Tesis por compendio / Analyses of possible synergies between energy recovery and water management are essential for achieving sustainable improvements in the performance of pressurized irrigation networks. Improving the energy efficiency of water systems by hydraulic energy recovery is becoming an inevitable trend for energy conservation, emissions reduction, and increases in profit margins. This Ph.D. research is focused on the proposal and development of an optimization methodology that improves energy efficiency in pressurized irrigation networks. To develop this methodology, the main objective of this Ph.D. thesis, the research is supported by secondary objectives. The first secondary objective overviews the state-of-the-art for different hydropower systems, paying attention to those systems in which residual energy can be considered for energy improvement. Furthermore, the need to analyze this energy improvement in pressurized irrigation networks is justified through enumerating the main advantages and disadvantages of these energy recoveries. This first objective establishes the contextualization stage of the thesis. The second part of this Ph.D. research, which develops the rest of the objectives, is called the procedural stage. This phase contains the analytical and experimental development of this research. The analytical phase develops the main steps of the optimization strategy. Each step comprises one methodology or method that is focused on the following objectives: ¿ To propose a methodology to determine the circulating flow over time in pressurized irrigation networks in any line depending on the agronomist intrinsic parameters of the established crops ¿ To develop a calibration strategy for the flow assignment in lines, which indicates the success of the proposed methodology ¿ To establish the energy balance as well as the involved energy terms to quantify the theoretical recoverable energy in pressurized water networks, particularly in irrigation networks ¿ To present a new methodology to maximize the recovered energy considering the actual feasibility to allocate pumps working as turbines (PATs) within pressurized water networks by using simulated annealing as a water management tool. The analytical phase is complemented with an intensive experimental campaign in two different PATs (radial and axial) in steady and unsteady flow conditions. The campaign regarding steady flow conditions enables the study of the efficiency variations in the machine as a function of the flow and rotational speed. The experimental analysis as well as the modification of the classical affinity laws allows one to determine the best efficiency line (BEL) and the best efficiency head (BEH) based on Suter parameters. Both lines enable modelers to establish the optimal rotational speed as a function of the flow during each instant to maximize the recovered energy. These new lines (BEL and BEH) should be incorporated within the optimization strategy, developing a procedure to recover energy as a function of the number of installed machines. Finally, to complement the developed analysis for the installation of the recovery systems in pressurized water systems, the unsteady flow in these facilities is also analyzed. / El desarrollo de los análisis de las posibles sinergias entre los sistemas de recuperación de energía y la gestión del agua es esencial, para poder lograr mejoras en la eficiencia energética de las redes de riego presurizadas a través de medidas sostenibles. La mejora de la eficiencia energética, mediante la recuperación de la energía hidráulica, se está convirtiendo en una tendencia inevitable para la conservación de la energía, la reducción de las emisiones de gases efecto invernadero y el aumento de los márgenes de beneficio en los sistemas de distribución de agua presurizados. Esta tesis doctoral está centrada en la propuesta y desarrollo de una metodología de optimización, la cual, mejore la eficiencia energética en redes de riego presurizadas. Para desarrollar esta metodología, objetivo principal de esta tesis, la investigación está basada en diferentes objetivos secundarios. El primer objetivo secundario, estudia el