Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia

Editorial

Optimizing household energy planning in smart cities: A multiobjective approach

ABSTRACT This article presents the advances in the design and implementation of a recommendation system for planning the use of household appliances, focused on improving energy efficiency from the point of view of both energy companies and end-users. The system proposes using historical information and data from sensors to define instances of the planning problem considering user preferences, which in turn are proposed to be solved using a multiobjective evolutionary approach, in order to minimize energy consumption and maximize quality of service offered to users. Promising results are reported on realistic instances of the problem, compared with situations where no intelligent energy planning are used (i.e., ‘Bussiness as Usual’ model) and also with a greedy algorithm developed in the framework of the reference project. The proposed evolutionary approach was able to improve up to 29.0% in energy utilization and up to 65,3% in user preferences over the reference methods.

RESUMEN Este artículo presenta los avances en el diseño e implementación de un sistema de recomendación para planificar el uso de electrodomésticos, enfocado en mejorar la eficiencia energética desde el punto de vista tanto de las compañías de energía como de los usuarios finales. El sistema propone el uso de información histórica y datos de sensores para definir instancias del problema de planificación considerando las preferencias del usuario, que a su vez se proponen resolver mediante un enfoque evolutivo multiobjetivo, para minimizar el consumo de energía y maximizar la calidad del servicio ofrecido a los usuarios. Se informan resultados prometedores en casos realistas del problema, en comparación con situaciones en las que no se utiliza una planificación energética inteligente (es decir, modelo ‘Bussiness as Usual’) y también con un algoritmo goloso desarrollado en el marco del proyecto de referencia. El enfoque evolutivo propuesto fue capaz de mejorar hasta el 29.0 % en la utilización de energía y hasta el 65,3 % en las preferencias del usuario sobre los métodos de referencia.

Low-cost infrared thermography in aid of photovoltaic panels degradation research

ABSTRACT The analysis of PV solar panels deterioration allows researchers to know the health status of a panel in order to determine the overall functioning of a PV solar farm. A part of this analysis is performed by thermography, generally using professional and expensive equipment. This article presents a validation for the use of low-cost thermal imaging cameras, reviewing the relative error that can be obtained through scattering, contour analysis and three-dimensional meshes. The procedure is validated by analysis of I-V/P-V curves and a temperature sensor matrix, reaching errors less than 10% with cameras with less than 500USD.

RESUMEN El análisis del deterioro de paneles fotovoltaicos permite a los investigadores conocer el estado de salud de un panel con el objetivo de determinar el funcionamiento global de una granja fotovoltaica. Una parte de este análisis se realiza mediante termografía, utilizando generalmente equipos profesionales y de costos elevados. Este artículo se presenta una validación para el uso de cámaras termográficas de bajo costo, revisando el error relativo que se puede obtener mediante análisis de dispersión, contorno y mallas tridimensionales. El procedimiento es validado mediante análisis de curvas I-V/P-V y una matriz de sensores de temperatura, llegando a errores menores del 10% con cámaras con inferiores a 500USD.

Adsorption in a binary system of Pb (II) and Ni (II) using lemon peels

ABSTRACT The elimination of pollutants in water sources is a widely studied issue with the purpose of preserving the environment. In this work, the use of lemon peel (citrus lemon) as a bio-sorbent in the removal of Pb (II) and Ni (II) is studied, varying the temperature, adsorbent dose, and particle size. The materials were characterized by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Scanning Electron Microscopy (SEM) and Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) analysis, to determine the bio adsorbent’s physicochemical properties. FTIR and EDS techniques confirmed the precipitation of ions on the adsorbent after the adsorption process. It was found that the optimal conditions according to the Response Surface Methodology (RSM) are: particle size for Ni (II) of 1 and 0.355 mm, adsorbent dose 0.077 g and 0.117 g, and temperatures of 34 and 45 ºC, for Pb (II) and Ni (II), respectively. The results reported that the Dubinin-Radushkevich isotherm and the pseudo-second-order model are more in line with the experimental data, suggesting that the adsorption process is driven by physisorption and occurs in multilayers. Thermodynamic parameters suggest that the process is exothermic for Ni (II) and endothermic for Pb (II), and irreversible. The binary study showed that there is no competition for active sites between the ions.

