Panelli prefabbricati a transizione di fase differenziata

I pannelli prefabbricati a taglio termico sono manufatti costituiti da due elementi esterni in calcestruzzo (con valenza strutturale o no) separati da uno strato di materiale isolante. Essi sono largamente impiegati nella costruzione di edifici quali centri commerciali, cinema multisala, capannoni industriali, ospedali, scuole e abitazioni civili. La novità rappresentata dai pannelli a transizione di fase differenziata è lo sfruttamento della differenza di temperatura che si genera in una struttura prefabbricata a taglio termico in condizioni di normale utilizzo, per alloggiare all’interno dei due strati non isolanti di uno stesso pannello prefabbricato due o più materiali a transizione di fase differenti, i quali “lavorano” in maniera complementare e sinergica garantendo un risparmio sui consumi energetici e un tangibile miglioramento del comfort termico delle persone.

I pannelli a taglio termico a transizione di fase differenziata integrano al proprio interno due o più materiali a transizione di fase (o PCM, Phase Change Material). Un materiale è definito a transizione di fase se nel suo campo termico di utilizzo subisce una trasformazione di stato, ad esempio dallo stato liquido a quello solido. Il processo di transizione di fase per molti materiali ha la caratteristica di avvenire intorno ad un valore di temperatura ben definito. Inoltre la temperatura di un PCM al quale viene ceduta o richiesta energia durante la transizione di fase (calore latente), resta costante nel corso di tutto il processo di passaggio di stato, finché tutto il materiale non ha subito la trasformazione. L’accumulo termico sotto forma di calore latente è un sistema di immagazzinamento dell’energia molto efficace e permette di accumulare grandi quantità di calore in volumi ridotti. Esistono commercialmente PCM in grado di coprire gran parte del ventaglio di temperature di transizione di fase che possono essere richieste in applicazioni comuni. Tipicamente si tratta di composti a base acquosa, acidi grassi, sali idrati e cere di paraffina. In commercio sono disponibili PCM integrati in pannelli prefabbricati ed in forma di polveri miscibili nelle malte.

L’integrazione dei materiali a transizione di fase all’interno delle strutture degli edifici è sfruttata in tutti quei casi in cui si vuole aumentare l’inerzia termica delle strutture senza aumentarne eccessivamente il peso, in casi in cui si voglia realizzare un accumulo di energia e nei casi in cui si voglia stabilizzare passivamente la temperatura degli ambienti.

I carichi termici agenti su una struttura realizzata con pannelli a taglio termico o con pannelli sandwich, in molte condizioni climatiche, causano l’instaurarsi di marcate differenze di temperatura tra la parte interna e quella esterna. La novità rappresentata dai pannelli a transizione di fase differenziata è lo sfruttamento di questo scarto termico per alloggiare, all’interno dei due strati non isolanti di un solo pannello prefabbricato, due o più PCM differenti, i quali “lavorano” in maniera complementare e sinergica garantendo risparmio sui consumi energetici e miglioramento del comfort termico delle persone.

In generale il PCM integrato nella parte verso l’esterno dell’edificio ha il compito di accumulare energia al suo interno con un triplice effetto positivo:

  • tagliare i picchi di temperatura che altrimenti si avrebbero sulla superficie esterna del pannello (riducendo il flusso termico verso l’interno dell’edificio e lo stress  sul materiale isolante);
  • traslare il flusso termico attraverso l’involucro dell’edificio verso le ore notturne nelle quali l’edificio è presumibilmente vuoto e non richiede climatizzazione o riscaldamento;
  • accumulare energia sul lato esteriore dell’edificio facilitandone il successivo smaltimento.

Il PCM posto sul lato del pannello che si affaccia sull’interno dell’edificio ha invece il compito di ridurre le oscillazioni termiche mantenendo la temperatura della parete uguale a quella dell’aria interna in modo da eliminare il disagio causato dal flusso termico radiativo da parete che si avrebbe sulle cose e sulle persone dentro l’edificio in caso di assenza di PCM.

Un pannello a taglio termico a transizione di fase differenziata può essere predisposto per fornire prestazioni in un solo periodo dell’anno o zona climatica, scegliendo un PCM per il lato interno ed uno per quello esterno, o può essere pensato per essere efficace in differenti stagioni o climi introducendo diversi tipi di PCM su ogni lato.

Principio di funzionamento:

In climi caldi

Considerando il funzionamento in un clima di tipo sud europeo nel periodo estivo, in un pannello tradizionale il carico termico solare fa aumentare la temperatura del lato esterno finché non viene raggiunto un equilibrio tra potenza radiativa incidente, potenza radiativa emessa, conduzione attraverso il pannello e scambio convettivo con l’aria dell’ambiente. Il flusso termico attraverso il pannello fa aumentare la temperatura di parete interna, aumentando la trasmissione di calore per irraggiamento tra la parete stessa e le persone e le cose presenti in vista della parete. In un locale climatizzato, anche con una corretta temperatura dell’aria, il comfort delle persone che occupano il locale può essere compromesso dal contributo dell’irraggiamento proveniente dalle pareti interne. La soluzione al problema generalmente adottata in queste circostanze è rappresentata da un aumento della potenza di climatizzazione. Questa soluzione oltre a richiedere un costo energetico aggiuntivo non è neppure efficace ma anzi dannosa ai fini del comfort delle persone, esaltando ulteriormente la differenza di temperatura tra il lato del corpo delle persone esposto al calore radiante e quello nascosto.

