Integración de sistemas fotovoltaicos en edificios de oficinas en bajas latitudes: estudio del balance energético aplicado a Brasil

La hipótesis que inspiró esta tesis sostiene que la integración de componentes fotovoltaicos en los cerramientos opacos y sombreamientos de huecos acristalados de edificios de oficinas en sitios ubicados en bajas latitudes, tomando como el ejemplo el caso concreto de Brasil, podría incrementar su eficiencia energética. Esta posibilidad se basa en el bloqueo de una parte significativa de la irradiación solar incidente en estos edificios, reduciendo así las cargas térmicas para la climatización y a la vez transformándola en energía eléctrica, a tal punto que se amortizan los costes de inversión en plazos aceptables a través de los ahorros en la demanda de energía. Para verificar esta hipótesis de partida se ha propuesto como objetivo general analizar la integración de elementos fotovoltaicos en cubiertas, muros opacos y sombreamiento de huecos acristalados desde la óptica del balance energético térmico y eléctrico. Inicialmente se presenta y analiza el estado del arte en los temas estudiados y la metodología de investigación, de carácter teórico basada en cálculos y simulaciones. A partir de un modelo tipo de edificio de oficinas situado en Brasil, se definen cuatro casos de estudio y una serie de parámetros, los cuales se analizan para siete latitudes ubicadas entre -1,4° y -30°, separadas las unas de las otras por aproximadamente 5°. Se presentan y discuten los resultados de más de 500 simulaciones para los siguientes conceptos: - recurso solar, desde la perspectiva de la disponibilidad de irradiación solar en distintas superficies de captación apropiadas para la integración de sistemas solares fotovoltaicos en edificaciones en bajas latitudes; - análisis de sombras, con objetivo de identificar los ángulos de sombras vertical (AVS) para protección de huecos acristalados en edificios de oficinas; - balance energético térmico, para identificar el efecto térmico del apantallamiento provocado por componentes fotovoltaicos en cubiertas, muros opacos y parasoles en ventanas en las cargas de refrigeración y consecuentemente en las demandas de energía eléctrica; - balance energético eléctrico, contrastando los resultados del balance térmico con la energía potencialmente generada en las envolventes arquitectónicas bajo estudio; - análisis económico, basado en un escenario de precios de la tecnología fotovoltaica de un mercado maduro y en la política de inyección a la red marcada por la actual normativa brasileña. Se han verificado los potenciales de ahorro económico que los sistemas activos fotovoltaicos podrían aportar, y asimismo se calculan diversos indicadores de rentabilidad financiera. En suma, esta investigación ha permitido extraer conclusiones que contribuyen al avance de la investigación y entender las condiciones que propician la viabilidad de la aplicación de componentes fotovoltaicas en las envolventes de edificios en Brasil, y hasta un cierto punto en otros países en latitudes equivalentes. ABSTRACT The hypothesis that inspired this thesis sustains that integration of photovoltaic components in the opaque envelope and shading elements of office buildings placed at low-latitude countries, using the specific case of Brazil, could increase its energy efficiency. This is possible because those components block a significant part of the incident solar irradiation, reducing its heating effect on the building and transforming its energy into electricity in such a way that the extra investments needed can be paid back in acceptable periods given the electricity bill savings they produce. In order to check this hypothesis, the main goal was to analyze the thermal and electrical performance of photovoltaic components integrated into roofs, opaque façades and window shadings. The first step is an introduction and discussion of the state of the art in the studied subjects, as well as the chosen methodology (which is theoretical), based on calculations and simulations. Starting from an office building located in Brazil, four case studies and their parameters are defined, and then analyzed, for seven cities located between latitudes -1.4° and -30°, with an approximate distance of 5° separating each one. Results of more than 500 simulations are presented and discussed for the following concepts: - Solar resource, from the perspective of irradiation availability on different surfaces for the integration of photovoltaic systems in buildings located at low latitudes; - Shading analysis, in order to determine the vertical shading angles (VSA) for protection of the glazed surfaces on office buildings; - Thermal energy balance, to identify the screening effect caused by photovoltaic components on roofs, opaque façades and window shadings on the cooling loads, and hence electricity demands; - Electric energy balance, comparing thermal energy balance with the energy potentially generated using the active skin of the buildings; - Economic analysis, based on a mature-market scenario and the current net metering rules established by the Brazilian government, to identify the potential savings these photovoltaic systems could deliver, as well as several indicators related to the return on the investment. In short, this research has led to conclusions that contribute to the further development of knowledge in this area and understanding of the conditions that favor the application of photovoltaic components in the envelope of office buildings in Brazil and, to a certain extent, in other countries at similar latitudes.

