Hacia un modelo dinámico para la isla de calor urbana de Madrid = Towards a Dynamic Model for the Urban Heat Island of Madrid

Esta investigación se enmarca dentro del proyecto MODIFICA (modelo predictivo - Edificios - Isla de Calor Urbano), financiado por el Programa de I + D + i Orientada a los Retos de la sociedad 'Retos Investigación' de 2013. Está dirigido a desarrollar un modelo predictivo de eficiencia energética para viviendas, bajo el efecto de isla de calor urbano (AUS) con el fin de ponerla en práctica en la evaluación de la demanda de energía real y el consumo en las viviendas. A pesar de los grandes avances que se han logrado durante los últimos años en el rendimiento energético de edificios, los archivos de tiempo utilizados en la construcción de simulaciones de energía se derivan generalmente de estaciones meteorológicas situadas en las afueras de la ciudad. Por lo tanto, el efecto de la Isla de Calor Urbano (ICU) no se considera en estos cálculos, lo que implica una importante falta de precisión. Centrado en explorar cómo incluir los fenómenos ICU, el presente trabajo recopila y analiza la dinámica por hora de la temperatura en diferentes lugares dentro de la ciudad de Madrid. Abstract This research is framed within the project MODIFICA (Predictive model - Buildings - Urban Heat Island), funded by Programa de I+D+i orientada a los retos de la sociedad 'Retos Investigación' 2013. It is aimed at developing a predictive model for dwelling energy performance under the Urban Heat Island (UHI) effect in order to implement it in the evaluation of real energy demand and consumption in dwellings. Despite great advances on building energy performance have been achieved during the last years, weather files used in building energy simulations are usually derived from weather stations placed in the outskirts of the city. Hence, Urban Heat Island (UHI) effect is not considered in this calculations, which implies an important lack of accuracy. Focused on exploring how to include the UHI phenomena, the present paper compiles and analyses the hourly dynamics of temperature in different locations within the city of Madrid.

Almacenamiento de energía térmica por calor latente en los edificios: bases para la optimización de aplicaciones pasivas, opacas y traslúcidas

La principal motivación para la elección del tema de la tesis es nuestra realidad energética y ambiental. Y más específicamente, la necesidad urgente de dar una respuesta a esta realidad desde el sector de la edificación. Por lo que, el trabajo parte de la búsqueda de soluciones pasivas que ayuden a la reducción del consumo energético y de las emisiones de C02 de los edificios, tanto nuevos como existentes. El objeto de estudio son aplicaciones innovadoras, basadas en el uso de materiales reactivos, con un efecto térmico de memoria bidireccional. La energía es un elemento imprescindible para el desarrollo. Sin embargo, el modelo energético predominante, basado principalmente en la utilización de combustibles de origen fósil, es uno de los importantes responsables del deterioro ambiental que sufre el planeta. Además, sus reservas son limitadas y están concentradas en unas pocas regiones del mundo, lo que genera problemas de dependencia, competitividad y de seguridad de suministro. Dado el gran potencial de ahorro energético del sector de la edificación, la Unión Europea en sus directivas enfatiza la necesidad de mejorar la eficiencia energética de los edificios. Añadiendo, además, la obligatoriedad de desarrollar edificios “energía casi nula”, cuyo prerrequisito es tener un muy alto rendimiento energético. En España, los edificios son responsables del 31% del consumo de energía primaria. La mayor parte de este consumo se relaciona a la utilización de sistemas activos de acondicionamiento. Una medida efectiva para reducir la demanda es mejorar la envolvente. Sin embargo, hay que buscar estrategias adicionales para aumentar aún más la eficiencia de los edificios nuevos y existentes. Para los climas de España, el uso de la inercia térmica ha probado ser una estrategia válida. Sin embargo, su funcionamiento está vinculado al peso y al volumen de los materiales utilizados. Esto limita sus posibilidades en la rehabilitación energética y en los nuevos edificios basados en la construcción ligera. Una alternativa es el uso de aplicaciones de almacenamiento térmico por calor latente, utilizando materiales de cambio de fase (PCM). Los PCM son sustancias con un muy alto calor de fusión, capaces de almacenar una gran cantidad de energía térmica sin requerir aumentos significativos de peso o volumen. Estas características los hacen idóneos para reducir el consumo relacionado con el acondicionamiento térmico, en edificios nuevos y existentes. En la parte preliminar de la investigación, se encontró que para lograr un aprovechamiento óptimo de las aplicaciones con PCM es necesario tener un conocimiento profundo de su funcionamiento y de las variables del sistema. De ahí que el objetivo principal de la presente tesis sea: establecer las bases para la optimizatión integral de las aplicaciones con almacenamiento de energía térmica por calor latente, identificando y validando sus variables más relevantes. La investigación consta de tres partes. La primera, documental, sistematizando y jerarquizando la información científica publicada; la segunda, numérica, basada en un análisis paramétrico de una aplicación con PCM, utilizando simulaciones térmicas; y la tercera, experimental, monitorizando el funcionamiento térmico y energético de diferentes aplicaciones con PCM en módulos a escala real. Los resultados brindan un más profundo entendimiento del funcionamiento de las aplicaciones evaluadas. Han permitido identificar sus variables relevantes, cuantificar su influencia, y determinar condiciones óptimas para su utilización así como situaciones en las que sería muy difícil justificar su uso. En el proceso, se realizó la caracterización térmica y energética de aplicaciones con PCM, tanto opacas como traslúcidas. Además, se ha encontrado que las aplicaciones con PCM son capaces de aumentar la eficiencia energética inclusive en recintos con diseños optimizados, demostrando ser una de las estrategias adecuadas para lograr el muy alto desempeño energético requerido en los edificios energía nula. ABSTRACT The main motivation for choosing the theme of the thesis is our energy and environmental reality. And more specifically, the urgent need to respond to this reality from the building sector. This is why, the work start with the search of passive solutions that help reduce energy consumption and C02 emissions of buildings, in both new and existing ones. The object of study is innovative applications based on the use of responsive materials, with bidirectional thermal memory. Energy is an essential element for development. However, the predominant energy model, based primarily on the use of fossil fuels, is one of the major responsible for the environmental deterioration of the planet, the cause of most of the CO2 emissions. Furthermore, reserves of fossil fuels are limited and are concentrated in a few regions of the world, which creates issues related to dependency, competitiveness, and security of supply. Given the large potential for energy savings in the building sector, the European Union in its directives emphasizes the need to improve energy efficiency in buildings. Also, adding the obligation to develop "nearly zero energy" buildings, whose first prerequisite is to achieve a very high energy efficiency. In Spain, buildings are responsible for 31% of primary energy consumption and most of this consumption is related to the used of HVAC systems. One of the most effective measures to reduce demand is to improve the envelope. However, it is necessary to look for additional strategies to further increase the efficiency of new and existing buildings. For the predominant climates in Spain, use of the thermal inertia may be a valid strategy. Nevertheless, its operation is linked to weight and volume of the materials used. This limits their possibilities in the existing buildings energy retrofitting and in the new buildings based on lightweight construction. An alternative is the use of latent heat thermal energy storage applications (LHTES), using phase change materials (PCM). PCM are substances with a high heat of fusion, capable of storing a large amount of thermal energy without requiring significant increases in weight or volume. These features make them ideal for reducing energy consumption associated with thermal conditioning in both new and existing buildings. In the preliminary part of the investigation, it was found that to get optimum utilization of the PCM applications is needed to have a deep understanding of its operation and, in particular, how the system variables affect its performance. Hence, the main objective of this thesis is: to establish the basis for the integral optimization of applications with latent heat thermal energy storage, identifying and validating the most relevant variables. The research comprises of three parts. The first, documentary, systematizing and prioritizing published scientific information. The second, numeric, based on a parametric analysis of an application PCM using thermal simulations. The third, experimental, monitoring the thermal and energy performance of different applications with PCM on real scale test cells. The results provide a complete understanding of the functioning of the evaluated LHTES application. They have allowed to identify their relevant variables, quantify their influence and determine optimum conditions for use as well as situations where it would be very difficult to justify its use. In the process, it was carried out the power and thermal characterization of various opaque and translucent PCM applications. Furthermore, it has been found that applications with PCM can increase the energy efficiency, even in buildings with optimized designs; proving to be one of the appropriate measures to achieve the high energy performance required in zero energy buildings.

