The energy consumption of communication networks is continuously growing. Many energy saving approaches have been proposed at the device, system, and network level. The most promising way to address this problem is to utilize photonic technologies as much as possible thanks to their low energy consumption per bit performance. Moreover, several approaches have been proposed to further reduce the energy consumption in optical networks. One popular technique exploits low power modes (e.g., sleep or doze mode) for devices that are not used. However, sleep mode based approaches may affect the way optical connections (i.e., lightpaths) are routed, or alter the characteristics of some devices. This in turn may have a detrimental impact on crucial network/device performance parameters. In other words a green approach may introduce additional delay, change the level of resource utilization in the network, or even impact the lifetime of a device, resulting in increased network operational cost. This thesis provides a study that carefully assesses, in both access and core networks, the trade-off between the benefits of sleep-based energy-efficient schemes and their possible side-effects. In fiber access networks putting a device into sleep mode and waking it up can introduce a significant energy overhead. Already proposed energy-efficient approaches reduce this overhead by aggregating as much as possible the traffic before a transmission. However, aggregating data may cause an additional delay that in some cases might not be acceptable. This thesis investigates the trade-off between energy saving and additional packet delay in the case of a LTE backhaul network based on wavelength division multiplexing passive optical network (WDM-PON). The thesis proposes a novel energy-efficient approach based on the dozing concept able to precisely control when a transmitter needs to wake up in order to maximize the time spent in sleep mode, while assuring that packet transmissions are completed before a given deadline. The proposed scheme is also able to exploit possibly diverse traffic delay requirements to further improve energy saving performance. In optical core networks, one way to decrease the energy consumption is to minimize the number of used active devices by aggregating the lightpaths on the lowest possible number of active fiber links. Routing strategies based on this intuition are beneficial in terms of energy saving, but on the other hand may impact the network performance (e.g., blocking probability) by affecting length of the lightpaths and link occupancy distribution. This trade-off is evaluated in the thesis with the help of a specially designed routing and wavelength assignment (RWA) strategy referred to as weighted power aware lightpath routing (WPA-LR). The WPA-LR strategy permits the fine tuning between the minimization of two objectives: energy consumption and network resource (i.e., wavelength) utilization. Evaluation results confirm that energy efficiency and network performance are conflicting objectives. However, the proposed WPA-LR strategy offers energy minimization with acceptable impact on the network performance. The thesis also investigates the impact that sleep-based energy-efficient strategies have on the lifetime of a number of optical network devices, in both access and core networks. In fact, utilizing a sleep mode functionality may change the operational conditions of the device which can impact the device lifetime. This is a crucial aspect to consider because it may directly affect the network operational cost related to fault management. The thesis provides a methodology to assess under which conditions and for which devices an energy-efficient scheme may lead to overall cost benefit vs. a (possible) increase of reparation cost. It was found that in access networks and with business customers a small lifetime variation in optical line terminals (OLTs) or in optical network units (ONUs) can lead to significant cost increase that cannot be covered by the profits coming from the energy saving. In core networks erbium doped fiber amplifiers (EDFAs) are the most vulnerable devices in terms of impact on their lifetime. For this reason it was found that the usage of green routing algorithms based on putting EDFAs into sleep mode may not always be economically beneficial. In conclusion this thesis provides a different perspective on sleep mode based energy-efficient algorithms where the potential benefit in terms of energy saving is weighted against the impact of a possible degradation of the network performance and devices lifetime. On the other hand these performance degradations can be controlled and limited by the proposed algorithms. / Energikonsumtionen av kommunikationsnätverk, växer kontinuerligt. Många energibesparande åtgärder har föreslagits, såväl på komponentnivå, systemnivå och nätverksnivå. Det mest lovande sättet att hantera energibehov i kommunikationsnätverk är att utnyttja optisk teknologi så mycket som möjligt då denna har potential att ge låg energiförbrukning per bit. Det finns också ett antal föreslagna metoder för att ytterligare reducera energibehovet i optiska nätverk. En av de mest använda teknikerna bygger på att låta enheter som ej används gå ner på låg effekt (”sovläge”). Om detta används i allt för hög utsträckning kan det dock påverka hur optiska förbindelser (sk lightpaths) sätts upp eller ge förändrade egenskaper hos de aktuella komponenterna. Detta kan i sin tur ha en skadlig inverkan på de centrala nätverks- och komponentegenskaper vilket påverkar prestandan. Med andra ord kan en sådan ”grön” ansats baserad på sovläge leda till ökad fördröjning, förändring av resursutnyttjandet i nätet och till och med påverka risken för att det uppstår fel i komponenterna vilket ökar driftskostnaden för nätet. Denna avhandling fokuserar på dessa aspekter och visar upp resultat som belyser