A Beautiful Mind – on the Pareto Efficiency Frontier (post di James Ferguson)

So I will not apologize for the wonderful title of this post, because it really does represent the exact issues I want to discuss today in terms of energy efficiency. Rather, I apologize, because this post is really written for the exploring engineer, not for the spoon-fed. It will be complex and I may ask questions. But I will provide enough layman’s background that anyone bright and persistent enough can understand.

We will touch on the simplest ideas of energy efficiency, and mix in aspects of Nash’s work in game theory for optimization of winning strategies. This is The Nash Equilibrium – the brilliant outcome of thestar mathematician and man who struggled and learned to manage paranoid schizophrenia portrayed in the wonderful film A Beautiful Mind

Portrait of Vilfredo Pareto.
Portrait of Vilfredo Pareto. (Photo credit:Wikipedia)

All-in-all we will argue about whether energy efficiency has been argued about enough, and we will also look at the Pareto Frontier (in layman’s terms).

We will see that the way buildings control systems are operated to day are generally sub-optimal because we do not even consider everyday economic or game strategy theories to our objectives.

We are guilty, because we let the big players in our industry get away with giving; not second best but provably sub-optimal worsts!

I dare say, some of these ideas may be new to you – as they are to me, so when I have them wrong please, please do comment and correct my thinking (in the comments section below rather than on linkedInbecause otherwise only some readers see them). Better still think and contribute and enrich the discussion, because its written for us all…

Where do we start? At the beginnings of Game Theory.

Let’s imagine that an simple air handling unit supply (AHU) is a battleground between two gaming warriors. Lets introduce them:

Henry (the Heater)
Henry cares primarily that fresh air is delivered at least warm enough for comfort – lets say 15 C (59F)
(Note to laymen air warms up because of unintended sources so a supply below comfort temperature is normal)
When he has been in error he seeks to correct the total sum of his historical errors to zero.
Given that achievement he seeks to use as little heat as possible.

Charles (the Chiller)
Charles cares primarily that fresh air is delivered at least warm  cool enough for comfort – lets say 15.5 C (59.9 F)
When he has been in error he seeks to correct the total sum of his historical errors to zero.
Given that achievement he seeks to use as little cooling as possible.

There is a third character Henrietta – She is an energy manager, and she applies common sense. More of  Henrietta later.

The more aware of readers will realize that Henry and Charles sound as though they been set up according to normal convention with PID loops for control and they have probably been set up for a fight !


Above we see a standard set up according to the Thermal Environmental Engineering Laboratory – And YES its wrong despite the research being funded by the Department of Homeland Security (LOL) To see an AHU that is set up well see here 

The BIGGEST difference is that the good one has a temperature sensor immediately after the heating coil and the rubbish one does not.

In my experience cost cutting measures eliminate this very cheap, very essential sensor in around 95% of implementations including some by the biggest players in the AHU supply market (over 1.5 Billion Euros in Europe alone).

Why is this sooooo stupid ?

Technically (and I accept the jargon is not too important – but I want some keywords to get some engineers thinking about this) –

The first can stabilize at many Nash Equilibria that do not lie on the Pareto Efficiency Frontier.

In English (or engineering) ?

When the PID loops controlling each coil (or  register or heat exchanger) achieves its fundamental objective of comfort (that is Henry and Charles are basically happy) both H and C are active under the majority of cases.

So simplistically if air is coming in at 10C Henrietta would like to hold Henry back to delivering air at 15C and stop Charles doing anything at all.  But if Henry does say 75% output and Charles does 25% output there is still heating on balance so H and C are happy but Henrietta is not.

Henry and Charles are happy because they have found a Nash Equilibrium. They achieve their objectives, but knowing the others strategy does not allow them to change their position of being in conflict.

This is referred to in the wiki article above which states:

“The Nash equilibrium may sometimes appear non-rational in a third-person perspective. This is because it may happen that a Nash equilibrium is not Pareto optimal.