RESUMEN La eliminación de contaminantes en fuentes hídricas es un tema ampliamente estudiado con el fin de preservar el medio ambiente. En este trabajo, se estudia el uso de cáscara de limón (Citrus limon) como bio-adsorbente en la remoción de Pb (II) y Ni (II), variando la temperatura, dosis de adsorbente y tamaño de partícula. Los materiales se caracterizaron por análisis de Espectroscopia Infrarroja por Transformada de Fourier (FTIR), Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) y Espectroscopia de dispersión de energía de rayos X (EDS) para determinar las propiedades fisicoquímicas de los bio-adsorbentes. Las técnicas FTIR y EDS confirmaron la precipitación de iones sobre el adsorbente después del proceso de adsorción. Se encontró que las condiciones óptimas de acuerdo con la Metodología de Superficie de Respuesta (RSM) son: tamaño de partícula para Ni (II) de 1 y 0,355 mm, dosis de adsorbente 0,077 g y 0,117 g, y temperaturas de 34 y 45 ºC, para Pb (II) y Ni (II), respectivamente. Los resultados informaron que la isoterma de Dubinin-Radushkevich y el modelo de pseudo-segundo orden se ajustan mejor a los datos experimentales, lo que sugiere que el proceso de adsorción se rige por fisisorción y se da en multicapas. Los parámetros termodinámicos sugieren que el proceso es exotérmico para Ni (II) y endotérmico para Pb(II), e irreversible. El estudio binario mostró que no hay competencia por los sitios activos entre los iones.

The impact of inventory holding costs on the strategic design of supply chains

ABSTRACT The explicit consideration of inventory holding costs for the strategic design of supply chains has not been sufficiently addressed in scientific literature. A possible cause is that usually supply chain optimization models are deterministic and linear or mixed-integer linear, while forecasting methods and inventory control systems are stochastic and non-linear. It is clear, however, that inventory costs might have a significant impact on optimal supply chain configuration and on distribution systems expansion or contraction. This article presents a practical strategy that considers an item-by-item inventory control system by means of a Monte Carlo simulation model as a starting point to include inventory holding costs in a supply chain optimization model. Three strategies to include inventory costs in the objective function were analyzed: The Square Root Law (SRL), the potential functions that relate average inventory with warehouse throughput, and the estimation of average inventories by simulation. The results suggest that the SRL should not be used unless unusual assumptions hold and that potential functions are a very good approximation to consider inventory costs for supply chain configuration.

RESUMEN La consideración explícita de los costos de mantenimiento del inventario para el diseño estratégico de cadenas de abastecimiento no ha sido suficientemente abordada en la literatura científica. Una posible causa es que usualmente los modelos de optimización de cadenas de abastecimiento son determinísticos y lineales o enteros-mixtos lineales, mientras que los modelos de pronósticos y sistemas de control de inventarios son estocásticos y no-lineales. Es claro, sin embargo, que los costos de inventario pueden tener un impacto significativo en la configuración óptima de la cadena y en situaciones de expansión o contracción de sistemas de distribución. En este artículo se presenta una estrategia práctica que considera el sistema de control de inventarios a nivel de ítem a través de un modelo de simulación Monte Carlo como punto de partida para incluir los costos de mantenimiento del inventario en un modelo de optimización de la cadena. Tres estrategias para incluir los costos de inventario en la función objetivo del modelo fueron analizadas: La Regla de la Raíz Cuadrada (SRL), las funciones potenciales que relacionan el inventario promedio con el flujo en una bodega y la estimación de inventarios promedio por simulación. Los resultados sugieren que la SRL no debería utilizarse a menos que se cumplan supuestos inusuales y que las funciones potenciales son una muy buena aproximación para considerar costos de inventarios en la configuración de cadenas de abastecimiento.

Speciation of iron, nickel and cobalt in the anaerobic biodegradation of rice straw

ABSTRACT The bioavailability of Fe, Ni and Co and its impact on the mono-digestion of rice straw with addition of a natural nutrient source were assessed. The chemical forms and the degree of bioavailability of Fe, Ni and Co were investigated in two reactors during 311 days of experimentation at 37°C. The reactor (R2) was supplemented with 1 g/L of mineral once a week. The control reactor R1 was limited in mineral during the study. The greatest methane yield of 238 mL/g VS was obtained with mineral supply with an increment of 45% respect to reactor without metals (164 mL/g VS). The sequential extraction confirmed that 70, 88 and 75% of Fe, Ni and Co were mainly in bioavailable forms (interchangeable and carbonate), respectively, with mineral supply in R2. Fe and Co were mainly associated to the carbonate and oxidizable fractions (43% and 41% respectively), while the Ni concentrations were not detected during the experimentation. As a result, the methane yield in R2 increased by 45%, with a potential bioavailability (Ni ˃ Co ˃ Fe) higher compared to control reactor (Co ˃ Fe). Trace elements deficit in R1 result in the reduction of metal-binding forms until the end of experiment, with a negative impact on methanogenic community.

