L’attivazione della massa e i materiali a cambiamento di fase per l’involucro edilizio opaco: presentazione di risultati di simulazioni numeriche e analisi critica di esiti sperimentali
Parte Prima
prof. Paolo Principi, Dipartimento di Energetica
Università Politecnica delle Marche
Scuola Estiva di Fisica Tecnica 2008
Benevento, 7-11 luglio 2008
termofisica dell’involucro edilizio
Passaggio di fase Liquido
latente
Solido
sens
ibile
sens
ibile
Energia termica
materiali di origine naturale o artificiale i cui punti di fusione possono essere fissati a temperature vicine a quelle di comfort.
Materiali a cambiamento di fase
Phase change materials (PCMs)
Si possono sfruttare come accumulatori di energia durante il passaggio di fase.
organiciinorganici
paraffine acidi grassisali idrati
LIQUIDOSOLIDO
assorbimento di energia
rilascio di energia
Ciclo giornaliero
applicazioni in edilizia
PCM
Inserito nella parete
_ Superfici interne - incremento della massa termica
- riduzione delle oscillazioni di temperatura
- riduzione dei consumi per la climatizzazione
- incremento del comfort microclimatico
_ Superfici esterne - riduzione dei carichi termici estivi
- sfasamento del flusso termico
- riduzione delle oscillazioni di temperatura
- incremento del comfort microclimatico
- riduzione dei consumi per la climatizzazione
_ Passive solar wall- incremento dei guadagni termici
- riduzione dei consumi per la climatizzazione
materiali a cambiamento di fase – applicazioni
altre applicazioni
ingegneria aerospaziale
contenitori per medicinali ed alimentari
vestiario per usi speciali
sottopavimento
scambiatori di calore
murature
applicazioni in edilizia
0
50
100
150
200
250
KJ/K
g
AcquaPietraLegnoPlasticaParaffina - cera
confronto dei PCM con altri materiali utilizzati nelle costruzioni
nella capacità di accumulare energia termica
Classificazione dei Materiali in Passaggio di Fase
classificazione dei materiali in passaggio di fase
Caption. Arial 14
PCM
organici
inorganici
eutettici
paraffine
non-paraffine
sali idrati
metalli
organici-organici
organici-inorganici
inorganici-inorganici
paraffine
composti organici che a temperatura ambiente si presentano con una consistenza simile a quella della cera, caratterizzati da una struttura molecolare lineare a catena con una serie di branchie
contengono in esse una componente maggiore degli alcani caratterizzati da una formula
CnH2n+2
che normalmente rappresentano una parte che va dal 75 % al 100 %
paraffine
il punto di fusione cresce al crescere del numero di atomi di carbonio
le sostanze aventi alcani contenenti 14-40 atomi di carbonio presentano punti di fusione che vanno dai 6°C ai 80°C
sali idrati
composti della famiglia degli inorganici, sono caratterizzati da una formula chimica del tipo
M nH2O
dove M sta ad indicare un composto inorganico
punti di fusione vanno dallo 0°C ai 120°C
il costo risulta essere spesso molte volte inferiore a quello delle paraffine.
sali idrati
Uno dei sali idrati maggiormente utilizzati nelle varie applicazioni è il sale
Na2SO4 10 H2O
cioè il solfato di sodio decaidrato, chiamato comunemente sale di Glauber dal nome del suo scopritore Johann Rudolf Glauber (1604-1668)
presenta un punto di fusione pari a 32,4 °C
eutettici
sono miscele di diverse sostanze il cui punto di fusione è inferiore a quello delle singole sostanze stesse.
