Estudo para a optimização dos sistemas de climatização com vista à obtenção de um edifício com baixas necessidades energéticas em climatização

A presente tese tem como principal objectivo abordar o tema da eficiência energética em edifícios, no que se refere aos sistemas de climatização. O desenvolvimento deste projecto realizou-se em torno dos consumos energéticos dos diferentes sistemas de climatização estudados (e por conseguinte da envolvente do edifício), focando o cumprimento dos requisitos térmico e energéticos das normas vigentes (RCCTE e RSECE) em Portugal, tendo como objectivo identificar os parâmetros com maior impacto e a relação tendencial entre as soluções construtivas e tecnológicas adoptadas, sempre com o horizonte de maximizar a eficiência energética e diminuir a dependência face à energia primária e consequentemente a emissão de gases que provocam o efeito de estufa. É âmbito desta tese comparar diferentes tipos de sistemas de climatização a nível energético e torná-los os mais eficientes possíveis, para que também se possam tornar monetariamente aliciantes e aumentar o rácio entre benefício/custo. Para tal, numa primeira fase foi feito um estudo térmico da envolvente do edifício, tendo sido utilizado um software de simulação energética de edifícios acreditado pela norma ASHRAE 140-2004 para se poder compreender como o edifício se comportava ao longo do ano, e introduzir algumas correcções na respectiva envolvente, para baixar as potências térmicas/eléctricas dos equipamentos do sistema de AVAC. De seguida foram estudados três sistemas possíveis de climatização para o edifício, de modo a identificar o mais eficiente numa base anual, bem como a possibilidade de combinar o uso de fontes de energia renováveis com o intuito de satisfazer ao máximo as necessidades térmicas do edifício e, ainda, de minimizar o consumo de energia de origem não renovável. Por fim, para avaliar as diferentes potencialidades de cada sistema de climatização estudado, fez-se o respectivo estudo à sua viabilidade económica. Nas considerações finais da presente tese é realizado um estudo aos benefícios que uma possível alteração da arquitectura do edifício pode trazer no aumento da iluminação natural do mesmo integrado com um controlo da iluminação artificial necessária para os diferentes espaços climatizados. Os resultados obtidos foram comparados entre si e corrigir a envolvente exterior reduz os consumos energéticos do edifício em cerca de 11%. As medidas correctivas propostas no sistema de climatização base originam uma redução energética igual a 43%. A nível ambiental, é possível a redução do número de emissões de CO2 em cerca de 72.1%.

