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Materiali a cambiamento di fase in edilizia: principi e applicazioni

Indicati con l'acronimo inglese Pcm (phase change materials), i materiali a cambiamento di fase permettono di accumulare calore grazie al passaggio di stato dalla fase solida a quella liquida. L'approfondimento sul loro impiego in edilizia

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di Isaac Scaramella – Ingegnere, libero professionista

I materiali a cambiamento di fase o phase change materials (o PCM) sono materiali che permettono di accumulare calore grazie al passaggio di stato dalla fase solida a quella liquida.
Quando il materiale raggiunge la temperatura di fusione (o melting temperature Tm), il PCM inizia a sciogliersi con una reazione endotermica ed utilizza il calore proveniente dall’esterno per passare dallo stato solido a quello liquido, senza variare la propria temperatura.

La quantità di calore che viene accumulata è quindi pari a:

Q = m·Hm [2.4]

dove:
m è la massa del materiale che cambia di stato [kg];
Hm è il calore latente di fusione, caratteristica propria del materiale [kJ/kg].

In questo modo parte del flusso di calore viene immagazzinato nel materiale.
In modo analogo, quando la temperatura esterna ridiscende al di sotto del valore Tm il materiale a cambiamento di fase solidifica con una reazione esotermica, senza variare la propria temperatura, e rilascia il calore accumulato.

Figura 2.15

Schema funzionale del passaggio di fase del materiale. Il calore accumulato è quello compreso nella banda colorata

L’applicazione dei PCM nell’edilizia
Grazie alla loro capacità di accumulo e rilascio in un momento successivo del calore, i PCM possono essere utilizzati per migliorare le prestazioni estive degli edifici dotati di scarsa inerzia termica svolgendo la funzione di “inerzia artificiale” in poco spessore.
Ad oggi l’impiego in edilizia è stato limitato prevalentemente ad interventi sperimentali, quindi non sono disponibili dati su un elevato numero di edifici.
Grazie ai PCM è possibile interrompere il trasferimento di calore dall’esterno verso l’interno quando la temperatura della parete sale oltre la temperatura di fusione Tm; il trasferimento avviene nelle ore notturne quando è possibile asportare il calore in eccesso con la ventilazione dell’edificio.
Oltre al miglioramento delle qualità inerziali, i PCM possono contribuire anche al buon funzionamento invernale degli edifici, soprattutto nelle giornate soleggiate, quando la temperatura superficiale esterna di una parete può raggiungere valori prossimi a quelli della zona di confort. Il funzionamento invernale è basato sull’accumulo di calore durante il giorno e sul suo rilascio di notte, quando le temperature esterne più basse imporrebbero un carico termico per il riscaldamento maggiore.
I PCM consentono quindi di stabilizzare la temperature interna degli ambienti, riducendone l’ampiezza dell’oscillazione nell’arco della giornata.

Figura 2.16

Temperatura sulla faccia verso l’interno di una parete contenente PCM aventi diversi calori latenti di fusione, indicati in figura con Hm. Grafico tratto da Yinping Zhang, Kunping Lin, Yi Jiang, Guobing Zhou, “Thermal storage and nonlinear heat”

Le caratteristiche dei PCM per l’applicazione nell’edilizia
In fase di progetto di una stratigrafia con PCM la prima scelta da affrontare è quella del materiale da adottare.
La gamma dei materiali definibili come PCM è molto varia, di seguito si riporta uno schema per individuare le varie tipologie e per capire quali siano le più adatte per l’impiego in edilizia.
In primo luogo i PCM possono essere divisi in due categorie: quelli di origine organica e quelli di origine inorganica. Alla prima categoria appartengono i sali idrati, mentre alla seconda le paraffine e gli acidi grassi.
I composti inorganici non sono adatti all’accumulo dell’energia termica in edilizia a causa della possibile irreversibilità dei loro processi di liquefazione e solidificazione, dovuta a problemi di segregazione. Essi possono inoltre presentare inconvenienti derivanti dal fenomeno della corrosione.
Per quanto riguarda i composti organici, invece, si nota che gli acidi non possono essere usati perché nocivi e costosi.
La scelta può quindi ricadere sulle paraffine che hanno temperatura di fusione nel range ideale per le applicazioni in edilizia, non sono tossiche né corrosive e igroscopiche, sono chimicamente stabili e inoltre sono compatibili con la maggior parte dei materiali edilizi.