avvägningen mellan sovlägesbaserade energieffektiva strategier och deras eventuella bieffekter. Att slå av och väcka upp komponenter i optiska access-nätverk kan vara förknippat med en signifikant extra energikostnad. Tidigare föreslagna energieffektiva strategier försöker reducera denna ökade energikostnad genom att samla så mycket trafik som möjligt innan överföringen sker. Dock kan detta leda till ökad fördröjning som i vissa lägen inte är acceptabel. I avhandlingen undersöker vi avvägningen mellan energibesparingar och ökad paketfördröjning i fallet med LTE distributionsnät baserade på våglängsmultiplexerade passiva optiska nätverk (WDM-PON). Vi föreslår en ny energieffektiv ansats baserad på att enheter försätts i ”slummer-läge”. Detta gör det möjligt att med god precision bestämma när en sändare behöver väckas upp i syfte att maximera tiden i sovläget och att försäkra sig om att paketen kommer fram inom avsedd tid. Strategin är även kapabel att utnyttja differentierad fördröjning för att ytterligare förbättra energibesparingen. Ett sätt att minska energikonsumtionen i optiska distributionsnät är att minimera antalet aktiva enheter genom att exempelvis samla optiska förbindelser till ett minimalt antal aktiva fiberlänkar. Routingstrategier som utgår från denna princip är fördelaktiga ur energisynpunkt men kan å andra sidan skada nätverksprestanda (exempelvis blockeringssannolikhet) genom påverkan på förbindelselängder och annorlunda belastning av länkarna. Denna avvägning utvärderas i avhandlingen med hjälp av en specifikt utformad strategi för routing och våglängstilldelning (RWA) som vi benämner ”viktad effektmedveten optisk förbindelserouting” (WPA-LR). Denna strategi möjliggör noggrann avvägning mellan minimeringen av två kriterier: å ena sidan energikonsumtion, å andra sidan utnyttjandet av nätverksresurser (speciellt väglängdsutnyttjandet). Vår utvärdering bekräftar att energieffektivitet och nätverksprestanda står i motsatsförhållande till varandra. Dock erbjuder WPA-LR strategin minimering av energin med en acceptabel påverkan på nätverksprestanda. Slutligen undersöks i avhandlingen den påverkan som sovlägesbaserade energieffektiva strategier har på livslängden för optiska nätverkskomponenter, både i access- och i distributionsnät. Användning av sovlägesfunktion kan påverka arbetsförhållandena för en komponent, något som i sin tur kan påverka livslängden. Detta är en kritisk aspekt att ta i beaktande då det direkt kan påverka driftskostnaden kopplad till nätunderhållet. En metod ges för att utvärdera under vilka förhållanden och för vilka enheter en energieffektiv strategi kan leda till en total kostnadsfördel jämfört med en (möjlig) ökning av reparationskostnaderna. Ett resultat är att, i accessnät och för företagsanvändare, så kan även en liten variation i feluppkomst i optiska linjeterminaler (OLTs) eller optiska nätverksenheter (ONUs) leda till signifikanta kostnadsförluster vilka inte kan kompenseras genom de vinster som kan åstadkommas med energibesparingar. I distributionsnät är erbium-dopade fiberförstärkare (EDFAs) de mest utsatta enheterna vad gäller inverkan på livslängd. Genom att studera routingstrategier (ex.vis WPA-LR) har vi funnit att användningen av ”gröna” routingalgoritmer baserade på att lägga EDFAs i sovläge inte alltid är ekonomiskt fördelaktigt. Denna avhandling ger ett perspektiv på sovlägesbaserade energieffektiviseringsalgoritmer där de potentiella fördelarna vad gäller minskade driftskostnader ställs mot möjliga försämringar av nätverksprestanda och komponenters livslängd. Å andra sidan kan dessa försämringar hållas under kontroll och begränsas av den föreslagna algoritmen. / La consommation d'énergie des réseaux de communication ne cesse de croître. Ce problème fait l’objet de nombreuses approches orientées vers les économies d'énergie (écoénergétiques) au niveau des appareils (équipements) des systèmes et des réseaux. La façon la plus prometteuse de limiter l’augmentation de consommation évoquée est d'utiliser autant que possible des technologies photoniques, vu leur faible consommation d'énergie par bit. Plusieurs autres approches ont été proposées pour réduire davantage encore la consommation d'énergie dans des réseaux optiques. Une technique populaire exploite les modes de faible puissance (par exemple le mode veille) pour les appareils qui ne sont pas utilisés. Cependant, les approches basées sur le mode de veille peuvent affecter la manière dont les liaisons optiques (circuits optiques) sont acheminées, ou modifier les caractéristiques de certains appareils. Cela peut avoir un impact négatif sur les paramètres de performance des réseaux/équipements cruciaux. En d'autres termes, une approche écoénergétique peut introduire un retard supplémentaire, changer le niveau d'utilisation des ressources dans le réseau, ou même avoir un impact sur le taux d'échec d'un équipement, entraînant une augmentation des coûts d'exploitation du réseau. Cette thèse évalue attentivement, à la fois dans le réseau d'accès mais aussi dans le cœur du réseau, le compromis entre les avantages des régimes économes en énergie utilisant le mode veille et leurs effets secondaires possibles. Dans les réseaux d'accès optiques, mettre un équipement en mode veille et le réactiver peut introduire une surcharge d'énergie significative. Les approches d'économie d'énergie déjà proposées réduisent cette surcharge en regroupant autant que possible le trafic avant sa transmission. Toutefois, les données d'agrégation peuvent provoquer un retard supplémentaire qui peut ne pas être acceptable dans certains cas. Cette thèse étudie le compromis entre les économies d'énergie et un retard supplémentaire des paquets dans le cas d'un réseau backhaul LTE basé sur réseau optique passif à multiplexage en longueur d'onde (WDM-PON). La thèse propose une nouvelle approche éco énergétique. Elle développe un concept au travers duquel