Materiali a Cambiamento di Fase per il Retrofit Energetico di Edifici Esistenti: Requisiti, Proprietà e Vantaggi



Al fine di approcciarsi a una riqualificazione energetica degli edifici esistenti in modo sostenibile ed efficace, bisogna conoscere e sperimentare nuove tecnologie. Seguiranno degli approfondimenti sull’applicazione di un “nuovo” materiale (PCM o materiali a cambiamento di fase), ampiamente studiato in campo internazionale, nell’ottica della riqualificazione energetica dell’edilizia popolare italiana degli anni ’80, i cui risultati tuttavia sono decisamente utili in prospettive più ampie.

Materiali a Cambiamento di Fase per il Retrofit Energetico di Edifici Esistenti

Tra i materiali edili innovativi un posto primario viene coperto dai PCM, Phase Change Materials, ovvero materiali a cambiamento di fase. Sono dei materiali accumulatori di calore latente che, sfruttando il fenomeno fisico della transizione di fase, riescono ad assorbire i flussi energetici termici latenti e a immagazzinare molta energia, mantenendo costante la propria temperatura [1].




Nascita e Sviluppo dei Materiali a Cambiamento di Fase

Tessuto-NASA-composto-da-materiale-a-cambiamento-di-fase-pcm

I materiali a cambiamento di fase sono stati inizialmente studiati dalla NASA per applicazioni di tute e strumentazioni, sviluppando un tessuto che nei casi di notevoli oscillazioni delle temperature riuscisse a “mitigare” i cambiamenti di temperatura.

Questo lo si deve ad una compensazione attiva prodotta dal materiale, il quale generava al suo interno un clima ottimo e confortevole, adatto alla persona. La composizione del tessuto è formata da un 37% da PA (poliammide), un 25% da AC (acetato) e soprattutto il 33% da Paraffina, infine il 5% da PU (poliuretano).

In seguito lo studio dei PCM si volse allo sfruttamento delle potenzialità termoregolatrici giungendo fino all’ambito dell’architettura ecosostenibile e della bioedilizia.

Come analizzato in diversi studi [6] i materiali a cambiamento di fase offrono in certi casi un duplice vantaggio:

  • garantiscono più ore di comfort termico a impianto spento, attenuando i picchi e sfasando il flusso termico
  • parallelamente permettono sia l’uso di impianti con potenza inferiore, in quanto non devono più coprire i picchi notevoli di carico termico, sia la loro accensione in fasce di tariffazione di consumo più basse, con un notevole risparmio economico.

I sistemi ad accumulo termico sono visti come un metodo efficace per ridurre il consumo energetico degli edifici sia per il riscaldamento che per il raffreddamento, incorporandoli nei sistemi costruttivi a parete o a finestra.

Tuttavia stimare il loro contributo sul rendimento energetico è attualmente una sfida, come risulta altrettanto complesso valutare la loro corretta integrazione nei sistemi costruttivi. Una sicura base di partenza consiste nell’affrontare la scelta di alcuni parametri quali:

  • la temperatura
  • la quantità di PCM
  • assenza di aggravio per i sistemi tecnologici in cui il PCM viene inserito, ovvero bisogna garantire due aspetti fondamentali: la stabilità dimensionale degli elementi tecnologici, che potrebbero essere soggetti all’espansione del PCM e che possono nello stesso tempo comprometterne la durabilità; non compromettere la resistenza meccanica del sistema nelle fasi di contrazione ed espansione del materiale
  • la posizione del sistema all’interno dell’edificio
  • i carichi termici esterni
  • le specifiche condizioni climatiche
  • la destinazione d’uso
  • il livello di inerzia termica dell’edificio (bassa o alta inerzia)
  • lo scopo dell’uso: ridurre i picchi di carico estivi o invernali.

La-casa-nZEB-con-pcm-come-sistema-termodinamico-attivo

Il vantaggio ottimale dei materiali a cambiamento di fase lo si ottiene usandoli negli edifici cosiddetti “a bassa inerzia termica”, tendenzialmente associati all’edilizia leggera, nata con l’esigenza imperativa di una costruzione veloce e flessibile.

L’edilizia leggera (composta da struttura in acciaio o legno) garantisce un minor impatto ambientale in quanto è meno invasiva nella fase di demolizione in sito, poiché rispetto all’edilizia pesante (strutture in muratura o calcestruzzo) risulta inferiore la quantità di rifiuti e dei costi necessari per l’energia di produzione e trasporto dei materiali [6].

