Phase change material e isolanti di ultima generazione

Lo studio approfondito della stratificazione isolante di involucro consente l’applicazione di tecnologie e materiali innovativi e industrializzati. La sperimentazione più recente nel campo dei pacchetti tecnologici vede l’applicazione di materiali isolanti multistrato di spessore contenuto che sfruttano le performance di isolamento termico, sfasamento termico e termo riflettenza.
Tra i materiali in produzione più innovativi, alcuni provengono dal settore aerospaziale, trasferiti in edilizia. Tra questi ne citiamo alcuni particolarmente significativi.

PCM, Phase change materials
Si tratta di materiali, anche detti ad accumulo di calore latente, usati in specifiche nicchie industriali, in grado di cambiare, a seconda delle sollecitazioni esterne, il proprio stato da solido a liquido e viceversa, assorbendo e trattenendo il calore.
I materiali costituenti sono sali o paraffine che possono accumulare o rilasciare una grande quantità di calore a una temperatura costante che consente il loro cambiamento di fase fisica. Ne risulta un materiale in polvere che può essere applicato negli intonaci interni, commercializzato anche in pannelli prefiniti di facile applicazione. Quando l’ambiente raggiunge la temperatura di fusione della cera (23-26 °C), il sistema intonaco e PCM assorbe calore fino a completa transizione di fase da solida a liquida. Con lo stesso principio, durante la notte o quando la temperatura è più bassa, il materiale si solidifica e il calore viene ceduto all’ambiente.
Gli strati di PCM applicati nel nucleo interno dell’involucro, sulle frontiere trasparenti (vetrate integrate) o innovativi intonaci contenenti microscopiche sfere di cera assicurano, oltre all’isolamento, l’inerzia termica programmabile sulla temperatura desiderata di comfort. Attenuando gli sbalzi termici in ambienti indoor, il materiale è in grado di assicurare una diminuzione delle emissioni di anidride carbonica degli edifici in cui è applicato. Con questo sistema l’impianto di riscaldamento o raffrescamento funziona senza picchi giornalieri di energia, con conseguente riduzione del costo economico.
Studi sperimentali su particolari materiali della categoria PCM hanno dimostrato che l’applicazione in contesti climatici caldi (Centro-Sud Italia) consente di ridurre il consumo energetico e le emissioni di anidride carbonica di circa il 20% e migliora il comfort abitativo in estate e in inverno. Risultati simili si sono ottenuti in Germania. A Londra e Parigi si è arrivati a un contenimento di emissioni quantificato in circa il 30%. Queste applicazioni hanno dimostrato inoltre che è possibile ridurre il consumo energetico di circa il 70%, abbinando i PCM a un ulteriore strato di isolamento termico.
I PCM sono stati testati anche come sistemi di raffrescamento attivi con accumulo di calore latente. Essi si attivano usando sistemi di trasporto dell’acqua (tubature e scambiatori di calore). In questo modo si richiede meno energia per la regolazione delle temperature dell’edificio. Tale tecnologia è attualmente in fase di ulteriore sviluppo.

Possibilità applicative
L’applicazione di tali materiali consente di ottenere lo sfasamento di onda termica – prestazione propria dei materiali massivi a elevata inerzia – in spessori ridotti. I PCM sono un’interessante soluzione come integrazione inerziale in edifici leggeri e nel recupero di edifici esistenti dotati di poca massa. I sali contenuti all’interno attenuano le fluttuazioni di temperatura, così di giorno assorbono il calore e di sera lo rilasciano attraverso la solidificazione. Il risultato è un’inerzia termica facilmente programmabile in relazione alla temperatura che si vuole ottenere.
La compatibilità tra lo strato inerziale in PCM e il sistema S/R (Struttura e Rivestimento) consente l’applicazione a parete, in copertura e a pavimento.
L’applicazione integrata alle finestre consente di realizzare schermi dinamici in grado di rapportarsi alle condizioni esterne.

