Transcript Concorso sui progetti di innovazione Fornovo Innovation Award 2010-2011 Scuola: “Gadda” - Fornovo di Taro Classe: Quarta A del liceo biologico Docenti: Michela Chiappa.

Concorso sui progetti di innovazione
Fornovo Innovation Award 2010-2011
Scuola: “Gadda” - Fornovo di Taro
Classe: Quarta A del liceo biologico
Docenti: Michela Chiappa (relazione) e Luciano Quarantelli (sperimentazione)
Tema scelto: Risparmio delle risorse
Progetto: Obiettivo 2 €. Come si può risparmiare verniciando
Progetto
Obiettivo 2 €
Come si può risparmiare energia verniciando
Il titolo del progetto
Abbiamo voluto intitolare il nostro progetto “Obiettivo 2 €. Come si può risparmiare
energia verniciando” per dire subito che vorremmo arrivare a qualcosa di concreto, di
tangibile, proprio come lo sono due monete da 1 euro nella nostra mano.
Nel titolo c’è l’obiettivo del progetto
Vorremmo raggiungere l’obiettivo di fare risparmiare 2 € all’anno sulla bolletta del gas
alle famiglie italiane, iniziando da quelle del nostro territorio, per ogni termosifone (di
normali dimensioni) che si trova nelle loro abitazioni.
In che modo vorremmo raggiungere l’obiettivo
Questo obiettivo può essere raggiunto in vari modi, sia utilizzando la leva del
comportamento virtuoso antispreco sia utilizzando le soluzioni tecnologiche già a
disposizione di tutti.
Noi abbiamo scelto una modalità particolare che ci consente di esplorare
sperimentalmente un campo della fisica non ancora del tutto noto:
LE VERNICI SELETTIVE.
Inoltre, e questo è molto importante, la soluzione che speriamo di poter proporre al
termine delle nostre sperimentazioni dovrebbe essere di BASSO COSTO e
REALIZZABILE DA CHIUNQUE, senza bisogno di tecnici specializzati.
LE VERNICI SELETTIVE
Come si può risparmiare energia verniciando
Per vernice selettiva si intende un trattamento di una
superficie, con l’applicazione di uno o più strati di
materiale che, eventualmente con la cooperazione del
materiale di base, è in grado di avere coefficienti di
emissione - assorbimento utili a fini tecnici.
Il risparmio dell’energia
Il mondo ha “fame di energia” e, purtroppo, la maggior parte dell’energia che utilizziamo
viene da fonti non rinnovabili. Inoltre l’energia costa sempre di più.
Per questi motivi bisogna risparmiare il più possibile energia, anche i piccoli risparmi, se
sono tanti, diventano grandi risparmi come tante piccole gocce d’acqua riempiono un
secchio.
Cosa vogliamo fare
Noi studenti vorremmo dare un piccolo contributo al risparmio energetico, una goccia,
con i nostri studi sperimentali sulle applicazioni delle vernici selettive ai termosifoni
delle nostre case.
La nostra goccia possibile, se ci riusciremo!
2 € X numero medio di termosifoni di un appartamento X numero di appartamenti con
termosifoni in Italia = TOT € all’anno di risparmio in Italia
2,00 € X 6 X 500.000 = 6.000.000, 00 €
Lo stato dell’arte del riscaldamento invernale nelle abitazioni di oggi
In una qualunque stanza della maggior parte delle abitazioni troviamo la seguente
situazione: un termosifone metallico inserito in una nicchia ricavata nel muro sotto
ad una finestra, come mostrato nella figura seguente.
Altre situazioni similari, forse un po’ meno diffuse, vedono:
- un termosifone applicato ad un muro (senza nicchia)
- un termosifone inserito in una nicchia ma non sotto ad una finestra
La situazione” tipo” oggetto della
nostra sperimentazione
INTERNO STANZA
Vista laterale
ESTERNO
Vista frontale
Le superfici per le vernici selettive oggetto della
nostra sperimentazione.
