Advances in Sustainable Building Materials, Design and Energy Systems
- 2025
- Buch
- Herausgegeben von
- Sanjay Kumar
- Brahim ElBhiri
- Verlag
- Springer Nature Switzerland
Über dieses Buch
Dieses Buch ist eine großartige Gelegenheit, die Forschungsgemeinschaft dazu zu bringen, die gefährlichen ökologischen Herausforderungen wie den Klimawandel und seine enormen Auswirkungen zu diskutieren, zusätzlich zur Abhängigkeit der Welt von fossilen Brennstoffen und nicht erneuerbaren Ressourcen. In den letzten Jahren haben sich die Autoren auf die Fortschritte der Technologie konzentriert und darauf, wie sie unser Leben verbessern kann, aber die Autoren übersehen oft die Tatsache, dass sie einen nicht nachhaltigen Ansatz schafft, der hohe Kosten verursacht und einen nachhaltigen Ansatz für Städte notwendig macht, der sich auf zugängliche öffentliche Verkehrsmittel, Energie, Wasser und Lebensmittelsicherheit konzentriert und kompakte Textilbereiche regeneriert. Um zu diskutieren, wie dieser nachhaltige Ansatz erreicht werden kann, veranstaltete IEREK vom 3. bis 4. Oktober 2024 die Konferenz Advances in Energy Research, Materials Science and Built Environment (EMBE) mit Teilnehmern aus aller Welt. Es bietet die Gelegenheit, Ideen und Lösungen zu Stadtplanung, nachhaltiger Architektur, Klimaschutz und innovativem Design auszutauschen. Die EMBE-Konferenz beherbergt eine Vielzahl sachkundiger Hauptredner und Forscher, die über die Integration von Technologie in nachhaltige Stadtplanung, grünen Urbanismus, die Erhaltung von Küstengebieten, innovative erneuerbare Materialien und reaktionsfähige Architektur diskutierten. Das Buch deckt ein breites Spektrum wissenschaftlicher Erkenntnisse ab, die die Menschheit in eine nachhaltige und grünere Zukunft führen können.
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Über dieses Buch
This book is a great opportunity to make the research community discuss the dangerous environmental challenges such as climate change and its huge effects in addition to the world's reliance on fossil fuel and non-renewable resources.
In recent years, the authors have been focused on the advancements of technology and how it can improve our lives, but the authors often overlook the fact that it is creating an unsustainable approach that comes at a high cost which makes a sustainable approach to cities necessary, focusing on accessible public transport, energy, water, and food security, and regenerating compact fabric areas.
To discuss how to reach this sustainable approach, IEREK held the Advances in Energy Research, Materials Science and Built Environment (EMBE) conference from October 3 to 4, 2024, with attendees from all over the world.
It provides an opportunity to exchange ideas and solutions on urban planning, sustainable architecture, climate change mitigation, and innovative design.
The EMBE conference hosts a variety of knowledgeable keynote speakers and researchers who discussed the integration of technology in sustainable urban planning, green urbanism, preservation of coastal areas, innovative renewable materials, and responsive architecture. The book covers a wide range of scientific knowledge that can lead humanity toward a sustainable and greener future.
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Inhaltsverzeichnis
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Power Systems and Energy Performance
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Fast and Reliable Power System Marginal States Assessment for Emergency Control Systems
Dmitrii Baluev, Mazhar Ali, Elena GryazinaDas Kapitel behandelt die entscheidende Herausforderung, die Stabilität moderner Energiesysteme aufrechtzuerhalten, die sich aufgrund von Dekarbonisierung, Dezentralisierung und Digitalisierung rapide wandeln. Er führt die Transversality Enforced Newton-Raphson (TENR) -Methode zur zuverlässigen Grenzzustandsbewertung ein und schlägt einen Ansatz zur Bussensitivitätsanalyse vor, bei dem der Einzelwertabbau verwendet wird. Dieser Ansatz ermöglicht es, die effektivsten Busse für die Durchführung von Notfallmaßnahmen wie Lastabwurf zu identifizieren, um die Stabilitätsmargen zu maximieren. Das Kapitel bietet eine umfassende Untersuchung der TENR-Methode, einschließlich Transversalitätsbedingungen und algorithmischer Rahmenbedingungen, und demonstriert die Effektivität der Bus-Sensitivitätsanalyse durch numerische Experimente an beanspruchten Stromversorgungssystemen. Durch die Integration dieser fortschrittlichen Techniken stellt das Kapitel einen bedeutenden Fortschritt in Richtung Online-Notfallkontrollsysteme dar und verbessert die sichere und zuverlässige Integration erneuerbarer Energiequellen in Stromnetze.KI-Generiert
