Wireless Power Transfer: Control para máxima transferencia de potencia con enlace resonante inductivo

Este trabajo forma parte del proyecto “Health aware enhanced range wireless power transfer systems”, conocido por el acrónimo de ETHER. Los grupos investigadores que forman parte de ETHER involucran a dos instituciones, Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) y Universidad Politécnica de Madrid (UPM). En este caso, el trabajo ha sido llevado a cabo en el marco del Centro de Electrónica Industrial(CEI) de la UPM. Además, este trabajo es el tercero en una sucesión de estudios realizados por el CEI con el objetivo de lograr implementar un sistema de carga inalámbrica en un marcapasos. Los trabajos previos al desarrollado son los realizados por Miguel Gifford y María Gonzalez. Otros trabajos del CEI han servido de guía. El principal objetivo de la aplicación, es evitar las operaciones que se llevan a cabo actualmente para la sustitución de la batería de los marcapasos implantados en pacientes. Este periodo de sustitución es del orden de cuatro años, lo que depende del tipo de marcapasos y las circunstancias en las que se vea envuelto el paciente. Se pretende lograr la carga del dispositivo causando la menor molestia posible al paciente sin afectar a su salud. El sistema de carga inalámrica o WPT1, está basado en inducción magnética resonante, conocida como RIC2. Esta tecnología se fundamenta en el uso de bobinas acopladas como elemento transmisor de energía. A su vez, la impedancia de estas bobinas, es compensada mediante el uso de condensadores, obteniendo circuitos resonantes. Mediante el uso de RIC se logran mejores características técnicas para la transmisión de energía en el rango medio. Esto permite salvar la distancia entre el elemento generador y la batería del marcapasos, incluso ante la existencia de tejido orgánico entre las dos bobinas. Se han considerado dos posibilidades de configuraci´on del sistema. Dos etapas: se dispone de dos bobinas, emisora y receptora. Esta configuración supone trabajar a altas frecuencias para conseguir transferencia de energías efectivas teniendo en cuenta las especificaciones del marcapasos. Tres etapas: se dispone de tres bobinas, emisora, intermedia y receptora. Se mejora el alcance, permitiendo trabajar a menores frecuencias, pero complicando el control y la implementación del sistema. Sin embargo, el foco de los esfuerzos invertidos en este trabajo, es el estudio del sistema de optimización que se introduce en las configuraciones anteriormente descritas. La optimización se centra en conseguir máxima transferencia de potencia, quedando relegado a un segundo plano el rendimiento. Esto se justifica por las características de la aplicación donde la principal limitación es la viabilidad del sistema. Asímismo, la viabilidad viene impuesta por la potencia que consume el marcapasos y la que es capaz de suministrar el sistema. Este sistema de optimización se basa en la regulación en frecuencia y en la adaptación de la impedancia de carga. Este último método es estudiado, y se basa en lograr una impedancia de carga igual al complejo conjugado de la impedancia de salida, logrando máxima transferencia de potencia. El sistema de optimización hace uso de varias estructuras de control de electrónica de potencia. Inversor: Se sitúa en la etapa emisora y permite controlar la frecuencia de trabajo del sistema. Rectificador activo: Se sitúa en la etapa receptora y controla el desfase entre intensidad y tensión. Convertidor CC-CC: Se sitúa en la etapa receptora, tras el rectificador. Controla la amplitud de la tensión.Mediante el uso conjunto del rectificador y el convertidor es posible controlar la impedancia de la carga. Se ha realizado un análisis teórico para determinar el punto de funcionamiento óptimo del sistema, y posteriormente, se han validado estos resultados mediante simulaciones. Se demuestra que la potencia transferida por el sistema WTP se multiplica por cinco respecto de la solución original, es decir, en ausencia del sistema de optimización. Además se logra mayor robustez, ya que el control activo del sistema proporciona mayor adaptabilidad ante condiciones alejadas de las de diseño. El trabajo realizado se ha prolongado durante un periodo de doscientos días efectivos con una dedicación de 360 horas de trabajo. El coste total asignado al desempeño del trabajo es de 16.678,94 euros.

Validation and aplication of Bioelectrical Impedance (BIA) method to determine body and carcass composition and nutrient retention of growing rabbits = Validación y aplicación de la técnica de la Impedancia Bioeléctrica (BIA) para determinar la composición corporal, de la canal y la retención de nutrientes de conejos en crecimiento

Los objetivos de esta tesis fueron 1) obtener y validar ecuaciones de predicción para determinar in vivo la composición corporal y de la canal de conejos en crecimiento de 25 a 77 días de vida utilizando la técnica de la Impedancia Bioeléctrica (BIA), y 2) evaluar su aplicación para determinar diferencias en la composición corporal y de la canal, así como la retención de nutrientes de animales alimentados con diferentes fuentes y niveles de grasa. El primer estudio se realizó para determinar y después validar, usando datos independientes, las ecuaciones de predicción obtenidas para determinar in vivo la composición corporal de los conejos en crecimiento. Se utilizaron 150 conejos a 5 edades distintas (25, 35, 49, 63 y 77 días de vida), con un rango de pesos entre 231 y 3138 g. Para determinar los valores de resistencia (Rs,) and reactancia (Xc,) se usó un terminal (Model BIA-101, RJL Systems, Detroit, MI USA) con cuatro electrodos. Igualmente se registró la distancia entre electrodos internos (D), la longitud corporal (L) y el peso vivo (PV) de cada animal. En cada edad, los animales fueron molidos y congelados (-20 ºC) para su posterior análisis químico (MS, grasa, proteína, cenizas y EB). El contenido en grasa y energía de los animales se incrementó, mientras que los contenidos en proteína, cenizas y agua de los animales disminuyeron con la edad. Los valores medios de Rs, Xc, impedancia (Z), L y D fueron 83.5 ± 23.1 , 18.2 ± 3.8 , 85.6 ± 22.9 , 30.6 ± 6.9 cm y 10.8 ± 3.1 cm. Se realizó un análisis de regresión lineal múltiple para determinar las ecuaciones de predicción, utilizando los valores de PV, L and Z como variables independientes. Las ecuaciones obtenidas para estimar los contenidos en agua (g), PB (g), grasa (g), cenizas (g) and EB (MJ) tuvieron un coeficiente de determinación de (R2) de 0.99, 0.99, 0.97, 0.98 y 0.99, y los errores medios de predicción relativos (EMPR) fueron: 2.79, 6.15, 24.3, 15.2 y 10.6%, respectivamente. Cuando el contenido en agua se expresó como porcentaje, los valores de R2 y EMPR fueron 0.85 and 2.30%, respectivamente. Al predecir los contenidos en proteína (%MS), grasa (%MS), cenizas (%MS) y energía (kJ/100 g MS), se obtuvieron valores de 0.79, 0.83, 0.71 y 0.86 para R2, y 5.04, 18.9, 12.0 y 3.19% para EMPR. La reactancia estuvo negativamente correlacionada con el contenido en agua, cenizas y PB (r = -0.32, P < 0.0001; r = -0.20, P < 0.05; r = -0.26, P < 0.01) y positivamente correlacionada con la grasa y la energía (r = 0.23 y r = 0.24; P < 0.01). Sin embargo, Rs estuvo positivamente correlacionada con el agua, las cenizas y la PB (r = 0.31, P < 0.001; r = 0.28, P < 0.001; r = 0.37, P < 0.0001) y negativamente con la grasa y la energía (r = -0.36 y r = -0.35; P < 0.0001). Igualmente la edad estuvo negativamente correlacionada con el contenido en agua, cenizas y proteína (r = -0.79; r = -0.68 y r = -0.80; P < 0.0001) y positivamente con la grasa y la energía (r = 0.78 y r = 0.81; P < 0.0001). Se puede concluir que el método BIA es una técnica buena y no invasiva para estimar in vivo la composición corporal de conejos en crecimiento de 25 a 77 días de vida. El objetivo del segundo estudio fue determinar y validar con datos independientes las ecuaciones de predicción obtenidas para estimar in vivo la composición de la canal eviscerada mediante el uso de BIA en un grupo de conejos de 25 a 77 días, así como testar su aplicación para predecir la retención de nutrientes y calcular las eficacias de retención de la energía y del nitrógeno. Se utilizaron 75 conejos agrupados en 5 edades (25, 35, 49, 