Bisogna sottolineare come un altro fattore positivo di questo tipo di edilizia consista nella produzione meno dispendiosa dei materiali in fabbrica, in quanto garantiscono una notevole versatilità dei pezzi e facilità di montaggio e smontaggio dei componenti in fase di demolizione per il riciclaggio.

Ma ad altrettanti vantaggi corrispondono svantaggi quali ad esempio la bassa inerzia termica che minaccia il comfort all’interno degli ambienti ed infine la vulnerabilità alle fluttuazioni delle temperature, legate ai carichi termici interni ed esterni dell’edificio.

Vengono introdotti in questo scenario i PCM, la cui integrazione nei sistemi passivi garantisce:

  • l’aumento dell’inerzia termica dell’edificio
  • la riduzione dei rischi di surriscaldamento, dovuto ai carichi interni e alla radiazione solare estiva
  • il controllo della variazione termica tra interno ed esterno dell’ambiente
  • la riduzione dei picchi dei carichi termici che comportano un funzionamento degli impianti di raffrescamento a carico pressoché costante e quindi in condizioni ottimali di rendimento
  • l’immagazzinamento dell’energia delle radiazioni solari d’inverno
  • la possibilità di risparmiare sulle spese, spostando il consumo elettrico degli impianti da periodi di picco a fasce non di punta, con conseguente riduzione dei costi
  • la capacità di immagazzinare il raffreddamento naturale dovuto alla ventilazione notturna in estate al fine di rilasciarlo durante la giornata, abbassando in tal modo la temperatura ambiente.

Ovviamente il loro apporto può essere naturalmente positivo nello stesso modo anche per l’edilizia pesante, alleggerendo l’impegno inerziale dei componenti massivi.

Classificazione dei Più Comuni PCM

Paraffina-microcristallina

I materiali PCM sono classificati in:

  • organici: quali acidi grassi, esteri, alcoli, glicoli
  • inorganici: quali sali idrati, derivati dei metalli
  • eutettici: con proprietà intermedie ai due.

La paraffina è il nome corrente dato a una miscela di idrocarburi solidi, le cui molecole presentano catene con più di 20 atomi di carbonio. È ricavata dal petrolio e si presenta come una massa cerosa, biancastra. La paraffina raffinata è bianca, leggermente traslucida, insapore e inodore, untuosa al tatto. Scoperta verso il 1829 da Reichenbach nel catrame di legno, la paraffina esiste anche allo stato naturale. Risulta poco solubile in alcool e acetone, abbastanza solubile in toluene, cloroformio e xilolo mentre è solubile in trementina, benzolo, etere etilico. La sua preparazione industriale deriva dal trattamento degli oli di petrolio.

Negli oli lubrificanti sono presenti sia le n-paraffine, ad alto punto di fusione, sia le isoparaffine, a basso punto di fusione, quelle di interesse all’ambito edilizio, proprio per questa loro caratteristica che più si presta alle normali temperature climatiche.

Cera di paraffina

In campo edilizio si usa soprattutto la Paraffina cera contenuta all’interno di capsule dette microPCM le cui proprietà sono:

  • temperature che variano dai 30 ai 50 °C
  • 80-90% in peso del PCM contenuto nelle capsule
  • stabilità della temperatura fino a 250 °C
  • colore presente in tonalità di bianco
  • dimensione media delle particelle 15-25 micron (dati ottenuti dai laboratori Microtek).

Già sperimentato e con ottimi risultati è il Biogel contenuto in sacchetti di plastica, da inserire nelle intercapedini murarie, come proposto nei muri di un college di Seattle.

Sale di Glauber

C’è poi la soluzione salina, una soluzione di cloruro di sodio in acqua purificata. Con una temperatura di fusione compresa tra i 20 e i 28 °C, è utilizzato l’idrato di sale, ne è un esempio il Sale Glauber. Un processo produttivo largamente usato consiste nell’utilizzo di acque superficiali ad alto contenuto di solfati: nei mesi freddi, a causa della ridotta solubilità, si formano cristalli di sale di Glauber che vengono estratti dall’acqua, scolati e messi in cumuli esposti al sole. Per irraggiamento solare, nei mesi caldi, il sale di Glauber si trasforma in solfato di sodio anidro che quindi viene essiccato, ottenendo un prodotto a titolo relativamente basso (99% max), di solito in grume e più o meno colorato dalle impurezze.

