Das Projekt "Pore network modeling of fluid transport in loop heat pipe" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Magdeburg, Institut für Verfahrenstechnik, Lehrstuhl Thermische Verfahrenstechnik durchgeführt. Evaporation at a hot-spot and condensation at a cold-spot can transport heat with a higher effective thermal conductivity than that of any existing material. This principle in used in so-called heat pipes. Here, a specific type of heat-pipe evaporator is considered, which involves evaporation out of a wet porous wick in contact with a hot fin into vapor transportation grooves. Pore network models are used for simulating transport phenomena and liquid distribution in the wick, aiming at the identification of optimal operating conditions and wick structures.
Das Projekt "Der Einfluss von Modellfehlern auf ENSO Projektionen für das 21. Jahrhundert" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsche Forschungsgemeinschaft durchgeführt. El Niño/Southern Oscillation (ENSO) ist die dominate Mode der Klimavariabilität des gekoppelten Ozean-Atmosphäre-Systems im tropischen Pazifik und ergibt sich aus einem komplexen Zusammenspiel zwischen verstärkenden und dämpfenden Feedbacks. Angesichts seiner großen sozioökonomischen Auswirkungen ist es sehr wichtig genau vorherzusagen, wie sich ENSO unter der globalen Erwärmung verändern wird. Obwohl in den letzten Jahrzehnten Verbesserungen bei der Simulation von ENSO erreicht wurden, bleibt eine realistische Darstellung von ENSO und seiner Projektion unter der globalen Erwärmung eine Herausforderung. Die Projektionen von ENSO unterscheiden sich stark zwischen den Klimamodellen, die an den Phasen 3 und 5 des Coupled Model Intercomparison Project (CMIP3 und CMIP5) teilnehmen. Obwohl diese Modelle ENSO simulieren, der in einfachen Indizes mit Beobachtungen übereinstimmt, unterscheidet sich die zugrunde liegende Dynamik stark von der beobachteten. In Beobachtungen wächst eine anfängliche SST-Anomalie während ENSO-Ereignissen durch windinduzierte Änderungen der Ozeandynamik. Dieser Tendenz wirkt ein dämpfendes Feedback der atmosphärischen Wärmeflüsse entgegen, insbesondere durch die Sonneneinstrahlung (SW) und latenten Wärmeflüsse. In den meisten Klimamodellen ist jedoch das Wind-SST-Feedback zu schwach und das SW-SST-Feedback fehlerhaft positiv, so dass ENSO ein Hybrid aus Wind-getriebener und SW-getriebener Dynamik ist. In den Modellen mit dem größten Fehler trägt der SW-SST-Feedback zum Wachstum der SST-Anomalie in ähnlichem Maße wie das Wind-SST-Feedback bei. In den Klimamodellen existiert ein breites Spektrum an ENSO-Dynamiken, das die große Streuung der ENSO-Projektionen für das 21. Jahrhunderts erklären könnte.Im IMBE21C-Projekt untersuchen wir die Auswirkungen der Modellfehler auf die ENSO-Projektionen. Mit einer neuen Methode, der „Offline Slab Ocean SST“, können wir die Rolle der verstärkenden und dämpfenden Feedbacks quantifizieren. Dafür separieren wir die SST-Änderungen der Wind-getriebenen Meeresdynamik von der durch atmosphärische Wärmeflüsse verursacht werden. In diesem Projekt werden wir diese Methode verwenden, um den Antrieb und die Dämpfung in der beobachteten ENSO-Dynamik zu quantifizieren und mit dem in Klimamodellen simulierten ENSO zu vergleichen, um die Fehler in der simulierten ENSO-Dynamik zu identifizieren und zu quantifizieren. Des Weiteren werden wir den Einfluss der fehlerhaften ENSO-Dynamik auf die Projektionen von ENSO im Klimawandel analysieren, indem wir die Modelle in Gruppen mit realistischer und fehlerhafter ENSO-Dynamik unterteilen. Darüber hinaus werden wir die Gesamtunsicherheit der projizierten ENSO-Amplitudenänderung in Modellunsicherheit, Szenariounsicherheit und Unsicherheit aufgrund interner Variabilität aufteilen. Insgesamt zielt das IMBE21C Projekt darauf ab, durch innovative Methoden die Quellen von Unsicherheiten in ENSO-Projektionen zu identifizieren und diese zu reduzieren.
