I materiali a cambiamento di fase per una migliore prestazione dinamica dell'involucro edilizio

Introduzione 
I 
 
Introduzione: 
 
Applicazioni in campo edile di materiali innovativi sono attualmente in fase di 
sperimentazione. Tra i materiali opachi, quelli a cambiamento di fase sono di 
particolare interesse per applicazioni in clima italiano. L’integrazione di PCM 
(Phase Change Materials) in componenti edili tradizionali risulta in fase di 
avanzata sperimentazione [Alawadhi, 2008; Kuznik et al., 2008]. E’ stato 
difatti dimostrato che l’applicazione di PCM su elementi costruttivi leggeri 
potrebbe produrre significativi risparmi energetici rispetto a soluzioni 
tradizionali, specie se effettuata in combinazione con impianti di 
climatizzazione [Imperadori et al, 2006; ricerca europea C-Tide]. Rimane 
aperto il problema, amplificato in aree a clima mediterraneo, del 
funzionamento passivo dei PCM, soprattutto in abbinamento a strategie di 
raffrescamento convettivo notturno. Il seguente lavoro di ricerca analizza 
l’utilizzo dei materiali a cambiamento di fase integrati nell’involucro edilizio 
per un miglioramento delle  prestazioni termiche, proprio in questo particolare 
contesto climatico, mostrandone i vantaggi e le limitazioni. Negli ambiti 
dell’architettura contemporanea spesso l’involucro rappresenta il mezzo 
attraverso il quale il progettista intesse il rapporto tra l’edificio e il contesto 
urbano; altrettanto spesso all’involucro stesso non vengono demandati 
compiti di termoregolazione, i quali vengono piuttosto affidati agli impianti di 
climatizzazione, con notevoli ripercussioni sui consumi energetici, e anche 
con qualche insuccesso riguardo il comfort interno [Lemma, 2005].  
Da questa considerazione e da un’attenta analisi dei livelli prestazionali che 
le architetture moderne devono soddisfare, parte questo studio, finalizzato 
alla ricerca di nuovi possibili scenari progettuali, perseguibili mediante 
l’utilizzo di materiali innovativi per il miglioramento del comfort termico interno 
degli edifici. I livelli prestazionali che le architetture moderne devono 
raggiungere, richiedono un profondo riesame di come gli edifici sono 
progettati, al fine di garantire un limitato impatto ambientale. Questo impatto 
deve essere valutato considerando l’intero processo edilizio, comprendente: 
la fabbricazione dei singoli elementi, il trasporto, la messa in opera, l’utilizzo
Introduzione 
II 
 
e la dismissione. In questo lavoro si terrà conto solo dell’impatto energetico 
in fase di esercizio, demandando a successive ricerche un analisi dettagliata 
dell’impatto energetico globale (per esempio mediante analisi LCA). 
Negli ultimi anni, il settore edilizio ha subito modifiche significative per quanto 
riguarda sia le tecniche costruttive che le strategie energetiche. Le Direttive 
dell’Unione Europea, riguardanti le emissioni di CO
2
 , stima che oltre il 40% 
del consumo globale di energia deriva dal settore edilizio. Attraverso nuove 
strategie progettuali, unite alle nuove tecnologie, questo consumo può 
essere ridotto notevolmente. 
Una tendenza molto chiara è quella che va verso la così detta “Struttura-
Rivestimento”, struttura  assemblata a secco, leggera, con soluzioni 
stratificate assemblate su una sottostruttura metallica o in legno indipendente 
da quella portante. Questo metodo costruttivo, non ancora sufficientemente 
diffuso soprattutto in ambito civile-residenziale, rispetto alle tradizionali 
tecniche massive, consente alti livelli prestazionali con una serie di vantaggi 
quali: il ridotto uso di materiali, la possibilità di demolizione selettiva, il facile 
trasporto e movimentazione, la velocità di attuazione, la qualità, la 
leggerezza, la sicurezza dell’intervento, la flessibilità, la riciclabilità e via 
dicendo. Ricerche e nuovi progetti hanno dimostrato come questa tecnologia 
sia matura, portatrice di innovazione e di miglioramenti sensibili sulle 
prestazioni dei sistemi edilizi. L’obiettivo principale che questi sistemi 
perseguono è la ricerca della qualità. Questa qualità assieme alle norme 
sempre più restrittive, porta ad una più accurata riflessione sulle prestazioni 
da soddisfare. Ogni singola prestazione viene accostata al materiale più 
appropriato, andando così a definire il così detto “pacchetto tecnologico”, 
costituito da elementi ognuno con la propria funzione elementare. La 
tecnologia della costruzione a secco, dell’assemblare strati “intelligenti”, è 
una tecnologia raffinata che necessita di operatori specialisti. Costruire a 
secco significa inoltre interpretare il cantiere come luogo dell’assemblaggio e 
della finitura di prodotti e componenti di alta qualità, con specifiche 
caratteristiche garantite dal controllo del processo di produzione in fabbrica, 
riducendo ai minimi termini la creazione di prodotti sul cantiere stesso. In
Introduzione 
III 
 