Nepfix: on-demand cloud elastic simulation of networks of evolutionary processors

Una Red de Procesadores Evolutivos o NEP (por sus siglas en ingles), es un modelo computacional inspirado por el modelo evolutivo de las celulas, específicamente por las reglas de multiplicación de las mismas. Esta inspiración hace que el modelo sea una abstracción sintactica de la manipulation de information de las celulas. En particu¬lar, una NEP define una maquina de cómputo teorica capaz de resolver problemas NP completos de manera eficiente en tóerminos de tiempo. En la praóctica, se espera que las NEP simuladas en móaquinas computacionales convencionales puedan resolver prob¬lemas reales complejos (que requieran ser altamente escalables) a cambio de una alta complejidad espacial. En el modelo NEP, las cóelulas estóan representadas por palabras que codifican sus secuencias de ADN. Informalmente, en cualquier momento de cómputo del sistema, su estado evolutivo se describe como un coleccion de palabras, donde cada una de ellas representa una celula. Estos momentos fijos de evolucion se denominan configuraciones. De manera similar al modelo biologico, las palabras (celulas) mutan y se dividen en base a bio-operaciones sencillas, pero solo aquellas palabras aptas (como ocurre de forma parecida en proceso de selection natural) seran conservadas para la siguiente configuracióon. Una NEP como herramienta de computation, define una arquitectura paralela y distribuida de procesamiento simbolico, en otras palabras, una red de procesadores de lenguajes. Desde el momento en que el modelo fue propuesto a la comunidad científica en el año 2001, múltiples variantes se han desarrollado y sus propiedades respecto a la completitud computacional, eficiencia y universalidad han sido ampliamente estudiadas y demostradas. En la actualidad, por tanto, podemos considerar que el modelo teórico NEP se encuentra en el estadio de la madurez. La motivación principal de este Proyecto de Fin de Grado, es proponer una aproxi-mación práctica que permita dar un salto del modelo teórico NEP a una implantación real que permita su ejecucion en plataformas computacionales de alto rendimiento, con el fin de solucionar problemas complejos que demanda la sociedad actual. Hasta el momento, las herramientas desarrolladas para la simulation del modelo NEP, si bien correctas y con resultados satisfactorios, normalmente estón atadas a su entorno de ejecucion, ya sea el uso de hardware específico o implementaciones particulares de un problema. En este contexto, el propósito fundamental de este trabajo es el desarrollo de Nepfix, una herramienta generica y extensible para la ejecucion de cualquier algo¬ritmo de un modelo NEP (o alguna de sus variantes), ya sea de forma local, como una aplicación tradicional, o distribuida utilizando los servicios de la nube. Nepfix es una aplicacion software desarrollada durante 7 meses y que actualmente se encuentra en su segunda iteration, una vez abandonada la fase de prototipo. Nepfix ha sido disenada como una aplicacion modular escrita en Java 8 y autocontenida, es decir, no requiere de un entorno de ejecucion específico (cualquier maquina virtual de Java es un contenedor vólido). Nepfix contiene dos componentes o móodulos. El primer móodulo corresponde a la ejecución de una NEP y es por lo tanto, el simulador. Para su desarrollo, se ha tenido en cuenta el estado actual del modelo, es decir, las definiciones de los procesadores y filtros mas comunes que conforman la familia del modelo NEP. Adicionalmente, este componente ofrece flexibilidad en la ejecucion, pudiendo ampliar las capacidades del simulador sin modificar Nepfix, usando para ello un lenguaje de scripting. Dentro del desarrollo de este componente, tambióen se ha definido un estóandar de representacióon del modelo NEP basado en el formato JSON y se propone una forma de representation y codificación de las palabras, necesaria para la comunicación entre servidores. Adicional-mente, una característica importante de este componente, es que se puede considerar una aplicacion aislada y por tanto, la estrategia de distribution y ejecución son total-mente independientes. El segundo moódulo, corresponde a la distribucióon de Nepfix en la nube. Este de-sarrollo es el resultado de un proceso de i+D, que tiene una componente científica considerable. Vale la pena resaltar el desarrollo de este modulo no solo por los resul-tados prócticos esperados, sino por el proceso de investigation que se se debe abordar con esta nueva perspectiva para la ejecución de sistemas de computación natural. La principal característica de las aplicaciones que se ejecutan en la nube es que son gestionadas por la plataforma y normalmente se encapsulan en un contenedor. En el caso de Nepfix, este contenedor es una aplicacion Spring que utiliza el protocolo HTTP o AMQP para comunicarse con el resto de instancias. Como valor añadido, Nepfix aborda dos perspectivas de implementation distintas (que han sido desarrolladas en dos iteraciones diferentes) del modelo de distribution y ejecucion, que tienen un impacto muy significativo en las capacidades y restricciones del simulador. En concreto, la primera