The Nash equilibrium may also have non-rational consequences in sequential games because players may “threaten” each other with non-rational moves”.
Henrietta cries foul ! She sees that if Henry would back off, Charles could too, or if Charles would back off Henry would too.  But Henry and Charles have a job to do and cannot budge an inch.
Henrietta realizes if she forced the implementation of the temperature sensor downstream from Henry that is upstream from Charles, Henry would play his own game and ignore Charles’ strategy.
The very fact that Henry does not know Charles means that he optimises for heating at no error between coils.  This means that Henry never calls on Charles to cool.
Now for the cost of a few cents or euros a new sensor prevents Nash Equilibria that are not simultaneously on the Pareto Efficiency Frontier :
“Pareto efficiency, or Pareto optimality, is a concept in economics with applications in engineering. The term is named after Vilfredo Pareto (1848–1923), an Italian economist who used the concept in his studies of economic efficiency and income distribution[citation needed]. In a Pareto efficient economic allocation, no one can be made better off without making at least one individual worse off. Given an initial allocation of goods among a set of individuals, a change to a different allocation that makes at least one individual better off without making any other individual worse off is called a Pareto improvement. An allocation is defined as “Pareto efficient” or “Pareto optimal” when no further Pareto improvements can be made.”
“The notion of Pareto efficiency is also useful in engineering. Given a set of choices and a way of valuing them, the Pareto frontier or Pareto set or Pareto front is the set of choices that are Pareto efficient. By restricting attention to the set of choices that are Pareto-efficient, a designer can make tradeoffs within this set, rather than considering the full range of every parameter”  (from wiki)
And it just so happens that Nash Equilibra on the Pareto Efficiency Frontier in this very common case are Strong Pareto Optima, in all cases where in the other cases Nash Equilibria are not Pareto efficient.
Simply stated this means that taking the sensor out costs you in almost all circumstances !
FACT it is the single greatest source of comfort heat-fighting chilling globally  – and it seems nobody gives a damn.
Now Henrietta has a friend who is an idiot – his name is Wasteful Walther.
Walther says – “we don’t need the sensor – because we prevent simultaneous heating and chilling by inhibiting valve positions being both open.”
Idiotic! – because heating happens from a hot heat exchanger AFTER you close it, and the time delay changes with load.
Walther also says – “we control with PID loops which achieve zero error over time”.
Well Walther a PID loop requires a linear response to do that without transient instability and there is not one here – it also requires a decoupled proportional signal of the error caused by the output driven – also not available here.
So we should be good Henrietta’s, save time and energy and get a sensor after (but far enough from) each controlled action and use it as a source of feedback.
The beauty of a Nash Equilibrium on the Pareto Efficiency Frontier is that it is cheap achievable and you KNOW it makes sense !

La gasificazione della pollina da allevamenti avicoli


 Lo smaltimento della pollina da allevamenti avicoli è oggi uno tra i principali problemi gestionali del settore a livello nazionale nazionale. Lo spandimento di pollina su terreno agricolo, prassi consolidata, sta andando via via perdendo applicabilità a causa dell’aumento dei costi di affitto dei terreni agricoli e del costo dell’operazione di spandimento.

 Il problema sta creando forti preoccupazioni agli avicoltori tanto da spingere la nascita di iniziative sperimentali volte ad affrontare in modo scientifico il problema, che contribuisce ad aumentare i costi di produzione del settore, alla ricerca di una soluzione tecnicamente praticabile ed economicamente ed ambientalmente sostenibile.

 Queste iniziative però si scontrano con l’attuale legislazione in materia di energia che vieta l’impiego di pollina per produzione di energia se non in impianti dedicati di potenza superiore a 6 MW.

 Le linee di progetto qui descritte intendono proporre un paniere di soluzioni alternative e complementari, in grado di garantire un sistema di soluzioni alla questione dello smaltimento della Pollina ed in grado di rappresentare una piattaforma sperimentale per la sperimentazione di filoni innovativi nel settore.

