This master thesis investigates the possibility of using a concrete recipe with only 70 % cement clinker for a building project named Gretas Glänta, regarding the demands of cracking for a suspended slab. The requirement to fulfill was a maximum crack width of 0.2 mm due to drying shrinkage and long- term loading. The purpose of using a lower amount of cement clinker in the concrete mix is to reduce the climate impact from the concrete. The thesis considers material testing and modelling of different concrete recipes with variation of the amount of cement clinker. Fly ash was used as the alternative binder. A total of five concrete mixes was tested. One mix with 100% cement clinker was through laboratory testing compared to mixes with 85 % and 70 % cement clinker content. A concrete mix with only 50 % cement clinker was also tested, but this mix is today not allowed according to the concrete standards, but was included in the study to test different material properties of the fresh and hardened concrete. All concrete mixes were tested with the effectivity factor 1, except for the recipe with 70 % cement clinker, which was tested for effectivity factors of 1 and 0.4. The performed study showed that the concrete mix 4 with 70 % cement clinker and with the effectivity factor 0.4 reached the strength class C35/45 after 28 days and also fulfilled the specified requirement of a maximum crack width of 0.2 mm due to drying shrinkage and long-term loading. Water permeability test showed that the concrete mix with 70 % cement clinker and an effectivity factor of 0.4 was waterproof. The concrete mix 3 with 70 % cement clinker and the effectivity factor 1 reached a strength class C30/37. The concrete mix 1 with 100 % cement clinker obtained the highest strength class C50/60 and the mix 2 with 85 % cement clinker reached strength class C45/55. The concrete mix 5 with 50 % cement clinker reached the strength class C20/25 which is the lowest strength class among the tested recipes. All the concrete recipes seemed to be waterproof according to the water permeability test. A background description of carbon dioxide emission from concrete and cement production is presented in the report. Research about ongoing methods to minimize the emission from concrete and cement industry is also summarized. FE-modelling with the software FEM-design and analytical calculations were performed to investigate the crack width due to drying shrinkage and long-term loading for the slab, for concrete mix 2 with 85 % cement clinker with effectivity factor 1 and mixes 3 and 4 with 70 % cement clinker and effectivity factors of 1 and 0.4. The properties obtained from the laboratory tests were used in the modelling and analytical calculations. Results from FEM-design and analytical calculations showed that concrete mixes 3 and 4 with 70 % cement clinker and effectivity factors of 1 and 0.4, and the concrete mix 2 with 85 % cement clinker with effectivity factor 1, fulfilled the demand on crack width. The calculation was not performed for concrete mixes 1 and 5 with 100 % and 50 % cement clinker, respectively, because they were not to be used in the building project. The results from the performed study showed that concrete mix 4 with 70 % cement clinker and an effectivity factor of 0.4 can be used in the building project Gretas Glänta in order to lower the climate impact from the concrete. / Examensarbetet undersöker möjligheten att använda ett betongrecept med endast 70 % cementklinker för ett husbyggnadsprojekt kallat Gretas Glänta med hänsyn till krav på sprickbildning i en fribärande platta. Kravet som ska uppfyllas är en sprickvidd på max 0.2 mm med hänsyn till krympning och långtidsbelastning. Syftet med att använda en lägre andel cementklinker i betongblandningen är att minska klimatpåverkan från betongen. Examensarbetet består av materialförsök och konstruktionsteknisk modellering för olika betongrecept, där andelen cementklinker varieras. Flygaska användes som alternativt bindemedel. Totalt undersöktes fem betongmixer. En mix med 100 % cementklinker jämfördes genom laboratorietestning med motsvarigheter med 85 % och 70 % cementklinkerinnehåll. Ett betongrecept med 50 % cementklinker undersöktes också i detta examensarbete, trots att detta idag inte tillåts enligt betongstandarderna, men inkluderades i studien för att testa olika materialegenskaper i färskt och hårdnat tillstånd. Alla betongmixerna testades med effektivitetsfaktorn 1 förutom receptet med 70 % cementklinkerandel som testades för både 1 och 0.4 i effektivitetsfaktor. Den genomförda studien visade att betongmix 4 med 70 % cementklinker och med effektiviseringsfaktor 0.4 uppnådde hållfasthetsklass C35/45 efter 28 dagar och uppfyllde också angivet krav på maximal sprickbredd 0,2 mm med hänsyn till krympning och långtidslast. Vattenpermeabilitetstest visade att betongmixen med 70 % cementklinker och effektiviseringsfaktor 0.4 var vattentätt. Betongmix 3 med 70 % cementklinker och effektivitetsfaktor 1 uppnådde hållfasthetsklass C30/37. Betongmix 1 med 100 % cementklinker erhöll den högsta hållfasthetsklassen C50/60 och betongmix 2 med 85 % cementklinker gav hållfasthetsklass C45/55. Betongmix 5 med 50 % cementklinker uppnådde hållfasthetsklass C20/25 vilket var den lägsta av de testade betongrecepten. Alla betongrecepten verkade ge vattentät betong enligt vattenpermeabilitetstest. En bakgrundsbeskrivning av koldioxidutsläpp från betong- och cementproduktion genomförs i rapporten. Forskning om pågående metoder för att minimera utsläppen från betong- och