DSpace Collection: Collezione delle tesi di dottorato di ricercaCollezione delle tesi di dottorato di ricercahttp://hdl.handle.net/2067/152024-03-15T03:33:23Z2024-03-15T03:33:23ZRecovery and valorization for energy purposes of residual biomasses coming from agro-industrial chainsBianchini, Leonardohttp://hdl.handle.net/2067/512162024-03-14T15:27:25Z2022-01-26T00:00:00ZTitle: Recovery and valorization for energy purposes of residual biomasses coming from agro-industrial chains
Authors: Bianchini, Leonardo
Abstract: Every year, a large amount of agricultural, agro-industrial, urban and forestry residues are treated as waste, but they could be recovered and used to produce energy. Among the main types of agro-industrial waste, coffee residues account for a significant amount worldwide. Because of their composition, they can be used in biodiesel production, as a source of sugar, or as a sorbent for metal removal. Orchards also generate a lot of pruning waste each year. Currently, prunings of hazelnut and olive trees in the best of cases, are chopped and left on the ground however; they are often burned in the field and this involves the generation of CO2 emissions and wasting a resource that could have been exploited differently.
The purpose of this thesis was to assess the employability of coffee grounds by looking at their energetical features and also to improve the characteristics of pruning residues of hazelnut and olive groves. The research activity has moved through chemical and physical characterizations, pelletizing tests to obtain a commercially viable product, combustion tests to analyse atmospheric emissions, evaluation of the life cycle of supply chains for the recovery and pelletizing of coffee grounds by considering different alternative waste-to-energy scenarios, comparison and modelling with traditional biomass for the development of a predictive model of the higher heating value and evaluation of the impact of mechanical pre-treatment on the quality of pruning residues of hazelnut and olive trees on anaerobic biodegradability.
The results show that spent coffee grounds are excellent as biomass, with excellent values in terms of heating power and low ash content, the production of 98% coffee pellets suggests that they are highly suitable for use in thermal conversion systems. The major environmental impact is given by the pelletizing process with the exception of ozone formation and terrestrial ecotoxicity, which are mainly influenced by the transport process in the stage of coffee grounds collection. The environmental benefits of spent coffee ground pelletizing are the mitigation of climate change, and reduction of freshwater eutrophication. Among the waste-to-energy scenarios, biodiesel is the worst; on the other hand, pellet production and bio-oil demonstrate the most favourable environmental profiles. Through composition and energy analysis of coffee grounds, it was possible to fix linear models that can link elemental composition to biomass energy yield. Spent coffee grounds showed a higher HHV than any other woody and herbaceous plant, manifesting great potential from the perspective of energy.
In the mechanical process, the coarser products that were obtained from the pruning residues, were characterised by a high reduction in ash and nitrogen content. The best products from the processing were subjected to anaerobic digestion. The finest product from hazelnut processing achieved a 70.1% higher methane yield than the untreated substrate, while their analogues from the olive pruning processing, achieved a methane yield of approximately +93.5% compared to the untreated feedstock.
In conclusion, the results indicate that is an excellent candidate for use in energy conversion systems; furthermore, the mechanical process that was studied, could be successfully used to improve the quality of olive and hazelnut prunings and establish new markets.; Ogni anno, una grande quantità di residui agricoli, agro-industriali, urbani e forestali sono trattati come rifiuti, ma possono essere recuperati e utilizzati per produrre energia. Tra i principali tipi di rifiuti agro-industriali, i residui di caffè rappresentano una quantità significativa in tutto il mondo. Grazie alla loro composizione, possono essere utilizzati nella produzione di biodiesel, come fonte di zucchero o come sorbente per la rimozione dei metalli pesanti. Anche nei frutteti si generano molti residui di potatura ogni anno. Attualmente potature di nocciolo ed olivo nel migliore dei casi vengono trinciate e lasciate a terra, ma spesso vengono bruciate in campo comportando emissioni di CO2 e sprecando una risorsa che potrebbe essere valorizzata diversamente. Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato valutare la possibilità di valorizzare dal punto di vista energetico i fondi di caffè e migliorare le caratteristiche di residui di potatura di noccioleti ed oliveti. L’attività di ricerca si è mossa attraverso caratterizzazioni chimico-fisiche, prove di pellettizzazione per ottenere un prodotto commercialmente valido, prove di combustione per analizzare le emissioni in atmosfera, valutazione del ciclo di vita di filiere per il recupero e pellettizzazione di fondi caffè secondo differenti scenari alternativi di termovalorizzazione, confronto e modellizzazione con biomasse tradizionali per la valutazione di un modello previsionale del potere calorifico superiore e valutazione di un pretrattamento meccanico sulla qualità di residui di potatura di nocciolo ed olivo sulla biodegradabilità anaerobica. I risultati mostrano che i fondi di caffè sono eccellenti come biomassa, con ottimi valori in termini di potere calorifico e basso contenuto di ceneri, la produzione di pellet di caffè al 98% suggerisce che sono altamente adatti per l'uso in sistemi di conversione termica. L’impatto ambientale maggiore è dato dal processo di pellettizzazione ad eccezione della formazione di ozono e l'ecotossicità terrestre, che è influenzata principalmente dal processo di trasporto nella fase di raccolta dei fondi di caffè. I vantaggi ambientali della pellettizzazione i fondi di caffè sono la mitigazione del cambiamento climatico, e alla riduzione dell'eutrofizzazione dell'acqua dolce. Tra le tipologie di conversione della biomassa, la produzione di biodiesel è risultata la peggiore, mentre la produzione di pellet e il bio-olio dimostrano i profili ambientali più favorevoli. Attraverso l'analisi della composizione ed energetica dei fondi di caffè, è stato possibile fissare modelli lineari in grado di collegare la composizione elementare alla resa energetica della biomassa. I fondi di caffè hanno mostrato un HHV superiore a qualsiasi altra pianta legnosa ed erbacea, manifestando un grande potenziale dal punto di vista energetico. Nel processo meccanico, i prodotti più grossolani ottenuti dai residui di potatura, si distinguono per l'elevata riduzione del contenuto di ceneri e di azoto. I prodotti migliori della lavorazione sono stati sottoposti a digestione anaerobica. Il prodotto più fine dalla lavorazione delle nocciole ha raggiunto una resa in metano maggiore del 70,1% rispetto al substrato non trattato, mentre l'analogo della lavorazione delle potature dell’olivo ha raggiunto una resa in metano di circa +93,5% rispetto alla materia prima non trattata. In conclusione, i risultati indicano che i fondi di caffè sono un eccellente candidato per l'uso in sistemi di conversione energetica; inoltre, il processo meccanico studiato potrebbe essere utilizzato con successo per migliorare la qualità delle potature di olivo e nocciolo e stabilire nuovi mercati.
Description: Dottorato di ricerca in Engineering for energy and environment2022-01-26T00:00:00ZTechnical and operational aspects of urban forestry management and operator safety for exposure to noise, vibrations and dustBiocca, Marcellohttp://hdl.handle.net/2067/512152024-03-14T15:25:23Z2022-02-15T00:00:00ZTitle: Technical and operational aspects of urban forestry management and operator safety for exposure to noise, vibrations and dust
Authors: Biocca, Marcello
Abstract: This research includes two main lines of investigation: the first line concerns technical
and operational aspects of the care and maintenance of the urban trees; the second part
investigates the safety of operators with respect to exposure to physical agents (noise, vibrations
and dust) during the employment of equipment for trees’ pruning and felling.
During the study, 33 yards operating in urban areas with different degrees of
mechanization and relating to felling and pruning operations, were examined. The works,
carried out both with aerial lifts and in tree-climbing, were studied by measuring the working
times of the individual operations and the operating performance of the machines, using
centesimal stopwatches and video footage. The analysis of the work times revealed some
peculiar technical characteristics of the management of urban trees. In general, the
organization of each site (i.e. the succession of work phases and the use of equipment) in the
studied yards was quite similar, allowing to use the same method for data collection. However,
a high degree of variability between yards was observed in terms of total work time, and the
associated factors were highlighted. The obtained data are suitable for modelling, through
multiple linear regressions, the total time and the cost per tree, using independent regressors
which can be identified before the work execution. The work time analysis also identified
weaknesses in operations and helped studying the work from a safety perspective. For these
aspects, light chainsaws have been tested, both electric powered by batteries and with internal
combustion engine. The tests detected (1) the concentration of dust during the cutting work
using air samplers with filter membranes; (2) the level of vibrations by acquiring acceleration
values at the hand-arm level; (3) the sound pressure levels. The electrical equipment emitted
lower levels of noise and vibrations, while no difference was found in the release of wood dust.
In addition, electrical equipment were preferred for ergonomic reasons, especially in treeclimbing
work. However, electrical equipment also showed levels of noise and vibration
emissions which must be considered in the calculation of the risk from occupational diseases.