63 y 77 días de vida) con unos pesos que variaron entre 196 y 3260 g. Para determinar los valores de resistencia (Rs, ) y reactancia (Xc, ) se usó un terminal (Model BIA-101, RJL Systems, Detroit, MI USA) con cuatro electrodos. Igualmente se registró la distancia entre electrodos internos (D), la longitud corporal (L) y el peso vivo (PV) del cada animal. En cada edad, los animales fueron aturdidos y desangrados. Su piel, vísceras y contenido digestivo fueron retirados, y la canal oreada fue pesada y molida para posteriores análisis (MS, grasa, PB, cenizas y EB). Los contenidos en energía y grasa aumentaron mientras que los de agua, cenizas y proteína disminuyeron con la edad. Los valores medios de Rs, Xc, impedancia (Z), L y D fueron 95.9±23.9 , 19.5±4.7 , 98.0±23.8 , 20.6±6.3 cm y 13.7±3.1 cm. Se realizó un análisis de regresión linear múltiple para determinar las ecuaciones de predicción, utilizando los valores de PV, L and Z como variables independientes. Los coeficientes de determinación (R2) de las ecuaciones obtenidas para estimar los contenidos en agua (g), PB (g), grasa (g), cenizas (g) and EB (MJ) fueron: 0.99, 0.99, 0.95, 0.96 y 0.98, mientras que los errores medios de predicción relativos (EMPR) fueron: 4.20, 5.48, 21.9, 9.10 y 6.77%, respectivamente. Cuando el contenido en agua se expresó como porcentaje, los valores de R2 y EMPR fueron 0.79 y 1.62%, respectivamente. Cuando se realizó la predicción de los contenidos en proteína (%MS), grasa (%MS), cenizas (%MS) y energía (kJ/100 g MS), los valores de R2 fueron 0.68, 0.76, 0.66 and 0.82, y los de RMPE: 3.22, 10.5, 5.82 and 2.54%, respectivamente. La reactancia estuvo directamente correlacionada con el contenido en grasa (r = 0.24, P < 0.05), mientras que la resistencia guardó una correlación positiva con los contenidos en agua, cenizas y proteína (r = 0.55, P < 0.001; r = 0.54, P < 0.001; r = 0.40, P < 0.005) y negativa con la grasa y la energía (r = -0.44 y r = -0.55; P < 0.001). Igualmente la edad estuvo negativamente correlacionada con los contenidos en agua, cenizas y PB (r = -0.94; r = -0.85 y r = -0.75; P < 0.0001) y positivamente con la grasa y la energía (r = 0.89 y r = 0.90; P < 0.0001). Se estudió la eficacia global de retención de la energía (ERE) y del nitrógeno (ERN) durante todo el periodo de cebo (35-63 d), Los valores de ERE fueron 20.4±7.29%, 21.0±4.18% and 20.8±2.79% en los periodos 35 a 49, 49 a 63 y 35 a 63 d, respectivamente. ERN fue 46.9±11.7%, 34.5±7.32% y 39.1±3.23% para los mismos periodos. La energía fue retenida en los tejidos para crecimiento con una eficiencia del 52.5% y la eficiencia de retención de la energía como proteína y grasa fue de 33.3 y 69.9% respectivamente. La eficiencia de utilización del nitrógeno para crecimiento fue cercana al 77%. Este trabajo muestra como el método BIA es técnica buena y no invasiva para determinar in vivo la composición de la canal y la retención de nutrientes en conejos en crecimiento de 25 a 77 días de vida. En el tercer estudio, se llevaron a cabo dos experimentos con el fin de investigar los efectos del nivel de inclusión y de la fuente de grasa, sobre los rendimientos productivos, la mortalidad, la retención de nutrientes y la composición corporal total y de la canal eviscerada de conejos en crecimiento de 34 a 63 d de vida. En el Exp. 1 se formularon 3 dietas con un diseño experimental factorial 3 x 2 con el tipo de grasa utilizada: Aceite de Soja (SBO), Lecitinas de Soja (SLO) y Manteca (L) y el nivel de inclusión (1.5 y 4%) como factores principales. El Exp. 2 también fue diseñado con una estructura factorial 3 x 2, pero usando SBO, Aceite de Pescado (FO) y Aceite de Palmiste como fuentes de grasa, incluidas a los mismos niveles que en el Exp. 1. En ambos experimentos 180 animales fueron alojados en jaulas individuales (n=30) y 600 en jaulas colectivas en grupos de 5 animales (n=20). Los animales alimentados con un 4% de grasa añadida tuvieron unos consumos diarios y unos índices de conversión más bajos que aquellos alimentados con las dietas con un 1.5% de grasa. En los animales alojados en colectivo del Exp. 1, el consumo fue un 4.8% más alto en los que consumieron las dietas que contenían manteca que en los animales alimentados con las dietas SBO (P = 0.036). La inclusión de manteca tendió a reducir la mortalidad (P = 0.067) en torno al 60% y al 25% con respecto a las dietas con SBO y SLO, respectivamente. La mortalidad aumentó con el nivel máximo de inclusión de SLO (14% vs. 1%, P < 0.01), sin observarse un efecto negativo sobre la mortalidad con el nivel más alto de inclusión de las demás fuentes de grasa utilizadas. En los animales alojados colectivo del Exp. 2 se encontró una disminución del consumo (11%), peso vivo a 63 d (4.8%) y de la ganancia diaria de peso (7.8%) con la inclusión de aceite de pescado con respecto a otras dietas (P < 0.01). Los dos últimos parámetros se vieron especialmente más reducidos cuando en las dietas se incluyó el nivel más alto de FO (5.6 y 9.5%, respectivamente, (P < 0.01)). Los animales alojados individualmente mostraron unos resultados productivos muy similares. La inclusión de aceite pescado tendió (P = 0.078) a aumentar la mortalidad (13.2%) con respecto al aceite de palmiste (6.45%), siendo intermedia para las dietas que contenían SBO (8.10%). La fuente o el nivel de grasa no afectaron la composición corporal total o de la canal eviscerada de los animales. Un incremento en el nivel de grasa dio lugar a una disminución de la ingesta de nitrógeno digestible (DNi) (1.83 vs. 1.92 g/d; P = 0.068 en Exp. 1 y 1.79 vs. 1.95 g/d; P = 0.014 en Exp. 2). Debido a que el nitrógeno retenido (NR) en la canal fue similar para ambos niveles (0.68 g/d (Exp. 1) y 0.71 g/d (Exp. 2)), la eficacia total de retención del nitrógeno (ERN) aumentó con el nivel máximo de inclusión de grasa, pero de forma significativa únicamente en el Exp. 1 (34.9 vs. 37.8%; P < 0.0001), mientras que en el Exp. 2 se encontró una tendencia (36.2 vs. 38.0% en Exp. 2; P < 0.064). Como consecuencia, la excreción de nitrógeno en heces fue menor en los animales alimentados con el nivel más alto de grasa (0.782 vs. 0.868 g/d; P = 0.0001 en Exp. 1, y 0.745 vs. 0.865 g/d; P < 0.0001 en Exp.2) al igual que el nitrógeno excretado en orina (0.702 vs. 0.822 g/d; P < 0.0001 en Exp. 1 y 0.694 vs. 0.7999 g/d; P = 0.014 en Exp.2). Aunque no hubo diferencias en la eficacia total de retención de la energía (ERE), la energía excretada en heces disminuyó al aumentar el nivel de inclusión de grasa (142 vs. 156 Kcal/d; P = 0.0004 en Exp. 1 y 144 vs. 154 g/d; P = 0.050 en Exp. 2). Sin embargo, la energía excretada como orina y en forma de calor fue mayor en el los animales del Exp. 1 alimentados con el nivel más alto de grasa (216 vs. 204 Kcal/d; P < 0.017). Se puede concluir que la manteca y el aceite de palmiste pueden ser considerados como fuentes alternativas al aceite de soja debido a la reducción de la mortalidad, sin efectos negativos sobre los rendimientos productivos o la retención de nutrientes. La inclusión de aceite de pescado empeoró los rendimientos productivos y la mortalidad durante el periodo de crecimiento. Un aumento en el nivel de grasa mejoró el índice de conversión y la eficacia total de retención de nitrógeno. ABSTRACT The aim of this Thesis is: 1) to obtain and validate prediction equations to determine in vivo whole body and carcass composition using the Bioelectrical Impedance (BIA) method in growing rabbits from 25 to 77 days of age, and 2) to study its application to determine differences on whole body and carcass chemical composition, and nutrient retention of animals fed different fat levels and sources. The first study was conducted to determine and later validate, by using independent data, the prediction equations obtained to assess in vivo the whole body composition of growing rabbits. One hundred and fifty rabbits grouped at 5 different ages (25, 35, 49, 63 and 77 days) and weighing from 231 to 3138 g were used. A four terminal body composition analyser was used to obtain resistance (Rs, ) and reactance (Xc, ) values (Model BIA-101, RJL Systems, Detroit, MI USA). The distance between internal electrodes (D, cm), body length (L, cm) and live BW of each animal were also registered. At each selected age, animals were slaughtered, ground and frozen (-20 ºC) for later chemical analyses (DM, fat, CP, ash and GE). Fat and energy body content increased with the age, while protein, ash, and water decreased. Mean values of Rs, Xc, impedance (Z), L and D were 83.5 ± 23.1 , 18.2 ± 3.8 , 85.6 ± 22.9 , 30.6 ± 6.9 cm and 10.8 ± 3.1 cm. A multiple linear regression analysis was used to determine the prediction equations, using BW, L and Z data as independent variables. Equations obtained to estimate water (g), CP (g), fat (g), ash (g) and GE (MJ) content had, respectively, coefficient of determination (R2) values of 0.99, 0.99, 0.97, 0.98 and 0.99, and the relative mean prediction error (RMPE) was: 2.79, 6.15, 24.3, 15.2 and 10.6%, respectively. When water was expressed as percentage, the R2 and RMPE were 0.85 and 2.30%, respectively. When prediction of the content of protein (%DM), fat (%DM), ash (%DM) and energy (kJ/100 g DM) was done, values of 0.79, 0.83, 0.71 and 0.86 for R2, and 5.04, 18.9, 12.0 and 3.19% for RMPE, respectively, were obtained. Reactance was negatively correlated with water, ash and CP content (r = -0.32, P < 0.0001; r = -0.20, P < 0.05; r = -0.26, P < 0.01) and positively correlated with fat and GE (r = 0.23 and r = 0.24; P < 0.01). Otherwise, resistance was positively correlated with water, ash and CP (r = 0.31, P < 0.001; r = 0.28, P < 0.001; r = 0.37, P < 0.0001) and negatively correlated with fat and energy (r = -0.36 and r = -0.35; P < 0.0001). Moreover, age was negatively correlated with water, ash and CP content (r = -0.79; r = -0.68 and r = -0.80; P < 0.0001) and positively correlated with fat and energy (r = 0.78 and r = 0.81; P < 0.0001). It could be concluded that BIA is a non-invasive good method to estimate in vivo whole body composition of growing rabbits from 25 to 77 days of age. The aim of the second study was to determine and validate with independent data, the prediction equations obtained to estimate in vivo carcass composition of growing rabbits by using the results of carcass chemical composition and BIA values in a group of rabbits from 25 to 77 days. Also its potential application to predict nutrient retention and overall energy and nitrogen retention efficiencies was analysed. Seventy five rabbits grouped at 5 different ages (25, 35, 49, 63 and 77 days) with weights ranging from 196 to 3260 g were used. A four terminal body composition analyser (Model BIA-101, RJL Systems, Detroit, MI USA) was used to obtain resistance (Rs, ) and reactance (Xc, ) values. The distance between internal electrodes (D, cm), body length (L, cm) and live weight (BW, g) were also registered. At each selected age, all the animals were stunned and bled. The skin, organs and digestive content were removed, and the chilled carcass were weighed and processed for chemical analyses (DM, fat, CP, ash and GE). Energy and fat increased with the age, while CP, ash, and water decreased. Mean values of Rs, Xc, impedance (Z), L and D were 95.9±23.9 , 19.5±4.7 , 98.0±23.8 , 20.6±6.3 cm y 13.7±3.1 cm. A multiple linear regression analysis was done to determine the equations, using BW, L and Z data as parameters. Coefficient of determination (R2) of the equations obtained to estimate water (g), CP (g), fat (g), ash (g) and GE (MJ) content were: 0.99, 0.99, 0.95, 0.96 and 0.98, and relative mean prediction error (RMPE) were: 4.20, 5.48, 21.9, 9.10 and 6.77%, respectively. When water content was expressed as percentage, the R2 and RMPE were 0.79 and 1.62%, respectively. When prediction of protein (%DM), fat (%DM), ash (%DM) and energy (kJ/100 g DM) content was done, R2 values were 0.68, 0.76, 0.66 and 0.82, and RMPE: 3.22, 10.5, 5.82 and 2.54%, respectively. Reactance was positively correlated with fat content (r = 0.24, P < 0.05) while resistance was positively correlated with water, ash and protein carcass content (r = 0.55, P < 0.001; r = 0.54, P < 0.001; r = 0.40, P < 0.005) and negatively correlated with fat and energy (r = -0.44 and r = -0.55; P < 0.001). Moreover, age was negatively correlated with water, ash and CP content (r = -0.97, r = -0.95 and r = -0.89, P < 0.0001) and positively correlated with fat and GE (r = 0.95 and r = 0.97; P < 0.0001). In the whole growing period (35-63 d), overall energy retention efficiency (ERE) and nitrogen retention efficiency (NRE) were studied. The ERE values were 20.4±7.29%, 21.0±4.18% and 20.8±2.79%, from 35 to 49, 49 to 63 and from 35 to 63 d, respectively. NRE was 46.9±11.7%, 34.5±7.32% and 39.1±3.23% for the same periods. Energy was retained in body tissues for growth with an efficiency of approximately 52.5% and efficiency of the energy for protein and fat retention was 33.3 and 69.9%, respectively. Efficiency of utilization of nitrogen for growth was near to 77%. This work shows that BIA it’s a non-invasive and good method to estimate in vivo carcass composition and nutrient retention of growing rabbits from 25 to 77 days of age. In the third study, two experiments were conducted to investigate the effect of the fat addition and source, on performance, mortality, nutrient retention, and the whole body and carcass chemical composition of growing rabbits from 34 to 63 d. In Exp. 1 three diets were arranged in a 3 x 2 factorial structure with the source of fat: Soybean oil (SBO), Soya Lecithin Oil (SLO) and Lard (L) and the dietary fat inclusion level (1.5 and 4%) as the main factors. Exp. 2 had also arranged as a 3 x 2 factorial design, but using SBO, Fish Oil (FO) and Palmkernel Oil (PKO) as fat sources, and included at the same levels than in Exp. 1. In both experiments 180 animals were allocated in individual cages (n=30) and 600 in collectives cages, in groups of 5 animals (n=20). Animals fed with 4% dietary fat level showed lower DFI and FCR than those fed diets with 1.5%. In collective housing of Exp. 1, DFI was a 4.8% higher in animals fed with diets containing lard than SBO (P = 0.036), being intermediate for diet with SLO. Inclusion of lard also tended to reduce mortality (P = 0.067) around 60% and 25% with respect SBO and SLO diets, respectively. Mortality increased with the greatest level of soya lecithin (14% vs. 1%, P < 0.01). In Exp. 2 a decrease of DFI (11%), BW at 63 d (4.8%) and DWG (7.8%) were observed with the inclusion of fish oil with respect the other two diets (P < 0.01). These last two traits impaired with the highest level of fish oil (5.6 and 9.5%, respectively, (P < 0.01)). Animals housed individually showed similar performance results. The inclusion of fish oil also tended to increase (P = 0.078) mortality (13.2%) with respect palmkernel oil (6.45%), being mortality of SBO intermediate (8.10%). Fat source and level did not affect the whole body or carcass chemical composition. An increase of the fat sources addition led to a decrease of the digestible nitrogen intake (DNi) (1.83 vs. 1.92 g/d; P = 0.068 in Exp. 1 and 1.79 vs. 1.95 g/d; P = 0.014 in Exp. 2). As the nitrogen retained (NR) in the carcass was similar for both fat levels (0.68 g/d (Exp. 1) and 0.71 g/d (Exp. 2)), the overall efficiency of N retention (NRE) increased with the highest level of fat, but only reached significant level in Exp. 1 (34.9 vs. 37.8%; P < 0.0001), while in Exp. 2 a tendency was found (36.2 vs. 38.0% in Exp. 2; P < 0.064). Consequently, nitrogen excretion in faeces was lower in animals fed with the highest level of fat (0.782 vs. 0.868 g/d; P = 0.0001 in Exp. 1, and 0.745 vs. 0.865 g/d; P < 0.0001 in Exp.2). The same effect was observed with the nitrogen excreted as urine (0.702 vs. 0.822 g/d; P < 0.0001 in Exp. 1 and 0.694 vs. 0.7999 g/d; P = 0.014 in Exp.2). Although there were not differences in ERE, the energy excreted in faeces decreased as fat level increased (142 vs. 156 Kcal/d; P = 0.0004 in Exp. 1 and 144 vs. 154 g/d; P = 0.050 in Exp. 2). In Exp. 1 the energy excreted as urine and heat production was significantly higher when animals were fed with the highest level of dietary fat (216 vs. 204 Kcal/d; P < 0.017). It can be concluded that lard and palmkernel oil can be considered as alternative sources to soybean oil due to the reduction of the mortality, without negative effects on performances or nutrient retention. Inclusion of fish impaired animals´ productivity and mortality. An increase of the dietary fat level improved FCR and overall protein efficiency retention.

