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 progettoAbbiamo 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 progettoVorremmo 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’obiettivoQuesto 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.

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.

LE VERNICI SELETTIVE

Come si può risparmiare energia verniciando

Il risparmio dell’energiaIl 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 fareNoi 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 oggiIn 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

Vista frontale Vista laterale

ES

TE

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A

La situazione” tipo” oggetto della nostra sperimentazione

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

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.

Come si propaga il calore dal termosifone all'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

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.

Il punto di arrivo

La fisica del termosifone

Emissione - assorbimento

delle superfici

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 modoIl bianco li riflette tutti allo stesso modoquasi 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

Emissione - assorbimento

Lo spettro elettromagnetico

Al variare della Lunghezza d’onda si hanno tutti i “tipi” di radiazione elettromagnetica le onde radio e variano da infinito fino a 10CmOnde 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

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 .

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.

Lo spettro elettromagnetico

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

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).

Se riscaldata emette più una superficie bianca nella banda in cui è bianca o una superficie nera nella banda in cui è nera?

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

A questo punto si dovrebbe aver capito che la temperatura regola la qualità (lunghezza d’onda) della luce emessa.

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!

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,

Inoltre Wien crea la legge che calcola la lunghezza d’onda di massima emissione al variare della temperatura  λmax*T = costante

P=ε*A*σ*T4

ε emissivitàA areaσ costante di StefanT4 quarta potenza della temperatura assoluta  

L’emissione di un corpo caldo

Il coefficiente di emissione varia non solo al variare della superficie ma anche e soprattutto al variare della lunghezza d’onda considerata

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

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

L’emissione di un corpo caldo

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!

Non importa se sei bianco o nero, ma QUANDO sei bianco e QUANDO sei nero

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

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)

L’emissione di un corpo caldo

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

Con l’83% di emissività il muro che incassa il termosifone assorbe 241w

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.

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. pot cal(kwh/unità) costo(€/unità)gasolio 10 1,29gpl 12,8 2,148metano 9,8 0,743pellets 4,8 0,2445 22,08 gasolio

28,72 gpl12,97 metano8,72 pellets

Il risparmio annuale dipende dal combustibile scelto

A fianco il risparmio annuo in euro =>

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 )

I conti del risparmio

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.

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 miglioramentiBanda 7-18 micron

ambientepirpir TATATA 444 )1(

ambiente

ambientepirpir

TT

TT44

44

 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.

ambientepir

ambiente

pir T

T4

4

E’ necessaria un’accurata taratura del pirometro di che può essere fatta sulla temperatura ambiente

Dalla legge di Stefan

εpir è l’emissività predefinita secondo la quale il pirometro calcola la temperatura.

Le nostre misure

Alimentando i provini tutti con la stessa potenza si osserva subito chi emette di più (t bassa) e chi emette di meno(t alta)

materiale T equilibrio °C T radiante °C emissivitàA rame spazzolato 82,5 30,4 0,1B rame lucido con acrilico 68,7 58,2 0,72C rame spazzolato acrilico 69,8 61,2 0,77D rame lucido lacca isolante 77,7 53,6 0,49

Un set di Bianchi

(nel termico)

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

materiale T equilibrio °C T radiante °C emissivitàA polvere vetro acrilico 83,3 78,8 0,89B grafite 85,3 72,8 0,74C tempera polvere vetro 82 79,8 0,94D pittura muro 82,1 77,2 0,88

Un set di neri (nel termico)

Le nostre misure

Si nota che il comportamento nel termico ha poco a che fare con quanto si vede nel visibile

Fatto inaspettato la candida pittura da muro assorbe dall’88% al 90% del termico

Ad es. la grafite nel termico assorbe circa il 74 % e risulta il provino più Bianco del gruppo

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

Le nostre misure

Lo specchio desiderato

Alla ricerca del Bianco

I due provini sono quasi alla stessa temperatura ma… non sono identici

Materiale T equilibrio °C T radiante °C emissivitàA Acrilico esterno (TiO2 e quarzo) 83,8 79,4 0,89B Farina quarzo 83,6 76,2 0,83

La superficie ricoperta di farina di quarzo risulta abbastanza grigia.

Le nostre misure

Alla ricerca del Bianco

Materiale T equilibrio °C T radiante °C emissivitàA Acrilico esterno (TiO2 e quarzo) +Quarzo cristallino 84 76,4 0,83B Farina quarzo 84 77,6 0,85

La superficie nera (nel termico) ricoperta di quarzo in grani risulta grigia.

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

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 %

L’imprevisto maggiore è stata la mancata individuazione di una vernice base trasparente nel termico in cui mescolare i materiali riflettenti

Imprevisti

Le nostre misure

Sviluppi futuri 

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 nostre misure

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.