Teoria e pratica dell'architettura solare - Morfologia, rendimento, strategia progettuale

La recente Direttiva 31/2010 dell’Unione Europea impone agli stati membri di riorganizzare il quadro legislativo nazionale in materia di prestazione energetica degli edifici, affinchè tutte le nuove costruzioni presentino dal 1° gennaio 2021 un bilancio energetico tendente allo zero; termine peraltro anticipato al 1° gennaio 2019 per gli edifici pubblici. La concezione di edifici a energia “quasi” zero (nZEB) parte dal presupposto di un involucro energeticamente di standard passivo per arrivare a compensare, attraverso la produzione preferibilmente in sito di energia da fonti rinnovabili, gli esigui consumi richiesti su base annuale. In quest’ottica la riconsiderazione delle potenzialità dell’architettura solare individua degli strumenti concreti e delle valide metodologie per supportare la progettazione di involucri sempre più performanti che sfruttino pienamente una risorsa inesauribile, diffusa e alla portata di tutti come quella solare. Tutto ciò in considerazione anche della non più procrastinabile necessità di ridurre il carico energetico imputabile agli edifici, responsabili come noto di oltre il 40% dei consumi mondiali e del 24% delle emissioni di gas climalteranti. Secondo queste premesse la ricerca pone come centrale il tema dell’integrazione dei sistemi di guadagno termico, cosiddetti passivi, e di produzione energetica, cosiddetti attivi, da fonte solare nell’involucro architettonico. Il percorso sia analitico che operativo effettuato si è posto la finalità di fornire degli strumenti metodologici e pratici al progetto dell’architettura, bisognoso di un nuovo approccio integrato mirato al raggiungimento degli obiettivi di risparmio energetico. Attraverso una ricognizione generale del concetto di architettura solare e dei presupposti teorici e terminologici che stanno alla base della stessa, la ricerca ha prefigurato tre tipologie di esito finale: una codificazione delle morfologie ricorrenti nelle realizzazioni solari, un’analisi comparata del rendimento solare nelle principali aggregazioni tipologiche edilizie e una parte importante di verifica progettuale dove sono stati applicati gli assunti delle categorie precedenti

Implementazione dell'algoritmo filtered back-projection (FBP) per architetture low-power di tipo systems-on-chip

Il presente lavoro di tesi, svolto presso i laboratori dell'X-ray Imaging Group del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Bologna e all'interno del progetto della V Commissione Scientifica Nazionale dell'INFN, COSA (Computing on SoC Architectures), ha come obiettivo il porting e l’analisi di un codice di ricostruzione tomografica su architetture GPU installate su System-On-Chip low-power, al fine di sviluppare un metodo portatile, economico e relativamente veloce. Dall'analisi computazionale sono state sviluppate tre diverse versioni del porting in CUDA C: nella prima ci si è limitati a trasporre la parte più onerosa del calcolo sulla scheda grafica, nella seconda si sfrutta la velocità del calcolo matriciale propria del coprocessore (facendo coincidere ogni pixel con una singola unità di calcolo parallelo), mentre la terza è un miglioramento della precedente versione ottimizzata ulteriormente. La terza versione è quella definitiva scelta perché è la più performante sia dal punto di vista del tempo di ricostruzione della singola slice sia a livello di risparmio energetico. Il porting sviluppato è stato confrontato con altre due parallelizzazioni in OpenMP ed MPI. Si è studiato quindi, sia su cluster HPC, sia su cluster SoC low-power (utilizzando in particolare la scheda quad-core Tegra K1), l’efficienza di ogni paradigma in funzione della velocità di calcolo e dell’energia impiegata. La soluzione da noi proposta prevede la combinazione del porting in OpenMP e di quello in CUDA C. Tre core CPU vengono riservati per l'esecuzione del codice in OpenMP, il quarto per gestire la GPU usando il porting in CUDA C. Questa doppia parallelizzazione ha la massima efficienza in funzione della potenza e dell’energia, mentre il cluster HPC ha la massima efficienza in velocità di calcolo. Il metodo proposto quindi permetterebbe di sfruttare quasi completamente le potenzialità della CPU e GPU con un costo molto contenuto. Una possibile ottimizzazione futura potrebbe prevedere la ricostruzione di due slice contemporaneamente sulla GPU, raddoppiando circa la velocità totale e sfruttando al meglio l’hardware. Questo studio ha dato risultati molto soddisfacenti, infatti, è possibile con solo tre schede TK1 eguagliare e forse a superare, in seguito, la potenza di calcolo di un server tradizionale con il vantaggio aggiunto di avere un sistema portatile, a basso consumo e costo. Questa ricerca si va a porre nell’ambito del computing come uno tra i primi studi effettivi su architetture SoC low-power e sul loro impiego in ambito scientifico, con risultati molto promettenti.

