[ES] La Unión Europea se ha fijado como objetivo en su marco estratégico a largo plazo establecer un sistema energético sostenible, competitivo, seguro y descarbonizado para 2050. Busca alcanzar una economía próspera, competitiva y neutra desde el punto de vista del clima. En Europa, el parque inmobiliario es el responsable del 36% de las emisiones de gases de CO2 y casi el 50% del consumo de energía final se destina a calefacción y refrigeración, del cual, el 80% es consumido en edificios. Esto significa que la renovación del parque inmobiliario, mejorando su eficiencia energética y descarbonizándolo, juega un papel fundamental para alcanzar los objetivos marcados en las principales agendas internacionales. Para transformar el parque existente hace falta definir estrategias de intervención eficientes con medidas específicas, cuantificables que atiendan de forma individualizada a la singularidad de cada tipología de edificio, según su uso y actividad. La presente investigación se centra en estudiar energéticamente los edificios escolares públicos de Valencia a través de la metodología del coste óptimo contemplada en el reglamente delegado de la directiva europea de eficiencia energética. Se propone un sistema de clasificación de los colegios por tipos, se definen una serie de medidas de mejora de la envolvente térmica para los edificios representativos del conjunto y se analizan energéticamente. Con los resultados obtenidos sobre el consumo energético y los costes globales de los edificios para un periodo de 30 años, se determina el conjunto de medidas de intervención más eficiente para cada tipo de edificio. En definitiva, se identifican las actuaciones de mejora que con un menor coste económico permiten alcanzar una mayor reducción del consumo de energía primaria. / [CA] La Unió Europea s'ha fixat com a objectiu en el seu marc estratègic a llarg termini establir un sistema energètic sostenible, competitiu, segur i descarbonitzat per al 2050. Busca arribar a una economia pròspera, competitiva i neutra des del punt de vista del clima. A Europa, el parc immobiliari és el responsable de el 36% de les emissions de gasos de CO2 i gairebé el 50% del consum d'energia final es destina a calefacció i refrigeració, de el qual, el 80% és consumit en edificis. Això vol dir que la renovació de parc immobiliari, millorant la seva eficiència energètica i descarbonitzandol, juga un paper fonamental per assolir els objectius marcats en les principals agendes internacionals. Per transformar el parc existent cal definir estratègies d'intervenció eficients amb mesures específiques, quantificables que atenguen de forma individualitzada a la singularitat de cada tipologia d'edifici, segons el seu ús i activitat. La present investigació se centra en estudiar energèticament els edificis escolars públics de València a través de la metodologia de el cost òptim prevista en el reglament delegat de la directiva europea d'eficiència energètica. Es proposa un sistema de classificació dels col·legis per tipus, es defineixen una sèrie de mesures de millora de l'envolvent térmica per als edificis representatius del conjunt i s'analitzen energèticament. Amb els resultats obtinguts sobre el consum energètic i els costos globals dels edificis per a un període de 30 anys, es determina el conjunt de mesures d'intervenció més eficient per a cada tipus d'edifici. En definitiva, s'identifiquen les actuacions de millora que amb un menor cost econòmic permeten aconseguir una major reducció del consum d'energia primària. / [EN] The European Union, within a long-term strategic framework, has set a goal to establish a sustainable, competitive, safe and decarbonised energy system by 2050. With this, it seeks to achieve a prosperous, thriving and climate-neutral economy. In Europe, the building stock is responsible for causing 36% of CO2 gas emissions, and almost 50% of final energy consumption is used for heating and cooling, of which 80% is used in buildings. This means that a renovation of the building stock, by enhancing energy efficiency and decarbonising buildings, plays a vital role to reach objectives set by key international agendas. In order to transform the existing building stock, it is essential to identify efficient action strategies through specific, quantifiable measures according to the uniqueness of each building type, based on different usages and function. This research is focused on looking into public school buildings in Valencia energetically through a cost-optimal methodology, which is part of the delegated regulation within the European Directive on Energy Efficiency. A system for classifying school buidings according to typology is proposed, a series of measures to enhance thermal envelopes are identified for representative buildings of the whole, and they are energetically analysed. With the results obtained concerning energy consumption in buildings and 30-year global cost, a highly efficient set of measures to take for each building type is established. All in all, those improvement actions with a lower economic cost and the subsequent greater reduction in primary energy consumption are identified. / Liébana Durán, ME. (2021). Propuesta de clasificación tipológica de colegios con criterios de eficiencia energética. Estudio del caso de la ciudad de Valencia a través de la metodología del coste óptimo [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/175193 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales

[IT] Importanti cambiamenti sociodemografici, come la crescita della popolazione mondiale e l’urbanizzazione, stanno incrementando il fabbisogno di alimenti a livello mondiale. In contemporanea si sta assistendo ad una profonda trasformazione della dieta umana che tende sempre più a prediligere prodotti di origine animale, frutta e verdura al posto dei cereali. In quest’ottica, serre e stalle per l’allevamento intensivo possono ricoprire un ruolo di spicco, in quanto in grado di produrre tali alimenti con dei rendimenti decisamente maggiori rispetto a quelli che caratterizzano la produzione di vegetali in campo aperto e l’allevamento estensivo. Tra i vari fattori che contribuiscono ad incrementare la produttività di questi edifici agricoli vi è il controllo delle condizioni climatiche interne. Tale controllo del clima interno avviene, in molti casi, attraverso sistemi meccanici il cui utilizzo causa un considerevole consumo energetico che costituisce una minaccia per