Finestra Intelligente - "E.Mattei"

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Finestra Intelligente - "E.Mattei"
I.T.I.S. “Enea Mattei”
a.s. 2014/2015
Classe 5D
Indirizzo informatica
FREE-DOM
Una finestra intelligente
Salvagni Simone
Simone Salvagni
Esame di Stato 2014/2015
Indice
1.
INTRODUZIONE .......................................................................................................................................... 3
2.
IL RISPARMIO ENERGETICO ....................................................................................................................... 4
2.1 RUOLO DI FREEDOM NEL RISPARMIO ENERGETICO ............................................................................... 6
3.
COMPONENTI PRINCIPALI DEL PROGETTO................................................................................................ 7
3.1 PROGRAMMA .......................................................................................................................................... 8
3.2 FRANGISOLE........................................................................................................................................... 10
3.2.1 IMPLEMENTAZIONE ALL’INTERNO DEL PROGRAMMA................................................................... 12
3.3 SCAMBIATORE DI CALORE ..................................................................................................................... 14
3.3.1 IMPLEMENTAZIONE ALL’INTERNO DEL PROGRAMMA................................................................... 15
3.4 CELLULA MONOBLOCCO........................................................................................................................ 17
4.
INTERFACCIA UTENTE .............................................................................................................................. 18
5.
ARCHITETTURA HARDWARE .................................................................................................................... 21
5.1 SENSORI UTILIZZATI ............................................................................................................................... 22
5.2 COLLEGAMENTO TRA SENSORI INTERNI E ESTERNI .............................................................................. 24
6.
VANTAGGI E POSSIBILI USI ...................................................................................................................... 25
7.
BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................................................... 27
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1. INTRODUZIONE
Questo progetto nasce come completamento dei miei studi presso l’istituto
tecnico industriale unito all’esperienza pluriennale nel settore dello studio dei
serramenti dell’azienda di famiglia, arricchiti da riferimenti provenienti dal
mercato che richiede consulenza specialistica per costruzioni a basso consumo.
L’intento del mio studio è stato quello di sfruttare queste opportunità per
individuare un’applicazione concreta di strumenti di informatizzazione che mi
consentisse un confronto con il mondo delle imprese e delle costruzioni.
Tutto è rivolto all’esigenza della società odierna di modificare i propri modelli di
consumo di energia.
Per rendere più comprensibile il contesto del mio lavoro ritengo necessario far
precedere la descrizione tecnica con alcuni dettagli relativi al risparmio
energetico.
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2. IL RISPARMIO ENERGETICO
Risparmio Energetico, Casa Passiva, Casa Clima sono ormai diventati termini
conosciuti e utilizzati quotidianamente sia nel linguaggio comune che in quello di
settore specifico. Infatti la sensibilità verso il rispetto e la tutela dell'ambiente ha
fatto sì che si sviluppasse la filiera delle costruzioni eco-sostenibili, pur
incontrando qualche problema in termini economici non sempre superabile. Il
serramento, oggetto del mio lavoro, è un componente fondamentale di questo
tipo di costruzioni sia per funzionalità che per estetica. Esso, insieme ad altri, ha
subito nel tempo una trasformazione tecnologica che ha generato una profonda
evoluzione del sistema delle costruzioni.
Molte attenzioni vengono poste sulla struttura dell’involucro affinché assicuri la
massima protezione degli interni, ma la casa è fatta anche per offrire il benessere
ai suoi abitanti ed ha quindi necessità di aperture capaci di dare luce, accesso,
comfort con un occhio di riguardo anche al risparmio energetico.
Da qui la necessità di studiare un serramento che abbia tutte queste
caratteristiche, anche nel rispetto delle nuove disposizioni di legge (la cosiddetta
NZEB: Near Zero Energy Building).