Modellazione elettromeccanica di una macchina automatica opercolatrice

Nella tesi si è studiata una macchina automatica per l'industria farmaceutica: l'Adapta 100, un'opercolatrice (macchina riempi-capsule) prodotta da IMA SpA. Gli scopi della tesi erano chiarire il flusso di potenza dei vari assi e valutare un possibile risparmio energetico. La macchina infatti ha diversi motori: uno, collegato all'asse master, che comanda i gruppi non rimovibili e gli altri che comandano i gruppi di dosaggio. Tali motori in generale, per qualche tratto del ciclo della macchina, potranno lavorare come generatori, anche considerando il solo funzionamento a regime: si avrà cioè, in qualche istante, che le forze esterne tendono ad accelerare il motore, che così assorbe energia meccanica e produce energia elettrica. Attualmente tale energia viene dissipata in apposite resistenze collegate ai motori; ci si è chiesti se non si potesse invece immagazzinare l'energia prodotta, ad esempio per usarla in caso di black-out, per frenare delicatamente la macchina senza che gli assi perdano la fase. Un'alternativa è quella di ridistribuire la potenza generata istante per istante collegando i motori a un comune bus DC. Prima però è necessario conoscere gli andamenti di coppia e velocità di ciascun motore: per questo ci si è ricondotti al modello della macchina a 1 gdl, riducendo tutte le coppie e le inerzie all'asse motore. Si sono studiati i due assi più importanti in termini di coppie e potenze di picco: questi sono l'asse master e l'asse di dosaggio della polvere farmaceutica. Il modello è stato concretamente implementato con degli script MATLAB. Il modello risulta flessibile, per considerare le varie modalità di funzionamento della macchina, e considera i principali termini di coppia, inclusi attriti (inseriti sotto forma di rendimenti) e forze esterne di lavorazione. Tra queste è particolarmente importante la forza di compattazione della polvere, che è stata modellata con la formula di Kawakita, nota dalla letteratura.

Ottimizzazione di un'unita di controllo per protesi mioelettrica di arto superiore e confronto prestazionale tramite programmable automation controller e motion capture

Con il passare degli anni le tecnologie nel campo delle protesi mioelettriche di arto superiore stanno compiendo sempre più passi in avanti. In questo elaborato di tesi si darà un iniziale introduzione sulla protesica di arto superiore cercando di coprire tutte le possibili tipologie di protesi, prestando particolare attenzione agli arti artificiali mioelettrici. Gli scopi di questo studio sono in prima analisi una miglioria dell'unità di controllo di una protesi comandata da segnali elettromiografici di superficie, tramite l'utilizzo del nuovo IDE della Microchip (MPLAB X). In seconda analisi, invece, si attuerà un confronto prestazionale a livello di consumo in corrente di un prototipo di protesi mioelettrica nata dalla sinergia tra l'azienda "Selex ES" e il "Centro Protesi INAIL di Vigorso di Budrio". Per questo studio ci si è serviti di stereofotogrammetrica per la determinazione delle grandezze meccaniche, mentre tramite un sistema PAC si è riusciti ad ottenere specifiche grandezze elettriche. Lo studio ha portato, a livello di Firmware, l'inserimento del giusto comando di attuazione di un servofreno comandato in corrente e l'introduzione di una particolare modalità a basso consumo che consente un risparmio energetico di circa il 60% rispetto alla vecchia modalità. Discorso diverso per i risultati del confronto prestazionale che non ha portato ai risultati sperati in fase di progetto.