la transizione verso un’agricoltura più sostenibile. L’obiettivo generale di questa tesi è, quindi, di contribuire alla transizione verso un’agricoltura più sostenibile attraverso il miglioramento della prestazione energetica per il controllo climatico di serre e stalle per l’allevamento intensivo. Per raggiungere tale obiettivo, è stato adottato un triplice approccio basato su un’analisi di letteratura, campagne sperimentali di monitoraggio ed attività di modellazione energetica. L’analisi di letteratura è stata svolta con il fine di districare la complessa rete di relazioni esistente tra controllo climatico e altri domini di interesse della produzione agricola. Il nesso tra prestazione energetica e controllo climatico è stato approfondito analizzando dei set di dati reali acquisiti in una serra e due porcilaie attraverso campagne di monitoraggio. Questo nesso è stato ulteriormente approfondito adottando un approccio numerico che ha portato allo sviluppo e validazione di tre modelli di simulazione energetica per serre, per stalle da polli da carne e per stalle da suini da ingrasso. Ciascun modello di simulazione integra le principali caratteristiche tipiche di tali edifici per stimare con accuratezza i profili temporali delle condizioni ambientali interne e del consumo di energia termica ed elettrica. Le potenzialità di questi modelli nel migliorare la prestazione energetica e le condizioni climatiche di serre e stalle sono state esplorate analizzando specifiche problematiche relazionate al consumo energetico. Il modello energetico per le stalle per polli da carne, infatti, è stato adottato per valutare le potenzialità di un nuovo approccio per la progettazione energeticamente efficiente dell’involucro basato sull’energia primaria. Lo stesso modello è stato usato per valutare la variazione del consumo energetico causata dall’adozione di una strategia di ventilazione mirata al miglioramento del benessere dei polli allevati attraverso la riduzione della concentrazione interna di gas nocivi. Questa tesi contribuisce alla transizione verso una agricoltura più sostenibile fornendo nuove conoscenze e strumenti necessari al miglioramento della prestazione energetica per controllo climatico di serre e stalle per l’allevamento intensivo. Le analisi svolte, infatti, quantificano potenziali riduzioni del consumo energetico ottenibili attraverso l’implementazione di misure di efficientamento energetico, sia a livello di involucro (isolamento termico) che a livello di sistema di controllo climatico (ventilatori a portata variabile). Ulteriori misure per l’efficientamento energetico potrebbero essere valutate attraverso tali modelli che rappresentano importanti risultati di questa ricerca. Essi, infatti, potrebbero avere ricadute positive a livello locale in quanto vari portatori d’interesse (agricoltori, ingegneri e fabbricanti) potrebbero adottarli come strumenti di supporto alle decisioni per valutare nuove tecnologie, strategie e soluzioni mirate alla diminuzione del consumo energetico di serre e stalle. Questi nuovi modelli rappresentano anche un solido punto di partenza per future ricerche in questo campo. Futuri sviluppi potrebbero portare alla creazione di ulteriori moduli di calcolo per valutare altri aspetti, come la variazione della produttività, l’emissione di contaminanti e il benessere animale. Le nuove conoscenze generate in questa tesi potrebbero avere ricadute positive anche a livello globale, in quanto potrebbero rappresentare i fondamenti tecnici per nuovi quadri normativi e schemi di incentivi mirati al miglioramento della performance energetica di edifici agricoli controllati climaticamente attraverso una strategia di tipo top-down. / [ES] Importantes cambios sociodemográficos están conduciendo hacia un considerable crecimiento de la demanda de alimentos a nivel mundial. Al mismo tiempo se está observando una profunda transformación de la dieta humana, que tiende a incluir más productos de origen animal, fruta y verdura. Invernaderos y granjas de ganadería intensiva pueden desempeñar un papel principal, debido a que proporcionan los productos agrícolas necesarios con rendimientos notablemente mayores que los de la producción en campo abierto y de la ganadería extensiva. Entre los factores que contribuyen a incrementar la productividad de estos edificios agrícolas se sitúa el control de las condiciones climáticas internas. Dicho control se realiza a través de sistemas mecánicos cuyo uso causa un considerable consumo energético que representa una amenaza para la transición hacia una agricultura sostenible. El objetivo de esta tesis es contribuir a la transición hacia una agricultura más sostenible a través de la mejora de la prestación energética por control climático de invernaderos y granjas de ganadería intensiva. Para alcanzar dicho objetivo, se ha adoptado un enfoque triple basado en un análisis de literatura, campañas experimentales de monitorización y actividades de modelización energética. El análisis de literatura se ha llevado a cabo con el fin de desentrañar la red de relaciones existentes entre el control climático y otros dominios de interés de la producción agrícola. El nexo entre prestación energética y control climático se ha acometido analizando conjuntos de datos reales, adquiridos en un invernadero y dos granjas de cerdos. El análisis de dicho nexo se ha profundizado adoptando un enfoque numérico que ha llevado al desarrollo y validación de tres modelos de simulación energética para invernaderos y para granjas de pollos y cerdos. Las potencialidades de estos modelos para la mejora de las prestaciones energéticas y las condiciones climáticas se han explorado analizando problemáticas específicas. El modelo energético para granjas de pollos se ha adoptado para el diseño energéticamente eficiente de la envolvente de este tipo de edificio. El mismo modelo se ha usado para evaluar las variaciones de consumo energético causadas por la adopción de una estrategia de ventilación orientada a la mejora del bienestar de los pollos. Esta tesis contribuye a la transición hacia una agricultura más sostenible proporcionando nuevos conocimientos e instrumentos para la mejora de la prestación energética para el control climático de invernaderos y granjas. Los análisis realizados cuantifican potenciales disminuciones del consumo energético alcanzables a través de la implementación de medidas para la eficiencia energética a nivel de envolvente (aislamiento