cementindustrin sammanfattas också. FE-modellering med programmet FEM-design och analytiska beräkningar utfördes för att undersöka sprickbredden med hänsyn till krympning och långtidslast för betongplattan för betongmix 2 med 85 % cementklinker och effektiviseringsfaktor 1 och betongmixerna 3 och 4 med 70 % cementklinker och effektiviseringsfaktorerna 1 och 0.4. Egenskaperna som erhölls i laboratorietesterna användes i modellerings och de analytiska beräkningarna. Resultat från FEM-design och analytiska beräkningarna visade att betongmixerna 3 och 4 med 70 % cementklinker med effektiviseringsfaktorerna 1 och 0.4 och betongmix 2 med 85 % cementklinker och effektiviseringsfaktor 1 uppfyllde kravet på sprickbredd. Beräkningen utfördes inte för betongmixerna 1 och 5 med 100 % cementklinker och 50 % cementklinker då de inte var aktuella för att användas i bostadsprojektet. Resultaten från den genomförda studien visade att betongmix 4 med 70% cementklinker och med en effektivitetsfaktor 0.4 kan användas i husbyggnadsprojektet Gretas Glänta för att sänka klimatpåverkan från betongen.

The industry is moving towards a higher degree of automation and connectivity, where previously manual operations are being adapted for interconnected industrial robots. This thesis focuses specifically on the automation of tightening applications with pre-tightened bolts and collaborative robots. The use of 3D computer vision is investigated for direct localization of bolts, to allow for flexible assembly solutions. A localization algorithm based on 3D data is developed with the intention to create a lightweight software to be run on edge devices. A restrictive use of deep learning classification is therefore included, to enable product flexibility while minimizing the computational load. The cloud-to-edge and cluster-to-edge trade-offs for the chosen application are investigated to identify smart offloading possibilities to cloud or cluster resources. To reduce operational delay, image partitioning to sub-image processing is also evaluated, to more quickly start the operation with a first coordinate and to enable processing in parallel with robot movement. Four different hardware architectures are tested, consisting of two different Single Board Computers (SBC), a cluster of SBCs and a high-end computer as an emulated local cloud solution. All systems but the cluster is seen to perform without operational delay for the application. The optimal hardware architecture is therefore found to be a consumer grade SBC, being optimized on energy efficiency, cost and size. If only the variance in communication time can be minimized, the cluster shows potential to reduce the total calculation time without causing an operational delay. Smart offloading to deep learning optimized cloud resources or a cluster of interconnected robot stations is found to enable increasing complexity and robustness of the algorithm. The SBC is also found to be able to switch between an edge and a cluster setup, to either optimize on the time to start the operation or the total calculation time. This offers a high flexibility in industrial settings, where product changes can be handled without the need for a change in visual processing hardware, further enabling its integration in factory devices. / Industrin rör sig mot en högre grad av automatisering och uppkoppling, där tidigare manuella operationer anpassas för sammankopplade industriella robotar. Denna masteruppsats fokuserar specifikt på automatiseringen av åtdragningsapplikationer med förmonterade bultar och kollaborativa robotar. Användningen av 3D-datorseende undersöks för direkt lokalisering av bultar, för att möjliggöra flexibla monteringslösningar. En lokaliseringsalgoritm baserad på 3Ddata utvecklas med intentionen att skapa en lätt mjukvara för att köras på Edge-enheter. En restriktiv användning av djupinlärningsklassificering är därmed inkluderad, för att möjliggöra produktflexibilitet tillsammans med en minimering av den behövda beräkningskraften. Avvägningarna mellan edge- och moln- eller klusterberäkning för den valda applikationen undersöks för att identifiera smarta avlastningsmöjligheter till moln- eller klusterresurser. För att minska operationell fördröjning utvärderas även bildpartitionering, för att snabbare kunna starta operationen med en första koordinat och möjliggöra beräkningar parallellt med robotrörelser. Fyra olika hårdvaruarkitekturer testas, bestående av två olika enkortsdatorer, ett kluster av enkortsdatorer och en marknadsledande dator som en efterliknad lokal molnlösning. Alla system utom klustret visar sig prestera utan operationell fördröjning för applikationen. Den optimala hårdvaruarkitekturen visar sig därmed vara en konsumentklassad enkortsdator, optimerad på energieffektivitet, kostnad och storlek. Om endast variansen i kommunikationstid kan minskas visar klustret potential för att kunna reducera den totala beräkningstiden utan att skapa operationell fördröjning. Smart avlastning till djupinlärningsoptimerade molnresurser eller kluster av sammankopplade robotstationer visar sig möjliggöra ökad komplexitet och tillförlitlighet av algoritmen. Enkortsdatorn visar sig även kunna växla mellan en edge- och en klusterkonfiguration, för att antingen optimera för tiden att starta operationen eller för den totala beräkningstiden. Detta medför en hög flexibilitet i industriella sammanhang, där produktändringar kan hanteras utan behovet av hårdvaruförändringar för visuella beräkningar, vilket ytterligare möjliggör dess integrering i fabriksenheter.

