Tesis por compendio / [ES] El sector de la edificación representa el 20% y el 40% de la energía primaria mundial, contribuyendo al 30% de las emisiones de CO2, un desafío amplificado por el crecimiento de la población. Sin embargo, el creciente interés en las fuentes de energía renovables ya maduras, como la energía solar fotovoltaica (PV), ofrece oportunidades para mitigar los anteriores impactos, así como potenciales beneficios económicos, ambientales y sociales. El presente trabajo investiga las posibilidades y limitaciones en el despliegue masivo de sistemas de autoconsumo fotovoltaico (PVSC) en áreas urbanas desde una perspectiva de planificación urbana, considerando las limitaciones técnicas y económicas actuales. Con este fin, esta tesis emplea estrategias basadas en datos para desarrollar modelos físicos y modelos ágiles basados en regresiones como herramientas de evaluación del potencial técnico y económico de los sistemas PVSC en contextos urbanos. En primer lugar, se ha desarrollado y validado un submodelo empírico de producción fotovoltaica con mediciones climáticas y de producción recopiladas de una planta fotovoltaica de 50MW en funcionamiento. Además, se han investigado varias mejoras en el modelado del performance ratio (PR) en entornos de baja irradiancia. En la segunda etapa de esta investigación, el submodelo anterior se ha integrado en un modelo tecnoeconómico 3D basado en sistemas de información geográfica (GIS) capaz de evaluar el PVSC económico para una muestra de edificios residenciales. Además, el modelo incorpora modelos de sombras y estimaciones de demanda eléctrica horaria para evaluar una muestra de edificios residenciales. Una base de datos de simulación, derivada de los resultados anteriores, ha permitido el desarrollo de una metodología para entrenar un modelo basado en regresión y con ello estimar la producción y el periodo de retorno económico (PB) a escala de edificio con una precisión asumible para fines de planificación energética. Como último paso, se mejoró el submodelo de demanda empleando datos reales agregados de series temporales para múltiples patrones de consumo y proporcionando estimaciones realistas para otras tipologías de edificios. Además de las restricciones espaciales, el modelo optimiza el tamaño de las instalaciones según su demanda y limitaciones económicas, maximizando la relación entre autosuficiencia (SS) y el PB. Además, la metodología basada en regresión se ha ampliado para estimar, además del retorno de la inversión, múltiples indicadores clave de desempeño (KPIs) como la tasa interna de retorno (IRR), la tasa de autoconsumo (SC) y SS. A través de una adecuada identificación de predictores y una metodología de entrenamiento y validación, estas correlaciones permitieron estimaciones de rendimiento con una desviación aceptable respecto al modelo físico. La disponibilidad de datos relacionados con la construcción está aumentando progresivamente en la mayoría de los países, lo que permite una amplia aplicación y generalización de las metodologías propuestas y reduce el costo de simulación de estos estudios para cubrir áreas urbanas más extensas. Como aplicación de las metodologías anteriores, se analizaron los resultados del potencial económico fotovoltaico del parque inmobiliario completo de un municipio mediterráneo bajo diferentes escenarios económicos y de demanda a escala de edificio y municipal. Para el escenario que cumple con la regulación actual en España, la SS municipal oscila entre el 22%-43% para los escenarios más optimista y pesimista, respectivamente. El dimensionamiento óptimo de las instalaciones según las curvas de carga en la modalidad de Net Billing (NB) es crucial para obtener resultados económicos competitivos. En consecuencia, la generación fotovoltaica anual representó el 68% del consumo eléctrico total anual. / [CA] El sector de l'edificació representa el 20% i el 40% de l'energia primària mundial, contribuint al 30% de les emissions de CO2, un desafiament amplificat pel creixement de la població. No obstant això, el creixent interés en les fonts d'energia renovables ja madures, com l'energia solar fotovoltaica (PV), ofereix oportunitats per a mitigar els anteriors impactes, així com potencials beneficis econòmics, ambientals i socials. El present treball investiga les possibilitats i limitacions en el desplegament massiu de sistemes PVSC en àrees urbanes des d'una perspectiva de planificació urbana, considerant les limitacions tècniques i econòmiques actuals. A aquest efecte, aquesta tesi empra estratègies basades en dades per a desenvolupar models físics i models àgils basats en regressions com a eines d'avaluació del potencial tècnic i econòmic dels sistemes PVSC en contextos urbans. En primer lloc, s'ha desenvolupat i validat un submodel empíric de producció fotovoltaica amb mesuraments climàtics i de producció recopilats d'una planta fotovoltaica de 50MW en funcionament. A més, s'han investigat diverses millores en el modelatge del performance ràtio (PR) en entorns de baixa irradiància. En la segona etapa d'aquesta investigació, el submodel anterior s'ha integrat en un model tecnoeconòmic 3D basat en sistemes d'informació geográfica (GIS) capaç d'avaluar el PVSC econòmic per a una mostra d'edificis residencials. A més, el model incorpora models d'ombres i estimacions de demanda elèctrica horària per a avaluar una mostra d'edificis residencials. Una base de dades de simulació, derivada dels resultats anteriors, ha permés el desenvolupament d'una metodologia per a entrenar un model basat en regressió i amb això estimar