estado del arte en los diferentes sistemas hidroeléctricos, prestando atención a aquellos sistemas en los que, la energía residual puede ser tenida en cuenta para mejorar la eficiencia energética. La necesidad de analizar esta mejora energética en las redes de riego presurizadas, se justifica mediante la enumeración de las principales ventajas y desventajas de estos sistemas de recuperación tienen sobre los sistemas de distribución. Este primer objetivo, establece la etapa de contextualización de la tesis. La segunda parte de la tesis, denominada fase procedimental o de procedimiento, desarrolla el resto de los objetivos y contiene, el desarrollo analítico y experimental de esta investigación. La fase analítica desarrolla los principales bloques que forman la estrategia de optimización. Estos bloques de contenido están constituidos, cada uno de ellos, por una metodología desarrollada o método aplicado, cubriendo los siguientes objetivos: ¿ Proponer una metodología que determine el caudal circulante a lo largo del tiempo, en cualquier línea, en función de los parámetros intrínsecos agronómicos. ¿ Desarrollar una estrategia de calibración para la asignación de caudales en líneas, que demuestre la bondad de la metodología propuesta. ¿ Establecer el balance energético, así como los términos energéticos involucrados, para cuantificar la energía recuperable teórica en redes presurizadas, particularmente en redes de riego. ¿ Presentar una nueva metodología de maximización de energía recuperada donde la viabilidad de asignar bombas trabajando como turbinas (PATs) dentro de redes de distribución sea considerada, mediante el uso de la herramienta 'simulated annealing' en la gestión del agua. La fase analítica se complementa con el desarrollo de una campaña experimental en dos PATs diferentes (una de tipo radial y otra de tipo axial). Ambas máquinas han sido ensayadas en condiciones de flujo permanente y transitorio. El análisis experimental en condiciones de flujo permanente ha permitido estudiar la variación de la eficiencia de la máquina en función del caudal y de la velocidad de rotación de la misma. Este análisis experimental, así como la modificación de las leyes clásicas de semejanza, han hecho posible la definición de la mejor línea de eficiencia (best efficiency line (BEL)) y la mejor eficiencia de altura recuperada (best efficiency head (BEH)). Ambas líneas están basadas en los parámetros de Suter, y permiten a los modeladores el establecimiento de la velocidad de giro óptima en función del caudal circulante en cada instante, maximizando la energía recuperada. Estas nuevas líneas (BEL y BEH) deben incorporarse a la estrategia de optimización, teniéndolas en cuenta a lo largo del proceso para recuperar energía en función del número de máquinas instaladas en el sistema. Finalmente, para complementar el análisis desarrollado de la instalación de sistemas de recuperación energética en redes de distribución, se ha anali / El desenvolupament de les anàlisis de les possibles sinergies entre els sistemes de recuperació d'energia i la gestió de l'aigua són essencials per a aconseguir millores en l'eficiència energètica de les xarxes de reg pressuritzades a través de mesures sostenibles. La millora de l'eficiència energètica, mitjançant la recuperació de l'energia hidràulica, s'està convertint en una tendència inevitable per a la conservació de l'energia, la reducció de les emissions de gasos efecte hivernacle i l'augment dels marges de benefici en els sistemes de distribució d'aigua pressuritzada. Aquesta tesi doctoral està centrada en la proposta i desenvolupament d'una metodologia d'optimització, la qual millore l'eficiència energètica en xarxes de reg pressuritzades. Per a desenvolupar aquesta metodologia, objectiu principal d'aquesta tesi, la recerca ha estat basada en diferents objectius secundaris. El primer objectiu secundari estudia l'estat de l'art en els diferents sistemes hidroelèctrics, centrant-se en aquells sistemes en els quals l'energia residual pot ser tinguda en compte per a millorar l'eficiència energètica. La necessitat d'analitzar aquesta millora energètica en les xarxes de reg pressuritzades es justifica mitjançant