Materiali a cambiamento di fase in edilizia (PCM) - Sperimentazioni sull'involucro a blocchi portanti e su rivestimenti ad intonaco

materiali a cambiamento di fase (PCM) in edilizia 
 
 
 
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pubblica mondiale dove più di 10.000 rappresentanti fra rappresentati dei governi, 
economisti, scienziati, osservatori, giornalisti e membri di organizzazioni non governative 
partecipano a questa Conferenza che si conclude l’11 dicembre con l’approvazione del 
Protocollo di Kyoto.  
Il protocollo è la base per una politica di riduzione delle emissioni vincolata a livello 
internazionale che obbliga i paesi industrializzati a ridurre le proprie emissioni di gas a 
effetto serra nel periodo 2008-2012 mediamente del 5,2% rispetto ai livelli raggiunti nel 
1990. Ogni successiva edizione della Conferenza delle Parti ruota intorno al Protocollo, 
con l’obiettivo di avviarne la convalida e quindi l’entrata in vigore.  
Sono nate così nei vari stati dell’unione Europea delle leggi contenenti valori minimi di 
trasmittanza, metodologia di calcolo per il rendimento energetico e altre misure atte alla 
diminuzione dei consumi in edilizia e alla diminuzione della CO
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. 
La Direttiva 2002/191/CE del Parlamento e del Consiglio Europeo sul rendimento 
energetico nell’edilizia introduce importanti novità nell’ambito del risparmio di energia 
negli edifici con molteplici finalità, ad esempio la tutela dell’ambiente, la riduzione delle 
emissioni inquinanti, l’indipendenza da fonti energetiche provenienti da paesi diversi.  
Entrando più in dettaglio la direttiva dispone (2): 
• adozione di un quadro generale e una metodologia per il calcolo del 
rendimento energetico integrato degli edifici;  
• l’applicazione di requisiti minimi in materia di prestazioni energetiche degli 
edifici: 
a. di nuova costruzione   
b. esistenti di grande metratura sottoposti a ristrutturazione  
• la certificazione energetica degli edifici (art. 7);  
• l’ispezione periodica di caldaie ed impianti di condizionamento d’aria negli 
edifici, nonché una perizia degli impianti termici.  
Ad ogni stato europeo si chiede di recepire questa direttiva all’interno di norme a carattere 
nazionale, in modo tale da garantire una maggiore sensibilità alle specificità del clima di 
ciascun paese e rendere cooperativa la direttiva.  
In Italia, la norma fondamentale sull’uso razionale dell’energia è stata finora la legge del 9 
gennaio 1991 n. 10, cui hanno fatto seguito solo alcuni tra i vari decreti di attuazione 
previsti. Tra questi il D.P.R. 26/08/1993 n. 412, parzialmente modificato dal D.P.R. 
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21/12/1999 n. 551, che disciplina la progettazione, l’installazione, l’esercizio e la 
manutenzione degli impianti termici degli edifici.  
Il 31 marzo del 1998 viene emanato il Decreto Legislativo n. 112 che, all’articolo 30, 
delega alle Regioni il compito di regolamentare l’applicazione della certificazione 
energetica.  Il Decreto Legislativo 19 agosto 2005, n. 192, è il decreto di attuazione della 
direttiva 2002/191/CE sul rendimento energetico nell’edilizia. Tale decreto stabilisce i 
criteri, le condizioni e le modalità per migliorare le prestazioni energetiche degli edifici 
con finalità che sono: lo sviluppo delle fonti rinnovabili e la diversificazione energetica, la 
limitazione delle emissioni inquinanti e lo sviluppo tecnologico.  
Sono poi state pubblicate sulla G.U. n. 26 del 1/2/2007, attraverso il D.Lgs. 311/06, alcune 
disposizioni integrative, che correggono alcuni errori e lacune rilevati nel corso di più di un 
anno di applicazione del decreto ed attuano alcuni indirizzi politici di maggiore severità sul 
tema energetico. (2)  
Queste normative, assieme alla presa di coscienza degli sprechi energetici, hanno perciò 
spostato l’attenzione dei progettisti da una dotazione impiantistica sempre più pervasiva e 
sofisticata a una progettazione intelligente dell’edificio, inteso come filtro di flussi di 
energia in scambio con l’ambiente.  
La progettazione volta al risparmio energetico deve saper controllare tre livelli: ambientale, 
tipologico e tecnico-costruttivo. Per quanto attiene il controllo degli aspetti relativi al 
rapporto tra edificio e ambiente, occorre:  
• una progettazione attenta al clima locale, che tenga conto delle diverse 
condizioni stagionali (temperatura, umidità relativa, ventosità, irraggiamento 
solare; desumibili dalla norma UNI 10349 sui Dati climatici);                        
• una progettazione in relazione al sito, che tenga conto dell’ombreggiamento 
per la presenza di ostruzioni e che sfrutti alcune condizioni al contorno (per 
esempio la presenza di alberi per l’ombreggiamento estivo);  
• una progettazione in relazione al sito, che tenga conto delle caratteristiche 
dell’area (morfologia, presenza di elementi di inquinamento acustico o 
ambientale, presenza di corsi d’acqua). 
Per quanto attiene il controllo degli aspetti tipologici, i fattori che incidono sul 
comportamento energetico dell’edificio sono:  
• la forma compatta (più vantaggioso rapporto tra superficie e volume);  
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• l’orientamento e la distribuzione interna delle unità abitative e dei singoli 
locali costituenti l’edificio, tenendo conto della destinazione d’uso;  
• la distribuzione, l’orientamento e i sistemi di protezione delle superfici 
trasparenti, il loro rapporto con la superficie opaca, in relazione allo 
sfruttamento degli apporti solari diretti nel periodo invernale e al controllo 
dell’irraggiamento nel periodo estivo e all’ottenimento di un adeguato livello 
di illuminazione naturale;  
• la presenza di elementi come aggetti e schermature, porticati o logge o serre 
(spazi filtro) ad assetto variabile tra inverno ed estate.  
Per quanto attiene il controllo degli aspetti tecnico-costruttivi, i fattori che incidono sul 
comportamento energetico dell’edificio sono:  
• la presenza di un efficace isolamento termico e di finestre ad alte prestazioni 
termiche;  
• l’uso passivo dell’energia solare per lo sfruttamento degli apporti solari in 
maniera diretta o indiretta (finestre, accumulatori di calore);   
• l’integrazione di tecnologie solari attive (collettori solari, pannelli 
fotovoltaici);  
• l’uso di tecnologie ad alto rendimento (pompe di calore, celle a combustione, 
corpi d’illuminazione e elettrodomestici a basso consumo energetico, ecc.).  
Dunque orientamento dell’edificio, forma dell’edificio, caratteristiche dell’involucro e 
scelte impiantistiche sono gli aspetti su cui deve concentrarsi maggiormente il progettista. 
Un edificio che sfrutta le caratteristiche al contorno è un edificio ‘passivo’, da distinguersi 
rispetto a quegli edifici che costruiscono artificialmente (e dunque in maniera ‘attiva’) il 
comfort all’interno degli ambienti.  
 
