Pareti che accumulano calore e lo restituiscono al momento giusto: così i PCM trasformano l’edilizia in una batteria termica invisibile.
L’accumulo termico dei materiali PCM rappresenta una delle innovazioni più interessanti per migliorare l’efficienza energetica degli edifici senza ricorrere a impianti complessi. I phase change materials in edilizia sfruttano infatti un principio fisico semplice ma estremamente efficace. Infatti immagazzinano energia durante il passaggio dallo stato solido a quello liquido e la restituiscono quando il materiale solidifica, mantenendo quasi costante la propria temperatura.
A differenza delle pareti tradizionali in cemento o laterizio, che accumulano calore semplicemente riscaldandosi, i PCM trasformano intonaci, pannelli e controsoffitti in vere e proprie batterie termiche passive. Durante le ore più calde le micro-capsule assorbono l’eccesso di energia liquefacendosi senza aumentare la propria temperatura. Nelle ore notturne rilasciano gradualmente il calore latente, contribuendo a stabilizzare la temperatura interna e a ridurre il fabbisogno di climatizzazione estiva. Questa tecnologia trasforma pareti e intonaci in batterie termiche passive, riducendo i fabbisogni di climatizzazione estiva e migliorando l’isolamento degli immobili.
L’ingegneria del calore latente e la fisica delle transizioni di fase
Per capire perché i materiali a cambiamento di fase siano così efficienti bisogna distinguere due meccanismi fisici molto diversi: il calore sensibile e il calore latente.
Negli edifici tradizionali prevale il calore sensibile. Pareti, solai e pilastri assorbono energia aumentando progressivamente la propria temperatura: più massa possiede il materiale, maggiore sarà la sua inerzia termica. Questo processo, però, richiede grandi spessori e comporta un lento accumulo dell’energia.
Come spiegano diversi studi e ricerche, I PCM funzionano invece attraverso l’entalpia di fusione, ovvero l’energia necessaria per trasformare una sostanza da solida a liquida senza modificarne la temperatura. Quando il materiale raggiunge la propria temperatura di transizione, continua ad assorbire calore ma il termometro rimane praticamente stabile fino al completamento della liquefazione. È proprio questa caratteristica che rende possibile un accumulo del calore latente molto più elevato rispetto ai materiali da costruzione convenzionali.
Dal punto di vista quantitativo, i PCM impiegati in edilizia raggiungono una capacità di accumulo compresa tra 180 e 220 kJ/kg. Si tratta di valori nettamente superiori a quelli ottenibili con il solo riscaldamento della massa muraria. Grazie all’elevata densità energetica, uno strato di circa 1 centimetro di PCM può immagazzinare una quantità di calore paragonabile a quella di un muro di calcestruzzo spesso 10–12 centimetri, con un notevole vantaggio in termini di ingombro e peso delle strutture.
Questa proprietà consente di progettare pareti leggere ma altamente performanti, capaci di assorbire i picchi termici diurni e restituire energia nelle ore più fresche. Il tutto migliorando il comfort abitativo senza aumentare significativamente lo spessore dell’involucro edilizio.
Le tipologie di materiali PCM e le tecnologie di micro-incapsulamento
Come spiegano gli studi scientifici e tecnici, i materiali a cambiamento di fase possono essere classificati in diverse famiglie in base alla loro composizione chimica. Per l’edilizia interessano soprattutto PCM organici, come paraffine e acidi grassi, e PCM inorganici, tra cui i sali idrati. La scelta non dipende soltanto dalla quantità di energia che il materiale può accumulare, ma anche dalla temperatura di transizione, dalla stabilità nel tempo, dalla compatibilità con i materiali da costruzione, dalla sicurezza e dalla possibilità di controllare il materiale quando passa dallo stato solido a quello liquido.
Il vantaggio comune è la capacità di effettuare l’accumulo del calore latente in corrispondenza della transizione di fase, ma ogni famiglia presenta caratteristiche differenti. I sali idrati, per esempio, sono interessanti per il costo e per la capacità di accumulo, ma possono essere penalizzati da fenomeni come separazione di fase e corrosione. Le paraffine, invece, sono ampiamente utilizzate grazie alla buona stabilità chimica, al ridotto cambiamento di volume durante la transizione e alla bassa pressione di vapore. Il problema è che derivano generalmente da fonti fossili e presentano limiti legati all’infiammabilità.
Per l’integrazione nei materiali edilizi è quindi necessario risolvere anche un problema fisico fondamentale: impedire che il PCM, diventando liquido, fuoriesca dalla matrice che lo contiene. La micro-incapsulazione risponde proprio a questa esigenza, racchiudendo il materiale a cambiamento di fase all’interno di un involucro protettivo. Questa soluzione permette di incorporare le microcapsule in prodotti come gesso, intonaci e materiali cementizi, mantenendo il PCM confinato anche durante i ripetuti cicli di fusione e solidificazione.
