Paralelización de un algoritmo de ray tracing para arrays de mililentes

Máster Universitario en Sistemas Inteligentes y Aplicaciones Numéricas en Ingeniería (SIANI)

Sistemi per la climatizzazione mediante pompe di calore geotermiche e pali energetici

We need a large amount of energy to make our homes pleasantly warm in winter and cool in summer. If we also consider the energy losses that occur through roofs, perimeter walls and windows, it would be more appropriate to speak of waste than consumption. The solution would be to build passive houses, i.e. buildings more efficient and environmentally friendly, able to ensure a drastic reduction of electricity and heating bills. Recently, the increase of public awareness about global warming and environmental pollution problems have “finally” opened wide possibility in the field of sustainable construction by encouraging new renewable methods for heating and cooling space. Shallow geothermal allows to exploit the renewable heat reservoir, present in the soil at depths between 15 and 20 m, for air-conditioning of buildings, using a ground source heat pump. This thesis focuses on the design of an air-conditioning system with geothermal heat pump coupled to energy piles, i.e. piles with internal heat exchangers, for a typical Italian-family building, on the basis of a geological-technical report about a plot of Bologna’s plain provided by Geo-Net s.r.l. The study has involved a preliminary static sizing of the piles in order to calculate their length and number, then the project was completed making the energy sizing, where it has been verified if the building energy needs were met with the static solution obtained. Finally the attention was focused on the technical and economical validity compared to a traditional system (cost-benefit analysis) and on the problem of the uncertainty data design and their effects on the operating and initial costs of the system (sensitivity analysis). To evaluate the performance of the thermal system and the potential use of the piles was also used the PILESIM2 software, designed by Dr. Pahud of the SUPSI’s school.

Analisi di immagini termiche aeree e satellitari per indagini multiscala in ambito urbano

L’alta risoluzione nel telerilevamento termico (Thermal Remote Sensing) da aereo o satellitare si rivela molto importante nell’analisi del comportamento termico delle superfici, in particolare per lo studio dei fenomeni climatici locali dello spazio urbano. La stato termico dell'ambiente urbano è oggi motivo di grande interesse per ricercatori, organi istituzionali e cittadini. Uno dei maggiori campi di studio del comportamento termico urbano interessa il problema energetico: la riduzione dei consumi e delle emissioni di CO2 è un obiettivo primario da perseguire per uno sviluppo sostenibile, spesso supportato da criteri legislativi e progetti comunitari. Su scala differente e con caratteristiche differenti, un altro degli argomenti che scuote da anni e con notevole interesse la ricerca scientifica, è il fenomeno termico urbano che prende il nome di isola di calore; questa si sviluppa non solo in conseguenza al calore sensibile rilasciato da attività antropiche, ma anche a causa della sempre maggiore conversione del territorio rurale in urbanizzato (inurbamento), con conseguente riduzione del fenomeno dell’evapotraspirazione. Oggetto di questa dissertazione è lo studio del comportamento termico delle superfici in ambito urbano, sperimentato sulla città di Bologna. Il primo capitolo si interessa dei principi e delle leggi fisiche sui quali è basato il telerilevamento effettuato nelle bende spettrali dell’infrarosso termico. Viene data una definizione di temperatura radiometrica e cinematica, tra loro legate dall’emissività. Vengono esposti i concetti di risoluzione (geometrica, radiometrica, temporale e spettrale) dell’immagine termica e viene data descrizione dei principali sensori su piattaforma spaziale per l’alta risoluzione nel TIR (ASTER e Landsat). Il secondo capitolo si apre con la definizione di LST (Land Surface Temperature), parametro del terreno misurato col telerilevamento, e ne viene descritta la dipendenza dal flusso della radiazione in atmosfera e dalle condizioni di bilancio termico della superficie investigata. Per la sua determinazione vengono proposti metodi diversi in funzione del numero di osservazioni disponibili nelle diverse bande spettrali dell’IR termico. In chiusura sono discussi i parametri che ne caratterizzano la variabilità. Il capitolo terzo entra nel dettaglio del telerilevamento termico in ambito urbano, definendo il fenomeno dell’Urban Heat Island su tutti i livelli atmosferici interessati, fornendo un quadro di operabilità con gli strumenti moderni di rilievo alle differenti scale (analisi multiscala). Un esempio concreto di studio multiscala dei fenomeni termici urbani è il progetto europeo EnergyCity, volto a ridurre i consumi energetici e le emissioni di gas serra di alcune città del centro Europa. Il capitolo quarto riporta la sperimentazione condotta sull’isola di calore urbana della città di Bologna tramite immagini ASTER con risoluzione spaziale 90 m nel TIR e ricampionate a 15 m dal VIS. Lo studio dell’isola di calore si è effettuata a partire dal calcolo della Land Surface Temperature utilizzando valori di emissività derivati da classificazione delle superfici al suolo. Per la validazione dei dati, in alternativa alle stazioni di monitoraggio fisse dell’ARPA, presenti nell’area metropolitana della città, si è sperimentato l’utilizzo di data-loggers per il rilievo di temperatura con possibilità di campionamento a 2 sec. installati su veicoli mobili, strumentati con ricevitori GPS, per la misura dei profili di temperatura atmosferica near-ground lungo transetti di attraversamento della città in direzione est-ovest.