1) Superficie del termosifone, con quattro facce:
anteriore, posteriore, inferiore, superiore
Le superfici per le vernici selettive oggetto
della nostra sperimentazione.
2) Superfici della nicchia in cui è inserito il
termosifone
La fisica del
termosifone
La fisica del termosifone
Come si propaga il calore dal termosifone all'ambiente
Convezione
il calore riscalda l’aria per contatto poi questa risale
per effetto “camino” nei condotti interni sul fronte e sul
retro e si diffonde nell’ambiente.
Irraggiamento
Il calore viene irraggiato direttamente come
radiazione elettromagnetica da tutte le
superfici. Le superfici frontali irraggiano
direttamente l’ambiente mentre le retrostanti
la parete fredda
La fisica del termosifone
Le perdite
Perdita diretta di calore per
conduzione causa lo spessore sottile
della parete retrostante
Perdita per irraggiamento il retro del
termosifone irraggia su una parete
fredda di materiale assorbente questo
calore si può considerare perso.
L’incasso, avvolgendo in parte il
termosifone, riduce la convezione e
l’irraggiamento utile. Questa situazione
provoca un aumento delle temperature
di funzionamento con aumento di
perdite e abbassamento del
rendimento caldaia
La fisica del termosifone
L’IDEA
E' quella di agire sulla modalità di propagazione del calore per
irraggiamento
Fenomeno fisico che dipende dalle proprietà della superficie
dell’oggetto
Superficie facilmente modificabile con un semplice strato di
vernice.
La fisica del termosifone
La situazione attuale secondo la radiazione termica
La fisica del termosifone
Il punto di arrivo
La soluzione individuata è :
Massimizzare l’efficienza di emissione di calore per irraggiamento del termosifone al fine
di aumentare il rendimento della caldaia e dell'impianto.
Rendere il più possibile riflettente nel termico la nicchia per recuperare il più possibile la
parte irraggiata verso la parete, altrimenti persa.
Emissione - assorbimento
delle superfici
Emissione - assorbimento
La nozione comune di superficie bianca è
quella di una superficie che riflette il più
possibile la luce visibile.
La nozione comune di superficie nera è di
una superficie che assorbe il più possibile la
luce visibile
Il trullo ha le pareti bianche
L’asfalto è nero
Il nero assorbe quasi
completante i colori tutti
allo stesso modo
Il bianco li riflette tutti allo
stesso modo
quasi completamente
Emissione - assorbimento
Quindi noi siamo abituati a pensare che una superficie bianca emette luce e che una
superficie nera la assorba
In quale situazione un oggetto emette luce o meglio radiazione elettromagnetica, che
non sia quella riflessa?
La risposta è: quando viene riscaldato
ad una qualunque temperatura.
Ma per vedere un po' di luce rossa
occorre scaldare molto… almeno fino a
500 –600°C.
Per luce bianca bluastra migliaia di gradi
Emissione - assorbimento
Un oggetto a bassa temperatura emette luce???
Si ma è luce che possiamo
vedere solo attraverso
strumenti.
Quindi meglio parlare di
radiazione
elettromagnetica
Lo spettro elettromagnetico
Lo spettro elettromagnetico
Si può pensare alla radiazione
elettromagnetica come ad un’ondina,
un’ondina sinusoidale sull’acqua. I
parametri principali sono due, l’Ampiezza e
la Lunghezza d’onda .
Al variare della Lunghezza d’onda si hanno tutti i “tipi” di radiazione elettromagnetica
le onde radio e variano da infinito fino a 10Cm
Onde radiodiffusione fino a 10metri,
la banda VHF da 10m a 1m usata da TV radio FM,
la banda UHF da 1m a 10 cm usata da TV cellulari, satelliti ,
la banda SHF da 10cm ad 1mm, usata da satelliti e telecomunicazioni.