Construcción modular ligera energéticamente eficiente

Esta tesis trata sobre la construcción modular ligera, dentro del contexto de la eficiencia energética y de cara a los conceptos de nZEB (near Zero Energy Building) y NZEB (Net Zero Energy Building) que se manejan en el ámbito europeo y específicamente dentro del marco regulador de la Directiva 2010/31 UE. En el contexto de la Unión Europea, el sector de la edificación representa el 40% del total del consumo energético del continente. Asumiendo la necesidad de reducir este consumo se han planteado, desde los organismos de dirección europeos, unos objetivos (objetivos 20-20-20) para hacer más eficiente el parque edificatorio. Estos objetivos, que son vinculantes en términos de legislación, comprometen a todos los estados miembros a conseguir la meta de reducción de consumo y emisiones de GEI (Gases de Efecto Invernadero) antes del año 2020. Estos conceptos de construcción modular ligera (CML) y eficiencia energética no suelen estar asociados por el hecho de que este tipo de construcción no suele estar destinada a un uso intensivo y no cuenta con unos cerramientos con niveles de aislamiento de acuerdo a las normativas locales o códigos de edificación de cada país. El objetivo de nZEB o NZEB, e incluso Energy Plus, según sea el caso, necesariamente (y así queda establecido en las normativas), dependerá no sólo de la mejora de los niveles de aislamiento de los edificios, sino también de la implementación de sistemas de generación renovables, independientemente del tipo de sistema constructivo con el que se trabaje e incluso de la tipología edificatoria. Si bien es cierto que los niveles de industrialización de la sociedad tecnológica actual han alcanzado varias de las fases del proceso constructivo - sobre todo en cuanto a elementos compositivos de los edificios- también lo es el hecho de que las cotas de desarrollo conseguidas en el ámbito de la construcción no llegan al nivel de evolución que se puede apreciar en otros campos de las ingenierías como la aeronáutica o la industria del automóvil. Aunque desde finales del siglo pasado existen modelos y proyectos testimoniales de construcción industrializada ligera (CIL) e incluso ya a principios del siglo XX, ejemplos de construcción modular ligera (CML), como la Casa Voisin, la industrialización de la construcción de edificios no ha sido una constante progresiva con un nivel de comercialización equiparable al de la construcción masiva y pesada. Los términos construcción industrializada, construcción prefabricada, construcción modular y construcción ligera, no siempre hacen referencia a lo mismo y no siempre son sinónimos entre sí. Un edificio puede ser prefabricado y no ser modular ni ligero y tal es el caso, por poner un ejemplo, de la construcción con paneles de hormigón prefabricado. Lo que sí es una constante es que en el caso de la construcción modular ligera, la prefabricación y la industrialización, casi siempre vienen implícitas en muchos ejemplos históricos y actuales. Con relación al concepto de eficiencia energética (nZEB o incluso NZEB), el mismo no suele estar ligado a la construcción modular ligera y/o ligera industrializada; más bien se le ve unido a la idea de cerramientos masivos con gran inercia térmica propios de estándares de diseño como el Passivhaus; y aunque comúnmente a la construcción ligera se le asocian otros conceptos que le restan valor (corta vida útil; función y formas limitadas, fuera de todo orden estético; limitación en los niveles de confort, etc.), los avances que se van alcanzando en materia de tecnologías para el aprovechamiento de la energía y sistemas de generación renovables, pueden conseguir revertir estas ideas y unificar el criterio de eficiencia + construcción modular ligera. Prototipos y proyectos académicos– como el concurso Solar Decathlon que se celebra desde el año 2002 promovido por el DOE (Departamento de Energía de los Estados Unidos), y que cuenta con ediciones europeas como las de los años 2010 y 2012, replantean la idea de la construcción industrializada, modular y ligera dentro del contexto de la eficiencia energética, con prototipos de viviendas de ± 60m2, propuestos por las universidades concursantes, y cuyo objetivo es alcanzar y/o desarrollar el concepto de NZEB (Net Zero Energy Building) o edificio de energía cero. Esta opción constructiva no sólo representa durabilidad, seguridad y estética, sino también, rapidez en la fabricación y montaje, además de altas prestaciones energéticas como se ha podido demostrar en las sucesivas ediciones del Solar Decathlon. Este tipo de iniciativas de desarrollo de tecnologías constructivas, no sólo apuntan a la eficiencia energética sino al concepto global de energía neta, Energía plus o cero emisiones de CO2. El nivel de emisiones por la fabricación y puesta en obra de los materiales de construcción depende, en muchos casos, no solo de la propia naturaleza del material, sino también de la cantidad de recursos utilizados para producir una unidad de medida determinada (kg, m3, m2, ml, etc). En este sentido podría utilizarse, en muchos casos, el argumento válido de que a menos peso, y a menos tamaño, menos emisiones globales de gases de efecto invernadero y menos contaminación. Para el trabajo de investigación de esta tesis se han tomado como referencias válidas para estudio, prototipos tanto de CML (Modular 3D) como de CIL (panelizado y elementos 2D), dado que para los fines de análisis de las prestaciones energéticas de los materiales de cerramiento, ambos sistemas son equiparables. Para poder llegar a la conclusión fundamental de este trabajo de tesis doctoral - que consiste en demostrar la viabilidad tecnológica/ industrial que supone la combinación de la eficiencia energética y la construcción modular ligera - se parte del estudio del estado de la técnica ( desde la selección de los materiales y los posibles procesos de industrialización en fábrica, hasta su puesta en obra, funcionamiento y uso, bajo los conceptos de consumo cero, cero emisiones de carbono y plus energético). Además -y con un estado de la técnica que identifica la situación actual- se llevan a cabo pruebas y ensayos con un prototipo a escala natural y células de ensayo, para comprobar el comportamiento de los elementos compositivos de los mismos, frente a unas condicionantes climáticas