POLITesi - Archivio digitale delle tesi di laurea e di dottorato (Politecnico di Milano)
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Software architecture for high throughput TCSPC multichannel system: reaching 2.56 Gbps in time-tagging mode measurements
Get PDFLAUREA MAGISTRALEL’acquisizione di dati tramite rivelatori a singolo fotone sta rivoluzionando la sensoristica e l'imaging quantistico, permettendo di ottenere informazioni con elevata risoluzione spaziale e temporale anche in condizioni di segnale luminoso estremamente debole. L'impiego di metodologie quantistiche consente di ottimizzare l'uso della statistica associata ai singoli fotoni per ridurre i tempi di acquisizione e migliorare la qualità dell'informazione ottenuta. Tutto ciò trova particolare impiego in applicazioni di tipo life-science (tecniche di analisi biomedica e diagnostica genetica micro e nano analitica) e nell'acquisizione di immagini e video ad elevatissima sensibilità e velocità, adoperate per la spettroscopia bidimensionale 2D e per la mappatura tridimensionale 3D di oggetti e scene mediante il tempo di volo dei singoli fotoni.
In questo contesto si inserisce la collaborazione scientifica tra il Politecnico di Milano, il Politecnico di Bari e l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI), ed all'interno di questa cornice tecnologica, il presente lavoro di tesi si concentra sullo sviluppo di un software avanzato per la gestione dei dati acquisiti da un sistema elettronico a 64 canali. L'obiettivo principale è sfruttare interamente la larghezza di banda della USB 3.0 Superspeed per implementare la tecnica del time-tagging nel contesto del Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC). Attraverso un'architettura software organizzata in classi, il programma offrirà un'interfaccia flessibile per la configurazione dei dati ricevuti, permettendo di alternare la modalità “istogramma” per la visualizzazione di garfici in tempo reale e la modalità “time-tagging” per l'analisi dettagliata del tempo di arrivo di ogni fotone.
Al fine di stare al passo con la continua evoluzione della ricerca, oltre all’ottimizzazione delle prestazioni di acquisizione, il software introdurrà un paradigma di programmazione più efficiente rispetto ai sistemi attuali, col proposito di ottimizzare il metodo di scrittura di codice in uso da decenni. L’adozione della programmazione orientata agli oggetti migliorerà la modularità, la scalabilità e la manutenibilità del codice, facilitando eventuali estensioni future del sistema e garantendo una maggiore efficienza nella gestione dei dati acquisiti.Data acquisition through Single Photon Avalanche Diode (SPAD) detectors is radically changing sensors and quantum imaging, allowing information with high spatial and temporal resolution to be obtained even in extremely weak light signal conditions. The use of quantum methodologies allows researchers to optimize the use of the statistics associated with individual photons to reduce acquisition times and improve the quality of the information obtained. All this finds particular use in life-science applications (biomedical analysis techniques and micro and nano analytical genetic diagnostics) and in the acquisition of images and videos at very high sensitivity and speed, used for two-dimensional spectroscopy and for three-dimensional mapping of objects and scenes using the time of flight of individual photons.
The scientific collaboration between Politecnico di Milano, Politecnico di Bari and Agenzia Spaziale Italiana (ASI) fits into this context. Within this technological framework, this thesis work focuses on the development of advanced software for the management of data acquired by a 64-channel electronic system. The main objective is to fully exploit the bandwidth of USB 3.0 Superspeed to implement the time-tagging technique in the context of Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC). Through a software architecture organized into classes, the program will offer a flexible interface for configuring the data received, allowing the user to alternate between the "histogram" mode for real-time graphical visualization and the "time-tagging" mode for detailed analysis of the arrival time of each photon.
In order to keep up with the continuous evolution of research, in addition to optimizing acquisition performance, the software will introduce a more efficient programming paradigm compared to the current system adopted in the laboratory, with the aim of optimizing the code writing method in use for decades. The adoption of object-oriented parallel programming will improve the modularity, scalability and maintainability of the code, facilitating any future extensions of the system and ensuring greater efficiency in the management of the acquired data
Ground resonance sensitivity study for unconventional damper configurations
Get PDFLAUREA MAGISTRALELa presente tesi analizza il concetto innovativo della configurazione Inter-2-Blade (I2B) per gli smorzatori di ritardo nei rotori di elicottero. Al fine di ottenere modelli comparabili con la configurazione convenzionale Inter-Blade (IB), vengono applicati l’analisi di sensibilità degli autovalori e i metodi di continuazione alle equazioni della risonanza al suolo.