La NZEB è il punto focale della direttiva europea 20:20:20 (n. 31/2010) e la sua
applicazione dovrebbe portare alla riduzione di emissioni di gas serra del 20%,
alzare al 20% la quota di energia prodotta da fonti rinnovabili e raggiungere il
20% di risparmio energetico, tutto entro il 2020.
E' questa la sintesi del “pacchetto-energy 20-20-20” varato dall'UE;
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quindi anche il serramento apporterà il suo contributo a questo obiettivo
attraverso la scelta di materiali idonei e soluzioni tecniche adeguate come la
domotica.
Il vantaggio principale della domotica è quello di non aver più la necessità di
intervenire manualmente nel compiere talune operazioni (aprire cancelli,
accendere luci, azionare il riscaldamento ecc.) ma poter operare attraverso un
programma che permette di regolare tutte queste funzionalità nel modo più
automatico possibile.
L’evoluzione di questa prima fase di automazione è la possibilità di rendere il
sistema autonomo senza la necessità di un’interfaccia continuo tra utente e
programma attraverso una sorta di “intelligenza” che possa essere in grado di
agire sempre nel migliore dei modi.
Questo è l’obiettivo che ci siamo prefissati nella realizzazione di Free-Dom: una
cellula capace di rilevare i valori di umidità, temperatura e luminosità all’interno e
all’esterno dell’edificio sul quale è montata, e di conseguenza agire sui diversi
accessori del serramento per rispettare i parametri impostati in precedenza
dall’utente. Il risultato ottenuto è quello di un maggior comfort abitativo, del
raggiungimento del risparmio energetico richiesto con un costo aggiuntivo
decisamente moderato.
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2.1 RUOLO DI FREEDOM NEL RISPARMIO ENERGETICO
Come anticipato Free-Dom è un progetto per ottenere una finestra "intelligente"
completamente autonoma, una cellula modulare dotata di sensori di luminosità,
temperatura e umidità posti sia all'interno che all'esterno del muro sul quale viene
applicata con lo scopo di rilevare le condizioni ambientali e modificare le proprie
regolazioni a seconda delle necessità abitative.
Il principio è quello di garantire all'interno del locale un ambiente confortevole
dove la temperatura, l'umidità e la luminosità sono costantemente monitorate in
modo da mantenerle all'interno del range di comfort prestabilito.
La finestra intelligente è predisposta con sistema di frangisole esterno il quale, in
base all'apporto solare e alla luminosità desiderata, si azionerà chiudendosi e
aprendosi secondo i valori richiesti, garantendo la massima luminosità nella
stagione invernale e gestendo in estate il bilanciamento tra protezione
dall’irragiamento solare e quantità di luce richiesta dall'utente.
La ventilazione forzata, garantita da un modello integrato nel monoblocco del
telaio del serramento, garantisce l'equilibrio tra il comfort e le esigenze
energetiche attivandosi e apportando aria calda o aria fredda sulla base dei valori
rilevati dai sensori interni ed esterni.
Tutto questo viene controllato da un microcontrollore Arduino, che utilizza un
programma appositamente sviluppato capace di "gestire" tutte le funzionalità
della finestra.
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3. COMPONENTI PRINCIPALI DEL PROGETTO

Un microcontrollore Arduino appositamente programmato, che rileva i valori dei
parametri considerati, li elabora e decide quando e come agire (vedi figura 1);

Un
frangisole
elettrico
(schermatura
solare
da
esterno),
gestito
dal
microcontrollore Arduino, che modifica l’inclinazione della lamelle e nei casi limiti
lo apre/chiude del tutto (vedi figura 2);

Uno scambiatore di calore, controllato da un PLC che si aziona per immettere
aria calda/fredda all’interno della stanza, gestito anch’esso da Arduino (vedi
figura 3);

Una cellula monoblocco che include una finestra con tutti gli elementi sopra
elencati che cooperano tra di loro (vedi figura 4).