Das Projekt "Cloud-scale Uncertainties - B4: Radiative heating and cooling at cloud scale and its impact on dynamics" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Ludwig-Maxililians-Universität München, Meteorologisches Institut, Lehrstuhl für Experimentelle Meteorologie durchgeführt. Clouds are important sources and sinks of diabatic heat, not only in terms of latent heat release but also with respect to absorption of solar radiation as well as absorption and emission of thermal radiation. Additionally, cloud shadows on the ground modify surface heating and thus sensible and latent heat fluxes. Although it has been demonstrated that cloud top cooling may reach values of several 100 K/day and that this may have a strong impact on cloud microphysics and local cloud evolution, it has not been demonstrated that there is actually an effect on weather, larger scale dynamics, and on atmospheric flow. This is even more true for radiative cooling from cloud sides which has been shown to reach values comparable to cloud top cooling but is completely neglected by any (one-dimensional) radiation scheme in current NWP or climate models. Radiation firstly affects the growth of cloud droplets, increasing (in case of thermal cooling) or decreasing (in case of solar heating) the rate by which they dissipate the energy released by latent heat. Secondly, the surrounding air is cooled or heated which directly feeds back on dynamics. The aim of the project is to study the question if realistic, three-dimensional radiative heating rates have an impact on cloud formation, and if there is an impact on atmospheric flow beyond cloud scale. To answer these questions, a reasonably fast but accurate representation of radiative heating rates in clouds will be developed for a cloud scale (EULAG) and an NWP model (COSMO). The project builds upon our previous work on three-dimensional heating and cooling rates and on development of reasonably fast approximations. A parameterization of heating rates depends strongly on the scale. For a cloud-resolving model like EULAG with a 100 m grid size and smaller, different approaches are needed compared to a numerical weather forecast model like COSMO: A cloud-resolving model allows properly resolving the radiation processes, but three-dimensional radiation transport requires interaction between many grid columns in the calculation which is a challenge for parallelization. The resolution of COSMO, on the other hand, requires parameterization of un-resolved cloud edge effects and sub-pixel cloudiness, but would need less interaction between individual grid columns. As a first step, we will study the impact of radiative heating and cooling in clouds on local circulation at cloud scale. For that purpose, an accurate yet fast approximation for 3D solar and thermal heating and cooling rates will be developed for the EULAG model in order to systematically study effects for a set of cloud-resolving simulations. (abridged text)
Das Projekt "Teilprojekt TGA" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen University, E.ON Energy Research Center, Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik durchgeführt. Der nicht synchrone Lastgang von Energienachfrage und -angebot macht Energiespeichersysteme erforderlich. Insbesondere bei den regenerativen Energien oder der gekoppelten Energieerzeugung sind Energiespeicher unabdingbar, da hier die Freiheitsgrade bei der Energieerzeugung noch stärker eingeschränkt sind. Aber auch die Energieverteilung bietet noch Potentiale zur Effizienzsteigerung. Emulsionen aus Wasser/Paraffin als Kälte-/ Wärmeträger und als Speichermedium für Versorgungssysteme können als Alternative zu Wasser eingesetzt werden, wobei sie im Vergleich zu Wasser eine deutlich höhere Energiedichte besitzen. Die höhere Energiedichte der Emulsionen basiert auf dem Phasenwechsel des Paraffins in einem vorgegeben Temperaturbereich. Im Gegensatz zu Wasser kann mit den Emulsionen nicht nur die sensible Wärme über eine Temperaturspreizung, sondern auch die latente Wärme des Phasenwechsels genutzt werden. Die Ergebnisse werden national und international publiziert. Das E.ON ERC wird die Daten allen Versorgern zugänglich machen.