RESUMEN Se investigó la biodisponibilidad de Fe, Ni y Co y su impacto en la monodigestión de la paja de arroz con la adición de una fuente natural de nutrientes. La distribución de las formas de enlace de Fe, Ni y Co y su potencial de biodisponibilidad se evaluó en dos reactores durante 311 días de experimentación a 37°C. En el reactor R2 se suministró una dosis de mineral de 1 g L-1 una vez por semana. El reactor control (R1) estuvo limitado de mineral durante el estudio. El mayor rendimiento de metano de 238 mL/g SV se obtuvo con el suministro de mineral, con un incremento de 45% respecto al reactor sin metales (164 mL/g VS). La extracción secuencial confirmó que el 70%, 88% y 75% de Fe, Ni y Co estuvieron principalmente en formas biodisponibles, intercambiables y carbonato, respectivamente, cuando se adicionó el mineral en R2. En R1, el Fe y Co estuvieron principalmente asociados a las fracciones de carbonatos y materia orgánica-sulfuro (43% y 41%), respectivamente, siendo las concentraciones de Ni no detectadas durante la experimentación. Como resultado, el rendimiento de metano en R2 incrementó en un 45%, con un potencial de biodisponibilidad (Ni ˃ Co ˃ Fe) mayor en comparación con el reactor control (Co ˃ Fe). La limitación de metales en R1 condujo al agotamiento de las fracciones biodisponibles, con un impacto negativo en la comunidad metanogénica.

Influence of boehmite intermediate layer as covalent linker on synthesis of LTA zeolite coatings

ABSTRACT The incorporation of nanostructured materials, such as LTA-type zeolite on the silicon wafers, opens a very interesting door to the use of these materials within silicon based microfabrication technologies. This work studies the deposition and intergrowth of defect-free LTA-type zeolite layer onto 3-inch Silicon wafers with a layer of SiO2 subjected to pretreatment. The main disadvantage associated with zeolite layer synthesis are crack the formation of cracks and difficulty of obtaining a uniform layer. By modifying the supports with boehmite, a substantial improvement was observed in terms of layer continuity and crystal intergrowth in comparrison to coatings prepared on cationic polymer, poly (diallyldimethylammonium chloride). An LTA- type zeolite layer was synthesized in a range of 350 to 1300 nm via hydrothermal ex-situ method at 363 K for 12 h. Tetramethylammonium hydroxide (TMAOH) was used as a template, and aluminum isopropoxide and colloidal silica were used as Al and Si sources, respectively.

RESUMEN La incorporación de materiales nanoestructurados como la zeolita tipo LTA en las obleas de silicio, abre una puerta muy interesante para el uso de estos materiales dentro de las tecnologías de microfabricación basadas en silicio. En este trabajo, se estudió la deposición y el entrecruzamiento de la capa de zeolita tipo LTA libre de defectos en obleas de silicio de 3 pulgadas con una capa de SiO2 sometida a pretratamiento. La principal desventaja asociada con la síntesis de la capa de zeolita es la formación de grietas y la obtención de una capa uniforme. Al modificar los soportes con boehmita, se observó una mejora sustancial en términos de continuidad de capa y crecimiento de cristales en comparación con los recubrimientos preparados en polímero catiónico, poli (cloruro de dialildimetilamonio). Se sintetizó una capa de zeolita de tipo LTA entre un rango de 350 y 1300 nm mediante un método hidrotermal ex situ, a 363 K durante 12 h. Se usó hidróxido de tetrametilamonio (TMAOH) como molde y se usaron isopropóxido de aluminio y sílice coloidal como fuentes de Al y Si, respectivamente.

