisieren die Albedo auf verschiedenen Oberflächen mit unserem selbst entwickelten tragbaren Albedo-Messgerät.

- Was ist eine städtische Wärmeinsel?

Um städtische Wärmeinseln (ICU) zu verstehen und zu reduzieren, müssen zunächst die physikalischen Parameter, die die Temperatur in der Stadt beeinflussen, genau gemessen werden. Bei THEMACS Ingénierie stützen wir uns auf drei sich ergänzende Ansätze: die Messung der Albedo, der Emissivität und die thermische Kartierung des Bodens.

Messung der Albedo

Die Albedo entspricht der Fähigkeit einer Oberfläche, Sonnenstrahlung zu reflektieren. Sie wird mit einem Wert zwischen 0 und 1 gemessen. Der Grund für die Messung besteht darin, die Oberflächen zu identifizieren, die am meisten Wärme absorbieren (Asphalt, dunkle Dächer), und Lösungen zur Erhöhung der Reflektivität vorzuschlagen (helle Dächer, reflektierende Farben). Bei THEMACS Ingénierie verwenden wir ein innovatives tragbares Gerät, um die Albedo verschiedener Materialien und Beschichtungen direkt vor Ort schnell zu messen.

Messung der Emissivität

Die Emissivität bezeichnet die Fähigkeit einer Oberfläche, die absorbierte Wärme in Form von Infrarotstrahlung wieder abzugeben. Durch die Messung der Emissivität lässt sich nachvollziehen, wie Materialien nachts abkühlen (oder auch nicht). Als Beispiel kann man sich vorstellen, dass heller Beton mit hoher Emissivität schneller abkühlt als poliertes Metall mit geringer Emissivität. Die Emissivitätsmessungen werden vor Ort mit dem von den Ingenieuren von Themacs entwickelten Emissivitätsmessgerät durchgeführt, um städtische Materialien genau zu charakterisieren.

Kartierung der Temperatur in Städten

Die thermische Kartierung ermöglicht es, die räumliche Verteilung der Oberflächentemperaturen zu visualisieren und die Gebiete zu identifizieren, die am stärksten von städtischen Wärmeinseln (ICU) betroffen sind. Es gibt zwei Hauptmethoden:

a) Messungen am Boden

Vorteile: hohe Genauigkeit, Möglichkeit zum direkten Vergleich verschiedener Beläge, punktuelle und gezielte Messungen. Nachteile: begrenzte geografische Abdeckung, erfordert Messkampagnen vor Ort.

b) Satellitenmessungen

Vorteile: Überblick über große städtische Gebiete, regelmäßige zeitliche Überwachung, schnelle Erkennung kritischer Gebiete. Nachteile: manchmal unzureichende räumliche Auflösung, um schmale Straßen oder bestimmte Materialien zu unterscheiden; Abhängigkeit von den Wetterbedingungen (Wolken, Feuchtigkeit).

Auf dem Weg zu einem ergänzenden Ansatz

Bei THEMACS Ingénierie bevorzugen wir einen integrierten Ansatz:

Messungen am Boden mit unserem Gerät Thermocity, um präzise und detaillierte Daten zu erhalten. Satellitenkartografie, um einen Gesamtüberblick über die ICU zu erhalten und ihre Entwicklung im Laufe der Zeit zu verfolgen.

Die Kombination dieser Methoden ermöglicht es Städten und Gemeinden, eine zuverlässige und umfassende Diagnose zu erstellen, um geeignete Lösungen zu finden (Materialauswahl, Begrünung, Stadtplanung).

- Mögliche Maßnahmen gegen städtische Wärmeinseln: Albedo, Emissivität und thermische Kartierung von Städten