iteration utiliza un modelo de ejecucion asincrono. En esta perspectiva asincrona, los componentes de la red NEP (procesadores y filtros) son considerados como elementos reactivos a la necesidad de procesar una palabra. Esta implementation es una optimization de una topologia comun en el modelo NEP que permite utilizar herramientas de la nube para lograr un escalado transparente (en lo ref¬erente al balance de carga entre procesadores) pero produce efectos no deseados como indeterminacion en el orden de los resultados o imposibilidad de distribuir eficiente-mente redes fuertemente interconectadas. Por otro lado, la segunda iteration corresponde al modelo de ejecucion sincrono. Los elementos de una red NEP siguen un ciclo inicio-computo-sincronizacion hasta que el problema se ha resuelto. Esta perspectiva sincrona representa fielmente al modelo teórico NEP pero el proceso de sincronizacion es costoso y requiere de infraestructura adicional. En concreto, se requiere un servidor de colas de mensajes RabbitMQ. Sin embargo, en esta perspectiva los beneficios para problemas suficientemente grandes superan a los inconvenientes, ya que la distribuciín es inmediata (no hay restricciones), aunque el proceso de escalado no es trivial. En definitiva, el concepto de Nepfix como marco computacional se puede considerar satisfactorio: la tecnología es viable y los primeros resultados confirman que las carac-terísticas que se buscaban originalmente se han conseguido. Muchos frentes quedan abiertos para futuras investigaciones. En este documento se proponen algunas aproxi-maciones a la solucion de los problemas identificados como la recuperacion de errores y la division dinamica de una NEP en diferentes subdominios. Por otra parte, otros prob-lemas, lejos del alcance de este proyecto, quedan abiertos a un futuro desarrollo como por ejemplo, la estandarización de la representación de las palabras y optimizaciones en la ejecucion del modelo síncrono. Finalmente, algunos resultados preliminares de este Proyecto de Fin de Grado han sido presentados recientemente en formato de artículo científico en la "International Work-Conference on Artificial Neural Networks (IWANN)-2015" y publicados en "Ad-vances in Computational Intelligence" volumen 9094 de "Lecture Notes in Computer Science" de Springer International Publishing. Lo anterior, es una confirmation de que este trabajo mas que un Proyecto de Fin de Grado, es solo el inicio de un trabajo que puede tener mayor repercusion en la comunidad científica. Abstract Network of Evolutionary Processors -NEP is a computational model inspired by the evolution of cell populations, which might model some properties of evolving cell communities at the syntactical level. NEP defines theoretical computing devices able to solve NP complete problems in an efficient manner. In this model, cells are represented by words which encode their DNA sequences. Informally, at any moment of time, the evolutionary system is described by a collection of words, where each word represents one cell. Cells belong to species and their community evolves according to mutations and division which are defined by operations on words. Only those cells are accepted as surviving (correct) ones which are represented by a word in a given set of words, called the genotype space of the species. This feature is analogous with the natural process of evolution. Formally, NEP is based on an architecture for parallel and distributed processing, in other words, a network of language processors. Since the date when NEP was pro¬posed, several extensions and variants have appeared engendering a new set of models named Networks of Bio-inspired Processors (NBP). During this time, several works have proved the computational power of NBP. Specifically, their efficiency, universality, and computational completeness have been thoroughly investigated. Therefore, we can say that the NEP model has reached its maturity. The main motivation for this End of Grade project (EOG project in short) is to propose a practical approximation that allows to close the gap between theoretical NEP model and a practical implementation in high performing computational platforms in order to solve some of high the high complexity problems society requires today. Up until now tools developed to simulate NEPs, while correct and successful, are usu¬ally tightly coupled to the execution environment, using specific software frameworks (Hadoop) or direct hardware usage (GPUs). Within this context the main purpose of this work is the development of Nepfix, a generic and extensible tool that aims to execute algorithms based on NEP model and compatible variants in a local way, similar to a traditional application or in a distributed cloud environment. Nepfix as an application was developed during a 7 month cycle and is undergoing its second iteration once the prototype period was abandoned. Nepfix is designed as a modular self-contained application written in Java 8, that is, no additional external dependencies are required and it does not rely on an specific execution environment, any JVM is a valid container. Nepfix is made of two components or modules. The first module