Tecnologie innovative per le colture in ambiente protetto
Author(s)
Fedrizzi, Marco
Date Issued
January 26, 2022
Type
Doctoral Thesis
Abstract
Nella tesi vengono illustrati i principali aspetti economici, tecnici e di diffusione geografica della produzione di specie vegetali ornamentali in ambiente protetto con particolare riferimento alla situazione italiana.
Vengono riferiti i risultati ottenuti, nel medesimo ambito, da una precedente attività di ricerca a carattere esplorativo finalizzata alla valutazione tecnica ed operativa di un sistema brevettato di riscaldamento basale di tipo innovativo e da ulteriori attività di un progetto di ricerca svoltosi negli anni precedenti con finanziamento del Ministero delle politiche agricole alimentari e forestali.
In seguito, negli anni accademici dal 2018 - 2019 al 2020 - 2021 del corso di dottorato di ricerca sono state sviluppate le attività di ricerca finanziate dal citato ministero con il progetto AGROENER.
Alcune di queste attività, avviate negli anni precedenti, sono state condotte a conclusione mentre altre sono state avviate nel periodo indicato e si concluderanno nel 2022.
Le principali attività si richiamano alla tematica della sostenibilità energetica delle colture in ambiente protetto con particolare riferimento alle nuove tecnologie in grado di permette il risparmio energetico nel riscaldamento delle serre.
Le attività sono state finalizzate alla conoscenza delle caratteristiche operative dell’impiego di generatori di calore a pompa di calore che, nello specifico settore produttivo, non hanno trovato diffusione mentre sono largamente utilizzate comuni caldaie a gasolio o GPL. In una serra situata nella sede CREA-OF di Pescia (PT) sono stati installati due impianti sperimentali di riscaldamento basale, realizzati con precedenti finanziamenti, costituiti da bancali di coltivazione in cemento dotati ciascuno di una rete idraulica brevettata e collegata ad un generatore di calore selezionabile tra una caldaia a condensazione alimentata con GPL od una pompa di calore del tipo acqua – aria.
Mentre le due caldaie utilizzate sono identiche tra loro ed hanno la medesima installazione, le due pompe di calore sono installate con una diversa collocazione dell’evaporatore che in un caso è situato in ambiente aperto all’esterno della serra e nell’altro è collocato in ambiente chiuso, all’interno di una serra fredda adiacente a quella di prova. Tale flessibilità impiantistica ha consentito di sviluppare varie prove sperimentali di confronto tra le differenti soluzioni impiantistiche nel corso di cicli di coltivazione di specie floricole ed ornamentali con rilievi dei principali parametri energetici, ambientali ed agronomici tesi a verificare i limiti operativi dei sistemi di riscaldamento e la loro efficienza in riferimento alle produzioni ottenute.
Vengono descritte le modalità di prova impostate in una coltivazione di basilico finalizzata alla verifica del consumo energetico complessivo di una caldaia a condensazione a gas e impianto di riscaldamento basale con tubi radianti coassiali in confronto al consumo complessivo di un impianto di riscaldamento tradizionale per il riscaldamento dell’aria con bruciatore a gasolio.
Nessuna differenza significativa è stata rilevata tra i due sistemi in termini di resa dei prodotti mentre il sistema di riscaldamento basale ha prodotto il 70,5% di biomassa fresca e il 48,9% di biomassa secca in più per unità di calore a conferma che è possibile una significativa riduzione del consumo di energia termica.
È stato inoltre condotto uno studio che si propone di indagare la possibilità di utilizzare pompe di calore convenzionali come fonte energetica e di confrontarne l’efficienza rispetto ai tradizionali sistemi di riscaldamento, verificando in una coltura di basilico sotto serra l’applicabilità di una pompa di calore commerciale aria-acqua e testare l’efficienza energetica della pompa di calore in assenza di fonti geotermiche o fotovoltaiche.