il est possible de contrôler avec précision quand un émetteur doit se réactiver, afin de maximiser le temps passé en mode veille tout en veillant à ce que les transmissions de paquets soient terminées en temps voulu. Le schéma proposé est également capable d’exploiter les (éventuelles) exigences diverses de retard de trafic pour améliorer encore les économies d'énergie. Dans le cœur des réseaux optiques, on peut diminuer la consommation d'énergie en minimisant le nombre d’équipements actifs utilisés pour l’acheminement des circuits optiques et le nombre de liens actifs à fibres optiques. Les stratégies de routage basées sur ce principe sont bénéfiques en termes d'économie d'énergie, mais peuvent affecter les performances du réseau (par exemple, la probabilité de blocage) en affectant la longueur des circuits optiques et la distribution d’occupation des liens. Ce compromis est évalué dans la thèse avec l'aide d’une stratégie de routage et affectation de longueur d'onde (RWA) appelée routage des circuits optiques conscient de la puissance (WPA-LR). La stratégie WPA-LR permet le réglage fin entre deux objectifs: minimiser la consommation d'énergie et minimiser l’utilisation des ressources réseau (i.e. longueur d'onde). Les résultats de l'évaluation confirment que l'efficacité énergétique et les performances du réseau ont des objectifs contradictoires. Cependant, la stratégie WPA-LR proposée permet la minimisation de l'énergie avec un impact acceptable sur les performances du réseau. La thèse étudie également l'impact que les stratégies d’économie d’énergie basées sur le mode veille ont sur la durée de vie d'un certain nombre d’équipements de réseau optique, dans les deux réseaux d'accès et de base. L'utilisation du mode veille peut en effet modifier les conditions de fonctionnement de l’équipement, ce qui peut influer sur la durée de vie de l'appareil. Ceci est un aspect crucial à considérer, car il peut affecter directement le coût opérationnel du réseau lié à la gestion des pannes. La thèse propose une méthodologie pour évaluer dans quelles conditions et pour quels dispositifs un système économe en énergie peut conduire à des avantages de coûts globaux par rapport à une (possible) augmentation des coûts de maintenance. Dans les réseaux d'accès et auprès de clients commerciaux, il a été constaté qu’une petite variation de taux d'échec dans les terminaux de ligne optique (OLT) ou dans les unités de terminaison de réseau optique (ONUs) peut conduire à des pertes financières importantes qui ne peuvent être compensées par les bénéfices provenant des économies d'énergie. Dans les cœurs de réseaux les amplificateurs à fibre dopée en erbium (EDFA) sont les équipements les plus vulnérables en termes d'impact sur leur durée de vie. Pour cette raison, l'utilisation d'algorithmes de routage écoénergétiques basé sur la mise en mode veille des EDFA peut par conséquent n’être pas toujours économiquement avantageuse. En conclusion, cette thèse fournit une perspective différente sur des algorithmes économes en énergie basés sur l’utilisation du mode veille. Leur bénéfice potentiel en termes d'économie d'énergie est comparé à l'impact d'une éventuelle dégradation d’une part de la performance du réseau et d’autre part de la durée de vie des équipements. Ces dégradations de performances peuvent être contrôlées et limitées par les algorithmes proposés. / Zużycie energii elektrycznej w sieciach komunikacyjnych stale rośnie. Do tej pory zostało zaproponowanych wiele metod oszczędzania energii na poziomie urządzeń, systemów i sieci. Najbardziej obiecującym podejściem do tego problemu jest wykorzystanie technologii optycznych, z uwagi na ich niskie zużycie energii „per bit”. Ponadto wiele różnych metod przeznaczonych dla sieci optycznych zostało przedstawionych w literaturze. Jedna z popularnych technik wykorzystuje tryb niskiego poboru energii (uśpienia) w urządzeniach, które nie są używane. Jednakże techniki wykorzystujące tryb uśpienia mogą mieć wpływ na kierowanie optycznych połączeń sieciowych (lightpaths) lub zmieniać właściwości urządzeń. Natomiast to może mieć negatywny wpływ na kluczowe parametry wydajności sieci czy urządzeń sieciowych. Innymi słowy algorytmy oszczędzające energię mogą wprowadzić dodatkowe opóźnienia, zmienić wykorzystanie zasobów sieciowych, a nawet wpływać na awaryjność urządzeń zwiekszając tym samym koszt eksploatacji sieci. Praca ta przedstawia i analizuje kompromis pomiędzy korzyściami płynącymi z energooszczędnych algorytmów opartych na trybie uśpienia, a ich ewentualnymi skutkami ubocznymi, zarówno w sieciach dostępowych, jak i szkieletowych. W przypadku optycznych sieci dostępowych proces wprowadzenia urządzenia w tryb uśpienia i jego wybudzenia może spowodować znaczący narzut energetyczny. Proponowane sposoby zmniejszenia tego narzutu agregują ruch sieciowy przed jego transmisją, Jednakże taka agregacja powoduje dodatkowe opóźnienia transmisji, które w niektórych przypadkach mogą być niedopuszczalne. Praca ta analizuje kompromis pomiędzy oszczędzaniem energii, a dodatkowymi opóźnieniami transmisji w przypadku sieci LTE-backhaul, bazowanej na technologii pasywnych sieci optycznych, opartych na multipleksowaniu z podziałem długości fali WDM-PON (Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network). Niniejsza praca proponuje nowatorską metodę oszczędzania energii, opartą na koncepcji drzemki (dozing), która precyzyjnie kontroluje czas wybudzania nadajnika, tak aby zmaksymalizować czas spędzony w trybie drzemki, przy zapewnieniu, że transmisja danych zostanie zakończona przed upływem wymaganego czasu. Proponowana metoda wykorzystuje również zróżnicowane wymagania maksymalnych opóźnień transmitowanych danych do dalszej poprawy wydajności energetycznej. Jednym ze sposobów zmniejszania zużycia energii w światłowodowych sieciach szkieletowych jest zredukowanie liczby aktywnych urządzeń, poprzez umiejętne