Implementation of the hydraulic modelling of urban drainage in the northeast sector, Tunja, Boyacá

ABSTRACT: Historically, in the city of Tunja there has been a phenomenon of occupation of the natural channels of rainwater, altering the hydrology of the natural basins. Currently, the city is experiencing considerable and accelerated urban development towards the northeast, which has resulted in overflows in the drainage system and floods that have affected residents. The current drainage system is not capable of registering the flow of water that leaves the urban sector due to a lack of instrumentation. In this study, precipitation and water flow equipment was installed in the northeastern district of the city, also known as barrio Santa Ines. The basin was separated into 56 different sub-basins with physical and drainage parameters calculated for each sub-basin. The associated parameters were calibrated to the initial hydrological losses and roughness. A validated and calibrated urban drainage model was created in the program SWMM 5.1, allowing for the temporal hydrodynamic modelling of the system to be obtained. The model reproduces the real evolution of the system and was used in order to make predictions according to a maximum precipitation design event. This model resulted in the detection of two areas that are vulnerable to flooding. The identification of different sub-basins and the desegregation of the hydrodynamic model resulted in a reduction in the uncertainty of the evolution of water flow in the system.

RESUMEN: Históricamente en la ciudad de Tunja se ha presentado un fenómeno de ocupación de los cauces naturales de aguas lluvias, alterando la hidrología de las cuencas naturales. En la actualidad la ciudad presenta un considerable y acelerado desarrollo urbano hacia la zona nororiental, presentándose reboses en el sistema de drenaje e inundaciones, afectando la ciudadanía. Actualmente el sistema de drenaje existente no posee instrumentación para registrar caudales generados a la salida de sectores urbanos. Este estudio realizó la instrumentación del sector nororiental distrito Santa Inés, con equipos de medición de precipitación y caudales, la cuenca se desagregó a una escala de detalle (56 subcuencas), para las cuales se calcularon sus parámetros físicos y de drenaje. Se calibraron los parámetros asociados a las pérdidas iniciales hidrológicas y coeficientes de rugosidad. Se construyó un modelo calibrado y validado de drenaje urbano en software SWMM 5,1, obteniendo la modelización hidrodinámica temporal del sistema. El modelo reproduce de manera adecuada la evolución real del sistema y se empleó para realizar predicciones bajo un evento de precipitación máxima de diseño. Se determinaron 2 zonas vulnerables a inundación. Se concluyó que la desagregación del modelo hidrodinámico a escala de detalle, redujo el grado de incertidumbre en la evolución del flujo.

Actions for adaptation and mitigation to climate change: Madrid case study

ABSTRACT Systemic innovation must be the driving force behind actions to transform cities to address climate change. It includes transformations of environmental, social, economic, financial, technical, regulatory, and governance nature, supporting the permanent change of cities. Nature-Based Solutions (NBS), can be part of the tools to address the challenges ahead. This research aims to define a framework of action in cities for the implementation of NBS, demonstrating the importance of quantifying its benefits in environmental and socio-economic terms, to boost public policy design and investment in this field. This work is divided into two parts. The first part, analyses some of the European measures in the field of sustainable development in cities, focusing the research on the case of Madrid. And in the second part, some case studies are presented to reflect the measures and actions taken to promote the implementation of NBS in the city of Madrid. As a result, the potential levers of change for the implementation of NBS are identified, highlighting the importance of quantifying their effects to demonstrate the potential value that can be generated within cities.

RESUMEN La innovación sistémica debe ser el motor que potencie las acciones orientadas a la transformación de las ciudades frente al cambio climático. Esta comprende transformaciones de carácter ambiental, social, económico, financiero, técnico, regulatorio y de gobernanza, que soporten el cambio definitivo en las ciudades. Las Soluciones Basadas en la Naturaleza (SBN) pueden ser parte de las herramientas para hacer frente a los desafíos a los que nos enfrentamos. El objetivo de esta investigación es definir un marco de acción en las ciudades para la implementación de las SBN, que demuestre la importancia de cuantificar sus beneficios en términos medioambientales y socioeconómicos, para el impulso del diseño de políticas públicas y la inversión en este campo. Este trabajo se divide en dos partes. En la primera parte, se analizan algunas de las medidas europeas en el ámbito del desarrollo sostenible en ciudades, centrando la investigación en el caso de Madrid. Y en la segunda parte, se exponen algunos casos prácticos para reflejar las medidas y acciones tomadas con la finalidad de impulsar la implementación de las SBN en la ciudad de Madrid. Como resultado, se identifican potenciales palancas de cambio para la implementación de las SBN, dentro de las que destaca la importancia de cuantificar sus efectos para demostrar el valor potencial que se puede generar en las ciudades.