la producció i la període de retorn econòmic (PB) a escala d'edifici amb una precisió assumible per a fins de planificació energètica. Com a últim pas, es va millorar el submodel de demanda emprant dades reals agregats de sèries temporals per a múltiples patrons de consum i proporcionant estimacions realistes per a altres tipologies d'edificis. A més de les restriccions espacials, el model optimitza la grandària de les instal·lacions segons la seua demanda i limitacions econòmiques, maximitzant la relació entre la taxa d'autosuficiència (SS) i PB. A més, la metodologia basada en regressió s'ha ampliat per a estimar, a més del retorn de la inversió, múltiples indicadors clau d'acompliment (KPIs) com la taxa interna de retorn (IRR), la taxa d'autoconsum (SC) i la SS. A través d'una adequada identificació de predictors i una metodologia d'entrenament i validació, aquestes correlacions van permetre estimacions de rendiment amb una desviació acceptable respecte al model físic. La disponibilitat de dades relacionades amb la construcció està augmentant progressivament en la majoria dels països, la qual cosa permet una àmplia aplicació i generalització de les metodologies proposades i redueix el cost de simulació d'aquests estudis per a cobrir àrees urbanes més extenses. Com a aplicació de les metodologies anteriors, es van analitzar els resultats del potencial econòmic fotovoltaic del parc immobiliari complet d'un municipi mediterrani baix diferents escenaris econòmics i de demanda a escala d'edifici i municipal. Per a l'escenari que compleix amb la regulació actual a Espanya, la taxa d'autosuficiència municipal oscil·la entre el 22%-43% per als escenaris més optimista i pessimista, respectivament. El dimensionament òptim de les instal·lacions segons les corbes de càrrega en la modalitat de Net Billing (NB) és crucial per a obtindre resultats econòmics competitius. En conseqüència, la generació fotovoltaica anual va representar el 68% del consum elèctric total anual. / [EN] The building sector in developed countries consumes 20% to 40% of global primary energy, contributing to 30% of the CO2 emissions, a challenge amplified by urban population growth. However, the rising interest in mature renewable energy sources, such as solar photovoltaic (PV), offers opportunities to mitigate these impacts and potential economic, environmental, and social benefits. The present research investigates the possibilities and constraints in the massive deployment of photovoltaic self-consumption (PVSC) systems in urban areas from an urban planning perspective, considering the current technical and economic limitations. To this end, this thesis employs data-driven strategies to develop both bottom-up physical and agile regression-based models as assessment tools for the technical and economic potential of PVSC systems in urban contexts. First, an empirical PV production submodel has been developed and validated with climate and production measurements collected from a 50MW utility-scale in operation. Additionally, several improvements in modeling the performance ratio (PR) in low-irradiance environments have been investigated. In the second stage of this research, the previous submodel has been integrated into a physical 3D GIS-based techno-economic model capable of assessing the economic PVSC for a sample of residential buildings. Additionally, the model incorporates shadow modeling and hourly electric demand estimations to assess sample residential buildings. A simulation database, derived from the previous results, has allowed the development of a methodology to train a regression-based model to estimate the production and the economic payback (PB) at a building scale with an assumable accuracy for energy planning purposes. As the last step, the demand submodel was improved by employing real aggregated time series data for multiple consumer patterns and providing realistic estimations for other building typologies. In addition to spatial restrictions, the model optimizes the sizing of the facilities according to their demand and economic constraints, maximizing the relationship between self-sufficiency (SS) and PB. Furthermore, the regression-based methodology has been extended to estimate, besides the payback, multiple key performance indicators such as internal rate of return (IRR), self-consumption rate (SC), and SS. Through an appropriate predictor identification and a training and validation methodology, these correlations allowed performance estimations with an acceptable deviation compared with the physical model. The availability of building-related data is progressively increasing in most countries, enabling widespread application and generalization of the proposed methodologies and reducing the simulation cost of these studies to cover larger urban areas. As an application of the previous methodologies, a complete-census economic PV potential results of a Mediterranean municipality's building stock was performed under different demand and economic scenarios at a building and municipality scale. For the scenario that meets the current regulation in Spain, the municipality SS ranged between 22%-43% for the most optimistic and pessimistic scenarios, respectively. The optimal sizing of the facilities according to the load curves in the Net Billing (NB) modality is crucial to obtaining competitive economic results. Consequently, the annual PV generation represented 68% of the annual total electricity consumption of the municipality for a net billing scenario, while a net metering scenario represented 103%. Owing to economies of scale and high demand intensity, a higher profitability was found in rooftops of apartment blocks and industrial buildings, which also achieve the highest savings in emissions. / Fuster Palop, E. (2023). Modeling and Optimization of Photovoltaic Installations at Urban Scale [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202061 / Compendio