kierowanie optycznych połączeń sieciowych przy użyciu już aktywnych łączy światłowodowych. Kierowanie ruchu sieciowego oparte na tym pomyśle jest korzystne z punktu widzenia oszczędzania energii, choć z drugiej strony może mieć wpływ na parametry wydajnościowe sieci (np. zwiększenie prawdopodobieństwa blokady połączeń) poprzez oddziaływanie na długość połączeń, czy zajętość łączy. Przytoczony problem jest analizowany w tej pracy za pomocą specjalnie zaprojektowanego algorytmu routingu i przypisania długości fali RWA (Routing and Wavelength Assignement), nazwanego WPA-LR (Weighted Power Aware Lightpath Routing). Algorytm WPA-LR pozwala na precyzyjną regulację pomiędzy redukcją zużycia energii i optymalizacją wykorzystania zasobów sieciowych. Wyniki wykonanej analizy problemu potwierdzają, że efektywność energetyczna i wydajność sieci to cele ze sobą sprzeczne. Jednakże proponowana strategia (WPA-LR) umożliwia kontrolę i osiągnięcie kompromisu pomiędzy zmniejszeniem zużycia energii, a pogorszeniem wydajności sieci. Praca ta bada również wpływ energooszczędnych strategii, opartych o tryb uśpienia, na trwałość optycznych urządzeń sieciowych, zarówno w sieciach dostępowych, jak i szkieletowych. Używanie trybu uśpienia może zmienić warunki pracy urządzenia, które z kolei mogą mieć wpływ na jego trwałość. Natomiast zmniejszenie trwałości urządzenia może bezpośrednio oddziaływać na koszt eksploatacji sieci związany z zarządzaniem awariami. Niniejsza praca proponuje metodologię oceny, na jakich warunkach i w przypadku których urządzeń, używanie algorytmów oszczędzania energii może prowadzić do ogólnych korzyści finansowych lub strat związanych ze wzrostem kosztu eksploatacji sieci. W pracy stwierdzono, że w sieciach dostępowych, w szczególności obsługujących klientów biznesowych, mały wpływ na awaryjność optycznych terminali ONU (Optical Network Unit) lub optycznych urządzeń dystrybucyjnych OLT (Optical Line Terminal) może prowadzić do znacznego zwiększenia kosztów, które mogą przekroczyć zyski związane z oszczędzaniem energii. W sieciach szkieletowych wzmacniacze światłowodowe EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) są najbardziej wrażliwymi urządzeniami pod względem wpływu na ich awaryjność. W pracy dowiedziono, że użycie energooszczędnych algorytmów kierowania połączeń światłowodowych, opartych na wprowadzaniu EDFA w tryb uśpienia, nie zawsze jest korzystne ekonomicznie. Niniejsza praca przedstawia nowatorskie spojrzenie na energooszczędne algorytmy oparte na wprowadzaniu urządzeń w tryb uśpienia, gdzie potencjalne korzyści w zakresie oszczędzania energii są porównane ze stratami związanymi z degradacją wydajności sieci lub żywotności urządzeń sieciowych. / <p>QC 20160509</p>

The energy demand is a complex issue for householders in New Zealand, since a large number of dwellings were built before energy efficiency regulation came into force in 1979. To heat the average New Zealand home takes a lot of energy, and therefore many householders choose to limit their heating space.   Powerco, New Zealand’s second-largest distribution company is conducting a two-year study, called Powering tomorrow’s homes. The project aims to uncover opportunities to shift peak loads on Powerco’s electricity network, by using a range of networks surveys. The dwellings that have been chosen to contribute to this study have gone through a large retrofit in 2014.   This study has been limited to verifying the effectiveness of three different heating systems, within three houses in New Zealand. It has been based on global data such as climate, temperature, humidity, design of the house and the family’s different behavioural patterns.   Three case models have been established in the program IDA ICE, to simulate and calculate the amount of used and delivered energy for space heating. Thereafter four main energy simulations were conducted to study the heating system before the intervention, after the intervention and a trial to see which heating system that is best suitable for each house. The new settings together with the original heating systems were also calculated. The simulations are also limited to summer respective winter because the heating systems are used differently depending on season. Data of location and climate files have been limited to Auckland and Wellington.   The results show that the most energy efficient heating system for dwelling A is the heat pump and infrared panel it uses today and for dwelling C its dwelling A’s heating system. Data demonstrate that the most effective heating system for dwelling B varies depending on climate, showing that dwelling C’s gas heating is more efficient for a warmer humid climate in Auckland and that dwelling A’s heat pump is better for a colder climate in Wellington. Comparison between the new settings and the old heating system (two radiators) shows that dwelling A’s new heating system (infrared panel &amp; a heat pump), requires less delivered energy than the old heating system. Dwellings B’s new heating system (gas fire, an infrared panel &amp; a radiator) is the most effective in Auckland however the old heating system (an air source heat pump, oiled-filled radiators &amp; a gas wall heater) is the most energy efficient in Wellington. Dwelling C’s new heating system (gas central heating &amp; a gas fire) has a lower delivered energy than the old heating system (gas fire, two heat pumps, radiators and heating panels) for summer in Auckland, while it has a higher delivered energy for winter in both Wellington and Auckland, and also summer in Wellington.       In conclusion, the new heating systems deliver warmer, more comfortable dwellings for less delivered energy than the previous. This presents an opportunity for Powerco to use newer gas heating to curb electricity load, and also shows the opportunity to use heat pumps to reduce peak demand through increased energy efficiency.