Punti di forza
I PCM costituiscono un volano inerziale con l’impiego di una quantità di materiale circa 40 volte più leggero di un altro tradizionale massivo. Per esempio una lastra in gesso di 15 mm di spessore, rivestita con Pcm a base di paraffina, ha le stesse prestazioni in termini di capacità termica di un blocco di calcestruzzo pieno di 100 mm di spessore e di 150 mm di laterizio.
Esistono software in grado di calcolare il guadagno di comfort derivante dall’applicazione di Pcm, di valutare il risparmio energetico ed economico.

Vip, Vacuum insulation panels
Si tratta di pannelli isolanti sottovuoto, le cui proprietà termiche derivano dall’impiego di gas rarefatti. Si presentano con involucro ermetico in alluminio che racchiude e sigilla una schiuma di acido silicico, priva di aria. Con valori di isolamento di 0.003 W/mK sono i materiali più performanti sulla scena attuale, anche se poco diffusi per i costi elevati. Il loro potere isolante è maggiore di cinque-dieci volte rispetto a quello dei materiali termoisolanti convenzionali.

Possibilità applicative
L’isolamento termico sottovuoto occupa uno spazio tra cinque e dieci volte minore di quello occupato da un materiale isolante tradizionale. Risulta quindi molto indicato per riqualificazioni qualora lo spazio disponibile fosse scarso e si richiedesse un isolamento termico elevato.
I pannelli sandwich sono robusti e applicabili in varie forme di piccola e grande dimensione, in cui è integrato l’isolamento termico sottovuoto.
Una direzione di ricerca in cui si sta indagando riguarda il miglioramento delle prestazioni di vetri isolanti sottovuoto che possono raggiungere eccellenti caratteristiche termoisolanti fino a  0,5 W/m²K di trasmittanza termica .

Punti di forza
Il vuoto consente un isolamento termico molto efficace e che richiede poco spazio.

Punti deboli
I pannelli sottovuoto sono delicati. L’alterazione del vuoto dovuto a un’accidentale scalfittura del rivestimento potrebbe ridurne drasticamente le prestazioni termiche. Questo li rende difficilmente maneggiabili in cantiere. Il rischio è stato ovviato nei pannelli integrati sandwich prefabbricati da applicare in sezioni di muro facilmente individuabili per evitare perforazioni accidentali da parte degli utenti nelle normali condizioni d’uso dell’immobile. D’altro canto l’eventuale sostituzione di pannelli dovrebbe avere un onere accettabile. È un materiale in fase di sviluppo che apre la strada a sperimentazioni interessanti.

TIM, Transparent insulation materials
Sono materiali isolanti trasparenti, costituiti in genere da doppi vetri con interposti elementi fibrosi, come per esempio fibre di vetro. Raggiungono valori di isolamento attorno a 1,3 W/mK. Sono semitrasparenti alla radiazione solare e opachi alla radiazione infrarossa e si possono applicare in ambienti che richiedono un’illuminazione naturale e una buona coibentazione.

Possibilità applicative
Vengono impiegati per  realizzare vetri a trasmissione variabile. Sono costituiti da:
– aerogel omogenei o granulari di natura inorganica. Sono a struttura porosa e igroscopici, hanno un coefficiente di trasmissione alla luce superiore all’80% e un coefficiente di trasmissione termica molto basso variabile a seconda dei costituenti e dello spessore;
– policarbonati o polimetilmetacrilati a struttura a nido d’ape di natura organica. Realizzate con una serie di fibre in materiale plastico o vitreo, hanno ottime proprietà di trasmissione della luce e di isolamento termico. I TIM possono essere impiegati come componenti in sistemi a guadagno diretto o indiretto, accoppiati ad elementi opachi di accumulo. Il comfort luminoso dovuto a diffusione è buono ma gli elementi non consentono la visione.

Punti di forza
Comfort luminoso dovuto al comportamento di diffusione dei raggi incidenti.

Punti deboli
Non è consentita la visione attraverso gli elementi.