Amostragem Adaptativa em Redes de Sensores

Uma nova área tecnológica está em crescente desenvolvimento. Esta área, denominada de internet das coisas, surge na necessidade de interligar vários objetos para uma melhoria a nível de serviços ou necessidades por parte dos utilizadores. Esta dissertação concentra-se numa área específica da tecnologia internet das coisas que é a sensorização. Esta rede de sensorização é implementada pelo projeto europeu denominado de Future Cities [1] onde se cria uma infraestrutura de investigação e validação de projetos e serviços inteligentes na cidade do Porto. O trabalho realizado nesta dissertação insere-se numa das plataformas existentes nessa rede de sensorização: a plataforma de sensores ambientais intitulada de UrbanSense. Estes sensores ambientais que estão incorporados em Data Collect Unit (DCU), também denominados por nós, medem variáveis ambientais tais como a temperatura, humidade, ozono e monóxido de carbono. No entanto, os nós têm recursos limitados em termos de energia, processamento e memória. Apesar das grandes evoluções a nível de armazenamento e de processamento, a nível energético, nomeadamente nas baterias, não existe ainda uma evolução tão notável, limitando a sua operacionalidade [2]. Esta tese foca-se, essencialmente, na melhoria do desempenho energético da rede de sensores UrbanSense. A principal contribuição é uma adaptação do protocolo de redes Ad Hoc OLSR (Optimized Link State Routing Protocol) para ser usado por nós alimentados a energia renovável, de forma a aumentar a vida útil dos nós da rede de sensorização. Com esta contribuição é possível obter um maior número de dados durante períodos de tempo mais longos, aproximadamente 10 horas relativamente às 7 horas anteriores, resultando numa maior recolha e envio dos mesmos com uma taxa superior, cerca de 500 KB/s. Existindo deste modo uma aproximação analítica dos vários parâmetros existentes na rede de sensorização. Contudo, o aumento do tempo de vida útil dos nós sensores com recurso à energia renovável, nomeadamente, energia solar, incrementa o seu peso e tamanho que limita a sua mobilidade. Com o referido acréscimo a determinar e a limitar a sua mobilidade exigindo, por isso, um planeamento prévio da sua localização. Numa primeira fase do trabalho analisou-se o consumo da DCU, visto serem estes a base na infraestrutura e comunicando entre si por WiFi ou 3G. Após uma análise dos protocolos de routing com iv suporte para parametrização energética, a escolha recaiu sobre o protocolo OLSR devido à maturidade e compatibilidade com o sistema atual da DCU, pois apesar de existirem outros protocolos, a implementação dos mesmos, não se encontram disponível como software aberto. Para a validação do trabalho realizado na presente dissertação, é realizado um ensaio prévio sem a energia renovável, para permitir caracterização de limitações do sistema. Com este ensaio, tornou-se possível verificar a compatibilidade entre os vários materiais e ajustamento de estratégias. Num segundo teste de validação é concretizado um ensaio real do sistema com 4 nós a comunicar, usando o protocolo com eficiência energética. O protocolo é avaliado em termos de aumento do tempo de vida útil do nó e da taxa de transferência. O desenvolvimento da análise e da adaptação do protocolo de rede Ad Hoc oferece uma maior longevidade em termos de tempo de vida útil, comparando ao que existe durante o processamento de envio de dados. Apesar do tempo de longevidade ser inferior, quando o parâmetro energético se encontra por omissão com o fator 3, a realização da adaptação do sistema conforme a energia, oferece uma taxa de transferência maior num período mais longo. Este é um fator favorável para a abertura de novos serviços de envio de dados em tempo real ou envio de ficheiros com um tamanho mais elevado.

Energy and reserve provision dispatch considering distributed generation and demand response

In competitive electricity markets with deep concerns at the efficiency level, demand response programs gain considerable significance. In the same way, distributed generation has gained increasing importance in the operation and planning of power systems. Grid operators and utilities are taking new initiatives, recognizing the value of demand response and of distributed generation for grid reliability and for the enhancement of organized spot market´s efficiency. Grid operators and utilities become able to act in both energy and reserve components of electricity markets. This paper proposes a methodology for a joint dispatch of demand response and distributed generation to provide energy and reserve by a virtual power player that operates a distribution network. The proposed method has been computationally implemented and its application is illustrated in this paper using a 32 bus distribution network with 32 medium voltage consumers.

Demand response in electrical energy supply: an optimal real time pricing approach

In competitive electricity markets with deep concerns for the efficiency level, demand response programs gain considerable significance. As demand response levels have decreased after the introduction of competition in the power industry, new approaches are required to take full advantage of demand response opportunities. This paper presents DemSi, a demand response simulator that allows studying demand response actions and schemes in distribution networks. It undertakes the technical validation of the solution using realistic network simulation based on PSCAD. The use of DemSi by a retailer in a situation of energy shortage, is presented. Load reduction is obtained using a consumer based price elasticity approach supported by real time pricing. Non-linear programming is used to maximize the retailer’s profit, determining the optimal solution for each envisaged load reduction. The solution determines the price variations considering two different approaches, price variations determined for each individual consumer or for each consumer type, allowing to prove that the approach used does not significantly influence the retailer’s profit. The paper presents a case study in a 33 bus distribution network with 5 distinct consumer types. The obtained results and conclusions show the adequacy of the used methodology and its importance for supporting retailers’ decision making.

Distributed Generation and Demand Response Dispatch for a Virtual Power Player Energy and Reserve Provision

Recent changes in the operation and planning of power systems have been motivated by the introduction of Distributed Generation (DG) and Demand Response (DR) in the competitive electricity markets' environment, with deep concerns at the efficiency level. In this context, grid operators, market operators, utilities and consumers must adopt strategies and methods to take full advantage of demand response and distributed generation. This requires that all the involved players consider all the market opportunities, as the case of energy and reserve components of electricity markets. The present paper proposes a methodology which considers the joint dispatch of demand response and distributed generation in the context of a distribution network operated by a virtual power player. The resources' participation can be performed in both energy and reserve contexts. This methodology contemplates the probability of actually using the reserve and the distribution network constraints. Its application is illustrated in this paper using a 32-bus distribution network with 66 DG units and 218 consumers classified into 6 types of consumers.