determinadas. Este tipo de resultados se contrastan con los obtenidos mediante simulaciones informáticas basadas en los mismos parámetros y realizadas en su mayoría mediante métodos simplificados de cálculos, validados por los organismos competentes en materia de eficiencia energética en la edificación en España y de acuerdo a la normativa vigente. ABSTRACT This thesis discusses lightweight modular construction within the context of energy efficiency in nZEB (near Zero Energy Building) and NZEB (Net Zero Energy Building) both used in Europe and, specifically, within the limits of the regulatory framework of the EU Directive 2010/31. In the European Union the building sector represents 40% of the total energy consumption of the continent. Due to the need to reduce this consumption, European decision-making institutions have proposed aims (20-20-20 aims) to render building equipment more efficient. These aims are bound by law and oblige all member States to endeavour to reduce consumption and GEI emissions before the year 2020. Lightweight modular construction concepts and energy efficiency are not generally associated because this type of building is not normally meant for intensive use and does not have closures with insulation levels which fit the local regulations or building codes of each country. The objective of nZEB or NZEB and even Energy Plus, depending on each case, will necessarily be associated (as established in the guidelines) not only with the improvement of insulation levels in buildings, but also with the implementation of renewable systems of generation, independent of the type of building system used and of the building typology. Although it is true that the levels of industrialisation in the technological society today have reached several of the building process phases - particularly in the composite elements of buildings - it is also true that the quotas of development achieved in the area of construction have not reached the evolutionary levelfound in other fields of engineering, such as aeronautics or the automobile industry. Although there have been models and testimonial projects of lightweight industrialised building since the end of last century, even going back as far as the beginning of the XX century with examples of lightweight modular construction such as the Voisin House, industrialisation in the building industry has not been constant nor is its comercialisation comparable to massive and heavy construction. The terms industrialised building, prefabricated building, modular building and lightweight building, do not always refer to the same thing and they are not always synonymous. A building can be prefabricated yet not be modular or lightweight. To give an example, this is the case of building with prefabricated concrete panels. What is constant is that, in the case of lightweight modular construction, prefabrication and industrialisation are almost always implicit in many historical and contemporary examples. Energy efficiency (nZEB or even NZEB) is not normally linked to lightweight modular construction and/or industrialised lightweight; rather, it is united to the idea of massive closureswith high thermal inertia typical of design standards such as the Passive House; and although other concepts that subtract value from it are generally associated with lightweight building (short useful life, limited forms and function, inappropriate toany aesthetic pattern; limitation in comfort levels, etc.), the advances being achieved in technology for benefitting from energy and renewable systems of generation may well reverse these ideas and unify the criteria of efficiency + lightweight modular construction. Academic prototypes and projects - such as the Solar Decathlon competition organised by the US Department of Energy and celebrated since 2002, with its corresponding European events such as those held in 2010 and 2012, place a different slant on the idea of industrialised, modular and lightweight building within the context of energy efficiency, with prototypes of homes measuring approximately 60m2, proposed by university competitors, whose aim is to reach and/or develop the NZEB concept, or the zero energy building. This building option does not only signify durability, security and aesthetics, but also fast manufacture and assembly. It also has high energy benefits, as has been demonstrated in successive events of the Solar Decathlon. This type of initiative for the development of building technologies, does not only aim at energy efficiency, but also at the global concept of net energy, Energy Plus and zero CO2 emissions. The level of emissions in the manufacture and introduction of building materials in many cases depends not only on the inherent nature of the material, but also on the quantity of resources used to produce a specific unit of measurement (kg, m3, m2, ml, etc.). Thus in many cases itcould be validly arguedthat with less weight and smaller size, there will be fewer global emissions of greenhouse effect gases and less contamination. For the research carried out in this thesis prototypes such as the CML (3D Module) and CIL (panelled and elements) have been used as valid study references, becauseboth systems are comparablefor the purpose of analysing the energy benefits of closure materials. So as to reach a basic conclusion in this doctoral thesis - that sets out to demonstrate the technological/industrial viability of the combination of energy efficiency and lightweight modular construction - the departure point is the study of the state of the technique (from the selection of materials and the possible processes of industrialisation in manufacture, to their use on site, functioning and use, respecting the concepts of zero consumption, zero emissions of carbon and Energy Plus). Moreover, with the state of the technique identifying the current situation, tests and practices have been carried out with a natural scale prototype and test cells so as to verify the behaviour of the composite elements of these in certain climatic conditions. These types of result are contrasted with those obtained through computer simulation based on the same parameters and done, principally, using simplified methods of calculation, validated by institutions competent in energy efficiency in Spanish building and in line with the rules in force.

