Spatial modeling of data with excessive zeros applied to reindeer pellet-group counts

We analyze a real data set pertaining to reindeer fecal pellet-group counts obtained from a survey conducted in a forest area in northern Sweden. In the data set, over 70% of counts are zeros, and there is high spatial correlation. We use conditionally autoregressive random effects for modeling of spatial correlation in a Poisson generalized linear mixed model (GLMM), quasi-Poisson hierarchical generalized linear model (HGLM), zero-inflated Poisson (ZIP), and hurdle models. The quasi-Poisson HGLM allows for both under- and overdispersion with excessive zeros, while the ZIP and hurdle models allow only for overdispersion. In analyzing the real data set, we see that the quasi-Poisson HGLMs can perform better than the other commonly used models, for example, ordinary Poisson HGLMs, spatial ZIP, and spatial hurdle models, and that the underdispersed Poisson HGLMs with spatial correlation fit the reindeer data best. We develop R codes for fitting these models using a unified algorithm for the HGLMs. Spatial count response with an extremely high proportion of zeros, and underdispersion can be successfully modeled using the quasi-Poisson HGLM with spatial random effects.

Renar och vindkraft II : Vindkraft i drift och effekter på renar och renskötsel

Utbyggnaden av vindkraft inom renskötselområdet har ökat markant det senaste decenniet, trots att kunskapen om påverkan av vindkraftsetableringar ännu inte är fullt utredd och dokumenterad. I den här rapporten beskriver vi framförallt hur vindkraftparker i driftsfas påverkar renarna och renskötseln i tre olika områden. I Malå sameby har vi studerat kalvningsområdet kring Storliden och Jokkmokkslidens vindkraftparker. I Vilhelmina Norra sameby har vi studerat vinterbetesområdet kring Stor-Rotlidens vindkraftpark, samt Lögdeålandets betesområde med Gabrielsbergets vindkraftpark som används av Byrkije reinbetesdistrikt från Norge. För att få en helhetsbild av hur renarna använder sitt betesområde är det viktigt att studera renarnas betes- och förflyttningsmönster långsiktigt och över hela deras betesområde och inte bara inom det lokala området nära parken. Det är också viktigt att ta hänsyn till att renarnas betesutnyttjande skiftar från år till år och mellan olika årstider beroende på väderlek och andra yttre förutsättningar. Vi vill också understryka vikten av att kombinera den traditionella kunskapen från renskötarna med vedertagna vetenskapliga analysmetoder för att besvara de frågor som är viktiga för att kunna bedriva en hållbar renskötsel. Vi har undersökt renarnas användning av områdena genom att utföra spillningsinventeringar under åren 2009-2015 (endast i Malå sameby), och genom att följa renar utrustade med GPS-halsband under åren 2005-2015. Datat är insamlat före och under byggfas och under driftsfas (för Gabrielsberget finns GPS-data endast för driftsfasen). Vi har analyserat data genom att utveckla statistiska modeller för val av betesområde för varje område där vi har beräknat hur renarna förhåller sig till vindkraftparksområdet före, under och efter byggnation, och på Gabrielsberget när parken varit avstängd under 40 dagar och under drift vid olika renskötselsituationer. Genom intervjuer, möten och samtal, samt information från Gabrielsbergets vindkraftparks kontrollprogram, har vi tagit del av renskötarnas erfarenheter av hur renarnas beteende, och därmed även renskötseln, påverkats av vindkraftsutbyggnaden i respektive område. Våra resultat visar att renarna både på kalvnings- och på vinterbetesområden påverkas negativt av vindkraftsetableringarna (Tabell a). Renarna undviker att beta i områden där de kan se och/eller höra vindkraftsverken och föredrar att vistas i områden där vindkraftverken är skymda. I kalvningsområdet i Malå ökade användningen av skymda områden med 60 % under driftsfas. I vinterbetesområdet på Gabrielsberget, när renarna utfodrades i parken och kantbevakades intensivt för att stanna i parkområdet under driftsfas, ökade användningen av skymda områden med 13 % jämfört med när de inte var utfodrade och fick ströva mer fritt. Resultaten visar också att renarna minskar sin användning av området nära vindkraftparkerna. I kalvningslandet i Malå minskar renarna sin användning av områden inom 5 km från parkerna med 16-20 %. Vintertid vid Gabrielsbergets vindkraftpark undvek renarna parken med 3 km. Våra resultat visar även att renarnas betesro minskar inom en radie på 4 km från vindkraftparkerna under kalvningsperioden och tiden därefter i jämförelse med perioden före byggfas. Exakta avstånd som renarna påverkas beror på förutsättningarna i respektive område, exempelvis hur topografin ser ut eller om området är begränsat av stängsel eller annan infrastruktur. Förändringarna i habitatutnyttjande i våra studieområden blev tydligare när parkerna var centralt belägna i renarnas betesområde, som i kalvningsområdet i Malå eller i vinterbeteslandet på Gabrielsberget, medan det inte var lika tydliga effekter kring Stor-Rotlidens park, som ligger i utkanten av ett huvudbetesområde. Oftast är snöförhållandena bättre ur betessynpunkt högre upp i terrängen än nere i dalgångarna, på grund av stabilare temperatur, vind som blåser bort snötäcket och mer variation i topografin. Därför kan etablering av vindkraftparker i höglänta områden försämra möjligheten att använda sådana viktiga reservbetesområden under vintrar med i övrigt dåliga snöförhållanden, vilka blir allt vanligare i och med klimatförändringarna. Våra resultat tyder inte direkt på att renarna påverkats negativt under dåliga betesvintrar men fler år av studier behövs för att ytterligare klargöra hur vindkraft påverkar renarna under dessa vintrar. Våra studier har visat att etablering av vindkraft har konsekvenser för renskötseln under både barmarkssäsongen och under vintern, men effekterna förmodas få störst inverkan inom vinterbetesområdet där det är svårt att hitta alternativa betesområden för renarna. Under sommaren är betestillgången oftast mindre begränsad och renarna kan lättare hitta alternativa områden. En direkt konsekvens av Gabrielsbergets vindkraftpark som är placerad mitt i ett vinterbetesområde har blivit att renarna behöver tillskottsutfodras och bevakas intensivare för att de inte ska gå ut ur området. När den naturliga vandringen mellan olika betesområden störs för att renarna undviker att vistas i ett område kan det leda till att den totala tillgången till naturligt bete minskar och att man permanent måste tillskottsutfodra, alternativt minska antalet renar. Annan infrastruktur som vägar och kraftledningar påverkar också renarna. Vid Storliden och Jokkmokksliden och vid Stor-Rotliden där data samlats in innan vindkraftparken uppfördes visar våra resultat att renarna undviker de omkringliggande landsvägarna redan innan parkerna etablerades. Vid Stor-Rotliden ökar dock renarna användningen av områden nära vägarna efter att parken är byggd. På Gabrielsberget, där vi endast har data under drifttiden, är renarna närmare vägarna (även stora vägar som E4) när renskötarna minskar på kantbevakningen för att inte hålla renarna nära parken. Detta ökar naturligtvis risken för trafikolyckor och innebär att renskötarna måste bevaka dessa områden intensivare. Sist i rapporten presenterar vi förslag till åtgärder som kan användas för att underlätta arbetet för renskötseln om det är så att en vindkraftpark redan är byggd. Några exempel på åtgärder som är direkt kopplat till parken är att stänga av vägarna in i vindkraftparken för att förhindra nöjeskörning med skoter och bil under den tiden renarna vistas i området samt tät dialog mellan vindkraftsbolag och sameby angående vinterväghållningen av vägarna till och inom vindkraftparken. Andra mer regionala åtgärder för att förbättra förutsättningarna för renskötselarbetet på andra platser för samebyn, kan vara att sätta stängsel längst större vägar och järnvägar (t.ex. E4:an eller stambanan) i kombination med strategiskt utplacerade ekodukter. Detta för att underlätta och återställa möjligheterna till renarnas fria strövning och renskötarnas flytt av renar mellan olika betesområden.   

