Simulación del comportamiento hidráulico en régimen permanente y transitorio de un tramo de red residencial de distribución de agua utilizando consumos reales

El presente trabajo de investigación propone una metodología para el dimensionado de un tramo de red pública de abastecimiento urbano con carácter residencial utilizando datos reales de consumo.Soriano Olivares, J. (2008). Simulación del comportamiento hidráulico en régimen permanente y transitorio de un tramo de red residencial de distribución de agua utilizando consumos reales. http://hdl.handle.net/10251/13475Archivo delegad

Influencia de las instalaciones de suministro de agua de edificios sobre el comportamiento hidráulico en régimen permanente y transitorio de la red general de distribución

El crecimiento urbanístico ha propiciado un aumento de la demanda de agua de los usuarios de un abastecimiento. Frecuentemente, debido principalmente a la falta de inversión, este crecimiento no ha ido acompañado de una adecuación de la infraestructura hidráulica. Esta situación ha mermado progresivamente la capacidad de la red y ello ha favorecido un uso extendido de depósitos atmosféricos interpuestos entre la red general y la propia instalación interior de los edificios, que no solo la protegen de variaciones repentinas de los caudales demandados sino que, además, protegen a los usuarios frente a hipotéticos cortes de suministro. A pesar de estas ventajas el almacenamiento de agua en estos depósitos introduce en el sistema graves inconvenientes asociados principalmente a la garantía de la salubridad del agua, y otros asociados a la reducción de la eficiencia energética del suministro. Estos inconvenientes tienen suficiente envergadura para reducir, e incluso anular, las ventajas asociadas al uso de depósitos. Por tanto, resulta conveniente plantear estrategias que permitan una eliminación progresiva de los mismos. En cualquier caso, la eliminación de los depósitos parte por garantizar un correcto funcionamiento y protección de la red general de abastecimiento. En esta línea, el conocimiento de las exigencias hidráulicas, tanto en régimen permanente como en régimen transitorio, a las que se va a someter a la red general de distribución, asociadas a los esquemas de suministro más usuales adoptados en la instalación interior, adquiere un ineludible protagonismo. En previsión de una instalación generalizada de grupos de presión en las instalaciones interiores, resulta conveniente analizar pormenorizadamente los efectos transitorios generados por este tipo de elementos, en aras de proteger la instalación interior, y el tramo de la red general ubicado en las proximidades de ésta.Soriano Olivares, J. (2012). Influencia de las instalaciones de suministro de agua de edificios sobre el comportamiento hidráulico en régimen permanente y transitorio de la red general de distribución [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/14673Palanci

On the weaknesses and limitations of EPANET as regards energy

[EN] With more than 1,500 citations in ranked journals and hundreds of thousands of downloads, EPANET is the benchmark software for analysis and design of pressurized water distribution networks. Userfriendly, powerful and reliable, its public domain use has spread throughout the world. However, from an energy standpoint its capacity is limited to the point at which, in certain circumstances it can supply erroneous results. This is understandable because on the one hand its main aim was to model water quality, and on the other hand, because it was conceived and developed towards the end of the last century before people started talking about the water energy nexus. Increases in the cost of energy and the need to limit greenhouse gas emissions, however, have made energy efficiency a primary and inescapable objective. As the transport of pressurized water is a big consumer of energy, it seems convenient for EPANET users, particularly for those who applied this software to pressurized irrigation networks, to understand, as far as energy is concerned, its weaknesses and limitations which, in the end, is the aim of this paperGómez Sellés, E.; Cabrera Marcet, E.; Soriano Olivares, J.; Balaguer Garrigós, M. (2016). On the weaknesses and limitations of EPANET as regards energy. Water Science and Technology: Water Supply. 16(2):369-377. doi:10.2166/ws.2015.145S36937716