Viene dapprima presentata la derivazione formale del metodo di sensibilità, applicata successivamente al problema di Hammond, dimostrando la capacità della metodologia di guidare le modifiche geometriche nella configurazione I2B. L’adattamento delle caratteristiche geometriche dello smorzatore consente di migliorare la stabilità del sistema, aumentare lo smorzamento nei modi critici e attenuare comportamenti precedentemente non smorzati.
Viene quindi proposto un modello generale per il sistema accoppiato rotore-fusoliera, indipendente dall’architettura dello smorzatore e dalle ipotesi cinematiche adottate. All’in\-terno di tale framework sono sviluppati due modelli dettagliati: uno rappresentativo di un elicottero moderno con configurazione IB e uno con configurazione I2B. Regolando i coefficienti di rigidezza e smorzamento tramite l’approccio di sensibilità, si ottiene un modello I2B con migliorato smorzamento sul modo collettivo.
Infine, le configurazioni analizzate sono implementate in MASST, un software industriale per la simulazione di sistemi dinamici complessi, consentendo il confronto tra i risultati.
Il lavoro rappresenta un avanzamento nello studio di questa nuova architettura di smorzatori, sfruttando l’analisi di sensibilità degli autovalori per ottenere modelli equivalenti per la configurazione I2B rispetto a quella convenzionale IB, mediante modelli cinematici più dettagliati e realistici.This thesis further explores and investigates the innovative concept of the Inter-2-Blade (I2B) lead-lag damper arrangement for helicopter rotors. In order to obtain a model comparable to the conventional Inter-Blade (IB) configuration, I2B models are derived by exploiting eigenvalue sensitivity analysis and continuation methods applied to the ground resonance equations.
The work first presents a formal derivation of the sensitivity method applied to the ground resonance problem. This methodology is then applied to the so-called Hammond problem, demonstrating its capability to guide modifications of the geometry in the I2B configuration. By adjusting the geometrical characteristics of the damper, the method provides valuable insights to enhance system stability, introduce additional damping in critical modes, and mitigate previously undamped behaviors.
Subsequently, a general modeling framework is proposed, capable of assembling the coupled rotor-airframe system independently of the specific damper architecture or kinematic assumptions. Within this framework, two detailed kinematic models are developed: one representative of a modern medium-weight helicopter with the IB configuration, and the other adopting the I2B configuration. By applying the sensitivity-based approach, equivalent models are obtained by tuning the damper stiffness and damping coefficients, yielding an I2B model with improved damping characteristics on collective mode.
Finally, the damper configurations studied are implemented in MASST, an industrial-grade tool designed to simulate complex dynamic systems, where a comparison between the obtained results is performed.
This work represents a step forward in the study of this novel damper architecture, exploiting eigenvalue sensitivity analysis to derive comparable models for the I2B configuration with respect to the conventional IB configuration, while employing more detailed and realistic kinematic representations
Conceptual design of semi automated system for reuse of carbon prepreg offcuts
No full textLAUREA MAGISTRALEQuesta tesi presenta un metodo innovativo per il riciclo e il riutilizzo degli scarti di preimpregnato in fibra di carbonio non polimerizzato, attraverso lo sviluppo di un sistema modulare basato su patch per la raccolta e il reimpiego del materiale. Nella produzione tradizionale di materiali compositi, grandi quantità di preimpregnato non polimerizzato vengono scartate a causa di inefficienze geometriche nel taglio dei fogli. Questo lavoro propone un processo per recuperare materiale utilizzabile da questi scarti sotto forma di patch standardizzate, che vengono poi immagazzinate e riassemblate in laminati riciclati funzionali.
Elemento centrale di questo approccio è la progettazione e l'integrazione di due sottosistemi meccanici fondamentali: una testa a vuoto in grado di estrarre e posizionare con precisione le patch, e un sistema di raccolta che mantiene l'allineamento geometrico e rotazionale di ciascuna patch durante tutto il processo. La testa a vuoto è dotata di controllo multi-ugello e di un'elevata precisione di posizionamento, compatibile con i tagliatori di fogli esistenti, mentre il sistema di raccolta utilizza una piattaforma a traslazione verticale, aste di allineamento e un'architettura di stoccaggio modulare. Una volta raccolto un numero sufficiente di patch, queste vengono reintegrate nel processo utilizzando la stessa infrastruttura, permettendo la ricostruzione automatizzata di fogli compositi con orientamento delle fibre e ordine di stratificazione conservati.