Das Projekt "Cloud-scale Uncertainties - B7: Identification of robust cloud patterns via inverse methods" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Institut für Physik der Atmosphäre durchgeführt. Cloud patterns and structures in clouds depend crucially on the atmospheric flow field as well as thermodynamic conditions at cloud formation. However, it is not clear how robust these structures are in terms of variations in environmental conditions (e.g., humidity, temperature, etc.) as well as parameters in cloud parameterizations. Since cloud patterns on the order of few tens of kilometers can in turn influence the atmospheric flow via organized latent heat release or radiation feedbacks, the robustness of cloud structures is an important feature. In this project we will investigate variations in cloud variables and cloud structures due to different sources of uncertainties. First, variations in cloud variables are driven by parameters in cloud parameterizations (i.e. in the representation of cloud processes in the cloud models). Second, variations in environmental conditions might lead to different pathways of cloud formation and evolution. In order to determine the variations due to different sources of uncertainties, we will apply inverse methods. We will setup a simple but realistic analytical cloud model, consisting of a set of ordinary differential equations, which will subsequently be coupled to hyperbolic conservation laws associated to sedimentation processes. This model will be coupled to simple dynamics in the sense of kinematic frameworks. We will use a Bayesian approach to obtain confidence intervals for the unknown model parameters, in combination with sparsity enhancing priors. This analysis will also point out potentials for further reduction of the model complexity. In order to assess the variations of initial cloud conditions, we will use two different but complementary methods. As first method, we will use the analytical cloud model coupled to simple dynamics for time-reversal calculations, integrating the model backward in time and evaluating its variation due to perturbed 'initial' conditions. The method will lead to a full spread in variations, but might break down at bifurcations in the system. Complementary to the first approach, we will develop an adjoint model for the analytical cloud model, to be employed for an iterative solution of the inverse problem. This sophisticated approach will provide possible initial cloud configurations under the assumption of convergence, but will not address possible pathways and not detect different initial states that give similar 'observations at weather stations'. Finally, we will collect results from the different but complementary methods in order to determine in a synthesis the variability of cloud variables and cloud patterns due to variations in model parameter as well as cloud environmental conditions.
Das Projekt "Nutzung von TRMM-Daten fuer verbesserte Wetter- und Klimavorhersagen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. - Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum durchgeführt. General Information: The Tropical Rainfall Measurement Mission (TRMM) will be the first satellite for earth observation to embark a precipitation radar, in association with a microwave and VIS/IR imaging radiometer, in order to provide accurate measurements of the precipitation from space. Its inclination of orbit (+35A ) will allow to cover the tropical belt, where the latent heat release by deep convection is of major importance, and where the systematic observations are scarce. TRMM is a joint effort of the US and Japanese space agencies (NASA and NASDA), and will be launched in November 97, for a nominal life time of three years. The access of the European scientific community to the TRMM data constitutes an exceptional opportunity to test the impact of improved measurements of the global precipitation on the numerical weather prediction. This proposal arises from a group of European scientists whose competence covers remote sensing of the surface and of the atmosphere by active and passive techniques, moist convection dynamics, physics of the precipitation, large scale atmospheric dynamics and climate, operational numerical weather prediction. The objective of this group is twofold: (i) to process the TRMM data and products in order to provide assimilation data, or verification data for a numerical weather prediction (NWP) model; and (ii) to attempt assimilation of the precipitation data in a NWP model, and/or to use the precipitation data for testing and tuning schemes for paramerisation of convection. It is expected that this study, definitely driven by operational application would result in: - the development of better methods to assimilate SSM/I radiances in NWP models; - the validation and improvement of convection schemes in NWP models; - improved prediction of tropical storms and precipitation forecasts; - valuable guidance for the optimisation of future satellite observing systems. This proposal is fully compliant with Theme 3 of the work programme ('Space techniques Applied to Environmental Monitoring and Research'), area 3.1.2 ('Pilot Projects'), since two users are involved in the proposal. It is also relevant to Theme 1 - area 1.1.3 (Climate variability, simulation of climate and predichon of climate change), since it should lead to an improved representation of moist convection, a key dynamical process in a dynamical climate model. Prime Contractor: Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre d'Etude des Environnements Terrestre et Planetaire (UMR 9988); Velizy-Villacoublay/France.
Das Projekt "Entwicklung von Latentspeichern und Wärmesystemen für die effiziente Nutzung von Solarenergie unter Glas und Folie" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Lehr- und Versuchsanstalt Gartenbau Erfurt, Fachbereich Zierpflanzenbau durchgeführt. 1. Vorhabenziel: Durch den Einsatz von Latentspeichermaterialien lässt sich im Unterglasgartenbau Überschusswärme des Tages für die Verwendung als Heizenergie in der Nacht nutzbar machen. Nach Berechnungen des Institutes für Technik im Gartenbau der Uni Hannover (DAMRATH 1978) lässt sich der gesamte Heizenergiebedarf theoretisch durch Solarenergie abdeckent. Der Aufwand für die notwendige Sommer-Winter-Speicherung ist jedoch unvertretbar hoch. Latentwärmespeicher mit wesentlich geringeren Volumina haben hierbei deutliche Vorteile. Ziel des Projektes ist es, den für den Gartenbau geeigneten Latentspeicher auszuwählen, eine optimale Anordnung im Gewächshaus zu prüfen und einen Prototyp zu entwickeln. 2. Arbeitsplanung: Im Rahmen der Voruntersuchungen im 1. Jahr sollen Kennwerte verschiedener PCM erarbeitet und geprüft werden, ob die Stoffeigenschaften unter Gewächshausbedingungen erreicht werden. Danach kann ein Prototyp einer PCM-Heizung aufgebaut werden. Die Anlage soll im 2. Jahr auf ihre thermische Leistungsfähigkeit untersucht werden. Die Optimierung des Systems erfolgt im 3. Jahr.3. Ergebnisverwertung: Die Sitzendorfer Porzellanmanufaktur mit ihren Partnern soll die PCM-Heizung im Gartenbau einführen.