Figura 1: basetta Arduino
Figura 2: frangisole
Figura 3: scambiatore di calore
Figura 4: cellula monoblocco
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3.1 PROGRAMMA
La struttura dell’algoritmo è semplice: riceve dei dati in input, li elabora in base
alla necessità dell’utente e produce degli output e dei meccanismi decisionali.
1. I dati in input sono i valori rilevati dai sensori di umidità, luminosità e temperatura
posizionati sia all’interno che all’esterno dell’edificio sul quale l’unità è montata.
Attraverso la funzione readSensor() vengono letti i valori di umidità relativa,
luminosità e temperatura trasformandoli in quantità numeriche espresse
rispettivamente in percentuale, Lux e gradi centigradi. I parametri factorConstant
e baseValue sono definiti nelle schede tecniche dei diversi sensori.
2. La necessità dell’utente viene selezionata attraverso il parametro economyMode,
che consente l’individuazione di valori da 0 a 3 e sono riferiti a diverse
configurazioni dell’ambiente (più o meno luminosità, temperatura ed umidità).
3. Gli output sono i due attuatori, i quali attivano il frangisole e lo scambiatore di
calore modificandone il loro stato per il raggiungimento delle condizioni
ambientali richieste dall’utente attraverso l’economyMode.
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4. Per meccanismi decisionali si intendono le decisioni “prese” dall’algoritmo sulla
base dei dati rilevati. I valori del clima esterno, come quello interno, vengono
costantemente monitorati tenendo uno storico delle ultime 24 ore: in questo modo
è possibile valutare la situazione e stabilire in quale periodo dell’anno ci si trova.
L’algoritmo ogni 20 secondi effettua una scelta in base ai valori medi rilevati
esternamente nelle ultime 24 ore, al clima esterno istantaneo e al clima interno
istantaneo. In questo modo l’algoritmo ha una visione ben chiara della situazione
e può decidere al meglio se e come intervenire sugli attuatori.
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3.2 FRANGISOLE
La scelta dei serramenti e del tipo di vetri al momento della costruzione di un
nuovo ambiente, è molto importante essenzialmente per due motivi: aumentare
la qualità dell’ambiente riducendo il rumore e la dispersione di calore (così da
rendere molto più accoglienti e a misura d’uomo le diverse stanze di casa e/o di
ufficio) e recuperare calore dall’irraggiamento solare.
Il sole è una fonte di energia primaria inesauribile, per questo motivo è sufficiente
sfruttare il calore dell’irraggiamento da esso prodotto (apporto solare) attraverso
le finestre per ottenere vantaggi immediatamente evidenti. Questo elemento
positivo di apporto di energia solare in alcuni periodi dell’anno diventa un
elemento negativo nei periodi di maggiore esposizione in cui è necessario evitare
che i raggi solari surriscaldino il serramento, la soluzione ottimale è l’utilizzo di un
frangisole esterno.
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La luce del giorno rende luminoso l’ambiente e può essere indirizzata e dosata a
seconda dell’atmosfera che si vuole ricreare all’interno.
Con l’utilizzo del frangisole è possibile oscurare gli spazi oltre che dosare la luce
del giorno rispettando le specifiche esigenze dell’utente. Entrambe le funzioni
conducono a una riduzione di utilizzo di fonti luminose artificiali, diminuendo i
costi dell’energia e aumentando il comfort dell’ambiente.
Figura 5: esempio di funzionamento del frangisole all’interno dell’edificio
Figura 6: esempio di funzionamento del frangisole all’esterno dell’edificio
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3.2.1 IMPLEMENTAZIONE ALL’INTERNO DEL PROGRAMMA
L’idea di base dell’algoritmo di gestione del frangisole è la seguente: sulla base
della temperatura interna istantanea e della temperatura esterna media delle
ultime 24 ore viene definito un indice di necessità energetica riscaldante, cioè un
parametro che definisce di quanto apporto solare ha attualmente bisogno la casa.