Studio di fenomeni d'instabilità gravitativa sui fondali marini, con particolare riferimento all'isola di Stromboli

In the last decade the interest for submarine instability grew up, driven by the increasing exploitation of natural resources (primary hydrocarbons), the emplacement of bottom-lying structures (cables and pipelines) and by the development of coastal areas, whose infrastructures increasingly protrude to the sea. The great interest for this topic promoted a number of international projects such as: STEAM (Sediment Transport on European Atlantic Margins, 93-96), ENAM II (European North Atlantic Margin, 96-99), GITEC (Genesis and Impact of Tsunamis on the European Coast 92-95), STRATAFORM (STRATA FORmation on Margins, 95-01), Seabed Slope Process in Deep Water Continental Margin (Northwest Gulf of Mexico, 96-04), COSTA (Continental slope Stability, 00-05), EUROMARGINS (Slope Stability on Europe’s Passive Continental Margin), SPACOMA (04-07), EUROSTRATAFORM (European Margin Strata Formation), NGI's internal project SIP-8 (Offshore Geohazards), IGCP-511: Submarine Mass Movements and Their Consequences (05-09) and projects indirectly related to instability processes, such as TRANSFER (Tsunami Risk ANd Strategies For the European region, 06-09) or NEAREST (integrated observations from NEAR shore sourcES of Tsunamis: towards an early warning system, 06-09). In Italy, apart from a national project realized within the activities of the National Group of Volcanology during the framework 2000-2003 “Conoscenza delle parti sommerse dei vulcani italiani e valutazione del potenziale rischio vulcanico”, the study of submarine mass-movement has been underestimated until the occurrence of the landslide-tsunami events that affected Stromboli on December 30, 2002. This event made the Italian Institutions and the scientific community more aware of the hazard related to submarine landslides, mainly in light of the growing anthropization of coastal sectors, that increases the vulnerability of these areas to the consequences of such processes. In this regard, two important national projects have been recently funded in order to study coastal instabilities (PRIN 24, 06-08) and to map the main submarine hazard features on continental shelves and upper slopes around the most part of Italian coast (MaGIC Project). The study realized in this Thesis is addressed to the understanding of these processes, with particular reference to Stromboli submerged flanks. These latter represent a natural laboratory in this regard, as several kind of instability phenomena are present on the submerged flanks, affecting about 90% of the entire submerged areal and often (strongly) influencing the morphological evolution of subaerial slopes, as witnessed by the event occurred on 30 December 2002. Furthermore, each phenomenon is characterized by different pre-failure, failure and post-failure mechanisms, ranging from rock-falls, to turbidity currents up to catastrophic sector collapses. The Thesis is divided into three introductive chapters, regarding a brief review of submarine instability phenomena and related hazard (cap. 1), a “bird’s-eye” view on methodologies and available dataset (cap. 2) and a short introduction on the evolution and the morpho-structural setting of the Stromboli edifice (cap. 3). This latter seems to play a major role in the development of largescale sector collapses at Stromboli, as they occurred perpendicular to the orientation of the main volcanic rift axis (oriented in NE-SW direction). The characterization of these events and their relationships with successive erosive-depositional processes represents the main focus of cap.4 (Offshore evidence of large-scale lateral collapses on the eastern flank of Stromboli, Italy, due to structurally-controlled, bilateral flank instability) and cap. 5 (Lateral collapses and active sedimentary processes on the North-western flank of Stromboli Volcano), represented by articles accepted for publication on international papers (Marine Geology). Moreover, these studies highlight the hazard related to these catastrophic events; several calamities (with more than 40000 casualties only in the last two century) have been, in fact, the direct or indirect result of landslides affecting volcanic flanks, as observed at Oshima-Oshima (1741) and Unzen Volcano (1792) in Japan (Satake&Kato, 2001; Brantley&Scott, 1993), Krakatau (1883) in Indonesia (Self&Rampino, 1981), Ritter Island (1888), Sissano in Papua New Guinea (Ward& Day, 2003; Johnson, 1987; Tappin et al., 2001) and Mt St. Augustine (1883) in Alaska (Beget& Kienle, 1992). Flank landslide are also recognized as the most important and efficient mass-wasting process on volcanoes, contributing to the development of the edifices by widening their base and to the growth of a volcaniclastic apron at the foot of a volcano; a number of small and medium-scale erosive processes are also responsible for the carving of Stromboli submarine flanks and the transport of debris towards the deeper areas. The characterization of features associated to these processes is the main focus of cap. 6; it is also important to highlight that some small-scale events are able to create damage to coastal areas, as also witnessed by recent events of Gioia Tauro 1978, Nizza, 1979 and Stromboli 2002. The hazard potential related to these phenomena is, in fact, very high, as they commonly occur at higher frequency with respect to large-scale collapses, therefore being more significant in terms of human timescales. In the last chapter (cap. 7), a brief review and discussion of instability processes identified on Stromboli submerged flanks is presented; they are also compared with respect to analogous processes recognized in other submerged areas in order to shed lights on the main factors involved in their development. Finally, some applications of multibeam data to assess the hazard related to these phenomena are also discussed.