Das Projekt "Mit einem latenten Waermespeicher verbundenes, waermepumpenunterstuetztes Raumheizungssystem" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Institut für Kerntechnik und Energiewandlung durchgeführt. Objective: The demonstration of the utilization of an isothermal latent heat store, integrated with a heat pump assisted space heating system for an existing large one-family house (240 m2). The latent store is designed to serve a dual purpose: 1. to act as a buffer storage, 2. to act as a stop-gap storage, delivering heat to the space heating circuit during those times of the day when the electric utilities may cut off the supply of electricity to the heat pump. Measurements shall be undertaken to demonstrate the long-term dynamic behaviour and the performance of the selected space heating system as a whole. Furthermore, the economics of the heat pump system employing a latent heat store shall be examined and visits to the demonstration unit shall be organised. General Information: The existing system is an oil-fired boiler and a central-heating with tube radiators. The new heating system comprises an outdoor heat pump, an oil-fired low temperature boiler, a separate domestic hot water tank, and the latent heat store. The latent heat store comprises a number of extruded aluminium tubes with a square outer cross section and an inner coolant carrying tube. The space between the fins is filled with the storage material, a mixture of two fatty acids with a melting point of 47 to 49 C. The heat pump is chosen to meet the heating requirements of the home at outdoor temperatures of + 2 C and above. At outdoor temperatures between + 2 C and - 8 C the heat pump together with the boiler will be in operation. At outdoor temperatures below - 8 C the boiler alone will supply the heat demand of the house and the heat pump will be cut off. For the existing radiators which are oversized, the maximum supply temperature and the corresponding return temperature should be 65 C and 47 C, respectively. The system is divided in two main hydraulic cycles. This is necessary because the mass flow rate in the heat distribution system (user cycle) is lower than the mass flow rate in the heat pump cycle. In this way the latent heat store can be charged during the night, when the user cycle is switched off. The generation of hot water has the highest priority. The controlling is divided in two main controlling cycles, day-time and night-time. The night-time controlling cycle is especially designed to charge the latent heat store. The storage capacity is chosen in such a way that the heat demand of the home can be met during the non-working periods of the heat pump at outdoor temperatures above + 2 C. Actually 30 kWh of latent heat capacity was installed, for a discharge time of 4.5 hours. Achievements: 1. The monitoring programme covered 196 days of full operation. The storage was used in a free running mode, i.e. it was used both as buffer store and also to supply heat at defrosting. The comfort conditions were controlled by the owner requirements. 2. During the normal operation the fraction of heat load provided by the heat pump was approximately 80 per cent, achieved ...
Das Projekt "Upscale Error Growth - A3: Model error and uncertainty for midlatitude cyclones analyzed using campaign data" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Ludwig-Maximilians-Universität München, Institut für Meteorologie, Lehrstuhl für Theoretische Meteorologie durchgeführt. In this project, data from a transatlantic measurement campaign will be used to investigate how processes such as the release of latent heat in clouds modify the atmospheric wave pattern. This upscale effect is crucial for the predictability of weather, but difficult to characterize because of the huge range of scales involved. The use of data from a field campaign especially designed to observe these processes, with multiple aircraft and state of the art remote sensing instruments, will provide an unprecedented window into the dynamics of upscale growth, and provide an essential ground truth for related projects in W2W that make use of routine observations and numerical models. In particular, the three-dimensional structure of synoptic-scale waves over the North Atlantic and the influence of triggering features related to diabatic processes are investigated based on a comprehensive and unprecedented data set that will be observed during NAWDEX (North Atlantic Waveguide and Downstream Impact Experiment) in 2016. In the midlatitudes, forecast skill of high impact weather is often linked to the correct representation of the waveguide, i.e., the strong potential vorticity (PV) gradient on isentropic surfaces collocated with the jet stream. It is expected that diabatic processes related to different dynamic systems, such as warm conveyor belts (WCBs) associated with extratropical cyclones or tropical systems transitioning in the extratropics, interact with the waveguide. Inadequately reproduced diabatic processes can cause systematic errors in the waveguide. The internationally coordinated field experiment NAWDEX aims at investigating triggering mechanisms of the midlatitude waveguide, the evolution of Rossby waves along the waveguide and the downstream impact of diabatically modified PV anomalies. This project will identify systematic errors in the representation of the waveguide in NWP models and their relation to diabatic processes. Based on a multitude of remote sensing and in-situ observations the three-dimensional structure of the waveguide and the interaction with diabatic systems will be characterized. Errors of the waveguide will be manifested as errors in the PV distribution. The first-time deployment of a wind lidar and a microwave temperature profiler onboard an aircraft allows to develop a new method to derive PV from collocated wind and temperature observations. By comparing the observations and analysis fields, initial condition errors in relation to diabatic processes will be evaluated. In collaboration with Project A7 the predictability of the NAWDEX cases and their relation to diabatic processes will be studied.