 Il progetto, quindi, si basa sullo studio di un sistema territoriale esteso (Friuli Venezia Giulia, Veneto, Emilia Romagna nord orientale), sull’analisi di specifiche esigenze locali e delle principali aziende avicole e delle filiere interconnesse e sulle tecnologie in grado di assicurare non solo la sostenibilità ambientale, ma anche il maggior valore aggiunto e lo sviluppo delle filiere e dell’indotto connessi in tali territori.

 Fasi del progetto

 Il progetto è articolato nelle seguenti fasi:

  1. Costituzione dello Steering Committee: Il pool ha tra componenti fondanti:

    • Cifra – Centro Interdipartimentale di Formazione e Ricerca Ambientale dell’Università di Udine,

    • Cisver – Comitato Italiano per lo Sviluppo delle Energie Rinnovabili,

    • Dipic – Dipartimento di Principi e Impianti di Ingegneria Chimica dell’Università di Padova,

    • Energol S.r.l.,

    • Veniceproject S.r.l.

  2. Definizione del primo Customers Pool :l’avvio del progetto deve essere garantito da una committenza che abbia contemporaneamente una capacità di indirizzo (rappresentando in modo significativo il settore avicolo) e d una capacità di finanziamento del progetto stesso.

  3. Definizione del Master Projectsulla base delle linee guida impostate dallo Steering Committee sulla base delle priorità del Customer sPool, viene definito il Master Project che deve prendere in considerazione le seguenti aree:

    • tecnologie disponibili, stato ed evoluzioni possibili,

    • vincoli normativi nel territorio di competenza,

    • organizzazione di filiera nel territorio di competenza, stato ed evoluzioni possibili,

    • soluzioni di massima affidabilità

    • impatti dell’innovazione tecnologica e dell’innovazione di processo

    • soluzioni di massima resa tecnica ed economica.

Il Master Project, quindi, prevede le seguenti fasi:

      1. studio di fattibilità di massima

      2. determinazione dei sottoprogetti

      3. studio di fattibilità dei sottoprogetti

  1. Gestione del consenso territoriale: il coinvolgimento territoriale è necessario alfine di determinare la conduzione del Progetto in modo concorde agli interessi e dalle potenzialità del territorio stesso, se da una parte il progetto di organizzazione delle filiera necessita di una approfondita conoscenza degli operatori coinvolgibili tramite le Associazioni di Categoria, dall’altro il dialogo con la Pubblica Amministrazione Locale permette di articolare soluzioni compatibili sia con gli iter autorizzativi che con le aspirazioni di sviluppo dei territori. Il processo di gestione del consenso territoriale deve culminare in uno più momenti di incontro delle varie parti in gioco, allo scopo di definire in modo dettagliato quali operatori sono interessati ade ntrare in filiera, quali ad investire, qualiistituzioni vogliono giocare un ruolo attivo le condizioni le necessità delle Pubbliche Amministrazioni.

Considerazioni preliminari

Ad oggi la valorizzazione energetica della Pollina presenta problematiche legate all’emissione di Ossidi di Azoto (NOx) superiori alla norma, le vie percorribili sembrano concentrarsi su due alternative:

  • integrazione del mix alimentante della valorizzazione energetica fino a far rientrare le emissione di NOx nei livelli di norma.

  • degradazione termica in assenza di ossigeno (gasificazione),

Una terza via può essere quella di produzione di biogas, nella quale l’eliminazione degli Ossidi di Azoto può avvenire a valle utilizzando biofiltri ad alghe che assimilano NOx e CO2 per il l’accrescimento forzato, alghe che poi possono essere impiegate come emendante o nella cosmesi.

 Per garantire il più rapido avvio del progetto, si può realizzare un impianto per la produzione di energia elettrica e calore tramite valorizzazione termica di biomassa (della potenza indicativa di 8-10 MW), nell’attesa che partano le attività di sperimentazione e che si definiscano i sottoprogetti innovativi che garantiscano le soluzioni di massima resa tecnica ed economica, si può richiedere l’autorizzazione ad alimentare l’impianto di termovalorizzazione con un 15 – 20% (15-20.000 tonn/anno) di pollina, in modo che le emissioni siano ampiamente entro i limiti di legge.