Experimental investigation of an alternative wind energy generator, particularly designed

ABSTRACT The growing interest in wind energy is proven by the increasing cumulative capacity of wind turbines installed around the world. This article presents the experimental study of a wind energy conversion system using a very specific alternative current generator that differs from the doubly fed induction generator (DFIG), or the permanent magnet synchronous generator (PMSG). The generator that we recommend is similar to an Electrically Excited Synchronous Generator (EESG) mounted upside-down. It is equipped with a multipolar inductor stator supplied with direct current and a ring rotor by which it distributes the alternative electrical energy produced to the utility grid. The selectivity of a relatively low direct current injected into the multipolar stator can produce the voltage desired by the user at the terminals of the generator. This wound rotor alternative generator (WRAG) operates in synchronous mode. In addition, combined with power electronic interface (PEI) converters on the rotor side, WRAG can adapt the voltage produced to the frequency of the utility grid for a range of low wind speeds, without a gearbox. An experimental validation was performed on a 3 kVA machine, it is possible claim to be an intermediate solution to the PMSG and the DFIG with greater reliability in isolated sites and agricultural farms.

RESUMEN El creciente interés en la energía eólica se demuestra por la creciente capacidad acumulativa de las turbinas eólicas instaladas en todo el mundo. Este artículo presenta el estudio experimental de un sistema de conversión de energía eólica que utiliza un generador de corriente alternativa muy específico que difiere del generador de inducción doblemente alimentado (GIDI) o el generador síncrono de imán permanente (GSIP). El generador que recomendamos es similar a un generador síncrono excitado eléctricamente (GSEE) montado al revés. Está equipado con un estátor inductor multipolar alimentado con corriente continua y un rotor de anillo por el cual distribuye a la red del usuario la energía eléctrica alternativa producida. La selectividad de una corriente continua relativamente baja inyectada en el estator multipolar puede producir el voltaje deseado por el usuario en los terminales del generador. Este generador alternativo de rotor bobinado alternativo (GARB) funciona en modo síncrono. Además, combinado con convertidores de interfaz electrónica de potencia (IEP) en el lado del rotor, WRAG puede adaptar el voltaje producido a la frecuencia de la red del usuario para un rango de bajas velocidades del viento, sin una caja de cambios. La validación experimental se realizó en una máquina de 3 kVA, se puede afirmar que es una solución intermedia para GSIP y GIDI con mayor confiabilidad en sitios aislados y granjas agrícolas.

Analysis of the energy-saving potential for heating of double skin glass-glass façades

ABSTRACT The energy flows of the double skin, glass-glass façades have been analysed, establishing a mathematical model to determine the energy savings provided by this construction solution in 10 cities in Spain. It has been found that the two climatological variables that most influence energy savings are outdoor temperature, as it is directly related to the demand for heating, and solar irradiation, as it is the source of energy from which savings are extracted. Energy savings in winter vary between 11.1% and 20.5%, depending on the weather. A linear relationship between the annual average outdoor temperature and the useful energy provided by the double- skin façade has been determined. It was verified that the maximum energy saving occurs when the façade is offset a few degrees to the east from the pure south orientation. It deviates further east, the higher the annual average temperature. A linear relationship has been established between the outside temperature and the azimuth of the façade with which the maximum energy saving occurs. To obtain savings percentages greater than 20%, the ratio between the double-skin façade surface and the total heated surface of the building must be less than 7.

RESUMEN Se han analizado los flujos de energía de las fachadas de doble piel, vidrio-vidrio, estableciéndose un modelo matemático para determinar el ahorro energético proporcionado por esta solución constructiva en 10 ciudades de España. Se ha encontrado que las dos variables climatológicas que más influyen en el ahorro energético son la temperatura exterior, al estar directamente relacionada con la demanda de calefacción, y la irradiación solar, al ser la fuente de energía de la que se extraen los ahorros. El ahorro energético en invierno varía entre el 11,1 % y el 20,5 % en función de la climatología. Se determinó una relación lineal entre la temperatura exterior media anual y la energía útil aportada por la fachada de doble piel. También se comprobó que el ahorro energético máximo se produce cuando la fachada está desviada unos grados hacia el este respecto a la orientación sur pura. Se desvía más al este cuanto mayor es la temperatura media anual. Se ha establecido una relación lineal entre la temperatura exterior y el azimut de la fachada con el que se produce el ahorro energético máximo. Para obtener porcentajes de ahorro superiores al 20%, la relación entre la superficie de fachada de doble piel y la superficie total calentada del edificio debe ser inferior a 7.