Das Projekt "MOisture Transport pathways and Isotopologues in water Vapour (MOTIV)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Department Troposphärenforschung durchgeführt. Das Zusammenspiel von atmosphärischem Wasser und Zirkulation über Beeinflussung des Strahlungshaushalts, den Transport latenter Wärme und Rückkopplungsmechanismen von Wolken ist eines der bedeutendsten Hindernisse für das Verständnis des Klimasystems. Ein Vergleich zwischen Modellen verschiedener Auflösungen und Parameterisierungen kann wertvolle Einblicke in die Problematik geben. Jedoch werden für aussagekräftige Modelltests Messdaten benötigt. In diesem Zusammenhang können Isotopologen des troposphärischen Wasserdampfs eine wichtige Rolle spielen. Das Isotopologenverhältnis reflektiert die Bedingungen am Ort des Feuchteeintrags sowie verschiedene Umwandlungsprozesse (z.B. in Wolken). Während der letzten Jahre gab es großen Fortschritt beim Modellieren und Messen der Isotopologenverhältnisse, so dass kombinierte Untersuchungen nun global zeitlich und räumlich hochaufgelöst durchführbar sind. Das Ziel dieses Projektes ist es, Wasserdampfisotopologe als neue Methode zu etablieren, um modellierte atmosphärische Feuchteprozesse zu testen und damit einige der größten Herausforderungen der aktuellen Klimaforschung anzugehen. Um statistisch robuste Untersuchungen zu ermöglichen, werden wir eine große Anzahl von (H2O, delta D)-Paaren messen (delta D ist das standardisierte Verhältnis zwischen den Isotopologen HD16O und H216O). Zum ersten Mal wird dann ein validierter Beobachtungsdatensatz zur Verfügung stehen, der große Gebiete, lange Zeiträume und verschiedene Tageszeiten abdeckt. Gleichzeitig wird ein hochauflösendes meteorologisches Modell, welches die Isotopologe simuliert, benutzt, um zu untersuchen inwiefern sich Eintrag und Transport von Feuchte in den Isotopologen wiederspiegeln. Diese Kombination von Messung und Modell ist einzigartig zum Testen der Modellierung von Feuchteprozessen. Das Potential der Isotopologen wird anhand von drei klimatisch interessanten Regionen aufgezeigt. Für Europa wird unser Ansatz einen wertvollen Einblick in den Zusammenhang zwischen Feuchteeintrag und den Isotopologen im Falle hochvariablen Wettergeschehens geben. Über dem subtropischen Nordatlantik werden wir Mischprozessen zwischen der marinen Grenzschicht und der freien Troposphäre untersuchen. Die verschiedenartige Einbindung dieser Prozesse in Modelle ist sehr wahrscheinlich ein Grund für die große Unsicherheit bei Rückkopplungsmechanismen von Wolken. Über Westafrika wird die Modellierung des Monsuns getestet (horizontaler Feuchtetransport, Feuchterückfluss von Land in die Troposphäre, und Tagesgänge in Zusammenhang mit vertikalen Mischprozessen). Die Frage, wie organisierte Konvektion die Monsunzirkulation und die Feuchtetransportwege beeinflusst, wird dabei von besonderem Interesse sein. In Kombination werden die Ergebnisse helfen, Defizite in aktuellen Wetter- und Klimamodellen aufzuspüren und besser zu verstehen, und dadurch einen wichtigen Beitrag für zukünftige Modellverbesserungen liefern.
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