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AbstractThe increasing integration of renewable energy sources, energy storage systems, and power electronics has led to a significant rise in the variability and unpredictability of both load and generation. Consequently, the speed at which system operating parameters change has accelerated dramatically. As a result, there is a growing demand for rapid and reliable algorithms for marginal state assessment in power systems. This paper examines the recently proposed Transversality Enforced Newton–Raphson (TENR) method for marginal state assessment and proposes its improvement. The TENR has been augmented by introducing bus sensitivity analysis, which allows us to find the most effective bus for the deployment of emergency control action. The effectiveness of the proposed approach is illustrated through case studies involving the WSCC 9-bus and IEEE 14-bus test systems. -
Microgrid Optimization Using a Developed Model of Genetic Algorithm Under MATLAB
Kamal Anoune, Anas El MalikiDas Kapitel konzentriert sich auf die Optimierung von Mikronetzen, insbesondere die Dimensionierung von Komponenten wie Photovoltaik-Modulen, Windturbinen und Batterien, wobei ein in MATLAB entwickelter genetischer Algorithmus zum Einsatz kommt. Es stellt die mathematische Modellierung von Energiemanagementstrategien vor, einschließlich der Stromerzeugung aus Solar- und Windenergie sowie Energiespeichern. Die Wahrscheinlichkeit des Verlusts der Stromversorgung (LPSP) und die Energiekosten (Levelized Cost of Energy, LCE) sind Schlüsselgrößen zur Bewertung der Leistung und Kosteneffizienz des Mikronetzes. Der genetische Algorithmus wird eingesetzt, um diese Kennzahlen zu optimieren, was zu Konfigurationen führt, die Zuverlässigkeit und Kosten ins Gleichgewicht bringen. Das Kapitel präsentiert detaillierte Ergebnisse und Diskussionen über die optimale Konfiguration für verschiedene LPSP-Werte, wobei die Zielkonflikte zwischen Zuverlässigkeit und Investitionskosten hervorgehoben werden. Die praktischen Ergebnisse zeigen das Potenzial genetischer Algorithmen beim Entwurf effizienter und kostengünstiger Mikronetze.KI-Generiert
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AbstractEnhancing the grid’s situational awareness and enabling quick adjustments in electricity generation are two of the most crucial goals of microgrids. In these systems, the energy management system (EMS) is responsible for gathering all the necessary data, figuring out an optimization issue, and relaying the results to each microgrid system’s components. A microgrid based on renewable energy systems is designed using a multi-objective optimization approach to the best of its ability. This study takes into account the stochastic characteristics of renewable energy sources in the study area, such as solar radiation, wind speed, and temperature. Genetic algorithm was used to resolve the optimization problem concerning the formulation of the objective function and the constraints. The LPSP and LCE are the optimized objective functions. The outcomes give a recommended configuration size for several of the input problem’s design variables; the optimum LCE solution calculated is 0.1775 $/kWh for an LPSP of 7%, allowing microgrids to occasionally switch to power from grid utilities. -
State of Charge Estimation of the Li-Ion Batteries Using Developed MATLAB Model of Kalman Filtering
Anas El Maliki, Kamal Anoune, Abdessamad Benlafkih, Abdelkader HadjoudjaDieses Kapitel vertieft den kritischen Aspekt der Abschätzung des Ladezustandes von Li-Ionen-Batterien (SOC) und unterstreicht die Bedeutung einer genauen SOC-Abschätzung für den zuverlässigen Betrieb von Batteriemanagementsystemen. Es untersucht die Herausforderungen im Zusammenhang mit SOC-Schätzungen unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen und vergleicht verschiedene Schätzmethoden, einschließlich traditioneller messtechnischer Ansätze und maschineller Lerntechniken. In diesem Kapitel wird das Thevenin-Schaltungsmodell als vereinfachte, aber effektive Darstellung der Dynamik von Li-Ionen-Akkus vorgestellt. Anschließend wird eine umfassende Implementierung des Extended Kalman Filter (EKF) -Algorithmus in MATLAB vorgestellt, der seine überlegene Leistung bei der SOC-Schätzung im Vergleich zu herkömmlichen Methoden unter Beweis stellt. Die Studie wird durch Simulationen auf Grundlage des Lastprofils des Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) validiert, die die praktische Anwendbarkeit des EKF-Algorithmus in realen Szenarien demonstrieren. Die Ergebnisse deuten auf eine signifikante Verbesserung der SOC-Schätzgenauigkeit hin, wobei der mittlere Quadratfehler (RMSE) nur 0,038 (3,8%) beträgt.KI-Generiert
