Rational molecular dynamics scheme for predicting optimum concentration loading of nano-additive in phase change materials

The present study deals with the diffusion and phase transition behaviour of paraffin reinforced with carbon nano-additives namely graphene oxide (GO) and surface functionalized single walled carbon nanotubes (SWCNT). Bulk disordered systems of paraffin hydrocarbons impregnated with carbon nano-additives have been generated in realistic equilibrium conformations for potential application as latent heat storage systems. Ab initio molecular dynamics(MD) in conjugation with COMPASS forcefield has been implemented using periodic boundary conditions. The proposed scheme allows determination of optimum nano-additive loading for improving thermo-physical properties through analysis of mass, thermal and transport properties; and assists in determination of composite behaviour and related performance from microscopic point of view. It was observed that nanocomposites containing 7.8% surface functionalised SWCNT and 55% GO loading corresponds to best latent heat storage system. The propounded methodology could serve as a by-pass route for economically taxing and iterative experimental procedures required to attain the optimum composition for best performance. The results also hint at the large unexplored potential of ab-initio classical MD techniques for predicting performance of new nanocomposites for potential phase change material applications. (C) 2015 Author(s).

Parameter sensitivity in simulations of snowmelt

Essery, RLH & P, Etchevers, (2004). Parameter sensitivity in simulations of snowmelt. Journal of Geophysical Research, 109, doi:10. 1029/2004JD005036.

Argamassas funcionais para uma construção sustentável

A aposta na sustentabilidade tem conduzido o mercado da construção a procurar novas soluções técnicas e novos materiais, que por serem mais eficientes, conseguem dar resposta aos requisitos cada vez mais exigentes deste sector. A aplicação dos conceitos de sustentabilidade não se pode restringir a novas construções, tendo que prever também as renovações e a reabilitação de edifícios antigos. Assim, novos materiais que sejam desenvolvidos, devem contemplar todas estas vertentes de utilização. Neste trabalho desenvolveram-se argamassas com novas funcionalidades, que contribuem para melhorar os níveis de sustentabilidade dos edifícios, através da incorporação de nanomateriais para armazenamento de calor latente e degradação de poluentes do ar interior. Estudou-se não só o impacto da incorporação destas nanopartículas no estado fresco e endurecido, mas também o seu desempenho do ponto de vista funcional quando integrados na estrutura da argamassa. É possível obter argamassas com capacidade para armazenar calor latente através da incorporação de um material de mudança de fase. Este material constituído por uma mistura de parafinas, consegue armazenar calor e libertálo posteriormente. As composições desenvolvidas podem ser aplicadas em novos projectos ou na reabilitação de edifícios contribuindo para reduzir o consumo energético, melhorando o conforto térmico no interior. Com a redução da factura energética obtém-se uma efectiva diminuição do impacto ambiental, energético e económico do edifício. Para além do armazenamento de calor latente, também se desenvolveram argamassas capazes de eliminar poluentes do ar interior e, simultaneamente, com capacidade de auto-limpeza. Utilizaram-se nanopartículas de dióxido de titânio como aditivo fotocatalítico, tendo-se analisado o efeito da introdução deste aditivo nas argamassas. As composições testadas demonstraram elevada capacidade fotocatalítica e de auto-limpeza, sem comprometer as suas propriedades no estado endurecido. Ao aplicar estas composições na camada de acabamento interior melhora-se a qualidade do ar no interior das habitações e reduz-se a necessidade de utilização de sistemas de ventilação. As argamassas funcionais contribuem para melhorar os níveis de sustentabilidade da construção, tendo impacto económico e ambiental em todo o ciclo de vida do edifício.