l'enumeració dels principals avantatges i desavantatges que aquests sistemes de recuperació tenen sobre els sistemes de distribució. Aquest primer objectiu estableix l'etapa de contextualització de la tesi. La segona part de la tesi, denominada fase procedimental o de procediment, desenvolupa la resta dels objectius i conté(, )el desenvolupament analític i experimental d'aquesta recerca. La fase analítica desenvolupa els principals blocs que formen l'estratègia d'optimització. Aquests blocs de contingut estan constituïts cadascun d'ells per una metodologia desenvolupada o mètode aplicat, els quals cobreixen els següents objectius: ¿ Proposar una metodologia que determine el cabal circulant al llarg del temps, en qualsevol línia, en funció dels paràmetres intrínsecs agronòmics. ¿ Desenvolupar una estratègia de calibratge per a l'assignació de cabals en línies, que demostre la bondat de la metodologia proposada. ¿ Establir el balanç energètic, així com els termes energètics involucrats, per a quantificar l'energia recuperable teòrica en xarxes pressuritzades, particularment en xarxes de reg. ¿ Presentar una nova metodologia de maximització d'energia recuperada, on la viabilitat d'assignar bombes treballant com a turbines (PATs) dins de xarxes de distribució siga considerada, mitjançant l'ús de l'eina "simulated annealing" en la gestió de l'aigua. La fase analítica es complementa amb el desenvolupament d'una campanya experimental en dues PATs diferents (una de tipus radial i una altra de tipus axial), les quals han sigut assajades en condicions de flux permanent i transitori. L'anàlisi experimental, en condicions de flux permanent, ha permès estudiar la variació de l'eficiència de la màquina en funció del cabal i de la velocitat de rotació de la mateixa. Aquesta anàlisi experimental, així com la modificació de les lleis clàssiques de semblança, han fet possible la definició de la millor línia d'eficiència (best efficiency line (BEL)) i la millor eficiència d'altura recuperada (best efficiency head (BEH)). Ambdues línies estan basades en els paràmetres de Suter i permeten als modeladors l'establiment de la velocitat de gir òptima, en funció del cabal circulant en cada instant, maximitzant l'energia recuperada. Aquestes noves línies (BEL i BEH) han d'incorporar-se a l'estratègia d'optimització, tenint-les en compte al llarg del procés per a recuperar energia en funció del nombre de màquines instal·lades en el sistema. Finalment, per a complementar l'anàlisi desenvolupada de la instal·lació de sistemes de recuperació energètica en xarxes de distribució, s'ha analitzat el règim transitori en aquests sistemes quan es produeix / Pérez Sánchez, M. (2017). METHODOLOGY FOR ENERGY EFFICIENCY IMPROVEMENT ANALYSIS IN PRESSURIZED IRRIGATION NETWORKS. PRACTICAL APPLICATION [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/84012 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales / Compendio

In der vorliegenden Arbeit wird eine simulationsbasierte Methodik zur Energie- und Kostenoptimierung der Kühlung von Rechenzentren mit Kalt-/Warmluft-Separation vorgestellt. Dabei wird die spezifische Charakteristik der Luftseparation für einen wesentlich einfacheren und schnelleren Simulationsansatz genutzt, als das mit herkömmlichen, strömungsmechanischen Methoden möglich ist. Außerdem wird der Energiebedarf des Lufttransports – einschließlich der IT-Ventilatoren – in der Optimierung berücksichtigt. Beispielhaft entwickelte Komponentenmodelle umfassen die IT-Systeme und alle für die Kühlung relevanten Anlagen in einer dem aktuellen Stand der Technik entsprechenden Ausführung. Die besonders wichtigen Aspekte Freikühlbetrieb und Verdunstungskühlung werden berücksichtigt. Anhand verschiedener Konfigurationen eines Modellrechenzentrums wird beispielhaft die Minimierung der jährlichen verbrauchsgebunden Kosten durch Anpassung von Temperatursoll- werten und anderen Parametern der Regelung demonstriert; bestehendes Einsparpotenzial wird quantifiziert. Da die Kalt-/Warmluft-Separation in modernen Installationen mit hoher Leistungsdichte auch Auswirkungen auf bauliche Anforderungen hat, wird ein für diesen Anwendungsfall optimiertes Gebäudekonzept