Come Integrare i Materiali a Cambiamento di Fase con l’Involucro Edilizio



Come integrare i materiali a cambiamento di fase con l’involucro edilizio? Dopo aver valutato la scelta del materiale a cambiamento di fase, basandosi sulla temperatura e sulle proprietà termofisiche dei pcm, si può stabilire quale sia la migliore integrazione con il determinato sistema costruttivo e involucro edilizio. [6]

Si seguono principalmente tre vie:

  1. l’incorporazione dei PCM nei sistemi costruttivi
  2. l’immersione
  3. l’incapsulamento.

Integrazione-dei-materiali-a-cambiamento-di-fase-con-involucro-edilizio

L’incorporazione dei materiali a cambiamento di fase (è il metodo più semplice ed economico) consiste nella miscelazione dello stesso, in fase liquida o in polvere, con materiali edili quali gesso o cemento. Tuttavia in tale modalità si sono verificate perdite e incompatibilità con alcuni materiali da costruzione.

La seconda vede l’immersione del PCM fuso dentro un materiale da costruzione poroso, come blocchi di cemento o gesso e l’assorbimento avviene per azione capillare. Si generano sempre effetti di perdite a lungo termine. Il grande vantaggio di questo metodo permette di convertire pannelli di rivestimento ordinari in pannelli di rivestimento con PCM, in quanto l’impregnazione può essere effettuata in qualsiasi momento e luogo.

L’ultima consiste nell’incapsulamento dei materiali a cambiamento di fase: si genera una capsula che garantisce flessibilità, resistenza alla corrosione, stabilità nel tempo e protegge il PCM da dannose interazioni con l’ambiente, fornendo sufficiente superficie per il trasferimento di calore e facile manipolazione.

Sono state elaborate due forme di incapsulamento:

  • microincapsulazione, in cui ogni particella solida o liquida è circondata da un film continuo di polimeri
  • macroincapsulazione, permette il confezionamento in contenitori singoli (ad es: tubi, sfere, pannelli e altri recipienti) che vengono poi incorporati negli elementi da costruzione.

Incapsulazione-materiali-a-cambiamento-di-fase

Questo sistema può contribuire a superare alcuni problemi di infiammabilità. Tuttavia si ha l’inconveniente della scarsa conducibilità termica e la tendenza alla solidificazione nei bordi. [6]

Tra i molteplici materiali con cui si possono integrare i pcm, si ricordano il legno, il cartongesso, l’intonaco, il plexigass e infine il vetro. Ma possono essere applicati anche a soluzioni impiantistiche di riscaldamento o raffrescamento, ai collettori solari o agli scambiatori di calore. [3]




Vantaggi e Svantaggi dei Materiali a Cambiamento di Fase Applicati all’Edilizia

Parete-con-pcm-e-materiali-tradizionali

Il grande vantaggio dei materiali a cambiamento di fase nell’ambito edilizio risalta soprattutto in relazione all’inerzia termica dei classici materiali edili come pietrame e mattoni, in quanto a differenza di questi, i PCM non dipendono dallo spessore, la conservazione e il rilascio termico infatti sono ottimali anche con massa minima.

Stiamo attenti però in quanto parliamo di inerzia termica in rapporto ai carichi termici interni all’edificio. Per contenere i carichi termici esterni, quali radiazione solare e temperatura dell’aria, occorre che la stratigrafia sia ben progettata anche in tal senso e i materiali massivi hanno in questo caso ottime potenzialità.

I PCM costituiscono un volano inerziale grazie all’impiego di una quantità di materiale circa 40 volte più leggero di un altro tradizionale massivo. Un esempio emblematico si ricava dal confronto di una lastra di gesso di 1,5 cm di spessore, rivestita con PCM a base di Paraffina: questa, con le sue dimensioni minime e peso ridotto, equivale alle prestazioni termiche di un blocco di calcestruzzo pieno di 10 cm di spessore e perfino di un blocco di laterizio da 15 cm.