This research investigated the concept of a sparsity method inspired by the principles of structural plasticity in the brain in order to create a sparse model of the Bayesian Confidence Propagation Neural Networks (BCPNN) during the training phase. This was done by extending the structural plasticity in the implementation of the BCPNN. While the initial algorithm presented two synaptic states (Active and Silent), this research extended it to three synaptic states (Active, Silent and Absent) with the aim to enhance sparsity configurability and emulate a more brain-like algorithm, drawing parallels with synaptic states observed in the brain. Benchmarking was conducted using the MNIST and Fashion-MNIST dataset, where the proposed threestate model was compared against the previous two-state model in terms of representational learning. The findings suggest that the three-state model not only provides added configurability but also, in certain low-sparsity settings, showcases similar representational learning abilities as the two-state model. Moreover, in high-sparsity settings, the three-state model demonstrates a commendable balance between accuracy and sparsity trade-off. / Denna forskning undersökte en konceptuell metod för gleshet inspirerad av principerna för strukturell plasticitet i hjärnan för att skapa glesa BCPNN. Forskningen utvidgade strukturell plasticitet i en implementering av BCPNN. Medan den ursprungliga algoritmen presenterade två synaptiska tillstånd (Aktiv och Tyst), utvidgade denna forskning den till tre synaptiska tillstånd (Aktiv, Tyst och Frånvarande) med målet att öka konfigurerbarheten av sparsitet och efterlikna en mer hjärnliknande algoritm, med paralleller till synaptiska tillstånd observerade i hjärnan. Jämförelse gjordes med hjälp av MNIST och Fashion-MNIST datasetet, där det föreslagna tre-tillståndsmodellen jämfördes med den tidigare tvåtillståndsmodellen med avseende på representationslärande. Resultaten tyder på att tre-tillståndsmodellen inte bara ger ökad konfigurerbarhet utan också, i vissa lågt glesa inställningar, visar samma inlärningsförmåga som två-tillståndsmodellen. Dessutom visar den tre-tillståndsmodellen i högsparsamma inställningar en anmärkningsvärd balans mellan noggrannhet och avvägningen mellan sparsitet.

Radiation shielding is a central part of the design of treatment rooms for radiation therapy systems. The dose levels that medical staff and members of the public can be exposed to outside the treatment rooms are regulated by authorities and influence the required wall thicknesses and possible locations for the systems. Several standard methods exist for performing shielding calculations, but they are not well adapted to the stereotactic radiosurgery system Leksell Gamma Knife because of its self-shielding properties. The built-in shielding makes the leakage radiation anisotropic and generally have lower energy than the primary radiation from the Gamma Knife's cobalt sources. Oversimplifications made in the standard shielding calculation methods regarding the field can lead to excessively thick shielding and limit the number of suitable locations for the system.  In this thesis project, a simulation-based dose calculation algorithm was developed, that uses Monte Carlo-generated data in two steps. The algorithm uses a phase space to accurately describe the radiation field around the Gamma Knife. Information about individual photons in the field is then combined with a generated library of data describing the resulting dose outside a wall depending on the wall thickness and the photon energy. The dose calculation algorithm is fast enough to be integrated into optimization processes, in which the algorithm is used iteratively while varying room design parameters. Demonstrated in this report is a case with a room of fixed size, in which the Gamma Knife's position and the walls' thicknesses are varied, with the aim to find the room design resulting in the minimum wall thicknesses needed to achieve acceptable dose levels outside. The results in this thesis indicate that the dose calculation algorithm performs well and could likely be used in more complex optimizations with more design variables and more advanced design goals. / Strålsäkerhet är en viktig aspekt vid uppförandet av behandlingsrum för strål-terapisystem. Strålningsnivåerna som sjukvårdspersonal och allmänheten kan exponeras för utanför behandlingsrummet regleras av myndigheter och påverkar vilken väggtjocklek som behövs och vilka platser som är lämpliga att placera systemen på. Flertalet metoder för strålskyddsberäkning existerar, men de är