Da 1mm a 0,7micron c’è l’infrarosso che contiene l’importantissima banda
dell’infrarosso termico, la radiazione emessa dai corpi caldi
Da 0,7 a 0,4 millesimi di millimetro c’è la banda del visibile suddivisa nei tre colori
Rosso, Verde, Blu, radiazione emessa da corpi molto caldi ad es. il Sole
Oltre verso lo zero le banda X e Gamma emessa da atomi e nuclei atomici
Lo spettro elettromagnetico
Le parti dello spettro elettromagnetico importanti per il risparmio energetico sono due:
il visibile, in quanto è la gran parte della radiazione che proviene dal sole
E l'infrarosso termico, che viene emesso dai corpi a temperatura ambiente o poco più.
Non importa se sei bianco o
nero, ma QUANDO sei bianco
e QUANDO sei nero
Non importa se sei bianco o nero, ma QUANDO sei bianco e QUANDO sei nero
Ma fa più luce un oggetto bianco o uno nero riscaldato?
Di getto la risposta è bianco ma la risposta è errata ma anche…la domanda non è
chiara!!!
Aggiustiamo DEFINIZIONI E DOMANDA.
Per dire BIANCO occorre specificare per quale lunghezza d’onda la superficie riflette,
bianco nel Visibile può voler dire NERO nel Termico, un esempio è la pittura murale
che è candida nel visibile ma che nel termico risulta nera.
Ma anche il viceversa, ad esempio la grafite piuttosto nera nel visibile risulta
abbastanza riflettente nel termico.
Non importa se sei bianco o nero, ma QUANDO sei bianco e QUANDO sei nero
Se riscaldata emette più una superficie
bianca nella banda in cui è bianca o una
superficie nera nella banda in cui è nera?
La risposta è che una superficie perfettamente bianca
non emette nulla mentre una superficie perfettamente
nera emette il massimo. Il motivo è che “ciò che
viene assorbito può essere anche emesso”(se si è
nelle giuste condizioni).
Non importa se sei bianco o nero, ma QUANDO sei bianco e QUANDO sei nero
Ma allora perché non vediamo un oggetto nero
più luminoso nel visibile di uno bianco ?
Perché dovremmo scaldarlo alla temperatura
del Sole circa 6000°C, allora si che lo
vedremmo brillare più di uno bianco che si
trova alla stessa temperatura!
A questo punto si dovrebbe aver capito che la
temperatura regola la qualità (lunghezza d’onda) della
luce emessa.
L’emissione di un corpo
caldo
L’emissione di un corpo caldo
Come varia il tipo e la quantità di luce emessa al variare della
temperatura?
Nella seconda metà del 1800 si iniziò a studiare la radiazione elettromagnetica emessa
dai corpi riscaldati. Nel 1900 Plank individuò la legge teorica che descrive l’emissione e
tutti i suoi dettagli, tuttavia leggi descrittive erano già note da tempo.Nel 1879 Stefan
propone la legge che descrive la potenza irraggiata al variare della temperatura
assoluta,
P=ε*A*σ*T4
ε emissività
A area
σ costante di Stefan
T4 quarta potenza della temperatura assoluta
Inoltre Wien crea la legge che calcola la lunghezza d’onda di massima emissione al
variare della temperatura
λmax*T = costante
L’emissione di un corpo caldo
per il nostro progetto è importantissimo il parametro ε detto emissività che ci
dice quanto una superficie emette
Se ε =1 la superficie emette o assorbe la massima quantità di energia. Ciò
significa che la superficie è perfettamente nera.
Se la superficie è nera per qualunque lunghezza d’onda si dice che è un corpo
nero perfetto.
Ma dato che la perfezione non esiste in natura, significa che ε varia tra 0, corpo
perfettamente bianco non emittente, ad 1 corpo perfettamente nero ed emittente
Il coefficiente di emissione varia non solo al variare della superficie ma anche e
soprattutto al variare della lunghezza d’onda considerata
L’emissione di un corpo caldo
Il termosifone a 60°C secondo la legge dello spostamento Wien emette onde di
lunghezza d’onda intorno al valore massimo di emissione λmax= costante/T=2,89*10—
3m*K/333k=8,7*10—6m , in altre parole 8,7 millesimi di millimetro, siamo all’interno della
banda dell’infrarosso termico
Il sole che è nero a 5750K (5477°C) ha secondo Wien λmax=2,89*10—3mK/5750k
=0,503*10—6m questa lunghezza d’onda è nel colore verde
Non importa se sei bianco o nero, ma QUANDO sei bianco e QUANDO sei nero
Quindi un termosifone per essere efficiente al massimo deve emettere il più
possibile e quindi deve essere Nero, nerissimo nel termico. Questo non toglie
che nel visibile possa essere Bianco candido!