A particularly high level of vibrations at the shaft level was detected in the pole chainsaws. In
the annexes to this volume, scientific papers published during the research, are enclosed.; La ricerca si colloca nell’ambito della gestione del verde urbano arboreo, con riferimento
ad alcuni ambiti specialistici dell’ingegneria agraria e forestale. Essa si è articolata in due
principali filoni di indagine: (1) gli aspetti tecnici ed operativi delle operazioni di cura e
mantenimento del patrimonio arboreo; (2) la sicurezza degli operatori rispetto all’esposizione
di agenti fisici, quali rumore, vibrazioni e polveri. Durante lo studio, sono stati esaminati 33
cantieri di lavoro a diverso grado di meccanizzazione operanti in ambito urbano, relativi ad
operazioni di abbattimento e potatura. I lavori, condotti sia con piattaforme di lavoro
elevabili (PLE) sia in tree-climbing, sono stati studiati attraverso la rilevazione dei tempi di
lavoro delle singole operazioni e delle prestazioni operative delle macchine, tramite tabelle
cronometriche e riprese video. L'analisi dei tempi di lavoro ha rivelato alcune peculiari
caratteristiche tecniche della gestione degli alberi urbani. In generale, l'organizzazione di
ciascun cantiere (ovvero la successione delle fasi di lavoro e l'utilizzo delle attrezzature) nei
cantieri studiati è stata abbastanza simile, consentendo di utilizzare lo stesso metodo per la
raccolta dei dati. Tuttavia, è stato osservato un alto grado di variabilità tra i cantieri in
termini di tempo totale e ne sono stati messi in rilievo i fattori associati. I dati ottenuti sono
adatti a realizzare modelli previsionali, basati sull’analisi di regressione lineare multipla,
relativamente al tempo totale e al costo per albero. L'analisi dei tempi di lavoro ha anche
permesso di individuare punti di debolezza nelle operazioni e ha contribuito a studiare il
lavoro dal punto di vista della sicurezza. Per tali aspetti, sono state testate delle motoseghe
leggere, sia elettriche alimentate a batteria sia con motore endotermico. I test hanno rilevato
(1) la concentrazione delle polveri durante il lavoro di taglio mediante campionatori d’aria a
membrane filtranti; (2) il livello delle vibrazioni tramite acquisizione dei valori di
accelerazione a livello mano-braccio; (3) i livelli di pressione sonora. Le apparecchiature
elettriche sono in grado di emettere livelli minori di rumore e vibrazioni, mentre nessuna
differenza è stata individuata nel rilascio di polvere di legno. Inoltre, le apparecchiature
elettriche sono preferite per motivi ergonomici, soprattutto nei lavori svolti in tree-climbing.
Tuttavia, anche le apparecchiature elettriche hanno mostrato livelli di emissioni di rumore e
vibrazioni che devono essere considerati nel calcolo del rischio da malattie professionali. Nelle
motoseghe ad asta (sramatori) è stato rilevato un livello di vibrazioni particolarmente elevato
a livello dell’asta. Al presente volume sono allegati i lavori scientifici pubblicati a stampa
durante lo svolgimento delle ricerche.
Description: Dottorato di ricerca in Engineering for energy and environment2022-02-15T00:00:00ZSviluppo di una innovativa strumentazione integrata per misure di impedenza ad alta sensibilità su nanosample - Spettroscopia di Bio-ImpedenzaBonuglia, Valerianohttp://hdl.handle.net/2067/512142024-03-14T15:23:32Z2022-10-27T00:00:00ZTitle: Sviluppo di una innovativa strumentazione integrata per misure di impedenza ad alta sensibilità su nanosample - Spettroscopia di Bio-Impedenza
Authors: Bonuglia, Valeriano
Abstract: Il presente lavoro di ricerca si propone di esplorare in modo approfondito
l’idea di Progetto NANO-S che ha dato vita allo sviluppo di una innovativa
strumentazione integrata per misure di impedenza ad alta sensibilità su
nano-sample, nascente anche dai rilevanti progressi in termini di
miniaturizzazione, resi possibili dalla tecnologia dei circuiti integrati, che
permettono di implementare sofisticati sistemi di misura su chip che sono
in grado di realizzare, in un componente di pochi millimetri, la maggior
parte delle funzioni disponibili con gli strumenti standard realizzati a
componenti discreti. Questo progetto rappresenta una sfida relativa alle misurazioni di impedenza su scala nanometrica e porterà alla nascita di una nuova gamma di applicazioni. Dunque, la tecnica di misurazione che verrà discussa in questa dissertazione, se adattata al micro e nano-scala, potrà fornire nuovi strumenti per le applicazioni industriali e per le ricerche sempre crescenti in molti campi di studio emergenti, come la scienza dei materiali e le applicazioni biomediche, della bioingegneria, microfonica ed energetiche.
