Comparison of low-power wireless communication technologies for wearable health-monitoring applications

Health monitoring technologies such as Body Area Network (BAN) systems has gathered a lot of attention during the past few years. Largely encouraged by the rapid increase in the cost of healthcare services and driven by the latest technological advances in Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) and wireless communications. BAN technology comprises of a network of body worn or implanted sensors that continuously capture and measure the vital parameters such as heart rate, blood pressure, glucose levels and movement. The collected data must be transferred to a local base station in order to be further processed. Thus, wireless connectivity plays a vital role in such systems. However, wireless connectivity comes at a cost of increased power usage, mainly due to the high energy consumption during data transmission. Unfortunately, battery-operated devices are unable to operate for ultra-long duration of time and are expected to be recharged or replaced once they run out of energy. This is not a simple task especially in the case of implanted devices such as pacemakers. Therefore, prolonging the network lifetime in BAN systems is one of the greatest challenges. In order to achieve this goal, BAN systems take advantage of low-power in-body and on-body/off-body wireless communication technologies. This paper compares some of the existing and emerging low-power communication protocols that can potentially be employed to support the rapid development and deployment of BAN systems.

A methodology to measure the environmental impact of ICT operating systems across different device platforms

Abstract: A new methodology was created to measure the energy consumption and related green house gas (GHG) emissions of a computer operating system (OS) across different device platforms. The methodology involved the direct power measurement of devices under different activity states. In order to include all aspects of an OS, the methodology included measurements in various OS modes, whilst uniquely, also incorporating measurements when running an array of defined software activities, so as to include OS application management features. The methodology was demonstrated on a laptop and phone that could each run multiple OSs, results confirmed that OS can significantly impact the energy consumption of devices. In particular, the new versions of the Microsoft Windows OS were tested and highlighted significant differences between the OS versions on the same hardware. The developed methodology could enable a greater awareness of energy consumption, during both the software development and software marketing processes.

Modelling personal thermal sensations using C-Support Vector Classification (C-SVC) algorithm

The personalised conditioning system (PCS) is widely studied. Potentially, it is able to reduce energy consumption while securing occupants’ thermal comfort requirements. It has been suggested that automatic optimised operation schemes for PCS should be introduced to avoid energy wastage and discomfort caused by inappropriate operation. In certain automatic operation schemes, personalised thermal sensation models are applied as key components to help in setting targets for PCS operation. In this research, a novel personal thermal sensation modelling method based on the C-Support Vector Classification (C-SVC) algorithm has been developed for PCS control. The personal thermal sensation modelling has been regarded as a classification problem. During the modelling process, the method ‘learns’ an occupant’s thermal preferences from his/her feedback, environmental parameters and personal physiological and behavioural factors. The modelling method has been verified by comparing the actual thermal sensation vote (TSV) with the modelled one based on 20 individual cases. Furthermore, the accuracy of each individual thermal sensation model has been compared with the outcomes of the PMV model. The results indicate that the modelling method presented in this paper is an effective tool to model personal thermal sensations and could be integrated within the PCS for optimised system operation and control.

Bio-inspired ant colony optimization based clustering algorithm with mobile sinks for applications in consumer home automation networks

With the fast development of wireless communications, ZigBee and semiconductor devices, home automation networks have recently become very popular. Since typical consumer products deployed in home automation networks are often powered by tiny and limited batteries, one of the most challenging research issues is concerning energy reduction and the balancing of energy consumption across the network in order to prolong the home network lifetime for consumer devices. The introduction of clustering and sink mobility techniques into home automation networks have been shown to be an efficient way to improve the network performance and have received significant research attention. Taking inspiration from nature, this paper proposes an Ant Colony Optimization (ACO) based clustering algorithm specifically with mobile sink support for home automation networks. In this work, the network is divided into several clusters and cluster heads are selected within each cluster. Then, a mobile sink communicates with each cluster head to collect data directly through short range communications. The ACO algorithm has been utilized in this work in order to find the optimal mobility trajectory for the mobile sink. Extensive simulation results from this research show that the proposed algorithm significantly improves home network performance when using mobile sinks in terms of energy consumption and network lifetime as compared to other routing algorithms currently deployed for home automation networks.