Bisogna sottolineare inoltre che i PCM, essendo accumulatori di calore intelligenti, che sfruttano la transizione di fase, permetto una riduzione dei picchi giornalieri di energia, consentendo un effettivo risparmio energetico e di climatizzazione dell’ambiente e conseguentemente assicurano una diminuzione delle emissioni di CO2 degli edifici a cui è applicato.

Studi sperimentali su particolari materiali della categoria dei PCM hanno dimostrato che l’applicazione in contesti climatici caldi, come il centro sud italiano, consente di ridurre il consumo energetico e le emissioni di anidride carbonica di circa il 20% e migliora il comfort abitativo in estate e in inverno. Risultati simili si sono ottenuti anche in Germania, mentre addirittura a Londra e a Parigi il risparmio energetico ha toccato la soglia del 30%.

Un altro importante risultato ottenuto da queste sperimentazioni è il risparmio energetico ricavato abbinando questi materiali con un ulteriore strato di isolamento termico che porterebbe perfino a una riduzione del 70%.

Si può aggiungere tra gli apporti positivi che offrono questi materiali, il fatto che essendo dotati di grande inerzia termica con spessore ridotto, nel settore edilizio si garantiscono notevoli recuperi volumetrici.

Infine stando a una recente relazione pubblicata dalla società Lux Research, l’uso di materiali a cambiamento di fase nel reparto costruzioni crescerà dalla quota zero di oggi a 130 milioni di dollari di fatturato annuo entro il 2020.

Tra gli aspetti negativi bisogna evidenziare che la Paraffina risulta un materiale infiammabile, dunque le quantità consentita per le applicazioni sono ridotte per ovvi motivi.

Infine un altro limite lo si scopre nelle stagioni calde, quando si raggiungono temperature molto alte per periodi di lunga durata: in quei casi il rilascio termico durante l’abbassamento notturno di temperatura non avviene totalmente. Questo comporta prestazioni di accumulo termico del materiale più basse con conseguente necessità nelle ore notturne dell’uso di sistemi di raffrescamento notturno o scambiatori di calore per l’eccesso di energia termica.

Aziende Produttrici e Principali Applicazioni dei Materiali a Cambiamento di Fase

Microcapsule di cera pcm

Tra le aziende produttrici di materiali a cambiamento di fase, una delle più importanti è la BASF Italia Spa, la quale realizza pannelli in PCM che contengono micro-capsule Micronal che combinano una elevata inerzia termica e una bassa trasmittanza (conducibilità termica λ = 0,18 W/mK) con soli 15 mm si spessore. [4]

Sono capsule di cera di dimensioni microscopiche, protette da un involucro di plastica per evitare la possibile fuoriuscita dall’intonaco che le contiene, durante il cambiamento di fase della liquidazione.

Applicazione-pannello-Dupont-in-pcm

Altra azienda importante è la DuPont, la quale ha brevettato DuPont Energain: un pannello leggero di 5 mm di spessore, installabile su pareti divisorie per interni, soffitti o dei muri esterni (dall’interno) e sono montati dietro i pannelli di rivestimento a secco ordinarie.

Il sistema assorbe calore appena la temperatura della stanza raggiunge circa 22 °C, rilasciandolo poi quando la temperatura scende intorno ai 18 °C. Questo, secondo l’azienda, può ridurre fino a 7 °C i picchi di temperatura con un notevole risparmio nella climatizzazione estiva (fino al 35%) e nelle spese di riscaldamento invernale (fino al 15%).

Sezione-sistema-vetrato-Glassx

La GlassX produce un sistema di facciata vetrata con materiali PCM: si tratta di una facciata pluristrato composta da vetro di sicurezza esterno da 6 mm, camera d’aria con pannelli frangisole e gas nobile 20 mm, vetro di sicurezza a bassa emissività da 6 mm, intercapedine con gas nobile 20 mm, vetro di sicurezza basso emissivo 6 mm, intercapedine con pannelli a cambiamento di fase 24 mm, vetro di sicurezza che può essere serigrafato con materiale ceramico in base alle esigenze.

Il sistema Glassx è un innovativo sistema tecnologico capace di garantire una illuminazione naturale diffusa, con elevata inerzia termica e una bassa trasmittanza termica (Ug = 0,48 W/m2K) con spessore pari a 78 mm.