La distinzione tra paraffinici sintetici e composti organici bio-basati
Tra i PCM organici, le paraffine rappresentano una delle famiglie più utilizzate per l’accumulo termico negli edifici. Sono derivate prevalentemente dal petrolio e presentano caratteristiche favorevoli per l’impiego edilizio. Tra queste una buona stabilità chimica, una variazione volumetrica relativamente contenuta durante il cambiamento di fase e una temperatura di transizione che può essere selezionata attraverso la formulazione. Il principale limite riguarda però la loro origine non rinnovabile e la loro infiammabilità, un aspetto particolarmente importante quando vengono incorporate nei materiali da costruzione.
I PCM bio-based rappresentano un’alternativa sviluppata per ridurre la dipendenza dalle materie prime fossili. Appartengono a questa categoria, per esempio, gli oli vegetali e gli acidi grassi derivati da fonti biologiche.
La letteratura scientifica considera inoltre interessanti le materie prime secondarie e riciclate, che possono migliorare il profilo ambientale rispetto alle paraffine convenzionali.
La distinzione, tuttavia, non va semplificata affermando che tutti i bio-PCM siano automaticamente atossici, biodegradabili e incombustibili. L’origine biologica non determina da sola il comportamento al fuoco o la sicurezza del prodotto finito. Queste proprietà dipendono dalla specifica sostanza, dalla formulazione e soprattutto dall’eventuale involucro utilizzato per l’incapsulamento. L’infiammabilità delle paraffine e dei gusci polimerici organici rappresenta ancora un ostacolo alla diffusione su larga scala dei micro-PCM in edilizia, mentre sono allo studio alternative bio-based e inorganiche.
Per applicazioni dedicate al comfort abitativo, la temperatura di fusione deve essere vicina alla temperatura interna desiderata. Un intervallo nell’ordine di 21–23 °C è particolarmente interessante. Studi su PCM destinati agli edifici hanno individuato transizioni comprese in questo intervallo come efficaci per il controllo delle condizioni interne, mentre un caso di studio mediterraneo ha ottenuto i migliori risultati con un materiale che fonde a 23 °C e solidifica a 21 °C.
Anche la stabilità ciclica è essenziale. Non è però corretto attribuire oltre 10.000 cicli di fusione e solidificazione indistintamente a tutti i PCM bio-based. Alcune formulazioni organiche specifiche, comprese miscele di acidi grassi, hanno dimostrato una buona stabilità fino a 10.000 cicli, mentre altri PCM possono subire variazioni delle proprietà termiche nel corso dei cicli. In un test su una miscela paraffinica, per esempio, dopo 10.000 cicli la perdita di calore latente è risultata del 9,1%. La temperatura di fusione è rimasta sostanzialmente invariata.
Le tecniche di micro-incapsulamento per l’integrazione nei leganti edili
Il problema principale dell’utilizzo di un PCM solido-liquido direttamente all’interno di una parete è il comportamento durante la fusione. Quando il materiale passa allo stato liquido, deve rimanere confinato per evitare perdite, trasudazioni e migrazione nella matrice edilizia. La micro-incapsulazione permette di separare il PCM dal materiale circostante attraverso una struttura a guscio, trasformando il materiale liquido in particelle solide maneggiabili.
Nel processo di produzione, il PCM costituisce il nucleo della microcapsula, mentre una sostanza polimerica o inorganica forma il guscio esterno. Sono state sviluppate, per esempio, microcapsule con paraffina racchiusa in gusci polimerici, ma anche sistemi nei quali il materiale di rivestimento è costituito da silice o da altre strutture inorganiche. Vengono inoltre usate tecniche di polimerizzazione in situ e processi basati su emulsioni per ottenere particelle con una struttura core-shell stabile.
Le dimensioni possono essere estremamente ridotte. Studi sperimentali su micro-PCM commerciali riportano distribuzioni delle particelle comprese, in alcuni casi, tra 1 e 20 micrometri. Un lavoro specificamente dedicato a materiali cementizi ha analizzato microcapsule di paraffina con guscio polimerico delle dimensioni di 1–20 μm.
Una volta ottenuta la polvere micro-incapsulata, le particelle possono essere disperse nella matrice del materiale da costruzione. Sono stati studiati, per esempio, pannelli in gesso contenenti micro-PCM, nei quali le particelle risultano distribuite all’interno della matrice e mantengono il comportamento di cambiamento di fase. La quantità aggiungibile deve però essere ottimizzata perché una concentrazione troppo elevata può modificare lavorabilità, densità e proprietà meccaniche del materiale.
Per i pannelli in gesso, la letteratura ha indicato valori massimi di incorporazione nell’ordine del 30% in peso, mentre altri sistemi e matrici possono utilizzare percentuali differenti. Il valore del 20–30% in peso è quindi un intervallo realistico per alcune applicazioni, ma non deve essere presentato come una soglia universale valida per tutti gli intonaci e tutte le matrici cementizie.