Valutazione dell'efficienza ambientale dei tetti verdi a livello globale: Confronto tra casi di studio

Nel mio lavoro di tesi è stata valutata l'influenza climatica sulle prestazioni dei tetti verdi relativamente alla riduzione del runoff, il risparmio energetico e il miglioramento della qualità dell'aria.

Controllo di un impianto ad aria compressa per limitare gli avviamenti del compressore mediante regolatore misto retroazione-azione in avanti

Progetto di un sistema di controllo della pressione dellʼaria compressa in un serbatoio. In particolare, dopo aver introdotto gli impianti ad aria compressa e mostrato i vari parametri di tali impianti, si vedrà̀ un modo di progettare un sistema di controllo che permetta di inviare allʼutenza una portata di aria che consenta di mantenere costante la pressione nel serbatoio di accumulo, dal quale lʼutenza preleva la portata. Il sistema permetterà di variare allʼoccorrenza lo spazio nocivo (o volume nocivo) del compressore volumetrico dellʼimpianto, in base a quanto volume dʼaria viene richiesto ad ogni ciclo di mandata dallʼutenza (volume dʼaria per ciclo o portata dʼaria); in generale i compressori di questo tipo di impianti possono essere o volumetrici o rotativi, ma in questo lavoro di tesi ci si concentrerà su compressori volumetrici. Il sistema servirà a fare in modo di mantenere la pressione nel serbatoio costante, per evitare dannose sovrappressioni al suo interno (o al contrario pressioni troppo basse), che con lʼausilio di pressostati inducono lo spegnimento del compressore (pressioni troppo basse al contrario ne inducono lʼaccensione se spento), con successivo riavviamento. Quindi il sistema aiuterà a limitare il più possibile il numero di avviamenti, riducendo il consumo energetico dovuto alle correnti di spunto ed evitando di danneggiare il compressore. Per verificare il corretto funzionamento del sistema si utilizzerà un modello simulato del sistema di controllo della pressione nel serbatoio realizzato in ambiente software Simulink. Verrà infine anche quantificato il risparmio economico che si ottiene con lʼintroduzione del sistema.

Le nuove sfide del fotovoltaico in Italia. Saggio di traduzione in prospettiva testuale.

Questa tesi, nata all'interno del progetto "LANGUAGE TOOLKIT: Le lingue straniere al servizio dell'internazionalizzazione d'impresa", ha come oggetto la traduzione funzionale dall'italiano all'inglese dei tre testi proposti e redatti dall'azienda cesenate Bloomfield Srl: la lettera di presentazione aziendale, il sito web e il company profile. I testi si rivolgono ad un pubblico non esperto in materia che desidera ampliare le proprie conoscenze in merito alle possibilità offerte dalle nuove tecnologie rinnovabili per il risparmio energetico, con particolare riguardo a quelle fotovoltaiche. Questo lavoro parte dal presupposto che l'analisi testuale dei testi di partenza sia una fase propedeutica imprescindibile per la traduzione degli stessi: dopo aver presentato una panoramica generale sulle fonti rinnovabili e l'energia solare, sono stati esaminati infatti i tre testi italiani e i fattori linguistici ed extralinguistici di maggior rilievo. Successivamente, la tesi si focalizza sul commento alla traduzione: dopo aver illustrato l'approccio familiarizzante, ovvero la macrostrategia traduttiva adottata, sono stati analizzati i livelli testuale, morfosintattico e lessicale. E' stata effettuata, inoltre, un'analisi approfondita degli aspetti terminologici relativi alle fonti di energia rinnovabili: in particolare, sono state esaminate le modalità d'impiego dei termini specialistici nei testi divulgativi e la loro frequenza. Infine, la tesi approfondisce il tema della traduzione come atto comunicativo interculturale, presentando e analizzando gli aspetti culturospecifici che in fase traduttiva sono spesso causa di dubbi e difficoltà.