corresponds to the NEP execution and therefore simulation. During the development the current state of the theoretical model was used as a reference including most common filters and processors. Additionally extensibility is provided by the use of Python as a scripting language to run custom logic. Along with the simulation a definition language for NEP has been defined based on JSON as well as a mechanisms to represent words and their possible manipulations. NEP simulator is isolated from distribution and as mentioned before different applications that include it as a dependency are possible, the distribution of NEPs is an example of this. The second module corresponds to executing Nepfix in the cloud. The development carried a heavy R&D process since this front was not explored by other research groups until now. It's important to point out that the development of this module is not focused on results at this point in time, instead we focus on feasibility and discovery of this new perspective to execute natural computing systems and NEPs specifically. The main properties of cloud applications is that they are managed by the platform and are encapsulated in a container. For Nepfix a Spring application becomes the container and the HTTP or AMQP protocols are used for communication with the rest of the instances. Different execution perspectives were studied, namely asynchronous and synchronous models were developed for solving different kind of problems using NEPs. Different limitations and restrictions manifest in both models and are explored in detail in the respective chapters. In conclusion we can consider that Nepfix as a computational framework is suc-cessful: Cloud technology is ready for the challenge and the first results reassure that the properties Nepfix project pursued were met. Many investigation branches are left open for future investigations. In this EOG implementation guidelines are proposed for some of them like error recovery or dynamic NEP splitting. On the other hand other interesting problems that were not in the scope of this project were identified during development like word representation standardization or NEP model optimizations. As a confirmation that the results of this work can be useful to the scientific com-munity a preliminary version of this project was published in The International Work- Conference on Artificial Neural Networks (IWANN) in May 2015. Development has not stopped since that point and while Nepfix in it's current state can not be consid¬ered a final product the most relevant ideas, possible problems and solutions that were produced during the seven months development cycle are worthy to be gathered and presented giving a meaning to this EOG work.

Arquitectura experimental en España 1965-1985

Entre los años 1965 y 1985, arquitectos españoles irrumpieron con una serie de aportaciones singulares que abrieron nuevas líneas de exploración más allá de los límites que marcaba la tradición. Se trata de un conjunto de prácticas arquitectónicas que podríamos calificar de “experimentales”3. El carácter aislado y disperso de estas manifestaciones4, ha contribuido a su desconocimiento y falta de difusión tanto dentro como fuera de nuestras fronteras. Hasta la fecha no se ha realizado una revisión del tema en su conjunto. Con este estudio se pretende analizar la producción arquitectónica experimental de este periodo en su globalidad, generar una estructura que permita incluir las distintas vías experimentales, de idear y proyectar arquitectura, que podemos encontrar dentro de nuestro territorio, inscribiéndolas en un contexto más amplio. Se han identificado cuatro nichos de experimentación en torno a los cuales se estructura la producción experimental española en el arco temporal definido: “sistemas de organización espacial”, “interacción con el medio ambiente”, “lógica constructiva e imaginación material” y “el campo expandido del lenguaje y el proceso proyectual”. La comprensión de estas manifestaciones, con una mirada global, es la que mejor puede contribuir a la construcción de un corpus propio, que sea reconocible por sus diferencias y especificidades. Se trata igualmente de un estudio comparado, que busca facilitar la inscripción de las prácticas experimentales españolas en el marco de la cultura internacional, no como una excepción encerrada en su particularismo, ni como una derivación inmediata de tendencias externas, sino como una realidad donde apoyar una historia que entrelaza lo local y lo internacional. En definitiva, con esta investigación se pretende recuperar un fragmento reciente de la arquitectura en España, en un periodo clave, en el que comienza a abrirse al intercambio de teorías y prácticas, con el resto de Europa y América. Incluyendo voces paralelas al discurso central, que habían sido desplazadas durante el proceso de construcción del mismo, se quiere participar en la transmisión de un legado completo de nuestra cultura y práctica arquitectónica. ABSTRACT Between the years 1965 and 1985, Spanish architects burst in with unique contributions that could be described as "experimental"1. The isolated and dispersed nature of these occurrences2 