PCM-based battery thermal management systems, energy saving materials and LCA strategy for automotive

This PhD work arises from the necessity to give a contribution to the energy saving field, regarding automotive applications. The aim was to produce a multidisciplinary work to show how much important is to consider different aspects of an electric car realization: from innovative materials to cutting-edge battery thermal management systems (BTMSs), also dealing with the life cycle assessment (LCA) of the battery packs (BPs). Regarding the materials, it has been chosen to focus on carbon fiber composites as their use allows realizing light products with great mechanical properties. Processes and methods to produce carbon fiber goods have been analysed with a special attention on the university solar car Emilia 4. The work proceeds dealing with the common BTMSs on the market (air-cooled, cooling plates, heat pipes) and then it deepens some of the most innovative systems such as the PCM-based BTMSs after a previous experimental campaign to characterize the PCMs. After that, a complex experimental campaign regarding the PCM-based BTMSs has been carried on, considering both uninsulated and insulated systems. About the first category the tested systems have been pure PCM-based and copper-foam-loaded-PCM-based BTMSs; the insulated tested systems have been pure PCM-based and copper-foam-loaded-PCM-based BTMSs and both of these systems equipped with a liquid cooling circuit. The choice of lighter building materials and the optimization of the BTMS are strategies which helps in reducing the energy consumption, considering both the energy required by the car to move and the BP state of health (SOH). Focusing on this last factor, a clear explanation regarding the importance of taking care about the SOH is given by the analysis of a BP production energy consumption. This is why a final dissertation about the life cycle assessment (LCA) of a BP unit has been presented in this thesis.

La sostenibilità ambientale dal Progetto Edilizio al Piano Urbano: L'integrazione della variabile energetica nella pianificazione del territorio

La questione energetica ha assunto, negli ultimi anni, un ruolo centrale nel dibattito mondiale in relazione a quattro fattori principali: la non riproducibilità delle risorse naturali, l’aumento esponenziale dei consumi, gli interessi economici e la salvaguardia dell'equilibrio ambientale e climatico del nostro Pianeta. E’ necessario, dunque, cambiare il modello di produzione e consumo dell’energia soprattutto nelle città, dove si ha la massima concentrazione dei consumi energetici. Per queste ragioni, il ricorso alle Fonti Energetiche Rinnovabili (FER) si configura ormai come una misura necessaria, opportuna ed urgente anche nella pianificazione urbanistica. Per migliorare la prestazione energetica complessiva del sistema città bisogna implementare politiche di governo delle trasformazioni che escano da una logica operativa “edificio-centrica” e ricomprendano, oltre al singolo manufatto, le aggregazioni di manufatti e le loro relazioni/ interazioni in termini di input e output materico-energetiche. La sostituzione generalizzata del patrimonio edilizio esistente con nuovi edifici iper-tecnologici, è improponibile. In che modo quindi, è possibile ridefinire la normativa e la prassi urbanistica per generare tessuti edilizi energeticamente efficienti? La presente ricerca propone l’integrazione tra la nascente pianificazione energetica del territorio e le più consolidate norme urbanistiche, nella generazione di tessuti urbani “energy saving” che aggiungano alle prestazioni energetico-ambientali dei singoli manufatti quelle del contesto, in un bilancio energetico complessivo. Questo studio, dopo aver descritto e confrontato le principali FER oggi disponibili, suggerisce una metodologia per una valutazione preliminare del mix di tecnologie e di FER più adatto per ciascun sito configurato come “distretto energetico”. I risultati di tale processo forniscono gli elementi basilari per predisporre le azioni necessarie all’integrazione della materia energetica nei Piani Urbanistici attraverso l’applicazione dei principi della perequazione nella definizione di requisiti prestazionali alla scala insediativa, indispensabili per un corretto passaggio alla progettazione degli “oggetti” e dei “sistemi” urbani.

Buone pratiche e Tecnologie Appropriate per la gestione delle risorse idriche ed il risparmio energetico in ambito urbano e rurale