Il flusso di lavoro a ciclo chiuso risultante offre un’alternativa scalabile e a basso impatto ambientale allo smaltimento tradizionale del preimpregnato, con potenziale per un significativo recupero di materiale e un miglioramento della sostenibilità nella produzione di compositi. Il sistema è progettato per essere compatibile con ambienti di produzione automatizzati, e pone l’accento su modularità, tracciabilità e riduzione dell’intervento dell’operatore.This thesis presents a novel method for the recycling and reuse of uncured carbon fiber prepreg offcuts through the development of a modular patch-based collection and redeployment system. In traditional composite manufacturing, significant quantities of uncured prepreg are discarded due to geometric inefficiencies in ply cutting. This work proposes a process for harvesting usable material from these offcuts in the form of standardized patches, which are then stored and reassembled into functional recycled laminates.
Central to this approach is the design and integration of two critical mechanical subsystems: a vacuum head capable of precise patch extraction and placement, and a collection system that maintains geometric and rotational alignment of each patch throughout the process. The vacuum head features multi-nozzle control and positional accuracy compatible with existing ply cutters, while the collection system employs a vertically translating platform, alignment rods, and a modular storage architecture. Once enough patches have been collected, they are reintroduced into the process using the same infrastructure, enabling automated reconstruction of composite sheets with preserved fiber orientation and stacking order.
The resulting closed-loop workflow offers a scalable, low-waste alternative to traditional prepreg disposal, with potential for significant material recovery and improved sustainability in composite fabrication. The system is designed for compatibility with automated manufacturing environments, and emphasizes modularity, traceability, and minimal operator intervention
Development and implementation of CCXpert: a techno-economic tool for carbon capture, storage and CO2 transportation assesment
No full textLAUREA MAGISTRALEQuesta tesi presenta lo sviluppo e l’implementazione di nuovi moduli funzionali all’interno
di CCXpert, uno strumento software basato su Excel sviluppato da Wood PLC per
supportare la valutazione tecnico-economica dei sistemi di Carbon Capture and Storage
(CCS). L’obiettivo dello strumento è fornire ai clienti un ambiente flessibile per l’analisi
preliminare della progettazione e dei costi di interi processi CCS.
Sono stati realizzati tre principali compiti di sviluppo: la creazione di un modulo com-
parativo per il trasporto tramite nave (Shipping) e pipeline, l’integrazione di una libreria
estesa per i fattori di emissione di CO2 (Scope 2) specifici per localizzazione e fabbisogno
termico, e lo sviluppo di un nuovo modulo di trasporto Batch per la logistica via camion
e treno. Ogni task è stato implementato garantendo piena interoperabilità con il frame-
work validato preesistente e mantenendo coerenza in termini di struttura e logica. Dove
possibile, sono state incluse routine automatizzate per analisi di sensitività, e i risultati
sono stati testati o validati rispetto a dati esterni (Sviluppi 1 & 2).
Questo lavoro contribuisce a migliorare l’accuratezza, l’usabilità e la completezza dello
strumento, gettando le basi per futuri sviluppi e per l’integrazione nella futura interfaccia
aziendale basata su Python.This thesis presents the development and implementation of new functional modules
within CCXpert, an Excel-based software tool designed by Wood PLC to support techno-
economic assessments of Carbon Capture and Storage (CCS) systems. The tool aims to
provide clients with a flexible environment for early-stage design and cost evaluation of
complete CCS process trains.
Three main development tasks were carried out: the creation of a comparative module for
Shipping vs Pipeline transport, the integration of an extended library for location-specific
and heat requirements-based CO2 emission factors (Scope 2), and the development of
a new Batch Transport module covering truck and rail logistics. Each task was imple-
mented while preserving full interoperability with the existing validated framework and
maintaining consistency in structure and logic. Where possible, automated routines for
sensitivity analysis were included, and results were tested or validated against external
data Task 1 & 2).
This work contributes to enhancing the tool’s accuracy, usability, and completeness, and
lays the groundwork for future expansions and integration within the company’s Python-
based interface
Apocalypto : eco della pietra che rivela l'architettura delle cave di Gallipoli
No full textLAUREA MAGISTRALEQuesta tesi nasce come un viaggio intimo tra le pieghe di Gallipoli, città che ha cullato i miei ricordi d’infanzia come fa il mare con la riva nei pomeriggi d’estate. Vivo, mutevole, mai del tutto afferrabile.
