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 [email protected] si bi le se n se ns ib ile latente Solido Passaggio di fase Liquido 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. inorganici sali idrati organici paraffine acidi grassi applicazioni in edilizia assorbimento di energia PCM Inserito nella parete LIQUIDO SOLIDO rilascio di energia Ciclo giornaliero 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 altre applicazioni ingegneria aerospaziale contenitori per medicinali ed alimentari vestiario per usi speciali applicazioni in edilizia sottopavimento scambiatori di calore murature confronto dei PCM con altri materiali utilizzati nelle costruzioni nella capacità di accumulare energia termica 250 KJ/Kg 200 150 Acqua Pietra Legno 100 Plastica Paraffina - cera 50 0 Classificazione dei Materiali in Passaggio di Fase classificazione dei materiali in passaggio di fase PCM paraffine organici non-paraffine sali idrati inorganici metalli organici-organici eutettici organici-inorganici inorganici-inorganici Caption. Arial 14 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 organici vantaggi svantaggi •Semplici da usare •Non corrosivi •No a fenomeni di In genere più costosi Più basso valore del calore latente Spesso campo di fusione allargato Alto valore di variazione di volume in sottoraffreddamento •No ad agenti di nucleazione •Riciclabili sali idrati •In genere economici •Buon valore di calore latente •Elevata conducibilità termica •Valore fisso di temperatura di passaggio di fase •Non infiammabile •Biodegradabile e riciclabile 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 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 GlassX EPS EPS Rubitherm 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 microcapsule Parete leggera intonaco Immagine al microscopio di microcapsule di PCM miscelate con gesso per applicazione ad intonaco 8 μm Calore Densità Intonaco di gesso specifico [kg/m3] [kJ/kg K] Convenzionale 696 1.089 10% PCM 720 1.215 16% PCM 760 1.299 20% PCM 800 1.341 30% PCM 998 1.467 Calore Conducibilità latente W/m K [kJ/kg] 0.173 0 0.187 19.3 0.192 31.0 0.204 38.9 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 Inserimento del PCM in contenitori rigidi e flessibili polimeri plastici Tipologie di contenitori dei PCM per l’installazione a parete metallici alluminio acciaio Foratura della busta Deformazione dopo alcuni cicli Contenitore flessibile Aria miscelata al PCM Segregazione del sale Contenitore rigido Pannelli in policarbonato riempiti di paraffina 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 numero di cicli Energia specifica [kJ/kg] Modelli funzionali di pareti contenenti Materiali in Passaggio di Fase 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 > PRIMO MODELLO FUNZIONALE 1 2 3 4 1 2 3 EST EST GIORNO 1 – Intonaco interno 2 – Isolante termico 4 NOTTE GIORNO: Lo strato di PCM assorbe il flusso termico dovuto all’assorbimento della radiazione solare e alla differenza di temperatura dell’aria 3 – starto di PCM 4 – Intonaco esterno NOTTE: la maggior parte dell’energia termica accumulata viene ceduta all’ambiente esterno > SECONDO MODELLO FUNZIONALE 1 2 3 1 4 5 2 3 EST DAY 1 – Intonaco interno 4 5 EST NIGHT GIORNO: Lo strato di PCM assorbe il flusso termico dovuto all’assorbimento della radiazione solare 2 – Isolante termico 3 – intercapedine ventilata 4 – strato di PCM 5 – Intonaco esterno NOTTE: il calore va verso la parte esterna della parete e rimosso dall’aria all’interno dell’intercapedine > TERZO MODELLO FUNZIONALE 1 2 3 4 5 1 2 3 1 – Intonaco interno 2 – Isolante termico 5 EST EST DAY 4 NIGHT GIORNO: Lo strato di PCM assorbe il flusso termico dovuto all’assorbimento della radiazione solare e alla differenza di temperatura dell’aria. 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 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 Rilascia il calore, solidificando, quando la temperatura dell’aria è più bassa di quella di funzione Intercapedine aria Strato di isolante Strato di PCM Lo strato di PCM all’interno del muro viene posizionato vicino ad una intercapedine ventilata Finitura esterna 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 Strato di PCM Intercapedine aria notte Lo strato di PCM solidifica e rilascia il calore accumulato durante il giorno La ventilazione nell’intercapedine contribuisce ad evacuare parte del calore Strato di isolante Finitura interna 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 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 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 [email protected]
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