Cuentas energéticas no habituales en edificación residencial

La evaluación energética de edificios, suele cuantificar resultados referentes a consumos, ahorros energéticos y económicos, amortizaciones, emisiones de CO2, etc.; sin embargo, existen otros factores habitualmente no considerados que pueden ser determinantes en la elección de soluciones para el mejor comportamiento y la eficiencia energética global de las edificaciones y en el bienestar y la calidad de vida de sus usuarios. En el presente artículo se muestran casos reales en los que aparecen ejemplos y cuestiones como la inadecuación de algunos parámetros en condiciones sociales de pobreza energética donde no cabe valorar ahorros sin consumos, la interrelación entre indicadores energéticos y otros temporales y sociales habitualmente poco tratados, la influencia de soluciones constructivas que se contabilizan energéticamente de modo poco efectivo, pero que consiguen resultados reales superiores, los variaciones en los modelos de confort, y la atención a las estrategias teniendo en cuenta los escenarios del cambio climático.

Ciudades Inteligentes: La mitificación de las nuevas tecnologías como respuesta a los retos de las ciudades contemporáneas

Desde su aparición en los años noventa del siglo pasado, el concepto « Smart Cities » ha estado fuertemente marcado por la tecnología como el elemento clave para abordar los grandes retos que preocupaban a las ciudades contemporáneas: mejorar la eficiencia energética, disminuir las emisiones contaminantes y reconducir el cambio climático.

Analysis and Design Considerations of an Electric Vehicle Powertrain regarding Energy Efficiency and Magnetic Field Exposure