Il termosifone è rinchiuso in una nicchia in parete esterna e quindi si può
considerare persa la quantità di radiazione elettromagnetica catturata dalla parete.
Parte della radiazione si può recuperare con un muro possibilmente Bianco nel
termico. Questo non toglie che nel visibile possa essere di un colore qualunque
anche Nero
L’emissione di un corpo caldo
L’emissione di un corpo caldo
Calore assorbito ed emesso per irraggiamento
Per calcolare il calore assorbito da una parete posta quasi a contatto con un termosifone
occorre sottrarre al calore generato dal termosifone e assorbito dalla parete secondo
l’emissività della parete il calore emesso dalla parete secondo la sua emissività
calore generato dal termosifone e assorbito dalla parete P = εparete*A*σ*T4termosifone
calore emesso dalla parete P = εparete*A*σ*T4parete
Potenza totale assorbita dalla parete = εparete*A*σ*(T4termosifone - T4parete)
I conti del risparmio
I conti del risparmio
L’idea è quindi di agire su due fronti il primo è quello di aumentare l’emissività
del termosifone , il secondo è quello di rendere termicamente riflettente il muro
della nicchia.
I nostri risultati migliori sono per superficie emittente emissività = 95 % ottenuto
con polvere di vetro e tempera acrilica.
Per superficie riflettente emissività = 83% ottenuto con polvere di quarzo senza
legante.
I conti del risparmio
Ammettendo la superficie di un termosifone 2m2 emissività 0,93 e la temperatura di
funzionamento di 60 °C la quantità di energia irraggiata è di 500W di cui circa
260w vengono assorbiti dalla parete esterna emissività 0,90 tparete =18°C e
quindi persi.
Con l’83% di emissività il muro che incassa il termosifone assorbe 241w
Il risparmio netto è 20,3W per termosifone
Ammettendo 7 termosifoni accesi 10 ore al giorno per 4 mesi l’anno
Si risparmiano 161KWh di energia termica
comb.
gasolio
gpl
metano
pellets
pot cal(kwh/unità) costo(€/unità)
10
1,29
12,8
2,148
9,8
0,743
4,8
0,2445
Il risparmio annuale dipende dal
combustibile scelto
A fianco il risparmio annuo in euro =>
22,08
28,72
12,97
8,72
gasolio
gpl
metano
pellets
I conti del risparmio
Il risparmio dovuto all’aumento di emissività del termosifone è difficilmente stimabile ma
anche un piccolo aumento di emissività permette di abbassare la temperatura di
funzionamento del termosifone, cosa che aumenta il rendimento della caldaia e
diminuisce le perdite per conduzione di tutto l’impianto.
Ammettendo 15000kwh per anno 4 mesi 10 h al giorno e 7 termosifoni risulta una
potenza media di 1800w per termosifone di cui 500 emessi per irraggiamento quota che
aumenta se il termosifone è in nicchia
Ipotesi aumento dal 90% al 95% del potere emissivo di un termosifone.
Si può sperare a parità di potenza globale erogata di diminuire la
temperatura del fluido di 1°C. Le perdite di conseguenza vengono ridotte
del 2% e si può giustificare il recupero di altri 10-15W per termosifone con
il raggiungimento certo dell’obbiettivo.
I conti del risparmio
I costi
Allo stato attuale non conviene riverniciare i termosifoni e le nicchie , tuttavia in
caso di ristrutturazione, dato che questi lavori verrebbero comunque
svolti, sicuramente converrebbe, se fossero presenti sul mercato, usare vernici
selettive.