vorgeschlagen und praktisch untersucht, das sich insbesondere durch Vorteile hinsichtlich Energieeffizienz, Flexibilität und Betriebssicherheit auszeichnet.:1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Kategorisierung von Rechenzentren 1.3 Effizienzmetriken für Rechenzentren 1.4 Wissenschaftlicher Beitrag und Abgrenzung 2 Luftgekühlte IT-Systeme: Anforderungen und Trends 2.1 Anforderungen an das Raumklima 2.1.1 Lufttemperatur 2.1.2 Luftfeuchte 2.1.3 Luftzustand im Warmgang 2.1.4 Schalldruckpegel und Schadgase 2.1.5 Betriebsabläufe und Personal 2.2 Kühllasten 2.2.1 Leistungsbedarf der IT-Systeme 2.2.2 Lastgänge und Teillastbetrieb der IT-Systeme 2.2.3 Flächenspezifische Kühllasten 2.3 Leckströme 2.4 Entwicklungstendenzen 3 Rechenzentrumskühlung: Übliche Lösungen und Optimierungskonzepte 3.1 Anlagenkonzepte zur Entwärmung von Rechenzentren 3.1.1 Freie Kühlung 3.1.2 Maschinelle Kälteerzeugung 3.1.3 Umluftkühlung von Rechnerräumen 3.2 Umluftkühlung mit Separation von Kalt- und Warmluft 3.2.1 Konzept 3.2.2 Umsetzung 3.2.3 Regelung der Umluftkühlgeräte 3.2.4 Effizienzoptimierung durch Anhebung der Lufttemperatur 3.2.5 Betriebssicherheit 3.3 Modellbasierte Untersuchungen in der Literatur 3.4 Zwischenfazit 4 Modellbildung 4.1 Struktur des Modells und Ablauf der Simulation 4.2 Annahmen und Randbedingungen 4.3 Modellierung der IT-Systeme 4.3.1 Testsysteme und -software 4.3.2 Testaufbau und Messung der relevanten physikalischen Größen 4.3.3 Drehzahl der internen Ventilatoren 4.3.4 Leistungsaufnahme der internen Ventilatoren 4.3.5 Luftvolumenstrom 4.3.6 Leistungsaufnahme der IT-Systeme ohne Lüfter 4.3.7 Ausblastemperatur 4.4 Modellierung der Kühlsysteme 4.4.1 Pumpen, Rohrnetz und Ventilatoren 4.4.2 Wärmeübertrager 4.4.3 Umluftkühlgeräte 4.4.4 Pufferspeicher 4.4.5 Kältemaschinen 4.4.6 Rückkühlwerke 4.4.7 Freie Kühlung 4.5 Regelstrategien, Sollwertvorgaben und Lastprofile 4.5.1 Kaltluft 4.5.2 Kaltwasser 4.5.3 Kühlwasser 4.5.4 Kälteerzeuger 4.5.5 Lastprofil der IT-Systeme 4.5.6 Wetterdaten 4.5.7 Standortspezifische Kosten für sonstige Betriebsstoffe 4.6 Validierung der Simulationsumgebung 4.6.1 Stichprobenartige experimentelle Prüfung der ULKG-Modellierung 4.6.2 Stichprobenartige experimentelle Prüfung der Modellierung der Kälteerzeugung 4.6.3 Plausibilitätskontrolle und Modellgrenzen 4.7 Zwischenfazit 5 Variantenuntersuchungen und Ableitung von Empfehlungen 5.1 Konfiguration und ausgewählte Betriebspunkte des Modellrechenzentrums 5.2 Optimierung des Jahresenergiebedarfs mit konstanten Kühlmedientemperaturen 5.2.1 Jahresenergiebedarf des Modell-RZs und Optimierung nach Best Practices 5.2.2 Bestimmung der optimalen (konstanten) ULKG-Ausblastemperatur 5.2.3 Einfluss von Last und Typ der IT-Systeme 5.2.4 Einfluss von Standortfaktoren 5.2.5 Einsparpotenzial Pumpenenergie 5.3 Optimierung mit variablen Kühlmedientemperaturen, RKW trocken 5.3.1 Dynamische Sollwertschiebung der Luft- und Kaltwassertemperaturen 5.3.2 Sollwertschiebung der Kühlwassertemperaturen im Kältemaschinenbetrieb 5.3.3 Kombination der Optimierungen und Übertragung auf andere Standorte 5.4 Optimierung mit variablen Kühlmedientemperaturen, RKW benetzt 5.4.1 Dynamische Sollwertschiebung der Luft- und Kaltwassertemperaturen 5.4.2 Optimierung eines modifizierten Modells ohne Kältemaschinen 5.4.3 Betriebssicherheit der Konfiguration ohne Kältemaschinen 5.4.4 Optimierung der Betriebssicherheit durch Eisspeicher 5.5 Zwischenfazit 6 Vorstellung und Diskussion eines neuen Gebäudekonzepts für Rechenzentren 6.1 Gebäudekonzepte und Anforderungen an Sicherheit, Effizienz und Flexibilität 6.1.1 Limitierungen klassischer Konstruktionsprinzipien 6.1.2 Alternative Konzepte für Umluftkühlung in Rechenzentren 6.1.3 Rechenzentren mit Installationsgeschoss statt Doppelboden 6.2 Plenum statt Doppelboden: Konzept und Umsetzung 6.2.1 Aufgabenstellung und konzeptionelle Anforderungen 6.2.2 Lösung mit dem Plenums-Konzept 6.2.3 Anforderungen an die Regelung der Umluftkühlgeräte 6.3 Experimentelle Leistungsbestimmung und Optimierung 6.3.1 Testaufbau und Messung der relevanten physikalischen Größen 6.3.2 Regelung von Luftvolumenstrom und -Temperatur bei konstanter Last 6.3.3 Optimierung der Kaskadenschaltung der Umluftkühlgeräte bei Lastwechseln 6.3.4 Optimierung der Betriebssicherheit der Umluftkühlung bei Stromausfällen 6.3.5 Ermittlung der Leistungsgrenzen 6.4 Zwischenfazit und weiteres Optimierungspotenzial 7 Zusammenfassung und Ausblick

