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Guida ai PCM, i materiali a cambiamento di fase

I PCM sono materiali termoisolanti innovativi oggetto di studi e ricerche al fine di un possibile utilizzo come energia rinnovabile

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I PCM (Phase Change Material) sono sostanze organiche o inorganiche, di origine naturale o di sintesi, che vengono utilizzate per accumulare e rilasciare energia termica durante il passaggio di fase tra lo stato solido a quello liquido e viceversa, sfruttando quindi la capacità termica sensibile, ma anche quella latente di fusione.

I PCM 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, e infine, ultima categoria e meno presente sul mercato, quella dei materiali eutettici.

Applicazione di materiali a cambiamento di fase per lo sfruttame

Confronto PCM con altri materiali (acqua: rosso, pietra: celeste, legno: verde, plastica: giallo, paraffina-cera: blu)

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. 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 a 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.
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.

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 ecc.) e i classici materiali da costruzione è notevole. 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.

Fig.37-3

Comportamento dei PCM nelle pareti nelle 24 ore

Risultati ben più che positivi si sono ottenuti aggregando le nanosfere di PCM nei pannelli in cartongesso o in legno, nella pasta degli intonaci, nei sistemi di facciata trasparenti (sia vetrati sia in plexiglass), nonché in vari isolanti termici (pannelli, lastre, cappotti, aggregati a spruzzo ecc.), senza contare le potenzialità di impiego anche negli impianti di riscaldamento e raffrescamento passivo, nei collettori solari e negli scambiatori di calore. Esistono inoltre alcuni interessanti PCM derivati da composti inorganici come le soluzioni saline (sali idrati). I sistemi di contenimento utilizzati per questi materiali a transizione di fase sono il macro e il micro incapsulamento oltre all’immersione in matrici porose. Le capsule hanno un diametro di 2-20 µm, e sono comunemente inserite all’interno di pannelli trasparenti in polimetilmetacrilato, molto resistenti anche a fronte di ridottissimi spessori.

Si possono evidenziare i seguenti vantaggi nell’uso dei PCM:
• a parità di peso e in un intervallo di temperatura prossimo a quello di fusione hanno una capacità di accumulo termico 80-100 volte superiore ai materiali tradizionali;
• modificano sostanzialmente il comportamento dell’edificio in funzione delle condizioni esterne;
e i seguenti svantaggi:
• complessità nei tempi di progettazione e applicazione;
• necessità di un packaging in grado di contenere il materiale allo stato liquido;
• necessità di particolari condizioni termiche: la temperatura giornaliera deve superare il punto di fusione, in modo da permettere il cambiamento di fase, e poi scendere sotto il punto di fusione in modo da poter cominciare un nuovo ciclo il giorno successivo.

Fig.37-4

1° Modello funzionale di parete contenente materiali in passaggio di fase

Fig.37-5

2° modello funzionale di parete contenente materiali in passaggio di fase

Fig.37-6

3° modello funzionale di parete contenente materiali in passaggio di fase

Fig.37-7

Strato PCM posizionato nell’intonaco interno

Fig.37-8

Strato PCM interno al muro vicino a intercapedine

Fig.37-9

Strato PCM interno al muro vicino allo strato esterno

Fig. 2.6 e 4-9 rielaborazione da HTT://WWW.SCUOLAESTIVAFISICATECNICA.ING.UNISANNIO.IT

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