Lo scopo di questo progetto di ricerca è di aiutare a colmare il divario tra la ricerca e l’applicazione clinica. Ciò viene realizzato progettando e descrivendo una gamma di tecnologie di bio-sensori per la rilevazione e la diagnostica delle malattie Genetiche ed Epigenetiche con la speranza di facilitare l’integrazione delle tecnologie di bio-sensori nella pratica clinica di queste patologie. Dunque un sistema capace di esplicare una rilevazione robusta, affidabile e quantitativa di biomarcatori a bassissima concentrazione è di grande importanza in ambito clinico.
L’impiego delle tecniche della spettroscopia di impedenza elettrica (EIS) nelle applicazioni biologiche e mediche, portano alla definizione di nuovi aspetti teorici e sperimentali che si traducono in nozioni essenziali per gli studi biologici, come l’interazione degli elettrodi metallici con la materia e i liquidi biologici, le strategie per aumentare l’impedenza elettrica, le strategie per aumentare la velocità di misura e la riduzione del rumore negli esperimenti di bio-EIS, ecc. Diversi esempi di successo di implementazioni pratiche di bio-EIS nella scienza e nella tecnologia come in quella del neonato BioFEVI sviluppato in questi tre anni di ricerca si traducono nel monitoraggio della salute dell’intero corpo e nella cura delle patologie visive mediante l’utilizzo di sensori, alle piattaforme per l’esame di singole cellule viventi e alla ricerca sulle malattie virali. Grazie al lavoro di questa ricerca nel campo della bio-EIS tutto questo ad oggi è reso possibile ma molto altro dovrà essere fatto. BioFEVI, un progetto sperimentale obsidiano di ingegneria biomedica per la rigenerazione anatomica e funzionale delle cellule uditive, in grado di fornire una valutazione dell’espressione e/o identificazione virale nelle ipoacusie neurosensoriali improvvise o in quelle patologie oncologiche inerenti al distretto testa-collo, è inoltre possibile valutare nel tempo l’espressione di determinate citochine o la variazione dell’alterazione tissutale dovuta a meccanismi infiammatori. BioFEVI Genomic project è una tecnologia di biosensing genomica e proteomica.; The present research work aims to explore in depth the idea of Project NANO-S that gave rise to the development of an innovative integrated instrumentation for high-sensitivity impedance measurements on nanosamples, arising in part from the significant advances in miniaturization made possible by integrated circuit technology, which make it possible to implement sophisticated on-chip measurement systems that are capable of realizing, in a component of a few millimeters, most of the functions available with standard instruments made from discrete components. This project represents a challenge related to impedance measurements at the nanoscale and will lead to the emergence of a new range of applications. So, the measurement technique that will be discussed in this dissertation, if adapted to the micro- and nano-scale, may provide new tools for industrial applications and ever-growing research in many emerging fields of study, such as materials science and biomedical, bioengineering, microphonic and energy applications.
The purpose of this research project is to help bridge the gap between research and clinical application. This is accomplished by designing and describing a range of bio-sensor technologies for the detection and diagnostics of Genetic and Epigenetic diseases with the hope of facilitating the integration of bio-sensor technologies into the clinical practice of these diseases. So a system capable of explicating robust, reliable, and quantitative detection of ultra-low concentration biomarkers is of great importance in the clinical setting.
The use of electrical impedance spectroscopy (EIS) techniques in biological and medical applications lead to the definition of new theoretical and experimental aspects that result in essential notions for biological studies, such as the interaction of metal electrodes with biological matter and fluids, strategies to increase electrical impedance, strategies to increase measurement speed and noise reduction in bio-EIS experiments, etc. Several successful examples of practical implementations of bio-EIS in science and technology such as that of the fledgling BioFEVI developed in these three years of research translate to whole-body health monitoring and treatment of visual diseases using sensors, to platforms for examining single living cells, and to research on viral diseases. Thanks to the work of this research in bio-EIS all this to date is made possible but much more will have to be done.
BioFEVI, an obsidian experimental biomedical engineering project for anatomical and functional regeneration of auditory cells, can provide assessment of viral expression and/or identification in sudden sensorineural hearing loss or in those oncological diseases inherent to the head and neck region, it is also possible to assess over time the expression of certain cytokines or the change in tissue alteration due to inflammatory mechanisms. BioFEVI Genomic project is a genomic and proteomic biosensing technology.
Description: Dottorato di ricerca in Engineering for energy and environment2022-10-27T00:00:00ZTecnologie innovative per le colture in ambiente protettoFedrizzi, Marcohttp://hdl.handle.net/2067/512132024-03-14T15:15:17Z2022-01-26T00:00:00ZTitle: Tecnologie innovative per le colture in ambiente protetto
Authors: Fedrizzi, Marco
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.
Description: Dottorato di ricerca in Engineering for energy and environment2022-01-26T00:00:00Z