Building performance evaluation of domestic energy efficient retrofits in current and future climates

Approximately half of the houses in Northern Ireland were built before any form of minimum thermal specification or energy efficiency standard was enforced. Furthermore, 44% of households are categorised as being in fuel poverty; spending more than 10% of the household income to heat the house to bring it to an acceptable level of thermal comfort. To bring existing housing stock up to an acceptable standard, retrofitting for improving the energy efficiency is essential and it is also necessary to study the effectiveness of such improvements in future climate scenarios. This paper presents the results from a year-long performance monitoring of two houses that have undergone retrofits to improve energy efficiency. Using wireless sensor technology internal temperature, humidity, external weather, household gas and electricity usage were monitored for a year. Simulations using IES-VE dynamic building modelling software were calibrated using the monitoring data to ASHARE Guideline 14 standards. The energy performance and the internal environment of the houses were then assessed for current and future climate scenarios and the results show that there is a need for a holistic balanced strategy for retrofitting.

Integrierte drahtlose Sensorsysteme für Flurförderzeugreifen

In diesem Artikel werden zwei unterschiedliche Integrations- und Sensorkonzepte zur drahtlosen Erfassung der Belastung und Temperatur innerhalb eines Vollgummireifens für Flurförderzeuge beschrieben. Anhand der während des Fahrzeugbetriebs gesammelten Messdaten sollen Reifenschäden durch thermische Überlastung und Unfälle durch kippende Fahrzeuge vermieden werden.

Studio di termoresistenza di lieviti fermentativi

In anni recenti il potenziale degradativo dei lieviti nelle bevande ha assunto un’importanza crescente a causa degli importanti danni economici ad essi associati e i produttori sono sempre più attenti a queste problematiche, anche in relazione alla tendenza di ridurre i trattamenti termici, in una strategia di risparmio energetico e di riduzione del danno termico organolettico. L’obiettivo dell’elaborato è stato quello di testare la termoresistenza di diversi ceppi di lieviti che possono costituire un rischio per bevande di fantasia: sette appartenenti alla specie Saccharomyces cerevisiae, tre Zygosaccharomyces, un ceppo di Saccharomycodes ludwigii, uno di Schizosaccharomyces pombe e uno di Kluyveromyces marxianus. Le prove di termoresistenza sono state condotte in vitro utilizzando terreno di coltura impiegando temperature di 55°C, 60°C e 65°C e i dati sono stati modellati con l’equazione di Weibull per ottenere le curve di morte termica dei diversi ceppi. Questo modello permette di tenere conto dell’approccio vitalistico dell’interazione tra temperatura e cellula e descrive l’inattivazione microbica come risultato del fallimento delle cellule nel contrastare le condizioni ostili dovute all’alta temperatura. I risultati hanno dimostrato che i ceppi erano caratterizzati da termoresistenza molto variabile. In generale, tra le specie non Saccharomyces, i più resistenti erano K. marxianus e Sch. Pombe mentre tra i Saccharomyces il più resistente era il ceppo SPA, isolato in uno stabilimento di bevande e responsabile di un incidente industriale che ha portato all’alterazione di oltre 500000 bottiglie di bibite gassate. Questo screening preliminare per la valutazione della termoresistenza ad un potenziale trattamento industriale ha permesso di individuare i lieviti più resistenti che saranno poi oggetto di un successivo studio in cui verranno tenuti presenti altri fattori tecnologici e di prodotto per poi potersi muovere in un ambiente industriale.