Questa tesi di dottorato tratta il tema delle Tecnologie Appropriate e delle Buone Pratiche per la gestione delle risorse idriche ed il risparmio energetico nell’ambito dell’abitato urbano e rurale. Viene fatta una breve panoramica sulle principali teorie e metodologie che fino ad oggi hanno fatto da linee guida per la progettazione sostenibile e il corretto utilizzo delle risorse. Questa visione d'insieme servirà per esprimere delle valutazioni e trovare dei comuni dominatori per proporre una nuova metodologia d'approccio alla gestione delle risorse con particolare attenzione rivolta alla condizione presente e alla zona d’intervento. Site specific sustainability Approach (S3A). I casi studio: • Un progetto di approvvigionamento idrico e di desalinizzazione delle acque per un’oasi del Sahara marocchino. • Un progetto di ricerca della Columbia University e della NASA legato alla sostenibilità urbana di New York che analizza i benefici apportati dall'installazione di coperture verdi nell'area di Manhattan da un punto di vista della gestione delle risorse idriche, energetiche e delle componenti ambientali. • Un progetto di verde verticale e giardino pensile a Milano. • Un progetto di approvvigionamento idrico sostenibile e gestione del verde per la città di Porto Plata in Repubblica Domenicana. Approfondimenti e sperimentazioni. • E’ stato approfondito il tema della distillazione solare per la dissalazione e potabilizzazione delle acque in zone rurali desertiche ed isolate. • E’ stato progettato e realizzato un prototipo innovativo di distillatore tubolare con collettore solare parabolico. Il prototipo è stato testato nei laboratori della Columbia University di New York. • Sono state approfondite le Khettaras o Qanat, tunnel sotterranei per l’approvvigionamento idrico nelle zone aride. • Infine sono stati approfonditi i benefici apportati dalle coperture a verde (tetti verdi) e dal verde verticale nelle zone urbane dal punto di vista della gestione delle risorse idriche ed il risparmio energetico.

Scienza della sostenibilita' e regolazione: Il caso studio della politica europea in materia di risparmio energetico

Entro l’approccio concettuale e metodologico transdisciplinare della Scienza della Sostenibilità, la presente tesi elabora un background teorico per concettualizzare una definizione di sostenibilità sulla cui base proporre un modello di sviluppo alternativo a quello dominante, declinato in termini di proposte concrete entro il caso-studio di regolazione europea in materia di risparmio energetico. La ricerca, attraverso un’analisi transdisciplinare, identifica una crisi strutturale del modello di sviluppo dominante basato sulla crescita economica quale (unico) indicatore di benessere e una crisi valoriale. L’attenzione si concentra quindi sull’individuazione di un paradigma idoneo a rispondere alle criticità emerse dall’analisi. A tal fine vengono esaminati i concetti di sviluppo sostenibile e di sostenibilità, arrivando a proporre un nuovo paradigma (la “sostenibilità ecosistemica”) che dia conto dell’impossibilità di una crescita infinita su un sistema caratterizzato da risorse limitate. Vengono poi presentate delle proposte per un modello di sviluppo sostenibile alternativo a quello dominante. Siffatta elaborazione teorica viene declinata in termini concreti mediante l’elaborazione di un caso-studio. A tal fine, viene innanzitutto analizzata la funzione della regolazione come strumento per garantire l’applicazione pratica del modello teorico. L’attenzione è concentrata sul caso-studio rappresentato dalla politica e regolazione dell’Unione Europea in materia di risparmio ed efficienza energetica. Dall’analisi emerge una progressiva commistione tra i due concetti di risparmio energetico ed efficienza energetica, per la quale vengono avanzate delle motivazioni e individuati dei rischi in termini di effetti rebound. Per rispondere alle incongruenze tra obiettivo proclamato dall’Unione Europea di riduzione dei consumi energetici e politica effettivamente perseguita, viene proposta una forma di “regolazione per la sostenibilità” in ambito abitativo residenziale che, promuovendo la condivisione dei servizi energetici, recuperi il significato proprio di risparmio energetico come riduzione del consumo mediante cambiamenti di comportamento, arricchendolo di una nuova connotazione come “bene relazionale” per la promozione del benessere relazionale ed individuale.

Dynamic Modeling and Seasonal Performance Evaluation of Air-to-Water Heat Pump Systems

In this Thesis a series of numerical models for the evaluation of the seasonal performance of reversible air-to-water heat pump systems coupled to residential and non-residential buildings are presented. The exploitation of the energy saving potential linked to the adoption of heat pumps is a hard task for designers due to the influence on their energy performance of several factors, like the external climate variability, the heat pump modulation capacity, the system control strategy and the hydronic loop configuration. The aim of this work is to study in detail all these aspects. In the first part of this Thesis a series of models which use a temperature class approach for the prediction of the seasonal performance of reversible air source heat pumps are shown. An innovative methodology for the calculation of the seasonal performance of an air-to-water heat pump has been proposed as an extension of the procedure reported by the European standard EN 14825. This methodology can be applied not only to air-to-water single-stage heat pumps (On-off HPs) but also to multi-stage (MSHPs) and inverter-driven units (IDHPs). In the second part, dynamic simulation has been used with the aim to optimize the control systems of the heat pump and of the HVAC plant. A series of dynamic models, developed by means of TRNSYS, are presented to study the behavior of On-off HPs, MSHPs and IDHPs. The main goal of these dynamic simulations is to show the influence of the heat pump control strategies and of the lay-out of the hydronic loop used to couple the heat pump to the emitters on the seasonal performance of the system. A particular focus is given to the modeling of the energy losses linked to on-off cycling.