has contributed to the oversight and lack of dissemination of the Spanish experimental architecture both within and beyond our borders. To date, there has been no review of the topic in its entirety. This study tries to examine the experimental architectural production of this period as a whole, generating a structure that allows for the inclusion of different experimental ways of envisioning and projecting architecture within our territory, registering them in a wider context. Four niches of experimentation have been identified around which the Spanish experimental production in the time span defined: "spatial organisation systems," "interaction with the environment", "constructive logic and equipment imagination" and” expanded field of language and the design process. " Understanding these manifestations, with a global perspective, can best contribute to the construction of our own corpus, which is recognisable by their differences and specificities. At the same time, it is a comparative study that seeks to facilitate the registration of the Spanish experimental practices within the framework of international culture, not as an exception enclosed in its particularity, not as an immediate derivation of external trends, but as a reality to support a story that weaves together the local and the international. In short, it deals with recovering a recent fragment of architecture, in a key period in which Spain begins to open to the exchange of cultural and architectural theories and practices with the rest of Europe and America. Including parallel voices to the central discourse, which until recently had been displaced during the construction processes of that same discourse, this research wants to participate in the transmission of a complete legacy of the history of our culture and architectural practice.

Diseño arquitectónico y protección en caso de incendio: desarrollo normativo español en materia de evacuación en los siglos XIX y XX

Esta es la búsqueda de respuestas a esa duda constante: De dónde venimos y que hemos ido dejando por el camino. ¿Está todo claro en este recorrido o hemos actuado por acumulación de errores heredados de procesos anteriores? Es la investigación a través del descubrimiento de nuestro pasado, de nuestros orígenes en materia de seguridad de protección contra incendios, y sobre todo de ejecución de una arquitectura pensada para ser recorrida con mayor seguridad y ser evacuada en un tiempo razonable. El trabajo investiga, a nivel nacional, la evolución de la sociedad y sus efectos sobre la manera de interpretar el problema de la seguridad contra incendios en los edificios. El interés fundamentalmente es poner en claro todos aquellos aspectos que afectan a la evacuación de las personas. Para ello se han estudiado los principales hitos de actuación, las preocupaciones principales surgidas en cada momento y las soluciones adoptadas. Se ha comprobado su aplicación o su demora hasta que se ha producido el siguiente gran suceso que ha motivado una nueva revisión de los procedimientos de diseño y control. En primer lugar, tratando de relacionar los incendios fundamentales que han influido en nuestra forma de abordar el problema en distintos momentos de la historia de España. En segundo lugar, haciendo un recorrido sobre la figura del arquitecto y su participación en los medios de control y legislación sobre la manera de intervenir en el servicio de incendios o de resolver los edificios en materia de protección contra incendios o evacuación de sus ocupantes. En definitiva, descubriendo los escritos de algunos especialistas, fundamentales para entender nuestra manera de abordar el problema de la protección en los edificios, a lo largo de la historia. Se ha revisado como se han producido los siniestros más importantes en teatros y otros locales públicos .Analizando la forma en que los arquitectos implicados han tratado de resolver las posibles deficiencias ante el riesgo. Se trata de la tipología edificatoria donde, por primera vez, surge la preocupación por adoptar medidas y procedimientos de seguridad en caso de incendio. Resultan locales con una importante siniestralidad, donde se desarrolla la principal actividad lúdica del momento, y que por el importante número de personas que albergan, son fuente de preocupación entre el público y las autoridades. Otras cuestiones en un tema tan amplio, que quedan simplemente esbozadas en este trabajo de investigación, son los procedimientos de los sistemas de extinción, la estructura organizativa de la ciudad, las primeras sociedades de seguros de incendios, la aparición de patentes a partir del desarrollo industrial del siglo XIX. Todo ello, con el hilo conductor de la reglamentación que se ha ido elaborando al respecto. Al principio, sobre espectáculos públicos, acotando el punto de partida en la materia de nuestra reglamentación. Anticipando sistemas constructivos y datos dimensionales de la evacuación. Llegados a mediados del siglo XX, abordando otros usos. Haciendo seguimiento de la modernización de los procesos edificatorios y la reglamentación sectorial. Recabando información de las organizaciones profesionales que comienzan a reclamar