térmico) y a nivel de sistema de control climático (ventiladores con caudal variable). Ulteriores medidas para la eficiencia energética podrían evaluarse a través de dichos modelos que representan importantes resultados de esta investigación. Estos modelos podrían tener repercusiones positivas a nivel local, ya que muchas partes interesadas (agricultores, ingenieros y fabricantes) podrían adoptarlos como instrumentos de apoyo a la toma de decisiones para evaluar nuevas tecnologías y estrategias orientadas a la disminución del consumo energético. Estos nuevos modelos representan también un sólido punto de partida para futuras investigaciones en este campo. Futuros desarrollos podrían implementar nuevos módulos de cálculos para evaluar otros aspectos, como la variación de la productividad, la emisión de contaminantes y el bienestar animal. Los nuevos conocimientos generados en esta tesis podrían tener repercusiones positivas incluso a nivel global, puesto que podrían representar los fundamentos técnicos para nuevos marcos normativos y sistemas de incentivos orientados a la mejora de la prestación energética de edificios agrícolas controlados climáticamente a través de una estrategia de tipo top-down. / [CA] Importants canvis sociodemogràfics estan conduint cap a un considerable creixement de la demanda d'aliments a nivell mundial. Al mateix temps s'està observant una profunda transformació de la dieta humana, que tendeix a incloure més productes d'origen animal, fruita i verdura. Hivernacles i granges de ramaderia intensiva poden exercir un paper principal, pel fet que proporcionen els productes agrícoles necessaris amb rendiments notablement majors que els de la producció en camp obert i de la ramaderia extensiva. Entre els factors que contribueixen a incrementar la productivitat d'aquests edificis agrícoles se situa el control de les condicions climàtiques internes. Aquest control del clima intern es realitza a través de sistemes mecànics, l'ús dels quals causa un considerable consum energètic que representa una amenaça per a la transició cap a una agricultura sostenible. L'objectiu general d'aquesta tesi és contribuir a la transició cap a una agricultura més sostenible a través de la millora de la prestació energètica per al control climàtic d'hivernacles i granges de ramaderia intensiva. Per a aconseguir aquest objectiu, s'ha adoptat un enfocament triple basat en una anàlisi de literatura, campanyes experimentals de monitoratge i activitats de modelització energètica. L'anàlisi de literatura s'ha dut a terme amb la finalitat de desentranyar la complexa xarxa de relacions existents entre el control climàtic i altres dominis d'interés de la producció agrícola. El nexe entre prestació energètica i control climàtic s'ha analitzat amb conjunts de dades reals, adquirides en un hivernacle i dues granges de porcs. L'anàlisi d'aquest nexe s'ha aprofundit encara més adoptant un enfocament numèric que ha portat al desenvolupament i validació de tres models de simulació energètica per a hivernacles i per a granges de pollastres i porcs d'engreixament. Les potencialitats d'aquests models per a la millora de les prestacions energètiques i les condicions climàtiques s'han explorat analitzant problemàtiques específiques. El model energètic per a granges de pollastres s'ha adoptat per al disseny energèticament eficient de l'envolupant d'aquesta mena d'edifici. El mateix model s'ha usat per a avaluar les variacions de consum energètic causades per l'adopció d'una estratègia de ventilació orientada a la millora del benestar dels pollastres. Aquesta tesi contribueix a la transició cap a una agricultura més sostenible proporcionant nous coneixements i instruments per a la millora de la prestació energètica per al control climàtic d'hivernacles i granges. Les anàlisis realitzades quantifiquen potencials disminucions del consum energètic assolibles a través de la implementació de mesures per a l'eficiència energètica tant a nivell d'envolupant (aïllament tèrmic) com a nivell de sistema de control climàtic (ventiladors amb cabal variable). Ulteriors mesures per a l'eficiència energètica podrien avaluar-se a través d'aquests models que representen importants resultats d'aquesta investigació. Aquests models podrien tindre repercussions positives a nivell local, ja que moltes parts interessades (agricultors, enginyers i fabricants) podrien adoptar-los com a instruments de suport a la presa de decisions per a avaluar noves tecnologies i estratègies orientades a la disminució del consum energètic d'hivernacles i granges. Aquests nous models representen també un sòlid punt de partida per a futures investigacions en aquest camp. Futurs desenvolupaments podrien implementar nous mòduls de càlculs per a avaluar altres aspectes, com la variació de la productivitat, l'emissió de contaminants i el benestar animal. Els nous coneixements generats en aquesta tesi podrien tindre repercussions positives fins i tot a nivell global, ja que podrien representar els fonaments tècnics per a nous marcs normatius i sistemes d'incentius orientats a la millora de la prestació energètica d'edificis agrícoles controlats climàticament a través d'una estratègia de tipus top-down. / [EN] Socio-demographic trends, such as population growth and urbanization, are leading to a significant increase of the world food demand. At the same time, there is a shift of the human diet toward livestock products, vegetables, and fruit rather than cereals. Greenhouses and livestock houses can play a primary role since they can supply the necessary agricultural products with higher yields than on-field crop production and extensive animal farming. One way in which productivity is enhanced in these agricultural buildings is by a fine-tuned control of the indoor climate conditions. For this purpose, mechanical climate control systems are often adopted, but they entail a considerable energy consumption whose estimated increase may jeopardize the transition toward a sustainable agriculture. The overall objective of this thesis, hence, is to contribute to the transition toward a sustainable agriculture by improving the energy performance for climate control of greenhouses and livestock houses. To achieve this objective, a three-pronged approach was taken involving a literature review, experimental monitoring campaigns, and energy modelling activities. The literature review was performed to unpick the tangle of mutual relations between climate