La micro-incapsulazione diventa così un passaggio fondamentale per trasformare un materiale capace di immagazzinare energia termica in un additivo utilizzabile nell’edilizia. Il guscio non deve soltanto impedire la fuoriuscita del PCM: deve resistere ai cicli termici, essere compatibile con il legante e, possibilmente, favorire lo scambio di calore tra il nucleo e la matrice circostante. La scelta del materiale dell’involucro influenza infatti sia le prestazioni termiche sia le proprietà meccaniche del prodotto finale.
L’applicazione nei componenti dell’involucro edilizio e la riduzione dei carichi estivi
Con l’integrazione dei PCM, l’involucro edilizio diventa un sistema termicamente dinamico. Durante le ore più calde, il materiale raggiunge la propria temperatura di transizione e assorbe parte dell’energia proveniente dalla radiazione solare sotto forma di calore latente, limitando l’aumento della temperatura della parete e ritardando il trasferimento del calore verso gli ambienti interni.
Durante la notte, quando la temperatura esterna diminuisce, il PCM può solidificare cedendo il calore accumulato. La ventilazione naturale notturna favorisce questo processo di scarica termica, permettendo alla parete di tornare disponibile per il ciclo successivo. L’efficacia dipende però dalla posizione del PCM, dalla temperatura di transizione, dall’orientamento della parete e dalle condizioni climatiche: non esiste quindi una configurazione ottimale universale.
| Componente Edilizio | Meccanismo di Gestione del Calore | Riduzione Picco Termico | Impatto sui Consumi di Climatizzazione |
| Involucro Tradizionale (Isolante Cappotto) | Rallenta la conduzione termica sensibile | Ritardo sfasamento 4–6 ore | Riduzione consumi limitata in estate |
| Involucro con PCM Bio-basato | Assorbe il calore latente a 22 °C | Ritardo sfasamento 10–12 ore | Taglio dei picchi di climatizzazione fino al 40% |
| Pannelli In Cartongesso additivato | Livella la temperatura dell’aria interna | Smorzamento fluttuazioni (±1,5 °C) | Riduzione dei cicli di accensione della pompa di calore |
Lo sfasamento dell’onda termica e lo smorzamento delle fluttuazioni interne
Lo sfasamento termico indica il tempo con cui il calore attraversa l’involucro, mentre l’attenuazione misura quanto viene ridotta l’ampiezza dell’oscillazione della temperatura. Grazie all’assorbimento del calore latente, i PCM possono prolungare lo sfasamento fino a 11–12 ore, spostando il momento in cui il picco termico raggiunge gli ambienti verso le ore notturne con un contenimento delle oscillazioni interne entro ±1,5 °C. In condizioni favorevoli, questo permette di sfruttare l’aria esterna più fresca per il raffrescamento naturale.
L’integrazione con i sistemi a pompa di calore e la rasatura dei picchi di rete
L’integrazione tra PCM e pompe di calore consente di spostare parte del carico termico fuori dalle ore di maggiore domanda. Riducendo e ritardando il picco di temperatura interna, l’impianto può evitare di funzionare continuamente alla massima potenza durante le ore più calde, (quando l’efficienza EER del macchinario è al minimo a causa della temperatura esterna elevata), con un effetto di peak shaving utile anche per la rete elettrica. Studi recenti su sistemi PCM integrati con pompe di calore hanno registrato riduzioni della domanda di raffrescamento nell’ordine del 25–35% e significativi spostamenti dei carichi verso le ore non di punta.
Le prospettive industriali e il ruolo dei materiali PCM nella direttiva Case Verdi
Nel quadro della Direttiva europea EPBD, le Case Verdi e gli obiettivi di decarbonizzazione, i PCM possono diventare una soluzione strategica per riqualificare gli edifici esistenti senza alterarne l’aspetto. Intonaci e pannelli a cambio di fase sono particolarmente interessanti nei centri storici e negli edifici vincolati, dove l’installazione di un cappotto termico esterno può essere limitata o vietata dai vincoli architettonici. L’obiettivo europeo di ridurre le emissioni degli edifici del 55% entro il 2030 rafforza la necessità di tecnologie capaci di intervenire anche sul patrimonio edilizio più difficile da riqualificare.
Con la progressiva riduzione dei costi di produzione dei PCM organici e l’aumento delle economie di scala, questi materiali potrebbero diventare componenti standard della bioedilizia nel prossimo decennio. Con un tempo di ammortamento stimato in 5–7 anni, l’integrazione nei materiali edilizi potrebbe trasformare l’accumulo termico passivo da tecnologia di nicchia a soluzione ordinaria per l’efficienza energetica degli edifici.