Impianto di trigenerazione e attestato di qualificazione energetica

Gli obiettivi di questa tesi sono: - Approfondire gli aspetti normativi contenuti nella normativa UNI TS 11300; - Redigere gli attestati di qualificazione energetica di due edifici universitari in costruzione in zona Navile (Facoltà di chimica ed astronomia) utilizzando il software MC4; - Analizzare i dati della centrale di trigenerazione del comprensorio fieristico-direzionale di Bologna; - Approfondire gli aspetti della Bioedilizia e del risparmio energetico.

Riqualificazione architettonica ed energetica: il caso del comparto via Torino-via degli Ortolani a Bologna

Effettuando un’analisi della condizione attuale del parco edilizio che costituisce le nostre città e periferie, ciò che si può rilevare è che questo, allo stato attuale, risulta in condizioni di grave degrado tecnologico, energetico, sociale ed architettonico. Diviene pertanto necessario intervenire su questa ampia porzione di città. A tal fine possono essere attuati due metodi di intervento: la trasformazione dell’esistente attraverso la completa sostituzione dei manufatti edilizi, oppure la riqualificazione dell’esistente con opere mirate. Questo secondo modello di intervento ha il pregio di riconoscere il valore culturale del tessuto edilizio esistente, puntando a criteri di sviluppo sostenibile, e guardando ai manufatti esistenti riconoscendone il potenziale economico ed architettonico. Allo stato attuale pertanto la disciplina punta a questo secondo metodo di intervento ricercando soluzioni in grado di modificare le prestazioni dell’edificio fino a renderle soddisfacenti in rapporto alle nuove esigenze ambientali, economiche, del vivere contemporaneo dell’individuo e della collettività nel suo complesso. Tra le opere che possono essere attuate al fine di riqualificare queste preziose aree, oltre a quelle di riqualificazione che mirano al miglioramento del comportamento energetico e della qualità architettonica dell’edificio esistente, si considera anche l’intervento per addizione, che permette la densificazione dei tessuti esistenti attraverso l’aumento del numero di alloggi sociali e l’implementazione dei servizi. In questo modo si va ad implementare e completare la gamma di prestazioni di un manufatto edilizio che non è più in grado di soddisfare tutte quelle esigenze del vivere contemporaneo. Il risultato finale è quindi un sistema edilizio che, grazie all’intervento, può vantare una valorizzazione complessiva del patrimonio immobiliare, grazie agli elevati livelli di prestazione energetica, alle condizioni di vivibilità eccellenti raggiunte e alla migliorata qualità architettonica.

Impact of automatic meetering infrastructure on multiutility business models

In the last decade energy utility sector has undergone major changes in terms of liberalization, increased competition, efforts in improving energy efficiency, and in new technological solution such as smart meter and grid operations. There are new information technology solutions (e.g. Advanced Metering Infrastructure /AMI ) on the horizon that will not only introduce new technical and organizational concepts, but have a very strong potential to radically change modus operandi of utility companies. Coordinated, multi-utility programs can help accelerate the development and market success of new high-efficiency technologies. These programs provide opportunities for researchers to develop new high-efficiency equipment for manufacturers to sell this new equipment with utility help, for utilities to increase the amount of energy they save from incentive programs, and for consumers to benefit from lower utility bills and a cleaner environment (as energy is reduced, pollutants produced at power plants decline).