Design method for solar heating systems in combination with pellet boilers/stoves

In this study an optimization method for the design of combined solar and pellet heating systems is presented and evaluated. The paper describes the steps of the method by applying it for an example of system. The objective of the optimization was to find the design parameters that give the lowest auxiliary energy (pellet fuel + auxiliary electricity) and carbon monoxide (CO) emissions for a system with a typical load, a single family house in Sweden. Weighting factors have been used for the auxiliary energy use and CO emissions to give a combined target function. Different weighting factors were tested. The results show that extreme weighting factors lead to their own minima. However, it was possible to find factors that ensure low values for both auxiliary energy and CO emissions.

Combined solar and pellet heating systems for single-family houses : How to achieve decreased electricity usage, increased system efficiency and increased solar gains

In Sweden, there are about 0.5 million single-family houses that are heated by electricity alone, and rising electricity costs force the conversion to other heating sources such as heat pumps and wood pellet heating systems. Pellet heating systems for single-family houses are currently a strongly growing market. Future lack of wood fuels is possible even in Sweden, and combining wood pellet heating with solar heating will help to save the bio-fuel resources. The objectives of this thesis are to investigate how the electrically heated single-family houses can be converted to pellet and solar heating systems, and how the annual efficiency and solar gains can be increased in such systems. The possible reduction of CO-emissions by combining pellet heating with solar heating has also been investigated. Systems with pellet stoves (both with and without a water jacket), pellet boilers and solar heating have been simulated. Different system concepts have been compared in order to investigate the most promising solutions. Modifications in system design and control strategies have been carried out in order to increase the system efficiency and the solar gains. Possibilities for increasing the solar gains have been limited to investigation of DHW-units for hot water production and the use of hot water for heating of dishwashers and washing machines via a heat exchanger instead of electricity (heat-fed appliances). Computer models of pellet stoves, boilers, DHW-units and heat-fed appliances have been developed and the parameters for the models have been identified from measurements on real components. The conformity between the models and the measurements has been checked. The systems with wood pellet stoves have been simulated in three different multi-zone buildings, simulated in detail with heat distribution through door openings between the zones. For the other simulations, either a single-zone house model or a load file has been used. Simulations were carried out for Stockholm, Sweden, but for the simulations with heat-fed machines also for Miami, USA. The foremost result of this thesis is the increased understanding of the dynamic operation of combined pellet and solar heating systems for single-family houses. The results show that electricity savings and annual system efficiency is strongly affected by the system design and the control strategy. Large reductions in pellet consumption are possible by combining pellet boilers with solar heating (a reduction larger than the solar gains if the system is properly designed). In addition, large reductions in carbon monoxide emissions are possible. To achieve these reductions it is required that the hot water production and the connection of the radiator circuit is moved to a well insulated, solar heated buffer store so that the boiler can be turned off during the periods when the solar collectors cover the heating demand. The amount of electricity replaced using systems with pellet stoves is very dependant on the house plan, the system design, if internal doors are open or closed and the comfort requirements. Proper system design and control strategies are crucial to obtain high electricity savings and high comfort with pellet stove systems. The investigated technologies for increasing the solar gains (DHW-units and heat-fed appliances) significantly increase the solar gains, but for the heat-fed appliances the market introduction is difficult due to the limited financial savings and the need for a new heat distribution system. The applications closest to market introduction could be for communal laundries and for use in sunny climates where the dominating part of the heat can be covered by solar heating. The DHW-unit is economical but competes with the internal finned-tube heat exchanger which is the totally dominating technology for hot water preparation in solar combisystems for single-family houses.

Annual CO-emissions of combined pellet and solar heating systems

Emissions are an important aspect of a pellet heating system. High carbon monoxide emissions are often caused by unnecessary cycling of the burner when the burner is operated below the lowest combustion power. Combining pellet heating systems with a solar heating system can significantly reduce cycling of the pellet heater and avoid the inefficient summer operation of the pellet heater. The aim of this paper was to study CO-emissions of the different types of systems and to compare the yearly CO-emissions obtained from simulations with the yearly CO-emissions calculated based on the values that are obtained by the standard test methods. The results showed that the yearly CO-emissions obtained from the simulations are significant higher than the yearly CO-emissions calculated based on the standard test methods. It is also shown that for the studied systems the average emissions under these realistic annual conditions were greater than the limit values of two Eco-labels. Furthermore it could be seen that is possible to almost halve the CO-emission if the pellet heater is combined with a solar heating system.

Emissions Characterisation of residential pellet boilers during start-up and stop periods

In this study, gaseous emissions and particles are measured during start-up and stop periods for an over-fed boiler and an under-fed boiler. Both gaseous and particulate matter emissions are continuously measured in the laboratory. The measurement of gaseous emissions includes oxygen (O2), carbon dioxide (CO2), carbon monoxide (CO), nitrogen oxide and (NO). The emissions rates are calculated from measured emissions concentrations and flue gas flow. The behaviours of the boilers during start-up and stop periods are analysed and the emissions are characterised in terms of CO, NO, TOC and particles (PM2.5 mass and number). The duration of the characterised periods vary between two boilers due to the difference in type of ignition and combustion control. The under-fed boiler B produces higher emissions during start-up periods than the over-fed boiler A. More hydrocarbon and particles are emitted by the under-fed boiler during stop periods. Accumulated mass of CO and TOC during start-up and stop periods contribute a major portion of the total mass emitted during whole operation. However, accumulated mass of NO and PM during start-up and stop periods are not significant as the duration of emission peak is relatively short.

EMISSIONS CHARACTERISTICS OF A RESIDENTIAL PELLET BOILER AND A STOVE

Gaseous and particulate emissions from a residential pellet boiler and a stove are measured at a realistic 6-day operation sequence and during steady state operation. The aim is to characterize the emissions during each phase in order to identify when the major part of the emissions occur to enable actions for emission reduction where the savings can be highest. The characterized emissions comprised carbon monoxide (CO), nitrogen oxide (NO), total organic carbon (TOC) and particulate matter (PM 2.5). In this study, emissions were characterised by mass concentration and emissions during start-up and stop phases were also presented in accumulated mass. The influence of start-up and stop phases on the emissions, average emission factors for the boiler and stove were analysed using the measured data from a six-days test. The share of start-up and stop emissions are significant for CO and TOC contributing 95% and 89% respectively at the 20kW boiler and 82% and 89% respectively at the 12 kW stove. NO and particles emissions are shown to dominate during stationary operation.