control and other domains of agricultural production. The nexus between energy performance and climate control was investigated analyzing real datasets acquired through monitoring campaigns performed in a greenhouse and two pig houses. This nexus was further studied adopting a numerical approach which led to the development and validation of three energy simulation models for greenhouses, broiler houses and pig houses. Each simulation model integrates the main features typical of greenhouses and livestock houses to estimate the time profiles of lumped indoor climate conditions and thermal and electrical energy consumption. The opportunities in improving the energy performance and the indoor climate conditions provided by the developed energy models were explored by analyzing specific energy-related problems. The broiler house energy model was adopted to evaluate the potentialities of a new primary energy approach for the energy-efficient envelope design of broiler houses. The same model was applied to evaluate the variation of energy consumption achieved by an improved ventilation strategy aimed at enhancing broiler welfare by reducing indoor noxious gas concentrations. This thesis contributes to the transition toward a more sustainable agriculture providing new knowledge and tools necessary for improving the energy performance for climate control of greenhouses and livestock houses. The performed analyses, in fact, quantify potential decrease of energy consumption achievable through the implementation of energy-efficient measures at both envelope -thermal insulation- and climate control system -variable angular speed fans- level. Further energy-efficient measures could be evaluated adopting the developed energy simulation models that are valuable outputs of this investigation. These models could have a positive impact at local level since stakeholders -farmers, engineers, and manufacturers- could adopt them as decision support tools for the evaluation of new technologies, strategies and solutions aimed at decreasing the overall energy consumption of greenhouses and livestock houses. These novel models represent also a robust starting point for future research in this field. Future advances may lead to the development of further calculation modules to evaluate other aspects of greenhouses and livestock houses, such as productivity variations, contaminant emissions and animal welfare. The new knowledge generated in this thesis could have positive impacts also at global level since it may represent the technical basis for new normative frameworks and incentive schemes aimed at improving the energy performance of climate-controlled agricultural buildings through a top-down approach. / Costantino, A. (2021). Improving Climate Control and Energy Performance in Greenhouses and Livestock Houses: Modelling Advances and Experimental Results [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/178457 / TESIS

[ES] La necesidad de mejorar el consumo de combustible y las emisiones de los sistemas propulsivos de automoción en condiciones reales de conducción es la base de esta tesis. Para ello, se exploran dos ejes: En primer lugar, el control de los sistemas de propulsión. El estado del arte de control en los sistemas propulsivos de automoción se basa en gran medida en el uso de técnicas de optimización que buscan las leyes de control que minimizan una función de coste en un conjunto de condiciones de operación denidas a priori. Estas leyes se almacenan en las ECUs de producción en forma de mapas de calibración de los diferentes actuadores del motor. Las incertidumbres asociadas al conjunto limitado de condiciones en el proceso de calibración dan lugar a un funcionamiento subóptimo del sistema de propulsión en condiciones de conducción real. Por lo tanto, en este trabajo se proponen métodos de control adaptativo que optimicen la gestión de la planta propulsiva a las condiciones esperadas de funcionamiento para un usuario y un caso determinado en lugar de a un conjunto genérico de condiciones. El segundo eje se reere a optimizar, en lugar de los parámetros de control del sistema propulsivo, la demanda de potencia de este, introduciendo al propio conductor en el bucle de control, sugiriéndole las acciones a tomar. En particular, este segundo eje se reere al control de la velocidad del vehículo (conocido popularmente como Eco-Driving en la literatura) en condiciones reales de conducción. Se proponen sistemas de aviso en tiempo real al conductor acerca de la velocidad óptima para minimizar el consumo del vehículo. Los métodos de control desarrollados para cada aplicación se describen en detalle en la tesis y se muestran ensayos experimentales de validación en los casos de estudio diseñados. Ambos ejes representan un problema de control óptimo, denido por un sistema dinámico, unas restricciones a cumplir y un coste a minimizar, en este sentido las herramientas desarrolladas en la tesis son comunes a los dos ejes: Un modelo de vehículo, una herramienta de predicción del ciclo de conducción y métodos de control óptimo (Programación Dinámica, Principio Mínimo de Pontryagin y Estrategia de Consumo Equivalente Mínimo). Dependiendo de la aplicación, los métodos desarrollados se implementaron en varios entornos experimentales: un motor térmico en sala de ensayos simulando el resto del vehículo, incluyendo el resto del sistema de propulsión híbrido y en un vehículo real. Los resultados muestran mejoras signicativas en el rendimiento del sistema de propulsión en términos de ahorro de combustible y emisiones en comparación con los métodos empleados en el estado del arte actual. / [CA] La necessitat de millorar el consum de combustible i les emissions dels sistemes propulsius d'automoció en condicions reals de conducció és la base d'aquesta tesi. Per a això, s'exploren dos eixos: En primer lloc, el control dels sistemes de propulsió. L'estat de l'art de control en els sistemes propulsius d'automoció es basa en gran manera en l'ús de tècniques d'optimització que busquen les lleis de control que minimitzen una funció de cost en un conjunt de condicions d'operació denides a priori. Aquestes lleis s'emmagatzemen en les Ecus de producció en forma de mapes de calibratge dels diferents actuadors del motor. Les incerteses associades al conjunt limitat de condicions en el procés de calibratge donen lloc a un funcionament subòptim del sistema de propulsió en condicions de conducció real. Per tant, en