 
 
 
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1.2. L’ EVOLUZIONE DELL’INVOLUCRO EDILIZIO 
L’involucro edilizio è un elemento architettonico che delimita e conclude 
perimetralmente l’organismo costruttivo e strutturale. La sua funzione è quella di mediare, 
separare e connettere l’interno con l’esterno, ma esso è anche un elemento ambientale, 
che delimita e identifica gli spazi esterni circostanti. (1) 
Forma e funzione dell’involucro edilizio hanno subito nel tempo modifiche sostanziali. 
Dall’uso di materiali legati alla tradizione locale (pietra, legno e mattone) attraverso i quali 
veniva affidato all’involucro edilizio non solo la funzione di confine tra spazio interno ed 
esterno, ma anche quella portante, si passa all’uso di nuovi materiali (acciaio e vetro), 
svincolati dalla tradizione locale e legati a processi di industrializzazione edilizia. La 
massa muraria, tipica degli edifici tradizionali, viene bucata da superfici vetrate di 
dimensioni sempre maggiori, fino ad esserne completamente sostituita. 
La tendenza che ha guidato questa fase, peraltro già iniziata nel XIX secolo, è quella di 
operare uno scostamento dell’involucro edilizio propriamente detto dalla funzione 
portante. A causa di ciò variano di conseguenza le esigenze architettoniche, funzionali ed 
energetiche degli involucri. 
Al tradizionale requisito statico, di portare i carichi provenienti dai diversi impalcati, 
vengono affiancate nuove esigenze di protezione termica (derivante dalla notevole 
diminuzione degli spessori delle masse murarie), di illuminazione diurna degli ambienti e 
parallelamente di protezione solare degli stessi. Risulta indispensabile governare i flussi 
termici e luminosi che vengono scambiati attraverso l’involucro, adottando nuovi materiali 
che, sposandosi con i mutati linguaggi architettonici, riescono a soddisfare i sopra citati 
requisiti. 
Il settore degli involucri, rispetto ad altri ambiti del panorama edilizio, ha visto negli ultimi 
anni un notevole sviluppo, sia in termini di soluzioni costruttive adottate che in termini di 
prestazioni offerte. Questa innovazione nell’elemento involucro si orienta verso la ricerca 
di specifiche direttrici basate principalmente sul risparmio energetico, rispettando 
contemporaneamente una serie di parametri legati al corretto inserimento ambientale 
dell’intervento, al rispetto del contesto storico-culturale di appartenenza, alla qualità delle 
soluzioni architettoniche e costruttive proposte. 
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Le soluzioni progettuali prevedono pertanto scelte costruttive consapevoli, l’uso di 
materiali, di prodotti e componenti non nocivi e si concentrano su soluzioni tecnologiche 
nuove inserite in un preciso contesto architettonico e culturale. 
La Direttiva 2002/91, che ha ispirato i Decreti Legislativi, citati nel paragrafo precedente, 
192/05 e 311/06, basa la sua struttura sull’assunto che il  40% dei consumi energetici 
comunitari attengono al funzionamento degli edifici. 
Gli involucri moderni, diversamente dal passato, risultano in grado di controllare 
dinamicamente i flussi energetici, governandoli in funzione delle esigenze di comfort 
interno. Oggi è possibile  utilizzare gran parte dell’energia solare incidente l’involucro, 
distribuendola in zone dove è maggiormente necessaria e non semplicemente assorbendola 
o schermandola totalmente. Il tutto è possibile grazie alla innovazione tecnologica che ha 
permesso la realizzazione di nuovi materiali passivi, attivi e ad alte prestazioni per 
l’involucro edilizio. 
Possono essere classificati quali materiali passivi tutti quelli che, grazie semplicemente 
alla forma, riescono a modificare la quantità di energia trasmessa (sia ottica che energetica) 
in funzione della inclinazione della radiazione solare. 