Impianto di trigenerazione e attestato di qualificazione energetica

Gli obiettivi di questa tesi sono: - Approfondire gli aspetti normativi contenuti nella normativa UNI TS 11300; - Redigere gli attestati di qualificazione energetica di due edifici universitari in costruzione in zona Navile (Facoltà di chimica ed astronomia) utilizzando il software MC4; - Analizzare i dati della centrale di trigenerazione del comprensorio fieristico-direzionale di Bologna; - Approfondire gli aspetti della Bioedilizia e del risparmio energetico.

Sviluppo e Applicazione di Metodologie per l'Ottimizzazione di Sistemi Energetici

La riduzione dei consumi di combustibili fossili e lo sviluppo di tecnologie per il risparmio energetico sono una questione di centrale importanza sia per l’industria che per la ricerca, a causa dei drastici effetti che le emissioni di inquinanti antropogenici stanno avendo sull’ambiente. Mentre un crescente numero di normative e regolamenti vengono emessi per far fronte a questi problemi, la necessità di sviluppare tecnologie a basse emissioni sta guidando la ricerca in numerosi settori industriali. Nonostante la realizzazione di fonti energetiche rinnovabili sia vista come la soluzione più promettente nel lungo periodo, un’efficace e completa integrazione di tali tecnologie risulta ad oggi impraticabile, a causa sia di vincoli tecnici che della vastità della quota di energia prodotta, attualmente soddisfatta da fonti fossili, che le tecnologie alternative dovrebbero andare a coprire. L’ottimizzazione della produzione e della gestione energetica d’altra parte, associata allo sviluppo di tecnologie per la riduzione dei consumi energetici, rappresenta una soluzione adeguata al problema, che può al contempo essere integrata all’interno di orizzonti temporali più brevi. L’obiettivo della presente tesi è quello di investigare, sviluppare ed applicare un insieme di strumenti numerici per ottimizzare la progettazione e la gestione di processi energetici che possa essere usato per ottenere una riduzione dei consumi di combustibile ed un’ottimizzazione dell’efficienza energetica. La metodologia sviluppata si appoggia su un approccio basato sulla modellazione numerica dei sistemi, che sfrutta le capacità predittive, derivanti da una rappresentazione matematica dei processi, per sviluppare delle strategie di ottimizzazione degli stessi, a fronte di condizioni di impiego realistiche. Nello sviluppo di queste procedure, particolare enfasi viene data alla necessità di derivare delle corrette strategie di gestione, che tengano conto delle dinamiche degli impianti analizzati, per poter ottenere le migliori prestazioni durante l’effettiva fase operativa. Durante lo sviluppo della tesi il problema dell’ottimizzazione energetica è stato affrontato in riferimento a tre diverse applicazioni tecnologiche. Nella prima di queste è stato considerato un impianto multi-fonte per la soddisfazione della domanda energetica di un edificio ad uso commerciale. Poiché tale sistema utilizza una serie di molteplici tecnologie per la produzione dell’energia termica ed elettrica richiesta dalle utenze, è necessario identificare la corretta strategia di ripartizione dei carichi, in grado di garantire la massima efficienza energetica dell’impianto. Basandosi su un modello semplificato dell’impianto, il problema è stato risolto applicando un algoritmo di Programmazione Dinamica deterministico, e i risultati ottenuti sono stati comparati con quelli derivanti dall’adozione di una più semplice strategia a regole, provando in tal modo i vantaggi connessi all’adozione di una strategia di controllo ottimale. Nella seconda applicazione è stata investigata la progettazione di una soluzione ibrida per il recupero energetico da uno scavatore idraulico. Poiché diversi layout tecnologici per implementare questa soluzione possono essere concepiti e l’introduzione di componenti aggiuntivi necessita di un corretto dimensionamento, è necessario lo sviluppo di una metodologia che permetta di valutare le massime prestazioni ottenibili da ognuna di tali soluzioni alternative. Il confronto fra i diversi layout è stato perciò condotto sulla base delle prestazioni energetiche del macchinario durante un ciclo di scavo standardizzato, stimate grazie all’ausilio di un dettagliato modello dell’impianto. Poiché l’aggiunta di dispositivi per il recupero energetico introduce gradi di libertà addizionali nel sistema, è stato inoltre necessario determinare la strategia di controllo ottimale dei medesimi, al fine di poter valutare le massime prestazioni ottenibili da ciascun layout. Tale problema è stato di nuovo risolto grazie all’ausilio di un algoritmo di Programmazione Dinamica, che sfrutta un modello semplificato del sistema, ideato per lo scopo. Una volta che le prestazioni ottimali per ogni soluzione progettuale sono state determinate, è stato possibile effettuare un equo confronto fra le diverse alternative. Nella terza ed ultima applicazione è stato analizzato un impianto a ciclo Rankine organico (ORC) per il recupero di cascami termici dai gas di scarico di autovetture. Nonostante gli impianti ORC siano potenzialmente in grado di produrre rilevanti incrementi nel risparmio di combustibile di un veicolo, è necessario per il loro corretto funzionamento lo sviluppo di complesse strategie di controllo, che siano in grado di far fronte alla variabilità della fonte di calore per il processo; inoltre, contemporaneamente alla massimizzazione dei risparmi di combustibile, il sistema deve essere mantenuto in condizioni di funzionamento sicure. Per far fronte al problema, un robusto ed efficace modello dell’impianto è stato realizzato, basandosi sulla Moving Boundary Methodology, per la simulazione delle dinamiche di cambio di fase del fluido organico e la stima delle prestazioni dell’impianto. Tale modello è stato in seguito utilizzato per progettare un controllore predittivo (MPC) in grado di stimare i parametri di controllo ottimali per la gestione del sistema durante il funzionamento transitorio. Per la soluzione del corrispondente problema di ottimizzazione dinamica non lineare, un algoritmo basato sulla Particle Swarm Optimization è stato sviluppato. I risultati ottenuti con l’adozione di tale controllore sono stati confrontati con quelli ottenibili da un classico controllore proporzionale integrale (PI), mostrando nuovamente i vantaggi, da un punto di vista energetico, derivanti dall’adozione di una strategia di controllo ottima.