En esta tesis se analiza el sistema de tracción de un vehículo eléctrico de batería desde el punto de vista de la eficiencia energética y de la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros (radiación electromagnética). Este estudio incluye tanto el sistema de almacenamiento de energía como la máquina eléctrica, junto con la electrónica de potencia y los sistemas de control asociados a ambos. Los análisis y los resultados presentados en este texto están basados en modelos matemáticos, simulaciones por ordenador y ensayos experimentales a escala de laboratorio. La investigación llevada a cabo durante esta tesis tuvo siempre un marcado enfoque industrial, a pesar de estar desarrollada en un entorno de considerable carácter universitario. Las líneas de investigación acometidas tuvieron como destinatario final al diseñador y al fabricante del vehículo, a pesar de lo cual algunos de los resultados obtenidos son preliminares y/o excesivamente académicos para resultar de interés industrial. En el ámbito de la eficiencia energética, esta tesis estudia sistemas híbridos de almacenamiento de energía basados en una combinación de baterías de litio y supercondensadores. Este tipo de sistemas son analizados desde el punto de vista de la eficiencia mediante modelos matemáticos y simulaciones, cuantificando el impacto de ésta en otros parámetros tales como el envejecimiento de las baterías. Respecto a la máquina eléctrica, el estudio se ha centrado en máquinas síncronas de imanes permanentes. El análisis de la eficiencia considera tanto el diseño de la máquina como la estrategia de control, dejando parcialmente de lado el inversor y la técnica de modulación (que son incluidos en el estudio como fuentes adicionales de pérdidas, pero no como potenciales fuentes de optimización de la eficiencia). En este sentido, tanto la topología del inversor (trifásico, basado en IGBTs) como la técnica de modulación (control de corriente en banda de histéresis) se establecen desde el principio. El segundo aspecto estudiado en esta tesis es la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros. Este tema se enfoca desde un punto de vista predictivo, y no desde un punto de vista de diagnóstico, puesto que se ha desarrollado una metodología para estimar el campo magnético generado por los dispositivos de potencia de un vehículo eléctrico. Esta metodología ha sido validada mediante ensayos de laboratorio. Otros aspectos importantes de esta contribución, además de la metodología en sí misma, son las consecuencias que se derivan de ella (por ejemplo, recomendaciones de diseño) y la comprensión del problema proporcionada por esta. Las principales contribuciones de esta tesis se listan a continuación: una recopilación de modelos de pérdidas correspondientes a la mayoría de dispositivos de potencia presentes en un vehículo eléctrico de batería, una metodología para analizar el funcionamiento de un sistema híbrido de almacenamiento de energía para aplicaciones de tracción, una explicación de cómo ponderar energéticamente los puntos de operación par-velocidad de un vehículo eléctrico (de utilidad para evaluar el rendimiento de una máquina eléctrica, por ejemplo), una propuesta de incluir un convertidor DC-DC en el sistema de tracción para minimizar las pérdidas globales del accionamiento (a pesar de las nuevas pérdidas introducidas por el propio DC-DC), una breve comparación entre dos tipos distintos de algoritmos de minimización de pérdidas para máquinas síncronas de imanes permanentes, una metodología predictiva para estimar la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros de un vehículo eléctrico (debida a los equipos de potencia), y finalmente algunas conclusiones y recomendaciones de diseño respecto a dicha exposición a campos magnéticos. ABSTRACT This dissertation analyzes the powertrain of a battery electric vehicle, focusing on energy efficiency and passenger exposure to electromagnetic fields (electromagnetic radiation). This study comprises the energy storage system as well as the electric machine, along with their associated power electronics and control systems. The analysis and conclusions presented in this dissertation are based on mathematical models, computer simulations and laboratory scale tests. The research performed during this thesis was intended to be of industrial nature, despite being developed in a university. In this sense, the work described in this document was carried out thinking of both the designer and the manufacturer of the vehicle. However, some of the results obtained lack industrial readiness, and therefore they remain utterly academic. Regarding energy efficiency, hybrid energy storage systems consisting in lithium batteries, supercapacitors and up to two DC-DC power converters are considered. These kind of systems are analyzed by means of mathematical models and simulations from the energy efficiency point of view, quantifying its impact on other relevant aspects such as battery aging. Concerning the electric machine, permanent magnet synchronous machines are studied in this work. The energy efficiency analysis comprises the machine design and the control strategy, while the inverter and its modulation technique are taken into account but only as sources of further power losses, and not as potential sources for further efficiency optimization. In this sense, both the inverter topology (3-phase IGBT-based inverter) and the switching technique (hysteresis current control) are fixed from the beginning. The second aspect studied in this work is passenger exposure to magnetic fields. This topic is approached from the prediction point of view, rather than from the diagnosis point of view. In other words, a methodology to estimate the magnetic field generated by the power devices of an electric vehicle is proposed and analyzed in this dissertation. This methodology has been validated by laboratory tests. The most important aspects of this contribution, apart from the methodology itself, are the consequences (for instance, design guidelines) and the understanding of the magnetic radiation issue provided by it. The main contributions of this dissertation are listed next: a compilation of loss models for most of the power devices found in a battery electric vehicle powertrain, a simulation-based methodology to analyze hybrid energy storage performance in traction applications, an explanation of how to assign energy-based weights to different operating points in traction drives (useful when assessing electrical machine performance, for instance), a proposal to include one DC-DC converter in electric powertrains to minimize overall power losses in the system (despite the new losses added by the DC-DC), a brief comparison between two kinds of loss-minimization algorithms for permanent magnet synchronous machines in terms of adaptability and energy efficiency, a predictive methodology to estimate passenger magnetic field exposure due to power devices in an electric vehicle, and finally some useful conclusions and design guidelines concerning magnetic field exposure.

The effect of electricity tariffs over the operating costs of the Spanish wastewater treatments plants

Given the complex structure of electricity tariffs and their steady growth in Spanish, we've studied its effect over the operating costs of the wastewater treatment plants (WWTP), concluding that in the last three years the revisions of electricity rates have meant increases in electricity costs of 64.5% in the rate 3.1.A and 79.1% in the rate 6.1. This has caused the cost of electricity, which was the most important, has increased from a 44% of total operating costs in the year 2009, to more than a 56% in the year 2012.