[ES] A lo largo de la historia, los movimientos migratorios de población siempre han sido una constante. Pero son aquellos propiciados por la Primera y Segunda Revolución Industrial y al Desarrollismo posterior a la Segunda Guerra Mundial, los que generarán grandes cambios urbanísticos en las ciudades. La migración masiva desde las zonas rurales hacia las áreas urbanas, unida a la absorción de poblaciones cercanas motivará la aparición de las primeras metrópolis. Como resultado, surgirán los primeros planes de desarrollo urbano y los primeros ensanches. Pese a que los primeros reglamentos planteaban retículas y geometrías definidas, las posteriores modificaciones y la especulación han modificado, en ocasiones, sustancialmente la concepción original de estos barrios históricos. De igual modo, el envejecimiento de la población y la falta de recursos han contribuido al deterioro de gran parte de estos edificios residenciales. Por consiguiente, el desorden visual, la degradación de los elementos constructivos, y la falta de mantenimiento, ponen de manifiesto, con frecuencia, la necesidad de una renovación urbana del patrimonio arquitectónico. Pero el proceso de migración hacia las ciudades, lejos de detenerse, sigue en marcha. En la actualidad, es también necesario desarrollar un nuevo parque residencial para hacer frente a la creciente demanda de viviendas. Así pues, todo este contexto ha llevado a plantear una estrategia de ampliación en las zonas de ensanche decimonónico y de la primera mitad del siglo XX. Una posibilidad es la extensión en altura de unidades residenciales que todavía no han agotado su edificabilidad. Del mismo modo, la actual crisis climática nos hace replantear el enfoque en el diseño de estas viviendas. Es por eso, que la construcción prefabricada y modular se ha convertido en el núcleo del modelo constructivo para hacer frente a estas necesidades emergentes. En la presente tesis doctoral, el desarrollo principal consiste en una comparación y análisis de estructuras prefabricadas y modulares que acojan estas nuevas viviendas en edificios preexistentes en la zona del Eixample de la ciudad de Valencia, que se toma como estudio de caso, teniendo en cuenta las características estructurales de esta tipología de construcción y su interacción con la nueva estructura. La investigación desarrollada ambiciona establecer una secuencia aproximativa a este nuevo fenómeno desde lo más amplio, como es la ciudad, hasta lo más concreto, como es la validación estructural de un modelo de vivienda. Para ello, ha sido necesario realizar una matriz comparativa entre diversas estructuras modulares y ligeras, que puntúe múltiples requisitos esenciales para la ampliación vertical. De todos ellos, se han escogido los mejores puntuados, y se han modelizado estructuralmente y comparado resultados. De este modo, los modelos finalmente comparados han sido los sistemas porticados de acero, y los sistemas panelados de madera contralaminada. Por último, para garantizar la aplicabilidad del nuevo cuerpo y con el fin de asegurar la integridad del edificio existente, se ha realizado un estudio estructural sobre cómo interactúan ambas estructuras. A partir de un modelo numérico realizado con Elementos Finitos para la modelización del edificio existente, se ha realizado un análisis lineal para cargas gravitatorias, así como un cálculo no lineal del material. Los resultados obtenidos en estos análisis nos proporcionan información sobre el comportamiento estructural, los posibles mecanismos de colapso y la vulnerabilidad del sistema. Dando como resultado las premisas a tener en cuenta para la ampliación vertical de edificios residenciales existentes. / [CA] Al llarg de la història, els moviments migratoris de població sempre han sigut una constant. Però són aquells propiciats per la Primera i Segona Revolució Industrial i al Desenvolupisme posterior a la Segona Guerra Mundial, els que generaran grans canvis urbanístics a les ciutats. La migració massiva des de les zones rurals cap a les àrees urbanes, unida a l'absorció de poblacions pròximes motivarà l'aparició de les primeres metròpolis. Com a resultat, sorgiran els primers plans de desenvolupament urbà i els primers eixamples. Malgrat que els primers reglaments plantejaven retícules i geometries definides, les posteriors modificacions i l'especulació han modificat, a vegades, substancialment la concepció original d'aquests barris històrics. D'igual mode, l'envelliment de la població i la falta de recursos han contribuït a la deterioració de gran part d'aquests edificis residencials. Per consegüent, el desordre visual, la degradació dels elements constructius, i la falta de manteniment, posen de manifest, amb freqüència, la necessitat d'una renovació urbana del patrimoni arquitectònic. Però el procés de migració cap a les ciutats, lluny de detindre's, continua en marxa. En l'actualitat, és també necessari desenvolupar un nou parc residencial per a fer front a la creixent demanda d'habitatges. Així doncs, tot aquest context ha portat a plantejar una estratègia d'ampliació en les zones d'eixample huitcentista i de la primera meitat del segle XX. Una possibilitat és l'extensió en altura d'unitats residencials que encara no