Da tempo considerati come una soluzione promettente ma sperimentale, i materiali a cambiamento di fase (PCM) sono finalmente disponibili come prodotto industriale sotto forma di controsoffitti per gli spazi uffici.
I materiali con massa elevata come il cemento e i mattoni sono in grado di assorbire una notevole quantità di calore e aumentano l’inerzia termica dell’edificio. Gli edifici realizzati con questi materiali tendono quindi a cambiare temperatura in modo più graduale, mantenendosi più vicini alla media dell’escursione termica tra giorno e notte. Questo effetto stabilizzante può ritardare e ridurre la richiesta di riscaldamento e raffreddamento meccanico durante le ore di punta, garantendo quindi vantaggi in termini di minore potenza frigorifera installata, risparmio energetico e comfort termico (figura 1).
Un effetto analogo si ottiene con i materiali a cambiamento di fase (PCM, Phase Change Materials) che garantiscono un’elevata capacità di accumulo di energia ma in un volume e con un peso ridotti rispetto ai materiali convenzionali a massa elevata. Inoltre, avendo una temperatura di cambiamento di fase intorno a 21 °C, i PCM sono più efficaci nel regolare la temperatura interna nella zona di comfort (figura 2).
Queste caratteristiche rendono i PCM una soluzione molto interessante sotto vari aspetti, dalla facilità di trasporto e di integrazione alla fornitura delle prestazioni attorno alla temperatura operativa. Durante il giorno, quando l’edificio si riscalda, il PCM che si trova al suo interno assorbe calore e si scioglie. Il processo di fusione immagazzina il calore in modo latente, ovvero senza variazioni di temperatura. La stabilità della temperatura del PCM aiuta a stabilizzare la temperatura dell’aria.
La sera e di notte, quando le temperature scendono, il PCM rilascia il calore accumulato e si ricarica per il giorno successivo. Lo sfasamento termico dal giorno alla notte permette di ridurre il carico di raffreddamento meccanico moderando al tempo stesso la variazione di temperatura dell’ambiente.
I controsoffitti con PCM
La soluzione industriale ora disponibile per realizzare questo principio consiste in pannelli per controsoffitti a quadrotti integrati con moduli PCM (figura 3).
Del tutto analoghi ai pannelli tradizionali dal punto di vista estetico e acustico, i quadrotti da 60 cm sono dotati di 4 moduli PCM con dimensioni di 23 x 23 cm contenenti un sale idrato. La superficie del controsoffitto esposta al di sopra delle fonti dei carichi endogeni, come persone, luci e computer, risulta molto estesa e ciò consente di scambiare in modo efficace il calore con l’aria all’interno dell’ambiente.
Durante il giorno e la notte, i pannelli assorbono e rilasciano calore in risposta ai cambiamenti della temperatura dell’aria ambiente. Quando questa è più calda del controsoffitto, il calore fluisce verso l’alto e viene assorbito (figura 4) mentre quando la temperatura ambiente scende il calore viene scaricato (figura 5). Un controsoffitto reso termicamente massivo mediante moduli PCM permette quindi di regolare la temperatura assorbendo e rilasciando calore in tempo reale in risposta alle fluttuazioni.
Nelle giornate calde seguite da notti fresche, i PCM possono ridurre il carico di punta dell’impianto di climatizzazione fornendo durante il giorno un effetto di raffreddamento passivo in risposta alla tendenza dell’ambiente a riscaldarsi. Durante la notte, quando la temperatura dell’ambiente scende, i PCM rilasciano invece il calore e si solidificano in modo da ricaricarsi per il giorno successivo.
In presenza di condizioni meteorologiche favorevoli, ad esempio durante la notte, le UTA possono immettere aria esterna a bassa temperatura. Questa strategia di free cooling consente di rimuovere efficacemente il calore rilasciato dai PCM con un dispendio energetico minimo.
Il preraffreddamento della massa termica dell’edificio può spostare il carico frigorifero dalle ore pomeridiane più calde alle ore mattutine o notturne garantendo prestazioni più efficienti e sostenibili dell’impianto. Inoltre, è possibile ottenere una maggiore efficienza o un allineamento con fonti energetiche rinnovabili. Lo sfasamento termico può essere anche vantaggioso dal punto di vista economico in quanto può spostare il consumo energetico sui periodi con tariffe più basse riducendo la domanda di picco nelle ore non di punta (figura 6).
Nel periodo invernale, negli edifici con elevati carichi endogeni, i controsoffitti PCM possono immagazzinare il calore in eccesso durante il giorno e rilasciarlo nuovamente nell’ambiente durante la notte quando le temperature scendono (figura 7).
