Prestazioni termiche di malte cementizie ibride

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Materiali a cambiamento di fase PCM per applicazioni con climi caldi

Sin dagli anni ’70 numerose ricerche hanno analizzato la possibilità di utilizzare materiali a cambiamento di fase (PCM dall’inglese Phase Change Material) nel settore dell’efficienza energetica come accumulatori di energia termica.

Il principio su cui si basa l’applicazione dei PCM, è lo sfruttamento del calore latente di fusione tra lo stato solido e quello liquido e di solidificazione quando il materiale ritorna allo stato solido.

La capacità termica fornita dai materiali tradizionali deriva solamente dal calore specifico ed è proporzionale alla massa in kg dell’elemento; nei PCM invece al calore sensibile si aggiunge la capacità termica data dal calore latente di fusione.

La capacità termica offerta dai materiali a cambiamento di fase è sfruttabile non solo per elementi dell’involucro, ma anche per gli elementi interni, con l’obiettivo di ridurre le variazioni di temperatura, e per l’accumulo di energia termica.

Inoltre la capacità termica apportata attraverso l’uso dei PCM, è utile al miglior impiego delle fonti rinnovabili e all’incremento della performance degli impianti.

Per comprendere meglio il loro funzionamento, per esempio, nel raffreddamento passivo degli edifici basti pensare a un esempio pratico.

Ipotizziamo di dover raffreddare una bottiglia di acqua usando del ghiaccio: finché il ghiaccio si scioglie l’acqua resta fresca, dato che il calore viene utilizzato per lo scioglimento del ghiaccio.

Nello stesso modo quando usiamo i PCM, possiamo accumulare energia solare di inverno e utilizzarla come cuscinetto per bloccare il calore estivo. In questo caso il materiale subirà una modificazione della struttura interna e nonostante la temperatura rimanga costante fino alla fine del cambiamento di fase, 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°.

Vengono chiamati materiali a cambiamento di fase le sostanze che hanno la capacità di passare dallo stato solido a quello liquido e viceversa, in un intervallo di temperature tali da essere utilizzate per l’accumulo di energia.

Immagini SEM di Micronal DS 5040X: a) macro-palline di PCM; b) dettaglio di micro-capsule aggregate di PCM.

Durante il passaggio di fase avviene la rottura dei legami intermolecolari e/o molecolari, e l’energia termica assorbita per tale processo è definita calore latente di fusione. Il passaggio di fase inizia quanto la temperatura sale fino al punto di fusione.

Il gruppo di ricerca della Solar Energy Materials & Solar Cells”, al quale ha partecipato anche il nostro ingegnere Francesco Grungo, ha condotto delle analisi preliminari per verificare il raggiungimento di benefici di risparmio energetico derivante dall’uso di materiali in passaggio di fase, PCM.

Dopo una prima fase di analisi dello stato dell’arte, si è passati all’impostazione di una metodologia di studio teorica e sperimentale, e all’utilizzo di tale metodo di analisi per effettuare le prime valutazioni sui benefici dell’applicazione di PCM micro incapsulati commerciali in una malta standard in percentuale diversa.

A questo scopo, è stata progettata e realizzata un’impostazione sperimentale innovativa, in grado di testare contemporaneamente due diversi campioni sottoposti allo stesso profilo di temperatura.

I risultati sperimentali sono stati poi utilizzati per convalidare un modello numerico, implementato in COMSOL Multiphysics.

Analisi parametrica di PCM con temperature diverse in condizioni estive.

Infine, è stata condotta un’analisi parametrica per definire la temperatura di fusione ottimizzata per il PCM per l’applicazione mediterranea, al fine di ridurre il consumo energetico complessivo e migliorare le condizioni di comfort all’interno degli edifici sia durante l’inverno che in estate.

Dai dati ottenuti è possibile estrapolare informazioni utili al dimensionamento dello strato di materiale a passaggio di fase e valutare il beneficio in termini energetici dell’applicazione.

Per un approfondimento tecnico più specifico vi consigliamo di leggere l’articolo completo su Science Direct.

Foto credit: Alchimag

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