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AbstractLithium-ion battery (LIB) storage systems are widely deployed as energy and power storage devices for electric vehicles. However, it is rather complex to ensure battery safety and performance. To guarantee lithium-ion batteries’ dependability, safety, and acceptable durability in smart gadgets, and electric vehicles, an extended Kalman filter algorithm is used to provide an accurate SoC estimation. An EKF estimating algorithm is deployed on a MATLAB program to assess the Lithium-ion battery SoC, and the NEDC load profile is taken as a Load profile reference. The MATLAB modeling of systems and EKF algorithms has been deployed. The simulation results provide Ampere-Hour and EKF estimations of Lithium-ion battery SoC, moreover, it demonstrates how EKF outperforms the traditional Ampere-Hour algorithm regarding the accuracy of SoC estimation. Indeed, the proposed SoC estimation method performs better results with RMSE being 0.038 (3.8%). -
Electric Vehicle and Photovoltaic System Integration in a Grid-Connected AC Microgrid
Youssef Akarne, Ahmed Essadki, Tamou Nasser, Brahim El Bhiri, Hammadi LaghridatDas Kapitel befasst sich mit der Integration von Elektrofahrzeugen und Photovoltaik-Systemen in ein netzgekoppeltes AC-Mikronetz und geht dabei auf den wachsenden Energiebedarf und Umweltbelange ein. Sie unterstreicht Marokkos Potenzial für erneuerbare Energien, insbesondere Solar- und Windenergie, und die Bedeutung von Mikronetzen in modernen Energiesystemen. Die Arbeit konzentriert sich auf die Modellierung und Steuerung von PVS und Elektrofahrzeugen, die einen effektiven Stromaustausch mit dem Hauptnetz ermöglichen und einen Einheitsleistungsfaktor beibehalten. In diesem Kapitel werden eine zweistufige PVS-Konfiguration, Methoden zur Maximum Power Point Tracking (MPPT) und Netzsynchronisationstechniken vorgestellt. Es werden auch die Steuerungsstrategien für Elektrofahrzeuge diskutiert, einschließlich Batterieladungssteuerung und Wechselrichter-Management. Simulationsergebnisse bestätigen das vorgeschlagene Design und zeigen eine hohe Leistung in Bezug auf Netzqualität und Systemstabilität. Das Kapitel schließt mit der Betonung der erfolgreichen Integration und des Betriebs von PVS und Elektrofahrzeugen innerhalb des Mikronetzes, was zur Entwicklung nachhaltiger und effizienter Energiesysteme beiträgt.KI-Generiert
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AbstractRenewable energy sources can decrease the energy usage of the electricity grid. Various renewable energies are being harnessed to produce electricity. Over the past few years, there has been a notable increase in the adoption of electric vehicles (EVs), which could enhance the integration of distributed renewable energy generation. This paper discusses the design and control of a photovoltaic system and the integration of electric vehicles into a grid-connected AC Microgrid (MG). The system includes a photovoltaic setup connected through a double-stage configuration and an electric vehicle. The paper’s objective is to feed power into the AC bus from the EV and photovoltaic sources while also sharing power with the main grid, maintaining a unity power factor. Regarding grid support, the MG offers ancillary services such as frequency stabilization. The findings show that the proposed system ensures high performance in terms of power quality, stability, and tracking. -
Performance Prediction of PV Modules Operating Outdoor Under Varying Conditions Based on Explicit Model
Fatima Ezzahra Ait Salah, Noureddine Maouhoub, Kawtar TifidatDas Kapitel geht anhand eines expliziten Modells auf die Vorhersage der Leistung von Photovoltaikmodulen unter unterschiedlichen äußeren Bedingungen ein. Es führt einen analytischen Ansatz ein, der auf drei Parametern beruht: Kurzschlussstrom, Leerlaufspannung und Formparameter. Das Modell wird anhand experimenteller Daten von drei verschiedenen Solarmodultypen validiert, die unter realen Bedingungen getestet wurden, und zeigt eine hohe Genauigkeit bei der Vorhersage der täglichen maximalen Leistung. Die Arbeit unterstreicht das Potenzial, diese Methode zur Vorhersage der monatlichen und jährlichen Energieproduktion auszuweiten, was sie zu einer wertvollen Ressource für Fachleute im Sektor der erneuerbaren Energien macht.KI-Generiert
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AbstractIn this paper, we have proposed a new analytical approach to predict the real-time maximum power of PV (photovoltaic) modules operating outside under various temperature and irradiation conditions. Explicit model with one shaped parameter is used to model the behavior of the PV panel. Three analytical models of short-circuit current, open-circuit voltage and shape parameter as a function of temperature module and irradiation level have been proposed to predict I-V curves and the maximum power. To validate our predictive approach, experimental data from three solar panels of different technologies collected by NREL laboratory at the cocoa site in Florida have been used. The measured data of a reference day were used to optimize the various parameters of the three analytical models. Next, the approach is applied to forecast maximum power of two other selected days. Furthermore, the predictive and measured maximum power values are in good agreement and the normalized error has not exceeded 3%.