Nel prossimo paragrafo si può notare come tra i più importanti svantaggi per il campo edilizio risulti che i sali idrati, a cui è d’obbligo l’addizione di addensanti, non siano compatibili con i materiali da costruzione, restringendo il campo delle preferenze alle paraffine.

Classificazione dei Materiali a Cambiamento di Fase PCM

PCM organici: paraffine e non paraffine
  • Disponibilità di un intervallo di temperature ampio
  • Elevato calore latente di fusione
  • Solidificazione con valori ridotti o assenza di sottoraffreddamento
  • Alti valori di densità e calore specifico
  • Cambiamento di fase proporzionale
  • Proprietà di autonucleazione, assenza di separazione, buon tasso di nucleazione
  • Riciclabile
  • Stabilità chimica e termica prevedibile: ad esempio buona stabilità del materiale durante cicli termici ripetuti
  • Bassi valori di pressione di vapore allo stato liquido
  • Non reattivo, non corrosivo, non pericoloso
  • Compatibile con materiali da costruzione

PCM inorganici: sali idrati
  • Elevata capacità volumetrica di accumulo di calore latente, ad esempio alta entalpia di fusione
  • Elevato calore latente di fusione
  • Economici e di facile reperibilità
  • Caratterizzati da repentini cambiamenti di fase
  • Elevata conducibilità termica
  • Non infiammabile
  • Basse variazioni di volume
  • Compatibilità con materiali plastici
  • Meglio usare i sali idrati piuttosto che le paraffine per ridurre l’impatto ambientale nella fase di produzione e smaltimento

PCM inorganici: eutettici
  • Temperature di fusione precise (potrebbe essere usato per raggiungere la temperatura di fusione richiesta)
  • Densità volumetrica di accumulo termico leggermente superiore ai composti organici
  • Assenza di separazione e cambiamenti di fase proporzionale

Elementi Svantaggiosi che Influenzano la Scelta di un Materiale a Cambiamento di Fase

PCM organici: paraffine e non paraffine
  • Bassa conduttività termica
  • Bassa capacità volumetrica di accumulo di calore latente, ad esempio bassa entalpia di cambiamento di fase
  • Bassa densità
  • Infiammabile (possibili additivi che ritardano la combustione), non compatibile con contenitori di plastica
  • Economicamente dispendioso (le paraffine commerciali sono più economiche e più disponibili delle paraffine pure e gli acidi grassi sono da 2 a 2,5 volte più costosi delle paraffine tecnologiche)
  • Cambiamenti di volume considerevoli (comunque alcuni acidi grassi possono subire modesti cambiamenti di volume)

PCM inorganici: sali idrati
  • Scarse proprietà di nucleazione e problemi di sottoraffreddamento
  • Liquefazione non proporzionale e deidratazione durante il processo di ciclo termico
  • Separazione di fase durante la transizione e problemi di stabilità termica
  • La loro applicazione potrebbe richiedere l’uso di alcuni agenti addensanti e nucleanti
  • Non compatibili con alcuni materiali da costruzione
  • Corrosivi per la maggior parte dei metalli e leggermente tossici

PCM inorganici: eutettici
  • Scarsa disponibilità di dati sulle loro proprietà termofisiche
  • Alcuni grassi eutettici hanno un odore abbastanza intenso e quindi non sono raccomandati per l’uso in pannelli da parete con PCM

Come Funzionano i Materiali a Cambiamento di Fase?

Meccanismo di funzionamento dei materiali a cambiamento di fase pcm

I PCM sono materiali che sfruttano il fenomeno della transizione di fase per assorbire i flussi energetici entranti. Questa tipologia di materiali sono in grado di accumulare energia termica per rompere i propri legami chimici e liquefarsi, passando da uno stadio all’altro. Vicendevolmente quando la temperatura scende sotto il punto di fusione, i materiali a cambiamento di fase si solidificano cedendo nel contempo l’energia termica precedentemente accumulata, rilasciando calore.

In sintesi si tratta di materiali solidi a temperatura ambiente, che oltre una certa soglia fissata in relazione al materiale usato, si liquefano, accumulando calore latente che viene sottratto all’ambiente. Il calore viene poi rilasciato a basse temperature mentre i pcm solidificano.

Stratigrafia dei materiali a cambiamento di fase

Tendenzialmente i pcm li si ritrovano sotto forma di microcapsule, le quali possiedono un nucleo composto da un materiale PCM che cambia il suo stato fisico ed un guscio esterno di materiale inerte (polimeri molto stabili) che si presenta sempre allo stato solido, allo scopo di contenere il materiale quando si presenta nella sua fase liquida.