IoT Based Pain Management using Physiological Parameters

The continuous technology evaluation is benefiting our lives to a great extent. The evolution of Internet of things and deployment of wireless sensor networks is making it possible to have more connectivity between people and devices used extensively in our daily lives. Almost every discipline of daily life including health sector, transportation, agriculture etc. is benefiting from these technologies. There is a great potential of research and refinement of health sector as the current system is very often dependent on manual evaluations conducted by the clinicians. There is no automatic system for patient health monitoring and assessment which results to incomplete and less reliable heath information. Internet of things has a great potential to benefit health care applications by automated and remote assessment, monitoring and identification of diseases. Acute pain is the main cause of people visiting to hospitals. An automatic pain detection system based on internet of things with wireless devices can make the assessment and redemption significantly more efficient. The contribution of this research work is proposing pain assessment method based on physiological parameters. The physiological parameters chosen for this study are heart rate, electrocardiography, breathing rate and galvanic skin response. As a first step, the relation between these physiological parameters and acute pain experienced by the test persons is evaluated. The electrocardiography data collected from the test persons is analyzed to extract interbeat intervals. This evaluation clearly demonstrates specific patterns and trends in these parameters as a consequence of pain. This parametric behavior is then used to assess and identify the pain intensity by implementing machine learning algorithms. Support vector machines are used for classifying these parameters influenced by different pain intensities and classification results are achieved. The classification results with good accuracy rates between two and three levels of pain intensities shows clear indication of pain and the feasibility of this pain assessment method. An improved approach on the basis of this research work can be implemented by using both physiological parameters and electromyography data of facial muscles for classification.

ENABLING HARDWARE TECHNOLOGIES FOR AUTONOMY IN TINY ROBOTS: CONTROL, INTEGRATION, ACTUATION

The last two decades have seen many exciting examples of tiny robots from a few cm3 to less than one cm3. Although individually limited, a large group of these robots has the potential to work cooperatively and accomplish complex tasks. Two examples from nature that exhibit this type of cooperation are ant and bee colonies. They have the potential to assist in applications like search and rescue, military scouting, infrastructure and equipment monitoring, nano-manufacture, and possibly medicine. Most of these applications require the high level of autonomy that has been demonstrated by large robotic platforms, such as the iRobot and Honda ASIMO. However, when robot size shrinks down, current approaches to achieve the necessary functions are no longer valid. This work focused on challenges associated with the electronics and fabrication. We addressed three major technical hurdles inherent to current approaches: 1) difficulty of compact integration; 2) need for real-time and power-efficient computations; 3) unavailability of commercial tiny actuators and motion mechanisms. The aim of this work was to provide enabling hardware technologies to achieve autonomy in tiny robots. We proposed a decentralized application-specific integrated circuit (ASIC) where each component is responsible for its own operation and autonomy to the greatest extent possible. The ASIC consists of electronics modules for the fundamental functions required to fulfill the desired autonomy: actuation, control, power supply, and sensing. The actuators and mechanisms could potentially be post-fabricated on the ASIC directly. This design makes for a modular architecture. The following components were shown to work in physical implementations or simulations: 1) a tunable motion controller for ultralow frequency actuation; 2) a nonvolatile memory and programming circuit to achieve automatic and one-time programming; 3) a high-voltage circuit with the highest reported breakdown voltage in standard 0.5 μm CMOS; 4) thermal actuators fabricated using CMOS compatible process; 5) a low-power mixed-signal computational architecture for robotic dynamics simulator; 6) a frequency-boost technique to achieve low jitter in ring oscillators. These contributions will be generally enabling for other systems with strict size and power constraints such as wireless sensor nodes.

Enhancing smart environments with mobile robots

Sensor networks are becoming popular nowadays in the development of smart environments. Heavily relying on static sensor and actuators, though, such environments usually lacks of versatility regarding the provided services and interaction capabilities. Here we present a framework for smart environments where a service robot is included within the sensor network acting as a mobile sensor and/or actuator. Our framework integrates on-the-shelf technologies to ensure its adaptability to a variety of sensor technologies and robotic software. Two pilot cases are presented as evaluation of our proposal.