Aceleración de corrientes eólicas de reducida velocidad para la generación eléctrica doméstica

En los últimos años, los sistemas que utilizan como fuente recursos renovables se han posicionado como una interesante alternativa para la producción de energía. Entre las fuentes disponibles, la energía eólica viene configurándose como una de las fuentes de energía renovable con mayor crecimiento en los últimos años. En este trabajo se propone el aprovechamiento de las corrientes eólicas circulantes sobre la superficie terrestre para la producción de electricidad con el fin de abastecer buena parte de la demanda en viviendas aisladas, pequeñas instalaciones agropecuarias, equipamiento de servicio ubicado en lugares remotos, etc. Por lo general estas brisas tienen una baja densidad energética, por ello proponemos una interfaz mecánica que concentre las masas de aire, acelerando su circulación y alcanzando importantes incrementos en la velocidad de impulsión. La primera parte se centra en la elaboración de un procedimiento de caracterización a partir de la metodología científica con el cual modelar una estructura concentradora de flujo eólico válida para un aerogenerador de eje vertical. Este método trata el diseño de un elemento acelerador capaz de optimizar el aprovechamiento de estas brisas con independencia de la dirección de éstas. Su diseño viene dado por la resolución de un conjunto de objetivos fundamentales, dotando al sistema de unas prestaciones particulares en relación a su arquitectura y operatividad. Estos objetivos son los siguientes: - Operatividad ante cualquier dirección eólica adoptada - Incremento del rendimiento potencial de la turbina de eje vertical - Minimizar el desarrollo de efectos turbulentos alrededor del sistema integrado - Capacidad resolutiva ante la presencia de fuertes vientos - Estabilidad estructural - Compatibilidad ante instalaciones propias del volumen arquitectónico - Control global del rendimiento del sistema. La segunda parte aborda el modelado del prototipo y el análisis de su comportamiento mediante simulaciones en el ámbito de la fluidodinámica computacional. El resultado es un prototipo caracterizado por una arquitectura capaz de sectorizar la entrada de viento en diferentes tramos inyectando el flujo eólico estratégicamente. La incorporación de la interfaz sobre el rotor aumenta la superficie de captación eólica, facilitando su entrada a través de las diferentes aberturas y llevando a cabo su concentración según avanza por los tramo de circulación. Una vez finalizado dicho avance, el flujo es inyectado en un rango angular de nido por la elevada fuerza de sustentación capaz de generarse gracias a la incidencia del flujo eólico, aprovechando las particularidades que ofrece la rotación de este tipo de rotores. El resultado de la inyección sectorizada es el desarrollo de una circulación interior vorticial que incide permanentemente en el rango de sustentación característico del perfil aerodinámico que define la geometría de la pala de rotación. Ello provoca que se alcance un funcionamiento nominal a velocidades reducidas. En este proceso se incluyen las acciones necesarias para dar una respuesta eficiente a cualquier tipo e solicitación eólica. En presencia de velocidades de relativa importancia, la interfaz concentradora adapta su arquitectura con el fin de regular la entrada de flujo, retrasando la activación de los dispositivos reguladores propios de la turbina eólica. En presencia de vientos importantes, la interfaz dispone de los mecanismos necesarios para proceder al cierre de las aberturas procediendo a la parada del rotor. La validación de los prototipos elaborados se ha llevado a cabo mediante simulación computacional CFD. Los resultados confirman la consecución de un funcionamiento nominal a velocidades más reducidas, una mayor superficie de captación y periodo de tiempo de funcionamiento efectivo en comparación a las turbinas convencionales. Para el caso práctico modelado los resultados mejoran en más de 2.5 veces la potencia generada y multiplican por cuatro la fuerza ejercida sobre las palas de la turbina. La elaboración de un método preciso para el diseño de este tipo de estructuras concentradoras posibilita que se pueda alcanzar un diseño en función a las necesidades del usuario, o las condiciones eólicas de un emplazamiento dado. A ello hay que unir su compatibilidad de uso y montaje con sistemas de captación solar, conformando un sistema híbrido capaz de aprovechar tanto la energía solar como eólica para el abastecimiento autónomo. Esta característica incrementa el ratio de zonas geográficas donde se puede llevar a cabo su implantación. Las últimas páginas están reservadas a esbozar las líneas futuras de desarrollo y evolución, tanto en términos de e ciencia productiva como en su incorporación a nuevos volúmenes arquitectónicos y estructuras civiles en general.

Soporte de sistema operativo para ahorro de energía en plataformas móviles con procesadores multicore asimétricos