Studio dei Parametri Caratterizzanti i PCM

Si riporta di seguito una tabella esplicativa che mostra le proprietà chimico-fisiche, cinematiche, chimiche, economiche ed ambientali dei generici materiali a cambiamento di fase, ed altre dove si indicano i valori della temperatura di fusione e del calore latente di fusione delle principali paraffine e non paraffine usate nelle applicazioni.

Proprietà termiche e fisiche
  • Temperatura idonea per il cambiamento di fase all’interno del range operativo di temperatura desiderato
  • Conduttività termica elevata e buon trasferimento termico
  • Elevato valore di calore latente di passaggio di fase per unità di massa
  • Valori elevati di densità e calore specifico
  • Fusione “congruente” e stabilità termica a lungo termine
  • Equilibrio di fase favorevole e assenza di separazione
  • Variazioni di volume ridotta durante il cambiamento di fase
  • Valori ridotti di pressione di vapore alla temperatura operativa

Proprietà cinetiche
  • Tasso elevato di addensamento e modesto o assente sottoraffreddamento della fase liquida
  • Tasso elevato di cristallizazione

Proprietà chimiche
  • Cicli completamente reversibili di solidificazione e liquefazione
  • Stabilità chimica a lungo termine e assenza di degradazione a seguito di un numero elevato di cicli di liquefazione-solidificazione
  • Non corrosivo e compatibile con materiali da costruzione
  • Non tossico, non infiammabile, non esplosivo

Proprietà economiche
  • Reperibilità e disponibilità
  • Economicamente conveniente

Proprietà ambientali
  • Bassa energia incorporata
  • Facilità di separazione dagli altri materiali e potenzialità di riciclo
  • Basso impatto ambientale e non inquinante

La scelta del tipo di materiale a cambiamento di fase in rapporto alle variazioni termiche tra interno ed esterno specifiche del caso, rientra in una fase molto delicata, in quanto se il sistema costruttivo con PCM non lavora nel periodo di tempo richiesto, non si coglie il potenziale del materiale.

Un altro obiettivo per un’adeguata progettazione risulta essere infatti l’ottimizzazione del quantitativo di PCM: essenziale al fine di ottenere un incremento della capacità di immagazzinamento con un uso minimo [6].

Considerando che l’energia rilasciata è proporzionale al volume del PCM nello stato fuso e che l’energia accumulata è proporzionale al volume in fase solida, ne risulta che la sovrastima della massa potrebbe aumentare il tempo necessario affinché il calore sia rilasciato all’interno, nella fase di scarico, evitando la solidificazione completa del materiale.

Allo stesso modo la sovrastima della massa potrebbe non permettere al materiale di fondersi bene, perché il tempo necessario affinché la trasformazione di stato interessi l’intera quantità di materiale potrebbe essere elevato, superando la fase di riscaldamento all’interno del ciclo giornaliero.

Il volume dei PCM dovrebbe quindi essere selezionato in modo che tutta la massa sia in grado di sciogliersi e solidificarsi, durante le rispettive fasi di cambiamento di stato in un ciclo quotidiano. Pertanto il tipo di utilizzo e l’intervallo della temperatura operativa, sono parametri fondamentali da tenere in considerazione nella scelta dello spessore.

Ma è solo attraverso lo studio della stabilità termica, altra importante proprietà, che si è realmente riscontrata l’importanza della temperatura del punto di fusione e solidificazione come criterio fondamentale di scelta del PCM. Queste variano in base al tipo di PCM, ma soprattutto in relazione al numero di cicli termici che subisce.

L’immagine seguente mostra il generico ciclo termico che subisce il materiale passando dalla fase liquida alla fase solida e identifica il passaggio dei due stadi attraverso la temperatura “TC” di solidificazione e la temperatura di fusione “TF”. La variazione dei due valori di temperatura non è costante, ma varia in base a quante volte il materiale compie i cicli [9].

Ciclo termico di un materiale a cambiamento di fase

I dati delle temperature dei PCM sono legati alla capacità termica, alla conducibilità e densità dei materiali allo stato liquido e solido. Queste proprietà non sono ampiamente disponibili in letteratura e a volte risultano incoerenti a causa dei cicli termici subiti dal materiale nel momento della loro valutazione.