In un pannello isolante a transizione di fase differenziata la temperatura della parete esterna sale fino a raggiungere la temperatura di transizione di fase del PCM presente nel guscio esterno, per poi mantenersi costante su questo livello, più basso di quello nel caso senza PCM. Si viene così a ridurre la differenza di temperatura tra lato interno ed esterno del pannello, quindi si riduce il flusso termico entrante nell’edificio ed in definitiva il carico termico da smaltire da parte dell’impianto di climatizzazione dell’edificio. L’isolante presente all’interno del pannello subisce un minore deterioramento nel tempo essendo sottoposto a cicli termici di minore ampiezza rispetto al caso senza PCM.

L’energia accumulata sul lato esterno del pannello durante il giorno viene smaltita verso l’ambiente durante le ore notturne, molto più fresche e quindi con una più alta efficienza di scambio termico. Il flusso di questa energia in direzione dell’ambiente esterno è favorito dalla presenza dello strato di isolante all’interno del pannello.

Sul lato interno di un pannello a transizione di fase differenziata il flusso termico proveniente dall’esterno fa aumentare la temperatura della parete fino al livello della temperatura di transizione di fase del PCM presente nel guscio interno per poi mantenersi costante su questo valore, prossimo a quello dell’aria nell’edificio. In questo modo viene ad annullarsi la radiazione da parete calda che si manifestava nel caso senza PCM e non si ha più necessità di potenza aggiuntiva per la climatizzazione. La costanza della temperatura sulla parete interna si traduce in maggiore comfort per le persone presenti nell’edificio.

L’uso di un pannello prefabbricato a transizione di fase differenziata rispetto ad un pannello tradizionale in condizioni estive (o in zone climatiche calde) permette una significativa riduzione dei costi di climatizzazione ed un tangibile aumento del comfort delle persone presenti negli edifici. Prendendo come modello un centro commerciale di medie dimensioni in zona climatica D (es. Firenze) i vantaggi relativi all’uso di pannelli a transizione di fase differenziata sono quantificabili in un risparmio del 15% sulle spese di climatizzazione annuali. In edifici commerciali ad alto tasso di affollamento e ad alti carichi di illuminazione al metro quadro, la climatizzazione delle strutture comincia appena finito l’inverno, situazione in cui si può contare su forti gradienti di temperatura tra il giorno e la notte. In condizioni di questo tipo adottando pannelli a transizione di fase differenziata il risparmio energetico per il condizionamento può arrivare al 50%.

Funzionamento in climi freddi

Nei climi freddi o in inverno nei climi temperati, il PCM sul lato esterno di un pannello a transizione di fase differenziata accumula, durante il giorno, energia proveniente dall’ambiente, dalla radiazione solare e dall’interno dell’edificio, per poi restituirla durante la notte, facendo si che nelle ore notturne, più fredde, la differenza di temperatura tra interno ed esterno degli edifici possa essere minore di quella nel caso senza PCM. In questo modo si riduce il calore uscente dall’edificio ed in definitiva i costi di riscaldamento.

Sul lato interno la presenza di uno o più PCM con opportune temperature di transizione di fase fa si che la temperatura interna sia più stabile, a fronte delle oscillazioni altrimenti dovute ai cicli di accensione spegnimento dell’impianto di riscaldamento. Una temperatura di parete costante aumenta il comfort delle persone presenti nell’edificio.

Funzionamento in climi a forte scarto termico giorno-notte

In condizioni climatiche con forti differenze di temperatura tra il giorno e la notte l’utilizzo di un pannello a transizione di fase differenziata, scegliendo opportunamente le temperature di transizione di fase dei PCM sul lato interno ed esterno, permette di accumulare calore durante il giorno per sfruttarlo contro il freddo notturno e di utilizzare il fresco accumulato di notte durante giornate altrimenti troppo calde. In queste condizioni il rendimento dei pannelli a transizione di fase differenziata è massimo, consentendo di arrivare a sistemi di regolazione della temperatura completamente passivi, cioè a spesa energetica nulla. Condizioni climatiche di questo tipo sono riscontrabili in zone subtropicali aride durante gran parte dell’anno ed in zone temperate durante le mezze stagioni.

L’uso contemporaneo di differenti PCM sia sul lato interno che sul lato esterno estendono l’efficacia di un pannello a transizione di fase differenziata a differenti condizioni climatiche, consentendo di sfruttare i vantaggi della transizione di fase differenziata per tutto l’anno.