För mellan 40-50 år sedan så byggdes en miljon bostäder i Sverige. Idag har arbetet påbörjats med att renovera och restorera dessa bostäder, i samband med dessa åtgärder så görs även många åtgärder för att minska energianvändningen. Syftet med detta arbete var att ta reda på vad som var det mest ekonomiska valet av olika gröna elkällor. Även fastighetsägarnas egna tankar och uppfattningar ställs i relation till slutsatserna vid beräkningarna för att få en uppfattning om det stämmer överens. För att arbetet inte skulle bli för stort och krävande så gjordes dessa avgränsningar:  För att tiden skulle räcka till så avgränsades arbetet till Dalaregionen.  Arbetet har dessutom avgränsats till att bara undersöka ekonomin vid valet av de olika gröna elkällorna. Genom två olika undersökningar med mentometerknappar så kunde resultatet om fastighetsägarnas egna tankar och uppfattningar redovisas och analyseras. Vidare kunde fastighetsägarnas tankar och uppfattningar jämföras med beräkningarna och dessa slutsatser kunde då dras: Slutsatser:  Vindkraft var ej lönsam med dagens elpriser.  Av fastighetsbolag kunde det ses att deltagarna trodde olika på vad som gav bäst lönsamhet mellan vindkraft, solel eller grön el. / Between the years 1965 and 1975 one million residences in Sweden were built. Today the work of renovating these buildings has begun, in connection with this work there are many measures taken to reduce energy usage. The purpose of this work was to find out what is the most economical choice of various green power sources. Also the thoughts and beliefs of the property owners are set in relation to the conclusions of the calculations to get an idea of how different the property owner’s beliefs are compared to the calculations. To avoid making the work too large and demanding these boundaries have been set:  To get appropriate conclusions the work has been limited to the region of Dalarna.  The work has also been limited to examining the economic factor when choosing between various green power sources. Two surveys were conducted with several different property owners as participants and then two calculations of the payback period for solar power, wind power, and green electricity were conducted. These two results were then compered to each other to be able to analyze and present these conclusions. Conclusions:  Wind power is not profitable at today’s electricity prices.  Real estate owners are uncertain of what choice gives the best profitability of wind power, solar power or green power.

Lighting accounts for nearly 20% of overall U.S. electricity consumption, 14% of U.S. residential electricity consumption, and 6% of total U.S. carbon dioxide equivalent (CO2e) emissions. A transition to alternative energy-efficient technologies could reduce this energy consumption considerably. We studied three questions related to energy efficiency lighting choices and consequences, which are: • Question 1: How large is the system-wide effect of a residential lighting retrofit with more efficient lighting technologies? • Question 2: Based on stated preference (SP) data, which factors influence consumer choices for general service light bulbs? What is the effect of the new lighting efficiency label mandated by the Federal Trade Commission? • Question 3: What can we learn about market trends and consumer choices from consumer panel data (i.e. revealed preference (RP) data) for general service light bulbs between 2004 and 2009? How can we compare the findings from SP and RP data, and which findings are robust across the two? In Chapter 2, we focus on the issue of lighting heat replacement effects. The issue is as follows: lighting efficiency goals have been emphasized in various U.S. energy efficiency policies. However, incandescent bulbs release up to 95% of input energy as heat, and it has been argued that replacing them with more efficient alternatives has a side effect in the overall building energy consumption: it increases the heating service that needs to be provided by the heating systems and decreases the cooling service that needs to be provided by the cooling systems. We investigate the net energy consumption, CO2e emissions, and saving in energy bills for single family detached houses across the U.S. as one moves towards more efficient lighting systems. In some regions, these heating and cooling effects from more efficient lighting can undermine up to 40% of originally intended primary energy savings, erode anticipated carbon savings completely, and lead to 30% less household monetary savings than intended. However, this overall effect is at most one percent of total emissions or energy consumption by a house. The size of the effect depends on various regional factors such as climate, electricity fuel mix, differences in emission factors of main energy sources used for heating and cooling, and electricity prices. Other tested factors such as building orientation, insulation level, occupancy scenario, or day length do not significantly affect the results. Then, in Chapter 3, we focus on factors that drive consumer choices for light bulbs. We collected stated preference data from a choice-based conjoint field experiment with 183 participants. We estimate discrete choice models from the data and find that politically liberal consumers have a stronger preference for compact fluorescent lighting technology and for low energy consumption. Greater willingness-to-pay for lower energy consumption and longer life is observed in conditions where estimated operating cost information was provided. Providing estimated annual cost information to consumers reduces their implicit discount rate by a factor of five, lowering barriers to adoption of energy efficient alternatives with higher up-front costs; however, even with cost information provided, consumers continue to use implicit discount rates of around 100%, which is larger than that estimated for other energy technologies. Finally, we complemented the stated preference study with a revealed preference study. This is because stated preference data alone have limitations in explaining consumer choices, as purchases are affected by many other factors that are outside of the experimenter control. We investigate consumer preferences for lighting technology based on revealed preference data between 2004 and 2009. We assess the trends in lighting sales for different lighting technologies across the country, and by store type. We find that, across the period between 2004 and 2009, sales of all general service light bulbs are almost monotonically decreasing, while CFL sales peaked in 2007. Thanks to increasing adoption of CFLs during the period, newly purchased light bulbs contributed to lowering carbon emissions and electricity consumption, while not sacrificing total produced lumens as much. We study consumer preferences for real light bulbs by estimating choice models, from which we estimate willingness-to-pay (WTP) for light bulb attributes (watt and type) and implicit discount rates (IDR) consumers adopt for their purchases. We find that the campaign for efficient bulbs in Wal-Mart in 2007 is potentially related to the peak in CFL adoption in 2007 in addition to the effects of the EISA or other factors/programs around the same period. Consumers are willing to pay, $1.84 more for a change from an incandescent bulb to a CFL and -$0.06 for 10W increase, the values which also include willingness-to-pays for corresponding changes in unobserved variables such as life and color. IDRs for four representative states range between around 230% and 330%, which is in a similar range we estimate from the choice experiment. Overall, even with energy efficiency labels, nationwide promotion of CFLs by retailers, or better availability of CFLs in the transforming residential lighting market, we see the barriers to energy efficient residential lighting are still persistent, which are reflected in high implicit discount rates observed from the models. While we can expect the EISA to be effective in lowering the barriers through regulation, it alone will not close energy efficiency gap in the residential lighting sector.