Eco-Layouts in Water Distribution Systems

[EN] To achieve maximum efficiency in water pressurized transport, it is necessary to perform a global analysis, whenever possible starting from the system's conception. The first stage of the process is the network layout, the main topic of this paper. The optimum topology from an energy point of view (or eco-layout) is the one that, insofar as is feasible, allows equalizing the network's pressure to the set pressure standards. Eco-layouts can be easily designed in new systems but are difficult to implement, mainly in the short term, in operating networks. Nevertheless, because no system is eternal, the required actions can be gradually implemented. Therefore, the main goal of this paper is to identify and discuss these guidelines and actions, some of which are apparently contradictory to current design criteria, whereas others endorse modern management trends. These strategies can be summarized in two points: (1)providing lower pressure to consumers saves energy, and (2)setting up smaller pressure zones in terms of the elevation steps between zones will enable water companies to supply water at lower pressure in hilly areas. In the end, networks with more-efficient layouts can achieve important energy savings. (C) 2018 American Society of Civil Engineers.The authors acknowledge the valuable contributions made by the reviewers of this paper, because their comments and suggestions helped to significantly improve the contents. Additionally, the authors thank Omnium Iberico/Aguas de Valencia for partially funding this research, and particularly its Energy Efficiency Department for providing some real case studies which inspired some of the examples included in this paper.Cabrera Marcet, E.; Gomez Selles, E.; Soriano Olivares, J.; Del Teso-March, R. (2019). Eco-Layouts in Water Distribution Systems. Journal of Water Resources Planning and Management. 145(1):1-11. https://doi.org/10.1061/(ASCE)WR.1943-5452-0001024111145

Theoretical and experimental cost-benefit assessment of borehole heat exchangers (BHEs) according to working fluid flow rate