Utilizzo delle bande dell’Infrarosso Termico in tecniche di remote sensing per applicazioni in ambito urbano

Il presente studio si concentra sulle diverse applicazioni del telerilevamento termico in ambito urbano. Vengono inizialmente descritti la radiazione infrarossa e le sue interazioni con l’atmosfera terrestre, le leggi principali che regolano lo scambio di calore per irraggiamento, le caratteristiche dei sensori e le diverse applicazioni di termografia. Successivamente sono trattati nel dettaglio gli aspetti caratteristici della termografia da piattaforma satellitare, finalizzata principalmente alla valutazione del fenomeno dell'Urban Heat Island; vengono descritti i sensori disponibili, le metodologie di correzione per gli effetti atmosferici, per la stima dell'emissività delle superfici e per il calcolo della temperatura superficiale dei pixels. Viene quindi illustrata la sperimentazione effettuata sull'area di Bologna mediante immagini multispettrali ASTER: i risultati mostrano come sull'area urbana sia riscontrabile la presenza dell'Isola di Calore Urbano, anche se la sua quantificazione risulta complessa. Si procede quindi alla descrizione di potenzialità e limiti della termografia aerea, dei suoi diversi utilizzi, delle modalità operative di rilievo e degli algoritmi utilizzati per il calcolo della temperatura superficiale delle coperture edilizie. Tramite l’analisi di alcune esperienze precedenti vengono trattati l’influenza dell’atmosfera, la modellazione dei suoi effetti sulla radianza rilevata, i diversi metodi per la stima dell’emissività. Viene quindi introdotto il progetto europeo Energycity, finalizzato alla creazione di un sistema GeoWeb di supporto spaziale alle decisioni per la riduzione di consumi energetici e produzione di gas serra su sette città dell'Europa Centrale. Vengono illustrate le modalità di rilievo e le attività di processing dei datasets digitali per la creazione di mappe di temperatura superficiale da implementare nel sistema SDSS. Viene infine descritta la sperimentazione effettuata sulle immagini termiche acquisite nel febbraio 2010 sulla città di Treviso, trasformate in un mosaico georiferito di temperatura radiometrica tramite correzioni geometriche e radiometriche; a seguito della correzione per l’emissività quest’ultimo verrà trasformato in un mosaico di temperatura superficiale.

Sviluppo di metodologie per la simulazione di scambiatori di calore per motori di ultima generazione.

La riduzione dei consumi energetici è una problematica che riguarda appieno il campo dell'autotrazione, a fronte delle misure sempre più stringenti per il taglio delle emissioni di anidride carbonica. A tal scopo, il recupero di energia dai gas di scarico tramite ciclo Rankine appare la soluzione più vantaggiosa, a fronte di onerosità e complessità affrontabili nel breve periodo. L'obiettivo della presente tesi di laurea è lo sviluppo di metodologie per la simulazione di scambiatori di calore bifase per un sistema a ciclo Rankine, utilizzato per il recupero di energia in un'autovettura. Lo svolgimento di test per la validazione dei modelli utilizzati, è risultato fondamentale al fine di ottenere il setup idoneo per la simulazione termofluidodinamica del componente oggetto di studio.