 Filoni di sperimentazione

 Dalle indagini preliminari condotte si sono individuati tre filoni di sperimentazione meritevoli di approfondimento:

  • gasificazione della pollina a fini energetici;

  • ottimizzazione dei parametri di combustione del materiale tramite ossigeno puro;

  • maturazione del materiale e produzione di emendante a uso agricolo.

Gassificazione della pollina a fini energetici

 La gassificazione consiste nell’ossidazione incompleta di biomasse solide o liquide in un ambiente ad elevata temperatura (800÷1000°C) per la produzione di un gas combustibile (detto syngas, composto da H2, CO, CxHy, N2, CO2, in proporzioni variabili secondo il tipo di biomassa e dal tipo di gassificatore usato). La gassificazione della pollina permette quindi di ottenere un gas combustibile che può essere facilmente purificato prima dell’utilizzazione, con conseguenti vantaggi per il rispetto dei limti di emissione al camino.

Concept di bungalow ecocompatibile


L’utilizzo di diverse fonti rinnovabili e di altrettante tecnologie per la produzione di energia è una scelta mirata ad una gestione sostenibile del territorio, che permette di sfruttarne al meglio le risorse (energetiche, idriche, agricole,..) senza però comprometterne irreversibilmente la funzionalità.
I diversi sistemi sono integrati in modo tale da minimizzare l’apporto di energia esterna e garantire allo stesso tempo il funzionamento dell’intero complesso nel caso venga a mancare un elemento.
Così l’energia elettrica generata dalla pala eolica e dagli impianti fotovoltaici è garantita anche in caso di blackout; viceversa il sistema è alimentato dalla rete di distribuzione nel caso di un guasto agli impianti.
Nel centro servizi l’impianto solare termico fornisce parte dell’acqua calda al ristorante, ai servizi igienici centrali e alle altre strutture, riducendo così i consumi di gas o di gasolio per l’alimentazione della caldaia.
Nei bungalow invece sia l’acqua calda che il riscaldamento, necessario per brevi periodi durante l’anno, sfruttano l’energia elettrica fornita dall’impianto fotovoltaico.
Qui il sistema di raccolta delle acque bianche, utilizzate per lo scarico del wc, consente una riduzione dei consumi di acqua potabile. Inoltre l’intero sistema di scarico dei bungalow (acque nere e acque grigie) confluisce alla vasca di fitodepurazione interrata e poi ad un serbatoio di raccolta delle acque depurate da utilizzare per l’irrigazione dell’orto e delle aree verdi, con un ulteriore risparmio di acqua potabile.
Infine il sistema di raccolta dei rifiuti organici, dislocato nei bungalow e nel centro servizi, permette di ottenere concime biologico per l’orto e le piante.
Un altro aspetto importante per la sinergia dei vari sistemi è la disposizione degli spazi all’interno dell’area del camping, che può essere suddivisa in zone di utilizzo (per es. zona abitativa, zona agricola, zona ricreativa, zona infrastrutture e servizi,…). Questo permette di disporre le varie strutture, compatibilmente con le caratteristiche naturali e morfologiche dell’area, in modo da limitare la dispersione dei flussi di energia, l’impatto antropico, gli spostamenti ed ogni possibile danno all’ambiente e alle sue risorse.
E’ per questo che, ad esempio, la vasca di fitodepurazione dovrà trovarsi nei pressi dei bungalow da cui riceve i reflui e così l’orto sorgerà a ridosso del serbatoio di raccolta delle acque depurate destinate all’irrigazione.
Questo approccio alla gestione del territorio deriva dalla Permacultura, una pratica integrata di progettazione e conservazione consapevole ed etica dei sistemi produttivi che si basa su alcuni principi:
Individuare le relazioni funzionali fra i vari elementi di un sistema naturale;
Ogni elemento in un sistema naturale svolge molte funzioni, bisogna cercare di sfruttare tutte le potenzialità di ogni elemento;
Ogni funzione può essere esercitata da più elementi. E’ necessario progettare in modo che tutte le funzioni importanti possano essere svolte anche quando qualche elemento non funziona;
Favorire la biodiversità: progettare in modo da aumentare le relazioni fra gli elementi piuttosto che il numero di elementi;
Minimizzare l’apporto di energia esterna, progettando sistemi che sfruttano le risorse presenti in loco, riciclare e riutilizzare il più possibile.