No description available.

No description available.

No description available.

Cannot copy abstract

The research goal of this thesis is to support the development of energy information systems for energy-aware industrial manufacturers in the form of reusable artifacts.

The push for sustainability in all parts of our society has never been as big as it is currently. One project that aims to produce sustainable innovation in the railway industry is the Delsbo Electric competition where some of the world’s most energy efficient vehicles compete. A dominant design has arisen in the competition which means that competitors must seek innovative avenues of development in order to find an edge over the competition. One such avenue has been to use composite material in construction to decrease mass and therefore increase energy efficiency. The KTH Delsbo Electric team views the suspension system as one such avenue that has the potential to improve efficiency. This project is a study into the dynamics of rail vehicles and especially rail vehicle suspension systems. Using a vehicle modelled in an MBS software a parametric study is conducted with the goal to optimize the energy efficiency through an iterating process by only varying the stiffness and damping parameters for the suspension system. Through the iterating process, it became clear that some parameters are more closely linked to different parts of the vehicle behavior than others. The energy efficiency is closely linked to the stiffness in the suspension, especially in the longitudinal direction. The ride comfort was found to be very much linked to the damping parameters. This made it possible to tune the stiffness and achieve high energy efficiency and then adapt that setup to gain better ride comfort. This study also concludes that the vehicle derailment factor (L/V) is inversely linked to energy efficiency. Therefore, an energy efficient vehicle is less likely to derail. The result of this thesis is a setup of energy efficient parameters that will lay the groundwork for a project to design and manufacture a suspension system with the outlined parameters. / Strävan efter hållbarhet i alla delar av vårt samhälle har aldrig varit så stor som den är idag. Ett sådant projekt, vars syfte är att producera hållbara innovationer inom järnvägsindustrin, är Delsbo Electric-tävlingen där några av världens mest energieffektiva fordon tävlar. En dominant design har uppstått vilket betyder att konkurrenter måste hitta innovativa utvecklingsriktningar för att skapa sig ett försprång gentemot de andra. En sådan riktning har varit användningen av kompositmaterial som minskar vikt och därmed ökar energieffektiviteten. KTH Delsbo Electric-teamet ser fjäder- och dämparsystemet som en riktning med hög potential att förbättra energieffektiviteten. Detta projekt är en studie inom spårfordonsdynamik och mer specifikt inom spårfordons fjäder- och dämparsystem. Genom användningen av ett fordon modellerat i ett MBS-program utförs en parameterstudie med målet att optimera energieffektiviteten genom en iterativ process där enbart styvheten och dämpningen varieras. Under den iterativa processen blev det uppenbart att olika parametrar har större påverkan på vissa fordons beteenden än andra. Energieffektiviteten är beroende av styvheten, speciellt i den longitudinella riktningen. Åkkomforten var mycket beroende av dämpningen. På grund av detta kunde styvheten ställas in för att optimera energieffektiviteten och sedan anpassa dämpningen så att åkkomforten blev acceptabel. Denna studie kom också fram till att urspårningsfaktorn (L/V) är omvänt länkad till energieffektiviteten hos ett fordon. Ett fordon som har hög energieffektivitet har därför mindre risk för urspårning. Resultatet av denna studie är en uppsättning energieffektiva parametrar som ska lägga grunden för framtida projekt att designa och tillverka ett fjäder- och dämparsystem utifrån dessa parametrar.