Efecto de las cubiertas ajardinadas sobre el microclima urbano de verano

El cambio climático y sus efectos requieren con urgencia el desarrollo de estrategias capaces no solo de mitigar pero también permitir la adaptación de los sistemas afectados por este fenómeno a los cambios que están provocando a nivel mundial. Olas de calor más largas y frecuentes, inundaciones, y graves sequías aumentan la vulnerabilidad de la población, especialmente en asentamientos urbanos. Este fenómeno y sus soluciones potenciales han sido ampliamente estudiados en las últimas décadas desde diferentes perspectivas y escalas que analizan desde el fenómeno regional de isla de calor al aumento de la intensidad energética necesaria en los edificios para mantener las condiciones de confort en los escenarios de calentamiento que se predicen. Su comprensión requiere el entendimiento de este fenómeno y un profundo análisis de las estrategias que pueden corregirlo y adaptarse a él. En la búsqueda de soluciones a este problema, las estrategias que incorporan sistemas naturales tales como las cubiertas ajardinadas, las fachadas vegetadas y bosques urbanos, se presentan como opciones de diseño capaces de proporcionan múltiples servicios al ecosistema urbano y de regular y hacer frente a los efectos del cambio climático. Entre los servicios que aportan estos sistemas naturales se incluyen la gestión de agua de tormentas, el control del efecto isla de calor, la mejora de la calidad del aire y del agua, el aumento de la diversidad, y como consecuencia de todo lo anterior, la reducción de la huella ecológica de las ciudades. En la última década, se han desarrollado múltiples estudios para evaluar y cuantificar los servicios al ecosistema proporcionados por las infraestructuras verdes, y específicamente las cubiertas ajardinadas, sin embargo, determinados servicios como la capacidad de la regulación del microclima urbano no ha sido apenas estudiados. La mayor parte de la literatura en este campo la componen estudios relacionados con la capacidad de las cubiertas ajardinadas de reducir el efecto de la isla de calor, en una escala local, o acerca de la reducción de la demanda energética de refrigeración debida a la instalación de cubiertas ajardinadas en la escala de edificio. La escala intermedia entre estos dos ámbitos, la calle, desde su ámbito habitable cercano al suelo hasta el límite superior del cañón urbano que configura, no han sido objeto detallado de estudio por lo que es esta escala el objeto de esta tesis doctoral. Esta investigación tiene como objeto contribuir en este campo y aportar un mayor entendimiento a través de la cuantificación del impacto de las cubiertas ajardinadas sobre la temperatura y humedad en el cañón urbano en la escala de calle y con un especial foco en el nivel peatonal. El primer paso de esta investigación ha sido la definición del objeto de estudio a través del análisis y revisión de trabajos tanto teóricos como empíricos que investigan los efectos de cubiertas ajardinadas en el entorno construido, entendidas como una herramienta para la adaptación y mitigación del impacto del cambio climático en las ciudades. La literatura analizada, revela el gran potencial de los sistemas vegetales como herramientas para el diseño pasivo puesto que no solo son capaces de mejorar las condiciones climáticas y microclimaticas en las ciudades reduciendo su demanda energética, sino también la necesidad de mayor análisis en la escala de calle donde confluyen el clima, las superficies urbanas y materiales y vegetación. Este análisis requiere una metodología donde se integren la respuesta térmica de edificios, las variaciones en los patrones de viento y radiación, y la interacción con la vegetación, por lo que un análisis cuantitativo puede ayudar a definir las estrategias más efectivas para lograr espacios urbanos más habitables. En este contexto, el objetivo principal de esta investigación ha sido la evaluación cuantitativa del impacto de la cubierta ajardinada en el microclima urbano a escala de barrio en condiciones de verano en los climas mediterráneos continentales. Para el logro de este objetivo, se ha seguido un proceso que persigue identificar los modelos y herramientas de cálculo capaces de capturar el efecto de la cubierta ajardinada sobre el microclima, identificar los parámetros que potencian o limitan este efecto, y cuantificar las variaciones que microclima creado en el cañón urbano produce en el consumo de energía de los edificios que rodean éste espacio. La hipótesis principal detrás de esta investigación y donde los objetivos anteriores se basan es el siguiente: "una cubierta ajardinada instalada en edificios de mediana altura favorece el establecimiento de microclimas a nivel peatonal y reduce las temperaturas en el entorno urbano donde se encuentra”. Con el fin de verificar la hipótesis anterior y alcanzar los objetivos propuestos se ha seguido la siguiente metodología: • definición del alcance y limitaciones del análisis • Selección de las herramientas y modelos de análisis • análisis teórico de los parámetros que afectan el efecto de las cubiertas ajardinadas • análisis experimental; • modelización energética • conclusiones y futuras líneas de trabajo Dada la complejidad de los fenómenos que intervienen en la generación de unas determinadas condiciones microclimáticas, se ha limitado el objeto de este estudio a las variables de temperatura y humedad, y sólo se han tenido en cuenta los componentes bióticos y abióticos del sistema, que incluyen la morfología, características superficiales del entorno estudiado, así como los elementos vegetales. Los componentes antrópicos no se han incluido en este análisis. La búsqueda de herramientas adecuadas para cumplir con los objetivos de este análisis ha concluido en la selección de ENVI-met v4 como el software más adecuado para esta investigación por su capacidad para representar los complejos fenómenos que caracterizan el microclima en cañones urbanos, en una escala temporal diaria y con unas escala local de vecindario. Esta herramienta supera el desafío que plantean los requisitos informáticos de un cálculo completo basado en elementos finitos realizados a través de herramientas de dinámica de fluidos computacional (CFD) que requieren una capacidad de cálculo computacional y tiempo privativos y en una escala dimensional y temporal limitada a esta capacidad computacional lo que no responde a los objetivos de esta investigación. ENVI-met 4 se basa es un modelo tridimensional del micro clima diseñado para simular las interacciones superficie-planta-aire en entornos urbanos. Basado en las ecuaciones fundamentales del equilibrio que representan, la conservación de masa, energía y momento. ENVI-met es un software predictivo, y como primer paso ha requerido la definición de las condiciones iniciales de contorno que se utilizan como punto de partida por el software para generar su propio perfil de temperatura y humedad diaria basada en la localización de la construcción, geometría, vegetación y las superficies de características físicas del entorno. La geometría de base utilizada para este primer análisis se ha basado en una estructura típica en cuanto al trazado urbano situada en Madrid que se ha simulado con una cubierta tradicional y una cubierta ajardinada en sus edificios. La estructura urbana seleccionada para este análisis comparativo es una red ortogonal con las calles principales orientadas este-oeste. El edificio típico que compone el vecindario se ha definido como “business as usual” (BAU) y se ha definido con una cubierta de baldosa de hormigón estándar, con un albedo 0.3, paredes con albedo 0.2 (construcción de muro de ladrillo típico) y cerramientos adiabáticos para evitar las posibles interferencias causadas por el intercambio térmico con el ambiente interior del edificio en los resultados del análisis. Para el caso de la cubierta ajardinada, se mantiene la misma geometría y características del edificio con excepción de la cobertura superficial de la azotea. Las baldosas de hormigón se han modificado con una cubierta ajardinada extensiva cubierta con plantas xerófilas, típicas en el clima de Madrid y caracterizado por su índice de densidad foliar, el “leaf area density” (LAD), que es la superficie total de superficie de hojas por unidad de volumen (m2/m3). El análisis se centra en los cañones urbanos entendidos como el espacio de calle comprendido entre los límites geométricos de la calle, verticales y horizontales, y el nivel superior de la cota urbana nivel de cubiertas. Los escenarios analizados se basan en la variación de la los principales parámetros que según la literatura analizada condicionan las variaciones microclimáticas en el ámbito urbano afectado por la vegetación, la velocidad del viento y el LAD de la azotea. Los resultados han sido registrados bajo condiciones de exposición solar diferentes. Las simulaciones fueron realizadas por los patrones de viento típico de verano, que para Madrid se caracterizan por vientos de componente suroeste que van desde 3 a 0 m/s. las simulaciones fueron realizadas para unas condiciones climáticas de referencia de 3, 2, 1 y 0 m/s a nivel superior del cañón urbano, como condición de contorno para el análisis. Los resultados calculados a 1,4 metros por encima del nivel del suelo, en el espacio habitado, mostraron que el efecto de la cubierta ajardinada era menor en condiciones de contorno con velocidades de viento más altas aunque en ningún caso el efecto de la cubierta verde sobre la temperatura del aire superó reducciones de temperatura de aire superiores a 1 º C. La humedad relativa no presentó variaciones significativas al comparar los diferentes escenarios. Las simulaciones realizadas para vientos con velocidad baja, entre 0 y 1 m/s mostraron que por debajo de 0.5 m/s la turbulencia del modelo aumentó drásticamente y se convirtió en el modelo inestable e incapaz de producir resultados fiables. Esto es debido al modelo de turbulencia en el software que no es válido para velocidades de viento bajas, lo que limita la capacidad de ENVI-met 4 para realizar simulaciones en estas condiciones de viento y es una de las principales conclusiones de este análisis en cuanto a la herramienta de simulación. También se comprobó el efecto de las densidades de la densidad de hoja (LAD) de los componentes vegetales en el modelo en la capa de aire inmediatamente superior a la cubierta, a 0,5 m sobre este nivel. Se compararon tres alternativas de densidad de hoja con la cubierta de baldosa de hormigón: el techo verde con LAD 0.3 (hierba típica o sedum), LAD 1.5 (plantas mixtas típicas) y LAD 2.5 (masa del árbol). Los resultados mostraron diferencias de temperatura muy relevante entre las diferentes alternativas de LAD analizadas. Los resultados muestran variaciones de temperatura que oscilan entre 3 y 5 º C al comparar el estándar de la azotea concreta con albedo 0, 3 con el techo con vegetación y vegetación densa, mostrando la importancia del LAD en la cuantificación de los efectos de las cubiertas vegetales en microclima circundante, lo que coincide con los datos reportados en la literatura existente y con los estudios empíricos analizados. Los resultados de los análisis teóricos han llegado a las siguientes conclusiones