Modelado matemático para eficiencia energética: aplicaciones a iluminación LED y al monitoreo de edificios

Abstract

[ES] En este trabajo se presenta un estudio detallado de los procesos de transferencia de calor en luminarias LED de alta potencia (HP-LED) con disipadores de calor pasivos y el análisis de variables energéticas: consumo eléctrico y concentración de CO2, para obtener correlaciones que predigan el rendimiento energético de edificios. Como primer objetivo, se diseñan disipadores de calor adecuados a luminarias de distintas potencias. Para ello, se parte de un modelo matemático completo que describe la transferencia de calor en este tipo de sistemas, se realiza la simulación numérica usando métodos de elementos finitos y, además, se comprueban los resultados obtenidos en el laboratorio. Hemos centrado nuestro análisis en el caso de una fuente LED en contacto térmico con un disipador de calor pasivo de aluminio, obteniendo un excelente ajuste entre las mediciones experimentales y las simulaciones numéricas realizadas. Con estos disipadores se garantiza tanto el comportamiento óptimo como la durabilidad de las luminarias. Posteriormente como segundo objetivo, se estudia la relación de dos variables clave del rendimiento energético de un edificio: el consumo de energía y la concentración de CO2, cuyas correlaciones no han sido consideradas en la literatura. Para alcanzar este objetivo, se seleccionaron dos instalaciones ubicadas en diferentes continentes y se adquirieron los datos necesarios para su análisis con un sistema simple y económico para medir, transmitir y gestionar la información. La determinación matemática de la relación entre dos variables facilitará en gran medida la programación de algoritmos eficientes de control energético de instalaciones en plataformas de gestión energéticas. El manejo de toda la información obtenida mediante sensores y gestionada a través de plataformas inteligentes requiere el desarrollo de líneas de investigación relacionadas con el Internet de las Cosas (IoT) y que pertenecen a la era de la Industria 4.0. Los estudios incluidos en esta tesis doctoral pertenecen a dos áreas de trabajo que contribuyen a comprender y mejorar el rendimiento de las Smart cities: el uso de la información para convertir nuestros edificios en instalaciones sostenibles y el desarrollo de la iluminación inteligente (Smart lighting), consiste en incorporar sensores a las luminarias para convertir el sistema de iluminación pública de una ciudad en un laboratorio distribuido de variables de interés gestionado a través de plataformas inteligentes.

[CA] En aquest treball es presenta un estudi detallat dels processos de transferència de calor en lluminàries LED d'alta potència (HP-LED) amb dissipadors de calor passius i l'anàlisi de variables energètiques: consum elèctric i concentració de CO2, per a obtindre correlacions que prediguen el rendiment energètic d'edificis. Com a primer objectiu, es dissenyen dissipadors de calor adequats a lluminàries de diferent potències. Per a això, es parteix d'un model matemàtic complet que descriu la transferència de calor en aquest tipus de sistemes, es realitza la simulació numèrica usant mètodes d'elements finits i, a més, es comproven els resultats obtinguts en el laboratori. Hem centrat la nostra anàlisi en el cas d'una font LED en contacte tèrmic amb un dissipador de calor passiva d'alumini, obtenint un excellent ajust entre els mesuraments experimentals i les simulacions numèriques realitzades. Amb aquests dissipadors es garanteix tant el comportament òptim com la durabilitat de les lluminàries. Posteriorment com a segon objectiu, s'estudia la relació de dues variables clau del rendiment energètic d'un edifici: el consum d'energia i la concentració de CO2, les correlacions de la qual no han sigut considerades en la literatura. Per a aconseguir aquest objectiu, es van seleccionar dues installacions situades en diferents continents i es van adquirir les dades necessàries per a la seua anàlisi amb un sistema simple i econòmic per a mesurar, transmetre i gestionar la informació. La determinació matemàtica de la relació entre dues variables facilitarà en gran manera la programació d'algorismes eficients de control energètic d'installacions en plataformes de gestió energètiques. El maneig de tota la informació obtinguda mitjançant sensors i gestionada a través de plataformes intelligents requereix el desenvolupament de línies d'investigació relacionades amb l'Internet de les Coses (IoT) i que pertanyen a l'era de la Indústria 4.0. Els estudis inclosos en esta tesi doctoral pertanyen a dues àrees de treball que contribueïxen a comprendre i millorar el rendiment de les Smart cities: l'ús de la informació per a convertir els nostres edificis en installacions sostenibles i el desenvolupament de la illuminació intelligent (Smart lighting), consistix a incorporar sensors a les lluminàries per a convertir el sistema d'illuminació pública d'una ciutat en un laboratori distribuït de variables d'interés gestionat a través de plataformes intelligents.

[EN] This work presents a detailed study of the heat transfer processes in high power LED luminaires (HP-LED) with passive heatsinks and the analysis of energy variables: power consumption and concentration of CO2, to obtain correlations that predict the energy performance of buildings. As a first objective, heat sinks appropiate for luminaires of different powers are developed. For this, we start from a complete mathematical model that describes the heat transfer in this type of systems, the numerical simulation is performed using finite element methods and, in addition, the results obtained in the laboratory are compared. With these heatsinks, the optimum performance and durability of the luminaires is guaranteed. Later, we propose to study the relation between two key variables of building performance: the power consumption and the CO2 concentration, whose correlations have not been considered in the literature. To achieve this objective, two buildings located in different continents were selected and the necessary data were acquired for their analysis with a simple and economical system to measure, transmit and manage the information. Therefore, the mathematical determination of the relationship between the two variables will greatly facilitate the programming of algorithms in the energy management platforms. The management of all information obtained through sensors and managed through intelligent platforms requires the development of research lines related to the Internet of Things (IoT) and that belong to the era of Industry 4.0. The studies included in this doctoral thesis belong to two areas of work that contribute to understanding and improving the performance of Smart Cities: the use of information to turn our buildings into sustainable installations and the development of smart lighting, consists of incorporating sensors to the luminaires to convert the public lighting system of a city into a distributed laboratory of variables of interest managed through intelligent platforms.