Los procesadores multicore asimétricos con repertorio común de instrucciones (AMPsAsymmetric Multicore Processors) han sido propuestos recientemente como alternativa de bajo consumo a los procesadores multicore simétricos convencionales. Los AMPs combinan, en un mismo chip, cores rápidos de alto rendimiento, con cores más lentos y sencillos de consumo reducido. Uno de los ejemplos más destacados de procesador multicore asimétrico es el procesador big.LITTLE de ARM, que incorporan algunos modelos de teléfonos móviles y tablets disponibles en la actualidad. Trabajos previos han demostrado que para explotar los beneficios potenciales de los procesadores multicore asimétricos, el sistema operativo debe tener en cuenta el beneficio relativo (speedup) que cada aplicación experimenta al ejecutar en un core rápido frente a un core lento. Actualmente, los planificadores por defecto de los sistemas operativos de propósito general no tienen en cuenta la diversidad de speedups entre aplicaciones que puede estar presente en una carga de trabajo multiprogramada. En consecuencia, la asignación de aplicaciones a cores que hacen estos planificadores no extrae el máximo rendimiento por vatio de la plataforma. Recientemente se han realizado extensiones en el kernel Linux para ofrecer un mejor soporte de planificación en multicore asimétricos. Sin embargo, estas extensiones del planificador, utilizadas fundamentalmente en dispositivos móviles con el sistema operativo Android, tampoco tienen en cuenta la diversidad de speedups en las aplicaciones de la carga de trabajo. Por lo tanto estas extensiones no constituyen una aproximación robusta desde el punto de vista de la eficiencia energética. En este proyecto se lleva a cabo la evaluación exhaustiva de distintos algoritmos de planificación para multicore asimétricos sobre una plataforma provista de un procesador ARM big.LITTLE. El principal objetivo del estudio es cuantificar el grado de eficiencia energética y el rendimiento global proporcionado por implementaciones de estos algoritmos en el kernel Linux sobre hardware multicore asimétrico real.

Una década de planes de movilidad urbana sostenible en España 2004-2014

Los Planes de Movilidad Urbana Sostenible (PMUS) son una herramienta de reciente implantación en España que en la última década se ha desarrollado en un buen número de municipios. El objetivo es conocer cuál ha sido la dimensión territorial y el impacto que este instrumento de planificación de la movilidad ha tenido en nuestro país entre los años 2004 y 2014. Como resultado se ha logrado describir el panorama de los PMUS en España y su evolución durante esta última década en cada una de las Comunidades Autónomas.

Importancia del “efecto rebote” o paradoja de Jevons en el diseño de la política ambiental

En este artículo de reflexión, se analiza el diseño actual de las políticas ambientales en Colombia, las cuales se han centrado principalmente en el aprovechamiento de los recursos naturales como fuentes de materiales y energía para generar crecimiento económico. En este sentido, es evidente que la preocupación colectiva por el manejo de la oferta ambiental, como base para el desarrollo sostenible establecido en la Constitución, no ha logrado implementarse de forma efectiva, principalmente por el enfoque reactivo y coercitivo de las políticas y normativas vigentes, aunadas a un escaso fomento para la transformación del estilo de vida consumista nacional, situación que ha generado un efecto rebote incrementando los niveles de uso y consumo de los recursos naturales (especialmente de los denominados no renovables) y limitado la eficiencia energética; por ejemplo, esto puede observarse en el sector minero-energético nacional. Considerando que existe una preocupación global por la sostenibilidad, es necesario que el diseño de las políticas ambientales nacionales se aleje del optimismo económico y tecnológico del modelo económico vigente e incorpore, de forma cierta en sus políticas, estrategias que permitan equilibrar las relaciones de oferta y demanda de los servicios ambientales que sustentan el desarrollo nacional, alentando, al tiempo, el consumo responsable de la población colombiana, además de atender las iniciativas comunitarias de regulación e inclusión social en el manejo de los bienes y servicios ambientales para generar procesos de sostenibilidad fuerte.

Importancia del “efecto rebote” o paradoja de Jevons en el diseño de la política ambiental

En este artículo de reflexión, se analiza el diseño actual de las políticas ambientales en Colombia, las cuales se han centrado principalmente en el aprovechamiento de los recursos naturales como fuentes de materiales y energía para generar crecimiento económico. En este sentido, es evidente que la preocupación colectiva por el manejo de la oferta ambiental, como base para el desarrollo sostenible establecido en la Constitución, no ha logrado implementarse de forma efectiva, principalmente por el enfoque reactivo y coercitivo de las políticas y normativas vigentes, aunadas a un escaso fomento para la transformación del estilo de vida consumista nacional, situación que ha generado un efecto rebote incrementando los niveles de uso y consumo de los recursos naturales (especialmente de los denominados no renovables) y limitado la eficiencia energética; por ejemplo, esto puede observarse en el sector minero-energético nacional. Considerando que existe una preocupación global por la sostenibilidad, es necesario que el diseño de las políticas ambientales nacionales se aleje del optimismo económico y tecnológico del modelo económico vigente e incorpore, de forma cierta en sus políticas, estrategias que permitan equilibrar las relaciones de oferta y demanda de los servicios ambientales que sustentan el desarrollo nacional, alentando, al tiempo, el consumo responsable de la población colombiana, además de atender las iniciativas comunitarias de regulación e inclusión social en el manejo de los bienes y servicios ambientales para generar procesos de sostenibilidad fuerte.