Questa convenienza verrebbe aumentata da vernici selettive ipotizzabili ma
realistiche ad esempio
Una vernice ad emissività 0,99 per il termosifone (esistono in commercio
materiali plastici bianchi con tali caratteristiche)
Una vernice con emissività 0,5 che quindi riflette il 50% per la nicchia (esistono
informazioni che una tale vernice si possa creare )
Le nostre misure
I provini
Le nostre misure
primi tentativi di misura sono stati fatti per confronto. Se si alimentano due fornelli con la stessa potenza elettrica
la superficie che emette di più si trova a temperatura inferiore rispetto all’altra.
Se si alimentano due fornelli in modo che raggiungano la stessa temperatura di equilibrio la superficie meno
emittente necessita di meno potenza.
Le nostre misure
Il metodo anche se concettualmente corretto si dimostra solo qualitativo, comunque
mette subito in evidenza che Il Bianco ed il Nero sono concetti relativi.
Le nostre misure
I miglioramenti
Banda 7-18 micron
εpir è l’emissività predefinita secondo la quale il
pirometro calcola la temperatura.
Le misure effettuate con il pirometro Tpir forniscono valori
che dipendono da a εpir e dall’emissività reale ε del
materiale. Misurando con un termometro la temperatura
effettiva della superficie T e conoscendo Tpir si riesce a
risalire al valore di ε del materiale.
Dalla legge di Stefan
A
pir
 
 T
4
pir
 pir  T
4
T
 A   T
4
pir
T
T
4
 A  (1   )    T
4
ambiente
4
ambiente
4
ambiente
E’ necessaria un’accurata taratura del pirometro di che può
essere fatta sulla temperatura ambiente
 pir 
T
T
4
ambiente
4
pir
ambiente
Le nostre misure
Un set di
Bianchi
(nel termico)
Alimentando i provini
tutti con la stessa
potenza si osserva
subito chi emette di
più (t bassa) e chi
emette di meno(t alta)
A
B
C
D
materiale
T equilibrio °C T radiante °C
rame spazzolato
82,5
30,4
rame lucido con acrilico
68,7
58,2
rame spazzolato acrilico
69,8
61,2
rame lucido lacca isolante
77,7
53,6
emissività
0,1
0,72
0,77
0,49
Le nostre misure
Questa ed altre misure mettono in evidenza un fenomeno non aspettato ma
noto in letteratura, solo i metalli lucidati riflettono molto.
Inoltre si nota che:
Basta solo una pellicola trasparente di vernice acrilica per portare l’emissività
dal 10% al 77% di un metallo lucido
Una pellicola di lacca ad elevata resistenza elettrica porta l’emissività dal 10%
al 49%
Questo fatto limita la scelta del materiale legante
dell’ipotetica polvere riflettente, è necessario evitare
di mescolare una polvere “candida “(nel termico) con
un legante tipo inchiostro nero (nel termico).
Le nostre misure
A
B
C
D
materiale
polvere vetro acrilico
grafite
tempera polvere vetro
pittura muro
T equilibrio °C T radiante °C
83,3
78,8
85,3
72,8
82
79,8
82,1
77,2
Un set di neri (nel termico)
emissività
0,89
0,74
0,94
0,88
Le nostre misure
Si nota che il comportamento nel termico ha poco a che fare con quanto si vede
nel visibile
Ad es. la grafite nel termico assorbe circa il 74 % e risulta il provino più Bianco del
gruppo
Fatto inaspettato la candida pittura da muro assorbe dall’88% al 90% del termico
L’aggiunta di un po’ di vetro in polvere porta l’emissività dell’acrilico trasparente a 0,89
ma questo era atteso in quanto il vetro per lunghezza d’onda maggiore di 2micron
diventa assorbente.
L’aggiunta di polvere di vetro ad una tempera acrilica crea la superficie con maggior
assorbimento 94-95% quindi è la superficie Bianca (nel visibile) più Nera (nel termico)
che siamo riusciti a costruire.