I materiali attivi, d’altra parte, modificano la quantità di energia trasmessa in funzione di 
stimoli esterni forniti al sistema, quali corrente impressa, gradiente di temperatura o 
variazione di energia solare incidente. 
Una terza tipologia di materiali innovativi è costituita da prodotti ad alte prestazioni, in 
grado di soddisfare, grazie a proprietà intrinseche, la maggior parte dei requisiti di confort. 
Le tre tipologie di materiali sono state studiate sia dai programmi di ricerca 
dell’International Energy Agency – Solar Heating and Cooling Programme, che ne ha 
realizzato una classificazione. (3) 
A partire dal 2005 il mercato ha assistito alla presentazione di molti materiali proposti dalle 
aziende quali soluzioni ideali per il rispetto delle prestazioni energetiche richieste dalle 
citate normative. Nella quasi totalità dei casi si tratta di materiali per i quali la ricerca 
spinge al massimo livello possibile le prestazioni tradizionali. In alcuni altri casi si assiste 
addirittura alla riproduzione di materiali che erano stati messi da parte poiché di difficile 
utilizzo, che ora sono lanciati come innovazione. 
 
 
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Più specificatamente nel campo dell’infissistica, ai telai a taglio termico si sovrappongono 
quelli che aggiungono schiume all’interno dei profili; nel campo dei sistemi in vetro il 
mercato ha ormai assorbito soluzioni che sino a pochi anni addietro avevano costi troppo 
elevati, quali vetrate isolanti con lastre esterne ad alto fattore solare e lastre interne basso 
emissive, arricchite con inserimento di gas rarefatti. 
Riguardo ai sistemi opachi, i materiali che più hanno cercato di sfruttare l’impulso del 
nuovo quadro normativo sono quelli dotati di maggiore massa, che si sono proposti quali 
migliorati attraverso l’utilizzo di colle ed altri accorgimenti per ridurre i ponti termici. 
Soluzioni che in passato erano state superate per via di diversi problemi costruttivi 
correlati, quali quelle a cappotto, sono oggi riproposte con forza. Il sistema di isolamento a 
cappotto infatti era stato abbandonato per essere sostituito in molti casi da rivestimenti 
esterni in mattoni a vista e isolamento nella zona interna della muratura. Queste soluzioni 
permettevano un buon isolamento, ma non eliminavano completamente il problema dei 
ponti termici, che viene invece risolto grazie all’applicazione dello strato isolante sulla 
faccia esterna della muratura come prevede il sistema a cappotto. 
Data la complessità della progettazione dell’involucro, che deve garantire livelli 
prestazionali elevati e divenire applicabile al nuovo come all’esistente si opta sempre più 
per una scomposizione dei comportamenti termici in singoli fenomeni fisici, utilizzando i 
materiali per le loro caratteristiche intrinseche e componendoli in un insieme capace di 
rispondere alle variazioni di condizione. 
Questa è quella che viene definita la quarta generazione di involucri evoluti, quella in cui i 
sistemi dinamici di terza generazione (doppia pelle, facciata ventilata, frangisole, muri di 
trombe), si compongono e scompongono, riassemblandosi nel progetto di architettura. 
Tali chiusure possono essere definite come “involucri evoluti a comportamento 
dinamico”. (4) Il termine involucro evoluto deriva dall’elaborazione, dalla trasformazione 
e, naturalmente, dal perfezionamento di un sistema tecnologico o un materiale di origine 
tradizionale. L’espressione a comportamento dinamico dichiara, invece, i principi di 
funzionamento che sottendono alla definizione delle prestazioni offerte da queste 
innovative chiuse esterne. 
Dal raffronto con i sistemi e le tecnologie tradizionali appare evidente, quindi, che gli 
involucri evoluti a comportamento dinamico presentano prestazioni innovative sia per la 
natura dei materiali impiegati e per le specifiche costruttive che ne regolano l’applicazione. 
 
