Problem statement: The D-optimal design is often used in clinical research. In multi-factor clinical experiments it is natural to restrict the experiment's design space so as not to give a patient the combination of several high dose treatments simultaneously. Under such design space restrictions it is unknown what designs are D-optimal. The goal of the thesis has been to find D-optimal designs for these design spaces. Approach: Two new algorithms for finding D-optimal designs with one, two or three factors with linear models has been developed and implemented in MATLAB. Two restricted design spaces were explored. In cases when the program could not find the D-optimal design an analytic approach was used. Results: Special attention was given to the two factor model with interaction. All of the D-optimal designs for this model, N less or equal to 30, and their permutations have been listed as well as their continous designs. Conclusion: In one of the restricted design regions a simple design pattern appeared for N greater than or equal to 7. In the other restricted design region no obvious pattern was found but its continuous design could be calculated through analysis. It turned out that the number of trials at the lowest dose combination did not change when moving from the full space design to the restricted design regions. / Frågeställning: D-optimala designer är vanliga i kliniska studier. När flera faktorer (läkemedel) prövas samtidigt kan det vara nödvändigt att begränsa försöksrummet så att patienterna undviker att få en hög dos av flera faktorer samtidigt. I sådana begränsade försöksrum är det okänt vilka designer som är D-optimala. Uppsatsens mål har varit att hitta D-optimala designer i begränsade försöksrum. Metod: Två nya algoritmer för att hitta D-optimala designer med en, två eller tre dimensioner och linjära modeller har utvecklats och implementerats i MATLAB. Två begränsade försöksrum har utforskats. I de fall då MATLAB-programmet inte kunde hitta de D-optimala designerna användes analytiska metoder. Resultat: Analys av en tvåfaktormodell med interaktion utforskades särskilt noggrant. Alla D-optimala designer och permutationer av dessa i de båda begränsade försöksrummen har listats för alla N mindre än eller lika med 30, samt även deras kontinuerliga designer. Slutsats: För det ena försöksrummet upptäcktes ett mönster i designen då N är större än eller lika med 7. I det andra försöksrummet upptäcktes inget mönster och det krävdes således analytiska metoder för att finna dess kontinuerliga design. Det visade sig att antalet försök i den lägsta doskombinationen förblev oförändrat då man bytte från det fulla designrummet till de båda begränsade designrummen.

Consider life testing of J-component series systems that are subjected to stress levels that are steeper than that at normal usage condition. The objective of performing such life tests, commonly known as Accelerated Life Testing (ALT) in the literature, is to collect observations on system failure times within a limited time frame. The accelerated observations are then used to infer on the component and system reliability metrics at usage stress. In this thesis, the existing literature is first extended by considering the general case of K stress variables, as opposed to the usual consideration of a single stress variable. Next, a general model assuming that the component log-lifetimes belong to an arbitrary location-scale family of distributions, is formulated. The location parameters are assumed to depend on the stress variables through a general stress translation function, while the scale parameters are assumed to be independent of the stress variables. This formulation covers the standard lifetime distributions as well as well-known stress translation functions as special cases. Bayesian methodologies are then developed for four special cases of the proposed general model, viz., exponentials, Weibulls with equal shape parameter, Weibulls with distinct shape parameters and log-normals with distinct scale parameters. For exponential and Weibull models, the priors on lifetime parameters are assumed to be log-concave and independent of each other. The resulting univariate conditional posterior of each lifetime parameter given the rest, is shown to be log-concave. This facilitates Gibbs sampling from the joint posterior of lifetime parameters. Propriety of the joint posteriors with Laplacian uniform priors on stress coefficients are also proved under a suitable set of sufficient conditions. For the log-normal model, the observed data is first augmented with log-lifetimes of un-failed components to form complete data. A Gibbs sampling scheme is then developed to generate observations from the joint posterior of lifetime parameters, through the augmented data and a conjugate prior for the complete data. In all four cases, Bayesian predictive inference techniques are used to study component and system reliability metrics at usage stress. Though this thesis mainly deals with Bayesian inference of accelerated data of series systems, maximum likelihood analysis for the log-normal component lifetimes is also performed via an expectation-maximization (EM) algorithm and bootstrap, which are not available in the literature. The last part of this thesis deals with construction of optimal Bayesian designs for accelerated life tests of J-component series systems under Type-I censoring scheme. Optimal ALT plans for a single stress variable are obtained using two different Bayesian D-optimality criteria for exponentially distributed component lives. A detailed sensitivity analysis is carried out to investigate the effect of different planning inputs on the optimal designs as well.