aquest treball es proposen mètodes de control adaptatiu que optimitzen la gestió de la planta propulsiva a les condicions esperades de funcionament per a un usuari i un cas determinat en lloc d'un conjunt genèric de condicions. El segon eix es refereix a optimitzar, en lloc dels paràmetres de control del sistema propulsiu, la demanda de potència d'aquest, introduint al propi conductor en el bucle de control, suggerint-li les accions a prendre. En particular, aquest segon eix es refereix al control de la velocitat del vehicle (conegut popularment com Eco-*Driving en la literatura) en condicions reals de conducció. Es proposen sistemes d'avís en temps real al conductor sobre la velocitat òptima per a minimitzar el consum del vehicle. Els mètodes de control desenvolupats per a cada aplicació es descriuen detalladament en la tesi i es mostren assajos experimentals de validació en els casos d'estudi dissenyats. Tots dos eixos representen un problema de control òptim, denit per un sistema dinàmic, unes restriccions a complir i un cost a minimitzar, en aquest sentit les eines desenvolupades en la tesi són comunes als dos eixos: Un model de vehicle, una eina de predicció del cicle de conducció i mètodes de control òptim (Programació Dinàmica, Principi Mínim de *Pontryagin i Estratègia de Consum Equivalent Mínim). Depenent de l'aplicació, els mètodes desenvolupats es van implementar en diversos entorns experimentals: un motor tèrmic en sala d'assajos simulant la resta del vehicle, incloent la resta del sistema de propulsió híbrid i en un vehicle real. Els resultats mostren millores signicatives en el rendiment del sistema de propulsió en termes d'estalvi de combustible i emissions en comparació amb els mètodes emprats en l'estat de l'art actual. / [EN] The need of improving the real-world fuel consumption and emission of automotive applications is the basis of this thesis. To this end, two verticals are explored: First is the online control of the powertrain systems. In state-of-the-art Optimal Control techniques (such as Dyanmic Programming, Pontryagins Minimum Principle, etc...) are extensively used to formulate the optimal control laws. These laws are stored in the production ECUs in the form of feedforward calibration maps. The unaccounted uncertainities related to the real-world during the powertrain calibration result in suboptimal operations of the powertrain in actual driving. Therefore, adaptive control methods are proposed in this work which, optimise the energy management of the conventional and the HEV powertrain control on real driving mission. The second vertical is regarding the vehicle speed control (popularly known as Eco-Driving in the literature) methods in real driving condition. In particular, speed advisory systems are proposed for real time application on a vehicle. The control methods developed for each application are described in details with their verication and validation on the designed case studies. Apart from the developed control methods, there are three tools that were developed and used at various stages of this thesis: A vehicle model, A driving cycle prediction tool and optimal control methods (dynamic programming, PMP and ECMS). Depending on the application, the developed methods were implemented on the Hardware-In-Loop Internal Combustion Engine testing setup or on a real vehicle. The results show signicant improvements in the performance of the powertrain in terms of fuel economy and emissions in comparison to the state-of-the-art methods. / Pandey, V. (2021). Online Control of Automotive systems for improved Real-World Performance [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/173716 / TESIS

[EN] Nowadays one of the main challenges of the electricity distribution activity is to achieve a more efficient use of existing network access in an environment of increasing difficulty for the implementation of new infrastructures by means of a better manage its capacity as a system. Also making use of a greater display of distributed energy resources (DER) with potential capacity to provide ancillary to guarantee a safe operation of the electrical power system. This challenge has a high impact in the planning, development and operation of the current electric distribution network, as well as the conditions for access and connection to it. The research area of this thesis is framed in the context of the planning and operation of the electric distribution network evolving into a smart grid and where the DER can bring their capacity or ancillary services to the security and stability of the system, within the context of European directives on the matter. This approach entails a more intensive use of the network capacity with an ICT technological support and the development of legal regulation. This regulation will facilitate the required DER technical and economic signals to integrate them into the electric power system and the electrical market by means of the provision of regulation services in the electric distribution network. The scientific challenge addressed in this thesis is framed in the field of planning the electricity distribution grid, with the support of active distribution sytem management (ADSM). The proposed contribution offers a viable technical and operational solution for ADSM approach within the current context of smart grid deployment and regulatory development. The result of this work is a planning methodology for advanced power distribution networks integrating distributed energy resources in the context of the smart grids deployment. This new methodology for network analysis and planning makes use of new elements for decision making regarding the technical solution and the best time to invest in distribution electric assets. In addition new research and development topics have been identified to order to support decision making for all the involved grid agents regarding capital intensive facilities with long repayment periods in the frame a regulated activity or in competition. As a consequence the main objectives of this thesis are: - To incorporate proactively the real capabilities of distributed energy resources (DER) to the planning and operation of a electric distribution network. - To reach a greater visibility of the distribution networks access points making use of the data available to select and processs those who help building a renewed model for analyzing the behavior of the current distribution