Frequency adjustable MEMS vibration energy harvester

Ambient mechanical vibrations offer an attractive solution for powering the wireless sensor nodes of the emerging "Internet-of-Things". However, the wide-ranging variability of the ambient vibration frequencies pose a significant challenge to the efficient transduction of vibration into usable electrical energy. This work reports the development of a MEMS electromagnetic vibration energy harvester where the resonance frequency of the oscillator can be adjusted or tuned to adapt to the ambient vibrational frequency. Micro-fabricated silicon spring and double layer planar micro-coils along with sintered NdFeB micro-magnets are used to construct the electromagnetic transduction mechanism. Furthermore, another NdFeB magnet is adjustably assembled to induce variable magnetic interaction with the transducing magnet, leading to significant change in the spring stiffness and resonance frequency. Finite element analysis and numerical simulations exhibit substantial frequency tuning range (25% of natural resonance frequency) by appropriate adjustment of the repulsive magnetic interaction between the tuning and transducing magnet pair. This demonstrated method of frequency adjustment or tuning have potential applications in other MEMS vibration energy harvesters and micromechanical oscillators.

Influence of combined fundamental potentials in a nonlinear vibration energy harvester

Ambient mechanical vibrations have emerged as a viable energy source for low-power wireless sensor nodes aiming the upcoming era of the ‘Internet of Things’. Recently, purposefully induced dynamical nonlinearities have been exploited to widen the frequency spectrum of vibration energy harvesters. Here we investigate some critical inconsistencies between the theoretical formulation and applications of the bistable Duffing nonlinearity in vibration energy harvesting. A novel nonlinear vibration energy harvesting device with the capability to switch amidst individually tunable bistable-quadratic, monostable-quartic and bistable-quartic potentials has been designed and characterized. Our study highlights the fundamentally different large deflection behaviors of the theoretical bistable-quartic Duffing oscillator and the experimentally adapted bistable-quadratic systems, and underlines their implications in the respective spectral responses. The results suggest enhanced performance in the bistable-quartic potential in comparison to others, primarily due to lower potential barrier and higher restoring forces facilitating large amplitude inter-well motion at relatively lower accelerations.

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.

Modellazione del trattamento a fanghi attivi del depuratore Ponte Metauro di Fano ed indicazioni gestionali per la riduzione dei consumi di energia.

Lo scopo del presente studio è quello di modellare il processo di trattamento delle acque reflue dell’impianto a fanghi attivi Ponte Metauro di Fano. In particolare, si è posta l’attenzione sulle fasi di trattamento secondario, agendo sui parametri che regolano tali processi e simulando il funzionamento ottimale dell’impianto attraverso il programma di modellazione STOAT. Oltre a modellare l’impianto, è stato anche fatto uno studio per cercare di risparmiare i consumi di energia e reagenti. La prima fase quindi è stata incentrata sulla modellazione dell’impianto, soprattutto per i trattamenti secondari, con varie simulazioni per poi arrivare ad avere una rappresentazione corretta del fenomeno che avviene nella realtà. La seconda fase invece è stata incentrata sulla ricerca di un possibile risparmio energetico per ottimizzare i consumi di energia e reagenti all’interno delle vasche.

Embedded systems and advanced signal processing for Acousto- Ultrasonic Inspections

Non Destructive Testing (NDT) and Structural Health Monitoring (SHM) are becoming essential in many application contexts, e.g. civil, industrial, aerospace etc., to reduce structures maintenance costs and improve safety. Conventional inspection methods typically exploit bulky and expensive instruments and rely on highly demanding signal processing techniques. The pressing need to overcome these limitations is the common thread that guided the work presented in this Thesis. In the first part, a scalable, low-cost and multi-sensors smart sensor network is introduced. The capability of this technology to carry out accurate modal analysis on structures undergoing flexural vibrations has been validated by means of two experimental campaigns. Then, the suitability of low-cost piezoelectric disks in modal analysis has been demonstrated. To enable the use of this kind of sensing technology in such non conventional applications, ad hoc data merging algorithms have been developed. In the second part, instead, imaging algorithms for Lamb waves inspection (namely DMAS and DS-DMAS) have been implemented and validated. Results show that DMAS outperforms the canonical Delay and Sum (DAS) approach in terms of image resolution and contrast. Similarly, DS-DMAS can achieve better results than both DMAS and DAS by suppressing artefacts and noise. To exploit the full potential of these procedures, accurate group velocity estimations are required. Thus, novel wavefield analysis tools that can address the estimation of the dispersion curves from SLDV acquisitions have been investigated. An image segmentation technique (called DRLSE) was exploited in the k-space to draw out the wavenumber profile. The DRLSE method was compared with compressive sensing methods to extract the group and phase velocity information. The validation, performed on three different carbon fibre plates, showed that the proposed solutions can accurately determine the wavenumber and velocities in polar coordinates at multiple excitation frequencies.