[EN] In ground-source heat-pump systems, the heat exchange rate is influenced by various design and operational parameters that condition the thermal performance of the heat pump and the running costs during exploitation. One less-studied area is the relationship between the pumping costs in a given system and the heat exchange rate. This work analyzes the investment and operating costs of representative borehole heat-exchanger configurations with varying circulating flow rate by means of a combination of analytical formulas and case study simulations to allow a precise quantification of the capital and operational costs in typical scenario. As a conclusion, an optimal flow rate minimizing either of both costs can be determined. Furthermore, it is concluded that in terms of operating costs, there is an operational pumping rate above which performance of geothermal systems is energetically strongly penalized.This research work has been supported financially by the European project GEOCOND (funded by the European Union's Horizon 2020 research and innovation program under grant agreement No 727583) and by the European project GEO4CIVHIC (funded by the European Union's Horizon 2020 research and innovation program under grant agreement No 792355).Badenes Badenes, B.; Mateo Pla, MÁ.; Magraner Benedicto, MT.; Soriano Olivares, J.; Urchueguía Schölzel, JF. (2020). Theoretical and experimental cost-benefit assessment of borehole heat exchangers (BHEs) according to working fluid flow rate. Energies. 13(18):1-30. https://doi.org/10.3390/en13184925S1301318Sáez Blázquez, C., Piedelobo, L., Fernández-Hernández, J., Nieto, I. M., Martín, A. F., Lagüela, S., & González-Aguilera, D. (2020). Novel Experimental Device to Monitor the Ground Thermal Exchange in a Borehole Heat Exchanger. Energies, 13(5), 1270. doi:10.3390/en13051270Bae, S. M., Nam, Y., & Shim, B. O. (2018). Feasibility Study of Ground Source Heat Pump System Considering Underground Thermal Properties. Energies, 11(7), 1786. doi:10.3390/en11071786Bilić, T., Raos, S., Ilak, P., Rajšl, I., & Pašičko, R. (2020). Assessment of Geothermal Fields in the South Pannonian Basin System Using a Multi-Criteria Decision-Making Tool. Energies, 13(5), 1026. doi:10.3390/en13051026Lamarche, L., Raymond, J., & Koubikana Pambou, C. (2017). Evaluation of the Internal and Borehole Resistances during Thermal Response Tests and Impact on Ground Heat Exchanger Design. Energies, 11(1), 38. doi:10.3390/en11010038Vella, C., Borg, S. P., & Micallef, D. (2020). The Effect of Shank-Space on the Thermal Performance of Shallow Vertical U-Tube Ground Heat Exchangers. Energies, 13(3), 602. doi:10.3390/en13030602Javed, S., & Spitler, J. D. (2016). Calculation of borehole thermal resistance. Advances in Ground-Source Heat Pump Systems, 63-95. doi:10.1016/b978-0-08-100311-4.00003-0Serageldin, A. A., Sakata, Y., Katsura, T., & Nagano, K. (2018). Thermo-hydraulic performance of the U-tube borehole heat exchanger with a novel oval cross-section: Numerical approach. Energy Conversion and Management, 177, 406-415. doi:10.1016/j.enconman.2018.09.081Hou, G., Taherian, H., Li, L., Fuse, J., & Moradi, L. (2020). System performance analysis of a hybrid ground source heat pump with optimal control strategies based on numerical simulations. Geothermics, 86, 101849. doi:10.1016/j.geothermics.2020.101849Li, M., & Lai, A. C. K. (2013). Thermodynamic optimization of ground heat exchangers with single U-tube by entropy generation minimization method. Energy Conversion and Management, 65, 133-139. doi:10.1016/j.enconman.2012.07.013De Carli, M., Galgaro, A., Pasqualetto, M., & Zarrella, A. (2014). Energetic and economic aspects of a heating and cooling district in a mild climate based on closed loop ground source heat pump. Applied Thermal Engineering, 71(2), 895-904. doi:10.1016/j.applthermaleng.2014.01.064Lu, Q., Narsilio, G. A., Aditya, G. R., & Johnston, I. W. (2017). Economic analysis of vertical ground source heat pump systems in Melbourne. Energy, 125, 107-117. doi:10.1016/j.energy.2017.02.082Nguyen, H. V., Law, Y. L. E., Alavy, M., Walsh, P. R., Leong, W. H., & Dworkin, S. B. (2014). An analysis of the factors affecting hybrid ground-source heat pump installation potential in North America. Applied Energy, 125, 28-38. doi:10.1016/j.apenergy.2014.03.044Garber, D., Choudhary, R., & Soga, K. (2013). Risk based lifetime costs assessment of a ground source heat pump (GSHP) system design: Methodology and case study. Building and Environment, 60, 66-80. doi:10.1016/j.buildenv.2012.11.011Yoon, S., Lee, S.-R., Xue, J., Zosseder, K., Go, G.-H., & Park, H. (2015). Evaluation of the thermal efficiency and a cost analysis of different types of ground heat exchangers in energy piles. Energy Conversion and Management, 105, 393-402. doi:10.1016/j.enconman.2015.08.002Emmi, G., Zarrella, A., De Carli, M., Donà, M., & Galgaro, A. (2017). Energy performance and cost analysis of some borehole heat exchanger configurations with different heat-carrier fluids in mild climates. Geothermics, 65, 158-169. doi:10.1016/j.geothermics.2016.09.006Spitler, J. D., & Gehlin, S. E. A. (2015). Thermal response testing for ground source heat pump systems—An historical review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 50, 1125-1137. doi:10.1016/j.rser.2015.05.061Bandos, T. V., Montero, Á., Fernández, E., Santander, J. L. G., Isidro, J. M., Pérez, J., … Urchueguía, J. F. (2009). Finite line-source model for borehole heat exchangers: effect of vertical temperature variations. Geothermics, 38(2), 263-270. doi:10.1016/j.geothermics.2009.01.003Diao, N., Cui, P., & Fang, Z. (2002). The thermal resistance in a borehole of geothermal heat exchangers. Proceeding of International Heat Transfer Conference 12. doi:10.1615/ihtc12.3050H. Tarrad, A. (2019). A Borehole Thermal Resistance Correlation for a Single Vertical DX U-Tube in Geothermal Energy Application. American Journal of Environmental Science and Engineering, 3(4), 75. doi:10.11648/j.ajese.20190304.12Ould-Rouiss, M., Redjem-Saad, L., & Lauriat, G. (2009). Direct numerical simulation of turbulent heat transfer in annuli: Effect of heat flux ratio. International Journal of Heat and Fluid Flow, 30(4), 579-589. doi:10.1016/j.ijheatfluidflow.2009.02.018Lundberg, R. E., McCuen, P. A., & Reynolds, W. C. (1963). Heat transfer in annular passages. Hydrodynamically developed laminar flow with arbitrarily prescribed wall temperatures or heat fluxes. International Journal of Heat and Mass Transfer, 6(6), 495-529. doi:10.1016/0017-9310(63)90124-8Badenes, B., Mateo Pla, M., Lemus-Zúñiga, L., Sáiz Mauleón, B., & Urchueguía, J. (2017). On the Influence of Operational and Control Parameters in Thermal Response Testing of Borehole Heat Exchangers. Energies, 10(9), 1328. doi:10.3390/en10091328Urchueguía, J., Lemus-Zúñiga, L.-G., Oliver-Villanueva, J.-V., Badenes, B., Pla, M., & Cuevas, J. (2018). How Reliable Are Standard Thermal Response Tests? An Assessment Based on Long-Term Thermal Response Tests Under Different Operational Conditions. Energies, 11(12), 3347. doi:10.3390/en11123347Código Técnico de la Edificación de España https://www.codigotecnico.org/EED—Earth Energy Designer, v4 https://buildingphysics.com/eed-2/GMSW 28 HK https://www.ochsner.com/en/ochsner-products/product-detail/gmsw-28-hk