network, incorporating DER resources as a contribution to the planning process. - To promote the efficient use of network capacity in medium voltage (grid assets in service, access conditions, etc.) trough operational orders, variable in time, and an appropriate risk management. / [ES] En la actualidad, uno de los principales retos de la actividad de distribución eléctrica es lograr un uso más eficiente del acceso a la red existente, en un entorno de dificultad creciente para la implantación de nuevas infraestructuras, gestionando mejor su capacidad como sistema, a partir de una mayor visualización de los recursos energéticos distribuidos (DER), con capacidad potencial para aportar servicios en el ámbito de la seguridad en la explotación de dicho sistema. Esta realidad tiene claro alcance sobre la planificación, desarrollo y operación de la actual red de distribución, así como sobre las condiciones de acceso y conexión a la misma. El ámbito de investigación de la presente tesis se enmarca en la perspectiva de la planificación y operación de la red de distribución, en evolución hacia una red inteligente, y en donde los DER pueden aportar su capacidad o servicios complementarios a la seguridad y estabilidad de la misma, dentro del contexto de la Directivas Europeas en la materia. Este enfoque conlleva un uso más intensivo de la capacidad de la red, con el necesario soporte tecnológico de las TIC y el desarrollo de la regulación en la materia, para establecer las oportunas señales técnicas y económicas en términos de requisitos operacionales de los DER hacia el sistema y el mercado, que viabilicen la adecuada provisión de sus servicios de regulación en el nivel de distribución eléctrica. El reto científico que se aborda en la presente tesis se enmarca en el ámbito de la planificación de la red de distribución eléctrica, contando con el apoyo de la operación de redes avanzadas. La contribución propuesta ofrece una solución técnica y operativa viable para su enfoque y tratamiento, dentro del actual contexto de despliegue de redes inteligentes y de desarrollo regulatorio de la materia. Con ello se estructura una metodología de planificación de sistemas avanzados de distribución de energía eléctrica que incorpora los recursos energéticos distribuidos en el contexto de despliegue de redes inteligentes. Esta metodología de análisis y planificación de red incorpora nuevos aspectos o elementos de decisión sobre la solución técnica y sobre el momento de invertir en activos de distribución eléctrica. Así mismo, se identifican nuevas líneas de investigación, que permitan mejorar la toma de las decisiones de inversión, por parte de los agentes involucrados con actividad regulada o en libre competencia, sobre instalaciones intensivas en capital y con largo periodo de amortización. En consecuencia, los principales objetivos de la investigación son los siguientes: - Incorporar de forma proactiva a la planificación y operación de una red de distribución real las capacidades de los recursos energéticos distribuidos (DER, disponibles o propiciados). - A partir de los datos disponibles que posibilitan una mayor visualización de los puntos de acceso a la red, seleccionar y tratar aquellos que permiten construir un modelo renovado de análisis del comportamiento de la red de distribución actual incorporando los recursos DER, como contribución al proceso de planificación de la misma. - Propiciar el uso eficiente de la capacidad de red de distribución MT (activos de red en servicio, condiciones de acceso, etc.), a partir de consignas operativas de servicio, variables en el tiempo, y la prudente gestión del riesgo. / [CAT] Actualment, un dels principals reptes de l'activitat de distribució elèctrica és aconseguir l'ús més eficient de l'accés a les seues infraestructures existents, en un entorn de dificultat creixent per la implantació de les noves infraestructures, gestionant millor la seua capacitat com a sistema, a partir d'una major visualització dels recursos energètics distribuïts, amb capacitat potencial per aportar serveis en l'àmbit de la seguretat del sistema. Aquesta realitat té un abast clar sobre la planificació, desenvolupament i operació de l'actual xarxa de distribució, així com sobre les condicions d'accés i connexió a aquesta. L'àmbit d'investigació de la present tesi s'emmarca en la perspectiva de la planificació i operació de les infraestructures de distribució elèctrica (xarxa de distribució), en l'evolució cap a una xarxa intel·ligent, on els DER (recursos energétics distribuïts) poden aportar la seua capacitat o serveis complementaris a la seguretat i estabilitat d'aquesta, dins del context de les Directives Europees en la matèria. La dita perspectiva comporta l'ús més intensiu de la capacitat de la xarxa, des d'un important suport tecnològic de les TIC, i el desenvolupament de la regulació jurídica, amb la finalitat d'afavorir els senyals tècnics i econòmics oportuns per establir els requisits operacionals dels DER cap al sistema i el mercat, que habiliten l'adequada provisió dels seus serveis de regulació al nivell de la distribució elèctrica. El repte científic que s'aborda en la present tesi s'emmarca en l'àmbit de la planificació de la xarxa de distribució elèctrica, comptant amb el suport de l'operació de les xarxes avançades. La contribució de la proposta ofereix una solució tècnica operativa viable pel seu plantejament i tractament, dins l'actual context de desplegament de les xarxes intel·ligents i desenvolupament regulador en la matèria. Amb açò s'estructura una metodologia de planificació de sistemes avançats de distribució d'energia elèctrica que incorpora els recursos energètics distribuïts en el context del desplegament de les xarxes intel·ligents. Aquesta metodologia d'anàlisi i planificació de la xarxa incorpora nous aspectes o elements de decisió sobre la solució tècnica i sobre el moment d'invertir en actius de distribució elèctrica. Així mateix, s'identifiquen noves línies de recerca, que permeten millorar la presa de decisions d'inversió, per part dels agents involucrats en l'activitat regulada o en lliure competència, sobre instal·lacions intensives en capital i amb llarg períod d'amortització. En conseqüència, els principals objectius de la investigació són els següents: - Incorporació de manera proactiva a la planificació i operació d'una xarxa de distribució real les capacitats dels recursos energètics distribuïts (disponibles o propiciats). - Partint de les dades disponibles que possibiliten una major visualització dels punts d'accés a la xarxa, seleccionar i tractar aquells que permeten construir un model renovat d'anàlisi del seu comportament actual incorporant els recursos DER, com a contribució al procés de planificació d'aquesta. - Afavorir l'ús eficient de la capacitat de la xarxa de distribució MT (actius de xarxa en servei, condicions d'accés, etc.), partint de les consignes operatives de serveis, variables en el temps, i prudent gestió del risc. / Picard López, JL. (2015). Contribución a la planificación de sistemas avanzados de distribución de energía eléctrica incorporando los recursos energéticos distribuidos [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/59237 / TESIS