On-road vehicles are a major source of transportation carbon dioxide (CO2) greenhouse gas emissions in all the developed countries, and in many of the developing countries in the world. Similarly, several criteria air pollutants are associated with transportation, e.g., carbon monoxide (CO), nitrogen oxides (NOx), and particulate matter (PM). The need to accurately quantify transportation-related emissions from vehicles is essential. Transportation agencies and researchers in the past have estimated emissions using one average speed and volume on a long stretch of roadway. With MOVES, there is an opportunity for higher precision and accuracy. Integrating a microscopic traffic simulation model (such as VISSIM) with MOVES allows one to obtain precise and accurate emissions estimates. The new United States Environmental Protection Agency (USEPA) mobile source emissions model, MOVES2010a (MOVES) can estimate vehicle emissions on a second-by-second basis creating the opportunity to develop new software ―VIMIS 1.0‖ (VISSIM/MOVES Integration Software) to facilitate the integration process. This research presents a microscopic examination of five key transportation parameters (traffic volume, speed, truck percentage, road grade and temperature) on a 10-mile stretch of Interstate 4 (I- 4) test bed prototype; an urban limited access highway corridor in Orlando, Florida. iv The analysis was conducted utilizing VIMIS 1.0 and using an advanced custom design technique; D-Optimality and I-Optimality criteria, to identify active factors and to ensure precision in estimating the regression coefficients as well as the response variable. The analysis of the experiment identified the optimal settings of the key factors and resulted in the development of Micro-TEM (Microscopic Transportation Emissions MetaModel). The main purpose of Micro-TEM is to serve as a substitute model for predicting transportation emissions on limited access highways in lieu of running simulations using a traffic model and integrating the results in an emissions model to an acceptable degree of accuracy. Furthermore, significant emission rate reductions were observed from the experiment on the modeled corridor especially for speeds between 55 and 60 mph while maintaining up to 80% and 90% of the freeway‘s capacity. However, vehicle activity characterization in terms of speed was shown to have a significant impact on the emission estimation approach. Four different approaches were further examined to capture the environmental impacts of vehicular operations on the modeled test bed prototype. First, (at the most basic level), emissions were estimated for the entire 10-mile section ―by hand‖ using one average traffic volume and average speed. Then, three advanced levels of detail were studied using VISSIM/MOVES to analyze smaller links: average speeds and volumes (AVG), second-bysecond link driving schedules (LDS), and second-by-second operating mode distributions (OPMODE). This research analyzed how the various approaches affect predicted emissions of CO, NOx, PM and CO2. v The results demonstrated that obtaining accurate and comprehensive operating mode distributions on a second-by-second basis improves emission estimates. Specifically, emission rates were found to be highly sensitive to stop-and-go traffic and the associated driving cycles of acceleration, deceleration, frequent braking/coasting and idling. Using the AVG or LDS approach may overestimate or underestimate emissions, respectively, compared to an operating mode distribution approach. Additionally, model applications and mitigation scenarios were examined on the modeled corridor to evaluate the environmental impacts in terms of vehicular emissions and at the same time validate the developed model ―Micro-TEM‖. Mitigation scenarios included the future implementation of managed lanes (ML) along with the general use lanes (GUL) on the I-4 corridor, the currently implemented variable speed limits (VSL) scenario as well as a hypothetical restricted truck lane (RTL) scenario. Results of the mitigation scenarios showed an overall speed improvement on the corridor which resulted in overall reduction in emissions and emission rates when compared to the existing condition (EX) scenario and specifically on link by link basis for the RTL scenario. The proposed emission rate estimation process also can be extended to gridded emissions for ozone modeling, or to localized air quality dispersion modeling, where temporal and spatial resolution of emissions is essential to predict the concentration of pollutants near roadways

