Materiali a cambiamento di fase in edilizia, è possibile usarli per il risparmio energetico?

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Materiali a cambiamento di fase: cosa sono, come funzionano e quali sono i possibili impieghi in edilizia per il risparmio energetico

Un’innovativa soluzione tecnologica nella progettazione degli edifici, soprattutto nell’ambito dell’architettura eco-sostenibile, è rappresentata dai materiali a cambiamento di fase, i PCM (Phase Change Materials).

Si tratta di materiali di origine naturale o artificiale, caratterizzati da un punto di fusione vicino alla temperatura di comfort, in grado di determinare una notevole riduzione dei consumi energetici necessari alla climatizzazione degli ambienti.

Pertanto sono particolarmente indicati per essere utilizzati in edilizia.

Materiali a cambiamento di fase, cosa sono e come funzionano

I materiali a cambiamento di fase sono materiali accumulatori di calore latente, che sfruttano il fenomeno della transizione di fase per assorbire i flussi energetici entranti, immagazzinando un’elevata quantità di energia e mantenendo costante la propria temperatura.

I PCM sono solidi a temperatura ambiente, ma quando questa sale e supera una certa soglia, che varia a seconda del materiale, diventano liquidi accumulando calore latente di liquefazione che viene sottratto all’ambiente.

Allo stesso modo, quando la temperatura scende, il materiale si solidifica e cede calore latente di solidificazione.

Materiali a cambiamento di fase in edilizia

I PCM, inizialmente sviluppati dalla NASA, da alcuni anni sono in fase di studio e di sviluppo per l’applicazione nell’architettura ecosostenibile, soprattutto nell’ottica del risparmio energetico.

In particolare, la NASA negli anni ‘60 ha sviluppato il primo materiale a cambiamento di fase in grado di essere utilizzato nelle tute degli astronauti e di contenere gli enormi sbalzi termici e flussi di calore ai quali si è sottoposti nello spazio. Negli anni successivi, grazie anche alla crisi del petrolio degli anni ‘70, l’interesse per queste tipologie di prodotti crebbe notevolmente e si aprirono nuove prospettive
per il loro impiego.

Risultati positivi si sono avuti nella sperimentazione di pannelli in cartongesso o in legno, intonaci, sistemi di facciata vetrati o in plexiglas, isolanti termici, impianti di riscaldamento e di raffrescamento passivo, collettori solari e scambiatori di calore.

Questi materiali termoregolanti rappresentano dunque una soluzione tecnologica innovativa nella progettazione di edifici, perché sono un’interessante sistema per smussare le fluttuazioni giornaliere della temperatura ambiente attraverso la riduzione dei picchi di temperatura interna, e quindi dei consumi energetici necessari alla climatizzazione degli ambienti.

I requisiti che un PCM dovrebbe possedere per poter essere impiegato in edilizia sono:

  • temperatura di fusione intorno ai 25°C
  • elevato calore di transizione di fase (liquefazione/solidificazione)
  • costo accettabile
  • non essere tossico, corrosivo o igroscopico
  • essere disponibile sul mercato in quantità tali da poter essere incorporato nei normali materiali edilizi

Attualmente i PCM più sperimentati in edilizia, perché rispondono a queste caratteristiche, sono i composti organici paraffinici e idrocarburi (ottenibili come sottoprodotti della raffinazione del petrolio o per polimerizzazione) e alcuni inorganici come sali idrati. I sistemi di contenimento utilizzati sono il macro e micro incapsulamento e l’immersione in matrici porose.

Materiali a cambiamento di fase, vantaggi e svantaggi

I vantaggi derivanti dall’utilizzo dei PCM sono:

  • l’aumento dell’inerzia termica delle strutture, anche a fronte di una massa termica limitata
  • l’ottimizzazione del comfort termoigrometrico sia estivo che invernale, in quanto la temperatura superficiale dell’involucro interno si stabilizza intorno alla temperatura di fusione del materiale (solitamente tra i 18°C e i 25°C)

Gli svantaggi legati all’utilizzo dei materiali PCM, invece, sono i seguenti:

  • elevata infiammabilità che ne riduce l’utilizzo a piccole porzioni di involucro
  • costi ancora elevati
  • stabilità delle proprietà con durata pari a circa 20 anni

I materiali a cambiamento di fase, classificazione

In generale i PCM organici possono essere suddivisi in due gruppi: cere paraffine e cere non-paraffine.

Le paraffine sono composti organici che a temperatura ambiente si presentano con una consistenza simile a quella della cera, caratterizzati da una struttura molecolare lineare a catena con una serie di branchie.

I PCM inorganici, o meglio gran parte di essi, possiedono un maggior calore latente di fusione che tuttavia tende a degradare nel tempo, comportando il deterioramento delle prestazioni.
In genere i materiali inorganici vengono suddivisi in sali idrati e materiali metallici.

Paraffine

punto di fusionedai 22°C ai 24°C
calore latente di fusione152 kJ/kg

Sali idrati

punto di fusionedai 18°C ai 30°C
calore latente di fusione250 kJ/kg

Miscele composite

punto di fusionedai 25°C ai 30°C
calore latente di fusione180 kJ/kg

 

Materiali a cambiamento di fase, i sistemi di contenimento

I sistemi più utilizzati per il contenimento dei materiali, che durante la giornata passano dallo stato solido a quello liquido, sono il macro e micro incapsulamento e l’immersione in matrici porose.

Tra le modalità di inserimento nella parete, l’applicazione più comune prevede l’aggiunta di microcapsule ai materiali tradizionali, ossia la miscela in pasta di capsule di PCM con materiali porosi come cemento o gesso o in contenitori rigidi e flessibili (plastici, alluminio, acciaio, ecc.).

Il biogel che rinfresca gli interni

Un esempio di applicazione dei PCM è fornito dall’esperimento compiuto nel Campus Universitario di Seattle; nell’edificio è stato inserito un PCM sotto forma di gel nell’intercapedine tra le mura e i soffitti.

Il gel, che si solidifica durante la notte e si fonde con il calore del giorno, ha dimostrato di poter ridurre la quantità di energia necessaria per raffreddare gli spazi interni, con un risparmio energetico notevole.

L’effetto è lo stesso che si ottiene con mura spesse di calcestruzzo o mattoni, che riducono le oscillazioni di temperatura interna. Il vantaggio è che 1,25 cm di spessore di gel si comportano come la massa termica di 25 cm di cemento.

 

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