questo modo gli operatori sono assemblatori specialisti, artigiani dotati di 
specifiche conoscenze tecniche relative a prodotti o componenti complessi, 
che vengono loro forniti da industrie che nella ricerca e nello sviluppo 
identificano la loro condizione di sopravvivenza. Il risultato è di aumentare il 
livello di qualità dell’intera opera grazie anche al controllo dei prodotti 
industrializzati; variabili, queste, che nell’edilizia tradizionale sono molto 
spesso aleatorie [Zambelli,1998]. 
Il ricorso alla costruzione a secco implica l’utilizzo di abbondanti quantità di 
isolamento e quindi consente ai progettisti di optare per tecnologie sostenibili 
ed energeticamente efficienti, in particolar modo in regime invernale. In 
regime estivo, invece, questi sistemi costruttivi a bassissima inerzia termica, 
risultano completamente inadeguati, portando quasi sempre al 
surriscaldamento degli ambienti interni, con un conseguente forte utilizzo di 
impianti di raffrescamento. 
La possibilità di fornire le caratteristiche inerziali ad un edificio può essere 
perseguita disponendo nei componenti edili di involucro, sia esterni che 
interni, stratificazioni contenenti materiali a cambiamento di fase.  
La presente tesi di ricerca studia l’integrazione e gli effetti che questi 
materiali, applicati su sistemi costruttivi leggeri a secco, hanno sulla 
temperatura operativa degli ambienti interni e sul comfort termico. L’analisi è 
circoscritta nel contesto climatico mediterraneo della città di Bari, 
caratterizzato da inverni freddi, mezze stagioni miti e da estati molto calde. 
In regime stazionario, uno dei parametri fisico tecnici fondamentali è la 
trasmittanza termica (U); in regime dinamico invece, i parametri fondamentali 
diventano la massa termica (M
s
), lo sfasamento dell’ onda termica (φ) e la 
trasmittanza termica periodica (Y
ie
). La normativa italiana, inizialmente, si è 
concentrata sul risparmio energetico in fase invernale, considerando il 
comfort in fase estiva introducendo solamente un limite inferiore alla massa 
superficiale delle tecnologie di involucro opache pari a 230 Kg/m
2
 nelle 
località più soleggiate. Ulteriori studi di ricerca in materia hanno dimostrato 
che un altro parametro fondamentale per il raggiungimento di buone 
prestazioni di comfort termico estivo, è la trasmittanza termica periodica,
Introduzione 
IV 
 
valore che si ottiene moltiplicando la trasmittanza termica stazionaria per il 
fattore di attenuazione. Attualmente il D.Lgs 311/06 fissa il valore massimo di 
questo parametro a 0,12 W/m
2
*K. Questa trattazione sulla limitazione del 
valore di trasmittanza termica periodica ha la sua validità se si riconduce il 
problema estivo solamente ai flussi entranti dall’esterno (irraggiamento 
solare e calore entrante tramite trasmissione conduttiva attraverso le pareti). 
Purtroppo nella realtà, il problema del surriscaldamento estivo degli ambienti 
è dovuto anche, e in particolar modo, dalla presenza dei carichi termici 
interni, provenienti da persone,  illuminazione, dispositivi elettronici, e così 
via. Per considerare tale contributo è richiesta l’introduzione di un ulteriore 
parametro: la capacità termica areica interna periodica (C
ip
). Tale fattore 
descrive la capacità effettiva di accumulo termico sul lato interno del 
componente edilizio, e rappresenta lo spessore della massa termica che 
effettivamente contribuisce, in estate, a ridurre le temperature superficiali 
interne ed ad attenuare conseguentemente le temperature operanti. 
Analizzati i parametri fondamentali da tenere in considerazione in fase estiva, 
si può facilmente constatare che difficilmente una soluzione leggera 
stratificata a secco possa raggiungere valori accettabili di trasmittanza 
termica periodica e di capacità termica areica interna periodica. Da un’analisi 
preliminare effettuata con il software EnergyPlus, sono stati monitorati gli 
andamenti della temperatura operativa di una stanza soggiorno di un edificio 
residenziale ubicato nel clima mediterraneo della città di Bari, nelle due 
settimane tipiche, invernale ed estiva, variando le tecnologie costruttive 
(sono considerati sia i carichi termici esterni che quelli interni). La camera di 
prova presenta una sola chiusura di involucro direttamente a contatto con 
l’ambiente esterno (la parete sud); tutte le altre sono chiusure di partizione 
interna (solai e partizioni verticali)  che la separano da ambienti facenti parte 
della stessa zona termica. Sulla parete sud è presente una superficie 
finestrata pari a 1/8 della superficie calpestabile della camera secondo 
normativa italiana.
Introduzione 
V 
 