Progettazione di una pompa di calore geotermica a CO2 per produzione di acqua calda sanitaria

Progettazione pompa di calore a CO2.

Riduzione delle perdite e incremento dell'indice OEE di un'isola di lavoro mediante l'applicazione di metodologie SMED e TPM

Questo elaborato nasce da uno stage presso lo stabilimento Bonfiglioli Trasmital S.p.A. di Forlì, un’azienda manifatturiera specializzata nella produzione, costruzione e distribuzione di motoriduttori di velocità, sistemi di azionamento e motoriduttori epicicloidali applicati nel campo industriale, dell’automazione, delle macchine movimento terra e nell’ambito delle energie alternative. Il progetto ha lo scopo di aumentare la disponibilità di un impianto di tempra ad induzione. La scelta di tale impianto quale oggetto dell’attività, proviene da un’analisi delle ore di disponibilità perse per inefficienza, nell’anno 2012, in tutto il reparto di lavorazione meccanica dello stabilimento produttivo di Forlì e dall’analisi dell’OEE (Overall equipment effectiveness), indicatore principale per stabilire l’efficienza di un impianto. Analizzando la natura delle perdite del macchinario, tipicamente guasti, micro fermate e setup, si è deciso di applicare le tecniche di TPM e dello SMED: il TPM (Total Productive Maintenance) persegue l’obiettivo di migliorare la produttività degli impianti e la loro efficacia, grazie alla riduzione delle cause di perdita ricercando il miglioramento continuo del processo di produzione e della qualità, mentre lo SMED (Single-Minute Exchange of Die) è una metodologia volta alla riduzione dei tempi di cambio produzione; la grande innovazione di tale teoria risiede nella possibilità di ridurre fortemente i tempi impiegati per effettuare un’operazione di setup con un solo digit ossia in un lasso di tempo inferiore a dieci minuti.

Il ruolo delle infrastrutture verdi nella riqualificazione del territorio. Realizzazioni di substrati alleggeriti sostenibili tramite l'utilizzo di materie prime secondarie.

Si indaga il ruolo delle tecnologie verdi all'interno del contesto urbano, in particolare gli effetti delle infrastrutture verdi sulla regimazione idrica e l'isola di calore. Si sono implementati substrati estensivi alleggeriti sostenibili tramite materie secondarie, che costituiscono un vantaggio economico e strutturale, oltre che di riciclo di scarti da filiere produttive, mantenendo intatta la crescita delle piante

Cavezzo, isola di pietra. Percorsi di identità urbana.

La nostra ricerca si è focalizzata sul tema dell’identità di Cavezzo, risorsa preziosa che la catastrofe ha distrutto in un attimo, insieme alle vite umane e ai beni materiali. La perdita di identità comporta infatti negli abitanti la percezione di vivere la propria quotidianità in una sorta di “non luogo”. Poiché il nostro progetto non può essere in grado di risolvere il dolore umano provocato da questo evento, abbiamo agito sulla città per quella che è o che dovrebbe essere, ovvero un agglomerato di architetture, spazi pubblici e privati, capaci di restituire riconoscibilità, e dunque senso di appartenenza, ai suoi cittadini. L’obiettivo principale è stato quindi quello di dare agli abitanti un’immagine diversa ma chiara del proprio paese. L’evento del terremoto non viene infatti congelato, musealizzato o usato come pretesto per ricostruire “com’era dov’era”, ma diventa l’occasione per ripensare la città nella sua interezza e per affrontare riflessioni sulla gerarchia fra spazi collettivi e individuali, e sulla capacità di questi elementi di tenere insieme la comunità. Abbiamo deciso di chiamare la nostra tesi “Cavezzo, isola di pietra. Percorsi di identità urbana” innanzitutto perché il nostro progetto si è focalizzato su uno degli isolati urbani maggiormente sedimentati di Cavezzo, uno dei pochi luoghi radicati nella storia della città. Esso conserva il nucleo originario, nato a partire dalla chiesa di Sant’Egidio, attorno al quale si è poi sviluppato tutto l’aggregato urbano, e detiene una forte e radicata relazione con gli elementi naturali della Bassa, in quanto l’acqua del canalino che vi sorgeva è generatrice di forme e il verde instaura relazioni con la campagna limitrofa. Questi segni casuali di una natura che agisce incontrollata e plasma la forma di queste terre diventano il pretesto iniziale che dà vita a tutto il nostro progetto, sia per la sua forma, sia per la sua collocazione ed il significato che esso assume all’interno della città. Questo progetto, radicato nella storia, si snoda in diversi percorsi paralleli che vedono il susseguirsi di tre interventi che, nonostante la loro diversità, possono essere comunque letti in modo unitario. Queste tre operazioni vengono infatti tenute insieme da alcuni principi condivisi che rafforzano la leggibilità dell’intervento complessivo; in particolare una relazione rimane sempre imprescindibile per tutti: quella con la città e con le preesistenze. Tutti e tre i progetti lavorano sulla gerarchia tra spazi pubblici e privati, indagando tematiche diverse, seppur legate, come quelle della casa e del teatro.