Facendo una miscela di questo tipo si ha il vantaggio ottenere punti di fusione diversi da quelli dei materiali originari
miscele senza problemi di supercooling o stato liquido incongruente
materiali reperibili in commercio
vantaggi svantaggi
organici •Semplici da usare•Non corrosivi•No a fenomeni di sottoraffreddamento•No ad agenti di nucleazione•Riciclabili
In genere più costosiPiù basso valore del calore latente Spesso campo di fusione allargatoAlto valore di variazione di volume in
cambiamento di fase Possono essere combustibiliPossibili reazioni con il calcestruzzo
saliidrati
•In genere economici•Buon valore di calore latente•Elevata conducibilità termica•Valore fisso di temperatura di passaggio di fase •Non infiammabile•Biodegradabile e riciclabile
bisogno di accurata preparazioneBisogno di additivi per stabilità a lungo
termine Prone al sottoraffreddamentoPossibilità di corrodere alcuni metalli
Un PCM per essere ben adattabile in un edificio dovrebbe rispondere a diverse categorie di requisiti
requisiti termodinamici
requisiti chimici
requisiti economici
requisiti termodinamici
•punto di fusione compreso in un particolare intervallo di temperature
•elevato calore latente di fusione per unità di massa
•elevata densità
•elevato calore specifico
•congruenza di fusione
•non sensibile cambiamento di densità nelle diversi fasi e a diversa temperatura
requisiti chimici
una stabilità chimica
una non decomposizione chimica del prodotto, almeno nella vita utile di questo
non corrosività rispetto ai materiali da costruzione
non tossicità
non infiammabili
non esplosività.
requisiti economici
larga disponibilità di materiale
costi del materiale contenuti
Contenitori per Materiali in Passaggio di Fase negli usi in edilizia
RubithermEPS
EPSGlassX
Paraffine
In polvere
contenute in capsule
Sali
in polvere
Modalità di inserimento nella parete
miscela in pasta di capsule di PCM con materiali porosi come cemento o gesso
Macrocapsule PCM Microcapsule PCM
Immagine al microscopio dimicrocapsule di PCM miscelate con gesso per applicazione ad intonaco
8 μmintonaco
Parete leggera
microcapsule
Intonaco di gesso Densità [kg/m3]
Calore specifico [kJ/kg K]
Conducibilità W/m K
Calore latente [kJ/kg]
Convenzionale 696 1.089 0.173 0 10% PCM 720 1.215 0.187 19.3 16% PCM 760 1.299 0.192 31.0 20% PCM 800 1.341 0.204 38.9 30% PCM 998 1.467 0.232 58.3
matrici di calcestruzzo contenenti Paraffina
• Ottimo comportamento energetico
• Difficoltà di omogeneizzare il materiale durante la lavorazione
• Perdita di resistenza meccanica all’aumentare della concentrazione di PCM
• Minima resistenza al Fuoco
modalità di inserimento nella parete
polimeri
acciaioalluminio
Tipologie di contenitori dei PCM per l’installazione a parete
metallici
plastici
Inserimento del PCM in contenitori rigidi e flessibili
Contenitore flessibile
Aria miscelata al PCM Segregazione del sale
Deformazione dopo alcuni cicli Foratura della busta
Pannelli in policarbonatoriempiti di paraffina
Contenitore rigido
Stabilità nel ciclo di vita dei Materiali in Passaggio di Fase
stabilità dei PCM
Stabilità delle proprietà dei PCM dopo un numero rilevante di cicli di passaggio di fase da solido a liquido e viceversa
20 anni 7300 cicli
Il maggior problema, usando sali idrati come PCM, è che la maggior parte di essi fonde incongruentemente
la capacità termica dei Sali puri diminuisce rapidamente da un valore iniziale di 238 kJ/kg a quello di 63 kJ/kg dopo 40 cicli.
tecniche di misura
DSC (Differential Scanning Calorimetry)
Misura la variazione nel tempo dell’energia scambiata con il provino di PCM.
Il risultato della misura è il diagramma energia tempo
TA (Thermal Analisys)
Misura la variazione di temperatura nel tempo del provino di PCM.