Un’alta temperatura esterna media indica che ci si trova nella stagione estiva e
che quindi dovremo cercare di limitare l’apporto solare per non scaldare
eccessivamente la casa; una bassa temperatura esterna media, invece, indica
una situazione invernale in cui tutto l’apporto solare disponibile è il benvenuto per
riscaldare la casa con energia rinnovabile. Parallelamente una casa molto fredda
avrà bisogno di un alto apporto solare alto (anche in estate) per arrivare a
temperature accettabili mentre una casa molto calda dovrà limitare il
riscaldamento solare (anche in inverno) per evitare di raggiungere temperature
eccessive
L’utente stabilisce un parametro (che abbiamo chiamato economy mode e
assume un valore da 0 a 3) che definisce quanto le esigenze energetiche
dell’edificio devono essere prioritarie su tutto il resto. Con l’economy mode
impostato a 3 dovremo aspettarci una stanza fortemente oscurata per una parte
considerevole dell’estate, scelta indubbiamente vincente da un punto di vista
energetico ma funzionale solo in locali a basso utilizzo diurno come ad esempio
camere da letto; viceversa con l’economy mode impostato a 0 la casa rimarrà
piuttosto luminosa anche in condizioni energeticamente critiche. Sarà cura
dell’utente definire la propria esigenza a seconda dell’uso che si vuole fare
dell’ambiente controllato in ogni istante.
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L’indice di necessità energetica, assieme all’impostazione utente, definiscono un
valore di esigenza di luce che esprime quanta radiazione luminosa (e di
conseguenza calore) vogliamo far entrare nella stanza. Incrociando questo
valore con il dato di radiazione luminosa disponibile, misurata dal sensore di
luminosità esterno, emerge lo stato ideale per il frangisole (un valore S che va da
0 – completamente chiuso – a 1 – completamente aperto).
Porzione di codice per gestire il movimento del frangisole
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3.3 SCAMBIATORE DI CALORE
L’impiego di isolanti termici di qualità e la perfetta tenuta garantita dai serramenti
sono due grandi conquiste della tecnologia che ci permettono di vivere in
ambienti più confortevoli sia dal punto di vista termico che dal punto di vista
acustico, quindi più efficienti e meno costosi nella gestione del risparmio
energetico.
Sicuramente la realizzazione e l’utilizzo di serramenti molto performanti,
impiegati per soddisfare le richieste di risparmio energetico e capaci di impedire
sia l’ingresso che la fuoriuscita di aria, hanno contribuito alla creazione di un
ambiente protetto e isolato, di contro, una possibile conseguenza dell’alta
capacità di tenuta dell’aria è quella di assistere in maniera crescente alla
formazione di sostanze dannose e muffe che rendono l’ambiente poco salutare.
La casa è il luogo a cui fare ritorno per rilassarsi, stare bene e lasciarsi alle spalle
le fatiche e i problemi quotidiani. È il luogo dove tutti noi vorremmo avere un clima
salutare e un ambiente confortevole. Soprattutto oggigiorno quando l’uomo
trascorre l’80% della sua giornata in ambienti chiusi, il clima interno e la qualità
dell’aria influenzano in maniera notevole il senso di benessere.
La soluzione a questi problemi è l’utilizzo dell’aria forzata attraverso degli
scambiatori di calore. Il sistema di ventilazione permette di risparmiare energia,
elimina l’aria esausta dell’ambiente e introduce aria pulita garantendo in tal modo
un clima interno piacevole e costante, assicurando il benessere delle persone.
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Figura 7: scambiatore di calore Beck+Heun AIRFOX
In riferimento all’immagine soprastante, i numeri indicati sono riferiti a:
1.Deviatore
2.Accumulatore di calore in alluminio
3.Gruppo motore con isolante acustico
4.Elemento filtrante
5.Mascherina interna
3.3.1 IMPLEMENTAZIONE ALL’INTERNO DEL PROGRAMMA
L’algoritmo di gestione della ventilazione forzata bilancia due esigenze che
spesso si rivelano contrastanti: l’esigenza di scambiare aria con l’esterno per
abbassare la quantità di anidride carbonica e l’umidità presenti in casa, e
l’esigenza di non immettere aria calda (d’estate) o fredda (d’inverno).