Thermal and visual performance of real and theoretical thermochromic glazing solutions for office buildings

Thermochromic windows are able to modulate their transmittance in both the visible and the near-infrared field as a function of their temperature. As a consequence, they allow to control the solar gains in summer, thus reducing the energy needs for space cooling. However, they may also yield a reduction in the daylight availability, which results in the energy consumption for indoor artificial lighting being increased. This paper investigates, by means of dynamic simulations, the application of thermochromic windows to an existing office building in terms of energy savings on an annual basis, while also focusing on the effects in terms of daylighting and thermal comfort. In particular, due attention is paid to daylight availability, described through illuminance maps and by the calculation of the daylight factor, which in several countries is subject thresholds. The study considers both a commercially available thermochromic pane and a series of theoretical thermochromic glazing. The expected performance is compared to static clear and reflective insulating glass units. The simulations are repeated in different climatic conditions, showing that the overall energy savings compared to clear glazing can range from around 5% for cold climates to around 20% in warm climates, while not compromising daylight availability. Moreover the role played by the transition temperature of the pane is examined, pointing out an optimal transition temperatures that is irrespective of the climatic conditions.

Assessing how retrofit of traditional buildings impacts indoor environment and occupant’s thermal comfort

Buildings consume a large amount of energy, in both their use and production. Retrofitting aims to achieve a reduction in this energy consumption. However, there are concerns that retrofitting can cause negative impacts on the internal environment including poor thermal comfort and health issues. This research investigates the impact of retrofitting the façade of existing traditional buildings and the resulting impact on the indoor environment and occupant thermal comfort. A Case building located at the University of Reading has been monitored experimentally and modelled using IES software with monitored values as input conditions for the model. The proposed façade related retrofit options have been simulated and provide information on their effect on the indoor environment. The findings show a positive impact on the internal environment. The data shows a 16.2% improvement in thermal comfort after retrofit is simulated. This also achieved a 21.6% reduction in energy consumption from the existing building.

Decolourisation of real textile waste using electrochemical techniques: Effect of electrode composition

The present paper presents the study of the decolourisation of real textile effluent by constant current electrolysis in a flow-cell using a DSAO type material. The effect of using different anode materials (Ti/Ru0.3Ti0.7O2; Ti/Ir0.3Ti0.7O2; Ti/RuxSn1-xO2, where X = 0.1, 0.2 or 0.3) on the efficiency of colour removal is discussed. Attempts to perform galvanostatic oxidation (40 and 60 mA cm(-2)) on the as-received effluent demonstrate that colour removal and total organic carbon (TOC) removal are limited. In this case the greatest degree of colour removal is achieved when anode containing 90% SnO2 is used. If the conductivity of the effluent is increased by adding NaCl (0.1 mol L-1) appreciable colour/TOC removal is observed. The efficiencies of colour and TOC removal are discussed in terms of the energy per order (E-EO/kWhm(-3) order(-1)) and energy consumption (E-C/kW h kg(-1) TOC), respectively. Finally, the extent of colour removal is compared to consent levels presented in the literature. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Pineapple Leaf Fibers for Composites and Cellulose

Pineapple leaf fiber (PALF) which is rich in cellulose, abundantly available, relatively inexpensive, low density, nonabrasive nature, high filling level possible, low energy consumption, high specific properties, biodegradability and has the potential for polymer reinforcement. The utilization of pineapple leaf fiber (PALF) as reinforcements in thermoplastic and thermosetting resins in micro and nano form for developing low cost and lightweight composites is an emerging field of research in polymer science and technology. In this paper we examines the industrial applicabiliy of PALF, mainly for production of composite materials and special papers, chemical feedstocks (bromelin enzyme) and fabrics.