This PhD research project has examined four newly built secondary schools in Leicester, England that were procured through the UK Government’s Building Schools for the Future (BSF) programme (2003-2010). The research strategy has adopted a mixed-methods approach using a range of quantitative and qualitative data. The principle aim was to establish a theoretical framework for Sustainable Development which could then help to shape the analysis. Five specific dimensions were identified as a result of an extensive literature review (Education [A], Community [B], Environment [C], Technology [D] and Economics [E]). It was also important to consider the dynamic nature of a school in relation to the study’s overarching question; ‘Sustainable Schools; Beyond Measure?’ In this regard, a “systems” approach was selected, which in turn led to the identification of three further levels of analysis (Inputs [1], Processes [2] and Outcomes [3]). Five objectives were then identified, helping to instruct the direction of the research activities. Firstly, the BSF procurement mechanism had to identify a private sector partner to rebuild the 16 secondary schools in Leicester over a 10 year period. This was time consuming and did not include energy efficiency as part of the selection process. Secondly, the commissioning of the four phase one buildings prior to occupancy was not sufficiently thorough. As a result, multiple operational problems were encountered post-occupancy by the Facility Management (FM) Provider. Thirdly, when the utility data was examined, the schools were not performing efficiently around their schedule of activities. When the Building Management Systems (BMS) were subsequently re-commissioned, timer settings were adjusted, resulting in substantial carbon and energy savings. Fourthly, when the staff completed an occupancy satisfaction survey, the results identified numerous comfort problems which could be linked to the heating, ventilation and air-conditioning systems (HVAC). Finally, when the researcher looked back at the past 10 years of educational statistics (2002-2012), it was clear how attainment, based on GCSE results, had dramatically improved following the move into the new buildings in September 2009. In order to draw out new insights from this wide spectrum of data, a matrix was developed, helping to organise the information in a systematic way. More generally, it is hoped this approach will promote a more intricate understanding about the way Sustainable Development can be integrated into future procurement mechanisms, building regulations and education policy.

Mjölkindustrin tillhör en av världens största industrier, och är den snabbaste växande sektorn inom jordbruksnäring. Varje år produceras cirka 800 miljoner ton mjölk världen över, varav svenskar årligen konsumerar cirka 150 kg mejeriprodukter per person. Framställningen av mejeriprodukter innefattar ett flertal processer som kräver stora mängder energi, främst i form av ånga till upphettning av mjölk och vatten samt elektricitet till kylning. Anledningen till att mjölken genomgår diverse behandlingar är framförallt för att döda skadliga bakterier och sporer men också ur kvalitetssynpunkt. För att möta de miljömässiga utmaningar vi står inför krävs att nya hållbara lösningar utvecklas och implementeras. Enligt miljöbalken ska verksamheter använda förnybara energikällor i den utsträckning det är möjligt, återvinning av värme skall nyttiggöras och det ska hushållas med såväl energi som andra resurser. Wermlands Mejeri, beläget i Värmlands Nysäter, startade sin verksamhet i september 2015. Mejeriet framställer dagligen 18 400 liter lättmjölk, mellanmjölk, standardmjölk och grädde, med målet att till augusti 2016 dubbla produktionen med samma sortiment. Syftet med del I av denna studie är att utföra en energikartläggning för att bestämma mejeriets totala energibehov samt hur behovet är fördelat på diverse processer. Energiinventeringens syfte utöver att skapa insikt i hur energianvändningen är fördelad är att ligga som grund för jämförelser med liknande anläggningar. På så vis kan en uppfattning om förbättringspotential erhållas. Vid jämförelser mellan olika anläggningar har nyckelvärdet specifik energikonsumtion, SEC, använts.  SEC definieras som använd energi dividerat med den totala produktionsvolymen och kan appliceras på en delprocess eller en hel produktionsanläggning. Analyser av energianvändning och effektiviseringspotential har utförts genom termodynamiska beräkningar, fysiska mätningar, simuleringar och ingenjörsmässiga uppskattningar. Enligt den kartläggning som gjorts förbrukar Wermlands mejerier idag 1141 MWh per år, vilket motsvarar ett SEC-värde på 0,19 kWh/liter mjölkprodukt. Vid en fördubbling av produktionen skulle energianvändningen öka till 1570 MWh per år och SEC-värdet reduceras till 0,13 kWh/l varav värmebehovet representerar 0,09 kWh/l. Två svenska referensanläggningar som använts vid jämförelser har ett totalt SEC-värde på 0,11 respektive 0,12 kWh/liter mjölkprodukt där värmebehovets SEC-värde är 0,05 respektive 0,06 kWh/l. Syftet med del två av studien är således att belysa förbättringspotential genom reducerat värmebehov och ånganvändande. Målet är att presentera åtgärder som sänker och tillgodoser energibehovet utan förbränning av fossila bränslen. Resultatet visar att bränslebehovet kan reduceras från 105 till 782 MWh/år med olika åtgärder. Bränslekostnaden utan åtgärder antas vid dubblad produktion uppgå till drygt 750 000 SEK per år. Vid utbyte till pelletspanna och med samtliga åtgärder genomförda är bränslekostnaden 250 000 SEK/år och koldioxidutsläppen reducerades med över 1000 ton/år. Totala SEC-värdet på värmesidan reduceras då från 0,09 kWh/l till 0,06 kWh/l vilket är jämförbart med de svenska referensanläggningarna. / The dairy industry is one of the world’s largest industries, and the most rapidly expanding sector of agriculture. Every year more than 800 million tons of milk is produced globally, of which the Swedish population annually consumes more than 150 kg per capita. Refinement of milk includes several processes that require large amounts of energy, mainly in the form of steam for heating of milk and electricity for cooling. The main reasons the milk has to go through these heating and cooling process is to reduce the bacterial count, rendering the product safe to drink and of a consistent quality. To meet the environmental challenges that lie ahead, it is important that sustainable solutions for the dairy industry are developed and implemented. According to the environmental code, all industries