Solo lo studio della stabilità delle proprietà termiche dei PCM, valutate dopo 1000 cicli circa, permettono di valutare accuratamente le temperature e il rendimento a lungo termine del materiale a cambiamento di fase.

Il fenomeno della variazione delle temperature di fusione e solidificazione del materiale in relazione allo spessore dello stesso è molto importante: la tabella seguente mostra come le paraffine raggiungono una variazione di 14 k, passando da uno spessore di 1 mm a uno ancora più ridotto di 1 mm, differenza che aumenta usando altre sostanze organiche o metalliche.

Variazione della temperatura in funzione dello spessore

La valutazione della grandezza del contenitore del materiale è anch’essa importante, il quale deve essere proporzionale all’aumento del volume del PCM nella fase di completa fusione. Questa è condizione necessaria per il risparmio energetico a lungo termine (stagionale), come mostra il diagramma di seguito.

Relazione quantità pcm e tempo di fusione

Più aumenta la quantità di materiale a cambiamento di fase, più aumenta il periodo in cui rimane fuso. Bisognerà trovare il giusto compromesso tra il volume che garantisce la trasmissione di calore e quello che permette un periodo di fusione maggiore.

Esiste un rapporto di linearità tra massa di materiale e tempo di fusione [8]. Si ha la tendenza a valutare il quantitativo di materiale in relazione a un periodo di 24 ore, studiando i cicli di carico e scarico del medesimo, all’interno di una specifica stagione, di solito invernale o estiva.

Finora si è giunti a risultati che attestano il contributo offerto dal PCM relativamente a un ciclo di breve periodo. Si può verificare facilmente che in tal caso il materiale non offre altrettante garanzie di efficienza rispetto a cicli a lungo termine.

Per raggiungere l’obiettivo dell’ottimizzazione del materiale nel gestire cicli brevi (giorno-notte), si dovrà puntare su cicli di scarico-carico veloci, con conseguente spessore ridotto del PCM.

Nel prossimo articolo approfondiremo l’integrazione dei materiali a cambiamento di fase con i diversi sistemi costruttivi.

Approfondimenti:

Fonti:

RIF. 1: WWW.PCMPRODUCTS.NET

RIF. 2: WWW.CASAECLIMA.COM, ANIT. 21 MARZO 2011

RIF. 3: WWW.LAVORIINCASA.IT. CHIAIAZZO VALENTINA, 27 GIUGNO 2012

RIF. 4: WWW.MICRONAL.DE, BASF

RIF. 5: ROADMAP 2050 PER L’ITALIA, DECARBONIZZARE CON LA FISCALITÀ – QUALENERGIA.IT

RIF. 6: REVIEW OF PASSIVE PCM LATENT HEAT THERMAL ENERGY STORAGE SYSTEM TOWARDS BUILDINGS ENERGY EFFICIENCY, N. SOARES, J.J. COSTA, A.R. GASPAR, P. SANTOS. 2012, ENERGY AND BUILDINGS

RIF. 7: APPLICATION OF LATENT HEAT THERMAL ENERGY STORAGE IN BUILDINGS: STATE-OF-THE-ART AND OUTLOOK, YINPING ZHANG, GUOBING ZHOU, KUNPING LIN, QUNLI ZHANG, HONGFA DI, 2006, SCIENCEDIRECT, BUILDING AND ENVIRONMENT

RIF. 8: SIMULATION OF ENERGY STORAGE SYSTEM WITH PHASE CHANGE MATERIAL (PCM), MOHAMMAD ROSTAMIZADEH, MEHRDAD KHANLARKHANI, S. MOJTABA SADRAMELI,, 26 FEBBRAIO 2006, ENERGY AND BUILDINGS

RIF. 9: THE STORAGE OF THERMAL ENERGY BY LIQUID-SOLID TRANSFORMATIONS, LABORATOIRE DE THERMIQUE, ENERGÉTIQUE ET PROCÉDÉS, UNIVERSITÉ DE PAU ET DES PAYS DE L ’ADOUR PAU (FRANCE), JEAN PIERRE DUMAS

RIF. 10: ADVANCED THERMAL ENERGY STORAGE THROUGH PHASE CHANGE MATERIALS AND CHEMICAL REACTIONS – FEASIBILITY STUDIES AND DEMONSTRATION PROJECTS, IMPLEMENTING AGREEMENT ON ENERGY CONSERVATION THROUGH ENERGY STORAGES, INTERNATIONAL ENERGY AGENCY

A cura di Ing. Ilaria Tortorella

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