Cinética da transferência de calor em materiais com mudança de fase

É extensa a bibliografia dedicada a potenciais aplicações de materiais com mudança de fase na regulação térmica e no armazenamento de calor ou de frio. No entanto, a baixa condutividade térmica impõe limitações numa grande diversidade de aplicações com exigências críticas em termos de tempo de resposta curto ou com requisitos de elevada potência em ciclos de carga/descarga de calor latente. Foram desenvolvidos códigos numéricos no sentido de obter soluções precisas para descrever a cinética da transferência de calor com mudança de fase, com base em geometrias representativas, i.e. planar e esférica. Foram igualmente propostas soluções aproximadas, sendo identificados correspondentes critérios de validação em função das propriedades dos materiais de mudança de fase e de outros parâmetros relevantes tais como as escalas de tamanho e de tempo, etc. As referidas soluções permitiram identificar com rigor os fatores determinantes daquelas limitações, quantificar os correspondentes efeitos e estabelecer critérios de qualidade adequados para diferentes tipologias de potenciais aplicações. Os referidos critérios foram sistematizados de acordo com metodologias de seleção propostas por Ashby e co-autores, tendo em vista o melhor desempenho dos materiais em aplicações representativas, designadamente com requisitos ao nível de densidade energética, tempo de resposta, potência de carga/descarga e gama de temperaturas de operação. Nesta sistematização foram incluídos alguns dos compósitos desenvolvidos durante o presente trabalho. A avaliação das limitações acima mencionadas deu origem ao desenvolvimento de materiais compósitos para acumulação de calor ou frio, com acentuada melhoria de resposta térmica, mediante incorporação de uma fase com condutividade térmica muito superior à da matriz. Para este efeito, foram desenvolvidos modelos para otimizar a distribuição espacial da fase condutora, de modo a superar os limites de percolação previstos por modelos clássicos de condução em compósitos com distribuição aleatória, visando melhorias de desempenho térmico com reduzidas frações de fase condutora e garantindo que a densidade energética não é significativamente afetada. Os modelos elaborados correspondem a compósitos de tipo core-shell, baseados em microestruturas celulares da fase de elevada condutividade térmica, impregnadas com o material de mudança de fase propriamente dito. Além de visarem a minimização da fração de fase condutora e correspondentes custos, os modelos de compósitos propostos tiveram em conta a adequação a métodos de processamento versáteis, reprodutíveis, preferencialmente com base na emulsificação de líquidos orgânicos em suspensões aquosas ou outros processos de reduzidas complexidade e com base em materiais de baixo custo (material de mudança de fase e fase condutora). O design da distribuição microestrutural também considerou a possibilidade de orientação preferencial de fases condutoras com elevada anisotropia (p.e. grafite), mediante auto-organização. Outros estágios do projeto foram subordinados a esses objetivos de desenvolvimento de compósitos com resposta térmica otimizada, em conformidade com previsões dos modelos de compósitos de tipo core-shell, acima mencionadas. Neste enquadramento, foram preparados 3 tipos de compósitos com organização celular da fase condutora, com as seguintes características e metodologias: i) compósitos celulares parafina-grafite para acumulação de calor, preparados in-situ por emulsificação de uma suspensão de grafite em parafina fundida; ii) compósitos celulares parafina-Al2O3 para acumulação de calor, preparados por impregnação de parafina em esqueleto cerâmico celular de Al2O3; iii) compósitos celulares para acumulação de frio, obtidos mediante impregnação de matrizes celulares de grafite com solução de colagénio, após preparação prévia das matrizes de grafite celular. Os compósitos com esqueleto cerâmico (ii) requereram o desenvolvimento prévio de um método para o seu processamento, baseado na emulsificação de suspensões de Al2O3 em parafina fundida, com adequados aditivos dispersantes, tensioactivos e consolidantes do esqueleto cerâmico, tornando-o auto-suportável durante as fases posteriores de eliminação da parafina, até à queima a alta temperatura, originando cerâmicos celulares com adequada resistência mecânica. Os compósitos desenvolvidos apresentam melhorias significativos de condutividade térmica, atingindo ganhos superiores a 1 ordem de grandeza com frações de fase condutora inferior a 10 % vol. (4 W m-1 K-1), em virtude da organização core-shell e com o contributo adicional da anisotropia da grafite, mediante orientação preferencial. Foram ainda preparados compósitos de armazenamento de frio (iii), com orientação aleatória da fase condutora, obtidos mediante gelificação de suspensões de partículas de grafite em solução aquosa de colagénio. Apesar da estabilidade microestrutural e de forma, conferida por gelificação, estes compósitos confirmaram a esperada limitação dos compósitos com distribuição aleatória, em confronto com os ganhos alcançados com a organização de tipo core-shell.