han esgotat la seua edificabilitat. De la mateixa manera, l'actual crisi climàtica ens fa replantejar l'enfocament en el disseny d'aquests habitatges. És per això, que la construcció prefabricada i modular s'ha convertit en el nucli del model constructiu per a fer front a aquestes necessitats emergents. En la present tesi doctoral, el desenvolupament principal consisteix en una comparació i anàlisi d'estructures prefabricades i modulars que acullen aquests nous habitatges en edificis preexistents en la zona de l'Eixample de la ciutat de València, que es pren com a estudi de cas, tenint en compte les característiques estructurals d'aquesta tipologia de construcció i la seua interacció amb la nova estructura. La investigació desenvolupada ambiciona establir una seqüència aproximativa a aquest nou fenomen des del més ampli, com és la ciutat, fins al més concret, com és la validació estructural d'un model d'habitatge. Per a això, ha sigut necessari realitzar una matriu comparativa entre diverses estructures modulars i lleugeres, que puntue múltiples requisits essencials per a l'ampliació vertical. De tots ells, s'han triat els millors puntuats, i s'han modelitzat estructuralment i comparats resultats. D'aquesta manera, els models finalment comparats han sigut els sistemes porticats d'acer, i els sistemes de panels de fusta contralaminada. Finalment, per a garantir l'aplicabilitat del nou cos i amb la finalitat d'assegurar la integritat de l'edifici existent, s'ha realitzat un estudi estructural sobre com interactuen totes dues estructures. A partir d'un model numèric fet amb Elements Finits per a la modelització de l'edifici existent, s'ha dut a terme una anàlisi lineal per a càrregues gravitatòries, així com un càlcul no lineal del material. Els resultats obtinguts en aquestes anàlisis ens proporcionen informació sobre el comportament estructural, els possibles mecanismes de col·lapse i la vulnerabilitat del sistema. Donant com a resultat les premisses a tindre en compte per a l'ampliació vertical d'edificis residencials existents. / [EN] Throughout history, migratory population movements have always been a constant. But it is those brought about by the First and Second Industrial Revolutions and post-World War II developmentalism that will generate major urban changes in cities. Mass migration from rural areas to urban areas, together with the absorption of nearby populations, led to the emergence of the first metropolises. As a result, the first urban development plans and the first urban extensions will emerge. Although the first planning regulations proposed defined grids and geometries, subsequent modifications and speculation have sometimes substantially modified the original conception of these historic neighbourhoods. Similarly, the ageing of the population and the lack of resources have contributed to the deterioration of many of these residential buildings. Consequently, the visual disorder, the degradation of the constructive elements and the lack of maintenance often highlight the need for urban renewal of the architectural heritage. But the process of migration to the cities, far from stopping, is continuing. It is now also necessary to develop new housing stock to cope with the growing demand for housing. Thus, this context has led to a strategy of expansion in the areas of the nineteenth-century and first half of the twentieth century. One possibility is the extension in height of residential units that have not yet exhausted their buildability. Similarly, the current climate crisis is causing us to rethink our approach to housing design. That is why prefabricated and modular construction has become the core of the building model to address these emerging needs. In this doctoral thesis, the main development consists of a comparison and analysis of prefabricated and modular structures that house these new dwellings in pre-existing buildings in the Eixample area of the city of Valencia, which is taken as a case study, taking into account the structural characteristics of this type of construction and its interaction with the new structure. The research carried out aims to establish an approximate sequence to this new phenomenon from the broadest, such as the city, to the most concrete, such as the structural validation of a housing model. To do this, it has been necessary to make a comparative matrix between different modular and lightweight structures, which scores multiple essential requirements for vertical extension. From all of them, the best scoring ones have been chosen, structurally modelled and the results compared. In this way, the models finally compared were the steel portal frame systems and the cross-laminated timber panel systems. Finally, in order to guarantee the applicability of the new body and to ensure the integrity of the existing building, a structural study has been carried out on how both structures interact. Based on a numerical model made with Finite Elements for the modelling of the existing building, a linear analysis for gravity loads has been carried out, as well as a non-linear material calculation. The results obtained in these analyses provide us with information on the structural behaviour, the possible collapse mechanisms and the vulnerability of the system. This results in the premises to be taken into account for the vertical extension of existing residential buildings. / Piqueras Blasco, M. (2024). Estructuras prefabricadas y modulares para ampliación vertical de edificios residenciales existentes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/207110