shall use renewable energy sources to the highest possible degree, recycling of heat shall be used and housekeeping of energy and other resources is of uttermost importance. Wermlands Mejeri, a dairy plant in Värmlands Nysäter, started their operations in September 2015. Today they produce about 18 400 liters of dairy product, with a product portfolio consisting of three different types of milk (0.5, 1.8, and 3 percent fat) and cream. Their goal is to expand the operation, so that the production volume will be doubled by august 2016. The commencing chapter of this report is based on a survey with the goal of defining the total energy consumption at the plant, and also to investigate how the need of energy is divided between the different processes. This survey is purposed to be compared to the energy consumption at other similar dairy plants, in order to point out if (and where) there is any potential to increase the energy efficiency. When comparing different facilities, the key indicator Specific Energy Consumption (SEC) is used. SEC is defined as the total used energy divided by the amount of product, and can be applied on specific processes as well as an entire operation. According to the analysis, Wermlands mejerier consumes 1141 MWh yearly, which corresponds to a SEC index of 0.19kWh/liter milk product. A doubling of the milk production would lead to an increase in energy use to 1570 MWh/year, and a reduction in SEC to 0.13 kWh/l of which the heating system stands for 0.09 kWh/l. The two Swedish reference factories which were used as comparison have an SEC index of 0.11 and 0.12 kWh/l milk product, of which the heating system stands for 0.05 and 0.06 kWh/l, respectively. The aim of the second part of the study is to highlight the potential for improvement by reducing the heating demand and steam usage. The goal is to suggest practice changes that reduce and meet the need for energy without burning fossil fuels. The study shows that the fuel usage can be reduced from 1050 to 782 kWh/year by different interventions. Without these interventions, the fuel cost is expected to reach over 750,000 SEK/year when doubling the production. If all interventions, including changing to pellet boiler, are implemented, the fuel cost will be 150,000 SEK/year and the carbon dioxide emissions reduced by over 1,000 tons yearly. The total SEC index of the heating system will then be reduced from 0.09 to 0.06 kWh/l, which is comparable to the Swedish reference factories.

För att uppnå Sveriges miljömål begränsad klimatpåverkan behöver åtgärder göras för att minska energianvändningen inom bostads- och servicesektorn, vilken stod för drygt en tredjedel av Sveriges totala energianvändning år 2014. Dålig styrning av värme-, ventilations- och kylsystem är ofta en bidragande orsak till onödigt hög energianvändning inom hushåll och lokalbyggnader. Med hjälp av fastighetsautomation samlas byggnadens tekniska system i ett styr- och övervakningssystem, vilket kan användas för att optimera styrningen. Dock är marknaden för fastighetsautomation dåligt kartlagd och information saknas angående styrsystemens funktioner och användningsområden. Rapporten inleds med grundläggande teori för att skapa ökad förståelse för senare delar. Därefter har en undersökning gjorts för ett antal företags styrsystem i syfte att klargöra dess funktioner, användningsområden samt vilken energibesparing styrsystemen ger upphov till. I rapporten beskrivs också tillvägagångssättet för en verklig installation i lokalbyggnaden Kv Slottet 4 och hur energianvändning samt inneklimat har påverkats efter att styrsystemet installerats. Resultatet för den svenska marknadsöversikten visar på att fastighetsautomation är etablerat inom byggnadstyperna flerbostadshus och lokalbyggnader medan småhus är en outforskad marknad. Vanliga funktioner som implementeras i styrsystem är drifttidsstyrning, prognosstyrning och effektbegränsning. Undersökningen har visat att fastighetsautomation ger upphov till energibesparingar på i snitt 10 – 40 %. Besparingen varierar dock och beror på flera faktorer som byggnadstyp, geografisk placering och tidigare styrning. Företagen använder också olika metoder för att beräkna energibesparingen varför det är problematiskt att rättvist jämföra besparingen för olika styrsystem. Energibesparingen för de olika byggnadstyperna och installationssystemen har i många fall varit svåra att få tillgång till. Generellt gäller att de företag som tillhandahåller obligatoriskt driftavtal har bättre koll på den besparing som styrsystemet ger upphov till. I examensarbetet har fyra företag kartlagts men för en mer djupgående analys över den svenska marknaden bör fler företag undersökas. Efter installationen av det automatiska styrsystemet Ecopilot® på Kv Slottet 4 erhölls en värmeenergibesparing för vald period på upp till 20,6 MWh, vilket motsvarar en procentuell besparing på 53 %. Energibesparingen varierar dock till viss del beroende på vilken beräkningsmetod som används. Byggnadens totala elbesparing uppgick till 6,5 MWh, vilket motsvarar 20 % minskning av elanvändningen för undersökt period. Den beräknade energibesparingen kan inte helt tillskrivas Ecopilot® eftersom ett annat driftfall rådde under jämförd period än det som var precis innan installationen. Via styrsystemets gränssnitt kunde emellertid en sänkt energianvändning härledas till Ecopilot®. Bland annat tack vare effektivare reglering, samkörning av installationssystem, effektivare värmeåtervinning, sänkta ventilationsflöden samt lägre inomhus- och flödestemperaturer. Intervjuer med verksamma personer i byggnaden påvisar att ingen skillnad har märkts på inomhusklimatet före och efter installationen av Ecopilot®, varken med avseende på det termiska klimatet eller på luftkvaliten. För större säkerhet gällande styrsystemets inverkan på inomhusklimatet och energianvändningen bör en längre tidsperiod utvärderas. / Sweden has a number of environmental objectives, of which one is reduced climate impact. To achieve this goal measures have to be taken in order to reduce building energy use in residential and services sectors, sectors that accounted for over one third of Sweden’s total energy use in 2014. Poor regulation of heating, ventilation, and air conditioning (HVAC) is a common reason for often unnecessary high energy use in residential buildings and non-residential premises. Building automation integrates the buildings technical systems, such as HVAC, into one centralized system for monitoring and controlling, which then can be used to optimize the regulation for these systems. The market is however poorly