Enhancing energy efficiency through sustainable design: development of novel heating system technology to reduce energy consumption and environmental impact in the use phase of professional coffee machines

The importance of the sustainable product design phenomenon has increased over the past few years, which is why there are more and more worldwide technical solutions available to improve product energy efficiency all over the world. A comprehensive review of the literature indicates that there is a large body of knowledge on improving energy efficiency in the sustainable development of products through energy policy/regulations and energy management, but not enough literature exists on the sustainable development of products via energy technology solutions. As a result of the dearth of literature, additional research is needed to support the expansion of sustainable product design. In this context, the present industrial PhD research project, intends to deal this issue through a qualitative analysis in an industrial context of Simonelli Group, the project's sponsor, by developing a patented heating system technology that will increase the energy efficiency of professional coffee machines by consuming less energy. The doctoral thesis investigates the relevance of the coffee machine industry within the broader domain of product sustainability through a qualitative analysis. Subsequently, the monograph demonstrates the potential significance and positive impact of a patented heating system technology for both the academic and industrial spheres. The research methodology employed a sequential literature review approach. First, a review explored sustainable solutions implemented in coffee machine development. This was followed by a second review examining the development of sustainable products that enhance energy efficiency through technological advancements. To address limitations and knowledge gaps identified in the literature review, a Life Cycle Assessment (LCA) analysis was conducted on three professional coffee machines (cradle-to-grave). The primary objective was to identify the most energy intensive components and processes within the use phase of professional espresso machines. Next, a qualitative review of heating technologies utilized in professional coffee machines was performed and presented to the Simonelli board. The purpose was to comprehend both well-established and unexplored areas within the field of coffee machine heating technology. Drawing upon the insights gained from the heating technology review and the company's specific requirements, a novel heating system technology was developed and subsequently patented. Following the implementation of the new heating system technology, a qualitative LCA analysis was conducted on two existing professional espresso machines equipped with the patented technology. The results were then compared to standard coffee machines that lacked this innovative technology. Finally, an additional qualitative LCA analysis was performed on two new hypothetical professional coffee machines equipped with the new heating system technology. The culmination of this research effort is the development and subsequent patenting of a novel heating system technology. This project offers significant advancements in the field of sustainable product design, particularly within the domain of professional coffee machines. This analysis aimed to identify potential improvements within the manufacturing and disposal phases of new product lifecycles. This industrial PhD research project significantly advances the existing body of knowledge in both academic and industrial literature by offering a collection of novel findings. These findings represent an original and valuable contribution to the field of sustainable product design. The research achieves this advancement by delivering a series of first-time contributions to the literature: a comprehensive review of sustainable solutions currently employed in coffee machine development, an examination of sustainable development practices in product design, with a specific focus on leveraging technological advancements to enhance energy efficiency, the development of novel, up-to-date scenarios for calculating energy consumption within professional coffee machines during their use phase, a critical review of heating technologies utilized by leading professional coffee machine manufacturers. an analysis of sensor measurement technologies employed in energy-intensive products, a thorough review of the literature on heating system technologies currently integrated into commercially available professional coffee machines, a comprehensive patent search to identify existing technologies applied to the heating systems of professional coffee machines and to conclude the development and subsequent patenting of a novel heating system technology.

