Materiali a cambiamento di fase per l’edilizia (PCM)

I PCM, i materiali a cambiamento di fase per l’edilizia

Tra le soluzioni tecnologiche più innovative nell’ambito della edilizia sostenibile ci sono anche i cosiddetti materiali a cambiamento di fase, denominati con l’acronimo PCM (Phase Change Materials), il cui utilizzo fu sperimentato inizialmente dalla NASA per poi essere esteso al campo delle costruzioni.

Cosa sono i materiali a cambiamento di fase per l’edilizia

I Phase Change Materials (PCM) sono materiali di origine naturale o artificiale aventi temperatura relativa al punto di fusione molto vicina a quella di confort termico ottimale per cui, usati in edilizia, sono in grado di garantire un elevato risparmio energetico.

Come funzionano i materiali a cambiamento di fase per l’edilizia

Dal punto di vista fisico i materiali a cambiamento di fase sono considerati accumulatori di calore latente, pertanto sfruttano il fenomeno della transizione di fase per assorbire i flussi energetici entranti, immagazzinando una grande quantità di energia e mantenendo costante la propria temperatura.

In pratica, si presentano allo stato solido ma, al raggiungimento di una certa temperatura, variabile a seconda del materiale, passano allo stato liquido, accumulando il calore di liquefazione che viene sottratto all’ambiente.Viceversa, quando la temperatura si abbassa, il materiale ritorna allo stato solido e cede il calore all’ambiente.

A cosa servono i materiali a cambiamento di fase per l’edilizia

Questi materiali furono infatti studiati dalla NASA negli anni ’60 per realizzare le tute degli astronauti e ovviare al problema degli enormi sbalzi termici a cui sono sottoposti nello spazio.
Nel decennio successivo, a causa della crisi petrolifera, si pensò di veicolarne l’utilizzo al settore edilizio per trovare una soluzione alternativa ai problemi energetici.

Il loro utilizzo in edilizia risulta interessante perché sono in grado di contenere i picchi di temperatura presenti in casa nella stagione fredda e in quella calda, riducendo il dispendio energetico che servirebbe a contenerli.

Le caratteristiche dei materiali a cambiamento di fase per l’edilizia

Un materiale a cambiamento di fase ideale per l’uso in edilizia dovrebbe avere le seguenti caratteristiche:
– temperatura di fusione vicina ai 25 gradi
– elevato calore di transizione di fase (passaggio dallo stato liquido a quello solido)
– costo sostenibile
– non essere tossico, corrosivo o igroscopico
– essere disponibile sul mercato nella quantità sufficiente per queste applicazioni.

I materiali con queste caratteristiche attualmente utilizzati sono soprattutto composti organici paraffinici e idrocarburi ottenibili per polimerizzazione o dalla raffinazione del petrolio, e composti inorganici come sali idrati e materiali metallici.

I PCM organici

I PCM organici sono divisi in due grandi gruppi: cere paraffine e cere non paraffine che, a temperatura ambiente, hanno una consistenza simile a quella della cera.

I PCM inorganici hanno un calore latente che tende a diminuire con il tempo, per cui si riducono anche le loro prestazioni.
L’utilizzo di entrambi i tipi avviene grazie al macro e micro incapsulamento e all’immersione in matrici porose.

L’uso e le applicazioni dei materiali a cambiamento di fase.

In particolare i materiali a cambiamento di fase possono essere utilizzati per la realizzazione di:
– pannelli in cartongesso o in legno
– intonaci
– sistemi di facciata vetrati o in plexiglas
– isolanti termici
– impianti di riscaldamento e di raffrescamento passivo
– collettori solari e scambiatori di calore.

Le applicazioni più comuni prevedono infatti di miscelare capsule di PCM con materiali porosi come cemento e gesso o di inserirli in contenitori rigidi e flessibili in plastica o metallo, con cui possono essere poi realizzate le pareti degli edifici.

Un’altra applicazione pratica è quella sottoforma di gel, contenuto in sacchetti di plastica, da inserire nelle intercapedini di muri e soffitti. Si ottiene in tal modo lo stesso livello di isolamento termico di pareti di grande spessore, ma riducendolo in maniera considerevole.

Vantaggi e svantaggi dell’uso dei materiali a cambiamento di fase.

Il vantaggio principale legato all’utilizzo di questi materiali è quindi quello di consentire il comfort termico ottimale sia in inverno che in estate, grazie al mantenimento della temperatura vicina a quella di fusione, compresa in genere tra i 18 e i 25 gradi.

Nella pratica ciò si traduce nell’ottenimento di un buon confort climatico anche a impianto spento, mentre a impianto acceso si possono ridurre le potenze o sfruttare le fasce orarie a tariffazione più bassa.

Purtroppo ci sono però anche diversi inconvenienti che, per il momento, ne riducono la diffusione.
Innanzitutto i materiali presentano un elevato rischio di infiammabilità, per cui il loro uso può essere limitato solo a piccole porzioni di componenti. La loro stabilità nel tempo è per ora limitata a circa 20 anni e il costo ancora molto elevato.