Energy Assessment of Pressurized Water Systems

[EN] This paper presents three new indicators for assessing the energy efficiency of a pressurized water system and the potential energy savings relative to the available technology and economic framework. The first two indicators are the ideal and real efficiencies of the system and reflect the values of the minimum energy required by users the minimum amount of energy to be supplied to the system (because of its ideal behavior) and the actual energy consumed. The third indicator is the energy performance target, and it is estimated by setting an ambitious but achievable level of energy loss attributable to inefficiencies in the system (e.g., pumping stations, leakage, friction loss). The information provided by these three key performance indicators can make a significant contribution towards increasing system efficiency. The real efficiency indicator shows the actual performance of the system; the energy performance target provides a realistic goal on how the system should be performing; and finally, the ideal efficiency provides the maximum and unachievable level of efficiency (limited by the topographic energy linked to the network topography). The applicability and usefulness of these metrics will be demonstrated with an application in a real case study.The authors acknowledge the very valuable contributions made by the reviewers of this paper, because their comments and suggestions have helped to significantly improve the contents. Additionally, we thank the staff of Aguas de Valencia for providing helpful advice and real case studies used to tune the software tool developed based on this paper. And last but not least, the research leading to these results received funding from the European Union Seventh Framework Programme (FP7/2007-2013) under grant agreement number 265122. The translation of this paper was funded by the Universitat Politècnica de València, Spain.Cabrera Marcet, E.; Gomez Selles, E.; Cabrera Rochera, E.; Soriano Olivares, J.; Espert Alemany, VB. (2014). Energy Assessment of Pressurized Water Systems. Journal of Water Resources Planning and Management. 141(8):1-12. https://doi.org/10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0000494S112141