Internet of Things (IoT) are becoming increasingly popular replacements for their analogue counterparts. However, there is still demand to keep analogue equipment that is already installed, while also having automated monitoring of the equipment, such as analogue water meters. A proposed solution for this problem is to install a battery powered add-on component that can optically read meter values using Optical Character Recognition (OCR) and transmit the readings wirelessly. Two ways to do this could be to either offload the OCR process to a server, or to do the OCR processing locally on the add-on component. Since water meters are often located where reception is weak and the add-on component is battery powered, a suitable technology for data transmission could be Long Range (LoRa) because of its low-power and long-range capabilities. Since LoRa has low transfer rate there is a need to keep data transfers small in size, which could make offloading a less favorable alternative compared to local OCR processing. The purpose of this thesis is therefore to research the feasibility, in terms of energy efficiency, of doing local OCR processing on the add-on component. The feasibility condition of this study is defined as being able to continually read an analogue meter for a 10-year lifespan, while consuming under 2600 milliampere hours (mAh) of energy. The two OCR algorithms developed for this study are a specialized OCR algorithm that utilizes pattern matching principles, and a Sum of Absolute Differences (SAD) OCR algorithm. These two algorithms have been compared against each other, to determine which one is more suitable for the system. This comparison yielded that the SAD algorithm was more suitable, and was then studied further by using different image resolutions and settings to determine if it was possible to further reduce energy consumption. The results showed that it was possible to significantly reduce energy consumption by reducing the image resolution. The study also researched the possibility of reducing energy consumption further by not reading all digits on the tested water meter, depending on the measuring frequency and water flow. The study concluded that OCR processing is feasible on an energy critical driven system when reading analouge meters, depending on the measuring frequency.

This thesis examines the opportunities towards streamlining energy efficiency in the existing built environment in Sweden. Through this case study, the aim has been to optimise two 20th century buildings, one apartment building and one workshop building, located at different latitudes in the country. The goal has been to reduce the heat energy consumption, increase energy performance and lift the buildings to an energy class that meets the requirements for newly produced buildings, according to the regulations of Boverket. In the simulation software BIM Energy, the buildings have been the subjects of different renovation strategies in order to discover what measures are most energy efficient. An LCC analysis was performed to discover what measure is the most cost efficient in relation to its thermal energy improvements. The existing technical and energy data of each building have been used for the creation of a realistic simulation model as of its present conditions. The study has shown that a combination of renovations strategies generated the best results, and that the more expensive the intervention gets, the higher returns of investment. The study of energy performance showed that the new geographical adjustment factor and primary energy factor established by Boverket has a significant impact on how a building is classified, whereupon the choice of primary energy source can determine whether a building is ranked as passive house or energy thief. Though as standalone measures, when coming to reduction of the energy heat demand, a FTX-system have been proven superior with added external insulation as a solid second.