Lo studio pone a confronto i consumi energetici di tre tecnologie di riscaldamento: un sistema di riscaldamento basale collegato ad una pompa di calore aria-acqua, un sistema di riscaldamento basale collegato ad una caldaia a condensazione ed uno costituito da un bruciatore a gasolio per il riscaldamento dell’intero volume d’aria della serra.
I risultati mostrano che l’adozione di una pompa di calore convenzionale per il riscaldamento della coltura sotto serra consente rilevanti riduzioni dei consumi energetici. È stata condotta anche una prova finalizzata allo sviluppo di una sistema per il rilievo strumentale dello stato nutrizionale di una coltura di basilico. Lo studio mira a indagare le possibili relazioni tra la concentrazione di alcuni composti vegetali e l'indice di bilancio azotato, con i dati di output di un sensore RGB a basso costo per verificare la sua capacità di discriminare tra diversi livelli di nutrizione. Nel test vengono messi a confronto un sensore RGB non intrusivo, a bassa potenza ed a basso costo ed un misuratore di foglie ottico portatile per il monitoraggio del vigore delle piante di basilico coltivate con diversi dosaggi di N. L’obiettivo consiste nel testare l’affidabilità di tale sensore in condizioni di campo aperto nell’identificazione delle differenze di vigore delle piante e nel valutare la fattibilità di uno strumento alternativo per una rapida valutazione in campo dello stato nutrizionale e della qualità delle verdure a foglia.
I risultati forniscono interessanti indicazioni in merito a ciò che può essere ottenuto utilizzando questo approccio, non solo su scala pilota, ma anche in sistemi di serra su vasta scala, con diverse gestioni del suolo e/o fuori suolo, benché un numero più elevato e significativo di casi sia tuttavia necessario per ottenere un modello consolidato per la futura implementazione dell’applicazione di questo tipo di sensore. Nell’ultimo anno accademico è stata svolta una prova, che a causa delle restrizioni alla circolazione di persone e merci dovute alla pandemia COVID19 è stata condotta in condizioni di coltivazione simulata, finalizzata alla misurazione dei consumi energetici di due impianti di riscaldamento basale dotati di pompe di calore che differivano soltanto per la diversa collocazione dell’evaporatore: in un impianto di riscaldamento basale l’evaporatore della pompa di calore era installato all’esterno della serra in ambiente aperto mentre nell’altro era collocato all’interno di una serra fredda adiacente. È stata operata questa scelta per misurare le eventuali differenze di consumo energetico, eventualmente derivanti dall’accumulo di calore nella serra adiacente durante le ore di luce del giorno, di cui l’evaporatore poteva disporre.
Allo scopo di validare il set di dati raccolti, è stata programmata la ripetizione della prova nel corso dell’inverno 2021 – 2022 e pertanto allo stato attuale, non essendo disponibili i dati di due prove ripetute e la loro analisi statistica, è soltanto possibile evidenziare che entrambe le pompe di calore hanno funzionato nel corso del test, provvedendo costantemente al funzionamento dei due impianti di riscaldamento basale.
Viene infine esposta una sintesi conclusiva dei risultati ottenuti ed una prospettiva dei possibili futuri sviluppi delle attività di ricerca nelle tematiche trattate.
The thesis illustrates the main economic, technical and geographical diffusion aspects of the production of ornamental plant species in a protected environment with particular reference to the Italian situation.
The results obtained, in the same context, from a previous exploratory research activity aimed at the technical and operational evaluation of a patented innovative basal heating system and from further activities of a research project carried out in previous years with funding are reported. of the Ministry of Agricultural, Food and Forestry Policies.
Subsequently, in the academic years from 2018 - 2019 to 2020 - 2021 of the PhD course, the research activities funded by the aforementioned ministry with the AGROENER project were developed.
Some of these activities, started in previous years, have been completed while others have started in the indicated period and will end in 2022.
The main activities refer to the issue of energy sustainability of crops in a protected environment with particular reference to new technologies capable of allowing energy savings in heating greenhouses.