L'importanza del fenomeno della progettazione sostenibile dei prodotti è aumentata negli ultimi anni, motivo per cui sono disponibili sempre più soluzioni tecniche a livello mondiale per migliorare l'efficienza energetica dei prodotti in tutto il mondo. Una revisione completa della letteratura indica che esiste una vasta conoscenza sul miglioramento dell'efficienza energetica nello sviluppo sostenibile dei prodotti attraverso politiche/regolamenti energetici e gestione dell'energia, ma non esiste una letteratura sufficiente sullo sviluppo sostenibile dei prodotti tramite soluzioni tecnologiche energetiche. A causa della scarsità di letteratura, è necessaria ulteriore ricerca per supportare l'espansione della progettazione sostenibile dei prodotti. In questo contesto, il presente progetto di dottorato di ricerca industriale, intende affrontare questa problematica attraverso un'analisi qualitativa nel contesto industriale di Simonelli Group, lo sponsor del progetto, sviluppando una tecnologia di sistema di riscaldamento brevettata che aumenterà l'efficienza energetica delle macchine da caffè professionali consumando meno energia. La tesi di dottorato indaga sulla rilevanza dell'industria delle macchine da caffè, all'interno del più ampio dominio della sostenibilità dei prodotti, attraverso un'analisi qualitativa. Successivamente, la monografia dimostra il potenziale significato e l'impatto positivo della tecnologia di sistema di riscaldamento brevettata sia per la sfera accademica che per quella industriale. La metodologia di ricerca ha impiegato un approccio di revisione della letteratura sequenziale. In primo luogo, una revisione ha esplorato le soluzioni sostenibili implementate nello sviluppo delle macchine da caffè. Successivamente, è stata condotta una seconda revisione che ha esaminato lo sviluppo di prodotti sostenibili che migliorano l'efficienza energetica attraverso progressi tecnologici. Per affrontare le limitazioni e le lacune di conoscenza identificate nella revisione della letteratura, è stata condotta un'analisi del ciclo di vita (LCA) su tre macchine da caffè professionali (dalla culla alla tomba). L'obiettivo principale era identificare i componenti e i processi più energivori all'interno della fase di utilizzo delle macchine da espresso professionali. Successivamente, è stata eseguita e presentata al consiglio di amministrazione di Simonelli una revisione qualitativa delle tecnologie di riscaldamento utilizzate nelle macchine da caffè professionali. Lo scopo era comprendere sia le aree consolidate che quelle inesplorate nel campo della tecnologia di riscaldamento delle macchine da caffè. Sulla base delle intuizioni acquisite dalla revisione della tecnologia di riscaldamento e dei requisiti specifici dell'azienda, è stata sviluppata e successivamente brevettata una nuova tecnologia di sistema di riscaldamento. Dopo l'implementazione della nuova tecnologia di sistema di riscaldamento, è stata condotta un'analisi LCA qualitativa su due macchine da espresso professionali esistenti dotate della tecnologia brevettata. I risultati sono stati quindi confrontati con le macchine da caffè standard prive di questa tecnologia innovativa. Infine, è stata eseguita un'ulteriore analisi LCA qualitativa su due nuove macchine da caffè professionali ipotetiche dotate della nuova tecnologia di sistema di riscaldamento. Il culmine di questo sforzo di ricerca è lo sviluppo e la successiva brevettazione di una nuova tecnologia di sistema di riscaldamento. Questo progetto offre significativi progressi nel campo della progettazione sostenibile dei prodotti, in particolare nel dominio delle macchine da caffè professionali. Questa analisi mirava a identificare potenziali miglioramenti nelle fasi di produzione e smaltimento dei nuovi cicli di vita dei prodotti. Questo progetto di dottorato di ricerca industriale fa avanzare significativamente le conoscenze esistenti nella letteratura accademica e industriale offrendo una raccolta di nuove scoperte. Queste scoperte rappresentano un contributo originale e prezioso al campo della progettazione sostenibile dei prodotti. La ricerca raggiunge questo progresso fornendo una serie di contributi inediti alla letteratura: una revisione completa delle soluzioni sostenibili attualmente impiegate nello sviluppo delle macchine da caffè, un esame delle pratiche di sviluppo sostenibile nella progettazione dei prodotti, con un focus specifico sullo sfruttamento dei progressi tecnologici per migliorare l'efficienza energetica, lo sviluppo di nuovi scenari aggiornati per il calcolo del consumo energetico all'interno delle macchine da caffè professionali durante la loro fase di utilizzo, una revisione critica delle tecnologie di riscaldamento utilizzate dai principali produttori di macchine da caffè professionali, un'analisi delle tecnologie di misurazione dei sensori impiegate nei prodotti ad alto consumo energetico, una revisione approfondita della letteratura sulle tecnologie dei sistemi di riscaldamento attualmente integrate nelle macchine da caffè professionali disponibili in commercio, una ricerca di brevetti completa per identificare le tecnologie esistenti applicate ai sistemi di riscaldamento delle macchine da caffè professionali e, in conclusione, lo sviluppo e il successivo brevetto di una nuova tecnologia di sistema di riscaldamento.