[ES] En un contexto de creciente preocupación por el calentamiento global y de políticas energéticas internacionales, en el cual los sistemas de climatización de los edificios suponen una parte importante del consumo energético global, los sistemas de bombas de calor son considerados como opciones muy interesantes debido a su alta eficiencia y por ser fuentes de energía renovables. En este sentido, una caracterización precisa de estos equipos es de vital importancia con el objetivo de mejorar su diseño y, en aquellos casos dónde este tipo de unidades se integren como parte de sistemas más complejos, implementar estrategias de control eficientes. En este contexto, esta tesis doctoral se centra en el modelado de bombas de calor con el fin de obtener modelos que permitan conocer con precisión el desempeño global de estas unidades en todo el rango de trabajo. En la primera parte del trabajo, se han realizado numerosos ensayos experimentales utilizando un nuevo prototipo de bomba de calor dual, obtenidos dentro del marco de trabajo del proyecto europeo GEOTeCH. Debido a la tipología hibrida de esta unidad, los resultados experimentales obtenidos incluyen datos de desempeño para las principales tecnologías de bombas de calor: las bombas de calor aerotérmicas y geotérmicas. Haciendo uso de toda esta información experimental, esta primera parte del trabajo se centra en obtener modelos polinómicos para la predicción del consumo eléctrico y las capacidades de calefacción y refrigeración en función de las variables externas a la unidad. Dichas variables son fáciles de obtener y suelen medirse en instalaciones reales. Por tanto, estos modelos caracterizan a la bomba de calor como un único componente, simplificando su implementación en modelos globales de sistemas más complejos donde se instalan estas unidades. Además, seleccionado un enfoque empírico para el modelado, en esta parte también se analizan algunos aspectos relevantes, como los términos a incluir en el polinomio, o cómo conformar las matrices experimentales de ensayo necesarias, es decir, cuántos puntos experimentales realizar y dónde situarlos en el rango de operación. Por último, la segunda parte de la tesis doctoral está dedicada a modelar uno de los componentes principales en estas unidades, el compresor. En este caso, el desarrollo de una extensa base de datos que incluye numerosos ensayos calorimétricos de las dos principales tecnologías de compresores, pistón y scroll, ha permitido el análisis detallado de las superficies de respuesta del consumo eléctrico y el caudal másico de refrigerante en función de las temperaturas de evaporación y condensación. A partir de esta información y siguiendo un enfoque similar al utilizado previamente, en esta segunda parte se revisan los modelos incluidos en la norma actual de caracterización de compresores, el estándar AHRI 540 (2020), para comprobar si son adecuados o si, por el contrario, debemos utilizar otro tipo de expresiones polinómicas. También se analizan en profundidad cuestiones críticas como el número de puntos necesarios para caracterizar cada tecnología de compresor, dónde situarlos en el dominio experimental, cómo evitar un posible sobreajuste del modelo minimizando problemas de extrapolación o interpolación, o cómo extrapolar los resultados para predecir con otros refrigerantes u otras condiciones de aspiración. / [CA] En un context de creixent preocupació per l'escalfament global i de polítiques energètiques internacionals, en el qual els sistemes de climatització dels edificis suposen una part important del consum energètic global, els sistemes de bombes de calor són considerats com a opcions molt interessants a causa de la seva alta eficiència i perquè són fonts d'energia renovables. En aquest sentit, una caracterització precisa d'aquests equips és de vital importància amb l'objectiu de millorar el seu disseny i, en aquells casos on aquest tipus d'unitats s'integren com a part de sistemes més complexos, implementar estratègies de control eficients. En aquest context, aquesta tesi doctoral se centra en el modelat de bombes de calor per obtenir models que permitisquen conèixer amb precisió el funcionament d'aquestes unitats a tot el rang de treball. A la primera part del treball, s'han realitzat nombrosos assajos experimentals utilitzant un nou prototip de bomba de calor dual, obtinguts dins del marc de treball del projecte europeu GEOTeCH. A causa de la tipologia hibrida d'aquesta unitat, els resultats experimentals obtinguts inclouen dades de funcionament per a les principals tecnologies de bombes de calor: les bombes de calor aerotèrmiques i geotèrmiques. Fent