[ES] Las redes de sensores inalámbricas (WSN) han experimentado un resurgimiento debido al desarrollo de la Internet de las Cosas (IoT). Una de las características de las aplicaciones de la IoT es la necesidad de hacer uso de dispositivos sensores y actuadores. En aplicaciones como automatización de edificios, de gestión energética, industriales o de salud, los nodos sensores que componen la WSN, transmiten información a un colector central o sink. La información es posteriormente procesada, analizada y utilizada para propósitos específicos. En cada una de estas aplicaciones, los dispositivos sensores pueden considerarse como parte de una WSN. En ese sentido el modelado y la evaluación de las prestaciones en las WSN es importante, ya que permite obtener una visión más clara de su comportamiento, facilitando un adecuado diseño y una exitosa puesta en operación. En el presente trabajo de tesis se han desarrollado modelos matemáticos para evaluar las prestaciones de WSN, los cuales están basados en Cadenas de Markov en Tiempo Discreto (DTMC). Los parámetros de prestaciones elegidos para la evaluación son: energía consumida promedio, eficiencia energética, caudal cursado y retardo promedio de los paquetes. Los resultados que se han obtenido han sido validados por medio de simulación basada en eventos discretos (DES). Existen estudios de WSN en escenarios homogéneos, donde los nodos que componen la red inalámbrica son del mismo tipo y tienen las mismas características de operación. En estos análisis se definen WSN homogéneas compuestas por un nodo central o sumidero (sink), que recibe la información de los nodos sensores localizados alrededor, formando una célula o cluster. Estos nodos realizan las transmisiones en SPT (Single Packet Transmission), enviando un solo paquete por ciclo de transmisión. Sin embargo, es posible encontrar, más ahora con el desarrollo de la IoT, escenarios donde coexisten distintos tipos de nodos, con características diferentes y, por tanto, con requerimientos de operación específicos. Esto da lugar a la formación de clusters cuyos nodos tienen aplicaciones distintas, desigual consumo de energía, diversas tasas de trasmisión de datos, e incluso diferentes prioridades de acceso al canal de transmisión. Este tipo de escenarios, que denominamos heterogéneos, forman parte de los escenarios estudiados en el presente trabajo de tesis. En una primera parte, se ha desarrollado un modelo para evaluar las prestaciones de una WSN heterogénea y con prioridades de acceso al medio. El modelado incluye un par de DTMC de dos dimensiones (2D-DTMC) cada una, cuya solución en términos de la distribución de probabilidad estacionaria, es utilizada para determinar los parámetros de prestaciones. Se desarrollan, por tanto, expresiones cerradas para los parámetros de prestaciones, en función de la distribución estacionaria que se ha obtenido a partir de la solución de las 2D-DTMC. En una segunda parte, se desarrolla un modelo analítico también pensado para escenarios heterogéneos y con prioridades, pero en el que los nodos de la WSN, cuando consiguen acceso al canal, transmiten un conjunto de paquetes en vez de uno solo como en el modelo de la primera parte. Estos dos modos de operación de los sensores los denominamos aggregated packet trans- mission (APT) y single packet transmission (SPT), respectivamente. El número de paquetes que un nodo funcionando en APT trasmite cuando accede al canal es el menor entre un parámetro configurable y el número de paquetes que tuviera en la cola en ese momento. Este modo de operación consigue una mayor eficiencia energética y un aumento en el caudal cursado, además de una disminución en el retardo promedio de los paquetes. En una tercera parte, se propone un nuevo procedimiento analítico para la determinación del consumo energético de los nodos que conforman una WSN. A diferencia de los métodos de cálculo anteriores, la nueva prop / [CA] Les xarxes de sensors sense fils (WSN) han experimentat un ressorgiment causa de al desenvolupament de la Internet de les Coses (IoT). Una de les característiques de IoT és la inclusió, en les seves aplicacions, de dispositius sensors i actuadors. En aplicacions com automatització d'edificis, de gestió energètica, industrials o de salut, els nodes sensors que componen la WSN, transmeten informació a un col·lector central o sink. La informació és posteriorment processada, analitzada i utilitzada per a propòsits específics. En cadascuna d'aquestes aplicacions, els dispositius sensors poden considerar com a part d'una WSN. En aquest sentit el modelitzat i l'avaluació de l'acompliment en les WSN és important, ja que permet obtenir una visió més clara del seu comportament, facilitant un adequat disseny i una exitosa posada en operació. En el present treball de tesi s'han desenvolupat models matemàtics per avaluar l'acompliment de WSN, els quals estan basats en Cadenes de Markov en Temps Discret (DTMC). Els paràmetres d'acompliment obtinguts per a l'avaluació són: energia consumida mitjana, eficiència energètica, cabal cursat i retard mitjà dels paquets. Els resultats que s'han obtingut, han estat validats per mitjà de simulació basada en esdeveniments discrets (DES). Existeixen estudis de WSN en escenaris homogenis, on els nodes que componen la xarxa sense fils són de el mateix tipus i tenen les mateixes característiques d'operació. En aquests anàlisis prèvies es defineixen WSN homogènies compostes per un node central o embornal (sink), que rep la informació dels nodes sensors localitzats al voltant, formant una cèl·lula o cluster. Aquests nodes realitzen les transmissió en SPT (Single Packet Transmission), és a dir, enviant un sol paquet cada vegada que transmeten. No