iniciales relacionadas con la herramienta de simulación y los resultados del modelo: En relación con la herramienta ENVI-met, se han observado limitaciones para el análisis. En primer lugar, la estructura rígida de la geometría, las bases de datos y el tamaño de la cuadrícula, limitan la escala y resolución de los análisis no permitiendo el desarrollo de grandes zonas urbanas. Por otro lado la estructura de ENVI-met permite el desarrollo de este tipo de simulación tan complejo dentro de tiempos razonables de cálculo y requerimientos computacionales convencionales. Otra limitación es el modelo de turbulencia del software, que no modela correctamente velocidades de viento bajas (entre 0 y 1 m/s), por debajo de 0,5 m/s el modelo da errores y no es estable, los resultados a estas velocidades no son fiables porque las turbulencias generadas por el modelo hacen imposible la extracción de patrones claros de viento y temperatura que permitan la comparación entre los escenarios de cubierta de hormigón y ajardinada. Además de las limitaciones anteriores, las bases de datos y parámetros de entrada en la versión pública del software están limitados y la complejidad de generar nuevos sistemas adaptándolos al edificio o modelo urbano que se quiera reproducir no es factible salvo en la versión profesional del software. Aparte de las limitaciones anteriores, los patrones de viento y perfiles de temperatura generados por ENVI-met concuerdan con análisis previos en los que se identificaban patrones de variación de viento y temperaturas en cañones urbanos con patrones de viento, relación de aspecto y dimensiones similares a los analizados en esta investigación. Por lo tanto, el software ha demostrado una buena capacidad para reproducir los patrones de viento en los cañones de la calle y capturar el efecto de enfriamiento producido por la cubierta verde en el cañón. En relación con el modelo, el resultado revela la influencia del viento, la radiación y el LAD en la temperatura del aire en cañones urbanos con relación de aspecto comprendida entre 0,5 y 1. Siendo el efecto de la cubierta verde más notable en cañones urbanos sombreados con relación de aspecto 1 y velocidades de viento en el nivel de “canopy” (por encima de la cubierta) de 1 m/s. En ningún caso las reducciones en la temperatura del aire excedieron 1 º C, y las variaciones en la humedad relativa no excedieron 1% entre los escenarios estudiados. Una vez que se han identificado los parámetros relevantes, que fueron principalmente la velocidad del viento y el LAD, se realizó un análisis experimental para comprobar los resultados obtenidos por el modelo. Para éste propósito se identificó una cubierta ajardinada de grandes dimensiones capaz de representar la escala urbana que es el objeto del estudio. El edificio usado para este fin fue el parking de la terminal 4 del aeropuerto internacional de Madrid. Aunque esto no es un área urbana estándar, la escala y la configuración del espacio alrededor del edificio fueron considerados aceptables para el análisis por su similitud con el contexto urbano objeto de estudio. El edificio tiene 800 x 200 m, y una altura 15 m. Está rodeado de vías de acceso pavimentadas con aceras conformando un cañón urbano limitado por el edificio del parking, la calle y el edificio de la terminal T4. El aparcamiento está cerrado con fachadas que configuran un espacio urbano de tipo cañón, con una relación de aspecto menor que 0,5. Esta geometría presenta patrones de viento y velocidad dentro del cañón que difieren ligeramente de los generados en el estudio teórico y se acercan más a los valores a nivel de canopo sobre la cubierta del edificio, pero que no han afectado a la tendencia general de los resultados obtenidos. El edificio cuenta con la cubierta ajardinada más grande en Europa, 12 Ha cubiertas por con una mezcla de hierbas y sedum y con un valor estimado de LAD de 1,5. Los edificios están rodeados por áreas plantadas en las aceras y árboles de sombra en las fachadas del edificio principal. El efecto de la cubierta ajardinada se evaluó mediante el control de temperaturas y humedad relativa en el cañón en un día típico de verano. La selección del día se hizo teniendo en cuenta las predicciones meteorológicas para que fuesen lo más semejantes a las condiciones óptimas para capturar el efecto de la cubierta vegetal sobre el microclima urbano identificadas en el modelo teórico. El 09 de julio de 2014 fue seleccionado para la campaña de medición porque las predicciones mostraban 1 m/s velocidad del viento y cielos despejados, condiciones muy similares a las condiciones climáticas bajo las que el efecto de la cubierta ajardinada era más notorio en el modelo teórico. Las mediciones se registraron cada hora entre las 9:00 y las 19:00 en 09 de julio de 2014. Temperatura, humedad relativa y velocidad del viento se registraron en 5 niveles diferentes, a 1.5, 4.5, 7.5, 11.5 y 16 m por encima del suelo y a 0,5 m de distancia de la fachada del edificio. Las mediciones fueron tomadas en tres escenarios diferentes, con exposición soleada, exposición la sombra y exposición influenciada por los árboles cercanos y suelo húmedo. Temperatura, humedad relativa y velocidad del viento se registraron con un equipo TESTO 410-2 con una resolución de 0,1 ºC para temperatura, 0,1 m/s en la velocidad del viento y el 0,1% de humedad relativa. Se registraron las temperaturas de la superficie de los edificios circundantes para evaluar su efecto sobre los registros usando una cámara infrarroja FLIR E4, con resolución de temperatura 0,15ºC. Distancia mínima a la superficie de 0,5 m y rango de las mediciones de Tª de - 20 º C y 250 º C. Los perfiles de temperatura extraídos de la medición in situ mostraron la influencia de la exposición solar en las variaciones de temperatura a lo largo del día, así como la influencia del calor irradiado por las superficies que habían sido expuestas a la radiación solar así como la influencia de las áreas de jardín alrededor del edificio. Después de que las medidas fueran tomadas, se llevaron a cabo las siguientes simulaciones para evaluar el impacto de la cubierta ajardinada en el microclima: a. estándar de la azotea: edificio T4 asumiendo un techo de tejas de hormigón con albedo 0.3. b. b. cubierta vegetal : T4 edificio asumiendo una extensa cubierta verde con valor bajo del LAD (0.5)-techo de sedum simple. c. c. cubierta vegetal: T4 edificio asumiendo una extensa cubierta verde con alta joven valor 1.5-mezcla de plantas d. d. cubierta ajardinada más vegetación nivel calle: el edificio T4 con LAD 1.5, incluyendo los árboles existentes a nivel de calle. Este escenario representa las condiciones actuales del edificio medido. El viento de referencia a nivel de cubierta se fijó en 1 m/s, coincidente con el registro de velocidad de viento en ese nivel durante la campaña de medición. Esta velocidad del viento se mantuvo constante durante toda la campaña. Bajo las condiciones anteriores, los resultados de los modelos muestran un efecto moderado de azoteas verdes en el microclima circundante que van desde 1 º a 2 º C, pero una contribución mayor cuando se combina con vegetación a nivel peatonal. En este caso las reducciones de temperatura alcanzan hasta 4 ºC. La humedad relativa sin embargo, no presenta apenas variación entre los escenarios con y sin cubierta ajardinada. Las temperaturas medidas in situ se compararon con resultados del modelo, mostrando una gran similitud en los perfiles definidos en ambos casos. Esto demuestra la buena capacidad de ENVI-met para reproducir el efecto de la cubierta ajardinada sobre el microclima y por tanto para el fin de esta investigación. Las diferencias más grandes se registraron en las áreas cercanas a las zonas superiores de las fachadas que estaban más expuestas a la radiación del sol y también el nivel del suelo, por la influencia de los pavimentos. Estas diferencias se pudieron causar por las características de los cerramientos en el modelo que estaban limitados por los datos disponibles en la base de datos de software, y que se diferencian con los del edificio real. Una observación importante derivada de este estudio es la contribución del suelo húmedo en el efecto de la cubierta ajardinada en la temperatura del aire. En el escenario de la cubierta ajardinada con los arboles existentes a pie de calle, el efecto del suelo húmedo contribuye a aumentar las reducciones de temperatura hasta 4.5ºC, potenciando el efecto combinado de la cubierta ajardinada y la vegetación a pie de calle. Se realizó un análisis final después de extraer el perfil horario de temperaturas en el cañón urbano influenciado por el efecto de las cubiertas ajardinadas y los árboles. Con esos perfiles modificados de temperatura y humedad se desarrolló un modelo energético en el edificio asumiendo un edificio cerrado y climatizado, con uso de oficinas, una temperatura de consigna de acuerdo al RITE de 26 ºC, y con los sistemas por defecto que establece el software para el cálculo de la demanda energética y que responden a ASHRAE 90.1. El software seleccionado para la simulación fue Design Builder, por su capacidad para generar simulaciones horarias y por ser una de las herramientas de simulación energética más reconocidas en el mercado. Los perfiles modificados de temperatura y humedad se insertaron en el año climático tipo y se condujo la simulación horaria para el día definido, el 9 de Julio. Para la simulación se dejaron por defecto los valores de conductancia térmica de los cerramientos y la eficiencia de los equipos de acuerdo a los valores que fija el estándar ASHRAE para la zona climática de Madrid, que es la 4. El resultado mostraba reducciones en el consumo de un día pico de hasta un 14% de reducción en las horas punta. La principal conclusión de éste estudio es la confirmación del potencial de las cubiertas ajardinadas como una estrategia para reducir la temperatura del aire y consumo de energía en los edificios, aunque este efecto puede ser limitado por la influencia de los vientos, la radiación y la especie seleccionada para el ajardinamiento, en especial de su LAD. Así mismo, en combinación con los bosques urbanos su efecto se potencia e incluso más si hay pavimentos húmedos o suelos porosos incluidos en la morfología del cañón urbano, convirtiéndose en una estrategia potencial para adaptar los ecosistemas urbanos el efecto aumento de temperatura derivado del cambio climático. En cuanto a la herramienta, ENVI-met se considera una buena opción para éste tipo de análisis dada su capacidad para reproducir de un modo muy cercano a la realidad el efecto de las cubiertas. Aparte de ser una herramienta validada en estudios anteriores, en el caso experimental se ha comprobado por medio de la comparación de las mediciones con los resultados del modelo. A su vez, los resultados y patrones de vientos generados en los cañones urbanos coinciden con otros estudios similares, concluyendo por tanto que es un software adecuado para el objeto de esta tesis doctoral. Como líneas de investigación futura, sería necesario entender el efecto de la cubierta ajardinada en el microclima urbano en diferentes zonas climáticas, así como un mayor estudio de otras variables que no se han observado en este análisis, como la temperatura media radiante y