Análisis de la viabilidad técnica y financiera de la generación de energía eléctrica a partir del recurso eólico en el municipio de Pereira

La electricidad es un insumo fundamental para el desarrollo actual de la humanidad, es la pieza clave en aspectos que cubren desde necesidades básicas como el acceso a la salud, educación, vivienda y alimentos, hasta hacer parte esencial del desarrollo tecnológico y económico de un territorio -- En Colombia, la cadena productiva de la generación de energía -bajo una matriz predominante hidroeléctrica- tiene asociados impactos ambientales y sociales como la alteración de los regímenes hidrológicos, el transporte de sedimentos, las migraciones ícticas, el desplazamiento de las comunidades, las condiciones de seguridad alimentaria de las poblaciones afectadas aguas abajo y los procesos de erosión remontante asociados con la construcción de represas, entre otros -- El impacto no solo se presenta en la etapa de construcción, puesto que la generación, transmisión, distribución y uso final generan una huella de carbono bastante significativa -- Si bien el sector eléctrico no es el único generador de gases nocivos, dicha plataforma económica genera por sí sola el 40% de emisiones de dióxido de carbono mundiales y por lo menos el 25% del total de todos los gases efecto invernadero, tal como lo afirma el GWEC, Global Wind Energy Council (Sawyer, 2011: 66); por lo que la implementación de una solución de producción de energía limpia implica la reducción sustancial de las emisiones nocivas para el planeta tierra -- Con el propósito de intensificar la aplicación de energías renovables dentro de la matriz energética internacional, la ONU designó el 2012 como el año oficial de las energías renovables -- El resultado se ve reflejado en la iniciativa Energía Sostenible para Todos - SE4ALL, mediante la cual se plantean tres objetivos que deberán ser alcanzados con la participación y contribución de los países miembros de la ONU: 1) Acceso universal a servicios modernos de energía, 2) Mejora en eficiencia energética y 3) Duplicación de la participación de energías renovables en la matriz energética mundial (SE4ALL, 2012) -- Sumado a esto, el desarrollo y aplicación de energías renovables son herramientas importantes para la mitigación y adaptación al cambio climático en la medida en que reducen gases de efecto invernadero (GEI) y diversifican la canasta energética de los países (FEDESARROLLO, 2013) -- Este trabajo evalúa la posibilidad de incrementar la competitividad nacional y regional a partir de la generación local de energía en el municipio de Pereira y las ventajas de la generación distribuida respecto a la generación centralizada en términos de eficiencia energética, evidenciando el potencial eólico del municipio para su utilización en la generación de energía eléctrica -- La energía eólica, fuente autóctona de electricidad, representa una alternativa para la modificación del modelo productivo convencional, siendo una tecnología competitiva no solo dentro de las renovables sino también con respecto a la cogeneración de energía -- La implementación de ella tiene implícito un mejor aprovechamiento del espacio, un impacto ambiental bajo y un desarrollo a nivel de investigación y tecnología importante -- Su implementación no contamina, contribuyendo a la disminución de emisiones de dióxido de carbono, aportando de este modo en la solución de la crisis ecológica mundial y la desaceleración del cambio climático -- La tecnología eólica representa entonces una alternativa a tener en cuenta para la generación de energía limpia, frente a otras formas tradicionales altamente contaminantes o de gran impacto ambiental -- Pese a todos los factores de importancia que ha adquirido el desarrollo en la materia, existe un número muy limitado de investigaciones que aborden la temática de aplicabilidad de estos criterios en Colombia; específicamente en Pereira no existía a la fecha ningún adelanto investigativo -- La importancia de este estudio radica en el potencial descubierto en un entorno que no había sido explorado, llegando a ser determinante para el futuro desarrollo tecnológico en este campo y dando apertura a otras investigaciones que complementen el presente estudio

Evaluación y optimización de rendimiento y consumo energético de aplicaciones paralelas a nivel de tareas sobre arquitecturas asimétricas

Las arquitecturas asimétricas, formadas por varios procesadores con el mismo repertorio de instrucciones pero distintas características de rendimiento y consumo, ofrecen muchas posibilidades de optimización del rendimiento y/o el consumo en la ejecución de aplicaciones paralelas. La planificación de tareas sobre dichas arquitecturas de forma que se aprovechen de manera eficiente los distintos recursos, es muy compleja y se suele abordar utilizando modelos de programación paralelos, que permiten al programador especificar el paralelismo de las tareas, y entornos de ejecución que explotan dinámicamente dicho paralelismo. En este trabajo hemos modificado uno de los planificadores de tareas más utilizados en la actualidad para intentar aprovechar todos los recursos al máximo, cuando el rendimiento así lo necesite, o para conseguir la mejor eficiencia energética posible, cuando el consumo sea más prioritario. También se ha utilizado una biblioteca desarrollada específicamente para la arquitectura asimétrica objeto de estudio en la Universidad de Texas, Austin. Para obtener el máximo rendimiento se han agrupado los núcleos del sistema en dos niveles: hay un cluster simétrico de núcleos virtuales idénticos, cada uno de los cuales está compuesto por un conjunto de núcleos asimétricos. El planificador de tareas asigna trabajo a los núcleos virtuales, de manera idéntica a como lo haría en un sistema multinúcleo simétrico, y la biblioteca se encarga de repartir el trabajo entre los núcleos asimétricos. El trabajo ha consistido en integrar dicha biblioteca con el planificador de tareas. Para mejorar la eficiencia energética se han incluido en el planificador de tareas políticas de explotación de los modos de bajo consumo de la arquitectura y también de apagado o no asignación de carga de trabajo a algunos de los núcleos, que se activan en tiempo de ejecución cuando se detecta que la aplicación no necesita todos los recursos disponibles en la arquitectura.

ROBOT CEMAR: identificación de las capacidades emprendedoras de sus creadores

El XXI Congreso Latinoamericano sobre Espíritu Empresarial, se realizó en la Universidad Icesi los días 6, 7 y 8 de abril de 2011.