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Energy Efficient Building Envelopes and Facade Systems
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Regeneration, Resilience and Metamorphosis of the Building Envelope: Analysis of the High-Rise and Skyscraper Types
Massimiliano NastriDas Kapitel befasst sich mit der multidimensionalen Verletzlichkeit und Performance-Reproduktionsverfahren von Hochhäusern und Wolkenkratzern und konzentriert sich dabei auf ihre Regeneration, Widerstandsfähigkeit und Metamorphose. Untersucht werden die Kritiken und die Abnahme der Übereinstimmung dieser Strukturen, die Neigung zur Reproduktion / Reproduktion originärer Leistung und die Strategien zur Absorption und Abmilderung technoökonomischer und Nutzungsänderungen. Die Studie untersucht auch die Möglichkeiten einer ökoeffizienten Nutzung nicht erneuerbarer Energieressourcen und die Integration moderner Gebäudesysteme, um die Widerstandsfähigkeit und die ökologische Regeneration vertikaler Architekturen zu verbessern. Anhand von Fallstudien zeigt das Kapitel die Anwendung fortschrittlicher Fassadensysteme und ihre Auswirkungen auf die Gesamtstrategien der funktionalen und energetischen Transformation.KI-Generiert
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AbstractThe study contemplates the resilience characteristics of buildings with vertical development in the current context, according to the processes of self-adjustment and as a capacity for performance re/production, absorption and reaction towards the perturbative pressures caused by the incidence of degradation phenomena, obsolescence or accidental and catastrophic events. The analysis considers the adaptive, selective and mediation methodologies, acquired and expressed by vertical architectures, to metabolize and mitigate the stresses and conditions of physical, environmental and technical–economic stress, in a combined manner with the processes of innovation (design, executive and functional) and the eco-efficient use of energy resources. -
Improving the Energy Performance for Tower Design by Using Innovative Façade Systems and Intelligent Skins: The Case of Amman City
Bayan A. Kanaan, Wael W. AL-AzhariDas Kapitel untersucht die Energieeffizienz von Hochhäusern und konzentriert sich dabei auf die bedeutende Rolle innovativer Fassadensysteme und intelligenter Skins. Es präsentiert eine Fallstudie des Rotana Tower in Amman City, die zeigt, wie fortschrittliche Fassadentechnologien den Energiebedarf und die Kohlenstoffemissionen minimieren können. Die Forschung nutzt Simulationssoftware, um verschiedene Fassadenszenarien zu vergleichen und bewertet die Integration von Photovoltaikanlagen. Die Ergebnisse unterstreichen das Potenzial dieser Technologien, die Nachhaltigkeit von Hochhäusern signifikant zu verbessern, was sie zu einer wertvollen Ressource für Fachleute macht, die die Energieeffizienz im Bausektor verbessern wollen.KI-Generiert
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AbstractNowadays, there is a worldwide need for sustainable buildings because of the dramatic increase in building energy consumption. Due to the spread of building towers, and since they are a huge energy consumer, it is urgent now to consider a sustainable strategy in designing tall buildings. Building facades are the key aspect of improving the energy performance of the building in general and specifically in towers, by decreasing the heating and cooling loads. This research investigates the role of innovative building facades and intelligent skins in reducing heat gain and heat losses, which promote the energy performance of buildings, and how much energy can be saved. It shows different sustainable rating systems such as the Jordanian Green Building Codes (JGBC) and Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) to evaluate the energy performance of the building and tries to figure out the potential of getting prerequisites points and define its role in enhancing the building performance. The research studies the Rotana Tower Hotel in Amman City, and it is based on a combination of descriptive, analytical, and empirical approaches to understand and achieve the research goals and objectives and formulate the research questions. Weather Consultant Program, Revit software, and Green Building Studio Insight 360 for simulation are used to study and analyze two different case scenarios, by applying different façade systems, then evaluate each scenario, and compare them to the base case in terms of energy and CO2 emissions saving aspects. The results and findings show a distinctive improvement in the energy performance of Rotana Tower after applying the efficient glass façade; 47% reduction in energy and a 46% decrease in carbon emissions, on the other hand, 74% in energy savings after integrating photovoltaic glass on the façade. -
Effect of PCM Tubes on the Thermal and Dynamic Behavior of a Solar Dyer
Dounia Chaatouf, Mourad Salhi, Benyounes Raillani, Abir Bria, Samir Amraqui, Ahmed MezrhabDas Kapitel untersucht die Integration von Phase Change Material (PCM) -Röhren in einen Solartrockner, um das thermische und dynamische Verhalten zu verbessern. Unter Verwendung von Computational Fluid Dynamics (CFD) unter realen meteorologischen Bedingungen zeigt die Studie, dass PCM-Röhren die Luftgleichmäßigkeit verbessern und die Luftgeschwindigkeit stabilisieren, Wirbel abmildern und nachts höhere Temperaturen aufrechterhalten. Dieser innovative Ansatz gewährleistet eine kontinuierliche Trocknung, auch ohne Sonnenlicht, was ihn zu einem bedeutenden Fortschritt in der solaren Trocknungstechnologie macht. Die Ergebnisse unterstreichen das Potenzial von PCM-Röhrchen, den Trocknungsprozess zu verlängern und die Gesamteffizienz zu verbessern, was wertvolle Erkenntnisse für zukünftige experimentelle Studien bietet.KI-Generiert
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AbstractThis paper aims to estimate the impact of the storage unit on the dynamic and thermic behavior of an indirect solar dryer. The energy storage system is in the form of copper tubes filled with pure Gallium as phase change material. These tubes have been placed to store the energy of the hot air coming from the solar air heater before passing through the trays. Therefore, this study contributes to the progress of the drying process by enabling its continuous operation throughout the entire day, rather than being limited to sunlight hours. This system is studied numerically using the CFD method, with meteorological data of Eastern Morocco specifically Oujda city, to make this study sound more realistic. The findings pointed out that the use of PCM tubes inside the drying chamber makes the drying process continuous. The temperature difference at night reaches 6° compared to the other case without storage. Concerning the dynamic effect, PCM tubes improve the air uniformity along the trays by eliminating the vortices generated in the other case of no-storage.
