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Materiali a cambiamento di fase

di Laura Tollis, Architetto


I materiali a cambiamento di fase, anche conosciuti come PCM (ovvero Phase Change Materials), sono degli accumulatori di calore latenti il cui utilizzo nell'involucro di un edificio favorisce fenomeni quali il raffrescamento passivo degli ambienti interni. La caratteristica di questi materiali a cambiamento di fase, che li rende molto utili in termini di risparmio energetico è che la fase di produzione di energia si scorpora dalla fase di utilizzo che avviene in un secondo momento. Il calore, come suggerisce il nome PCM, viene accumulato attraverso un passaggio di stato, ad esempio dallo stato solido a liquido.

Per comprendere meglio il loro funzionamento del raffrescamento passivo degli edifici basti pensare a un esempio pratico come quando raffreschiamo una bottiglia di acqua con il ghiaccio: fino a quando il ghiaccio si scioglie l’acqua resta fresca, dato che il calore viene utilizzato per lo scioglimento del ghiaccio. Analogamente con l’utilizzo dei PCM, è possibile accumulare energia solare di inverno e utilizzarli come cuscinetti per bloccare il calore estivo. Il materiale subisce una modificazione della struttura interna, la temperatura rimane costante fino alla fine del cambiamento di fase e il calore accumulato, seppur non visibile, è presente in modo latente.

In presenza di temperature esterne alte, il PCM, con una reazione endotermica, passa dallo stato solido allo stato liquido con l’utilizzo del calore proveniente dall’ambiente esterno e quindi immagazzina calore da restituire successivamente; quando invece le temperature scendono il PCM ha una temperatura più bassa rispetto all’esterno, e quindi dallo stato liquido si solidifica rilasciando il calore. Il passaggio di fase, nel quale il PCM assorbe il calore, avviene a una temperatura compresa tra i 23° e i 26°.

 

Materiali a cambiamento di fase per l'involucro edilizio

 

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Il primo passo per trasformare questo principio in un sistema tecnologico è stato quello di individuare uno o più materiali che si prestassero a un cambiamento di fase a determinate temperature. Nelle prime sperimentazioni si utilizzò l’idrossido di sodio, che posto all’interno di opportuni contenitori ed esposto ai raggi solari si scioglieva accumulando calore.

L’idrossido di sodio è però un materiale inorganico e poco flessibile, così si optò per la paraffina, che rappresenta ancora oggi il materiale più comunemente usato come PCM. Inoltre i materiali organici, quali la paraffina, possiedono un calore specifico maggiore che si traduce in una capacità superiore di immagazzinare quantità di energia per chilogrammo di massa. Uno dei primi utilizzi della paraffina come PCM si ha in Svizzera nella residenza privata SolarHouse III, realizzata dallo studio Schwarz Architekten a Ebnat-Kappel. L’edificio, a impatto zero, è stato costruito utilizzando elementi prefabbricati in legno e nella facciata vetrata esposta a sud sono state inserite delle cassette di plastica contenenti paraffina.

La ricerca è poi continuata in Germania all’interno in ambito universitario fino a sviluppare sistemi, senza formaldeide, di paraffina microincapsulata da inserire come accumulatore termico latente all’interno di materiali edili. Infatti seppure i materiali a cambiamento di fase, possono avere una forma propria in genere vengono utilizzati come inerte da mescolare all’interno di altri materiali come intonaco, pannelli di cartongesso o di fibra di legno: uno strato di intonaco spesso 30mm con il 30% di PCM raggiunge un potenziale di accumulo termico pari a quello del calcestruzzo da 180mm.

In conclusione i materiali a cambiamento di fase possono essere classificati in organici (paraffina) e inorganici (sali idrati) e nonostante potenzialmente potrebbero essere usati altrettante sostanze come PCM, le paraffine sono le più comuni perché riescono a fondere e solidificare più volte senza degradazione nel tempo, con un basso raffreddamento e non sono corrosivi.

I PCM seppur non sostituiscono la normale coibentazione termica, danno un ottimo contributo alla formazione di una massa di accumulo termico e se correttamente inseriti nel progetto energetico permettono di ridurre i costi per il raffrescamento (utilizzando quindi un impianto più piccolo e servendosi di una minore potenza).

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