Ottimizzazione impiantistica di servizi di climatizzazione e acqua calda con produzione di energia da fotovoltaico: il caso studio del progetto "e-SAFE"

In questa tesi si è approfondito dal punto di vista impiantistico ed energetico il primo progetto pilota “e-SAFE”, relativo ad un condominio di edilizia popolare sito a Catania. Il progetto europeo “e-SAFE” mira alla riqualificazione “globale” del patrimonio edilizio UE, con obiettivi quali la decarbonizzazione, tramite raggiungimento di edifici nZEB, e la sicurezza sismica, includendo finalità sociali. È stata svolta la progettazione degli impianti tecnici relativi ai servizi di climatizzazione (riscaldamento e raffrescamento) e produzione acqua calda sanitaria (ACS), tramite adozione di sistema a pompa di calore abbinato ad impianto fotovoltaico provvisto di batterie di accumulo, al fine di massimizzare l’utilizzo di fonti energetiche rinnovabili. Una soluzione innovativa è stata prevista per il sistema ACS tramite bollitori decentralizzati che permettono l’eliminazione della rete di ricircolo e dotano il servizio centralizzato di una certa “individualità”, con adozione di logiche di controllo che consentono di sfruttare al massimo l’energia da fotovoltaico. Sono state quindi svolte analisi energetiche, relative a tre casi impiantistici (senza PV, con PV e con batterie d’accumulo), con modellazione del sistema edificio-impianto adottando una procedura di calcolo orario, per poi confrontare i consumi elettrici, le emissioni e i principali indicatori energetici al fine di dimostrare la bontà delle scelte progettuali effettuate. Si è dimostrato come l’impiego dell’impianto fotovoltaico, abbinato ad un corretto dimensionamento delle batterie di accumulo, consente di ottimizzare la contemporaneità di produzione e consumo di energia. Nonché permette di minimizzare il prelievo di energia elettrica dalla rete nazionale, consumando e stoccando in loco l’elettricità autoprodotta da fonti energetiche totalmente rinnovabili.

La gestione degli interventi di manutenzione preventiva negli impianti automatici

La manutenzione è attualmente considerata un servizio volto a preservare costantemente inalterata l’efficienza e la sicurezza di macchinari e impianti, senza per questo trascurare le esigenze di qualità, di risparmio energetico e di sicurezza. Gli obiettivi del presente lavoro sono quelli di analizzare le modalità con cui vengono forniti alcuni dati a supporto della manutenzione di un impianto industriale in una applicazione esistente, di analizzarle per rilevarne le criticità ed infine proporre ed implementare alcune modifiche migliorative. Per raggiungere tale risultato verrà presentato il caso di Righi Group SPA, società fornitrice di quadri elettrici e software per impianti automatici. Partendo dall’analisi di un progetto recentemente realizzato verranno effettuate alcune osservazioni e proposte che mostreranno in che modo sia possibile (tramite implementazioni software ed alcune eventuali modifiche hardware) sviluppare un evoluto sistema di raccolta ed elaborazione dati per gettare le basi ad un progetto di manutenzione preventiva.