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Advance Building Materials and Manufacturing
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Optimization of Hydrothermal Synthesis Time of g-C3N4 Microtubes for High Photocatalytic Degradation of Methylene Blue
Kunya Nanakida, Trang Nakamoto, Kozo TaguchiDas Kapitel konzentriert sich auf die Optimierung der hydrothermalen Synthesezeit für g-C3N4-Mikroröhrchen, um deren photokatalytischen Abbau von Methylenblau zu verbessern. Zunächst wird die Bedeutung der Behandlung von Methylenblauem Abwasser aufgrund seiner schädlichen Auswirkungen diskutiert. Die Studie vertieft sich dann in die Herstellung und Charakterisierung von g-C3N4-Mikroröhrchen, die zu verschiedenen hydrothermalen Zeiten synthetisiert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Verlängerung der Synthesezeit zur Bildung von Röhrenstrukturen mit verbesserten Lichtstreuungseigenschaften führt. Die photokatalytische Aktivität der Mikroröhren wird ausgewertet, wobei C3N4 MT-12 aufgrund seiner effizienten Lichtreflexion und Ladungstransfer die höchste Abbaueffizienz aufweist. Das Kapitel schließt mit der Hervorhebung der optimalen Bedingungen für die Synthese von g-C3N4-Mikroröhrchen und ihrer potenziellen Anwendung in der Abwasserbehandlung.KI-Generiert
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AbstractIn this study, g-C3N4 was hydrothermally synthesized at 200 °C for 4–24 h and then calcined to produce g-C3N4 microtubes. As the hydrothermal synthesis time increased, the morphology changed from particles to microtubes. In addition, the crystal structures of synthesized g-C3N4 microtubes were evaluated by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, and transmission electron microscopy. The results showed that g-C3N4 synthesized by 4 and 8 h hydrothermal processes were particulate, whereas g-C3N4 synthesized by 12 and 16 h hydrothermal processes were tubular. Tubular g-C3N4 was found to have numerous holes on its surface. When the g-C3N4 powders were placed in water, only the 16 h synthesized powder could float because the density of g-C3N4 microtubes hydrothermally synthesized for 16 h was less than that of water. The photocatalytic activity of the g-C3N4 microtubes was evaluated using methylene blue degradation experiments. The results showed that g-C3N4 microtubes with 12 h hydrothermal synthesis showed the highest degradation rate. This result may be because the g-C3N4 microtubes have a large surface area because of their tube structure, and they also sink into the liquid, allowing them to come in more contact with the methylene blue solution. The g-C3N4 microtubes with a 16 h hydrothermal synthesis showed the second-highest degradation efficiency while floating on the surface of the methylene blue solution. These g-C3N4 microtubes are attractive because they can receive more light energy and can be collected easily after the experiment because of their ability to float on the liquid surface. -
Design and Characterization of Biodegradable Self-healing Nanocomposites
Liberata Guadagno, Luigi Vertuccio, Giuseppina Barra, Andrea Sorrentino, Marialuigia Raimondo, Elisa CalabreseDas Kapitel befasst sich mit dem Design und der Charakterisierung biologisch abbaubarer selbstheilender Nanoverbundwerkstoffe und betont dabei die Integration intelligenter Funktionalitäten wie Selbstheilung, Selbsterkennung und Enteisung. Durch die Kombination biologisch abbaubarer Polymere mit Kohlenstoff-Nanofüllstoffen zeigt die Forschung, wie sich die mechanischen und elektrischen Eigenschaften dieser Materialien verbessern lassen. Die Verwendung eines kommerziellen Masterbatches und der Zusatz von Murexide werden als effektive Strategien zur Verbesserung der Grenzflächenhaftung und zur Förderung der Selbstheilungskräfte hervorgehoben. Das Kapitel präsentiert umfangreiche experimentelle Daten, darunter Zugversuche, elektrische Leitfähigkeitsbewertungen und Selbstheilungseffizienztests, die das Potenzial dieser Materialien für verschiedene Anwendungen aufzeigen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die entwickelten Nanoverbundwerkstoffe auch bei erhöhten Temperaturen hervorragende Selbstheilungskräfte aufweisen, was sie für nachhaltiges und intelligentes Materialdesign attraktiv macht.KI-Generiert
