Risparmio Energetico sui Condizionatori: I Materiali a Cambiamento di Fase (PCM)



I materiali a cambiamento di fase (PCM, Phase Change Materials) sono materiali di origine naturale o artificiale i cui punti di fusione possono essere fissati a temperature vicine a quelle di comfort. Si possono perciò sfruttare come accumulatori di energia durante il loro passaggio di fase a vantaggio dei risparmi energetici sul condizionamento in fase estiva.

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Photo credit: b-tal

Da più di vent’anni i materiali a cambiamento di fase sono oggetto di studi e ricerche al fine di un possibile utilizzo come energia rinnovabile. Negli ultimi 10 – 15 anni, la ricerca sul calore latente e sui materiali per l’immagazzinamento di energia termica si è evoluta rapidamente e l’uso dei PCM in edilizia si sta diffondendo sempre di più, grazie alla presenza sul mercato di un numero crescente di prodotti che utilizzano tale tecnologia.

L’ostacolo principale di qualsiasi dispositivo di raccolta di energia destinato a fornire il riscaldamento di una abitazione è la necessità di conservare il calore raccolto per l’uso in una fase successiva.

L’accumulo di calore latente fornisce uno strumento pratico per immagazzinare energia solare raccolta durante la giornata, per l’uso durante la notte o quando c’è necessità. Il calore latente di accumulo e di scarico durante il cambiamento di fase può essere illustrato con l’esempio più classico: l’acqua.

Ci sono due zone di temperatura dove si verifica questo carico e scarico del calore latente:

  • fase di carico, quando l’acqua si trova in uno stato cristallizzato (ghiaccio), e viene sottoposta ad una fonte di calore, si osserva un aumento della temperatura con conseguente fusione e accumulo del calore latente;
  • fase di scarico, che si verifica quando l’acqua passa dallo stato liquido allo stato cristallizzato, dopo essere stata raffreddata cedendo calore. Questo processo è simile a ciò che può avvenire a 100 gradi centigradi: ebollizione con conseguente immagazzinamento di calore e condensazione con conseguente scarico.




Il calore latente di accumulo e di scarico per l’acqua a 100 gradi centigradi è scientificamente definito calore latente di vaporizzazione e il calore di accumulo e di scarico a 0 gradi centigradi è chiamato calore latente di fusione. Nel caso dei materiali a cambiamento di fase per usi edilizi viene preso in considerazione solamente il calore latente di fusione.

Il funzionamento dei PCM è quindi basato sul processo di accumulo e scarico, nelle condizioni e nei tempi voluti, del calore esterno o precedentemente accumulato.

Il problema è individuare opportuni materiali che abbiano un punto di cambiamento di fase corrispondente alla temperatura di comfort da ottenere. Tali materiali sono usati in edilizia per ridurre i consumi energetici necessari alla climatizzazione degli ambienti. In sostanza accumulano calore di giorno, sottraendolo all’ambiente interno, per rilasciarlo di notte quando la temperatura esterna si abbassa.

La capacità di accumulo tra i materiali destinati a tale funzione (paraffina, cere…) e i classici materiali da costruzione è notevole come si vede dal grafico sottostante.

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Photo credit: Termofisica involucro edilizio

I materiali a cambiamento di fase operano quindi un cambiamento di fase giorno/notte, sfruttando il differenziale di temperatura delle diverse ore del giorno. Nel momento in cui la temperatura (T) supera un certo valore di soglia, essi si sciolgono accumulando calore che viene sottratto all’ambiente; se la T scende, il materiale si solidifica e cede calore.

I materiali che contengono i PCM possono essere diversi:

  • cartongesso,
  • legno,
  • intonaco,
  • plexiglas,
  • cemento

e possono essere applicati anche in soluzioni impiantistiche, quali riscaldamento, raffrescamento, collettori solari e scambiatori di calore.

I PCM sono materiali termoregolanti che ottimizzano le fluttuazioni giornaliere della temperatura attraverso la riduzione dei picchi di calore interni, consentendo un risparmio energetico e di climatizzazione dell’ambiente.

I più utilizzati sono i materiali a cambiamento di fase organici, di cui fanno parte le paraffine e gli acidi grassi. Vi sono poi materiali inorganici, come i sali idrati ed infine, ultima categoria e meno presente sul mercato quella dei materiali eutettici.

A cura di Paolo Albertino

Approfondimenti

BIBLIOGRAFIA

Austin R. TES Systems limited. UK : s.n., 1994. p. 2.

Albertino Paolo. Materiali a cambiamento di fase (PCM) in edilizia. Sperimentazioni sull’involucro a blocchi portanti e su rivestimenti ad intonaco. Politecnico di Torino, Torino ,: 2009. p. 2.

Bonacina C., Cavallini A., Mattarolo L. Trasmissione del calore. Bologna : CLEUP editore, 1993.

McKay.E.M, Bromley.A.K.R &. Incorporating Phase Change Materials into the Building Fabric. CIBSE Conference 1994.

Serway Raymond A. Principi di fisica. James Madison University, Pomona : EdiSES, 2002.

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