Il PCM può mantenere l’edificio più caldo di notte e ridurre l’intensità del riscaldamento necessaria per la messa a regime mattutina. Le applicazioni più vantaggiose sono quelle negli spazi che iniziano la giornata con basse temperature dell’aria e che accumulano una quantità significativa di calore durante le ore di punta, tale da non rendere necessario il riscaldamento nelle ore pomeridiane.
Ad esempio, un edificio di grande altezza con estese facciate vetrate potrebbe richiedere durante il giorno il raffreddamento dell’ambiente anche in fase invernale a causa del significativo apporto solare durante il giorno, mentre nelle ore serali il riscaldamento risulta necessario per mantenere le condizioni di comfort. In questo caso, il PCM può immagazzinare il calore gratuito in eccesso nelle ore diurne e pomeridiane e rilasciarlo nuovamente all’ambiente nelle ore serali. Un’elevata massa termica è invece in genere meno efficace negli edifici situati in climi molto freddi con bassi guadagni interni.
L’impiego dei PCM per ottenere un’elevata massa termica del controsoffitto consente anche di stabilizzare la temperatura di spazi destinati a sale conferenze o di zone perimetrali con occupazione e guadagni solari intermittenti, ove la gestione della temperatura può risultare problematica. L’effetto tampone della massa termica permette di risparmiare energia riducendo le inefficienze tipiche di spazi che tendono a surriscaldarsi e a sovraraffreddarsi.
Verifica delle prestazioni in laboratorio
È stata condotta un’analisi sperimentale in sala prove per calcolare gli effetti di sfasamento termico e di stabilizzazione della temperatura di un controsoffitto dotato di pannelli PCM. La strumentazione per il monitoraggio della temperatura, della potenza termica e del flusso di calore comprendeva 22 termocoppie e 8 sensori distribuiti su tutte le superfici interne della sala e su entrambi i lati del controsoffitto. Nell’ambiente è stata immessa una portata d’aria esterna costante di 180 m³/h pari a 5 ricambi orari.
Durante la prova i set point sono stati variati per simulare il free cooling mediante la ventilazione notturna, mentre le fonti di calore interne sono state accese durante il giorno e spente di notte per simulare il guadagno termico dovuto agli occupanti. Per misurare il raffreddamento passivo e l’effetto di sfasamento è stato messo a confronto un controsoffitto con pannelli PCM e uno con pannelli in fibra minerale di tipo standard.
La sequenza del test prevedeva il preraffreddamento della camera a 15 °C al mattino presto, seguito da un aumento del set point a 25 °C alle ore 8. Nello scenario PCM l’impianto di climatizzazione ha iniziato a funzionare con un ritardo di circa due ore, a dimostrazione del fatto che la temperatura ambiente sale più lentamente essendo regolata dai PCM.
Per lo sfasamento del carico è stata eseguita una quantificazione dei flussi energetici e dei risparmi. In particolare, nello scenario PCM l’impianto di climatizzazione ha rimosso 1200 Wh in meno di calore durante il giorno rispetto allo scenario tradizionale, mentre il calore immagazzinato dal PCM, in base alle variazioni di temperatura durante il giorno e alle proprietà entalpiche, è risultato di circa 167 Wh/m2.
Il risparmio energetico diurno misurato nello scenario PCM è stato del 20%, principalmente a seguito della riduzione del consumo di energia per il raffreddamento meccanico dalle 8 alle 16 grazie al calore assorbito dai PCM.
Con strategie come il free cooling tramite l’apertura delle finestre o il funzionamento delle UTA a tutt’aria esterna, è possibile realizzare risparmi significativi con un dispendio energetico minimo durante la notte. Nei climi con un intervallo di temperature diurne più ristretto, si stima che il risparmio ottenibile in fase di raffreddamento possa arrivare fino al 15%.
Verifica sul campo
Per verificare sul campo l’effetto fornito dai moduli PCM integrati nei pannelli del controsoffitto è stato eseguito uno studio in un’ala di una scuola superiore nel New Hampshire relativo al consumo di energia termica durante l’inverno e la primavera. Per valutare i dati di potenza e temperatura raccolti prima e dopo l’utilizzo di pannelli PCM sono state utilizzate diverse tecniche di modellazione.
Per un edificio ubicato in un clima fresco e caratterizzato da spazi con significativi guadagni di calore diurni, come le aule scolastiche, il principio di funzionamento alla base del risparmio energetico è quello illustrato nella figura 7 La massa termica del controsoffitto immagazzina calore durante il giorno, quando l’edificio tende a riscaldarsi naturalmente, e poi rilascia il calore nello spazio durante la notte, moderando la temperatura dell’aria e riducendo la richiesta di riscaldamento notturno.
Per lo studio è stata selezionata un’ala composta da aule con caratteristiche simili in termini di dimensioni e utilizzo, ognuna con una superficie di circa 74 metri quadrati e riscaldata da un sistema a pompa di calore di tipo split (figura 7). L’uniformità delle aule riscaldate con sistemi autonomi ha consentito di isolare l’effetto fornito dal controsoffitto PCM.