ús de tota aquesta informació experimental, aquesta primera part del treball se centra a obtenir models polinòmics per a la predicció del consum elèctric i les capacitats de calefacció i refrigeració en funció de les variables externes a la unitat. Aquestes variables són fàcils d'obtenir i se solen mesurar en instal·lacions reals. Per tant, aquests models caracteritzen la bomba de calor com un únic component, simplificant-ne la implementació en models globals de sistemes més complexos on s'instal·len aquestes unitats. A més, seleccionat un enfocament empíric per al modelatge, en aquesta part també s'analitzen alguns aspectes rellevants, com els termes a incloure al polinomi, o cóm conformar les matrius experimentals d'assaig necessàries, és a dir, quants punts experimentals realitzar i on situar-los al rang d'operació. Per acabar, la segona part de la tesi doctoral està dedicada al modelat d'un dels components principals d'aquestes unitats, el compressor. En aquest cas, el desenvolupament d'una extensa base de dades que inclou nombrosos assajos calorimètrics de les dues principals tecnologies de compressors, pistó i scroll, ha permès l'anàlisi detallat de les superfícies de resposta del consum elèctric i el cabal màssic de refrigerant segons les temperatures d'evaporació i de condensació. A partir d'aquesta informació i seguint un enfocament similar a l'utilitzat prèviament, en aquesta segona part es revisen els models inclosos a la norma actual de caracterització de compressors, l'estàndard AHRI 540 (2020), per comprovar si són adequats o si, per contra, cal utilitzar un altre tipus d'expressions polinòmiques. També s'analitzen en profunditat qüestions crítiques com el nombre de punts necessaris per caracteritzar cada tecnologia de compressor, on situar-los al domini experimental, cóm evitar un possible sobreajust del model minimitzant problemes d'extrapolació o interpolació, o cóm extrapolar els resultats per predir amb altres refrigerants o altres condicions d'aspiració. / [EN] In a context of global warming concerns and global energy policies, in which heating and cooling systems in buildings account for a significant amount of the global energy consumption, heat pump systems are widely considered as a really interesting option for enabling high efficiency and also for being renewable energy sources. In this sense, an accurate characterization of these units is of vital importance to improve their design and implement efficient control strategies, when the unit is integrated in more complex systems. Against this background, this PhD thesis focuses on heat pump modelling in order to create map-based models able to accurately characterize the global performance of these units for the entire working range. In the first part of this work, many experimental tests have been obtained for a new Dual Source Heat Pump prototype tested in the framework of the European project GEOTeCH. Due to the dual typology, the experimental results include performance data for the two main heat pump technologies: Air Source Heat Pumps and Ground Source Heat Pumps. By using all this experimental information, this first part focuses on obtaining empirical polynomial models capable of accurately predicting energy consumption and heating and cooling capacities as a function of external variables. Such variables are easy to measure and are usually recorded in real installations. Therefore, these models characterize the heat pump as a single component, simplifying its implementation in global models of more complex systems where these units are installed. Furthermore, selecting the empirical model approach, this part also includes some critical aspects, such as how to obtain the best polynomial expression, or how to perform the required experimental test matrices, i.e., how many tests should be conducted and where in the operating range. Finally, the second part of this PhD thesis is dedicated to modelling one of the main components of these units, the compressor. In this case, the development of an extensive database including numerous calorimetric tests on the two main compressor technologies, reciprocating and scroll compressors, has allowed the detailed analysis of the response surfaces of their performance parameters, i.e., the energy consumption and mass flow rate as a function of the evaporation and condensation temperatures. Using this information, and following an approach similar to that used in the first part, this second part reviews the models included in the current compressor characterization standard, the AHRI 540 (2020), in order to check whether they