- scritto da Ernesto Donciglio
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I materiali a cambiamento di fase per l’involucro edilizio
I materiali a cambiamento di fase, Phase Changing Material (PCM) nella terminologia anglosassone, sono materiali che, sfruttando l’energia termica latente scambiata a temperatura costante durante i passaggi di fase, accumulano grandi quantità di energia mantenendo costante la propria temperatura. I materiali a cambiamento di fase con una temperatura di fusione molto vicina ai livelli di comfort, utilizzati per l’involucro edilizio contribuiscono alla riduzione dei consumi energetici sia nella stagione invernale che in quella estiva. Riescono infatti ad incrementare l’inerzia termica dell’involucro edilizio mantenendone al contempo la temperatura pressoché inalterata, stabile intorno al punto di fusione del materiale.
INVOLUCRO EDILIZIO: L'ALLUMINIO PER RISTRUTTURARE E RISPARMIARE ENERGIA
Normalmente i materiali a cambiamento di fase si presentano allo stato solido. Quando le temperature si innalzano rompono i propri legami passano a quello liquido, accumulando una grande quantità di energia termica che sarà poi rilasciata negli ambienti durante le ore più fredde della giornata, quando si ripresenteranno le condizioni per il ritorno alla fase solida. In commercio i materiali a cambiamento di fase si trovano perlopiù incapsulati in un materiale inerte che non varia mai il proprio stato fisico in modo da poterli contenere anche nelle fasi in cui sono liquidi.
La scelta dei materiali a cambiamento di fase
Per sfruttare pienamente le potenzialità dei materiali a cambiamento di fase, consentendogli di lavorare nel periodo di tempo richiesto, bisogna considerare che lo scambio di energia possibile dipende non solo dalle caratteristiche del materiale ma anche dal suo volume in fase solida.
La scelta della tipologia di materiale e il suo dimensionamento devono dunque avvenire sulla base delle variazioni termiche che normalmente si registrano nell’arco della giornata: è essenziale che il materiale abbia una temperatura di fusione compatibile con l’uso che ne verrà fatto, tendenzialmente intorno ai 25°C, e che il suo volume sia tale da permettere quotidianamente la liquefazione e la successiva solidificazione dell’intera massa.
Oltre a considerare questi aspetti, nella scelta del materiale a cambiamento di fase è necessario valutare anche le seguenti proprietà:
- calore latente di fusione, che deve essere elevato per avere degli scambi di energia termica il più possibile isotermi;
- densità, che deve essere discretamente alta al fine minimizzare le dimensioni necessarie ad ottenere delle prestazioni soddisfacenti;
- stabilità chimica, essenziale per evitare la rapida perdita delle prestazioni nel tempo;
- compatibilità con i materiali da costruzione con cui dovrà entrare in contatto;
- disponibilità in natura e facilità di reperimento, che dovrebbero determinarne anche un costo accessibile;
- tossicità nulla.
I materiali che maggiormente rispondono a queste necessità e che pertanto sono attualmente più utilizzati sono le paraffine e i sali idrati.
Le paraffine
Le paraffine sono composti organici prodotti attraverso la raffinazione del petrolio che a temperatura ambiente hanno una consistenza simile a quella della cera. Come tutti i composti organici sono in grado di compiere numerosi cicli di solidificazione e liquefazione senza alterare il proprio calore latente di fusione.
I sali idrati
I sali idrati sono gli unici composti inorganici utilizzati con discreto successo come materiali a cambiamento di fase; si tratta di solidi cristallini in cui i passaggi di stato sono in realtà la disidratazione e l’idratazione del sale. Rispetto alla paraffina sono meno costosi ma presentano l’inconveniente della fusione incongruente: durante la cristallizzazione non viene rilasciata acqua a sufficienza per avere la completa dissoluzione della fase solida presente e questo provoca il deposito sul fondo dei sali meno idrati, che hanno maggiore densità, e una perdita progressiva della reversibilità del cambiamento di fase.
Il futuro dei materiali a cambiamento di fase
I materiali a cambiamento di fase sono nati negli anni ’60 in campo aeronautico e fin dal decennio successivo se ne sono comprese le potenzialità nel settore dell’efficienza energetica in edilizia.
Oggi la ricerca e la sperimentazione su questi materiali potrebbero determinare il superamento del classico strato termoisolante nell’involucro edilizio che, nonostante sia in grado di ridurre le dispersioni di calore durante il periodo invernale, non è pienamente efficace nel controllo delle oscillazioni di temperatura provocate dall’irraggiamento solare estivo. Con la loro capacità di incrementare l’inerzia termica dell’involucro edilizio, infatti, i materiali a cambiamento di fase potrebbero costituire un’efficace risposta alla necessità di riqualificare il patrimonio edilizio esistente in quelle aree del Mediterraneo in cui il vero problema si presenta durante i mesi caldi dell’anno, quando negli edifici si registrano fenomeni di surriscaldamento e di conseguenza crescono i consumi legati al loro raffrescamento.