los indicadores de confort. Así mismo, la evaluación de otros parámetros que afectan el microclima urbano tales como variables geométricas y propiedades superficiales debería ser analizada en profundidad para tener un resultado que cubra todas las variables que afectan el microclima en el cañón urbano. ABSTRACT Climate Change is posing an urgency in the development of strategies able not only to mitigate but also adapt to the effects that this global problem is evidencing around the world. Heat waves, flooding and severe draughts increase the vulnerability of population, and this is especially critical in urban settlements. This has been extensively studied over the past decades, addressed from different perspectives and ranging from the regional heat island analysis to the building scale. Its understanding requires physical and dimensional analysis of this broad phenomenon and a deep analysis of the factors and the strategies which can offset it. In the search of solutions to this problem, green infrastructure elements such as green roofs, walls and urban forests arise as strategies able provide multiple regulating ecosystem services to the urban environment able to cope with climate change effects. This includes storm water management, heat island effect control, and improvement of air and water quality. Over the last decade, multiple studies have been developed to evaluate and quantify the ecosystem services provided by green roofs, however, specific regulating services addressing urban microclimate and their impact on the urban dwellers have not been widely quantified. This research tries to contribute to fill this gap and analyzes the effects of green roofs and urban forests on urban microclimate at pedestrian level, quantifying its potential for regulating ambient temperature in hot season in Mediterranean –continental climates. The study is divided into a sequence of analysis where the critical factors affecting the performance of the green roof system on the microclimate are identified and the effects of the green roof is tested in a real case study. The first step has been the definition of the object of study, through the analysis and review of theoretical and empirical papers that investigate the effects of covers landscaped in the built environment, in the context of its use as a tool for adaptation and mitigation of the impact of climate change on cities and urban development. This literature review, reveals the great potential of the plant systems as a tool for passive design capable of improving the climatic and microclimatic conditions in the cities, as well as its positive impact on the energy performance of buildings, but also the need for further analysis at the street scale where climate, urban surfaces and materials, and vegetation converge. This analysis requires a methodology where the thermal buildings response, the variations in the patterns of wind and the interaction of the vegetation are integrated, so a quantitative analysis can help to define the most effective strategies to achieve liveable urban spaces and collaterally, , the improvement of the surrounding buildings energy performance. In this specific scale research is needed and should be customized to every climate, urban condition and nature based strategy. In this context, the main objective for this research was the quantitative assessment of the Green roof impact on the urban microclimate at a neighbourhood scale in summer conditions in Mediterranean- continental climates. For the achievement of this main objective, the following secondary objectives have been set: • Identify the numerical models and calculation tools able to capture the effect of the roof garden on the microclimate. • Identify the enhancing or limiting parameter affecting this effect. • Quantification of the impact of the microclimate created on the energy consumption of buildings surrounding the street canyon analysed. The main hypothesis behind this research and where the above objectives are funded on is as follows: "An extensive roof installed in medium height buildings favours the establishment of microclimates at the pedestrian level and reduces the temperatures in the urban environment where they are located." For the purpose of verifying the above hypothesis and achieving the proposed objectives the following methodology has been followed: - Definition of hypothesis and objectives - Definition of the scope and limitations - Theoretical analysis of parameters affecting gren roof performance - Experimental analysis; - Energy modelling analyisis - Conclusions and future lines of work The search for suitable tools and models for meeting the objectives of this analysis has led to ENVI-met v4 as the most suitable software for this research. ENVI met is a three-dimensional micro-climate model designed to simulate the surface-plant-air interactions in urban environments. Based in the fundamental equations representing, mass, energy and momentum conservation, the software has the capacity of representing the complex phenomena characterizing the microclimate in urban canyons, overcoming the challenge posed by the computing requirements of a full calculus based on finite elements done via traditional computational fluid dynamics tools. Once the analysis tool has been defined, a first set of analysis has been developed to identify the main parameters affecting the green roof influence on the microclimate. In this analysis, two different scenarios are compared. A neighborhood with standard concrete tile roof and the same configuration substituting the concrete tile by an extensive green roof. Once the scenarios have been modeled, different iterations have been run to identify the influence of different wind patterns, solar exposure and roof vegetation type on the microclimate, since those are the most relevant variables affecting urban microclimates. These analysis have been run to check the conditions under which the effects of green roofs get significance. Since ENVI-met V4 is a predictive software, the first step has been the definition of the initial weather conditions which are then used as starting point by the software, which generates its own daily temperature and humidity profile based on the location of the building, geometry, vegetation and the surfaces physical characteristics. The base geometry used for this first analysis has been based on a typical urban layout structure located in Madrid, an orthogonal net with the main streets oriented East-West to ease the analysis of solar radiation in the different points of the model. This layout represents a typical urban neighborhood, with street canyons keeping an aspect ratio between 0.5 and 1 and high sky view factor to ensure correct sun access to the streets and buildings and work with typical wind flow patterns. Finally, the roof vegetation has been defined in terms of foliage density known as Leaf Area Density (LAD) and defined as the total one-sided leaf area per unit of layer volume. This index is the most relevant vegetation characteristic for the purpose of calculating the effect of vegetation on wind and solar radiation as well as the energy consumed during its metabolic processes. The building as usual (BAU) configuring the urban layout has been defined with standard concrete tile roofs, considering 0.3 albedo. Walls have been set with albedo 0.2 (typical brick wall construction) and adiabatic to avoid interference caused by thermal interchanges with the building indoor environment. For the proposed case, the same geometry and building characteristics have been kept. The only change is the roof surface coverage. The gravel on the roof has been changed with an extensive green roof covered with drought tolerant plants, typical in Madrid climate, and characterized by their LAD. The different scenarios analysed are based in the variation of the wind speed and the LAD of the roof. The results have been recorded under different sun exposure conditions. Simulations were run for the typical summer wind patterns, that for Madrid are characterized by South-west winds ranging from 3 to 0 m/s. Simulations were run for 3, 2, 1 and 0 m/s at urban canopy level. Results taken at 1.4 m above the ground showed that the green roof effect was lower with higher wind speeds and in any case the effect of the green roof on the air temperatures exceeded air temperature reductions higher than 1ºC. Relative humidity presented no variations when comparing the different scenarios. For the analysis at 0m/s, ENVI-met generated error and no results were obtained. Different simulations showed that under 0.5 m/s turbulence increased dramatically and the model became unstable and unable to produce reliable results. This is due to the turbulence model embedded in the software which is not valid for low wind speeds (below 1 m/s). The effect of the different foliage densities was also tested in the model. Three different alternatives were compared against the concrete roof: green roof with LAD 0.3 ( typical grass or sedum), 1.5 (typical mixed plants) and 2.5 (tree mass). The results showed very relevant temperature differences between the different LAD alternatives analyzed. Results show temperature variations ranging between 3 and 5 ºC when comparing the standard concrete roof with albedo 0, 3 with the vegetated roof and vegetated mass, showing the relevance of the LAD on the effects of green roofs on microclimate. This matches the data reported in existing literature and empirical studies and confirms the relevance of the LAD in the roof effect on the surrounding microclimate. The results of the theoretical analysis have reached the following initial conclusions related to both, the simulation tool and the model results: • In relation to the tool ENVI-met, some limitations for the analysis have been observed. In first place, the rigid structure of the geometry, the data bases and the grid size, limit the scale and resolution of the analysis not allowing the development of large urban areas. On the other hand the ENVI-met structure enables the development of this type of complex simulation within reasonable times and computational requirements for the purpose of this analysis. Additionally, the model is unable to run simulations at wind speeds lower than 0.5 m/s, and even at this speed, the results are not reliable because the turbulences generated by the model that made impossible to extract clear temperature differences between the concrete and green roof scenarios. Besides the above limitations, the wind patterns and temperature profiles generated by ENVImet are in agreement with previous analysis identifying wind patterns in urban canyons with similar characteristics and aspect ratio. Therefore the software has shown a good capacity for reproducing the wind effects in the street canyons and seems to capture the cooling effect produced by the green roof. • In relation to the model, the results reveals the influence of wind, radiation and LAD on air temperature in urban canyons with aspect ratio comprised between 0.5 and 1. Being the effect of the green roof more noticeable in shaded urban canyons with aspect ratio 1 and wind speeds of 1 m/s. In no case the reductions in air temperature exceeded 1ºC. Once the relevant