Questo sistema di facciata vetrata contiene al suo interno un isolante trasparente, elementi di accumulo di calore e di protezione dall’eccessivo irraggiamento e può essere montato al posto di un normale infisso, mantenendo uno spessore estremamente ridotto. Allo stato solido, il PCM trasmette circa il 25% della luce visibile e più del 40% viene trasmesso quando il PCM è allo stato liquido, in modo che la funzione di illuminazione non sia compromessa.

I vetri Glassx, poiché sono così high-tech, restano ancora molto onerosi (600-1000 $ per metro quadrato). Tuttavia la società GlassX AG afferma che il periodo di ammortamento su queste finestre dovrebbe essere di 5 – 10 anni.

La figura sotto mostra il flusso termico che attraversa questa tipologia tecnologica, nel primo caso estivo nel secondo caso invernale.

Flusso termico stagionale attraverso il sistema vetrato Glassx

I raggi solari estivi con un’inclinazione maggiore di 40° vengono totalmente rifratti dall’elemento frangisole, mentre quelli invernali con un’inclinazione minore di 35° penetrano all’interno del sistema di facciata colpendo direttamente i pannelli PCM. Con questo sistema si assisterà nella stagione invernale a una cristallizzazione del materiale con conseguente opacizzazione della finestratura.

Opacizzazione del vetro con materiali PCM

Importante è anche il contributo della Knauf offerto tramite le nuove lastre in gesso rivestito PCM Smartboard a cambiamento di fase (PCM Smartboard brochure, PCM Smartboard scheda tecnica).

Modalità applicative sistema Knauf PCM SmartBoard

Le lastre Smartboard si possono installare a parete o a controsoffitto su orditure metalliche o in legno con le stesse modalità delle lastre standard in gesso rivestito. Le lastre Knauf Vidiwall, composte di gesso e fibre di cellulosa e pertanto altamente bio-compatibili e per questo certificate dall’Istituto di Baubiologie IBR di Rosenheim, si possono anche combinare in soluzioni miste con lastre in gesso rivestito in funzione della prestazione (acustica, termica, meccanica, antincendio) desiderata.

La compatibilità tra lo stato inerziale del PCM e il sistema struttura e rivestimento, consente l’applicazione a parete, in copertura e a pavimento. L’applicazione integrata alle finestre consente di realizzare schermi dinamici in grado di rapportarsi alle condizioni esterne.

Un grande beneficio in termini di inerzia termica la si ritrova posizionando strati di PCM nel nucleo interno di un sistema di facciata o di involucro edilizio esterno, in corrispondenza di serre bioclimatiche e nelle frontiere trasparenti rivolte a sud. Le applicazioni più comuni nelle pareti sono capsule con diametro 2-20 mm, inserite all’interno di pannelli trasparenti in polimetilmetacrilicato, molto resistenti anche con spessori ridottissimi.

Valutazione dei Limiti dei Risultati Sperimentali sui PCM

Il lavoro portato avanti da N.Soares [6] suggerisce come gli studi sono stati effettuati tipicamente su condizioni estreme, quali la stagione invernale ed estiva e come diversi ricercatori abbiano escluso le condizioni delle stagione intermedie.

In generale i sistemi passivi possono essere ottimizzati per risolvere una sola stagione specifica, pochi studi sono fatti per studiare il comportamento in entrambe le stagioni insieme o perfino per tutte le stagioni.

Come sollecita lo studio effettuato da G.Zhou [7], rimangono ancora alcune difficoltà sui fronti dell’efficacia, dell’affidabilità del sistema e delle applicazioni pratiche di questa tecnologia.

Ciclo di Vita dei Materiali a Cambiamento di Fase

Ciclo-di-vita-materiali-a-cambiamento-di-fase

Altro tema importante è la valutazione del ciclo di vita dei materiali a cambiamento di fase che dovrà eguagliare la durata di vita dell’edificio: si dovranno vagliare diversi fattori quali l’estrazione di materiali grezzi, il trasferimento di materiali primi in materiali da costruzione, il montaggio e la manutenzione dei sistemi, lo smontaggio e la fase di demolizione, lo smaltimento o il riutilizzo dei materiali.

