Efficienza energetica e innovazione: i materiali a cambiamento di fase

I materiali a cambiamento di fase sono un esempio innovativo di come la ricerca e lo studio di nuove soluzioni possano portare alla nascita di soluzioni efficienti e dall’applicazione interessante. I PCM, grazie al cambiamento di fase, si comportano come un volano termico e garantiscono risparmio energetico.

L’edilizia, per quanto in apparenza possa sembrare un settore poco incline al cambiamento, ha visto nel tempo moltissime innovazioni, frutto di ricerca e sperimentazione. Infatti, ancora oggi trovano diffusione le tecniche costruttive e i materiali tradizionali, ma vi si affiancano soluzioni sempre più nuove e sperimentali.

Del resto, con l’aumentare della ricerca e delle possibilità offerte dalla tecnologia, le stesse tecniche tradizionali sono state sviluppate e perfezionate. Un esempio di innovazione è quello dei materiali a cambiamento di fase, noti anche con il loro acronimo inglese PCM (Phase Change Material). Lo sviluppo della ricerca in questo campo è relativamente recente, ma negli ultimi dieci anni si sono ottenuti diversi miglioramenti, con maggior diffusione sul mercato di questi materiali.

Cosa sono i PCM

I materiali a cambiamento di fase sono in grado di accumulare e rilasciare energia termica grazie al cambiamento di stato. Con il variare della temperatura, passano continuamente dallo stato solido a quello liquido e viceversa. Possono essere composti da diverse tipologie di materia e si distinguono principalmente tra PCM organici e inorganici. I più diffusi sono quelli organici, tra cui quelli composti da paraffina. Un altro esempio organico sono gli acidi grassi, mentre rientrano in quelli inorganici materiali come i sali idrati e i metalli. I materiali inorganici generalmente hanno un cambiamento di fase irreversibile (o una graduale perdita di reversibilità), mentre gli acidi grassi sono nocivi. Per questo è la paraffina il materiale a cambiamento di fase più idoneo agli usi in campo edile, grazie ai vantaggi che offre: stabilità chimica, idonee temperature di fusione e compatibilità con gli altri materiali per l’edilizia.

I PCM possono essere inglobati in componenti edili di diversa natura e quindi essere contenuti nel cartongesso, negli intonaci, nel cemento o anche in materiali trasparenti come il plexigas o le vetrocamere. Infatti, i PCM in paraffina sono prodotti in nanosfere inerti, che possono poi essere mescolate nell’impasto di un intonaco o in quello lavorato per la realizzazione di una lastra in cartongesso o in fibra di legno.

Le proprietà di questi prodotti, grazie all’aggiunta dei PCM, vengono modificate: aumenta la loro inerzia e la capacità di accumulo termico, senza apportare alcuna modifica alla loro massa. Infine, i PCM trovano applicazione anche all’interno degli impianti di riscaldamento e raffrescamento, oltre che in altre soluzioni impiantistiche come collettori solari o scambiatori di calore.

Come funziona il cambiamento di fase dei PCM

Questi materiali si presentano allo stato solido a temperatura ambiente, ma quando questa si innalza, diventano liquidi e accumulano energia sotto forma latente, senza aumentare la propria temperatura. Il ciclo si inverte nel momento in cui la temperatura torna a scendere, raggiungendo i valori iniziali.

In questo caso i PCM tornano alla forma solida ed è proprio in questo cambiamento di fase che sprigionano l’energia accumulata precedentemente, rilasciando calore all’interno dell’ambiente.

In sostanza, l’energia termica viene trasformata in energia chimica e viceversa. È proprio questa energia chimica che determina il cambiamento della struttura di questi materiali a determinate temperature. Queste soglie, rendono i PCM adeguati sia alla stagione estiva che a quella invernale, anche in climi temperati come il nostro.

I vantaggi dei materiali a cambiamento di fase

La capacità dei PCM di accumulare e poi rilasciare energia, li rende una soluzione ideale per ridurre le fluttuazioni della temperatura interna, rendendola più uniforme nell’arco della giornata. Evitare picchi di temperature, significa ridurre l’energia necessaria alla climatizzazione dell’ambiente, garantendo così un certo risparmio energetico.

I PCM riescono ad offrire il massimo dei vantaggi dovuti all’accumulo termico, come se fossero dei veri e propri depositi di energia raccolta durante la giornata da poter utilizzare in momenti successivi. Il calore viene accumulato durante il giorno, prelevato anche dall’ambiente interno nel caso dei picchi estivi ed è poi rilasciato durante le ore notturne, quando la temperatura si abbassa. Questa capacità di accumulo termico è fino a 100 volte superiore rispetto a quella che si riscontra in un materiale tradizionale, dotato di una certa massa. Così facendo, il comportamento dell’edificio è sempre più dinamico, adeguandosi con maggior flessibilità alle condizioni climatiche esterne. Le condizioni da garantire, invece, sono l’adeguatezza del “contenitore” dei PCM, sia allo stato solido che liquido, e il raggiungimento durante l’arco della giornata delle temperature di fusione, così da garantire il cambiamento di fase.

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