parameters have been identified, mainly wind speed and LAD, an experimental analysis was conducted to test the results obtained by the model. For this purpose a large green roof was identified, able to represent the urban scale which is the object of the studio. The building identified for this purpose was the terminal 4, parking building of the international Madrid Airport. Even though this is not a standard urban area, the scale and configuration of the space around the building were deemed as acceptable for the analysis. The building is an 800x200 m, 15 m height parking building, surrounded by access paved paths and the terminal building. The parking is enclosed with facades that configure an urban canyon-like space, although the aspect ratio is lower than 0.5 and the wind patterns might differ from the theoretical model run. The building features the largest green roof in Europe, a 12 Ha extensive green roof populated with a mix of herbs and sedum with a LAD of 1.5. The buildings are surrounded by planted areas at the sidewalk and trees shading the main building facades. Green roof performance was evaluated by monitoring temperatures and relative humidity in the canyon in a typical summer day. The day selection was done taking into account meteorological predictions so the weather conditions on the measurement day were as close as possible as the optimal conditions identified in terms of green roof effects on the urban canyon. July 9th 2014 was selected for the measurement campaign because the predictions showed 1 m/s wind speed and sunny sky, which were very similar to the weather conditions where the effect of the green roof was most noticeable in the theory model. Measurements were registered hourly from 9:00am to 19:00 on July 9th 2014. Temperature, relative humidity and wind speed were recorded at 5 different levels, at 1.5, 4.5, 7.5, 11.5 and 16 m above ground and at 0.5 m distance from the building façade. Measurements were taken in three different scenarios, sunny exposure, shaded exposure, and shaded exposure influenced by nearby trees and moist soil. Temperature, relative humidity and wind speed were registered using a TESTO 410-2 anemometer, with 0.1ºC resolution for temperature, 0.1 m/s resolution for wind speed and 0.1 % for relative humidity. Surface temperatures were registered using an infrared camera FLIR E4, with temperature resolution 0.15ºC. Minimal distance to surface of 0.5 m and Tª measurements range from -20ºC and 250ºC. The temperature profiles measured on the site showed the influence of solar exposure on the temperature variations along the day, as well as the influence of the heat irradiated by the building surfaces which had been exposed to the sun radiation and those influenced by the moist soft areas around the building. After the measurements were taken, the following simulations were conducted to evaluate the impact of the green roof on the microclimate: a. Standard roof: T4 building assuming a concrete tile roof with albedo 0.3. b. Green roof: T4 building assuming an extensive green roof with low LAD value (0.5)-Simple Sedum roof. c. Green roof: T4 building assuming an extensive green roof with high LAD value 1.5- Lucerne and grasses d. Green roof plus street level vegetation: T4 Building, LAD 1.5 (Lucerne), including the existing trees at street level. This scenario represents the current conditions of the building. The urban canopy wind was set as 1 m/s, the wind speed register at that level during the measurement campaign. This wind speed remained constant over the whole campaign. Under the above conditions, the results of the models show a moderate effect of green roofs on the surrounding microclimate ranging from 1ºC to 2ºC, but a larger contribution when combining it with vegetation at pedestrian level, where 4ºC temperature reductions are reached. Relative humidity remained constant. Measured temperatures and relative humidity were compared to model results, showing a close match in the profiles defined in both cases and the good capacity of ENVI met to capture the impact of the green roof in this analysis. The largest differences were registered in the areas close to the top areas of the facades which were more exposed to sun radiation and also near to the soil level. These differences might be caused by differences between the materials properties included in the model (which were limited by the data available in the software database) and those in the real building. An important observation derived from this study is the contribution of moist soil to the green roof effect on air temperatures. In the green roof scenario with surrounding trees, the effect of the moist soil contributes to raise the temperature reductions at 4.5ºC. A final analysis was conducted after extracting the hourly temperature profile in the street canyon influenced by the effect of green roofs and trees. An energy model was run on the building assuming it was a conventional enclosed building. Energy demand reductions were registered in the building reaching up to 14% reductions at the peak hour. The main conclusion of this study is the potential of the green roofs as a strategy for reducing air temperatures and energy consumption in the buildings, although this effect can be limited by the influence of high speed winds. This effect can be enhanced its combination with urban forests and even more if soft moist pavements are included in the urban canyon morphology, becoming a potential strategy for adapting urban ecosystems to the increasing temperature effect derived from climate change.

Coherent structures in statistically-stationary homogeneous shear turbulence

La región cerca de la pared de flujos turbulentos de pared ya está bien conocido debido a su bajo número de Reynolds local y la separación escala estrecha. La región lejos de la pared (capa externa) no es tan interesante tampoco, ya que las estadísticas allí se escalan bien por las unidades exteriores. La región intermedia (capa logarítmica), sin embargo, ha estado recibiendo cada vez más atención debido a su propiedad auto-similares. Además, de acuerdo a Flores et al. (2007) y Flores & Jiménez (2010), la capa logarítmica es más o menos independiente de otras capas, lo que implica que podría ser inspeccionado mediante el aislamiento de otras dos capas, lo que reduciría significativamente los costes computacionales para la simulación de flujos turbulentos de pared. Algunos intentos se trataron después por Mizuno & Jiménez (2013), quien simulan la capa logarítmica sin la región cerca de la pared con estadísticas obtenidas de acuerdo razonablemente bien con los de las simulaciones completas. Lo que más, la capa logarítmica podría ser imitado por otra turbulencia sencillo de cizallamiento de motor. Por ejemplo, Pumir (1996) encontró que la turbulencia de cizallamiento homogéneo estadísticamente estacionario (SS-HST) también irrumpe, de una manera muy similar al proceso de auto-sostenible en flujos turbulentos de pared. Según los consideraciones arriba, esta tesis trata de desvelar en qué medida es la capa logarítmica de canales similares a la turbulencia de cizalla más sencillo, SS-HST, mediante la comparación de ambos cinemática y la dinámica de las estructuras coherentes en los dos flujos. Resultados sobre el canal se muestran mediante Lozano-Durán et al. (2012) y Lozano-Durán & Jiménez (2014b). La hoja de ruta de esta tarea se divide en tres etapas. En primer lugar, SS-HST es investigada por medio de un código nuevo de simulación numérica directa, espectral en las dos direcciones horizontales y compacto-diferencias finitas en la dirección de la cizalla. Sin utiliza remallado para imponer la condición de borde cortante periódica. La influencia de la geometría de la caja computacional se explora. Ya que el HST no tiene ninguna longitud característica externa y tiende a llenar el dominio computacional, las simulaciopnes a largo plazo del HST son ’mínimos’ en el sentido de que contiene sólo unas pocas estructuras media a gran escala. Se ha encontrado que el límite principal es el ancho de la caja de la envergadura, Lz, que establece las escalas de longitud y velocidad de la turbulencia, y que las otras dos dimensiones de la caja debe ser suficientemente grande (Lx > 2LZ, Ly > Lz) para evitar que otras direcciones estando limitado también. También se encontró que las cajas de gran longitud, Lx > 2Ly, par con el paso del tiempo la condición de borde cortante periódica, y desarrollar fuertes ráfagas linealizadas no físicos. Dentro de estos límites, el flujo muestra similitudes y diferencias interesantes con otros flujos de cizalla, y, en particular, con la capa logarítmica de flujos turbulentos de pared. Ellos son exploradas con cierto detalle. Incluyen un proceso autosostenido de rayas a gran escala y con una explosión cuasi-periódica. La escala de tiempo de ruptura es de aproximadamente universales, ~20S~l(S es la velocidad de cizallamiento media), y la disponibilidad de dos sistemas de ruptura diferentes permite el crecimiento de las ráfagas a estar relacionado con algo de confianza a la cizalladura de turbulencia inicialmente isotrópico. Se concluye que la SS-HST, llevado a cabo dentro de los parámetros de cílculo apropiados, es un sistema muy prometedor para estudiar la turbulencia de cizallamiento en general. En segundo lugar, las mismas estructuras coherentes como en los canales estudiados por Lozano-Durán et al. (2012), es decir, grupos de vórticidad (fuerte disipación) y Qs (fuerte tensión de Reynolds tangencial, -uv) tridimensionales, se estudia mediante simulación numérica directa de SS-HST con relaciones de aspecto de cuadro aceptables y número de Reynolds hasta Rex ~ 250 (basado en Taylor-microescala). Se discute la influencia de la intermitencia de umbral independiente del tiempo. Estas estructuras tienen alargamientos similares en la dirección sentido de la corriente a las familias separadas en los canales hasta que son de tamaño comparable a la caja. Sus dimensiones fractales, longitudes interior y exterior como una función del volumen concuerdan bien con sus homólogos de canales. El estudio sobre sus organizaciones espaciales encontró que Qs del mismo tipo están alineados aproximadamente en la dirección del vector de velocidad en el cuadrante al que pertenecen, mientras Qs de diferentes tipos están restringidos por el hecho de que no debe haber ningún choque de velocidad, lo que hace Q2s (eyecciones, u < 0,v > 0) y Q4s (sweeps, u > 0,v < 0) emparejado en la dirección de la envergadura. Esto se verifica mediante la inspección de estructuras de velocidad, otros cuadrantes como la uw y vw en SS-HST y las familias separadas en el canal. La alineación sentido de la corriente de Qs ligada a la pared con el mismo tipo en los canales se debe a la modulación de la pared. El campo de flujo medio condicionado a pares Q2-Q4 encontró que los grupos de vórticidad están en el medio de los dos, pero prefieren los dos cizalla capas alojamiento en la parte superior e inferior de Q2s y Q4s respectivamente, lo que hace que la vorticidad envergadura dentro de las grupos de vórticidad hace no cancele. La pared amplifica la diferencia entre los tamaños de baja- y alta-velocidad rayas asociados con parejas de Q2-Q4 se adjuntan como