Per gestire entrambe queste necessità viene definito un valore di opportunità di
azionamento della ventilazione forzata che si compone di due valori, una
opportunità di azionamento sulla base della temperatura (che sarà massimo nel
momento più freddo della giornata durante l’estate oppure nel momento più caldo
della giornata durante l’inverno) e una opportunità di azionamento sulla base
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dell’umidità (che sarà massimo quando le condizioni esterne – umidità e
temperatura – sono tali da dare un miglior contributo nel caso di immissione d’aria
proveniente dall’esterno dell’edificio).
L’opportunità di azionamento della ventilazione forzata stabilisce quindi quanto
sia “buono” il momento della giornata per intervenire azionando il ventilatore;
incrociando questo dato con la condizione dell’umidità interna dell’edificio
(misurando la differenza tra l’umidità istantanea e la condizione di “clima ideale”)
l’algoritmo stabilisce se accendere o spegnere la ventilazione forzata.
Alcuni meccanismi di “doppia soglia” evitano il rischio che il ventilatore si accenda
e si spenga continuamente facendo “oscillare” il clima interno della casa intorno
alla soglia di accensione.
Porzione di codice per decidere il valore di opportunità di azionamento della ventilazione forzata
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3.4 CELLULA MONOBLOCCO
La cellula monoblocco non è un ulteriore accessorio per la gestione ambientale
della casa, ma una struttura autoportante costruita con materiale altamente
isolante (polistirene espanso) all’interno del quale vengono posati un serramento
altamente performante, l’oscurante esterno (frangisole) e il sistema di areazione
forzata (scambiatore di calore). Riunisce, in modo ottimale, tutti i componenti
intorno alla finestra facilitandone e velocizzandone l’installazione nelle aperture
lasciate durante la costruzione dell’edificio. Si tratta quindi di una soluzione
costruttiva per una migliore applicazione dei componenti del progetto.
Figura 8: esempio di cellula monoblocco
Figura 9: sezione di cellula
monoblocco
Figura 10: sezione di serramento altamente
performante CoBrì - Comfy and Bright
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4. INTERFACCIA UTENTE
Come già detto in precedenza l’unica operazione manuale che l’utente deve
compiere è stabilire un parametro, chiamato economy mode, il quale definisce il
valore di luminosità, umidità e temperatura che si desidera all’interno della stanza
nella quale Free-Dom è posta.
Questa operazione è resa possibile grazie all’utilizzo di un’applicazione
sviluppata per Android, mediante la quale viene impostato il parametro e inviato
via Bluetooth.
Figura 11: schermata iniziale applicazione
Con il primo bottone (scegli dispositivo BT FreeDom) viene associato il
dispositivo android con il ricevitore Bluetooth posto sulla basetta Arduino (modulo
HC-05, il quale rende possibile lo scambio di dati tra i due dispositivi).
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Figura 12: datasheet HC-05 Bluetooth Module
Il secondo bottone apre un pannello che presenta all’utente una guida per la
scelta del valore dell’economy mode (ad esempio con economy mode impostato
a 3 si ha la necessità di poca luce, quindi consigliato per stanze poco utilizzate
durante la giornata, come una camera da letto).
Figura 13: schermata applicazione “Guida
all’economy mode”
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Occorre poi selezionare il valore dell’economy mode: questo è possibile grazie al
terzo pulsante, il quale fa apparire una schermata attraverso la quale il parametro
viene selezionato.
Figura 14: schermata applicazione per
la scelta dell’economy mode
La ricezione viene gestita come una lettura seriale.