Gallipoli non è solo il luogo dove si intrecciano mare e pietra, storia e stagione; è anche il punto in cui si incontrano sogni interrotti e desideri di ritorno. È una città che si sfalda e si ricompone ad ogni sguardo, specchio fedele per chi parte e bussola emotiva per chi torna.
Il progetto si radica in questa visione affettiva e allo stesso tempo critica della città. La scelta di quest’area deriva dall’intento di rivelare i luoghi marginali e silenziosi, un tempo grembo di fatica e materia. Oggi, quelle ferite nel terreno sono come pause sospese nel tessuto urbano, spazi che chiedono di essere ascoltati più che semplicemente riempiti.
Si immagina per questi spazi una nuova vita: una trasformazione che valorizza, capace di restituire alla città luoghi di cultura, dialogo e condivisione del valore estetico e identitario. L’approccio progettuale è guidato da una visione sostenibile e integrata, che tiene conto delle caratteristiche ambientali, della memoria dei luoghi e delle esigenze contemporanee.
La sfida è stata quella di coniugare materiali e tecniche tradizionali con un linguaggio architettonico attuale, capace di dialogare con il contesto senza snaturarlo. Le cave diventano così un nodo simbolico e funzionale di una nuova narrazione urbana, in cui il passato non è cancellato ma trasformato in risorsa per il presente.
In definitiva, questa tesi si propone come una riflessione progettuale che va oltre la dimensione tecnica: un tentativo di ricucire il legame tra territorio e comunità, tra memoria e innovazione, affinché Gallipoli possa riconoscersi in una nuova forma urbana, inclusiva, consapevole e capace di attrarre attraverso la cultura, non solo il turismo.This thesis began as an intimate journey through the folds of Gallipoli, a city that cradled my childhood memories as the sea does the shore on summer afternoons. Alive, changeable, never quite graspable.
Gallipoli is not only the place where sea and stone, history and season intertwine; it is also the point where interrupted dreams and longings for return meet. It is a city that crumbles and reassembles at every glance, a faithful mirror for those who leave and an emotional compass for those who return.
The project is rooted in this affective and at the same time critical vision of the city. The choice of this area derives from the intention to reveal the marginal and silent places, once a womb of toil and matter. Today, those wounds in the ground are like pauses suspended in the urban fabric, spaces that ask to be heard rather than simply filled.
A new life is imagined for these spaces: a transformation that enhances, capable of giving back to the city places of culture, dialogue and sharing of aesthetic and identity value. The design approach is guided by a sustainable and integrated vision, which takes into account environmental characteristics, the memory of the places and contemporary needs.
The challenge was to combine traditional materials and techniques with a contemporary architectural language, capable of dialoguing with the context without distorting it. The quarries thus become a symbolic and functional node of a new urban narrative, in which the past is not erased but transformed into a resource for the present.
Ultimately, this thesis is proposed as a design reflection that goes beyond the technical dimension: an attempt to mend the bond between territory and community, between memory and innovation, so that Gallipoli can recognise itself in a new urban form, inclusive, aware and capable of attracting through culture, not only tourism
Numerical and experimental study of pore-scale physics for underground hydrogen storage
No full textLAUREA MAGISTRALEL’energy mix globale è in continua evoluzione grazie alla persistente innovazione tecnologica, alle azioni politiche, all’ambiente e all’urbanizzazione. L’idrogeno, vettore energetico a zero emissioni, è considerato come un componente fondamentale per la transitione energetica, in quanto può offrire un polmone per le variazioni stagionali delle risorse rinnovabili e sostituire i carburanti fossili nei settori hard-to-abate. Questo studio è stato svolto in collaborazione con Shell S.p.A. e si concentra nello stoccaggio sotterraneo di idrogeno (UHS). L’obiettivo è di colmare le lacune in letteratura relative ai parametri di input necessari per le simulazioni numeriche dei giacimenti sotterranei. Il metodo scelto si basa sull’acquisizione di immagini di esperimenti di imbibizione non stazionaria su un campione di roccia Bentheimer tramite la tomografia micro-computerizzata (micro-CT), con l’obiettivo di cogliere l’interazione bi-fasica tra acqua salina e diversi gas, tra cui idrogeno, metano e aria compressa. Tramite questi dati è possible calcolare numericamente i valori di permeabilità relativa e costruire le relative curve in funzione della saturazione, che risultano essere parametri fondamentali nelle applicazioni di UHS. La procedura numerica è stata applicata solo su specifiche regioni parziali del campione di roccia, diversamente dall’approccio standard che prevede la misurazione della differenza di pressione sul campione intero. Questa metodologia consente di superare le limitazioni dovute alla disconnessione dei cluster di gas durante l’esperimento e che quindi non percolano tra inlet e outlet. Inoltre, le diverse sezioni considerate sono caratterizzate da saturazioni diverse, con l’ottenimento di un numero maggiore di datapoint, che contribuiscono alla attendibilità del modello e consentono di esaminare un maggiore intervallo di valori di saturazione dinamica. Per concludere, la relazione tra permeabilità relativa e saturazione è stata parametrizzata seguendo una modifica al modello di Corey e considerando l’incertezza