Il risultato della misura è il diagramma temperatura - tempo
Stabilità of PCM
Analisi calorimetrica per misurare le proprietà termiche del Phase Change Material
Cicli accelerati carica-scarica per ottenere, in breve tempo, il comporamento del PCM dopo molti cicli di fusione solidificazione
analisi al calorimetro
Ener
gia
spec
ifica
[kJ/
kg]
numero di cicli
Modelli funzionali di pareti contenenti Materiali in Passaggio di Fase
Uso dei PCM nelle pareti
Giorno
Giorno con radiazione diretta
Accumulo dell’energia trasmessa dalla superficie esterna verso l’interno
Notte
Cessione del calore accumulato, sia verso l’esterno che verso l’interno
> PRIMO MODELLO FUNZIONALE
GIORNO NOTTE
1 2 3 4 1 2 3 4
1 – Intonaco interno
2 – Isolante termico
3 – starto di PCM
4 – Intonaco esterno
GIORNO: Lo strato di PCM assorbe il flusso termico dovuto all’assorbimento della radiazione solare e alla differenza di temperatura dell’aria
NOTTE: la maggior parte dell’energia termica accumulata viene ceduta all’ambiente esterno
EST EST
> SECONDO MODELLO FUNZIONALE
DAY NIGHT
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
1 – Intonaco interno
2 – Isolante termico
3 – intercapedine ventilata
4 – strato di PCM
5 – Intonaco esterno
GIORNO: Lo strato di PCM assorbe il flusso termico dovuto all’assorbimento della radiazione solare
NOTTE: il calore va verso la parte esterna della parete e rimosso dall’aria all’interno dell’intercapedine
EST EST
DAY NIGHT
> TERZO MODELLO FUNZIONALE
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
GIORNO: Lo strato di PCM assorbe il flusso termico dovuto all’assorbimento della radiazione solare e alla differenza di temperatura dell’aria.
1 – Intonaco interno
2 – Isolante termico
3 – strato di PCM
4 – intercapedine ventilata
5 – Intonaco esterno
NOTTE: la maggior parte del calore fluisce attraverso la parte esterna, rimosso per ventilazione naturale nella intercapedine
EST EST
Uno strato di PCM può essere introdotto nella stratificazione per aumentare l’inerzia termica del sistema
Il PCM è contenuto nell’intonaco interno
Accumula il calore quando la temperatura dell’aria è più alta di quella di funzione
Rilascia il calore, solidificando, quando la temperatura dell’aria è più bassa di quella di funzione
Strato di isolante
Strato di PCM
Intercapedine aria
Finitura esterna
giornoLo strato di PCM in un giorno caldo e con radiazione diretta fonde ed accumula una grande quantità di calore che altrimenti fluirebbe verso l’interno, attraverso il muro
notteLo strato di PCM solidifica e rilascia il calore accumulato durante il giorno La ventilazione nell’intercapedine contribuisce ad evacuare parte del calore
Lo strato di PCM all’interno del muro viene posizionato vicino ad una intercapedine ventilata
Strato di PCM
Strato di isolante
Finitura interna
Finitura esterna
Intercapedine aria
Lo strato di PCM all’interno del muro viene posizionato vicino allo strato esterno
giorno
Lo strato di PCM durante il giorno fonde ed accumula calore che altrimenti fluirebbe verso l’interno, attraverso il muro
notte
Lo strato di PCM solidifica e rilascia il calore accumulato durante il giorno sia verso l’interno che verso l’esterno
Strato di PCM
Finitura esterna
Finitura interna
Strato di isolante
Pareti con diversa stratificazione a confronto
Parete di riferimento
non è presente lo strato di PCM
Parete 1
Parete con intercapedine d’aria
è presente lo strato di PCM
PCM con punto di fusione a 32°C
Spessore 3 cm
Parete 2
Parete senza intercapedine d’aria
è presente lo strato di PCM
PCM con punto di fusione a 32°C
Spessore 3 cm
Parete 3
L’attivazione della massa e i materiali a cambiamento di fase per l’involucro edilizio opaco: presentazione di risultati di simulazioni numeriche e analisi critica di esiti sperimentali
prof. Paolo Principi,
Dipartimento di Energetica
Università Politecnica delle Marche
Scuola Estiva di Fisica Tecnica 2008
Benevento, 7-11 luglio 2008
termofisica dell’involucro edilizio