Photo-assisted electrochemical degradation of the commercial herbicide atrazine

This paper presents a degradation study of the pesticide atrazine using photo-assisted electrochemical methods at a dimensionally stable anode (DSA (R)) of nominal composition Ti/Ru(0.3)Ti(0.7)O(2) in a prototype reactor. The effects of current density, electrolyte flow-rate, as well as the use of different atrazine concentrations are reported. The results indicate that the energy consumption is substantially reduced for the combined photochemical and electrochemical processes when compared to the isolated systems. It is observed that complete atrazine removal is achieved at low current densities when using the combined method, thus reducing the energy required to operate the electrochemical system. The results also include the investigation of the phytotoxicity of the treated solutions.

A Cost Model for the Effect of Setup Time Reduction in Stainless Steel Strip Production

Setup time reduction facilitate the flexibility needed for just-in-time production. An integrated steel mill with meltshop, continuous caster and hot rolling mill is often operated as decoupled processes. Setup time reduction provides the flexibility needed to reduce buffering, shorten lead times and create an integrated process flow. The interdependency of setup times, process flexibility and integration were analysed through system dynamics simulation. The results showed significant reductions of energy consumption and tied capital. It was concluded that setup time reduction in the hot strip mill can aid process integration and hence improve production economy while reducing environmental impact.

Borlänge and Falun Brundtland cities

Development of an infrastructure for Brundtland Renewable Energy Network - BREN is a European Commission Alterner Project with Contract no XVII/4. 1030/Z96-032.The project has its origin in the UN-report “Our Common Future”, 1989. A change in and reduction of the use of energy was fundamental in order to reach the goals which the report proposed. Denmark decided on an action plan on how energy consumption could be reduced “Energi 2000 - Handlingsplan för en bäredygtig udvikling”. The ministries of energy in Denmark and Schleswig Holstein both agreed to start an energy saving project in a smaller town. The project was called “Brundtlandby” and the two first were Toftlund in South Jutland and Bredstedt in North Friesland. After a short period a further two German Cities, Rheinsberg and Viernheim, and Rajec in Slovakia joined the group. A network for the exchange of knowledge and experience between the cities was formed. The network, Brundtland City Project, inspired the participating cities in the continuing work with energy saving measures. The Brundtland City Project was presented at an international conference “Cities and Energy” in Trondheim, Norway,in December 1995. Great interest was shown in the project and it was decided that a network should be developed in northern European countries as a pilot project to be enlarged with other European countries later on. A steering committee was formed with representatives from the nordic countries.An application was sent to the European Commission, Alterner Program, and was approved in Juli 1996. The project was subdivided into nine activities. Activity 1, consisted of summarising the experiences of the Brundtland City Project in Toftlund, Denmark and the Brundtland Cities network in Slovakia, Germany and Denmark. The Scandinavian part started with Activity 2, to engage municipalities/cities in Finland, Norway and Sweden in the project. The Solar Energy Research Center, SERC, Högskolan Dalarna was appointed as co-ordinator for the Swedish part. The project was presented at a seminar on the 30th September for representatives from the municipalities of Borlänge and Falun. On the 10th of December 1996 the two municipalities accepted the invitation to join the Northern network. Pelle Helje, Borlänge Energi, has been informant for the municipality of Borlänge and Anders Goop, Department of Urban Planninginformant for the municipality of Falun with Jan Kaans, Estates department providing information to the basis for the Newsletter.Reports on the work in Borlänge and Falun municipalities have been made to Brundtland Center Denmark on three occasions; Activities 2-5, 16-12-1997, Activities 6-7, including parts of activities 8-9, 03-03-1998, and the basis for the Newsletter, 01-07-1998. The Nordic reports have been compiled at the Brundtland Center Denmark for submission to the European Commission. English has been the common language. After the report of activities 2 - 5 the participants wereinvited to a project meeting and a workshop at Brundtland Center the 23rd and 24th March 1998.This was the first occasion the participants in the project met and the network thus took a moreconcrete form. It also was decided that the next meeting should be in Borlänge in August 1998,with Borlänge Energi and Solar Energy Research Center SERC as organisers. As BrundtlandCentre Denmark was wound up for financial reasons, the project meeting in Borlänge wascancelled.Compilation of the Final Report was carried out by Esbensen Consultants in October 1998Future development of the networkIt is intended to continue the work with the Brundtland City Network as an “EU Thermie Bproject”and the network will be enlarged with the addition of four new Brundtland Cities from Austria, Germany, Italy and Great Britain. In addition the village of Putja in Estonia will join the network but this will be financed by the EU-Phare programme.