Componente 
edile 
U  
(W/m
2
*K) 
f
d 
(-) 
Y
ie
 
(W/m
2
*K) 
M
s 
(kg/m
2
) 
Φ 
(h) 
C
ip
 
(kJ/m
2
*K) 
Muratura a 
cassetta 
0,38 0,22 0,08 267,2 12 57,8 
Partizione in 
mattoni forati 
- - - 100,8 - 41,1 
Solaio in 
laterocemento 
- - - 332 - 
60,5-
216,7 
 
Tabella 1 
 
 
Componente 
edile 
U  
(W/m
2
*K) 
f
d 
(-) 
Y
ie
 
(W/m
2
*K) 
M
s 
(kg/m
2
) 
Φ 
(h) 
C
ip
 
(kJ/m
2
*K) 
Involucro 
leggero 
0,38 0,97 0,37 54,2 1,8 17,6 
Partizione in 
gesso rivestito 
- - - 24 - 10,1 
Solaio leggero 
In legno 
- - - 68,2 - 36,2-42,2 
 
Tabella 2 
 
 
Dai grafici si può osservare chiaramente come le differenze maggiori, in 
termini di comfort termico, tra le due tecniche costruttive (uguale trasmittanza 
termica stazionaria) si manifestino in regime estivo.
Introduzione 
VI 
 
 
 
Grafico 1: Andamento delle temperature operative di una ambiente soggiorno (Settimana estiva 
tipica) 
 
 
 
Grafico 2: Andamento delle temperature operative di una ambiente soggiorno (Settimana invernale 
tipica) 
 
 
Una soluzione leggera stratificata secco, dotata di un buon isolamento e una 
bassa inerzia termica, cambia notevolmente il suo livello prestazionale dal 
regime invernale a quello estivo. 
Temperatura Operativa (Estate) [°C]
15
20
25
30
35
 07/27  01:00:00
 07/27  13:00:00
 07/28  01:00:00
 07/28  13:00:00
 07/29  01:00:00
 07/29  13:00:00
 07/30  01:00:00
 07/30  13:00:00
 07/31  01:00:00
 07/31  13:00:00
 08/01  01:00:00
 08/01  13:00:00
 08/02  01:00:00
 08/02  13:00:00
Test [C] Tecnologia massiva tradizionale Tecnologia leggera a secco
Temperatura Operativa (Inverno) [°C]
0
5
10
15
20
25
30
 12/22  01:00:00
 12/22  13:00:00
 12/23  01:00:00
 12/23  13:00:00
 12/24  01:00:00
 12/24  13:00:00
 12/25  01:00:00
 12/25  13:00:00
 12/26  01:00:00
 12/26  13:00:00
 12/27  01:00:00
 12/27  13:00:00
 12/28  01:00:00
 12/28  13:00:00
Test [C] Tecnologia massiva tradizionale Tecnologia leggera a secco
Introduzione 
VII 
 
Da questa osservazione, parte lo studio sui materiali a cambiamento di fase, 
analizzando il loro funzionamento in regime estivo, periodo durante il quale i 
consumi energetici si amplificano notevolmente per la sempre crescente 
richiesta di comfort termico da parte degli utenti, anche in ambito 
residenziale. 
L’obiettivo del seguente lavoro di ricerca è quantificare i miglioramenti che 
questi materiali possono fornire sulle prestazioni termiche di sistemi leggeri 
prefabbricati a secco, in funzione della tipologia, della quantità, del 
posizionamento, della modalità di integrazione e via dicendo. 
La metodologia di studio utilizzata, si basa sul monitoraggio della 
temperatura operativa di una stanza soggiorno esposta a sud, dotata di volta 
in volta di varie tecnologie edilizie contenenti PCM, confrontando i risultati 
ottenuti con quelli di una soluzione tradizionale di partenza. Le soluzioni 
adottate comprendono PCM commerciali, attualmente reperibili sul mercato. 
I risultati attesi, mediante l’integrazione di questi materiali nei componenti 
edili sono:  
 
• il miglioramento del comfort termico interno estivo, mediante la 
riduzione dei picchi di temperatura interni; riuscendo ad ottenere un 
comportamento totalmente passivo, o perlomeno simile a soluzioni 
massive tradizionali, conformi alla normativa vigente italiana; 
• la riduzione delle fluttuazioni di temperatura negli ambienti interni; 
• la riduzione del consumo di energia elettrica dovuto all’utilizzo di 
impianti di raffrescamento , con la conseguente riduzione di emissioni 
di CO
2 
nell’atmosfera.
Parte I - Lo stato dell’arte
Parte I – Lo stato dell’arte 
5 
 