los pares alcanzan cerca de la pared, el cual es verificado por la correlación de la velocidad del sentido de la corriente condicionado a Q2s adjuntos y Q4s con diferentes alturas. Grupos de vórticidad en SS-HST asociados con Q2s o Q4s también están flanqueadas por un contador de rotación de los vórtices sentido de la corriente en la dirección de la envergadura como en el canal. La larga ’despertar’ cónica se origina a partir de los altos grupos de vórticidad ligada a la pared han encontrado los del Álamo et al. (2006) y Flores et al. (2007), que desaparece en SS-HST, sólo es cierto para altos grupos de vórticidad ligada a la pared asociados con Q2s pero no para aquellos asociados con Q4s, cuyo campo de flujo promedio es en realidad muy similar a la de SS-HST. En tercer lugar, las evoluciones temporales de Qs y grupos de vórticidad se estudian mediante el uso de la método inventado por Lozano-Durán & Jiménez (2014b). Las estructuras se clasifican en las ramas, que se organizan más en los gráficos. Ambas resoluciones espaciales y temporales se eligen para ser capaz de capturar el longitud y el tiempo de Kolmogorov puntual más probable en el momento más extrema. Debido al efecto caja mínima, sólo hay un gráfico principal consiste en casi todas las ramas, con su volumen y el número de estructuras instantáneo seguien la energía cinética y enstrofía intermitente. La vida de las ramas, lo que tiene más sentido para las ramas primarias, pierde su significado en el SS-HST debido a las aportaciones de ramas primarias al total de Reynolds estrés o enstrofía son casi insignificantes. Esto también es cierto en la capa exterior de los canales. En cambio, la vida de los gráficos en los canales se compara con el tiempo de ruptura en SS-HST. Grupos de vórticidad están asociados con casi el mismo cuadrante en términos de sus velocidades medias durante su tiempo de vida, especialmente para los relacionados con las eyecciones y sweeps. Al igual que en los canales, las eyecciones de SS-HST se mueven hacia arriba con una velocidad promedio vertical uT (velocidad de fricción) mientras que lo contrario es cierto para los barridos. Grupos de vórticidad, por otra parte, son casi inmóvil en la dirección vertical. En la dirección de sentido de la corriente, que están advección por la velocidad media local y por lo tanto deforman por la diferencia de velocidad media. Sweeps y eyecciones se mueven más rápido y más lento que la velocidad media, respectivamente, tanto por 1.5uT. Grupos de vórticidad se mueven con la misma velocidad que la velocidad media. Se verifica que las estructuras incoherentes cerca de la pared se debe a la pared en vez de pequeño tamaño. Los resultados sugieren fuertemente que las estructuras coherentes en canales no son especialmente asociado con la pared, o incluso con un perfil de cizalladura dado. ABSTRACT Since the wall-bounded turbulence was first recognized more than one century ago, its near wall region (buffer layer) has been studied extensively and becomes relatively well understood due to the low local Reynolds number and narrow scale separation. The region just above the buffer layer, i.e., the logarithmic layer, is receiving increasingly more attention nowadays due to its self-similar property. Flores et al. (20076) and Flores & Jim´enez (2010) show that the statistics of logarithmic layer is kind of independent of other layers, implying that it might be possible to study it separately, which would reduce significantly the computational costs for simulations of the logarithmic layer. Some attempts were tried later by Mizuno & Jimenez (2013), who simulated the logarithmic layer without the buffer layer with obtained statistics agree reasonably well with those of full simulations. Besides, the logarithmic layer might be mimicked by other simpler sheardriven turbulence. For example, Pumir (1996) found that the statistically-stationary homogeneous shear turbulence (SS-HST) also bursts, in a manner strikingly similar to the self-sustaining process in wall-bounded turbulence. Based on these considerations, this thesis tries to reveal to what extent is the logarithmic layer of channels similar to the simplest shear-driven turbulence, SS-HST, by comparing both kinematics and dynamics of coherent structures in the two flows. Results about the channel are shown by Lozano-Dur´an et al. (2012) and Lozano-Dur´an & Jim´enez (20146). The roadmap of this task is divided into three stages. First, SS-HST is investigated by means of a new direct numerical simulation code, spectral in the two horizontal directions and compact-finite-differences in the direction of the shear. No remeshing is used to impose the shear-periodic boundary condition. The influence of the geometry of the computational box is explored. Since HST has no characteristic outer length scale and tends to fill the computational domain, longterm simulations of HST are ‘minimal’ in the sense of containing on average only a few large-scale structures. It is found that the main limit is the spanwise box width, Lz, which sets the length and velocity scales of the turbulence, and that the two other box dimensions should be sufficiently large (Lx > 2LZ, Ly > Lz) to prevent other directions to be constrained as well. It is also found that very long boxes, Lx > 2Ly, couple with the passing period of the shear-periodic boundary condition, and develop strong unphysical linearized bursts. Within those limits, the flow shows interesting similarities and differences with other shear flows, and in particular with the logarithmic layer of wallbounded turbulence. They are explored in some detail. They include a self-sustaining process for large-scale streaks and quasi-periodic bursting. The bursting time scale is approximately universal, ~ 20S~l (S is the mean shear rate), and the availability of two different bursting systems allows the growth of the bursts to be related with some confidence to the shearing of initially isotropic turbulence. It is concluded that SS-HST, conducted within the proper computational parameters, is a very promising system to study shear turbulence in general. Second, the same coherent structures as in channels studied by Lozano-Dur´an et al. (2012), namely three-dimensional vortex clusters (strong dissipation) and Qs (strong tangential Reynolds stress, -uv), are studied by direct numerical simulation of SS-HST with acceptable box aspect ratios and Reynolds number up to Rex ~ 250 (based on Taylor-microscale). The influence of the intermittency to time-independent threshold is discussed. These structures have similar elongations in the streamwise direction to detached families in channels until they are of comparable size to the box. Their fractal dimensions, inner and outer lengths as a function of volume agree well with their counterparts in channels. The study about their spatial organizations found that Qs of the same type are aligned roughly in the direction of the velocity vector in the quadrant they belong to, while Qs of different types are restricted by the fact that there should be no velocity clash, which makes Q2s (ejections, u < 0, v > 0) and Q4s (sweeps, u > 0, v < 0) paired in the spanwise direction. This is verified by inspecting velocity structures, other quadrants such as u-w and v-w in SS-HST and also detached families in the channel. The streamwise alignment of attached Qs with the same type in channels is due to the modulation of the wall. The average flow field conditioned to Q2-Q4 pairs found that vortex clusters are in the middle of the pair, but prefer to the two shear layers lodging at the top and bottom of Q2s and Q4s respectively, which makes the spanwise vorticity inside vortex clusters does not cancel. The wall amplifies the difference between the sizes of low- and high-speed streaks associated with attached Q2-Q4 pairs as the pairs reach closer to the wall, which is verified by the correlation of streamwise velocity conditioned to attached Q2s and Q4s with different heights. Vortex clusters in SS-HST associated with Q2s or Q4s are also flanked by a counter rotating streamwise vortices in the spanwise direction as in the channel. The long conical ‘wake’ originates from tall attached vortex clusters found by del A´ lamo et al. (2006) and Flores et al. (2007b), which disappears in SS-HST, is only true for tall attached vortices associated with Q2s but not for those associated with Q4s, whose averaged flow field is actually quite similar to that in SS-HST. Third, the temporal evolutions of Qs and vortex clusters are studied by using the method invented by Lozano-Dur´an & Jim´enez (2014b). Structures are sorted into branches, which are further organized into graphs. Both spatial and temporal resolutions are chosen to be able to capture the most probable pointwise Kolmogorov length and time at the most extreme moment. Due to the minimal box effect, there is only one main graph consist by almost all the branches, with its instantaneous volume and number of structures follow the intermittent kinetic energy and enstrophy. The lifetime of branches, which makes more sense for primary branches, loses its meaning in SS-HST because the contributions of primary branches to total Reynolds stress or enstrophy are almost negligible. This is also true in the outer layer of channels. Instead, the lifetime of graphs in channels are compared with the bursting time in SS-HST. Vortex clusters are associated with almost the same quadrant in terms of their mean velocities during their life time, especially for those related with ejections and sweeps. As in channels, ejections in SS-HST move upwards with an average vertical velocity uτ (friction velocity) while the opposite is true for sweeps. Vortex clusters, on the other hand, are almost still in the vertical direction. In the streamwise direction, they are advected by the local mean velocity and thus deformed by the mean velocity difference. Sweeps and ejections move faster and slower than the mean velocity respectively, both by 1.5uτ . Vortex clusters move with the same speed as the mean velocity. It is verified that the incoherent structures near the wall is due to the wall instead of small size. The results suggest that coherent structures in channels are not particularly associated with the wall, or even with a given shear profile.

Presa en el río Genil. Écija (Sevilla)

En 1997 se produjeron grandes inundaciones sobre la ciudad de Écija, donde se puso de manifiesto la necesidad de reforzar las medidas de laminación de la cuenca del río Genil. El causante de las inundaciones fue la cuenca intermedia entre el embalse de Iznájar y Écija, ya que éste no vertió ni desaguó caudal alguno durante el episodio tormentoso. Ante esta situación la Confederación Hidrográfica del Guadalquivir redacto el "Proyecto de Defensa de Écija ante Inundaciones", que contempla la ejecución de una corta en el río Genil y la construcción de sendos diques de defensa en ambas márgenes del río. Además de un canal recreativo en la margen izquierda. Dicho proyecto, ya ejecutado, supone una mejora cualitativa en la defensa de la ciudad ante el riesgo de inundaciones, sin embargo la actuación debe completarse con la construcción de la Presa en el Río Genil, a fin de alcanzar unos adecuados niveles de garantías