Innovative Wärmespeicherkonzepte mit Adsorptionskreisläufen in der Gebäudetechnik

Speicherung von Wärme spielt eine wichtige Rolle, um die Diskrepanz zwischen Verfügbarkeit und Bedarf von Energie zu verringern, die insbesondere durch den zunehmenden Einsatz von fluktuierenden Energieformen auftritt. Zusätzlich wird bei vielen industriellen Prozessen Abwärme erzeugt, die mit Hilfe geeigneter Speicher nutzbar gemacht werden kann. Auch eine Anwendung bei Kraft-Wärme-Kopplung-Systemen mit BHKW, bei der die Speicher die in Blockheizkraftwerken überschüssig produzierte Wärme speichern können, ist vielversprechend. Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei Konzepte von Wärmespeichern vorgestellt und numerisch untersucht, ein kaskadierender Adsorptionsspeicher und ein sorptionsunterstützter Wasserspeicher. Bei beiden betrachteten Speichersystemen wird eine Adsorptionswärmepumpe eingesetzt mit dem Ziel, die Energiespeicherdichte und die Effizienz der Systeme zu erhöhen. Beim kaskadierenden Speicher wird die Adsorptionswärme aus einem Zeolithspeicher genutzt, um die Adsorptionswärmepumpe zu desorbieren.Wenn die Temperatur der Adsorptionswärme dazu nicht mehr ausreicht, wird diese direkt genutzt. Beim sorptionsunterstützten Wasserspeicher wird die Wärme aus dem oberen Teil eines temperaturgeschichteten Wasserspeichers zur Desorption der Adsorptionswärmepumpe eingesetzt. Auch hier wird nach dem Ende des Wärmepumpenbetriebes die restliche Wärme direkt genutzt. Als technische Zielgrößen für die Untersuchungen werden die volumetrische Speicherdichte und die Speichereffizienz herangezogen. Zusätzlich wird die Entnahmeleistung aus den Speichersystemen simuliert. Für die Untersuchungen wird ein Temperaturhub von 30 K zwischen Verdampfertemperatur und Nutzniveau angenommen, der passend für einen Einsatz im Gebäudebereich ist, allerdings eine große Herausforderung für die Systeme darstellt. Eine Variation des Temperaturhubes zeigt, dass der Temperaturhub einen großen Einfluss auf die Zielgrößen hat. Auch das Systemvolumen trägt wesentlich zur Berechnung der Speicherdichte bei. Durch den Einsatz des kaskadierenden Speichers kann eine Erhöhung von Speicherdichte und Speichereffizienz gegenüber einem unkaskadierten Speicher erzielt werden. Mit einem Adsorbervolumen von 1 m³ wird eine Speicherdichte von 60 kWh/m³ auf Systemebene erreicht. Durch eine Skalierung des Adsorbers auf 4 m³ kann die Speicherdichte auf 88 kWh/m³ erhöht werden, da die übrigen Systemkomponenten weniger stark skaliert werden müssen. Mit dem sorptionsunterstützten Wasserspeicher wird eine Speicherdichte von 53 kWh/m³ bei einer Effizienz von 1,09 erreicht. Die erreichbare Speicherdichte ist gegenüber einem direkt entladenen sensiblen Wasserspeicher mit den gleichen Randbedingungen nur leicht erhöht, da für das SAWS-System die zusätzlichen Komponenten mit einbezogen werden müssen. Zusätzlich zu den numerischen Untersuchungen wird in einem experimentellen Teil die Einströmung von warmem Wasser in einen Plexiglastank betrachtet. Dabei wird ein Vergleich zwischen einer Einströmung durch einen Freistrahl und zwei Einströmgeometrien gezogen. Bei den Einströmgeometrien handelt es sich um einen waagerecht eingesetzten Ring mit Bohrungen an der Innenseite, durch die das Wasser in den Tank eintreten kann, und ein Beladerohr, bei dem auf der gesamten Mantelfläche Löcher für die Ausströmung angebracht sind. Sowohl beim Ring als auch beim Rohr ist eine poröse Struktur auf die Oberfläche aufgebracht, um die Einströmung zu homogenisieren. Die Auswertung der MIX-Zahl und der Temperaturverteilungen innerhalb des Speichers zeigen, dass mit beiden Geometrien die Einströmverluste reduziert werden können. Abschließend wird die Einbindung der beiden Speicher in ein BHKW-System als mögliches Einsatzszenario untersucht und eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung sowie eine Auswertung der Kohlenstoffdioxid-Emissionen durchgeführt. Aus dem Anwendungsfall lässt sich erkennen, dass durch die Integration der Speicher die Verbrauchskosten und die CO2-Emissionen gegenüber einem Referenzsystem mit Gasbrennwertkessel gesenkt werden können. Den größten Einfluss hat dabei allerdings das BHKW, die zusätzlichen Speicher bringen aufgrund der größeren Kapitalkosten nur noch geringe Mehreinsparungen

Bsx, a novel hypothalamic factor linking feeding with locomotor activity, is regulated by energy availability