Fjärrvärmedrivna vitvaror : Erfarenheter från utveckling, installationer och kostnadsberäkningar

Värmedrivna vitvaror eller HWC-maskiner som de kallas av tillverkaren värms med varmt vatten från en cirkulerande krets via en värmeväxlare inbyggd i maskinen, till skillnad från konventionella maskiner som värms med el. Denna teknik skall inte förväxlas med maskiner som är anslutna till varmvattenledningen och fylls på med varmt vatten och som därmed begränsas till disk- och tvätt. Syftet med fjärrvärmedrivna vitvaror är alltså att använda fjärrvärme, som har lägre kvalitet och pris än elenergi för uppvärmning och torkning och på så sätt spara el och utöka fjärrvärmeunderlaget. En jämförelse av koldioxidutsläpp och primärenergianvändning mellan konventionella vitvaror och fjärrvärmedrivna vitvaror visar att både koldioxidutsläpp och primärenergianvändning blir lägre för fjärrvärmedrivna vitvaror om biobränsle anses koldioxidneutralt och den el som ersätts är producerad i kolkraftverk eller gaskombikraftverk.   Denna rapport beskriver utveckling och kommersialisering av värmedrivna vitvaror (disk- och tvättmaskiner samt torktumlare och torkskåp) och hur de kan anslutas mot fjärrvärmesystem i olika systemlösningar. Dessutom har de energimässiga och ekonomiska förutsättningarna för tekniken undersökts. Erfarenheterna från fältprovning är dock mycket begränsade, eftersom de byggen där fälttesterna skulle ske försenades. Under 2013 färdigställs ett flerbostadshus med värmedrivna vitvaror i 160 lägenheter i Västerås.   De utvecklade maskinernas värmeanvändning som andel av total energianvändning vid 60 graders framledningstemperatur har uppmätts till ca 50 % för diskmaskinen, 67 % för tvättmaskinen, 80 % för torktumlaren och 93 % för torkskåpet. I det studerade flerbostadshuset av passivhusstandard uppgår lasten från värmedrivna vitvaror komfortgolvvärme och handdukstorkar till upp mot 30 % av husets totala värmeanvändning. För småhus är motsvarande siffra upp mot 20 %. Att använda fjärrvärme istället för elvärme till dessa installationer som normalt är elvärmda kan allts minska elbehovet betydligt i lågenergibebyggelse vilket också minskar både koldioxidutsläppen och primärenergianvändningen.   Ekonomiska analyser har genomförts för två olika systemkoncept (separat vitvarukrets och Västeråsmodellen) för nybyggda småhusområden och flerfamiljshus där fjärrvärme inte bara används till vitvaror utan också till handdukstorkar och komfortgolvvärme. De ekonomiska analyserna visar att Västeråsmodellen är den mest ekonomiskt intressanta systemlösningen med värmedrivna vitvaror, handdukstork och komfortgolvvärme. I flerfamiljshus kan den vara konkurrenskraftig mot de elvärmda alternativen (konventionellt system med eldrivna vitvaror, komfortgolvvärme och handdukstorkar) om prisskillnaden mellan el och fjärrvärme är större än 0,7 kr/kWh. En parameterstudie visar att kapitalkostnaden blir ganska hög jämfört med energikostnaden, vilket betyder att lång livslängd och många cykler är viktigt för att förbättra de ekonomiska förutsättningarna för värmedrivna vitvaror. För passiva småhus blir kostnaden för Västeråsmodellen med värmedrivna vitvaror, handdukstork och komfortgolvvärme likvärdig med de elvärmda alternativen vid energiprisskillnader på 0,7 kr/kWh inklusive moms, medan det krävs prisskillnader på 0,9 kr/kWh inklusive moms för normalisolerade småhusområden.   Sammanfattningsvis kan sägas att i kommuner med ett konkurrenskraftigt fjärrvärmepris finns det viss lönsamhet för hela konceptet enligt Västeråsmodellen med värmedrivna vitvaror, komfortgolvvärme, och handdukstorkar. Om man däremot ser på konkurrensen för enskilda vitvaror är det främst torktumlaren som är konkurrenskraftig i bostäder. Målpriset på 1000 kr extra för värmedrift har inte kunnat uppnås inom projektet för diskmaskiner och tvättmaskiner. Det krävs lägre priser och låga anslutningskostnader för att räkna hem diskmaskinen och tvättmaskinen som enskilda komponenter.   Värmedrivna tvättmaskiner och torktumlare är konkurrenskraftiga i flerfamiljstvättstugor. Speciellt i de fall där beläggningen är god och flera maskiner delar på anslutningskostnaden till fjärrvärmecentralen kan värmedrift bli riktigt lönsam. Torkskåpens konkurrenskraft har inte kunnat utvärderas, då priset ännu inte fastställts. Att använda VVC-systemet för värmedistribution till värmedrivna vitvaror kan vara mycket intressant, men det kräver att legionellaproblematiken kan lösas. I nuläget finns ingen lösning som uppfyller formuleringarna i boverkets byggregler. Ett annat distributionssätt som kan vara intressant, men som inte undersökts i studien är att använda VVC för varmvattendistribution och en gemensam radiator- och vitvarukrets med konstant framledningstemperatur. Den aktör som förväntas ha störst ekonomiskt intresse av att tekniken implementeras är sannolikt fjärrvärmebolagen som får sälja mer värme och det ligger därmed främst på deras ansvar att marknadsföra tekniken i mötet med sina kunder.