Avaliação da rentabilidade económica dos sistemas de microgeração fotovoltaica em Portugal (1990-2010)

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica - ramo de Energia

Análise dos sistemas termo-solares de produção de energia eléctrica

Actualmente a humanidade depara-se com um dos grandes desafios que é o de efectivar a transição para um futuro sustentável. Logo, o sector da energia tem um papel chave neste processo de transição, com principal destaque para a energia solar, tendo em conta que é uma das fontes de energias renováveis mais promissoras, podendo no médiolongo prazo, tornar-se uma das principais fontes de energia no panorama energético dos países. A energia solar térmica de concentração (CSP), apesar não ser ainda conhecida em Portugal, possui um potencial relevante em regiões específicas do nosso território. Logo, o objectivo deste trabalho é efectuar uma análise detalhada dos sistemas solares de concentração para produção de energia eléctrica, abordando temas, tais como, o potencial da energia solar, a definição do processo de concentração solar, a descrição das tecnologias existentes, o estado da arte do CSP, mercado CSP no mundo, e por último, a análise da viabilidade técnico-económica da instalação de uma central tipo torre solar de 20 MW, em Portugal. Para que este objectivo fosse exequível, recorreu-se à utilização de um software de simulação termodinâmica de centrais CSP, denominado por Solar Advisor Model (SAM). O caso prático foi desenvolvido para a cidade de Faro, onde foram simuladas quatro configurações distintas para uma central do tipo torre solar de 20 MW. Foram apresentados resultados, focando a desempenho diário e anual da central. Foi efectuada uma análise para avaliação da influência da variabilidade dos parâmetros, localização geográfica, múltiplo solar, capacidade de armazenamento de calor e fracção de hibridização sobre o custo nivelado da energia (LCOE), o factor de capacidade e a produção anual de energia. Conjuntamente, é apresentada uma análise de sensibilidade, com a finalidade de averiguar quais os parâmetros que influenciam de forma mais predominante o valor do LCOE. Por último, é apresentada uma análise de viabilidade económica de um investimento deste tipo.

The effects of thermal stress on glucoregulation during exercise in participants with Type 1 Diabetes Mellitus

Type 1 Diabetes Mellitus (T1DM) is an autoimmune disease that destroys pancreatic beta cells, affecting glucose homeostasis. In T1DM, glucoregulation and carbohydrate oxidation may be altered in different ambient temperatures; however, current literature has yet to explore these mechanisms. This study examines the effects of 30 minutes of exercise at 65% VO2max in 5ºC, 20ºC and 35ºC in individuals with T1DM. No significant differences were observed for blood glucose across the 3 conditions (p = 0.442), but significance was found for core temperature, heat storage, and sweat rate (p < 0.01). Blood glucose was also shown to vary greatly between individuals among conditions. The mechanisms behind the differences in blood glucose may be due to the lack of significant glucagon production among conditions. These findings suggest that T1DM individuals may exercise submaximally for 30 minutes in different ambient temperatures without significant differences in glucoregulation.

Environmental Influences on the Frequency and Intensity of North Indian Ocean Tropical Cyclones

Tropical cyclones genesis, movement and intensification are highly dependent on its environment both oceanic and atmospheric. This thesis has made a detailed study on the environmental factors related to tropical cyclones of North Indian Ocean basin. This ocean basin has produced only 6% of the global tropical cyclones annually but it has caused maximum loss of human life associated with the strong winds, heavy rain and particularly storm surges that accompany severe cyclones as they strike the heavily populated coastal areas. Atmospheric factors studied in the thesis are the moisture content of the atmosphere, instability of the atmosphere that produces thunderstorms which are the main source of energy for the tropical cyclone, vertical wind shear to which cyclones are highly sensitive and the Sub-Tropical westerly Jetsteram and its Asian high speed center. The oceanic parameters studied are sea surface temperature and heat storage in the top layer of the ocean. A major portion of the thesis has dealt with the three temporal variabilities of tropical cyclone frequency namely intra-seasonal (mainly the influence of Madden Julian Oscillation), inter- annual (the relation with El Nino Southern Oscillation) and decadal variabilities. Regarding decadal variability, a prominent four decade oscillation in the frequency of both tropical cyclones and monsoon depressions unique to the Indian Ocean basin has been brought out. The thesis consists of 9 chapters.