delle misurazioni. La validazione del protocollo è stata effettuata tramite il confronto tra i due esperimenti con l’idrogeno prima di proseguire con il confronto tra i diversi gas, che sembrano presentare comportamenti simili.The global energy mix is changing rapidly due to technological innovation, political intervention, environment and urbanization. Hydrogen is expected to be a relevant component in the energy mix as it could act as a carbon-neutral energy carrier, enabling back up energy storage capacity for intermittency and seasonal variations. This project has been carried out in collaboration with Shell S.p.A. and focuses on subsurface (geological) storage of hydrogen. The aim is to assess the uncertainties and fill the knowledge gaps related to the necessary input parameters for Underground Hydrogen Storage (UHS) reservoir simulations. The chosen approach is based on micro-CT imaging of un-steady state experimental protocol performed on a Bentheimer sandstone sample. The objective is to capture the two-phase physical interactions of brine with several gases, such as hydrogen, methane and compressed air, to explore potential behavioural differences. Using these data, it was possible to numerically derive the relative permeability values and build the relative permeability-saturation curves, a key parameter for UHS applications. The relative permeability computations were performed on selected sub-regions of the rock, differently from the standard experimental measurements that require to measure a pressure drop over the whole sample. This approach addresses the issue that occurs when the gas clusters disconnect throughout the experiment, and thus not percolate from inlet to outlet. Additionally, the various sections along the sample were each characterized by their own wetting phase saturation value. This led to more data points, which increased the reliability of the curves and allowed us to assess a larger dynamic saturation range. Finally, the relative permeability – saturation relationship was parametrized with a Corey-like function and the respective uncertainty ranges. Proof of concept was provided by comparing the two hydrogen repeat experiments before proceeding with the comparison between the different gases, which seem to be showing similar trends
Control of magnetism in crystalline Yttrium Iron Garnet films via direct laser nanoengineering
Get PDFLAUREA MAGISTRALEIl controllo diretto delle onde di spin è un elemento centrale nell’ambito del calcolo basato
su magnoni. L' Yttrium Iron Garnet (YIG) ha suscitato un ampio interesse nel campo
della magnonica, grazie al suo basso damping magnetico, che lo rende una piattaforma
ideale per la propagazione coerente delle onde di spin. Di conseguenza, è fondamentale
ottenere modifiche delle sue proprietà magnetiche in maniera altamente controllata, lo-
calizzata e stabile per una manipolazione efficace delle onde di spin. Tuttavia, i metodi
tradizionali volti a questo scopo non sono particolarmente compatibili con questo ma-
teriale, non riuscendo a preservare le sue eccezionali proprietà. In questo lavoro di tesi
vengono quindi proposti due metodi alternativi per la nanostrutturazioe magnetica di
campioni di YIG monocristallino, con elevata risoluzione spaziale. Innanzitutto, un laser
UV a onda continua viene impiegato per indurre effetti magnetici permanenti in geometrie
definite, quando focalizzato su un film sottile da 100, nm, ottenendo modulazioni bidi-
mensionali delle proprietà magnetiche che non sarebbero mai osservabili altrimenti. In
seguito, la possibilità di patterning tridimensionale è stata dimostrata sperimentalmente
per la prima volta su due campioni più spessi (3, μm e 5, μm di spessore), sfruttando un
laser a femtosecondi nell’infrarosso. Quest’ultimo confina l’assorbimento non lineare in
regioni limitate quando il fascio è focalizzato all’interno del volume di questi film. Per
indagare l’impatto di queste tecniche di scrittura laser, sono stati utilizzati diversi metodi
per caratterizzare sia le regioni non scritte che quelle modificate, tra cui magnetometria
a campione vibrante, microscopia Kerr e microscopia a forza magnetica/atomica. Queste
tecniche di scrittura laser non distruttive e a singolo passaggio offrono un alto grado di
versatilità per la modulazione locale della fase magnetica delle nanostrutture di YIG e rap-
presentano un approccio promettente verso lo sviluppo di dispositivi magnonici scalabili
e ad alta efficienza energetica.The direct control of spin waves lies at the core of magnon-based computing. Yttrium Iron
Garnet (YIG) has gained widespread interest in the field of magnonics, given its strikingly
low magnetic damping that makes it an ideal platform for the coherent propagation of
spin waves. Consequently, it is crucial to achieve highly controlled, localized and stable
modulations of its magnetic properties for effective spin-wave manipulation. Some chal-
lenges have been encountered by conventional methods aiming to do so, failing to preserve
the exceptional properties of YIG. Here, we propose two alternative methods for nanopat-
terning single-crystal YIG samples with high spatial resolution. First, a continuous wave
UV laser is employed to induce permanent magnetic effects in patterned geometries when
focused on a 100 nm thin film, achieving two-dimensional modulations of the magnetic
properties that would never be observed by any other means. Secondly, innovative three
dimensional patterning capabilities have been experimentally demonstrated on two thicker
samples (3 μm and 5 μm thick) employing an IR femtosecond laser, inducing confined non-
linear phenomena in limited regions when tightly focused into the volume of these films.