inte väl anpassade till det stereotaktiska radiokirurgiska systemet Leksell Gamma Knife, eftersom det har ett inbyggt strålskydd. Det inbyggda strålskyddet gör att strålfältet runt Gamma Knife är anisotropt och generellt har lägre energi än primärstrålningen från systemets koboltkällor. Förenklingar som görs rörande strålfältet i flera existerande metoder för strålskyddsberäkning kan leda till att överdrivet tjocka strålskydd används eller begränsa antalet lämpliga platser att placera systemet på. I detta projekt utvecklades en dosberäkningsalgoritm, som i två steg använder data genererad genom Monte Carlo-simuleringar. Algoritmen använder ett fasrum för att detaljerat beskriva strålfältet runt Gamma Knife. Information om enskilda fotoner i fältet används sen i kombination med ett genererat bibliotek av data som beskriver det dosbidrag som en foton bidrar med utanför behandlingsrummet, baserat på fotonens energi och väggarnas tjocklek. Dosberäkningsalgoritmen är snabb nog att integreras i optimeringsprocesser där den används iterativt samtidigt som rumsdesignparametrar varieras. I denna rapport demonstreras ett fall med ett rum av bestämd storlek, där positionen av Gamma Knife i rummet och väggarnas tjocklekar varieras. Optimeringens syfte i exemplet är att hitta den rumsdesign som med de minsta väggtjocklekarna resulterar i acceptabla strålningsnivåer utanför rummet. Resultaten tyder på att dosberäkningsalgoritmen sannolikt kan användas i mer komplexa optimeringar med fler designvariabler och mer avancerade designmål.

Hebbian learning based neural network learning rules when implemented on hardware, store their synaptic weights in the form of a two-dimensional matrix. The storage of synaptic weights demands large memory bandwidth and storage. While memory units are optimized for only row-wise memory access, Hebbian learning rules, like the spike-timing dependent plasticity, demand both row and column-wise access of memory. This dual pattern of memory access accounts for the dominant cost in terms of latency as well as energy for realization of large scale spiking neural networks in hardware. In order to reduce the memory access cost in Hebbian learning rules, a Column Update Elimination optimization has been previously implemented, with great efficacy, on the Bayesian Confidence Propagation neural network, that faces a similar challenge of dual pattern memory access. This thesis explores the possibility of extending the column update elimination optimization to spike-timing dependent plasticity, by simulating the learning rule on a two layer network of leaky integrate-and-fire neurons on an image classification task. The spike times are recorded for each neuron in the network, to derive a suitable probability distribution function for spike rates per neuron. This is then used to derive an ideal postsynaptic spike history buffer size for the given algorithm. The associated memory access reductions are analysed based on data to assess feasibility of the optimization to the learning rule. / Hebbiansk inlärning baserat på neural nätverks inlärnings regler används vid implementering på hårdvara, de lagrar deras synaptiska vikter i form av en tvådimensionell matris. Lagringen av synaptiska vikter kräver stor bandbredds minne och lagring. Medan minnesenheter endast är optimerade för radvis minnesåtkomst. Hebbianska inlärnings regler kräver som spike-timing-beroende plasticitet, både rad- och kolumnvis åtkomst av minnet. Det dubbla mönstret av minnes åtkomsten står för den dominerande kostnaden i form av fördröjning såväl som energi för realiseringen av storskaliga spikande neurala nätverk i hårdvara. För att minska kostnaden för minnesåtkomst i hebbianska inlärnings regler har en Column Update Elimination-optimering tidigare implementerats, med god effektivitet på Bayesian Confidence Propagation neurala nätverket, som står inför en liknande utmaning med dubbel mönster minnesåtkomst. Denna avhandling undersöker möjligheten att utöka ColumnUpdate Elimination-optimeringen till spike-timing-beroende plasticitet. Detta genom att simulera inlärnings regeln på ett tvålagers nätverk av läckande integrera-och-avfyra neuroner på en bild klassificerings uppgift. Spike tiderna registreras för varje neuron i nätverket för att erhålla en lämplig sannolikhetsfördelning funktion för frekvensen av toppar per neuron. Detta används sedan för att erhålla en idealisk postsynaptisk spike historisk buffertstorlek för den angivna algoritmen. De associerade minnesåtkomst minskningarna analyseras baserat på data för att bedöma genomförbarheten av optimeringen av inlärnings regeln.