The activities were aimed at understanding the operational characteristics of the use of heat pump heat generators which, in the specific production sector, have not found widespread while common oil or LPG boilers are widely used.
In a greenhouse located in the CREA-OF headquarters in Pescia (PT), two experimental basal heating systems were installed, made with previous funding, consisting of cement cultivation benches each equipped with a patented hydraulic network and connected to a heat generator selectable between a condensing boiler fed with LPG or a water - air type heat pump. While the two boilers used are identical to each other and have the same installation, the two heat pumps are installed with a different location for the evaporator which in one case is located in an open environment outside the greenhouse and in the other is located in closed environment, inside a cold greenhouse adjacent to the test one.
This plant flexibility has made it possible to develop various experimental tests to compare the different plant solutions during cultivation cycles of flower and ornamental species with measurements of the main energy, environmental and agronomic parameters aimed at verifying the operating limits of the heating systems and the their efficiency with reference to the productions obtained. The test methods set up in a basil cultivation aimed at verifying the overall energy consumption of a gas condensing boiler and basal heating system with coaxial radiant tubes are described in comparison with the overall consumption of a traditional heating system for heating the air with oil burner.
No significant difference was detected between the two systems in terms of product yield while the basal heating system produced 70.5% fresh biomass and 48.9% more dry biomass per heat unit confirming that a significant reduction in thermal energy consumption is possible.
A study was also conducted that aims to investigate the possibility of using conventional heat pumps as an energy source and to compare their efficiency with respect to traditional heating systems, verifying the applicability of a heat pump in a greenhouse basil crop. commercial air-water heat and test the energy efficiency of the heat pump in the absence of geothermal or photovoltaic sources.
The study compares the energy consumption of three heating technologies: a basal heating system connected to an air-water heat pump, a basal heating system connected to a condensing boiler and one consisting of a diesel burner for heating the entire air volume of the greenhouse. The results show that the adoption of a conventional heat pump for heating the greenhouse crop allows significant reductions in energy consumption. A test was also carried out aimed at developing a system for the instrumental survey of the nutritional status of a basil crop.
The study aims to investigate the possible relationships between the concentration of some plant compounds and the nitrogen balance index, with the output data of a low-cost RGB sensor to verify its ability to discriminate between different levels of nutrition.
The test compares a non-intrusive, low-power, low-cost RGB sensor and a portable optical leaf meter for monitoring the vigor of basil plants grown with different dosages of N.
The objective is to test the reliability of this sensor in open field conditions in identifying differences in plant vigor and to evaluate the feasibility of an alternative tool for a rapid evaluation in the field of the nutritional status and quality of leaf vegetables.
The results provide interesting insights into what can be achieved using this approach, not only on a pilot scale, but also in large-scale greenhouse systems, with different soil and / or soilless management, albeit a higher number and significant of cases is however necessary to obtain a consolidated model for the future implementation of the application of this type of sensor.
In the last academic year a test was carried out, which due to the restrictions on the circulation of people and goods due to the COVID19 pandemic, was conducted under simulated cultivation conditions, aimed at measuring the energy consumption of two basal heating systems equipped with pumps which differed only in the different location of the evaporator: in a basal heating system the heat pump evaporator was installed outside the greenhouse in an open environment while in the other it was placed inside an adjacent cold greenhouse .
This choice was made to measure any differences in energy consumption, possibly resulting from the accumulation of heat in the adjacent greenhouse during daylight hours, which the evaporator
could have available.
In order to validate the set of data collected, the repetition of the test has been scheduled during the winter of 2021 - 2022 and therefore at present, as the data of two repeated tests and their statistical analysis are not available, it is only possible to highlight that both heat pumps worked during the test, constantly providing for the operation of the two basal heating systems.
A conclusive summary of the results obtained and a perspective of the possible future developments of the research activities in the topics covered are presented.
Additional information
Dottorato di ricerca in Engineering for energy and environment
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