To investigate the impact of these laser-based techniques, multiple techniques have been
employed to characterize both pristine and patterned regions, including Vibrating Sample
Magnetometry, Kerr microscopy, and Magnetic/Atomic Force Microscopy. These single-
step non-destructive laser writing techniques offer a high degree of versatility for locally
tuning the magnetism of YIG nanostructures and provide promising avenue towards the
development of energy-efficient and scalable magnonic devices
MODELLING THE BUILDINGS ENERGY NEED IN THE NATIONAL ENERGY SYSTEM SIMULATION: A DETAILED SPATIO-TEMPORAL APPROACH
No full textDOTTORATOLa sfida della decarbonizzazione della domanda di calore richiede un'analisi di fattibilità completa da una prospettiva del sistema energetico. Questo studio valuta come la decarbonizzazione del settore edilizio (residenziale e terziario) possa influenzare il sistema energetico nazionale per il caso studio Italiano. La metodologia adottata si articola in quattro fasi principali: (i) stima della domanda di calore, (ii) definizione del mix tecnologico, (iii) simulazione dei profili di consumo orari e (iv) analisi del sistema energetico. La domanda annua di calore viene distribuita a livello di sezione di censimento, considerando le caratteristiche degli edifici, come l'aggregazione, l’epoca e il clima. I valori risultanti vengono inseriti in un modello di ottimizzazione che definisce il mix tecnologico ottimale per la decarbonizzazione del settore civile entro il 2050, minimizzando il costo totale del sistema. Il modello ha un’elevata risoluzione geografica e simula la diffusione delle tecnologie (come pompe di calore, teleriscaldamento, ecc.) e delle opzioni di riqualificazione energetica (come l'isolamento degli edifici) sotto diversi vincoli, tra cui la disponibilità di risorse e i limiti di emissioni. I profili orari sono generati considerando l’uso degli edifici e dei sistemi termici e la temperatura esterna. Per le tecnologie on/off viene applicato un modello di regressione, mentre per quelle a funzionamento continuo si utilizza il metodo dei bin. Infine, il modello esistente NEMeSI viene impiegato per simulare il sistema energetico nazionale, con un dettaglio regionale. I risultati mostrano che il raggiungimento della decarbonizzazione dipende principalmente dall’adozione di pompe di calore elettriche (autonome e accoppiate con sistemi a gas), dal teleriscaldamento e dalla riqualificazione edilizia, quest’ultima rappresentando metà dei costi per il settore del calore. Le pompe di calore aria-aria giocano un ruolo significativo nella fase di transizione. L’analisi spaziale evidenzia che le caldaie a biomassa e a gas naturale sono più adatte ai climi freddi, mentre le pompe di calore aria-aria possono soddisfare completamente la domanda nei climi caldi. Il carico elettrico aggiuntivo dovuto alle pompe di calore elettriche raggiunge circa 32.7 GW, sebbene il picco complessivo sia previsto in aumento solo del 23% nel sud Italia e dell’8% nel nord Italia. L’aumento della domanda viene soddisfatto attraverso l’espansione del fotovoltaico e delle turbine eoliche, soprattutto nelle regioni meridionali, accoppiato con batterie di accumulo.The challenge of decarbonizing heat demand requires a comprehensive feasibility analysis from an energy system perspective. This research studies how the decarbonization of the heat generation in the building sector (residential and tertiary) may impact the national energy system in the Italian case study. The adopted methodology consists of four main steps: (i) estimation of heat demand, (ii) definition of the technological mix enabling the decarbonization, (iii) simulation of hourly consumption profiles, and (iv) analysis of a whole-energy system model. Annual heat demand is distributed at the census cell level, accounting for building characteristics such as aggregation type, construction age, and climatic conditions. The resulting values are input into an optimization framework designed to define the optimal technological mix to achieve the decarbonization of the building sector by 2050, based on total system cost minimization. The framework has a detailed geographical resolution and simulates the