Spazi per un'educazione innovativa La pedagogia di Gianfranco Zavalloni in un nuovo progetto per la scuola elementare "Panoramica" a Riccione

Studiare il rapporto tra pedagogia ed architettura per ridisegnare la scuola Panoramica a Riccione. I principi guida di Gianfranco Zavalloni, educatore cesenate, maestro di scuola materna e dirigente scolastico, autore de “La pedagogia della lumaca, sono la base su cui fonda il progetto. Natura, lavoro manuale e gioco sono le parole chiavi, nonchè i punti cardini delle teorie del cesenate. L'applicazione di questi concetti uniti a uno studio sui legami di tipo pubblico e privato che si innescano all'interno di un edificio scolastico sono l'ossatura portante del progetto. Il risultato è un edificio innovativo, a diretto contatto con la natura e attento ai principi di sostenibilità e di risparmio energetico.

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.

Machine-to-machine communications with in-network data aggregation, processing, and actuation for large-scale cyber-physical systems

Machine-to-Machine (M2M) paradigm enables machines (sensors, actuators, robots, and smart meter readers) to communicate with each other with little or no human intervention. M2M is a key enabling technology for the cyber-physical systems (CPSs). This paper explores CPS beyond M2M concept and looks at futuristic applications. Our vision is CPS with distributed actuation and in-network processing. We describe few particular use cases that motivate the development of the M2M communication primitives tailored to large-scale CPS. M2M communications in literature were considered in limited extent so far. The existing work is based on small-scale M2M models and centralized solutions. Different sources discuss different primitives. Few existing decentralized solutions do not scale well. There is a need to design M2M communication primitives that will scale to thousands and trillions of M2M devices, without sacrificing solution quality. The main paradigm shift is to design localized algorithms, where CPS nodes make decisions based on local knowledge. Localized coordination and communication in networked robotics, for matching events and robots, were studied to illustrate new directions.