mapped and information is missing regarding functions and area of use for these control systems. This report begins with a description of basic theory that is relevant for understanding parts later on. An analysis has then been made for a number of different building automation systems to clarify their functions, area of use, and potentials in energy savings. The report also describes the procedure for a real installation on Kv Slottet 4 and how the energy use and indoor climate has been affected after the building automation system has been installed. Results regarding the Swedish market overview shows that building automation is established in apartment buildings and non-residential premises while building automation is still unused in smaller houses. Some of the most common functions that are implemented in control systems are time clock operation, forecast control and power limitation. The analysis has shown that building automation can lead to energy savings between 10 to 40 %. The size of the saved energy depends on a number of factors like type of building, geographical location and former regulation of HVAC. The building automation companies are using different methods to calculate the energy saving why it is a problem to fairly compare different control systems. The information on energy savings for different type of buildings and technical systems are in many cases hard to get hold of. Generally speaking, the companies that provide mandatory agreements for operating the control system have more detailed information regarding energy savings. Four different companies were covered in this report. More companies should be mapped in order to make a more profound analysis. After the installation of Ecopilot® on Kv Slottet 4, a heat reduction of up to 20.6 MWh for the chosen period of time was achieved. That corresponds to a relative energy saving of 53 %. The energy saving varies depending on what method is used for calculation. The buildings total energy savings for electricity was 6.5 MWh, which corresponds to a 20 % reduction. The calculated energy saving is not all due to the building automation system but there has been some reduction. Ecopilot® has lowered the energy use by more efficient regulation, co-operating heating and cooling, more efficient heat recovery, lowered ventilation flows, and lowered temperatures. No change in indoor climate has been noticed by the people that were interviewed. The control system should be evaluated for a longer period of time to ensure how much it affects the indoor climate and the energy use in the building.

Commercial energy use in Arizona is different from the rest of the United States because of their high demand for air conditioning. Nearly half of the energy used in commercial buildings goes to heating, cooling, and ventilation. In an attempt to reduce overall every use in buildings, looking at these categories led to an examination of ventilation in buildings, which is the main cause for high heating and cooling costs. Ventilation of fresh air is required in order to provide a safe, healthy environment, with acceptable indoor air quality. Indoor air quality and pollution has continuously come to light as a major health concern for building occupants. Chemicals used in manufacturing allow consumers to buy and expose themselves to toxic substances such as volatile organic compounds on a daily basis. With minimal regulations on indoor air, it is important to find ways to better filter and clean it. The traditional solution is ventilation, but more fresh air ventilation means more heating and cooling. This paper explores the research that has been done on plants and phytoremediation and the applicability to indoor air quality. With the proof that certain combinations and amounts of plants can filter the air of volatile organic compounds, systems are explored for indoor air filtration instead of mechanical ventilation. This type of system can greatly reduce heating and cooling costs in buildings due to the reduction of outdoor air being brought in and requiring conditioning. A system of this type is a feasible solution to indoor air quality and can lead to a significant reduction in energy use. The proposed AIRMAPS is a system that in certain quantities can reduce the need for fresh air ventilation by 25%, which in turn has shown through the validation by eQUEST, that the energy used for heating, cooling, and ventilation fans can also be reduced by approximately the same amount. The plants used are spider plant, dumb cane, English ivy, and golden pothos. The average formaldehyde removal by each of these plants is a low approximation of 75% per cubic meter. This paper also considers the growing materials used for the plants; activated carbon, potting soil mix, and grow-stones, as well as their formaldehyde removal capabilities.

Digital hydraulics is one of promising technologies having a huge potential to significantly improve energy efficiency in the fluid power industry. In this paper, we present a digital hydraulics solution for mobile market with a large ammount of energy usage by hydraulic components and systems. Specifically, a novel hydraulic architecture, Multiplex Digital Valve (MDV) system that employs digital valves to meet multiple service pressure/flow requirement in off highway vehicles, is introduced. With MDV being integrated in an execavator, signficant hydraulic power saving have been validated compared to the baseline machine with the negative flow control (NFC) architecture. In addition, considering noise is still a critical hurdle for digital hydraulics to be adoped, we develop several noise reduction methods that have been evaluated in simulation environment and implemented in the above MDV. The sound pressure measured from the retrofitted MDV solution with the NVH treatment in the excavator has been improved signficantly over the untreated system such that it is nearly comparable to the baseline machine. The paper also briefly presents the sound quality study for better understanding of human perception and acceptance to nonconventional sound.

The focus of the present contribution is hydraulic energy recovery by means of hydropneumatic multi-chamber accumulators. A simulation study is presented comparing two different multi-chamber accumulator concepts for energy recovery in an exemplary load case involving a forklift mast. The first concept is based on the “Double Piston Accumulator” /1/. It is compared to the so-called “Digital Accumulator” /2/. Both similarities and differences of the two concepts are discussed in the presentation.