penetration of technologies (e.g. heat pumps, district heating etc.) and refurbishment (e.g. envelope insulation) options under various constraints, including resource availability and emission limits. Hourly profiles are generated considering building usage, the external temperature, and the thermal system characteristics. A regression model is applied for on/off technologies, while the bin method is used for continuous one. Finally, the existing NEMeSI model is used to simulate the operation of the national energy system, with a regional detail on the balance of the power system. The results show that achieving the decarbonization target primarily depends on adopting electric heat pumps (standalone and coupled with gas systems), district heating, and building retrofitting; the latter being responsible for half of the cost for the heat sector. Air-to-air heat pumps play a significant role during the transition phase. Spatial analysis highlights that biomass and natural gas boilers are more suitable for cold climates, while air-to-air heat pumps can fully meet demand in hot climates. The additional power load due to electric heat pumps reaches about 32.7 GW though the overall peak is projected to increase only by around 23% in southern Italy and 8% in northern Italy. The increased demand is satisfied mainly through the expansion of PV and wind turbines, especially in southern regions, coupled with battery storage.DIPARTIMENTO DI ENERGIA37MAZZARELLA, LIVIOCOLOMBO, LUIGI PIETRO MARI
Living learning environments - Guinea Bissau and the revitalization of Amilcar Cabral University
No full textLAUREA MAGISTRALELa tesi di laurea magistrale qui presentata si occupa della “valorizzazione dell’Università Amilcar Cabral e del settore educativo in Guinea Bissau”, con uno sguardo più ampio sul Paese, per cercare di comprenderne l’identità per poter intervenire con coerenza e con la giusta postura in un contesto così lontano e diverso.
È stata condotta, perciò, una indagine sui contesti sociali, politici, geografici, tra gli altri, al fine di stabilire una visione più ampia di questo territorio, tenendo conto dell’incontro di molte culture che oggi, come in passato, lo caratterizza. L’esercizio è stato sviluppato attraverso un metodo analitico, trasformando in mappe le informazioni, spesso disomogenee, contenute nei molti documenti consultati e restituendo in forma presto consultabile e confrontabile i dati, i testi e le immagini satellitari per restituire graficamente l’assetto generale della Guinea Bissau. Specifico ambito di studio è la città Bissau, la capitale della Guinea Bissau, e precisamente il campus universitario Amilcar Cabral, sul quale il presente lavoro opera con azioni di progettazione, sistemazione e valorizzazione. L’università Amilcar Cabral è l’unica università pubblica presente in Guinea Bissau e in essa convergono diverse facoltà e università del Paese. L’area è contenuta nel tessuto urbano e intesse con esso relazioni differenti, di cui il progetto si occupa e che tende a rendere leggibili e differenziate.
Il contatto con il Rettore dell’Università Amilcar Cabral ha evidenziato l’interesse dell’Istituzione per questo esercizio progettuale, introducendo l’intenzione di spostare, in un orizzonte presumibilmente ventennale, il polo universitario in un nuovo ampio sito esterno alla città consolidata, presso un comparto di circa 25 chilometri quadrati a Safim-Nhacra. In attesa della definitiva pianificazione urbana di una ventina di Istituti e Facoltà, con relativi laboratori, servizi, residenze, ospedale, biblioteca etc., questo lavoro si pone l’obiettivo di intervenire sull’attuale assetto distributivo e prestazionale del campus, per integrarvi alcune dotazioni, edifici, percorsi, che possano, almeno per un ventennio, garantire ai giovani studenti e al corpo docente un livello accettabile di fruizione, formazione e residenzialità.The master's degree thesis presented here deals with the "enhancement of the Amilcar Cabral University and the educational sector in Guinea Bissau", with a broader look at the country, to try to understand its identity in order to be able to intervene coherently and with the right posture in such a distant and different context.
