Il controllo del clima interno alla porcilaia è necessario per massimizzare il
benessere animale e la produttività. Elevate temperature interne, infatti, incidono
negativamente sulle performance degli animali e sulla qualità della carne. Queste problematiche possono essere evitate attraverso l’utilizzo di impianti meccanici
per il controllo climatico che permettono un maggiore controllo su molteplici parametri, quali temperatura e umidità dell’aria interna. Tuttavia, l’utilizzo di impianti meccanici determina un consumo energetico significativo che, in porcilaia, si attesta solitamente attorno ai 40 kWh di energia elettrica per metro quadrato di superficie. Tale consumo energetico si riflette sui costi operativi dell’azienda e, conseguentemente, sul prezzo del prodotto finale.
Il controllo meccanico del clima
Risulta, quindi, necessario rendere energeticamente efficienti gli edifici per l’allevamento dei suini che adottano un controllo meccanico del clima interno. Varie strategie possono essere adottate per questo scopo:
- il miglioramento dell’isolamento termico dell’involucro edilizio,
- l’utilizzo di sistemi impiantistici energeticamente efficienti
- e l’implementazione di tecnologie basate su energie rinnovabili.
È necessario, però, valutare gli effetti combinati di queste strategie e come esse influiscano sulle condizioni ambientali interne. Per esempio, un eccessivo isolamento termico può garantire migliori condizioni ambientali durante il periodo invernale, ma causare un surriscaldamento interno nel periodo estivo, con conseguente stress da caldo per i suini e un aumento del consumo energetico per ventilazione.
I modelli di simulazione energetica
Per questo tipo di valutazioni risultano fondamentali i modelli di simulazione energetica del sistema edificio-impianto che permettono di effettuare analisi affidabili per quanto riguarda
- i consumi energetici,
- le condizioni ambientali interne
- e altri parametri d’interesse.
Modelli di simulazione specificamente dedicati a edifici per l’allevamento suino, però, non sono presenti nella letteratura scientifica. Per colmare questa lacuna e contribuire all’efficientamento energetico del comparto suinicolo, una ricerca svolta in cooperazione tra il Dipartimento di Energia del Politecnico di Torino e il Dipartimento di Scienze Agrarie, Forestali e Alimentari dell’Università di Torino ha sviluppato e validato uno dei primi modelli energetici specificamente rivolto a porcilaie per l’ingrasso in ventilazione forzata con estrazione dell’aria dalla fossa di raccolta dei liquami.
Sviluppo del modello
Il modello è stato sviluppato con un approccio diretto basato su un insieme di equazioni che descrivono fenomeni fisici necessari per simulare il comportamento termico dell’involucro edilizio e la prestazione energetica dei sistemi impiantistici. Il modello si basa su vari moduli di calcolo interconnessi tra loro.
Per avviare la simulazione, l’utente deve fornire i dati di input, suddivisi in tre macroaree:
- edilizia,
- impiantistica
- e gestione.
La simulazione è inizializzata con il calcolo delle variabili stazionarie necessarie a partire dai dati di input. Successivamente, il modello avvia un ciclo di calcolo iterativo ripetuto per ogni ora del periodo di simulazione.
Il ciclo inizia con la stima delle variabili relazionate agli animali che sono funzione del tempo, quali peso vivo ed emissione termica. Queste variabili vengono usate per risolvere i bilanci di calore sensibile e di vapore acqueo, permettendo di stimare la temperatura e l’umidità relativa dell’aria interna, tenendo in considerazione gli effetti dinamici dell’edificio, come la sua inerzia termica.
Il il modello valuta l’eventuale necessità di fornire riscaldamento o rafffrescamento alla porcilaia comparando il valore di temperatura dell’aria interna ottenuto con il valore di set point.
- In quest’ultimo caso, il modello stima la portata di ventilazione necessaria,
- mentre nel caso sia necessario attivare il riscaldamento, il modello stima il consumo energetico dei riscaldatori di aria (se presenti) e il consumo di energia elettrica per la ventilazione minima per mantenere un’adeguata qualità dell’aria interna;
- infine, nel caso la temperatura fosse in regime di libera fluttuazione (né riscaldamento né raffrescamento sono necessari), il modello stima unicamente il consumo di energia elettrica per la ventilazione minima.
Una volta terminato il calcolo per l’ora analizzata, i risultati vengono salvati e il modello avvia la simulazione per l’ora successiva.
Al termine dell’intera simulazione, il modello fornisce come output
- il consumo energetico totale di energia termica ed elettrica per il controllo del clima durante l’intero periodo analizzato,
- insieme ai valori orari di temperatura e umidità relativa della porcilaia.
- La simulazione, inoltre, può fornire ulteriori output, quali i costi dovuti all’uso dell’energia e le relative emissioni di gas climalteranti.
Validazione del modello
Il modello sviluppato è stato poi validato sperimentalmente comparando i parametri stimati dal modello con i valori reali ottenuti attraverso il monitoraggio di un edificio esistente. A tal fine, è stata eseguita una campagna di monitoraggio (della durata di un mese) in una porcilaia da ingrasso nella quale sono stati acquisiti i valori orari di temperatura dell’aria interna ed umidità relativa, ed il consumo giornaliero di energia elettrico dovuto all’attivazione dei ventilatori. I valori di temperatura e umidità dell’aria monitorati e simulati hanno mostrato andamenti molto simili.
I dati sono poi stati comparati numericamente usando la radice quadrata dell’errore quadratico medio (Rmse), indicante lo scostamento medio tra la grandezza simulata e la grandezza misurata durante il periodo considerato. Valori ridotti di questo indice denotano una maggiore solidità del modello. I risultati della validazione sono soddisfacenti, in quanto il Rmse è di 1,4 °C per quanto riguarda la temperatura dell’aria e dell’8,8% per quanto riguarda l’umidità relativa.
Il modello risulta anche affidabile per la stima del consumo di energia elettrica. Il consumo totale stimato dal modello nell’arco dei 31 giorni (1.361 kWh) è superiore solamente del 3% rispetto al consumo reale (1.329 kWh).
Conclusioni
La simulazione termoenergetica dinamica rappresenta un solido strumento utile alla progettazione energeticamente efficiente di edifici per l’allevamento dei suini. Le aziende attive nella progettazione di questo tipo di edifici e degli impianti a servizio possono avvelarsi di questo approccio per la progettazione energeticamente efficiente. Inoltre, questo tipo di simulazione consente una valutazione affidabile dell’impatto di sistemi energetici basati su tecnologie rinnovabili, come il fotovoltaico, permettendo di effettuare valutazioni quali l’autosufficienza del sistema e il tempo di ritorno economico dell’investimento.
Gli stessi allevatori possono trarre numerosi benefici dall’utilizzo di modelli di simulazione attraverso la stima di una parte dei costi d’esercizio dell’edificio. Inoltre, permettendo la simulazione in condizioni standardizzate, il modello presentato rappresenta un passo avanti verso lo sviluppo di un sistema di certificazione energetica per gli edifici per la zootecnia.
Ulteriori ricerche possono ampliare lo spettro di analisi del modello considerato, includendo ulteriori usi energetici e renderlo maggiormente versatile permettendo di simulare altri tipi di edifici, quali le sale parto e i siti 2 (post-svezzamento) caratterizzati da maggiori consumi energetici per riscaldamento.
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sulla Rivista di Suinicoltura 11/2023
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