are appropriate or, on the contrary, whether we should use of other types of polynomial expression. Critical issues such as the number of points needed to characterize each compressor technology, where to place them in the experimental domain, how to prevent possible overfitting in the model adjustment to minimize extrapolation or interpolation problems, or how to extrapolate results for predicting other refrigerant or suction conditions, are discussed in depth. / I would like to acknowledge the financial support that has made this PhD thesis possible. The doctoral fellowship FPU15/03476 was founded by “Ministerio de Educación, Cultura y deporte” inside the program “Formación de Profesorado Universitario”, and the GEOTeCH project (No 656889) founded by the European Union under the “Horizon 2020 Framework Programme for European Research and Technological Development” / Marchante Avellaneda, J. (2023). Study of Response Surface Models for the characterization of the performance in Refrigeration Equipments and Heat Pumps [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/192653

Tesis por compendio / [ES] La tecnología de bombas de calor se ha vuelto estratégica en Europa, está extendiéndose rápidamente y se planea que reemplace las calderas de gas en un futuro cercano. Sin embargo, aún enfrenta desafíos, como encontrar refrige-rantes nuevos viables y altamente eficientes, y mejorar aún más el rendimiento del sistema. Para abordar este último problema, han surgido las bombas de calor de velocidad variable que prometen reducir el consumo anual e incremen-tar el confort adaptando la potencia suministrada a las necesidades cambiantes. Esta tecnología se está implementando ya, pero carece de una metodología estandarizada para diseñar y seleccionar sus componentes. Esta tesis tiene como objetivo establecer pautas de diseño generales para la selección y diseño de componentes de bombas de calor de velocidad variable, y ofrecer información valiosa que se pueda traducir en herramientas para asistir en la simulación, diseño, selección y detección de fallas en estos dispositivos. El contenido del estudio se puede dividir en tres áreas temáticas: En una primera parte, se estudian los compresores de velocidad variable. El compresor es el primer componente que se selecciona en una bomba de calor, modula la capacidad y es el principal consumidor de energía. Sin embargo, no existen metodologías bien establecidas para modelar su comportamiento. En esta parte, se realizan ensayos de caracterización de compresores de velocidad variable y sus inversores para comprender su comportamiento y proporcionar correlaciones compactas para modelar su rendimiento. En la segunda parte, se propone una metodología para dimensionar los intercambiadores de calor en bombas de calor de velocidad variable. Nor-malmente, se diseñan para una potencia fija y temperaturas de trabajo constan-tes, sin embargo, en las bombas de velocidad variable, la capacidad y las tempe-raturas de trabajo fluctúan significativamente con el tiempo. En esta parte, se estudia la evolución del rendimiento de los intercambiadores de calor con la capacidad (velocidad del compresor) y se propone una metodología de selec-ción/dimensionamiento que considera la evolución de la capacidad requerida y de las condiciones climáticas externas a lo largo del año. Por último, se evalúa la circulación del aceite en las bombas de calor de velocidad variable. Gestionar la lubricación en los compresores de velocidad variable es un problema típico ya que, para tener suficiente lubricación a bajas velocidades, el compresor termina bombeando un exceso de aceite a altas velo-cidades. En esta parte se estudia la evolución de las tasas de circulación de acei-te con la velocidad y se analiza teóricamente su efecto en el rendimiento de la bomba de calor. / [CA] La tecnologia de les bombes de calor s'ha tornat estratègica a Europa, s'està estenent ràpidament i es preveu que substituïsca les calderes de gas en un futur pròxim. Tanmateix, encara s'enfronta a desafiaments com trobar refrigerants nous viables i altament eficients, i millorar encara més el rendiment del sistema. Per abordar aquest darrer problema, han sorgit les bombes de calor de velocitat variable que prometen reduir el consum anual i incrementar el confort adaptant la potència subministrada a les necessitats variables. Aquesta tecnologia ja s'es-tà implementant, però manca d'una metodologia estandarditzada per dissenyar i seleccionar els seus components. Aquesta tesi té com a objectiu establir pautes de disseny generals per a la se-lecció i disseny de components de