Es un estudio en modelos de rata acerca del papel de BSX, la actividad y la alimentación.We recently reported that the hypothalamic homeobox domain transcription factor Bsx plays an essential role in the central nervous system control of spontaneous physical activity and the generation of hyperphagic responses. Moreover, we found Bsx to be a master regulator for the hypothalamic expression of key orexigenic neuropeptide Y and agouti gene-related protein. We now hypothesized that Bsx, which is expressed in the dorsomedial and arcuate nucleus (ARC) of the hypothalamus, is regulated by afferent signals in response to peripheral energy balance. Bsx expression was analyzed using in situ hybridization in fed vs. fasted (24 h) and ghrelin vs. leptin-treated rats, as well as in mice deficient for leptin or the ghrelin signaling. Ghrelin administration increased, whereas ghrelin receptor antagonist decreased ARC Bsx expression. Leptin injection attenuated the fasting-induced increase in ARC Bsx levels but had no effect in fed rats. Dorsomedial hypothalamic nucleus Bsx expression was unaffected by pharmacological modifications of leptin or ghrelin signaling. Obese leptin-deficient (ob/ob) mice, but not obese melanocortin 4 receptor-knockout mice, showed higher expression of Bsx, consistent with dependency from afferent leptin rather than increased adiposity per se. Interestingly, exposure to a high-fat diet triggered Bsx expression, consistent with the concept that decreased leptin signaling due to a highfat diet induced leptin resistance. Our data indicate that ARC Bsx expression is specifically regulated by afferent energy balance signals, including input from leptin and ghrelin. Future studies will be necessary to test if Bsx may be involved in the pathogenesis of leptin resistance

Global maps of soil temperature

Research in global change ecology relies heavily on global climatic grids derived from estimates of air temperature in open areas at around 2 m above the ground. These climatic grids do not reflect conditions below vegetation canopies and near the ground surface, where critical ecosystem functions occur and most terrestrial species reside. Here, we provide global maps of soil temperature and bioclimatic variables at a 1-km2 resolution for 0–5 and 5–15 cm soil depth. These maps were created by calculating the difference (i.e. offset) between in situ soil temperature measurements, based on time series from over 1200 1-km2 pixels (summarized from 8519 unique temperature sensors) across all the world\u27s major terrestrial biomes, and coarse-grained air temperature estimates from ERA5-Land (an atmospheric reanalysis by the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts). We show that mean annual soil temperature differs markedly from the corresponding gridded air temperature, by up to 10°C (mean = 3.0 ± 2.1°C), with substantial variation across biomes and seasons. Over the year, soils in cold and/or dry biomes are substantially warmer (+3.6 ± 2.3°C) than gridded air temperature, whereas soils in warm and humid environments are on average slightly cooler (−0.7 ± 2.3°C). The observed substantial and biome-specific offsets emphasize that the projected impacts of climate and climate change on near-surface biodiversity and ecosystem functioning are inaccurately assessed when air rather than soil temperature is used, especially in cold environments. The global soil-related bioclimatic variables provided here are an important step forward for any application in ecology and related disciplines. Nevertheless, we highlight the need to fill remaining geographic gaps by collecting more in situ measurements of microclimate conditions to further enhance the spatiotemporal resolution of global soil temperature products for ecological applications

Global maps of soil temperature

Research in global change ecology relies heavily on global climatic grids derived from estimates of air temperature in open areas at around 2 m above the ground. These climatic grids do not reflect conditions below vegetation canopies and near the ground surface, where critical ecosystem functions occur and most terrestrial species reside. Here, we provide global maps of soil temperature and bioclimatic variables at a 1-km² resolution for 0–5 and 5–15 cm soil depth. These maps were created by calculating the difference (i.e., offset) between in-situ soil temperature measurements, based on time series from over 1200 1-km² pixels (summarized from 8500 unique temperature sensors) across all the world’s major terrestrial biomes, and coarse-grained air temperature estimates from ERA5-Land (an atmospheric reanalysis by the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts). We show that mean annual soil temperature differs markedly from the corresponding gridded air temperature, by up to 10°C (mean = 3.0 ± 2.1°C), with substantial variation across biomes and seasons. Over the year, soils in cold and/or dry biomes are substantially warmer (+3.6 ± 2.3°C) than gridded air temperature, whereas soils in warm and humid environments are on average slightly cooler (-0.7 ± 2.3°C). The observed substantial and biome-specific offsets emphasize that the projected impacts of climate and climate change on near-surface biodiversity and ecosystem functioning are inaccurately assessed when air rather than soil temperature is used, especially in cold environments. The global soil-related bioclimatic variables provided here are an important step forward for any application in ecology and related disciplines. Nevertheless, we highlight the need to fill remaining geographic gaps by collecting more in-situ measurements of microclimate conditions to further enhance the spatiotemporal resolution of global soil temperature products for ecological applications

Global maps of soil temperature.

Research in global change ecology relies heavily on global climatic grids derived from estimates of air temperature in open areas at around 2 m above the ground. These climatic grids do not reflect conditions below vegetation canopies and near the ground surface, where critical ecosystem functions occur and most terrestrial species reside. Here, we provide global maps of soil temperature and bioclimatic variables at a 1-km2 resolution for 0-5 and 5-15 cm soil depth. These maps were created by calculating the difference (i.e. offset) between in situ soil temperature measurements, based on time series from over 1200 1-km2 pixels (summarized from 8519 unique temperature sensors) across all the world's major terrestrial biomes, and coarse-grained air temperature estimates from ERA5-Land (an atmospheric reanalysis by the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts). We show that mean annual soil temperature differs markedly from the corresponding gridded air temperature, by up to 10°C (mean = 3.0 ± 2.1°C), with substantial variation across biomes and seasons. Over the year, soils in cold and/or dry biomes are substantially warmer (+3.6 ± 2.3°C) than gridded air temperature, whereas soils in warm and humid environments are on average slightly cooler (-0.7 ± 2.3°C). The observed substantial and biome-specific offsets emphasize that the projected impacts of climate and climate change on near-surface biodiversity and ecosystem functioning are inaccurately assessed when air rather than soil temperature is used, especially in cold environments. The global soil-related bioclimatic variables provided here are an important step forward for any application in ecology and related disciplines. Nevertheless, we highlight the need to fill remaining geographic gaps by collecting more in situ measurements of microclimate conditions to further enhance the spatiotemporal resolution of global soil temperature products for ecological applications