Studio di uno scambiatore di calore per produzione istantanea di acqua calda per uso sanitario

In questo elaborato viene presentato lo studio ed ottimizzazione della geometria del serpentino di uno scambiatore di calore per la produzione di acqua sanitaria di tipo Puffer. L’analisi volta all’ottimizzazione del serpentino è stata eseguita con l’obiettivo di soddisfare i vincoli di progetto dello scambiatore, ovvero la portata elaborata e la temperatura di uscita dell’acqua sanitaria dallo scambiatore, ma cercando di ridurre la superficie del serpentino e quindi il costo dello scambiatore stesso, in particolare agendo su parametri geometrici quali il passo dell’elica H, il diametro dell’avvolgimento Db ed il diametro del tubo d. A tal fine è stato sviluppato un modello del processo di scambio termico all’interno dello scambiatore Puffer basato sulle equazioni di bilancio di energia e raffinato attraverso correlazioni teorico/sperimentali reperite in letteratura. In una prima fase l’ottimizzazione è stata svolta con l’ulteriore vincolo progettuale d=41mm e Db=510mm, al fine di garantire maggiore flessibilità nell’utilizzo del serpentino per altre tipologie di scambiatori. In questo caso, si è giunti ad un risparmio del 14% sull’area di scambio termico del serpentino rispetto al modello tuttora in produzione, quantificabile in una riduzione dei costi del 19% sul costo totale del Puffer. In una seconda fase si è proceduto ad una ottimizzazione libera dai vincoli d e Db, con l’obiettivo di valutare la massima riduzione di area di scambio termico del serpentino, stimata in circa il 23% nel caso in cui sia possibile in futuro valutare modifiche sostanziali alla geometria dello scambiatore. Lo studio completato dall’analisi dell’isolamento del corpo dello scambiatore, finalizzata a ridurre le dispersioni verso l’ambiente esterno. In particolare è stato valutato l’utilizzo di Isolmix, in alternativa all’esistente isolamento in pannelli di poliuretano, dimostrando come sia possibile ottenere una ulteriore riduzione del materiale impiegato e quindi dei costi di realizzazione dello scambiatore.

Studio e ottimizzazione di un sistema di sbrinamento ad alto rendimento termodinamico per pompe di calore

Lo sbrinamento per le pompe di calore ne limita fortemente l'uso. In questa tesi viene introdotto un concetto innovativo ad altissimo rendimento.

Choerades: tra utopia ed eterotopia. L'isola di S.Pietro come palcoscenico.

Lo studio è rivolto alla creazione di uno spazio eterotopico. Nell’atto di riconsacrare un’isola attraverso l’acquisizione di strutture polisemiche che al valore d’uso uniscono un forte valore di scambio simbolico, pensate per dar vita a comunità provvisorie. Il progetto apre anche alla possibilità d’una dea “rifondazione” del lavoro teatrale attraverso l’allestimento di uno spazio che dà accesso alla trasformazione artistica e personale, luogo separato, esterno all’esperienza quotidiana, catalizzatore di energie. Attori principali di questo spazio sono due teatri, gemelli, simmetrici, complementari. Pensati ibridando la struttura aperta degli antichi teatri greci e l’uso umano e culturale dei “ghat” indiani affacciati sull’acqua. Uno rivolto a nord/ovest, Elettra. Uno, simmetrico, rivolto a sud/est, Artemide. Il progetto figura di accampamenti, vero cantone di lavoro. Immagine della “nave” e della “tenda desertica nomade” che sono metafore seminali del progetto. Il simbolismo è all’apice, e raggiunge altre note di intensità nella struttura di uno Jazzo, che ricorda l’operazione di fondazione di ogni città antica. Ogni aspetto, confezionato dal ruolo di un architettura guardata come maieutica del genius loci.