bombes de calor de velocitat variable, i oferir informació valuosa que es pugui traduir en eines per ajudar en la simulació, disseny, selecció i detecció de fallades d'aquests dispositius. El contingut de l'estudi es pot dividir en tres àrees temàtiques: En una primera part, s'estudien els compressors de velocitat variable. El compressor és el primer component seleccionat d'una bomba de calor, modula la capacitat i és el principal consumidor d'energia. Tanmateix, no hi ha metodo-logies ben establides per modelar el seu comportament. En aquesta part, es realitzen assajos de caracterització de compressors de velocitat variable i els seus inversors per comprendre el seu comportament i proporcionar correlaci-ons compactes per modelar el seu rendiment. En la segona part, es proposa una metodologia per dimensionar els inter-canviadors de calor en bombes de calor de velocitat variable. Normalment, es dissenyen per a una potència fixa i temperatures de treball constants, no obs-tant això, en les bombes de velocitat variable, la capacitat i les temperatures de treball fluctuen significativament amb el temps. En aquesta part, s'estudia l'evo-lució del rendiment dels intercanviadors de calor amb la capacitat (velocitat del compressor) i es suggereix una metodologia de selecció/dimensionament que considera l'evolució de les càrregues i de les condicions climàtiques externes al llarg de l'any. Finalment, s'avalua la circulació de l'oli a les bombes de calor de velocitat variable. Gestionar la lubricació als compressors de velocitat variable és un pro-blema típic, ja que per tenir suficient lubricació a baixes velocitats, el compres-sor acaba bombejant un excés d'oli a altes velocitats. En aquesta part s'estudia l'evolució de les taxes de circulació d'oli amb la velocitat i s'analitza teòricament el seu efecte en el rendiment de la bomba de calor. / [EN] Heat pump technology has become strategic in Europe, it is rapidly spread-ing, and it is planned to replace gas boilers in the near future. However, they still have challenges to solve, such as finding new viable and highly efficient refriger-ants and further increasing their system performance. For this latter issue, vari-able-speed heat pumps arise, which claim to decrease annual consumption and increase comfort by adapting the delivered capacity to the changing loads. This technology is being implemented but lacks a standardized methodology to de-sign and select its components. This thesis aims to establish comprehensive design guidelines for selecting and designing variable-speed heat pump components and give insights that can translate into valuable information and tools for engineers to assist them in the pump simulation, design, selection and fault detection. The content of the study can be divided into three thematic areas: In the first part, variable-speed compressors are studied. The compressor is the first selected heat pump component; it modulates the capacity and is the primary energy consumer. However, there are no well-established methodolo-gies to model their behavior. In this part, extensive testing of variable-speed compressors and their inverters was carried out to understand their behavior and to provide compact correlations to model their performance. The second part proposes a methodology to size heat exchangers for variable-speed heat pumps. Typically, they are designed for a fixed capacity and constant working temperatures. However, the capacity and working tempera-tures fluctuate significantly overtime in variable-speed pumps. In this part, the performance evolution of heat exchangers with capacity is studied, and a meth-odological selection/sizing technique is proposed that considers the evolution of external climatic conditions and loads over the year. Lastly, the oil circulation in variable-speed heat pumps is assessed. Man-aging lubrication in variable-speed compressors is a typical issue, as a design valid for sufficient lubrication at low compressor speeds will end up pumping excess oil at high speeds. In this final part, the evolution of oil circulation rates with speed is studied, and its effect on heat pump performance is theoretically analyzed. / I am indebted to the Spanish and European governments for their financial support with the grant PRE2018-083535, which made this research possible. Their commitment to academic excellence and research advancement has been crucial in successfully completing this thesis. / Ossorio Santiago, RJ. (2024). Modelling of Heat Pumps Working with Variable-Speed Compressors [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/203104 / Compendio