In this thesis, a modified wear calculation method is developed to calculate the train wheel wear, which can give less precise but faster results compared to the classic wear calculation method. This modified method is developed based on the classic wear calculation method developed by Jendel, which uses Hertz theory and Kalker’s simplified theory to calculate the contact variables and uses Achard theory to calculate the wear volume in an iterative manner. Compared with the classic method, this modified wear calculation method does not execute the multibody simulation (MBS) at each wear step, instead, it executes MBS by different strategies, for example, does MBS only at the first wear step or does it at every several wear steps. This way, a look-up table is utilised to store the contact variables from MBS and when no MBS is executed, the variables stored in the look-up table would be used to calculate the wear.In order to make the implementation of the modified wear calculation method possible, a contact point detection program is developed in this research. Significantly, this contact point detection program considers the material flexibility and can detect multiple contact points, which makes it very precise. It uses the pressure distribution calculated by Winkler theory as a weighting function to consider the material flexibility. In terms of multiple contact points detection, the gap between wheel and rail is regarded as a function, and the derivative relationship of the function is used to detect multiple contact points. Results from the modified wear calculation method are compared with results from the classic wear calculation method. The effects of different strategies are discussed, and the analysis of the error source is carried out in this work.This modified wear calculation method could be used for predicting the wear condition of the wheel when a quick result with only moderate precision is needed. / I den här avhandlingen utvecklas en modifierad beräkningsmetod för slitage av spårfordons hjul, som ger mindre exakta men snabbare resultat jämfört med den klassiska beräkningsmetoden för hjulslitage. Den modifierade beräkningsmetoden är utvecklad baserat på den klassiska beräkningsmetoden för slitage som utvecklats av Tomas Jendel, som använder Hertz-teorin och Kalkers förenklade teori för att beräkna kontaktvariablerna och använder Achard-teorin för att beräkna volymen av materialet som har slitits bort med en iterativ metod. Jämfört med den klassiska metoden utför inte denna modifierade beräkningsmetod flerkroppssimulering (MBS) vid varje steg där normal hjulprofilen uppdateras, utan använder sig av olika strategier. Till exempel genomförs gör MBS bara vid första slitagesteget eller vid några av slitagestegen. Därför används en uppslagstabell för att lagra kontaktvariablerna från MBS och när ingen MBS exekveras, användas variablerna lagrade i uppslagstabellen för att beräkna slitage.För att möjliggöra implementeringen av den modifierade beräkningsmetoden för slitage utvecklas ett kontaktpunktdetekteringsprogram i denna examensarbete.. Det är viktigt att detekteringsprogrammet tar hänsyn till materialflexibiliteten och att det kan detektera flera kontaktpunkter, med hög precision. Programmet använder Winkler-metoden och den tryckfördelning som beräknas enligt Winkler-teorin som en viktning för att beakta materialets flexibilitet. När det gäller detektering av flera kontaktpunkter betraktas gapet mellan hjul och räls som en funktion, och derivatan av den funktionen används används för att detektera flera kontaktpunkter.Resultat från den modifierade beräkningsmetoden för slitage jämförs med resultaten från den klassiska beräkningsmetoden. Effekterna av olika strategier diskuteras och felkällor analyseras.Denna modifierade beräkningsmetod för slitage kan användas för att förutsäga hjulets slitagetillstånd när ett snabbt resultat med endast måttlig precision behövs.

The goal of this project was to evaluate the viability of a mass-spring-damper based model for modeling of biological tissue. A method for automatically generating such a model from data taken from 3D medical imaging equipment including both the generation of point masses and an algorithm for generating the spring-damper links between these points is presented. Furthermore, an implementation of a simulation of this model running in real-time by utilizing the parallel computational power of modern GPU hardware through OpenCL is described. This implementation uses the fourth order Runge-Kutta method to improve stability over similar implementations. The difficulty of maintaining stability while still providing rigidness to the simulated tissue is thoroughly discussed. Several observations on the influence of the structure of the model on the consistency of the simulated tissue are also presented. This implementation also includes two manipulation tools, a move tool and a cut tool for interaction with the simulation. From the results, it is clear that the mass-springdamper model is a viable model that is possible to simulate in real-time on modern but commoditized hardware. With further development, this can be of great benefit to areas such as medical visualization and surgical simulation. / Målet med detta projekt var att utvärdera huruvida en modell baserad på massa-fjäderdämpare är meningsfull för att modellera biologisk vävnad. En metod för att automatiskt generera en sådan modell utifrån data tagen från medicinsk 3D-skanningsutrustning presenteras. Denna metod inkluderar både generering av punktmassor samt en algoritm för generering av länkar mellan dessa. Vidare beskrivs en implementation av en simulering av denna modell som körs i realtid genom att utnyttja den parallella beräkningskraften hos modern GPU-hårdvara via OpenCL. Denna implementation använder sig av fjärde ordningens Runge-Kutta-metod för förbättrad stabilitet jämfört med liknande implementationer. Svårigheten att bibehålla stabiliteten samtidigt som den simulerade vävnaden ges tillräcklig styvhet diskuteras genomgående. Flera observationer om modellstrukturens inverkan på den simulerade vävnadens konsistens presenteras också. Denna implementation inkluderar två manipuleringsverktyg, ett flytta-verktyg och ett skärverktyg för att interagera med simuleringen. Resultaten visar tydligt att en modell baserad på massa-fjäder-dämpare är en rimlig modell som är möjlig att simulera i realtid på modern men lättillgänglig hårdvara. Med vidareutveckling kan detta bli betydelsefullt för områden så som medicinsk bildvetenskap och kirurgisk simulering.