Thermohaline variability in the upper layers of the Arabian Sea

The Arabian Sea is an area of complex air-sea interaction processes with seasonal reversing monsoons. The associated thermohaline variability in the upper layers appears to control the large scale monsoon flow which is not yet completely understood. The variability in the thermohaline fields is known to occur in temporal domain ranging from intra-diurnal to inter-annual time scales and on spatial domains of few tens of kilometers to few thousands of kilometers. In the Arabian Sea though the surface temperature was routinely measured by both conventional measurements and satellites, the corresponding information on the subsurface thermohaline field is very sparse due to the lack cw adequate measurements. In such cases the numerical models offer promise in providing information on the subsurface features given an initial thermohaline field and surface heat flux boundary conditions. This thesis is an outcome of investigations carried out on the various aspects of the thermohaline variability on different time scales. In addition to the description of the mean annual cycle. the one dimensional numerical models of Miller (1976) and Price et a1 (1986) are utilised to simulate the observed mixed layer characteristics at selected locations in the Arabian Sea on time scales ranging from intra-diurnal to synoptic scales under variable atmospheric forcing.

Bjerknes compensation and the decadal variability of the energy transports in a coupled climate model

In the 1960s, Jacob Bjerknes suggested that if the top-of-the-atmosphere (TOA) fluxes and the oceanic heat storage did not vary too much, then the total energy transport by the climate system would not vary too much either. This implies that any large anomalies of oceanic and atmospheric energy transport should be equal and opposite. This simple scenario has become known as Bjerknes compensation. A long control run of the Third Hadley Centre Coupled Ocean-Atmosphere General Circulation Model (HadCM3) has been investigated. It was found that northern extratropical decadal anomalies of atmospheric and oceanic energy transports are significantly anticorrelated and have similar magnitudes, which is consistent with the predictions of Bjerknes compensation. ne degree of compensation in the northern extratropics was found to increase with increasing, time scale. Bjerknes compensation did not occur in the Tropics, primarily as large changes in the surface fluxes were associated with large changes in the TOA fluxes. In the ocean, the decadal variability of the energy transport is associated with fluctuations in the meridional overturning circulation in the Atlantic Ocean. A stronger Atlantic Ocean energy transport leads to strong warming of surface temperatures in the Greenland-Iceland-Norwegian (GIN) Seas. which results in a reduced equator-to-pole surface temperature gradient and reduced atmospheric baroclinicity. It is argued that a stronger Atlantic Ocean energy transport leads to a weakened atmospheric transient energy transport.

Implementation of a new urban energy budget scheme into MetUM. Part II: Validation against observations and model intercomparison

In the first part of this article, we introduced a new urban surface scheme, the Met Office – Reading Urban Surface Exchange Scheme (MORUSES), into the Met Office Unified Model (MetUM) and compared its impact on the surface fluxes with respect to the current urban scheme. In this second part, we aim to analyze further the reasons behind the differences. This analysis is conducted by a comparison of the performance of the two schemes against observations and against a third model, the Single Column Reading Urban model (SCRUM). The key differences between the three models lie in how each model incorporates the heat stored in the urban fabric and how the surface-energy balance is coupled to the underlying substrate. The comparison of the models with observations from Mexico City reveals that the performance of MORUSES is improved if roof insulation is included by minimizing the roof thickness. A comparison of MORUSES and SCRUM reveals that, once insulation is included within MORUSES, these two models perform equally well against the observations overall, but that there are differences in the details of the simulations at the roof and canyon level. These differences are attributed to the different representations of the heat-storage term, specifically differences in the dominant frequencies captured by the urban canopy and substrate, between the models. These results strongly suggest a need for an urban model intercomparison exercise. Copyright © 2010 Royal Meteorological Society and Crown Copyright

Nocturnal cooling below a forest canopy: Model and evaluation

Nocturnal cooling of air within a forest canopy and the resulting temperature profile may drive local thermally driven motions, such as drainage flows, which are believed to impact measurements of ecosystem–atmosphere exchange. To model such flows, it is necessary to accurately predict the rate of cooling. Cooling occurs primarily due to radiative heat loss. However, much of the radiative loss occurs at the surface of canopy elements (leaves, branches, and boles of trees), while radiative divergence in the canopy air space is small due to high transmissivity of air. Furthermore, sensible heat exchange between the canopy elements and the air space is slow relative to radiative fluxes. Therefore, canopy elements initially cool much more quickly than the canopy air space after the switch from radiative gain during the day to radiative loss during the night. Thus in modeling air cooling within a canopy, it is not appropriate to neglect the storage change of heat in the canopy elements or even to assume equal rates of cooling of the canopy air and canopy elements. Here a simple parameterization of radiatively driven cooling of air within the canopy is presented, which accounts implicitly for radiative cooling of the canopy volume, heat storage in the canopy elements, and heat transfer between the canopy elements and the air. Simulations using this parameterization are compared to temperature data from the Morgan–Monroe State Forest (IN, USA) FLUXNET site. While the model does not perfectly reproduce the measured rates of cooling, particularly near the top of the canopy, the simulated cooling rates are of the correct order of magnitude.