Fgiura 2.17

Classificazione dei PCM

Il progetto di una parete con PCM
Il parametro chiave da scegliere in fase di progetto è la temperatura di fusione del PCM che non deve essere troppo bassa altrimenti non si hanno condizioni di comfort durante la notte e allo stesso tempo non deve essere troppo elevata perché altrimenti non si accumula abbastanza energia di giorno (la fusione avviene durante un arco di tempo troppo breve).
Osservando la figura, si nota che con temperatura di fusione pari a Tm1 durante la notte la parete avrebbe una temperatura superficiale bassa, tale da causare discomfort; con Tm2 l’accumulo di calore si avrebbe per poche ore al giorno, riducendo l’efficienza della parete con PCM; con Tm3 infine il ciclo di fusione/solidificazione non verrebbe nemmeno a realizzarsi.
Nella scelta della temperatura di fusione inoltre bisogna tenere in conto delle caratteristiche climatiche in cui si opera e metterle in correlazione con lo scopo per cui si andrà ad utilizzare il PCM. Per evitare un eccessivo surriscaldamento estivo in climi molto caldi è opportuno scegliere una temperatura intorno ai 26°C, limite massimo per il comfort.
Nel caso in cui la sollecitazione esterna sia di minor entità e si voglia mantenere la temperatura interna nella fascia centrale della zona di confort è opportuno scegliere PCM con temperatura di fusione intorno ai 23°C.

Figura 2.18

Influenza della scelta della temperatura di fusione sull’efficienza del PCM

Se invece l’obiettivo è contribuire al raffrescamento passivo ed i carichi termici non sono troppo elevati si possono scegliere temperature di fusione attorno ai 21°C.
Oltre alla temperatura di fusione è importante capire la giusta quantità di materiale da impiegare per una determinata applicazione, dato che il calore necessario per il cambiamento di fase, che come visto sarà pari all’energia accumulata e rilasciata dal PCM, è proporzionale alla massa dell’elemento.
Nella Figura 2.19 si riporta un’onda termica con la relativa temperatura di fusione ottimale e dotata di massa sufficiente in modo tale da garantire il massimo accumulo di calore.
Il corretto funzionamento di un elemento costruttivo con materiale a cambiamento di fase dipende anche dalla sua collocazione all’interno dell’edificio: una parete in rapporto diretto con l’esterno dovrà avere caratteristiche diverse da una parete divisoria interna.

Figura 2.19

Rappresentazione della quantità di calore accumulata e rilasciata dal PCM in funzione della temperatura di fusione Tm

In generale si può affermare quanto segue:
parete verso l’esterno
– il risparmio energetico aumenta se cresce il prodotto ρHm (dove Hm è il calore di fusione del materiale e ρ è la densità);
– il comportamento della parete migliora aumentando il calore di fusione Hm o diminuendo la conduttività termica del materiale;
– per ottimizzare il comportamento della parete è necessario scegliere adeguatamente la temperatura di fusione.
pareti interne
– con riferimento alle condizioni climatiche esterne, se con una data configurazione si viene a completare tutto il ciclo di fusione-solidificazione, è possibile migliorare il comportamento della parete aumentando il calore di fusione, che corrisponde quindi al consentire l’accumulo di una quantità maggiore di calore (aumento della quantità di PCM o sostituzione del PCM con uno avente maggior calore latente di fusione);
– nel caso in cui in una data configurazione non si riesca ad arrivare alla completa liquefazione del materiale, l’unico modo per ottimizzare il funzionamento della parete è cambiare PCM, in particolare cambiando la conduttività termica e la temperatura di fusione in base alle condizioni al contorno.

Isaac Scaramella è stato assegnista di ricerca presso il Dipartimento di Ingegneria Civile, Architettura, territorio e Ambiente (Dicata) dell’Università degli studi di Brescia, nell’ambito di un progetto finanziato da Anit in merito agli studi sull’inerzia dell’involucro.
Il contributo è tratto da “Prestazioni estive degli edifici”, uno dei Manuali editi da Anit, l’associazione per l’isolamento termico e acustico. Per acquistare i manuali, clicca qui.
Il 24 novembre a Milano si terrà il Congresso Nazionale Anit, con CFP per gli ingegneri. Per informazioni, clicca qui.

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