Fjärrvärme i dagens Sverige är ett väletablerat sätt att leverera värme för både industriell och privat användning. Med nästa generations fjärrvärmesystem vid horisonten kan förändringar av existerande fjärrvärmenät komma att bli vanligt förekommande. Trots att det inte är fullt aktuellt med den typen av renoveringar ännu så måste fjärrvärmenät ibland byggas ut för att hantera nya situationer som kan uppstå. För att få en god uppskattning om vad de nya situationerna kommer kräva, och potentiellt kosta, så är simuleringsmodeller ett användbart verktyg. Den här studien har granskat en kommande ökning av effektbehovet och en konsekvent ökning av den producerade värmen angående fjärrvärmesystemet lokaliserat i Malå. Granskningen genomfördes via etablering av en simuleringsmodell som baserats på metoder från tillgänglig litteratur. Empiriska värden användes både som indata till modellen och för feluppskattning. Två hypotetiska scenarier undersöktes där effektbehovet hos en industrikund antas dubbleras, ett som systemet ser ut idag och det andra med ett termiskt energilager i form av en ackumulatortank inkluderat. Simuleringssvaren gav en uppskattning av hur mycket effekt en ny produktionsenhet behöver kunna producera för att nå ett eftersökt mål. Dessa visade på att en ny produktionsenhet med en effekt av minst 10.50 MW är nödvändigt. Vidare så indikerade resultaten att installation av ett sådant energilager med den valda styrningen inte reducerar effektmagnituden hos en ny produktionsenhet. De visade dock på att införande av energilagret kan medföra en reduktion i antalet effektsvängningar som förekommer i systemet. Beroende på övrig konfiguration så minskades förekomsten av antalet effektsvängningar mellan 0.2 till 25.5 procent med ett energilager av den minsta undersökta volymen infört. / District heating in Sweden is a well established way of delivering heat for both industrial and private applications. With the next generation of district heating on the doorstep, changes of existing district heating networks may become a regular occurrence. Despite the fact that these kinds of reconstructions are not quite applicable yet, refurbishments of existing district heating networks are still sometimes necessary in order to deal with new prerequisites that may appear. In order to achieve a good estimation of what these new prerequisites will require and possibly cost, the usage of tools such as models for simulation are valuable. This study has evaluated a future increase of power demand and the subsequent expansion of the produced heat concerning the district heating network located in the city of Malå. The evaluation was carried forth by establishment of a simulation model which was based on present literature. Empirical data was used both as input and for error estimation. Two hypothetical scenarios were examined in which the power demand of an industrial customer is assumed to be doubled. The first represented the system as it is defined presently, while the other introduced a tank thermal energy storage to the system. The results of the simulation yielded an estimate of how much heat a new plant needs to produce in order to attain a set goal. These suggested that the necessary heat production in the new plant needs to be at least 10.50 MW. Furthermore, the results indicated that the inclusion of a thermal energy storage of this kind and with the defined priorities will not reduce the required size of a new production plant. However, they did indicate that the defined thermal energy storage may contribute to a reduction in the number of power fluctuations occurring in the system. Depending on other configurations, the frequency of the power fluctuations were reduced between 0.2 to 25.5 percent with the inlcusion of the smallest examined thermal energy storage.