Isolanti sottili termo-riflettenti
Derivano dalla tecnologia Nasa, studiati per i programmi spaziali. Si applicano associati a un’intercapedine d’aria che favorisce l’effetto riflettente del materiale.
Il loro impiego  nell’edilizia civile e industriale consente di ottenere prestazioni di isolamento termo-acustico innovative, agendo su varie forme di dispersione termica: irraggiamento infrarosso, conduzione, convezione, cambiamento di fase.
Si tratta di sistemi isolanti sottili multistrato (da 8 fino a 19 strati, dai 7 ai 30 mm di spessore) che garantiscono una limitazione dei flussi di calore passanti attraverso un meccanismo di controllo degli effetti conduttivi, convettivi e radiativi nelle stagioni calde e fredde. Garantiscono un iper-isolamento, riducendo la quantità di calore che attraversa l’involucro (flusso termico), grazie alla resistenza termica elevata degli elementi. Se si prende come riferimento il pannello isolante da 30 mm di spessore, costituito da 19 componenti la sua efficacia termica è equivalente a 210 mm di lana minerale (λ=0,04), valore basato su test comparativi in condizioni reali di utilizzazione.
In edifici molto isolati, non ha senso utilizzare elementi di massa in frontiera per controllare i picchi di carico termico. Il fattore di inerzia va considerato in relazione alle capacità dei componenti interni, in particolare dei solai.
Sono materiali a basso spessore, composti prevalentemente da pellicole di polietilene termofuse adatte a proteggere i sottostanti fogli di alluminio puro dall’ossidazione dovuta per esempio al contatto con il cemento fresco o l’acqua piovana. Possono risultare dall’assemblaggio di film riflettenti metallici e strati di separazione in ovatte sintetiche e naturali, schiume, lane di pecora,ecc.

Applicazioni
Questi materiali, innovativi e ancora poco conosciuti nel mercato italiano, sono utilizzati da molti anni in altri paesi. Possono essere impiegati in infinite modalità e trovano le loro grandi performance nella riflessione del 97% del calore trasmesso per radiazione, e nella mancanza di rigidità. I pannelli sono infatti forniti generalmente in rotoli. 
Costituiscono un ottimo isolamento termico riflettente e una perfetta barriera al vapore in coperture, pareti, soffitti, sottotetti, tetti e pavimenti in applicazioni residenziali, commerciali e industriali.
Sono particolarmente indicati in ristrutturazioni in cui sia necessario contenere lo spessore dello strato isolante e in particolare applicati come isolamento termo-acustico dei pavimenti e dei solai interpiano. La flessibilità, l’elevata resistenza a compressione e trazione e la semplicità di posa in opera del prodotto, rendono possibile la creazione di strutture galleggianti ad alto potere fonoisolante.
Sono particolarmente indicati, per gli spessori contenuti, nelle ristrutturazioni.

Punti di forza
– grande risparmio energetico grazie all’elevato isolamento termico e comfort garantito in qualsiasi stagione; grazie alle superfici riflettenti, il pannello annulla l’irraggiamento solare con grande beneficio per gli abitanti delle unità abitative dei piani alti. In inverno costituiscono una barriera al freddo e trattengono il calore all’interno; in estate riflettono all’esterno i raggi evitando il surriscaldamento. Soprattutto se applicati in copertura, evitano il surriscaldamento della struttura del tetto;
– ottimo valore di abbattimento acustico;
– costituisce barriera al vapore e all’acqua;
– è facile da installare: per la posa in opera non necessita di alcun attrezzo particolare: i rotoli si tagliano con cutter e si fissano con graffe, viti, colla;
– possono ritenersi rilevanti le economie indirette legate allo stoccaggio, immagazzinaggio, trasporto, movimentazione in cantiere e resa nella posa in opera;
– possibilità di garantire una maggiore superficie abitativa grazie agli spessori ridotti da applicare in involucro;
– flessibilità e leggerezza;
– sono composti da fibre anallergiche e non rilasciano composti organici volatili. Molti prodotti certificati garantiscono l’utilizzo di materie prime e processi produttivi ecologici, il riutilizzo degli sfridi di produzione, la riciclabilità degli elementi, che godono comunque di una lunga durata;
– l’isolamento è stabile e duraturo, perché i materiali sono imputrescibili e non sono soggetti a cedimenti nel tempo.

Il presente articolo è un estratto da Longo D., Isolanti termici innovativi per la riqualificazione energetica in “Geoinforma” n. 2, Maggioli, Rimini, 2009.

La redazione di Ingegneri.cc augura a tutti i suoi lettori Buon Natale e Felice anno.


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