Quindi i due fattori principali che contribuiscono alla sostenibilità degli edifici, si possono riassumere in efficienza dei materiali durante la fase di costruzione e in tutte le altre fasi fino alla fine del ciclo. Infine in efficienza energetica necessaria per il riscaldamento e raffreddamento durante la fase operativa.

L’LCA (life cycle assessment) è una tecnica per valutare gli impatti ambientali associati a tutte le fasi di vita di un prodotto, si compone di quattro fasi successive e interdipendenti:

  1. obiettivi e definizione di portata
  2. inventario del ciclo di vita
  3. valutazione di impatto del ciclo di vita
  4. interpretazione

Nel corso degli ultimi anni sono stati sviluppati diversi studi sul tema della LCA, al fine di confrontare la maggior parte dei materiali da costruzione comunemente usati con gli eco-materiali, avvalendosi di diverse categorie di impatto.

Tali studi sul ciclo della vita del materiale rivestono un ruolo notevole nell’ambito della valutazione della riduzione del consumo di energia per riscaldare e raffreddare, durante la fase operativa della costruzione. Essi determinano se tale energia si può bilanciare con la variazione dei costi di installazione e di produzione.

De Gracia [6], ha valutato l’impatto ambientale dei PCM incorporati in pareti in muratura di un edificio mediterraneo. I risultati mostrano che l’aggiunta del materiale a cambiamento di fase, sebbene diminuisca il consumo di energia durante l’uso dell’edificio, non riduce in modo significativo l’impatto globale per tutta la sua durata. Tuttavia nell’ipotetico scenario di considerare le condizioni estive tutto l’anno e una durata del fabbricato di 100 anni, l’uso del materiale innovativo riduce l’impatto complessivo di oltre il 10%. Il vantaggio del loro utilizzo lo si ottiene solo se si prende in considerazione la lunga durata dello stesso. Dall’analisi del ciclo di vita in uno scenario reale è stato stimato una loro efficacia della durata di 25 anni per i sali idrati e di 61 anni per le paraffine [6].

Il Mercato dei Materiali a Cambiamento di Fase

La crescita del mercato globale dei PCM è guidata dalle applicazioni tecnologiche del materiale. È prevista una crescita del mercato globale dei PCM con un tasso annuo stimato del 31,7% dal 2010 al 2015.

Uno studio [6] mostra come i materiali a cambiamento di fase possono immagazzinare energia a tariffa scontata o gratis dall’ambiente. I costi di installazione risultano comunque alti, ma in fase operativa dovrebbero essere compensati. Il tempo di ritorno dell’investimento di un sistema con PCM è fortemente influenzato dal prezzo dei materiale usato e dal prezzo di energia risparmiata.

La fattibilità economica di un sistema con PCM può essere valutato partendo da un certo numero di volte di utilizzo, fino a quando l’investimento viene ripagato. Lo studio [10] mostra la seguente equazione, come relazione da seguire per determinare il Pay back Time, il tempo di “ritorno”, legato al prezzo del PCM “P”, al calore immagazzinato “L” e al risparmio di energia ottenuta dal sistema:

Calcolo-tempo-di-ritorno-rispetto-al-prezzo-del-pcm

I risultati di alcuni studi hanno dimostrato che l’uso dei sistemi PCM negli edifici potrebbero ridurre significativamente i costi di climatizzazione invernale ed estiva, dal 10% al 20%. [6]

I PCM e le Emissioni di Anidride Carbonica

Le residenze che oggi vengono chiamate Casa clima Oro, piuttosto che Casa clima B, secondo i criteri dell’Agenzia Casa Clima di Bolzano, sono edifici che hanno una emissione di CO2 ridotta rispetto a quella della media nazionale, grazie all’efficienza energetica del loro involucro e quindi a un ridotto consumo energetico per il riscaldamento invernale e il raffrescamento estivo. [2]

Dobbiamo tuttavia tener presente che non sempre i materiali utilizzati sono stati prodotti emettendo una bassa quantità di anidride carbonica.