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AbstractThe growing interest in self-healing systems is closely linked to the possibility of developing products with an extended life span, thereby enabling energy savings and a reduction in the waste of resources. Among the strategies employed for producing self-healing materials, a relevant role is played by those using biodegradable materials. In this context, this research proposes the development of materials with auto-repair functionality based on a fully biodegradable commercial polymer, namely the highly amorphous vinyl alcohol polymer (HAVOH). The formulated samples have been obtained by mixing the HAVOH matrix with a masterbatch (also biodegradable) composed of carboxyl methyl cellulose (CMC) modified with Multiwall Carbon Nanotubes (MWCNTs), which make the samples electrically conductive and improve their mechanical performance. Furthermore, Murexide (M) salts have been added to the composition to improve the auto-repair ability of the materials. The evaluation of the electrical properties has attested that using 5% by weight of MWCNTs allows obtaining samples with an electrical conductivity value of around 10–4 S/m. The self-healing efficiency has been investigated by monitoring the recovery of the “Storage Modulus” evaluated by dynamic-mechanical analysis (DMA) of healed samples. The self-healing behavior is temperature-dependent, with the materials exhibiting the highest values of healing efficiency between 30 and 80 °C. The obtained results attest to a significant step forward in the design of self-healing green nanocomposites by employing natural resources. -
Electro-curing: Saving Energy for the Manufacturing of Structural Resins is Possible
Raffaele Longo, Luigi Vertuccio, Liberata GuadagnoDas Kapitel stellt die Elektrohärtung als nachhaltige Alternative zu traditionellen thermischen Härtungsmethoden zur Herstellung von Strukturharzen vor. Durch den Einsatz elektrisch leitfähiger Nanofüllstoffe wandelt das Verfahren über den Joule-Effekt elektrische Energie in Wärme um und ermöglicht so eine schnelle und energieeffiziente Aushärtung. Die Studie vergleicht die Leistung elektrogehärteter Proben mit der im Ofen ausgehärteten Proben und zeigt, dass das innovative Verfahren höhere Härtungsgrade und einen deutlich geringeren Energieverbrauch erzielt. Dieser Ansatz erfüllt nicht nur die Nachfrage nach effizienteren Herstellungsprozessen, sondern trägt auch zur Reduzierung der CO2-Emissionen bei und ist damit eine vielversprechende Lösung für eine nachhaltigere Zukunft in der Composites-Industrie.KI-Generiert
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AbstractThe development of structural thermosetting composites is now widely exploited in the transport field, allowing for simultaneously having structural properties and mass reduction. Their applicability presents several advantages, including a lower temperature for processing the materials than other structural materials (i.e., metals). For the transport sector, weight saving allows reducing CO2 emissions and energy consumption during the in-service vehicles. Different research papers have highlighted that the manufacturing process is one of the most critical phases for the environmental impact of composite production. Currently, the primary process for producing epoxy composites (curing in an autoclave) is energy, time-consuming, and hardly tunable. Moreover, it often causes, during the curing cycle, gradients of temperatures in the components that may lead to the generation of microcracks or stress concentration. In light of these premises, the present research aims to present an energy-saving and highly tunable alternative process realized through electro-curing. The fluid epoxy resin is filled with carbonaceous electrically conductive nanofillers (multi-wall carbon nanotubes) to obtain a conductive mixture to be electrically cured via the Joule effect, obtaining a final product with a curing degree higher than the samples cured in an oven and requiring less than 10% of the energy compared to the autoclave process. Using the electro-curing process, the necessary energy for curing the samples is directly generated inside the resin via the Joule effect. Moreover, the electro-curing is highly and rapidly tunable since the energy generated in the sample is strictly related to the applied voltage and, so, the applied power. In the present research paper, a multi-step electro-curing process has been pursued and compared to samples cured in an oven. These results make electro-curing a promising method for producing thermosetting composites due to the substantial reduction of the environmental impact. -
Localized Heat Generation for De-icing Applications by 3D Printing of Smart Nanocomposites
Francesca Aliberti, Liberata Guadagno, Raffaele Longo, Marialuigia Raimondo, Roberto Pantani, Andrea Sorrentino, Michelina Catauro, Luigi VertuccioDieses Kapitel befasst sich mit der innovativen Anwendung der 3D-Drucktechnologie, insbesondere der Fused Filament Fabrication (FFF), zur Herstellung von selbsterhitzenden Geräten unter Verwendung von Nanocomposite-Polymeren. Der Schwerpunkt liegt auf ABS, das mit mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (MWCNTs) gefüllt ist, die bei der Verarbeitung durch die FFF-Düse eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Die Ausrichtung der MWCNTs entlang der Druckrichtung beeinflusst die elektrischen Eigenschaften und die Heizleistung der gedruckten Proben erheblich. Durch Variation der Druckrichtung zeigt die Studie die Fähigkeit, die Wärmeerzeugung zu lokalisieren und innerhalb derselben Probe eine differenzierte Heizleistung zu erzielen. Diese Forschungen zeigen nicht nur das Potenzial des 3D-Drucks zur Herstellung intelligenter Materialien auf, sondern bieten auch Einblicke in den kontinuierlichen Herstellungsprozess von selbsterhitzenden Geräten mit maßgeschneiderten elektrischen Eigenschaften und Heizleistungen.KI-Generiert