Race-to-halt energy saving strategies

Energy consumption is one of the major issues for modern embedded systems. Early, power saving approaches mainly focused on dynamic power dissipation, while neglecting the static (leakage) energy consumption. However, technology improvements resulted in a case where static power dissipation increasingly dominates. Addressing this issue, hardware vendors have equipped modern processors with several sleep states. We propose a set of leakage-aware energy management approaches that reduce the energy consumption of embedded real-time systems while respecting the real-time constraints. Our algorithms are based on the race-to-halt strategy that tends to run the system at top speed with an aim to create long idle intervals, which are used to deploy a sleep state. The effectiveness of our algorithms is illustrated with an extensive set of simulations that show an improvement of up to 8% reduction in energy consumption over existing work at high utilization. The complexity of our algorithms is smaller when compared to state-of-the-art algorithms. We also eliminate assumptions made in the related work that restrict the practical application of the respective algorithms. Moreover, a novel study about the relation between the use of sleep intervals and the number of pre-emptions is also presented utilizing a large set of simulation results, where our algorithms reduce the experienced number of pre-emptions in all cases. Our results show that sleep states in general can save up to 30% of the overall number of pre-emptions when compared to the sleep-agnostic earliest-deadline-first algorithm.

Dispatch of distributed Energy Resources to Provide Energy and Reserve in Smart Grids using a Particle Swarm Optimization Approach

The smart grid concept is a key issue in the future power systems, namely at the distribution level, with deep concerns in the operation and planning of these systems. Several advantages and benefits for both technical and economic operation of the power system and of the electricity markets are recognized. The increasing integration of demand response and distributed generation resources, all of them mostly with small scale distributed characteristics, leads to the need of aggregating entities such as Virtual Power Players. The operation business models become more complex in the context of smart grid operation. Computational intelligence methods can be used to give a suitable solution for the resources scheduling problem considering the time constraints. This paper proposes a methodology for a joint dispatch of demand response and distributed generation to provide energy and reserve by a virtual power player that operates a distribution network. The optimal schedule minimizes the operation costs and it is obtained using a particle swarm optimization approach, which is compared with a deterministic approach used as reference methodology. The proposed method is applied to a 33-bus distribution network with 32 medium voltage consumers and 66 distributed generation units.

Integration in MASCEM of the Joint Dispatch of Energy and Reserves Provided by Generation and Demand Resources

The provision of reserves in power systems is of great importance in what concerns keeping an adequate and acceptable level of security and reliability. This need for reserves and the way they are defined and dispatched gain increasing importance in the present and future context of smart grids and electricity markets due to their inherent competitive environment. This paper concerns a methodology proposed by the authors, which aims to jointly and optimally dispatch both generation and demand response resources to provide the amounts of reserve required for the system operation. Virtual Power Players are especially important for the aggregation of small size demand response and generation resources. The proposed methodology has been implemented in MASCEM, a multi agent system also developed at the authors’ research center for the simulation of electricity markets.

Energy-aware task mapping onto heterogeneous platforms using DVFS and sleep states

Heterogeneous multicore platforms are becoming an interesting alternative for embedded computing systems with limited power supply as they can execute specific tasks in an efficient manner. Nonetheless, one of the main challenges of such platforms consists of optimising the energy consumption in the presence of temporal constraints. This paper addresses the problem of task-to-core allocation onto heterogeneous multicore platforms such that the overall energy consumption of the system is minimised. To this end, we propose a two-phase approach that considers both dynamic and leakage energy consumption: (i) the first phase allocates tasks to the cores such that the dynamic energy consumption is reduced; (ii) the second phase refines the allocation performed in the first phase in order to achieve better sleep states by trading off the dynamic energy consumption with the reduction in leakage energy consumption. This hybrid approach considers core frequency set-points, tasks energy consumption and sleep states of the cores to reduce the energy consumption of the system. Major value has been placed on a realistic power model which increases the practical relevance of the proposed approach. Finally, extensive simulations have been carried out to demonstrate the effectiveness of the proposed algorithm. In the best-case, savings up to 18% of energy are reached over the first fit algorithm, which has shown, in previous works, to perform better than other bin-packing heuristics for the target heterogeneous multicore platform.