In questo modo le funzioni delle persone, delle piante, degli animali e della terra sono riconosciute ed integrate per massimizzare i risultati e realizzare ambienti umani sostenibili.

Il progetto prevede l’installazione di impianti di alimentazione che utilizzano energie da fonti rinnovabili diverse:

E’ prevista l’installazione di un impianto microeolico con potenza nominale di 3 kW. Questo sarà alimentato da un generatore ad asse verticale, capace di sfruttare qualsiasi direzione del vento, resistente alle forti raffiche e con un basso impatto acustico e visivo. L’impianto contribuirà, attraverso il sistema di distribuzione, a fornire l’energia elettrica necessaria alle attività del centro servizi, alle piazzole del camping e all’illuminazione notturna. Ciò permetterà di risparmiare sui consumi di energia elettrica acquistata dalla rete e di ridurre le emissioni di CO2, SO2, NO2.

Solare termico
Sul tetto del centro servizi saranno applicati dei collettori piani diretti (8 mq circa di superficie totale), collegati ad un serbatoio captante posto nel sottotetto e ad una caldaia di integrazione. Questo impianto permetterà di fornire parte dell’acqua calda necessaria ai servizi, al ristorante e alla reception, con un notevole risparmio energetico e una riduzione delle emissioni di CO2.

Ognuno dei quattro bungalow sarà dotato di un piccolo impianto fotovoltaico (1 kW) per la produzione di energia elettrica. Ogni impianto è costituito da una serie di moduli fotovoltaici posti sul tetto spiovente del bungalow (7 mq circa di superficie) collegati ad un inverter installato a parete all’interno dell’abitazione.
Questo sistema fornirà l’energia elettrica necessaria ai servizi del bungalow, compresi il riscaldamento dell’acqua (attraverso boiler elettrico) e dell’ambiente nei periodi più freddi. E’ infatti prevista l’installazione di un sistema di riscaldamento radiante, costituito da una serie di serpentine alimentate elettricamente, poste sotto il pavimento della camera da letto.
I bungalow sono comunque collegati alla rete di distribuzione nel caso l’energia elettrica prodotta dall’impianto fotovoltaico sia insufficiente. Anche questo impianto consentirà un risparmio sui consumi di energia elettrica e un minore inquinamento legato alle emissioni di CO2, SO2, NO2.

Altri sistemi di recupero in dotazione ai bungalow
Ogni bungalow sarà dotato di una serra per la coltivazione di piccole piante (aromatiche e ornamentali) e la raccolta dei rifiuti organici prodotti.
La serra permetterà poi di nascondere un sistema di raccolta delle acque bianche. Questo sistema consentirà di raccogliere l’acqua piovana captata dal tetto e utilizzarla per lo scarico del wc.

E’ in progetto la realizzazione di un sistema di fitodepurazione, posto nei pressi dei bungalow. Ad esso confluiranno, dopo una depurazione preliminare in fossa biologica (tipo Imhoff), sia le acque grigie che le acque nere.
L’impianto, a flusso sommerso orizzontale, è costituito da un bacino impermeabilizzato riempito con materiale ghiaioso e vegetato da macrofite atte alla depurazione. Questo sistema garantisce la totale assenza di cattivi odori e di insetti, inoltre va a creare un’area verde calpestabile (50 mq circa, 20 abitanti Eq) e riduce i consumi di energia elettrica del 50% rispetto alla depurazione tradizionale.
Le acque così depurate potranno essere utilizzate per l’irrigazione dell’orto e delle aree verdi del camping.