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

Tesis por compendio / [ES] El riego desempeña un papel vital en la agricultura productiva y sostenible. En el contexto actual, está determinado no solo por la disponibilidad de agua, sino también por la gestión eficiente de los recursos. Varios autores han intentado medir el desempeño de las redes de riego a través de diversos enfoques en términos de indicadores técnicos. En aras de impulsar el desarrollo sostenible en el dimensionamiento en redes de riego presurizadas, se evaluaron modelos de diferentes autores para discutir las ventajas y desventajas a considerar en futuras metodologías, garantizando la operación óptima de la red y mejorando la sostenibilidad. Para el desarrollo de dicha metodología, el paso inicial será la realización de una revisión del estado del arte de los métodos de diseño de redes. Una vez establecida la metodología se desarrollará la auditoría de diseño a través de la asignación de indicadores para diseño y gestión cuantificando su impacto en términos energéticos y de sostenibilidad. Por último, se aplicará a casos reales y ser integrará como parte de una herramienta para la mejora energética en sistemas de distribución. En esta tesis se presenta el desarrollo de una metodología integral para el diseño y análisis de redes de riego presurizadas, centrada en la optimización de la distribución de caudales y en la mejora de los indicadores de sostenibilidad técnica, económica y ambiental. La investigación se divide en varias etapas clave que abarcan desde la revisión del estado del arte hasta la aplicación práctica de la metodología desarrollada. (i) Contextualización: Primero, se realizó una revisión exhaustiva del estado del arte de los métodos existentes de diseño y análisis de redes de riego. Este análisis permitió identificar las limitaciones y áreas de mejora en las metodologías actuales, sentando las bases para el desarrollo de un modelo analítico avanzado. (ii) Desarrollo metodológico: En la segunda etapa, se estableció una metodología para desarrollar un modelo analítico capaz de evaluar y optimizar la distribución de caudales en las redes de riego. Paralelamente, se desarrolló una auditoría de diseño que utiliza indicadores específicos de diseño y gestión para evaluar el impacto en términos de eficiencia energética y sostenibilidad. Esta metodología fue validada mediante pruebas iniciales que demostraron su robustez y adaptabilidad. (iii) Aplicación a casos de estudio: En la etapa final, la metodología desarrollada fue aplicada a casos reales utilizando datos experimentales, lo que permitió comprobar su efectividad en situaciones prácticas. Además, se desarrolló una herramienta práctica basada en esta metodología, diseñada para facilitar la mejora energética de los sistemas de distribución de riego. Los resultados obtenidos a lo largo de esta investigación fueron publicados en 3 publicaciones en revistas indexadas en JCR. Los resultados de la contextualización se presentan en la Publicación I, sentando las bases para los siguientes pasos y el proceso de investigación. El desarrollo de la metodología correspondió a la Publicación II y estuvo compuesta de dos pasos paralelos. El primer paso fue establecer una metodología de desarrollo de modelos analíticos para evaluar las distribuciones de caudal. Se empleó un enfoque multicriterio, incorporando varios factores técnicos y ambientales para asegurar un diseño sostenible. El segundo paso consistió en la implementación de una auditoría de diseño, asignando indicadores de energía y sostenibilidad para medir el impacto de las decisiones de diseño. La Publicación II y la Publicación III contenían los resultados para las aplicaciones prácticas. El desarrollo metodológico se aplicó al estudio de caso y sus resultados se incluyeron en la Publicación II. Luego, en la Publicación III, se desarrolló una herramienta para la mejora energética en los sistemas de distribución y se aplicó a los estudios de caso, aumentando así la eficiencia y la sostenibilidad en el caso de estudio. / [CA] El reg exercix un paper vital en l'agricultura productiva i sostenible. En el context actual, està determinat no sols per la disponibilitat d'aigua, sinó també per la gestió eficient dels recursos. Diversos autors han intentat mesurar l'acompliment de les xarxes de reg a través de diversos enfocaments en termes d'indicadors tècnics. A fi d'impulsar el desenrotllament sostenible en el dimensionament en xarxes de reg pressuritzades, es van avaluar models de diferents autors per a discutir els avantatges i desavantatges a considerar en futures metodologies, garantint l'operació òptima de la xarxa i millorant la sostenibilitat. Per al desenrotllament d'esta metodologia, el pas inicial serà la realització d'una revisió de l'estat de l'art dels mètodes de disseny de xarxes. Una vegada establida la metodologia es desenrotllarà l'auditoria de disseny a través de l'assignació d'indicadors per a disseny i gestió quantificant el seu impacte en termes energètics i de sostenibilitat. Finalment, s'aplicarà a casos reals i ser integrarà com a part d'una ferramenta per a la millora energètica en sistemes de distribució. En esta tesi es presenta el desenrotllament d'una metodologia integral per al disseny i anàlisi de xarxes de reg pressuritzades, centrada en l'optimització de la distribució de cabals i en la millora dels indicadors de sostenibilitat tècnica, econòmica i ambiental. La investigació es dividix en diverses etapes clau que abasten des de la revisió de l'estat de l'art fins a l'aplicació pràctica de la metodologia desenrotllada. (i) Contextualització: Primer, es va realitzar una revisió exhaustiva de l'estat de l'art dels mètodes existents de disseny i anàlisi de xarxes de reg. Esta anàlisi va permetre identificar les limitacions i àrees de millora en les metodologies actuals, establint les bases per al desenrotllament