Scuola Estiva di Fisica Tecnica 2008 Benevento, 7-11 luglio 2008 termofisica dell involucro edilizio

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1 Scuola Estiva di Fisica Tecnica 2008 Benevento, 7-11 luglio 2008 termofisica dell involucro edilizio 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 p.principi@univpm.it

2 sensibile latente sensibile Solido Passaggio di fase Liquido Energia termica

3 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. inorganici organici sali idrati paraffine acidi grassi

4 applicazioni in edilizia PCM Inserito nella parete assorbimento di energia SOLIDO LIQUIDO rilascio di energia Ciclo giornaliero

5 materiali a cambiamento di fase applicazioni _ 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

6 altre applicazioni ingegneria aerospaziale contenitori per medicinali ed alimentari vestiario per usi speciali

7 applicazioni in edilizia sottopavimento scambiatori di calore murature

8 confronto dei PCM con altri materiali utilizzati nelle costruzioni nella capacità di accumulare energia termica 250 KJ/Kg Acqua Pietra Legno Plastica Paraffina - cera 0

9 Classificazione dei Materiali in Passaggio di Fase

10 classificazione dei materiali in passaggio di fase PCM organici paraffine non-paraffine inorganici sali idrati metalli organici-organici eutettici organici-inorganici Caption. Arial 14 inorganici-inorganici

11 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 C n H 2n +2 che normalmente rappresentano una parte che va dal 75 % al 100 %

12 paraffine il punto di fusione cresce al crescere del numero di atomi di carbonio le sostanze aventi alcani contenenti atomi di carbonio presentano punti di fusione che vanno dai 6 C ai 80 C

13 sali idrati composti della famiglia degli inorganici, sono caratterizzati da una formula chimica del tipo M nh 2 O 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.

14 sali idrati Uno dei sali idrati maggiormente utilizzati nelle varie applicazioni è il sale Na 2 SO 4 10 H 2 O cioè il solfato di sodio decaidrato, chiamato comunemente sale di Glauber dal nome del suo scopritore Johann Rudolf Glauber ( ) presenta un punto di fusione pari a 32,4 C

15 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

16 materiali reperibili in commercio

17 organici sali idrati vantaggi Semplici da usare Non corrosivi No a fenomeni di sottoraffreddamento No ad agenti di nucleazione Riciclabili In genere economici Buon valore di calore latente Elevata conducibilità termica Valore fisso di temperatura di passaggio di fase Non infiammabile Biodegradabile e riciclabile svantaggi In genere più costosi Più basso valore del calore latente Spesso campo di fusione allargato Alto valore di variazione di volume in cambiamento di fase Possono essere combustibili Possibili reazioni con il calcestruzzo bisogno di accurata preparazione Bisogno di additivi per stabilità a lungo termine Prone al sottoraffreddamento Possibilità di corrodere alcuni metalli

18 Un PCM per essere ben adattabile in un edificio dovrebbe rispondere a diverse categorie di requisiti requisiti termodinamici requisiti chimici requisiti economici

19 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

20 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.

21 requisiti economici larga disponibilità di materiale costi del materiale contenuti

22 Contenitori per Materiali in Passaggio di Fase negli usi in edilizia

23 EPS GlassX EPS Rubitherm

24 Paraffine In polvere contenute in capsule Sali in polvere

25 Modalità di inserimento nella parete miscela in pasta di capsule di PCM con materiali porosi come cemento o gesso Macrocapsule PCM Microcapsule PCM

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27 microcapsule Parete leggera intonaco 8 μm Immagine al microscopio di microcapsule di PCM miscelate con gesso per applicazione ad intonaco

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29 Intonaco di gesso Densità [kg/m3] Calore specifico [kj/kg K] Conducibilità W/m K Calore latente [kj/kg] Convenzionale % PCM % PCM % PCM % PCM

30 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

31 modalità di inserimento nella parete Inserimento del PCM in contenitori rigidi e flessibili polimeri plastici Tipologie di contenitori dei PCM per l installazione a parete metallici alluminio acciaio

32 Deformazione dopo alcuni cicli Foratura della busta Contenitore flessibile Aria miscelata al PCM Segregazione del sale

33 Pannelli in policarbonato riempiti di paraffina Contenitore rigido

34 Stabilità nel ciclo di vita dei Materiali in Passaggio di Fase

35 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.

36 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

37 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

38 analisi al calorimetro

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41 Energia specifica [kj/kg] numero di cicli

42 Modelli funzionali di pareti contenenti Materiali in Passaggio di Fase

43 Giorno Giorno con radiazione diretta Accumulo dell energia trasmessa dalla superficie esterna verso l interno Uso dei PCM nelle pareti Notte Cessione del calore accumulato, sia verso l esterno che verso l interno

44 > PRIMO MODELLO FUNZIONALE EST EST GIORNO 1 Intonaco interno 2 Isolante termico 3 starto di PCM 4 Intonaco esterno NOTTE 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

45 > SECONDO MODELLO FUNZIONALE EST EST DAY 1 Intonaco interno 2 Isolante termico 3 intercapedine ventilata 4 strato di PCM 5 Intonaco esterno NIGHT 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

46 > TERZO MODELLO FUNZIONALE EST EST DAY 1 Intonaco interno 2 Isolante termico 3 strato di PCM 4 intercapedine ventilata 5 Intonaco esterno NIGHT 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 del calore fluisce attraverso la parte esterna, rimosso per ventilazione naturale nella intercapedine

47 Uno strato di PCM può essere introdotto nella stratificazione per aumentare l inerzia termica del sistema Finitura esterna Il PCM è contenuto nell intonaco interno Accumula il calore quando la temperatura dell aria è più alta di quella di funzione Intercapedine aria Rilascia il calore, solidificando, quando la temperatura dell aria è più bassa di quella di funzione Strato di isolante Strato di PCM

48 Lo strato di PCM all interno del muro viene posizionato vicino ad una intercapedine ventilata giorno Lo 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 Finitura esterna Strato di PCM notte Lo strato di PCM solidifica e rilascia il calore accumulato durante il giorno La ventilazione nell intercapedine contribuisce ad evacuare parte del calore Intercapedine aria Strato di isolante Finitura interna

49 Lo strato di PCM all interno del muro viene posizionato vicino allo strato esterno Finitura esterna giorno Lo strato di PCM durante il giorno fonde ed accumula calore che altrimenti fluirebbe verso l interno, attraverso il muro Strato di PCM notte Lo strato di PCM solidifica e rilascia il calore accumulato durante il giorno sia verso l interno che verso l esterno Strato di isolante Finitura interna

50 Pareti con diversa stratificazione a confronto Parete di riferimento non è presente lo strato di PCM Parete 1

51 Parete con intercapedine d aria è presente lo strato di PCM PCM con punto di fusione a 32 C Spessore 3 cm Parete 2

52 Parete senza intercapedine d aria è presente lo strato di PCM PCM con punto di fusione a 32 C Spessore 3 cm Parete 3

53 Scuola Estiva di Fisica Tecnica 2008 Benevento, 7-11 luglio 2008 termofisica dell involucro edilizio 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 p.principi@univpm.it