Nowadays, one of the solutions considered in order to face the issue of global warming and to move towards a carbon neutral society relies on the use of solar energy as a renewable and bountiful primary source. And, if photovoltaic technologies account for a large part in the solar energy market, recent years have witnessed the growth of non-concentrated and concentrated solar thermal technologies. Among them, concentrated solar power technology (CSP) which uses the optical concentration of direct solar irradiation to generate high pressure and high temperature steam in the absorber tubes of the plant, has become a promising approach reaching 4.9 GWe of installed capacity by the end of 2015 [1]. However, one of the main challenges faced by CSP technology concerns the variability of solar energy related for example to sunrise, sunset, passing clouds… In addition to that, when it comes to direct steam generation, the presence of a two-phase flow regime inside the absorber tubes leads to a strong dynamic behavior of the steam generation. It is consequently necessary to be able to simulate this dynamic behavior in order to better handle the design and operation of CSP plants. Such simulation tools can then be used for the implementation and the test of reliable control systems aimed at maintaining desired operating conditions in spite of changes in solar irradiation. In this context, the National Institute for Solar Energy (INES), part of the French Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA) wishes to upgrade their dynamic simulation tool that would enable its teams to reproduce the behavior of a prototype based on the Fresnel solar field technology including direct steam generation which was built and commissioned at Cadarache, Aix-en-Provence. This Master thesis work takes place within this framework and aims at developing a multi-domain dynamic model of the aforementioned prototype. To do so, three models respectively in the thermalhydraulic, the optical and the control-command domains are built and combined using a co-simulation approach relying on an in-house simulation platform called PEGASE. More specifically the development of the following models has been addressed:  a thermal-hydraulic model of the two-phase flow circulating inside the vaporizer field of the prototype and realized with the thermal-hydraulic code CATHARE [2] (Advanced ThermalHydraulic Code for Water Reactor Accidents) applied to solar thermal biphasic issues,  an optical model of the receiver programmed using the Modelica language and the Dymola (Dynamic Modelling Laboratory) simulation software,  control-command models (PID controller, control architecture…) adapted and built upon blocks taken from a modelling library included in the PEGASE platform. Each model was first developed and tested on a standalone basis. These models were then coupled using the PEGASE co-simulation platform. A sunny day was simulated using the multi-domain model and the controllability of the plant was analyzed. At this stage, the study focused on the steam separator level regulation. A thermal-hydraulic study also focused on potential instabilities in the vaporizer that can occur under certain circumstances of water temperature at vaporizer inlet and solar heat flux. This analysis was carried out with a CATHARE standalone model. Perspectives of the present work include a complete validation of the developed models from future experimental data and further developments should aim to extend the modelling scope of the numerical simulator towards a representation of all the hydraulic parts of the CSP prototype. Control schemes and regulation tools would have to be extended as well in order to move towards a more representative control architecture of the prototype. Particularly, the steam quality at vaporizer outlet is an important variable to regulate. Indeed, this parameter is usually kept between 60% and 80% [3]. It must be high enough to limit the power consumption of the recirculation pump but not too high in order to prevent absorber dry-out. / Solenergi, som är en förnybar och riklig primärkälla, är en av de lösningarna som anses kunna lösa problemet med global uppvärmning och bidrar i omvandlingen till ett kolneutralt samhälle. Andelen fotovoltaiska teknologier på energimarknaden är övervägande, men andelen koncentrerad och ickekoncentrerad solterminsteknik har ökat under de senaste åren. Bland solterminsteknikerna är koncentrerad solenergiteknik (CSP), som använder den optiska koncentrationen av direkt strålning för att generera högtrycks- och högtemperaturånga i anläggningens absorberarrör, ett lovande tillvägagångssätt som har nått 4.9 GWe installerad kapacitet i slutet av 2015 [1]. En av de största utmaningarna med CSP-tekniken är solenergins variation vid till exempel soluppgång, solnedgång och passerande moln, vilket beror på varierad tillgång av solljus. Det finns också utmaningar med direkt ånggenerering via tvåfasflödes regimer inuti absorberarrören eftersom det leder till ett starkt dynamiskt beteende vid ånggenereringen. Det är följaktligen nödvändigt att kunna simulera detta dynamiska beteende för att bättre hantera design och drift av CSP-anläggningar. Sådana simuleringsverktyg kan sedan användas för att genomföra tester för att erhålla tillförlitliga styrsystem som upprätthåller önskade driftsförhållanden trots förändringar i solstrålningen I detta sammanhang vill National Institute for Solar Energy (INES), som är en del av den franska alternativa energikommissionen och atomenergi kommissionen (CEA), förbättra dess dynamiskt simuleringsverktyg som skulle möjliggöra för sina team att reproducera beteendet hos en prototyp baserad på Fresnel solfältsteknik inklusive direkt ånggenerering som byggts och beställts vid Cadarache, Aix-enProvence. Denna masteruppsats sker inom ramen för detta och syftar till att utveckla en dynamisk modell med flera domäner av den ovan nämnda prototypen. Tre modeller i termisk-hydraulisk, optisk och kontrollkommando domäner har byggts och kombinerats med hjälp av en co-simuleringsmetod som bygger på en intern simuleringsplattform som heter PEGASE. Mer specifikt om utvecklingen av modellerna enligt nedan:  En termisk-hydraulisk modell av tvåfasflöde som cirkulerar inuti förångarens fält på prototypen har realiserats med termisk-hydraulisk kod CATHARE [2] (Advanced Thermal-Hydraulic Code for Water Reactor Accidents) som appliceras på soltermisk bifasiska frågeställningar.  