Illuminazione pubblica: caso studio del comune di Sesto San Giovanni

Il presente elaborato finale ha lo scopo di illustrare tutti i parametri necessari alla progettazione di un “buon” impianto di illuminazione stradale, dotato di tutte le nuove tecnologie, per un maggior risparmio energetico incentrato alla valorizzazione e riqualificazione urbana. L’illuminazione pubblica negli ultimi decenni ha ricoperto un’importanza sempre maggiore all’interno della città e del territorio aumentando in modo esponenziale la presenza di corpi illuminanti e formando spesso una vera e propria macchia di luce durante la notte. L’implementazione degli apparecchi di illuminazione ha portato ad una maggiore sicurezza e, a volte, un maggiore comfort nelle zone cittadine, ma anche un notevole aumento di costi energetici a carico delle amministrazioni comunali. Pertanto, alla luce degli ultimi mesi, è necessario incrementare i servizi tecnologici basati sull’efficientamento energetico degli impianti, in particolare, adottando sempre di più la sorgente a LED e sistemi di riduzione del flusso luminoso, in sostituzione alle lampade obsolete esistenti con un basso rendimento energetico. Con lo sviluppo del traffico veicolare degli ultimi anni, l’illuminazione urbana ha modificato il suo aspetto nelle città, concentrandosi sul rispetto dei valori prescritti per consentire una maggiore sicurezza e scorrevolezza del traffico motorizzato durante le ore notturne a discapito della valorizzazione urbana. Infatti, le statistiche hanno mostrato che il tasso degli incidenti notturni, ossia il rapporto tra gli incidenti e il numero di veicoli in circolazione, è più elevato rispetto agli incidenti durante le ore diurne.

Metodologie di progettazione di impianti fotovoltaici con sistema di accumulo: applicazione su uno scenario reale

Il presente elaborato di tesi si pone come obiettivo lo studio dei criteri di progettazione di un impianto fotovoltaico connesso alla rete con sistema di accumulo. In primo luogo, è stato introdotto il tema dell’energia rinnovabile, in particolare l’energia solare descrivendo e definendone le caratteristiche. In seguito, è stato descritto dettagliatamente l’effetto fotovoltaico e lo stato dell’arte relativo alla tecnologia fotovoltaica e tipologie di impianto. Si procede con lo studio dello scenario reale, la progettazione e il dimensionamento dell’impianto fotovoltaico, effettuata con l’ausilio di PVGIS Tool, SUNNYDESIGN e Microsoft Excel. In questa fase si scelgono i dispositivi principali, quali pannelli, inverter e sistema di accumulo in funzione delle caratteristiche del sito di installazione, che nel nostro caso è uno stabile adibito ad ufficio sito a Bologna in cui è possibile installare un impianto la cui taglia è di 20.8 kWp. In seguito, è presente lo studio della producibilità energetica pari a 30190 kWh/anno, nella quale è definito e calcolato l’autoconsumo dell’impianto tramite fogli di calcolo Excel. Segue l’introduzione alle normative, che definiscono lo stato dell’arte degli impianti fotovoltaici e il collegamento in BT (CEI 0-21, 64-8), e la progettazione elettrica, con l’utilizzo di AutoCAD, dell’impianto elettrico di collegamento in BT alla rete di distribuzione con allacciamento alla rete. Infine, l’elaborato si conclude con l’analisi economica dell’impianto con e senza sistema di accumulo, nella quale viene calcolato, tramite foglio Excel, il PayBackTime pari a 5.08 anni nel primo caso e 4.17 nel secondo, il risparmio energetico cumulativo nei 25 anni di esercizio previsti dell’impianto che è di 447.7 k€ per la prima tipologia di impianto e di 437.45 k€ per la seconda ed in conclusione i flussi di cassa durante lo stesso periodo che sono di 294.93 k€ per l’impianto fotovoltaico con accumulo e di 320.58 k€ per quello senza sistema di accumulo.