I PCM, pur garantendo un grande beneficio dal punto di vista energetico, sono in parte derivati del petrolio, quindi non si ha un effettivo vantaggio in termini di CO2 emessa. Al contrario altri materiali come ad esempio il cemento ecofriendly, prevalentemente silicato di magnesio, richiede temperature meno elevate (e quindi meno dispendio di energia) rispetto a quelle raggiunte nei forni dal cemento tradizionale e risulta capace di assorbire grandi quantità di CO2 mentre si solidifica, oltre addirittura dopo la fase di solidificazione.

Non si può riuscire a garantire un vantaggio in termini di riduzione di anidride carbonica su tutti i fronti: consumo energetico, produzione dei materiali, emissioni durante il ciclo di vita di un edificio. Questo perché se si ottiene un risultato in un campo, ne si ottiene un fallimento in un altro: ne è un esempio il PCM, che ha prestazioni termiche notevoli a parità di dimensioni, ed emissioni lievemente nocive in quanto derivato del petrolio, rispetto ad altri materiali quali ad esempio il legno.

È pur vero che impostando un’analisi riferita al risparmio dei consumi energetici da un punto di vista impiantistico, i PCM hanno pochi eguali nella categoria di materiali a grande inerzia termica, rispetto all’emissione di CO2 per la loro produzione: la lana di roccia infatti, tra i principali isolanti, non offre le stesse prestazioni e inoltre ha lo svantaggio di derivare da un processo di produzione che emette grandi quantità di anidride carbonica, dovendo raggiungere per la sua temperatura di fusione i 1500 °C.

La produzione di paraffina è legata alla raffinazione del petrolio, ma è utile evidenziare che risulta un sottoprodotto del processo produttivo dei carburanti e lubrificanti e se non fosse così utilizzata, sarebbe bruciata malamente nelle torce che sovrastano le raffinerie. In aggiunta si può dire che la paraffina è una sostanza estremamente stabile, non reagisce con nessuna sostanza chimica e quindi ha un impatto ambientale pressoché nullo.

Esistono comunque dei PCM di origine naturale, vegetale, quali particolari oli, ma come facilmente intuibile ci si ritrova nella considerazione che per quanto sia garantita una emissione di CO2 bassissima per la loro produzione, non forniscono delle prestazioni confrontabili e durature.

Prospettive Future dei Materiali a Cambiamento di Fase

Le prospettive future dei PCM prevedono una concentrazione dell’attenzione nel campo della ricerca [6]:

  • sulla selezione della tipologia del Pcm
  • sui modelli di validazione dello sviluppo globale dei Pcm
  • sulla copertura di un vasta gamma di Pcm
  • sulla loro giusta posizione all’interno dei sistemi passivi
  • sulle migliori posizioni del sistema passivo all’interno del fabbricato
  • sulla conformità dei vari strumenti di analisi del materiale.

Nella Cina occidentale è stato recentemente lanciato un programma pilota di “riscaldamento alternativo”, all’interno del quale sono state valutate le proprietà di altri PCM ricavati dal burro di Yak e da altri oli vegetali locali. Questi sono usati da alcuni pastori di Yak per stare al caldo durante le loro trasferte.

Uno studio più accurato potrebbe portare a delle applicazioni anche in campo edilizio, che porterebbero al grande vantaggio dell’avvalersi di materiali ecosostenibili e non derivanti da processi di lavorazione del petrolio.

Il funzionamento di questi oli è pressoché il medesimo della paraffina: avvolto nella plastica e nei tessuti con gli abiti, il composto si scioglie quando i pastori sono in movimento per raggiungere gli alpeggi, mentre si solidifica una volta che sono fermi, cedendogli lentamente il calore accumulato [5].

I materiali a cambiamento di fase sono un’interessante soluzione come integrazione inerziale di edifici leggeri e nel recupero di edifici esistenti dotati di poca massa:

  • la loro leggerezza non appesantisce la struttura del fabbricato
  • non sono invasivi rispetto ai volumi esistenti grazie allo spessore ridotto delle applicazioni tecnologiche del materiale
  • garantiscono un’inerzia termica facilmente programmabile in relazione alla temperatura che si vuole ottenere all’interno.

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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