d'un model analític avançat. (ii) Desenrotllament metodològic: En la segona etapa, es va establir una metodologia per a desenrotllar un model analític capaç d'avaluar i optimitzar la distribució de cabals en les xarxes de reg. Paral·lelament, es va desenrotllar una auditoria de disseny que utilitza indicadors específics de disseny i gestió per a avaluar l'impacte en termes d'eficiència energètica i sostenibilitat. Esta metodologia va ser validada mitjançant proves inicials que van demostrar la seua robustesa i adaptabilitat. (iii) Aplicació a casos d'estudi: En l'etapa final, la metodologia desenrotllada va ser aplicada a casos reals utilitzant dades experimentals, la qual cosa va permetre comprovar la seua efectivitat en situacions pràctiques. A més, es va desenrotllar una ferramenta pràctica basada en esta metodologia, dissenyada per a facilitar la millora energètica dels sistemes de distribució de reg. Els resultats obtinguts al llarg d'esta investigació van ser publicats en 3 publicacions en revistes indexades en JCR. Els resultats de la contextualització es presenten en la Publicació I, establint les bases per als següents passos i el procés d'investigació. El desenrotllament de la metodologia va correspondre a la Publicació II i va estar composta de dos passos paral·lels. El primer pas va ser establir una metodologia de desenrotllament de models analítics per a avaluar les distribucions de cabal. Es va emprar un enfocament multicriteri, incorporant diversos factors tècnics i ambientals per a assegurar un disseny sostenible. El segon pas va consistir en la implementació d'una auditoria de disseny, assignant indicadors d'energia i sostenibilitat per a mesurar l'impacte de les decisions de disseny. La Publicació II i la Publicació III contenien els resultats per a les aplicacions pràctiques. Esta investigació contribuïx significativament a l'avanç de la gestió eficient dels recursos hídrics en l'agricultura, promovent pràctiques més sostenibles i responsables. / [EN] Irrigation plays a vital role in productive and sustainable agriculture. In the current context, it is determined not only by water availability but also by the efficient management of resources. Several authors have attempted to measure the performance of irrigation networks through various approaches in terms of technical indicators. To promote sustainable development in the sizing of pressurized irrigation networks, models from different authors were evaluated to discuss the advantages and disadvantages to be considered in future methodologies, ensuring optimal operation of the network and improving sustainability. To develop this methodology, the initial step will be to review the state of the art of network design methods. Once the methodology is established, the design audit will be developed by assigning indicators for design and management, quantifying their impact in terms of energy and sustainability. Finally, it will be applied to real cases and integrated as part of a tool for energy improvement in distribution systems. This thesis presents the development of a comprehensive methodology for designing and analyzing pressurized irrigation networks, focused on optimizing flow distribution and improving technical, economic, and environmental sustainability indicators. The research is divided into several key stages, from reviewing the state of the art to applying the developed methodology. (i) Contextualization: First, a comprehensive review of the state of the art of existing methods of irrigation network design and analysis was carried out. This analysis allowed identifying the limitations and areas for improvement in current methodologies, laying the foundations for developing an advanced analytical model. (ii) Methodology development: In the second stage, a methodology was established to develop an analytical model capable of evaluating and optimizing flow distribution in irrigation networks. In parallel, a design audit was developed using specific design and management indicators to assess the impact of energy efficiency and sustainability. This methodology was validated through initial tests that demonstrated its robustness and adaptability. (iii) Application to case studies: In the final stage, the developed methodology was applied to real cases using experimental data, which allowed its effectiveness to be verified in practical situations. In addition, a practical tool based on this methodology was developed and designed to facilitate the energy improvement of irrigation distribution systems. The results obtained throughout this research were published in 3 publications in JCR-indexed journals. The contextualization corresponds to results presented in Publication I, setting the foundation for the following steps and the research process. The methodology development corresponded to Publication II and consisted of two parallel steps. The first step was establishing an analytical model development methodology for evaluating flow distributions. A multi-criteria approach was employed, incorporating various technical and environmental factors to ensure a sustainable design. The second step consisted of a design audit implementation, assigning energy and sustainability indicators to measure the impact of design decisions. The results confirm that the proposed methodology is viable and effective and significantly improves sustainability and energy efficiency in pressurized irrigation networks. This research contributes significantly to the advancement of the efficient management of water resources in agriculture, promoting more sustainable and responsible practices. / García Espinal, MA. (2024). Methodological Development based on the Analysis of Flow Distributions to Improve the Design and Management of Pressurized Irrigation Networks Focused on Improving Sustainability [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/213417 / Compendio