Gestión sostenible del agua y uso de aljibes domésticos, un binomio incompatible

[ES] El aumento de la población en zonas urbanas con el correspondiente incremento de la demanda de agua no ha ido acompañado, en muchos casos, de un crecimiento ordenado de las infraestructuras hidráulicas necesarias para favorecer esta demanda. Este hecho, unido a una insuficiente tasa de renovación de tuberías, ha propiciado que muchas redes se vuelvan incapaces de satisfacer la demanda de todos los consumidores de forma simultánea. A medida que los sistemas se vuelven más ineficientes, el abonado recurre a depósitos domiciliarios, habituales en muchos países sobre todo en los menos desarrollados. En estas condiciones y con la existencia de estos depósitos, los picos de demandan se laminan y la red es capaz de abastecer a los usuarios de forma continua. De esta forma, los sistemas se protegen frente a acusados cambios en la demanda y los usuarios ante posibles servicios intermitentes. Pero frente a estas ventajas, los aljibes presentan innumerables inconvenientes. Uno de los más evidentes y posiblemente el más importante es la pérdida de calidad del agua. Al tiempo de residencia del agua en la red hay que sumar el tiempo que el agua permanece en los depósitos antes de ser consumida, con la consiguiente pérdida de desinfectante (Machell y Boxal, 2012). Por otro lado, son un sumidero de energía. Dado que la red se despresuriza al llegar a estos elementos, la energía que previamente se ha suministrado a la red, se pierde. En tercer lugar, con la presencia de estos elementos, aumentan, generalmente, las pérdidas aparentes, dado que suelen medirse los caudales de entrada a los depósitos cuyos bajos valores corresponden a la zona con errores de subcontaje de las curvas de los contadores. Desde un punto de vista económico, también se ha evidenciado que la presencia de estos elementos supone a largo plazo un coste mayor (Cabrera et al., 2013; Charalambous, 2011). Por último, la existencia de aljibes domiciliarios en las redes de distribución, interfieren en la práctica totalidad de los métodos más comunes de detección de fugas. Este trabajo se centra en este último aspecto, en la inconveniencia de estos elementos desde el punto de vista del control de las pérdidas de agua. Si bien es sencillo conocer el valor del agua incontrolada en una red, no lo es tanto desagregar las fugas, o pérdidas reales, y el agua incontrolada consumida, es decir, las pérdidas aparentes. Porque la presencia de aljibes invalida los métodos comúnmente utilizados para evaluar las fugas al tiempo que dificultan, cuando no imposibilitan, la elaboración de modelos matemáticos calibrados de las redes de abastecimiento, tan útiles para su gestión. El artículo realiza una revisión general de los métodos de detección de fugas y de cómo se ven afectados por su presencia. En definitiva, además de los inconvenientes conocidos y demostrados sobradamente (Cobacho et al., 2008) como son los problemas de calidad o el bajo rendimiento global de las redes que cuentan con estos esquemas de suministro (Soriano et al., 2010), está el problema asociado de la distorsión de los flujos de agua por la red. Conocer el estado de los sistemas es imprescindible para mejorarlos, y el punto de partida debe ser, en la mayoría de casos, conocer el destino del agua que no se consume o no se contabiliza. Sin este diagnóstico difícilmente se pueden fijar estrategias adecuadas que conduzcan a sistemas más eficientes. En definitiva, la presencia de estos elementos imposibilita la gestión sostenible de los sistemas razón por la que en el trabajo también se establecen directrices para erradicarlos.Gomez Selles, E.; Cabrera Marcet, E.; Soriano Olivares, J.; Balaguer-Garrigós, M. (2015). Gestión sostenible del agua y uso de aljibes domésticos, un binomio incompatible. Universidad de Córdoba. 859-868. http://hdl.handle.net/10251/142692S85986