Enabling Human Centric Smart Campuses via Edge Computing and Connected Objects

Early definitions of Smart Building focused almost entirely on the technology aspect and did not suggest user interaction at all. Indeed, today we would attribute it more to the concept of the automated building. In this sense, control of comfort conditions inside buildings is a problem that is being well investigated, since it has a direct effect on users’ productivity and an indirect effect on energy saving. Therefore, from the users’ perspective, a typical environment can be considered comfortable, if it’s capable of providing adequate thermal comfort, visual comfort and indoor air quality conditions and acoustic comfort. In the last years, the scientific community has dealt with many challenges, especially from a technological point of view. For instance, smart sensing devices, the internet, and communication technologies have enabled a new paradigm called Edge computing that brings computation and data storage closer to the location where it is needed, to improve response times and save bandwidth. This has allowed us to improve services, sustainability and decision making. Many solutions have been implemented such as smart classrooms, controlling the thermal condition of the building, monitoring HVAC data for energy-efficient of the campus and so forth. Though these projects provide to the realization of smart campus, a framework for smart campus is yet to be determined. These new technologies have also introduced new research challenges: within this thesis work, some of the principal open challenges will be faced, proposing a new conceptual framework, technologies and tools to move forward the actual implementation of smart campuses. Keeping in mind, several problems known in the literature have been investigated: the occupancy detection, noise monitoring for acoustic comfort, context awareness inside the building, wayfinding indoor, strategic deployment for air quality and books preserving.

Analyzing urban green adaptation opportunities: concepts, approaches, & strategies for existing neighborhoods

Over the last decades, the growing evidence of human-caused climate change has raised awareness of the consequences of exceeding global temperature by 2˚C. This awareness has led to a contemporary approach to the conceptualization and management of green adaptation policies in spatial planning. This thesis aims to develop a comprehensive methodology for assessing the adaptability of existing neighborhoods to green strategies. The reliability of the proposed method is examined in the cities of Bologna and Imola and proved to be applicable in other geoghraphical locations. This thesis integrates three key themes of conceptual and implementation principles for urban green adaptation. This thesis initially defines methods for narrowing uncertainties in urban planning energy forecasting modeling by exploring the roles of integrated energy planning. The second is by exploring green retrofitting strategies in building, this thesis examines the effects of various energy-saving factors in roofing scenarios including a green roof, rooftop greenhouse, and insolated roof. Lastly, this thesis analyzes green strategies in urban spaces to enhance thermal comfort through facing urban heat exposure related to urban heat island effects. The roles of integrated energy policies and green strategic thinking are discussed to highlight various aspects of green adaptation on the neighborhood scale. This thesis develops approaches by which cities can face the challenges of current green urban planning and connect the conceptual and practical aspects of green spatial planning. Another point that this thesis highlight is that due to the interdependency of individuals and places, it is difficult to assure whether all the adaptation policies on a large scale are enhancing the resiliency of the neighborhood or they are simply shuffling the vulnerability through the individuals and places. Besides, it asserts that neglecting to reflect on these reallocations of the effects generates serious complications, and will result in long-term dysfunctional consequences.

Study of low grade temperature CCHP systems for the realization of zero power buildings

Combined Cooling Heat and Power Generation (CCHP) or trigeneration has been considered worldwide as a suitable alternative to traditional energy systems in terms of significant energy saving and environmental conservation. The development and evaluation of a solar driven micro-CCHP system based on a ORC cogenerator and an Adsorption Chiller (AC) experimental prototypes has been the focus of this PhD research. The specific objectives of the overall project are: • To design, construct and evaluate an innovative Adsorption Chiller in order to improve the performances of the AC technology. • To thermodynamically model the proposed micro-scale solar driven CHP system and to prove that the concept of trigeneration through solar energy combined with an organic Rankine turbine cycle (ORC) and an adsorption chiller (AC) is suitable for residential applications.

Geopolymers for tile industry

This project aims to develop energy-saving methods for manufacturing tiles by using geopolymerization as an innovative processing technique. In fact, classical ceramic tiles are usually produced by sintering at temperatures ranging between 1100-1250 °C depending on natural raw materials selected for the mixture. Geopolymers, instead, are amorphous aluminosilicate inorganic polymers obtained by mixing alkali-silicate solutions with reactive aluminosilicate precursors, and geopolymerization may occur at room temperature or at temperature lower than 150 °C, and several types of waste may be used as geopolymer precursors. The possibility to obtain geopolymer tiles with properties comparable with those of ceramic tiles is extremely challenging, but geopolymerization would represent a huge energy-saving in the consolidation process as well as in natural raw materials exploitation.