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Per definizione, questi involucri si compongono attraverso l’applicazione di due distinte 
pelli, separate da un’intercapedine d’aria. Le due pelli posso essere realizzate con materiali 
e sistemi costruttivi diversi, in modo da ottenere una discreta gamma di soluzioni 
costruttive differenti. 
Le caratteristiche di una chiusura così configurata risultano tali da consentire l’innesco e lo 
sfruttamento di fenomeni fisici naturali complessi, capaci di introdurre prestazioni elevate 
e varabili all’occorrenza. 
Gli involucri evoluti, infatti, possono essere definiti come chiusure dinamiche volte a 
produrre non solo un diaframma protettivo, ma un luogo attivo d’interscambio tra energia 
interna ed esterna prodotta, accumulata ed espulsa in funzione delle condizioni ambientali 
esterne esistenti ed interne desiderate. (1) 
La dinamicità delle prestazioni offerte costituisce quindi la migliore caratteristica 
discriminante che qualifica questi involucri evoluti rispetto alle chiusure tradizionali. 
Tali chiusure sono nate storicamente e si sono sviluppate per rispondere alle esigenze 
imposte dalle condizioni climatiche più estreme del contesto di applicazione (ad esempio le 
condizioni invernali per i Paesi nord europei e le condizioni estive per i Paesi 
mediterranei). 
Gli involucri evoluti possono invece rispondere, in termini prestazionali, alla variabilità sia 
delle condizioni climatiche che delle condizioni ambientali interne. 
I fenomeni fisici generati derivano dall’adozione di soluzioni costruttive per la pelle 
esterna, capaci di intercettare, dirigere, accumulare, espellere le radiazioni solari o gli 
effetti da esse prodotti. 
Alla pelle interna sono tradizionalmente affidati le prestazioni legate al concetto di 
chiusura; la pelle esterna invece, assieme all’intercapedine, raggiunge le prestazioni 
dinamiche. Mentre l’involucro interno può essere realizzato con tecniche tradizionali 
definite ad umido, quello esterno è sempre realizzato attraverso l’impiego di sistemi “a 
secco”. 
Aver realizzato un involucro a comportamento diversificato e variabile, nel quale ogni 
porzione di edificio sfrutta l’effetto serra, l’effetto camino, l’ombreggiamento, l’inerzia 
termica, a seconda della condizione, della stagione e dell’ora del giorno, consente infatti di 
fare interagire  tale sistema  con molti elementi capaci di influire con i consumi energetici. 
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In primo luogo è possibile rendere dialoganti gli impianti di riscaldamento e di 
condizionamento con l’involucro stesso, determinandone un utilizzo esattamente 
corrispondente alle effettive esigenze. 
Inoltre è possibile utilizzare effetti secondari degli impianti, come ad esempio l’aria di 
espulsione della climatizzazione, per amplificare l’effetto cuscinetto delle intercapedini 
presenti nelle porzioni a doppia pelle. Infine l’involucro così composto può ospitare 
elementi a superficie funzionalizzata, che divengono così attivi, producendo a loro volta 
energia o svolgendo funzioni a costo nullo. 
Si sta poi diffondendo sempre maggiormente l’utilizzo dei Phase Change Materials 
(materiali a cambiamento di fase), noti come PCM. Tali materiali hanno iniziato a 
diffondersi in campo aerospaziale, come abbigliamento per gli astronauti e si sono espansi, 
anche se lentamente, in edilizia e in altri settori. 
I PCM rappresentano probabilmente il futuro dei materiali da costruzioni. Sfruttando le 
loro proprietà di assorbire e rilasciare calore durante il cambiamento di fase si riescono ad 
ottenere materiali "attivi" nei confronti delle condizioni climatiche esterne. Attuali fronti 
avanzati di ricerca, ma anche di applicazione sempre più estesa, mostrano come 
all’isolamento dell’involucro esterno possa essere affiancata l’inerzia termica artificiale, 
programmabile sulla temperatura desiderata, grazie al posizionamento nel nucleo interno, o 
nelle frontiere trasparenti, di strati di PCM.