Ogni aula era anche dotata di un’unità ventilante per l’immissione di aria esterna per il ricambio igienico. Per lo studio, in primo luogo è stato calcolato il consumo di energia di baseline delle aule. Mediante amperometri e un sistema di data logger è stata registrata la potenza assorbita dalle pompe di calore a partire dall’8 settembre.
La figura 8 mostra le 14 aule selezionate per il monitoraggio del consumo energetico di base ubicate al primo e al secondo piano. In colore blu sono indicate le quattro aule (119, 120, 216 e 217) che sono state selezionate per il confronto avendo mostrato una forte correlazione dei dati energetici risultanti dalle misurazioni. Il 1° marzo i pannelli dotati di moduli PCM sono stati installati nelle aule 120 e 217. In tutte e quattro le aule oggetto dello studio sono stati installati sensori per misurare la temperatura dell’aria in 4 punti: sopra e sotto il controsoffitto, nel plenum sopra il controsoffitto e sulla superficie esterna del ventilatore dell’unità interna. I dati logger hanno registrato le misurazioni della temperatura fornite da ciascun sensore. I dati di potenza assorbita dalle pompe di calore e di temperatura in ogni aula sono stati registrati dal 1° marzo al 5 maggio.
La figura 9 mostra i valori registrati in un giorno feriale nell’aula 217. L’intensità del riscaldamento è massima di notte durante le ore più fredde e inferiore nel pomeriggio quando l’aula è occupata. Le misurazioni di potenza bassa e costante durante il giorno si riferiscono essenzialmente al funzionamento del ventilatore. La variazione della temperatura del controsoffitto nel tempo indica la modalità giornaliera di accumulo e rilascio del calore.
Il set di dati è stato suddiviso per stagione (inverno, primavera) e ora (giorno, notte). È stato quindi costruito un modello complessivo comprendente tutte le variabili misurate che influenzano la potenza della pompa di calore. L’analisi dei dati relativi a entrambi i piani nel periodo invernale ha mostrato che nelle ore notturne si verifica una riduzione complessiva del 5% della potenza termica grazie ai PCM mentre nelle ore diurne non è stata stimata una variazione significativa della potenza termica.
L’analisi focalizzata sul secondo piano ha calcolato una riduzione della potenza termica del 7% in inverno e del 9% in primavera nel periodo notturno mentre nel periodo diurno l’energia termica non risulta influenzata in modo significativo dai PCM.
Per stimare l’effetto dei PCM è stata eseguita per le aule del secondo piano l’analisi riferita al mese precedente e successivo alla loro installazione (febbraio e marzo). In base alla temperatura esterna e alla variazione media delle misurazioni della potenza, i valori della potenza assorbita misurata nelle ore notturne sono diminuiti in media del 6%. La variazione diurna della temperatura del pannello del controsoffitto e le sue proprietà entalpiche sono state utilizzate per stimare in modo indipendente la quantità di calore spostata dal PCM dal giorno alla notte. Nei mesi di marzo e aprile, la variazione media della temperatura diurna del controsoffitto con PCM è stata di circa un grado, corrispondente alla temperatura dell’aria del plenum vicino al soffitto. Il raffreddamento da 21 a 20 °C corrisponde a un rilascio di calore di circa 25 Wh per metro quadrato dal PCM all’ambiente.
Complessivamente sono stati installati 144 pannelli PCM in ogni aula, che rappresentano una copertura di circa 30 metri quadrati. Pertanto, il calore giornaliero spostato dal PCM dal giorno alla notte è risultato di circa 750 Wh per ogni aula. Nei mesi di marzo e aprile nell’aula 217 il consumo di energia totale medio nelle ore notturne (dalle 21 alle 7) è stato di 4,5 kWh. Supponendo un COP pari a 3 per la pompa di calore, il risparmio energetico notturno del 5-9% rappresenta circa 675-1300 Wh di calore risparmiato, in accordo generale con i 760 stimati di calore rilasciato dai pannelli PCM durante la notte.
La figura 10 mostra la riduzione del consumo energetico nell’aula 120 dopo l’installazione dei pannelli dotati di moduli PCM, a confronto con l’aula 119 dotata invece di pannelli tradizionali. Anche in presenza di una ridotta variazione di temperatura diurna sul controsoffitto, pari a circa un grado, è quindi possibile ottenere una significativa riduzione del consumo di energia per il riscaldamento notturno, senza penalizzazioni per il riscaldamento diurno.
Questo risultato è incoraggiante dato che conferma che negli edifici con elevati guadagni di calore dovuti ai carichi endogeni e alla radiazione solare durante il giorno potenzialmente si potrebbero ottenere risparmi energetici ancora più sostanziali durante la notte.
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