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AbstractThis paper presents an innovative strategy to manipulate heat flow within smart polymeric nanocomposites processed through 3D printing. The heating performance of these materials is heavily influenced by their electrical properties, impacting the heat generated via the Joule effect. By leveraging fused deposition modeling, a widely used thermoplastic polymer printing technology, the electrical conductivity of ABS filled with MWCNTs has been improved from 6.88*10–2 S/m of the spooled filament before the printing process to 1.19*101 S/m of a single-printed filament. The alignment of carbon nanotubes along the printing direction facilitated the creation of preferential nanometric paths for current flow as demonstrated by morphological investigation. The electrical resistance value measured when the current flows in the direction perpendicular to the printed filaments (7782 Ω) has resulted much higher than the case in which the current and printed filaments have the same direction (478 Ω). Based on these results, two different printing directions have been combined within the same specimen to design a heating map with distinct temperature zones, all subject to the same electrical stimulus. The resultant temperature gradient, maintaining a nearly stationary state for an extended period, presents numerous practical applications, particularly in the fields of building and transportation, where de-icing solutions are in high demand. This tailorable peculiarity in the design phase opens new possibilities for smart nanocomposites, offering promising advancements in de-icing technology.
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Building Construction and Energy Consumption
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Analysis of Traditional Construction Materials and Techniques: A Case Study of Guthu Mane in the Coastal Region of Karnataka
Trupti R. Chauhan, M. R. AkshayaDas Kapitel vertieft sich in die komplizierten Baumaterialien und Techniken von Guthu Mane, einem traditionellen Baustil im Küstengebiet von Karnataka. Sie hebt die ausgeklügelten klimafreundlichen Gestaltungsmerkmale hervor, wie etwa die natürliche Belüftung durch große Fenster und strategisch platzierte Innenhöfe, die dazu beitragen, angenehme Innentemperaturen aufrechtzuerhalten, ohne auf energieintensive Systeme zurückzugreifen. Die Verwendung nachhaltiger Materialien wie Bambus, Lehm und Schlamm sowie die Integration überhängender Dächer und Veranden verbessern den thermischen Komfort dieser Häuser zusätzlich. Die Studie untersucht auch das Potenzial, diese altehrwürdigen Techniken in moderne architektonische Entwürfe zu integrieren, und bietet wertvolle Einblicke in nachhaltige und klimafreundliche Baupraktiken.KI-Generiert
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AbstractArchitecture can be described based on the function, construction materials and traditional knowledge specific and distinctive to its location. It is ethnic to a specific time and place and integrates the skills and proficiency of local builders. The focus of this paper is to analyze traditional construction materials and techniques with a case study of a 350 year-old “Hirebettu House”, which is a traditional home of the bunt community of coastal Karnataka. These houses have developed over generations with locally available building materials, craftsmanship and responses to climatic conditions. For instance, some examples of such types of houses are still found in Hirebettu Grama. These traditional houses are provided with various passive solar techniques, including natural cooling systems, which are more comfortable than contemporary buildings in today’s context. Field data are gathered by a range of methods, such as history, observation, documentation, and simulation. The aim of this research paper is to analyze the traditional construction materials and techniques that help to achieve adequate cooling comfort for users in coastal regions with hot and humid climatic conditions. It also explores how these techniques can be interpreted in today’s context so that they can be used effectively in future residential designs. -
Evaluation of Energy Consumption Prediction Models for Smart Buildings