Porzione di codice per la ricezione di dati via bluetooth
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5. ARCHITETTURA HARDWARE
INPUT
OUTPUT
Sensori di
Attuatori applicati
_luminosità
sul monoblocco
_umidità
che cooperano tra di loro
_temperatura
Figura 14: schema della basetta Arduino
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5.1 SENSORI UTILIZZATI
Sensore di umidità: Honeywell HIH-5031, quantità 2, 1 interno e 1 esterno
Sensore di luminosità: Sharp GA1A2S100, quantità 2, 1 interno e 1 esterno
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Sensore di temperatura: Texas Instruments LM335, quantità 2, 1 interno e 1 esterno
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5.2 COLLEGAMENTO TRA SENSORI INTERNI E ESTERNI
Collegamenti verso l’esterno
Collegamenti verso l’esterno
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6. VANTAGGI E POSSIBILI USI
I benefici del progetto hanno un obiettivo di risparmio energetico, quindi una
riduzione dei consumi per la climatizzazione dei locali abitativi; questo risultato
coincide ovviamente con una riduzione dei costi di esercizio del sistema di
riscaldamento/refrigerazione. Tanto più i muri saranno adeguatamente coibentati
e tanto maggiore sarà la prestazione del sistema Free-Dom potendo arrivare ai
limiti della casa NZEB, casa che non genera consumi energetici per il suo
riscaldamento.
Ma i vantaggi del sistema Free-Dom vanno ben oltre questo risparmio in grado
di permettere un ritorno economico dell’investimento perché grandi benefici si
avranno nel comfort abitativo. Il sistema progettato infatti consente un’autonoma
regolazione del sistema di illuminazione e di ricambio d’aria della casa per ogni
stanza a seconda dell’orientamento (est, sud, ovest o nord) e dell’utilizzo del
locale (soggiorno, cucina, studio, salotto, camera). Il software avrà la capacità di
gestire la climatizzazione dell’ambiente sfruttando le condizioni climatiche
esterne migliori per la funzione: d’inverno sfrutterà le ore di maggiore
irraggiamento solare e d’estate proteggerà le stanze da esso; con il tempo
“secco” ne approfitterà per migliorare l’umidità interna, se invece sarà molto
umido eviterà di far entrare umido all’interno e così via. Tutto ciò
continuativamente nell’arco delle 24 ore e indipendentemente che in casa siano
presenti o meno delle persone.
Attraverso il software, inoltre, le scelte climatiche interne non saranno standard,
ma potranno essere tarate sulle esigenze impostate precedentemente dagli
occupanti. Così sarà assicurato il benessere desiderato e non un benessere
standardizzato.
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Un ulteriore vantaggio lo si può proiettare anche nell’effetto antieffrazione. È noto
a tutti quanto sia considerato importante far sì che una casa non appaia, agli
occhi di terzi, come disabitata. Con Free-Dom la casa sarà sempre “in
movimento” come se abitata da più persone: le finestre modificheranno il proprio
stato in continuazione e in modo diverso tra una e l’altra. Esattamente come se
le stanze fossero utilizzate da persone che aprono e chiudono i frangisole a
seconda delle necessità del momento. Un beneficio indotto ma sicuramente un
vantaggio in più.
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7. BIBLIOGRAFIA

www.aldesitalia.it - brochure “Sistemi di ventilazione per abitazioni
monofamiliari e condominiali”

www.sys-tech.it - sito dell’azienda SYSTECH, sistemi e tecnologie per il
legno

www.promica.it – sito azienda PROMICA S.r.l., produttrice di materiali e
prodotti innovativi nel mondo dell'edilizia ecosostenibile a risparmio
energetico

www.reteclima.it – “pacchetto-energy 20-20-20”

www.beck-heun.de – sito dell’azienda Beck & Heun, concezione e
produzione di sistemi termicamente isolanti per finestre
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