Calculating the Economic Level of Friction in Pressurized Water Systems

[EN] In this paper, an algebraic expression is presented to determine the optimum hydraulic gradient (J(0)) in a pressurized water system. J(0) represents the economic level of friction losses (ELF), which is dependent on the network's behavior as well as other parameters, including energy and the pipe costs. As these have prices changed over time, so has the value of J(0). The network-related parameter was obtained from the total costs function and the sum of the operational and capital expenditures. Because these costs exhibited an opposite trend from J, a minimum total cost exists, specifically, J(0). The algebraic expression, which was derived from the mathematical model of the network, was first calculated for the network's steady state flow and was later generalized for application to a dynamic one. For a network operating in a given context, J(0) was fairly stable in terms of dynamic flow variations, providing valuable information. The first piece of information was the ELF itself, which indicated the energy efficiency of the system from the perspective of friction loss. The second indicated which pipes required renewal from a similar perspective. Thirdly, it provided a simple criterion to calculate the diameter of new pipes. Finally, as J(0) can be easily updated, when predictions are performed at the network's designed time fail (e.g., growing urban trends, demand evolution, etc.), decisions can also be updated.Cabrera Marcet, E.; Gomez Selles, E.; Cabrera Rochera, E.; Soriano Olivares, J. (2018). Calculating the Economic Level of Friction in Pressurized Water Systems. Water. 10(6):1-21. https://doi.org/10.3390/w10060763S12110

Comparativa entre los resultados obtenidos mediante evaluación continua y evaluación final en materias técnicas online de posgrado. Influencia del factor tiempo y la puntuación de las actividades

[ES] La metodología empleada para la evaluación de los procesos de aprendizaje es clave para determinar la adquisición de las competencias. En docencia online, la autoevaluación y el feedback emergen como elementos indispensables que, combinados con distintas actividades de aprendizaje, trabajan en línea para conseguir que el alumnado alcance los objetivos marcados. Este trabajo analiza los resultados conseguidos por los alumnos de posgrado de la formación online Cursosagua a lo largo de cuatro cursos académicos, para determinar cuáles son los factores más influyentes y mejorar el sistema de evaluación actual.Del Teso March, R.; Estruch-Juan, E.; Gómez Sellés, E.; Soriano Olivares, J. (2021). Comparativa entre los resultados obtenidos mediante evaluación continua y evaluación final en materias técnicas online de posgrado. Influencia del factor tiempo y la puntuación de las actividades. En Proceedings INNODOCT/20. International Conference on Innovation, Documentation and Education. Editorial Universitat Politècnica de València. 469-477. https://doi.org/10.4995/INN2020.2020.11846OCS46947

Procedimiento para la selección de la estrategia de regulación más adecuada en estaciones de bombeo

[ES] La selección de la mejor estrategia de operación en una estación de bombeo que impulsa caudales directamente a red es un problema complejo de problema se puede plantear como la búsqueda de la mejor estrategia en una instalación ya existente (la mejora de un sistema que está en funcionamiento con posibilidades de instalar, por ejemplo, variadores de frecuencia en los equipos de la estación de bombeo y diseñar la estrategia de regulación más adecuada) o bien, directamente, como un problema de selección tanto de los equipos de bombeo como del sistema de regulación para una estación de bombeo a diseñar. Todo ello implica que en cada caso es necesario manejar un campo de soluciones excesivamente amplio, no conociendo la existencia de herramientas que, filtrando y acotando las soluciones posibles, aborden dicho problema teniendo en cuenta las variables más significativas: modelo de las bombas a instalar con sus curvas características, bombas de velocidad fija (BVF), número de bombas de velocidad variable (BVV), rendimiento mínimo aceptable, velocidad mínima y máxima de giro de las bombas, tarifas eléctricas, caudales a impulsar, etc. Debido a esto, el técnico se ve obligado a técnica que acote el número de soluciones. Al actuar de esta forma es posible que en muchos casos se desestimen soluciones atractivas desde el punto de vista energético y económico.Gómez Pajares, P.; García-Serra García, J.; Soriano Olivares, J.; Giner González, C. (2015). Procedimiento para la selección de la estrategia de regulación más adecuada en estaciones de bombeo. Universidad de Córdoba. 1191-1202. http://hdl.handle.net/10251/141658S1191120