Solcellsdrivet FTX-system för miljonprogramshus : Tjärna Ängar, Borlänge

Projektet omfattade undersökning och framtagande av ett solcellssystem med förmåga att försörja ett FTX-system i ett flerbostadshus från miljonprogrammet med el. För att kunna bedöma storlek och utformning av komponenter har information tagits genom: Informationssökning via databaser, kurslitteratur och intervjuer Simuleringar av solceller i datorprogrammet PVSYST Modulering av ventilationskanaler i datorprogrammet MagiCAD Syftet var främst att undersöka om det gick att få fram ett teoretiskt fungerande system med avseende på både solceller och ventilation. Beroende på vad resultatet blev skulle även ekonomin i projektet undersökas. Undersökningen visade att det teoretiskt ska gå att installera solceller för elframställning som klarar av att täcka FTX-systemets elbehov på årsbasis. Solcellerna bedöms även producera tillräckligt med el för viss övrig elkrävande utrustning under stora delar av året. Det visade sig även att det skulle gå att få solcellerna ekonomiskt lönsamma om en kalkyltid på 14 år används. Metoden som använts för dessa resultat är noga beskriven och är med små förändringar tillämpbar för ett stort antal byggnader i det svenska byggnadsbeståndet. En viktig slutsats är att om fastighetsägarna kan se 15 år fram i tiden för en investering i solenergi, skulle det innebära inte bara miljömässiga utan även ekonomiska vinster. Det finns redan idag kunnande, teknik och produkter för att utvinna en stor del av fastigheternas elbehov genom solens energi.

