I PCM sono caratterizzati da un punto di fusione vicino alla temperatura di comfort
L’aumento dei giorni di grande caldo registrato in questi ultimi decenni sta mettendo a dura prova soprattutto la sicurezza dei cittadini che abitano le grandi città. A proteggerci dalle condizioni avverse sono gli edifici nei quali trascorriamo la maggior parte del tempo, ma questo patrimonio costruito è pronto ad affrontare i repentini cambi di temperatura del cambiamento climatico? I ricercatori del National Renewable Energy Laboratory (NREL) stanno mettendo a punto una soluzione costruttiva che utilizza i materiali a cambiamento di fase per aumentare la sicurezza degli occupanti, con prestazioni superiori a quelle normalmente garantite dalla coibentazione termica.
I Materiali a Cambiamento di fase aumentano la sicurezza
Servendosi di un modello computerizzato, i ricercatori dell’NREL hanno esaminato vari metodi per aumentare la sicurezza degli occupanti di un determinato edifici in caso di ondate di freddo, ondate di caldo o interruzione di corrente. Per “sicurezza” il team di ricercatori intende il numero di ore impiegate dalla temperatura interna per raggiungere la soglia di sicurezza dei 15°C durante i picchi di freddo, o inferiore ai 32,7°C durante le ondate di calore.
La ricerca si è concentrata sugli edifici esistenti ed ha dimostrato che, mentre l’aggiunta dell’isolamento termico con la “sigillatura” dell’involucro assicura una maggiore resilienza, l’impiego di materiali a cambiamento di fase (PCM) ha il potenziale per migliorare significativamente le ore di sicurezza. Questo perchè i PCM( Phase Change Materials) sono progettati per immagazzinare calore o freddo senza la necessità di energia elettrica, inoltre la loro efficacia non diminuisce se utilizzati in spazi ridotti.
“In pratica, potrebbe avere più senso aggiungere PCM in una piccola camera da letto o in un armadio piuttosto che in tutta la casa”, ha affermato Ravi Kishore, ingegnere di ricerca senior del NREL e coautore della ricerca.
Con i PCM oltre 37 ore al sicure in caso di ondate di calore
Utilizzando l’edificio modello ResStock, sviluppato dal NREL, i ricercatori hanno calcolato le ore di sicurezza di cui avrebbe bisogno un ipotetico residente di una casa unifamiliare durante un evento climatico estremo. Il software computerizzato ha basato l’indagine su un edificio tipo di circa 185 mq costruito a Houston, Texas, negli anni 2000. Anche se lo studio si è concentrato su una città in particolare, il team ha sottolineato che i risultati sono applicabili ad altre comunità colpite da condizioni meteorologiche estreme senza particolari differenze.
In uno scenario base, nel quale l’edificio abitato non ha adottato alcun tipo di soluzione per mitigare le temperature estreme durante le ore di interruzione di corrente, la sicurezza degli occupanti sarebbe stata compromessa entro 2 ore durante un’ondata di freddo ed entro 12 ore durante un’ondata di caldo.
Impiegando invece i materiali a cambiamento di fase come soluzione di accumulo di energia termica, il tempo di sicurezza si è completamente trasformato garantendo 44 ore di sicurezza in caso di freddo e 37 ore in caso di picco di calore.
Come funzionano i PCM
I materiali a cambiamento di fase immagazzinano energia termica per mantenere la temperatura di comfort interna all’edificio più a lungo. Come mostrato dalla ricerca, i PCM potrebbero essere applicati a pareti o soffitti. Questi particolari materiali mantengono il loro stato liquido se sottoposti a temperature basse, mentre mantengono lo stato solido in caso di temperature alte; nel momento in cui si verificano condizioni meteorologiche estreme, i materiali a cambiamento di fase reagiscono quando la temperatura raggiunge una certa soglia. In questo modo durante un’ondata di calore, ad esempio, i PCM si liquefanno gradualmente assorbendo calore ed impedendo un aumento improvviso della temperatura dell’aria interna.
Maggiore sarà lo spessore dello strato di PCM, maggiore sarà la resilienza dell’edificio alle temperature esterne. Il modello analizzato dal sistema computer ha utilizzato uno spessore di circa 1,9 cm ed ha ipotizzato che i materiali a cambiamento di fase fossero completamente congelati prima di un’ondata di calore e completamente sciolto prima di una tempesta invernale.
Nel caso di un’ondata di calore ad esempio, i PCM si liquefa gradualmente e assorbe calore impedendo un aumento improvviso della temperatura dell’aria interna.
L’articolo “Enhancing thermal resilience of US residential homes in hot humid climates during extreme temperature events” è stato pubblicato sulla rivista Cell Reports Physical Science.