L'EDIFICIO PASSIVO  Standard - Requisiti - Esempi

Materiali e componenti per edifici passivi

 

Phase changing Materials (PMC)

Accumulatori di calore latenti

 

“Phase Changing Materials” (PCM) sono detti quei materiali che, ad una determinata temperatura, cambiano il loro stato fisico (fase), da solido a liquido e viceversa.

 

Questo cambio di fase consente l’uso di questi materiali come accumulatori di calore (o di freddo), cosiddetti “latenti”. Negli accumulatori latenti, il calore non viene accumulato tramite l’aumento della temperatura della massa accumulatrice (come per esempio nel caso di un serbatoio d’acqua), bensì con lo sfruttamento del cambio di fase tra liquido e solido (esempio: acqua/ghiaccio). L’acqua ha il suo punto di fusione o di solidificazione a 0°C. Raggiunta questa temperatura, l’acqua diventa ghiaccio e il ghiaccio diventa acqua.  Al ghiaccio può essere fornito del calore senza aumentarne la temperatura (calore latente). L’energia fornita serve invece a sciogliere il solido e, solo quando il ghiaccio si è completamente sciolto, la temperatura dell’acqua comincia ad aumentare. L’effetto è reversibile e avviene anche nel caso di cambio di fase tra liquido e vapore.

 

La costruzione di accumulatori di calore latente con l’uso di PCM è allo studio già da molto tempo, ma solo recentemente la tecnologia ha superato lo stato di laboratorio. Finora i PCM sono stati applicati soprattutto nei casi in cui si trattava di ridurre il  numero dei componenti refrigeranti o di guadagnare spazio nei contenitori frigoriferi di merci, nel recupero mobile di calore oppure nell’abbigliamento di lavoro. Accumulatori latenti sono già stati utilizzati anche in edilizia (vedi “L’esempio” in questo numero) ed è prevedibile che, in futuro, l’applicazione della tecnologia aumenterà, perché i PCM assorbono, o emettono, quantità di calore anche relativamente elevate in condizioni di modeste variazioni di temperatura. Si può ottenere quindi un accumulo d’alta densità. Poiché, a temperatura costante, il cambiamento di fase avviene in un periodo prolungato, si ha la possibilità di attenuare le variazioni di temperatura e di evitare surriscaldamenti tramite l’immagazzinamento e l’espulsione di calore.

 

I PMC devono essere scelti secondo l’impiego previsto, ossia secondo la temperatura alla quale avviene il cambio di fase. Un materiale con un alto punto di fusione cede più calore all’ambiente, mentre i materiali con un basso punto di fusione accumulano l’energia termica più a lungo. Per l’accumulo di freddo si usa normalmente acqua (ghiaccio) e soluzioni acquose di sale.  Per l’accumulo di calore possono essere impiegati paraffine, idrati di sale e miscele eutettiche di idrati di sale; l’impiego di idrati gassosi e sali è ancora allo studio.

 

Più usata è oggi la paraffina, un idrocarburo solido, che cambia fase nell’intervallo tra 27 e 35°C. Riscaldandosi assume calore e diventa liquido, mentre quando si raffredda riacquista lo stato solido emettendo il calore assunto. Uno strato di 4 cm di paraffina è in grado di accumulare la stessa quantità di calore (150-180 kJ/kg) di una parete di laterizio pieno dello spessore di 30 cm in condizione di 50°C. 

 

Un elemento di paraffina Foto: Inglas

Un tale accumulatore è stato ideato dall’architetto svizzero Dietrich Schwarz che l'ha impiegato in una villetta a Ebnat-Kappel (Svizzera) che ha ricevuto il Premio solare svizzero 2001. L'elemento accumulatore è una parete vetrata in cui si trovano delle cassette di plastica trasparente riempite con paraffina. La parete accumulatrice ha uno spessore complessivo di soli 106 mm e un valore U di 0,4 W/m2K. In confronto ad un isolamento termico di 30-40 cm si tratta di un’elegante soluzione alternativa. Ecco la sua composizione è la seguente (dall’esterno all’interno):

 

tra due lastre di vetro di sicurezza (6 mm) c’è un’intercapedine (29 mm) in cui è stata inserita una lastra di plexiglas prismatico che riflette la luce all’esterno quando l’altezza del sole supera i 40 gradi. Il vetro esterno è selettivo, ma non quello all’interno. Seguono poi una seconda intercapedine (12 mm) riempita con argon e le cassette di paraffina (PCM, 42 mm) inserite tra due lastre di vetro (6 mm).

 

La paraffina, leggermente colorata, si scioglie sotto i raggi del sole e, solidificandosi quando il sole non c’è più, cede il calore assunto agli ambienti.. La parete accumulatrice rende visibile anche il cambiamento del tempo: quando la paraffina si scioglie diventa più trasparente e più chiara e fa penetrare più luce, mentre quando si raffredda diventa più scura e meno trasparente.

 

Sezione della parete solare della casa di Ebnat-Kappel

Un elemento innovativo della parete è anche la schermatura grazie alla quale si evitano eventuali surriscaldamenti. Si tratta di una lastra di plexiglas prismatico che fa passare solo i raggi solari che incidono quasi perpendicolarmente, ciò che avviene in inverno, mentre in estate, quando la posizione del sole è alta, li riflette. Il funzionamento della schermatura prismatica richiede però un’indispensabile esposizione della parete verso Sud (+/- 20°).

 

La parete accumulatrice sviluppata per la casa di Ebnat-Kappel riunisce le quattro più rilevanti componenti della tecnologia solare: l’isolamento termico trasparente (ITT), l’assorbitore, l’accumulatore di calore e la protezione contro il surriscaldamento.

 

Grazie a un finanziamento da parte dell’Ufficio svizzero per l’energia si è potuto monitorare il comportamento della parete. Dalle misurazioni effettuate si evince che già alla fine d’ottobre i raggi solari attraversano totalmente il plexiglas prismatico. La paraffina comincia sciogliersi dopo tre o quattro giorni consecutivi di sole, con un’irradianza globale di 450 W/m2, ma solo al quinto giorno di sole è completamente sciolta. In queste condizioni la superficie esterna della paraffina raggiunge una temperatura intorno ai 40°C che però diminuisce durante la notte. La temperatura dell’ambiente interno non supera mai i 25°C. In autunno, non sempre la paraffina si scioglie completamente e quando lo fa è solo per breve tempo.

L'EDIFICIO PASSIVO Standard - Requisiti - Esempi

di Uwe Wienke