Energieffektivisering av klimatskal med hänsyn till kulturhistorisk värdering : Fallstudier av tre befintliga småhus från 1900-talet ur bevarandesynpunkt

Allt hårdare lagkrav gör att det är svårt att energieffektivisera befintliga byggnader utan att förändra deras utseende. Syftet med examensarbetet är att utreda hur stor energieffektivisering, för tre befintliga småhus uppförda under 1900-talet, som är möjlig att uppnå genom förbättring av byggnadernas klimatskal, det vill säga tak, väggar, golv, fönster och dörrar, utan att förvanska byggnadernas utseende och samtidigt bevara deras kulturhistoriska värden. Arbetet bestod av en förstudie där tre byggnader identifierades, ett undersökningsskede där information om byggnaderna togs fram och ett slutsatsskede där energibesparande åtgärdsförslag togs fram och utvärderades. Byggnader som var goda representanter för sin tid och stil söktes. Byggnader från 1910-talet, 1930-talet och 1970-talet, lokaliserades. Sedan gjordes det fallstudier med intervjuer och inventeringar. För att utreda byggnadens klimatskal utfördes u-värdesberäkningar och energiberäkningar av befintliga byggander och byggnader baserade på föreslagna åtgärdsförslag. Ingen av byggnaderna nådde efter föreslagna åtgärder ner till passivhuskravet 59 kWh/år/m2 Atemp eller BBR-kravet 110 kWh/år/m2 Atemp för en byggnads specifika energianvändning. Den största möjliga energieffektivisering för de tre byggnaderna uppförda under 1900-talet, som är möjlig att uppnå utan att förvanska byggnadernas utseende och samtidigt bevara deras kulturhistoriska värden är 13,0 kWh/år/m2 Atemp, 49,7 kWh/år/m2 Atemp respektive 64,8 kWh/år/m2 Atemp. Slutsatser från arbetet är att byggnader från 1910-tal kan åtgärdas genom att isolera fönstren, sätta dit en extra dörr på insidan av ytterdörren samt tilläggsisolera snedtaket. Byggnader från 1930-tal kan åtgärdas genom att isolera fönstren med en isolerruta på insidan av fönstret och dörrarna med en extra dörr på insidan av ytterdörren. Byggnader från 1970-tal kan åtgärda fönstren genom att byta ut dem till energifönster, ingen åtgärd för golvet men fasaden isoleras utvändigt med vakuumisolering. Byggnaden från 1970-talet klarade sig bäst i jämförelsen eftersom den var i autentiskt skick från början vilket gjorde att förbättringen blev större än för till exempel byggnaden från 1910-talet som redan var ombyggd innan åtgärder föreslogs.

Solar PV Powered Air Conditioner Analysis for an Office/Classroom in a Tropical Climate

This thesis focuses on using photovoltaic produced electricity to power air conditioners in a tropical climate. The study takes place in Surabaya, Indonesia at two different locations the classroom, located at the UBAYA campus and the home office, 10 km away. Indonesia has an average solar irradiation of about 4.8 kWh/m²/day (PWC Indonesia, 2013) which is for ideal conditions for these tests. At the home office, tests were conducted on different photovoltaic systems. A series of measuring devices recorded the performance of the 800 W PV system and the consumption of the 1.35 kW air conditioner (cooling capacity). To have an off grid system many of the components need to be oversized. The inverter has to be oversized to meet the startup load of the air conditioner, which can be 3 to 8 times the operating power (Rozenblat, 2013). High energy consumption of the air conditioner would require a large battery storage to provide one day of autonomy. The PV systems output must at least match the consumption of the air conditioner. A grid connect system provides a much better solution with the 800 W PV system providing 80 % of the 3.5 kWh load of the air conditioner, the other 20 % coming from the grid during periods of low irradiation. In this system the startup load is provided by the grid so the inverter does not need to be oversized. With the grid-connected system, the PV panel’s production does not need to match the consumption of the air conditioner, although a smaller PV array will mean a smaller percentage of the load will be covered by PV. Using the results from the home office tests and results from measurements made in the classroom. Two different PV systems (8 kW and 12 kW) were simulated to power both the current air conditioners (COP 2.78) and new air conditioners (COP 4.0). The payback period of the systems can vary greatly depending on if a feed in tariff is awarded or not. If the feed in tariff is awarded the best system is the 12 kW system, with a payback period of 4.3 years and a levelized cost of energy at -3,334 IDR/kWh. If the feed in tariff is not granted then the 8 kW system is the best choice with a lower payback period and lower levelized cost of energy than the 12 kW system under the same conditions.