Elhabyb Khaoula, Baina Amine, Bellafkih MostafaDieses Kapitel vertieft sich in die Bewertung von Vorhersagemodellen für den Energieverbrauch intelligenter Gebäude und unterstreicht die Bedeutung intelligenter Gebäudesysteme für die Optimierung des Energieverbrauchs und die Kostensenkung. Beginnend mit einer Einführung in intelligente Gebäude und ihre Entwicklung, werden in diesem Kapitel die jüngsten Fortschritte bei der Vorhersage des Energieverbrauchs von Gebäuden durch künstliche Intelligenz untersucht. Es werden verschiedene Techniken des maschinellen Lernens diskutiert, darunter Lineare Regression, Random Forest, Multiple Linear Regression und Long Short-Term Memory (LSTM), und ihre Anwendung bei der Vorhersage des Energieverbrauchs anhand historischer Daten. Die Methodik umfasst Datenvorverarbeitung, Modellentwicklung und Evaluierung unter Verwendung von Performance-Metriken wie RMSE, MAE und MAPE. Die Ergebnisse zeigen, dass LSTM andere Modelle bei der Vorhersage des Energieverbrauchs übertrifft und das Potenzial von Zeitreihenalgorithmen zur Verbesserung von Energiemanagementstrategien aufzeigt. Das Kapitel schließt mit Empfehlungen für zukünftige Forschung, wobei die Notwendigkeit von Hybrid- oder Ensembletechniken und der Vergleich mit anderen intelligenten Gebäuden betont wird, um die Vorhersagegenauigkeit weiter zu verbessern.KI-Generiert
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AbstractBuilding energy consumption prediction is a crucial component of energy efficiency goals. Engineering, AI-based, and hybrid techniques may all be used to anticipate how much energy a building will need, we choose the AI-based technique because it makes predictions about future energy usage within limits using historical data instead of thermodynamic equations which are used by the other approaches. Therefore, the goal of this research is to implement and evaluate some forecast models for energy use, the suggested algorithms are multiple linear regression, linear regression, random forest, and long short-term memory. The dataset of our work was collected from a commercial building that serves as a case study, and we used RMSE, MSE, MAE, and MAPE measures to compare the effectiveness of each approach. -
Modeling the Drying Trays of an Indirect Solar Dryer: Porous Medium Versus Solid Zone
Mourad Salhi, Dounia Chaatouf, Benyounes Raillani, Abir Bria, Samir Amraqui, Ahmed MezrhabDas Kapitel vertieft den kritischen Vergleich zwischen Techniken zur Modellierung poröser Mittel- und Feststoffzonen zur Trocknung von Schalen in indirekten Solartrocknern. Zunächst wird die Bedeutung erneuerbarer Energien, insbesondere Solarenergie, für die Bekämpfung des Klimawandels und die Notwendigkeit effizienter solarer Trocknungssysteme hervorgehoben. Die Studie verwendet Computational Fluid Dynamics (CFD), um die Leistungsfähigkeit dieser Modellierungstechniken unter unterschiedlichen Lufteinlassgeschwindigkeiten und Schachtporositäten zu simulieren und zu validieren. Die Ergebnisse zeigen, dass beide Methoden zwar ein ähnliches Luftströmungsverhalten aufweisen, poröse Mediumschalen jedoch aufgrund einer gleichmäßigeren Wärmeverteilung eine höhere thermische Effizienz aufweisen. Diese umfassende Analyse bietet nicht nur Einblicke in den optimalen Modellierungsansatz, sondern trägt auch zu dem übergeordneten Ziel bei, die Effizienz und Nachhaltigkeit von Solartrocknungssystemen zu verbessern.KI-Generiert
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AbstractThe indirect solar dryer is one of the technologies used to dehydrate moist products. This technique allows for preserving the cleanliness of the dry fruits as well as their color and nutritional value. Moreover, this method of drying is based on the exploitation of renewable energy, which is solar energy. For this reason, the improvement of the indirect drying system has become a necessity. In this work, a comparative study has been carried out focusing on the modeling of drying trays in an indirect solar dryer using the CFD method as an approach to the studied system. The study is based on the two techniques of modeling the trays, which are widely used in the literature; either solid zone trays (SZT) or porous medium trays (PMT). The results were obtained to analyze the difference between the two techniques used at the level of the general distribution of airflow in the drying chamber and exactly at the level of the drying trays from the thermal and dynamic points of view.
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- Titel
- Advances in Sustainable Building Materials, Design and Energy Systems
- Herausgegeben von
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Sanjay Kumar
Brahim ElBhiri
- Copyright-Jahr
- 2025
- Verlag
- Springer Nature Switzerland
- Electronic ISBN
- 978-3-031-71914-1
- Print ISBN
- 978-3-031-71913-4
- DOI
- https://doi.org/10.1007/978-3-031-71914-1
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