I.1 I materiali a cambiamento di fase (PCM) 
 
I.1.1 Generalità 
 
I materiali a cambiamento di fase sono sostanze organiche o inorganiche con 
bassa temperatura di fusione e alto calore latente di fusione, come la 
paraffina e i sali idrati. Questi materiali hanno la capacità di immagazzinare e 
rilasciare energia termica sia in maniera sensibile, che latente, portando ad 
una capacità di accumulo energetico molto più grande per unità di massa 
rispetto ai materiali tradizionali. Il calore specifico dei PCM non si mantiene 
costante, ma varia con la temperatura seguendo un anda mento di tipo 
Gaussiano, con il picco compreso nell’intervallo di transizione di fase. L’unico 
cambiamento di fase utilizzato dai PCM è quello solido- liquido. I PCM con 
cambiamento di fase liquido-gas, anche se dotati di un elevatissimo calore di 
trasformazione, non sono utilizzabili in campo applicativo per l’elevata 
variazione volumica. Se si confrontano le prestazioni di un PCM con quelle di 
alcuni materiali tradizionali, si può constatare che la quantità di calore 
immagazzinata per unità di massa è da 5 a 14 volte  superiore.  
 
 
Immagine 1: capacità di accumulo termico di materiali tradizionali e del PCM
Parte I – Lo stato dell’arte 
6 
 
L’ accumulo di calore latente, calore “nascosto” nel cambiamento di fase, sta 
diventando sempre più attrattivo in campo edile, dovuto alla larga densità di 
accumulo energetico e alla natura quasi isoterma del processo, paragonato a 
quello sensibile. Questo è f inalizzato a fornire di stabilità termica le 
tecnologie costruttive leggere, senza aggiungere massa fisica al sistema. 
Il funzionamento del PCM si può banalmente sintetizzare così: quando la 
temperatura del materiale supera quella di fusione, il PCM cambia fase, 
passando dallo stato solido a quello liquido, processo endotermico che porta 
il PCM ad assorbire calore, sottraendolo all’ambiente circostante. Allo stesso 
modo, quando la temperatura diminuisce, il materiale ritorna nella sua fase 
solida, processo questa volta isotermico, con il conseguente rilascio di 
calore.  Questo funzionamento di accumulo e rilascio a temperatura costante 
può portare ad un notevole incremento di benessere negli ambienti confinati. 
 
 
Immagine 2: modalità di accumulo di un PCM e suo funzionamento giornaliero 
 
 
I.1.2  Proprietà 
 
Nella classificazione di un PCM si possono individuare delle proprietà 
fondamentali; queste si possono suddividere in 5 categorie principali:
Parte I – Lo stato dell’arte 
7 
 
• Proprietà termiche : temperatura di fusione, calore latente di fusione, 
conducibilità termica; 
• Proprietà fisiche: densità, cambiamento di volume, pressione di 
vapore; 
• Proprietà cinetiche: fenomeno del supercooling, tasso di 
cristallizzazione 
• Proprietà chimiche: stabilità chimica del processo, compatibilità con 
altri materiali, tossicità e infiammabilità 
• Proprietà economiche: reperibilità del materiale, costo 
 
Le proprietà termiche sono senza dubbio le più rilevanti nella scelta di un 
PCM. La t emperatura di fusione, rappresenta l’intervallo ristretto di 
temperatura alla quale il materiale cambia di fase; il calore latente di fusione, 
rappresenta invece la capacità di accumulo del materiale per unità di massa. 
Queste due proprietà fondamentali possono essere misurate mediante un 
calorimetro a s cansione differenziale (DSC - Differential Scanning 
calorimeter), il quale mediante un processo di riscaldamento-raffreddamento, 
misura la variazione di energia termica scambiata in funzione della 
temperatura.  
Altre proprietà importanti sono il cambiamento di volume, rispetto al quale 
deve essere definita la migliore strategia di integrazione; la tendenza al 
fenomeno del supercooling, che rappresenta la tendenza di un materiale a 
rimanere nello stato liquido anche sotto la temperatura di solidificazione; il 
tasso di cristallizzazione, che individua la velocità di nascita del cristallo; la 
stabilità chimica, fondamentale per stimare il ciclo di vita dell’ applicazione 
con PCM senza una ripercussione sulle prestazioni; la compatibilità con altri 
materiali, individuando possibili reazioni chimiche dannose ai materiali stessi; 
la eco compatibilità, e così via.