En optisk modell av mottagaren har programmerats med hjälp av Modelica-språket och simuleringsprogrammet Dymola (Dynamic Modeling Laboratory).  Modeller av kontrollkommandon (PID-kontroller, kontrollarkitektur ...) har byggts och anpassats i moduler som hämtats från modelleringsbibliotek som ingår i PEGASE-plattformen. Varje modell utvecklades och testades på fristående basis. Modellerna kopplades sedan samman i PEGASE-co-simuleringsplattformen. En solig dag simulerades därefter med en flerdomänmodell och styrningsförmågan av anläggningen analyserades. Vid detta stadium fokuserade studien på att reglera nivån av ångseparerande. En termisk-hydraulisk studie fokuserade sedan på potentiella instabiliteter i förångaren som kan uppstå under vissa omständigheter av vatteninloppstemperatur och solvärmeflöde. Denna analys genomfördes med en CATHARE fristående modell. Perspektiven för det aktuella arbetet omfattar en fullständig validering av de utvecklade modellerna med hjälp av framtida experimentella data. Vid en vidareutveckling bör inriktningen vara att utvidga modellernas omfattning av den numeriska simulatorn till att representera alla hydrauliska delar av CSP prototypen. Styrsystem och regleringsverktyg skulle också behöva förbättras för att få en mer representativ kontroll arkitektur av prototypen. I synnerhet är ångkvaliteten vid förångarens utlopp en viktig variabel att reglera. Faktum är att den här parametern vanligtvis hålls mellan 60% och 80% [3]. Det måste vara tillräckligt högt för att begränsa recirkulationspumpens elförbrukning men inte för hög för att förhindra att absorberen torkar ut.

The quest to balance occupant comfort with energy efficiency is a key challenge in the field of heating systems, particularly for hydronic radiators. This study addresses this issue by investigating the integration of body heat predictions into a gain-scheduling controller for a hydronic radiator system. Although the benefits of gain-scheduling control strategies are acknowledged in HVAC systems, this exploration into the integration of body heat predictions in hydronic radiator systems presents a novel approach. A Linear Parameter-Varying (LPV) controller was employed and its impact on comfort, energy consumption, and robustness in the face of varying parameters such as the number of occupants, inaccuracies in body heat prediction, and set-point temperature changes was examined. This proposed controller was tested in a simulated house heating system made in Simulink. Findings indicated a substantial enhancement in comfort, especially under low-load scenarios. The controller demonstrated notable robustness against disturbances, highlighting the system’s reliability. Although energy consumption did not show significant reduction, the ability to maintain comfort levels without increasing energy use is a valuable contribution to sustainable heating practices. The results of this study extend our understanding of control strategies in hydronic radiator systems, providing a promising approach towards more comfortable, robust, and energy-efficient solutions. Further research should focus on improving the accuracy of body heat prediction algorithms and incorporating renewable energy sources for increased energy efficiency. In sum, this work represents a significant step towards a more balanced and sustainable future in the operation of hydronic radiator systems. / Denna studie utforskar möjligheten att balansera komfort och energieffektivitet i vattenburna elementsystem genom att integrera kroppsvärmeberäkningar i en gain-scheduling regleralgoritm. Vi presenterar en nyanserad metod som använder en Linjär Parameterberoende (LPV) reglerare. Denna reglerare anpassar sig till varierande parametrar som antal personer i rummet, osäkerheter i kroppsvärmeberäkningar och förändringar i inställd temperatur. Den föreslagna regleraren testades i ett simulerat husvärmesystem skapat i Simulink. Resultaten indikerade en betydande förbättring i komfort, särskilt under låglastscenarier. Regleraren uppvisade också anmärkningsvärd robusthet mot störningar, vilket understrykersystemets tillförlitlighet. Även om ingen signifikant minskning i energiförbrukning observerades, är förmågan att bibehålla komfortnivåer utan att öka energianvändningen ett värdefullt bidrag till hållbara uppvärmningsmetoder. Denna studie utökar vår förståelse för reglerstrategier i vattenburna elementsystem och erbjuder en lovande väg framåt mot mer komfortabla, robusta och energieffektiva lösningar. För framtida forskning bör fokus ligga på att förbättra noggrannheten i kroppsvärmeberäkningsalgoritmer och att integrera förnybara energikällor för ökad energieffektivitet. Sammantaget representerar detta arbete ett betydande steg mot en mer balanserad och hållbar framtid i drift av vattenburna elementsystem.