The urban cool island phenomenon in a high-rise high-density city and its mechanisms

The urban heat island (UHI) phenomenon has been studied extensively, but there are relatively fewer reports on the so-called urban cool island (UCI) phenomenon. We reveal here that the UCI phenomenon exists in Hong Kong during the day, and is associated with the UHI at night under all wind and cloud conditions. The possible mechanisms for the UCI phenomenon in such a high-rise compact city have been discovered using a lumped urban air temperature model. A new concept of urban cool island degree hours (UCIdh) to measure the UCI intensity and duration is proposed. Our analyses reveal that when anthropogenic heat is small or absent, a high-rise and high-density city experiences a significant daytime UCI effect. This is explained by an intensified heat storage capacity and the reduced solar radiation gain of urban surfaces. However, if anthropogenic heat in the urban area increases further, the UCI phenomenon still exists, yet UCIdh decrease dramatically in a high-rise compact city. In a low-rise, low-density city, the UCI phenomenon also occurs when there is no anthropogenic heat, but easily disappears when there is little anthropogenic heat, and the UHI phenomenon dominates. This probably explains why the UHI phenomenon is often observed, but the UCI phenomenon is rarely observed. The co-existence of urban heat/cool island phenomena implies reduction of the daily temperature range (DTR) in such cities, and its dependence on urban morphology also implies that urban morphology can be used to control the urban thermal environment.

The energy and water balance of a Eucalyptus plantation in southeast Brazil

The eddy covariance method was used to measure energy and water balance of a plantation of Eucalyptus (grandis x urophylla) hybrids over a 2 year period. The average daily evaporation rates were 5.4 (+/- 2.0) mm day(-1) in summer, but fell to 1.2 (+/- 0.3) mm day(-1) in winter. In contrast, the sensible heat flux was relatively low in summer but dominated the energy balance in winter. Evaporation accounted for 80% and 26% of the available energy, in summer and winter respectively. The annual evaporation was 82% (1124 mm) and 96% (1235 mm) of the annual rainfall recorded during the first and second year, respectively. Daily average canopy and aerodynamic conductance to water vapour were in the summer 51.9 (+/- 38.4) mm s(-1) 84.1 (+/- 25.6) mm s(-1), respectively; and in the winter 6.0 (+/- 10.5) mm s(-1) and 111.6 (+/- 24.6) mm s(-1), respectively. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Temperature Dynamics Investigation At Small And Shallow Lakes Using Hydrodynamic Model

A three-dimensional time-dependent hydrodynamic and heat transport model of Lake Binaba, a shallow and small dam reservoir in Ghana, emphasizing the simulation of dynamics and thermal structure has been developed. Most numerical studies of temperature dynamics in reservoirs are based on one- or two-dimensional models. These models are not applicable for reservoirs characterized with complex flow pattern and unsteady heat exchange between the atmosphere and water surface. Continuity, momentum and temperature transport equations have been solved. Proper assignment of boundary conditions, especially surface heat fluxes, has been found crucial in simulating the lake’s hydrothermal dynamics. This model is based on the Reynolds Average Navier-Stokes equations, using a Boussinesq approach, with a standard k − ε turbulence closure to solve the flow field. The thermal model includes a heat source term, which takes into account the short wave radiation and also heat convection at the free surface, which is function of air temperatures, wind velocity and stability conditions of atmospheric boundary layer over the water surface. The governing equations of the model have been solved by OpenFOAM; an open source, freely available CFD toolbox. As its core, OpenFOAM has a set of efficient C++ modules that are used to build solvers. It uses collocated, polyhedral numerics that can be applied on unstructured meshes and can be easily extended to run in parallel. A new solver has been developed to solve the hydrothermal model of lake. The simulated temperature was compared against a 15 days field data set. Simulated and measured temperature profiles in the probe locations show reasonable agreement. The model might be able to compute total heat storage of water bodies to estimate evaporation from water surface.