una coordinación nacional de los sistemas preventivos y que desemboca en el Proyecto de Reglamento de prevención contra el fuego que nunca será publicado. Toda esta etapa, plagada de documentos de carácter voluntario u obligatorio, local y nacional, van definiendo los criterios dimensionales con los que debe resolverse los elementos arquitectónicos susceptibles de servir para la evacuación. Se trata de una etapa intensa en documentación, cambiante, sujeta a los criterios que establecen los países del entorno más avanzados en la materia. Las dos últimas décadas del siglo, acotadas por la transición política y varios siniestros de graves consecuencias, definen el proceso normativo que culmina con el código técnico de la edificación que hoy conocemos. Es un periodo de aprendizaje y asimilación del capítulo de la seguridad, donde los métodos son variados. Donde la intencionalidad última es trasladar un sistema prescriptivo a un modelo prestacional propio de la madurez en el análisis del tema y en las corrientes de los países del entorno. ABSTRACT This is the search for answers to that constant question: Where do we come from and what have left along the way? Has everything been clear on this journey, or have we acted as a result of a collection of errors learned from prior processes? This has been research through exploration of our past, of our origins regarding fire protection safety, and, above all, of the endeavour to utilize architecture aimed at offering the highest level of safety and evacuation in a reasonable time. This project has researched society’s change nationwide and its effects on how to interpret the difficulty of fire protection safety in buildings. Its focus has fundamentally been to clarify those aspects that affect the evacuation of people. To this end, the main milestones of action, the principal concerns that have arisen at each step, and the solutions taken have all been studied. A check was performed on their application; or their delay until a significant event occurred that prompted a new revision of design and control procedures. Firstly, this was done by attempting to connect the main fires that have influenced how we handle the problem at different times in Spain’s history. Secondly, an examination was done on the figure of the architect and his participation in the means of control and legislation on how to intercede in fire services, or how the architect finds solutions for buildings in terms of fire protection, or the evacuation of their occupants. In short, the written works of certain specialists, who are essential to our understanding of how to deal with the problem of protection in buildings, were explored throughout history. A study was done on the most significant disasters in theatres and other public establishments. This was done by analysing the way the architects involved have aimed to solve possible points liable to risk. It is a classification of building where, for the first time, the concern arose to adopt safety measures and procedures in the event of fires. Public establishments with considerable accident rates emerged. Here the main entertainment activities of the time took place. These spaces were a source of worry among the public and authorities due to the high number of persons they accommodated. Other issues in such an extensive subject, which are only outlined in this research study, are procedures in extinguishing systems, the organizational structure of cities, the first fire insurance companies, and the appearance of patents after the industrial development of the 19th century. All of these aspects are joined by the common thread of regulations that have been created in this matter. At the beginning, these regulations were for public shows, thus defining the starting point for our regulations. This was done in anticipation of structural systems and size data of evacuations. With the arrival of the mid-20th century, different uses were addressed. A modernization of construction processes and the industry regulations were tracked. Information was gathered from professional organizations that began to demand a national coordination of prevention systems which led to the Regulation Project on fire prevention which will never be published. Throughout this stage, replete with voluntary and compulsory documents, both on the local and national level, the dimensional criteria to be used in the resolution of architectural elements open to use in evacuation were defined. This was a period that was filled with documentation, change, and subject to the criteria that the most advanced countries in the field established in this regard. The final two decades of the century, marked by political transition and several accidents with grave consequences, defined the regulation process that culminated with the building technical code known today. This was a period of learning and understanding in the chapter of safety, where the methods are varied. In this chapter, the ultimate goal is to insert a prescriptive-based standard into a performance-based code suitable for cultivated experience in analysis of the subject and the tendencies in countries dealing with this field.