A survey was therefore conducted on social, political, geographical contexts, among others, in order to establish a broader vision of this territory, taking into account the encounter of many cultures that today, as in the past, characterizes it. The exercise was developed through an analytical method, transforming the information, often inhomogeneous, contained in the many documents consulted into maps and returning data, texts and satellite images in a form that can be consulted and compared in a way that can be graphically reproduced and compared. The specific field of study is the city of Bissau, the capital of Guinea Bissau, and precisely the Amilcar Cabral university campus, on which the present work operates with design, arrangement and enhancement actions. The Amilcar Cabral University is the only public university in Guinea Bissau and several faculties and universities in the country converge in it. The area is contained in the urban fabric and weaves different relationships with it, which the project deals with and which tends to make legible and differentiated.
The contact with the Rector of the University Amilcar Cabral highlighted the interest of the Institution in this project exercise, introducing the intention to move, in a presumably twenty-year horizon, the university campus to a new large site outside the consolidated city, in a sector of about 25 square kilometers in Safim-Nhacra. While waiting for the final urban planning of about twenty Institutes and Faculties, with their laboratories, services, residences, hospital, library, etc., this work aims to intervene on the current distribution and performance structure of the campus, to integrate some equipment, buildings, paths, which can, at least for twenty years, guarantee young students and teaching staff an acceptable level of use, training and residency
Energy efficiency and carbon savings in building renovation. Balancing emissions savings with embodied carbon in insulating materials
No full textLAUREA MAGISTRALEIl crescente focus sulla sostenibilità ambientale e sulla riduzione delle emissioni di gas serra ha portato a un aumento significativo degli interventi di riqualificazione energetica degli edifici esistenti. Tuttavia, le valutazioni di sostenibilità di questi interventi si concentrano principalmente sui risparmi energetici operativi, trascurando spesso l'impatto ambientale associato ai materiali isolanti utilizzati. Questa tesi esamina il carbonio incorporato dei materiali isolanti comunemente usati nei progetti di riqualificazione energetica per edifici residenziali, al fine di determinare il bilancio netto delle emissioni di CO2.
Utilizzando un approccio di Life Cycle Assessment (LCA), diversi materiali isolanti vengono confrontati sulla base delle loro Dichiarazioni Ambientali di Prodotto (EPD) e delle emissioni di CO2 evitate attraverso il miglioramento dell'efficienza energetica. La ricerca include l'analisi di dieci casi studio, valutando l'efficacia dei materiali isolanti nella riduzione dell'impatto ambientale complessivo.
L'obiettivo è sviluppare un metodo di valutazione che integri i risparmi energetici operativi con l'analisi del carbonio incorporato, identificando scenari ottimali per la selezione dei materiali isolanti. I risultati evidenziano la necessità di un approccio bilanciato, dove la selezione dei materiali considera non solo il miglioramento delle prestazioni energetiche, ma anche le emissioni generate durante l'intero ciclo di vita. In questo contesto, viene applicato il concetto di break-even point per determinare il tempo necessario affinché il beneficio ambientale operativo compensi l'impatto iniziale del materiale isolante scelto.
I risultati di questa ricerca possono supportare lo sviluppo di politiche più efficaci per la riqualificazione energetica sostenibile, promuovendo l'adozione di materiali a basso impatto e contribuendo agli obiettivi di decarbonizzazione del settore edilizio.The increasing focus on environmental sustainability and greenhouse gas emission reduction has led to a significant rise in energy retrofitting interventions for existing buildings. However, sustainability assessments of these interventions primarily focus on operational energy savings, often overlooking the environmental impact associated with the insulating materials used. This thesis examines the embodied carbon of commonly used insulation materials in energy retrofitting projects for residential buildings to determine the net carbon balance of CO2 emissions.
Using a Life Cycle Assessment (LCA) approach, different insulation materials are compared based on their Environmental Product Declarations (EPD) and the CO2 emissions avoided through improved energy efficiency. The research includes the analysis of ten case studies, evaluating the effectiveness of insulation materials in reducing overall environmental impact.
The objective is to develop an assessment method that integrates operational energy savings with embodied carbon analysis, identifying optimal scenarios for insulation material selection. The results highlight the necessity of a balanced approach, where material selection considers not only energy performance improvement but also emissions generated throughout the entire life cycle. In this context, the emission break-even point concept is applied to determine the time required for the operational environmental benefit to offset the initial impact of the chosen insulation material.
The findings of this research can support the development of more effective policies for sustainable energy retrofitting, promoting the adoption of low-impact materials and contributing to the decarbonization goals of the building sector