Le nostre misure
La prima conclusione è che è facile costruire
superfici assorbenti-emittenti nell’infrarosso,
ma è molto più difficile creare superfici
riflettenti, anche solo parzialmente
Lo specchio desiderato
Le nostre misure
Alla ricerca del Bianco
I due provini sono quasi
alla stessa temperatura
ma… non sono identici
A
B
Materiale
T equilibrio °C T radiante °C
Acrilico esterno (TiO2 e quarzo)
83,8
79,4
Farina quarzo
83,6
76,2
emissività
0,89
0,83
La superficie ricoperta di farina di quarzo risulta abbastanza grigia.
Le nostre misure
Alla ricerca del Bianco
Il provino con acrilico
per esterno emissività
0,89 , è stato ricoperto
da un sottile strato di
quarzo in cristallini
(sabbia di quarzo).
L’emissività raggiunge
il minimo di 0,83
nonostante il fondo
nero
Materiale
A Acrilico esterno (TiO2 e quarzo) +Quarzo cristallino
B Farina quarzo
T equilibrio °C T radiante °C
84
76,4
84
77,6
La superficie nera (nel termico) ricoperta di quarzo in grani risulta grigia.
emissività
0,83
0,85
Le nostre misure
Conclusione delle misure
La ricerca di superfici selettive bianche nel visibile ma nere nel termico ci
ha portato ad una emissività del 95 %
La ricerca di superfici selettive bianche nel visibile e bianche nel termico ci ha
portato ad una emissività del 83 %
Imprevisti
L’imprevisto maggiore è stata la mancata individuazione di
una vernice base trasparente nel termico in cui mescolare
i materiali riflettenti
Sviluppi futuri
Le nostre misure
Il vetro conduttivo!….perché il vetro? perché esistono rivestimenti di ossidi conduttori
(SnO2) su vetro che hanno una emissività del 35%, ovvero riflettono il 65% della
radiazione infrarossa !
Significa che è possibile con questi ossidi produrre vernice riflettente senza elementi
metallici che potrebbero avere un coefficiente di emissione del 50%
Possibili utilizzi delle vernici - superfici selettive
Vernici nere nel termico ma bianche nel visibile si possono usare per tettoie tegole e
tutte quelle superfici esposte direttamente alla luce solare che non si devono scaldare.
Ad esempio coppi con superficie piena di polvere di vetro si scalderebbero a
temperature inferiori (riciclo vetro)
Vernici riflettenti nel termico si possono usare per soffitti di appartamenti vicini al tetto,
mansarde, interni di balconi in cemento, in tutte quelle situazioni in cui c’è una parete
calda da cui si vuole evitare l’irraggiamento del calore.
Le ricadute didattiche
Gli studenti spesso non possiedono esperienze pratiche e ciò che si studia
rimane in un ambito astratto, dare un significato reale a ciò che si studia è quindi
una cosa importante.
Affrontare un problema pratico aiuta quel processo di passaggio da l’evidenza
della realtà alla teoria, passaggio logico difficilissimo da fare soprattutto per uno
studente.
In altre parole è necessario che gli studenti ( e non solo) imparino che
La Pratica e la Teoria
sono la stessa cosa.
La classe VI ha assorbito la parte teorica, alcuni studenti hanno invece
contribuito a tutte le parti del progetto, dalla ricerca delle informazioni alla
elaborazione della teoria alla costruzione dei provini e degli isolanti alla
elaborazione dei dati, altri comunque si sono interessati all’elaborazione di questo
documento. Si noti che hanno contribuito anche studenti di altre classi e che
l’impresa ha riscosso interesse tra gli studenti
La radiazione elettromagnetica
viene dal Sole e cade sulla
centrale solare nel deserto
come
X,UV
BLU
VERDE
ROSSO
IR,ONDE RADIO
Obiettivo 2 €
Classe 4° liceo biologico
Prof L. Quarantelli 2011 IIS Fornovo Taro
Al progetto hanno collaborato le seguenti aziende che ringraziamo vivamente per la gentile e
premurosa disponibilità. Sono stati offerti materiali, utensili, lavorazioni e strumenti di misura
che hanno aiutato l’esecuzione degli esperimenti.