obstant això, és possible trobar, més ara amb el desenvolupament de la IOT, escenaris on hi ha una coexistència de distints tipus de nodes, amb característiques diferents i, per tant, amb requeriments d'operació específics. Això dona lloc a formació de clusters els nodes tenen aplicacions diferents, desigual consum d'energia, diverses taxes de transmissió de dades, i fins i tot diferent prioritats d'accés a canal de transmissió. Aquest tipus d'escenaris, que anomenem heterogenis, formen part dels escenaris estudiats en el present treball de tesi. En una primera part, s'ha desenvolupat un model per avaluar l'acompliment d'una WSN heterogènia i amb prioritats d'accés al medi. El modelitzat inclou un parell DTMC de dues dimensions (2D-DTMC), la solució en termes de la distribució estacionària de probabilitat, és utilitzada per obtenir posteriorment els paràmetres d'acompliment. Es desenvolupen, per tant, expressions tancades per a la determinació dels paràmetres d'acompliment, on és substituïda la distribució estacionària que s'ha obtingut a partir de la solució de les 2D-DTMC. En una segona part, es desenvolupa un model, en el qual els nodes pertanyents a la WSN, poden transmetre els seus paquets en agregat (APT) en escenaris heterogenis i amb prioritats. A diferència del model anterior, on els nodes transmeten un paquet per cicle (SPT), en APT els nodes poden transmetre més d'un paquet. Això porta com a conseqüència una major eficiència energètica, a més d'un augment en el cabal cursat i disminució en el retard mitjana. En una tercera part, es proposa un nou desenvolupament analític per a la determinació del consum energètic dels nodes que conformen una WSN. A diferència de les expressions utilitzades anteriorment per al càlcul del consum energètic, aquesta proposta alternativa permet obtenir resultats més precisos a través del desenvolupament d'expressions més intuïtives i sistemàtiques. Amb aquest nou procediment, es realitzen estudis energètics per WSN en escenaris homogenis i heterogenis. / [EN] Wireless sensor networks (WSN) have experienced a resurgence due to the development of the Internet of Things (IoT). One of the characteristics of IoT is the deployment of applications that require sensor devices and actuators. In applications such as building automation, energy management, industrial or health, the sensor nodes that make up the WSN transmit information to a central collector or sink. The information is processed, analyzed, and used for specific purposes. In each of these applications, the sensor devices can be considered part of a WSN. In this sense, the modeling and performance evaluation of WSN is important, since it allows obtaining a clearer vision of their behavior, facilitating an adequate design and a successful operation. In the present thesis, analytical models based on Discrete Time Markov Chains (DTMC) have been developed to evaluate the performance of WSN. The parameters defined for the performance evaluation are: average consumed energy, energy efficiency, throughput and average packet delay. The obtained results have been validated by means of discrete event simulation (DES). There are studies of WSN in homogeneous scenarios, where the nodes that compose the WSN are of the same type and have the same operating characteristics. In these previous studies, homogeneous WSN are defined as a cell or cluster composed of a central node or sink, which receives the information from the sensor nodes located around it. These nodes operate in SPT (Single Packet Transmission), sending a single packet per transmission cycle. However, it is possible to find, especially now with the development of the IoT, scenarios where different types of nodes coexist, although they have different characteristics or specific operational requirements. This results in the formation of clusters whose nodes have different applications, uneven power consumption, different data transmission rates, and even different priorities for access to the transmission channel. These types of scenarios, which we call heterogeneous, are part of the scenarios studied in this thesis work. In the first part, a model has been developed to evaluate the performance of a heterogeneous WSN and with priorities to access a common channel. The model includes a two-dimensional DTMC pair (2D-DTMC), whose solution in terms of the stationary probability distribution is used to obtain the performance parameters. Closed expressions are provided for the determination of performance parameters of interest, given in terms of the stationary distribution of the 2D-DTMC. In a second part, an analytical model is developed to evaluate the performance of a heterogeneous WSN, where nodes operate in aggregate packet transmission (APT) mode and deploy different channel access priorities. Un like the previous model, where the nodes transmit one packet per cycle (SPT) when they gain access to the channel, in APT the nodes can transmit a number of packets larger than one, that is the minimum between a configurable parameter and the number of packets in the packet queue of the node. This results in greater energy efficiency and throughput, while decreases the average packet delay. In a third part, a new analytical model is proposed to determine the energy consumption of the nodes that make up a WSN. Unlike previous computation procedures, this alternative proposal is based on more intuitive and systematic expressions and allows to obtain more accurate results. With this new procedure, energy studies are performed for WSN in homogeneous and heterogeneous scenarios. / Este trabajo se ha desarrollado en el marco de los siguientes proyectos de investigación: Platform of Services for Smart Cities with Dense Machine to Machine Networks, PLASMA, TIN2013-47272-C2-1-R and New Paradigms of Elastic Networks for a World Radically Based on Cloud and Fog Computing, Elastic Networks, TEC2015-71932-REDT. También quisiera agradecer el apoyo recibido por parte de the European Union under the program Erasmus Mundus Partnerships, project EuroinkaNet, GRANT AGREEMENT NUMBER - 2014-0870/001/001 y La Secretaria de Educación Pública (México), bajo el Programa para el Desarrollo Profesional Docente: SEP-SES (DSA/103.5/15/6629). / Portillo Jiménez, C. (2021). Modelado y evaluación de prestaciones de redes de sensores inalámbricos heterogéneos con ciclo de trabajo síncrono [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/171275 / TESIS