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PCMs: Massa "Virtuale" per Involucri Leggeri

Divelli, Clara

PCMs: Massa "Virtuale" per Involucri Leggeri.

Rel. Orio De Paoli, Elena Piera Montacchini. Politecnico di Torino, Corso di laurea specialistica in Architettura, 2007

Abstract:

1.1 Mutazioni Climatiche: l'Uomo come Causa Primaria

Dall'origine della terra, circa 5 miliardi di anni fa, si sono succeduti molti cambiamenti climatici che hanno visto l'affermarsi di periodi freddi (culminati nelle glaciazioni), e periodi di clima temperato o caldo. Tali mutazioni sono state la causa delle modifiche della superficie della terra e della vita degli organismi che abitano su di essa, che hanno cercato di adattarsi alle condizioni climatiche che trovavano.

Sono molteplici le ere climatiche riscontrabili nel corso dei millenni: quella in cui attualmente viviamo è cominciata a metà dell'Ottocento, circa 150 anni fa; all'epoca, la temperatura media della terra ha cominciato ad aumentare rispetto ai periodi precedenti e questa tendenza è valida anche oggi.

È parere pressoché unanime che tutto ciò sia causato dalle attività umane e, per convincersi, è sufficiente pensare all'effetto serra.

In realtà esiste un effetto serra "naturale", che è il fenomeno che descrive la capacità dell'atmosfera di trattenere sotto forma di calore parte dell'energia proveniente dal sole: ciò avviene grazie alla presenza di alcuni gas serra presenti nell'atmosfera. Nella tabella sottostante sono riportati i gas serra, sia quelli presenti in natura, sia quelli prodotti dall'uomo.

CO2 (anidride carbonica) è presente in natura nella biosfera, negli oceani, nella geosfera e nell'atmosfera: grazie agli scambi che avvengono tra questi grandi serbatoi, si stabilisce un equilibrio naturale che non e per niente dannoso

CH4 (metano) Si produce dalla degradazione di materiale organico in assenza di ossigeno; altre emissioni sono dovute alle attività umane (perdite di gas naturale ed altri combustibili, agricoltura, discariche, ecc.)

NO2 (protossido di azoto) È introdotto in atmosfera quasi esclusivamente da alcuni fertilizzanti usati in agricoltura e da alcune produzioni industriali: è un gas �serra' molto potente e. pur se presente a bassa concentrazione, ha un tempo di permanenza molto elevato (circa 120 anni)

CFC HFC CF4 Sono composti chimici che contengono cloro, fluoro, bromo e iodio. Con il protocollo di Montreal ne è stato vietato l'uso (il cloro fluoro � CFC � e i carburi sono responsabili del buco nell'ozono): tuttavia anche i prodotti sostitutivi (HFC e CF4) sono potenti gas "serra"

L'unico scopo dell'effetto serra naturale è quello di mantenere sulla terra una temperatura media che rispetti le forme di vita esistenti: della radiazione solare incidente sull'atmosfera, solo la metà riesce ad attraversarla (un 25% viene assorbito, mentre un altro 25% viene riflesso); del 50% rimanente, un 5% è riflesso dalla terra ed un 45% è assorbito, innalzando la temperatura terrestre; il nostro pianeta emette energia per via della sua temperatura e, di questa, l'88% viene riflesso indietro e solo il 12% attraversa l'atmosfera e si disperde nello spazio: ciò significa che l'atmosfera è trasparente all'energia che giunge dal sole, ma opaca alle radiazioni emesse dalla terra, evitando così il verificarsi di un raffreddamento eccessivo.

Le attività umane da decenni stanno generando un effetto serra aggiuntivo a quello naturale: le emissioni nell'atmosfera di ulteriori quantità di gas serra tendono ad alterare gli equilibri del sistema climatico.

Tali emissioni derivano per la maggior parte dal consumo e dalla combustione di fonti fossili, dalla produzione industriale, dall'agricoltura, dalla gestione dei rifiuti. Inoltre, la distruzione delle foreste riduce l'assorbimento dei gas serra, in particolar modo dell'anidride carbonica.

Secondo le indagini, nel 1995 182% delle emissioni di gas serra erano composte da anidride carbonica, il 12% da metano, il 4% da protossido di azoto ed il rimanente 2% era dato dalla somma di HCFC e PCF.

Per valutare il contributo che essi danno all'effetto serra bisogna considerare i seguenti parametri:

* la loro concentrazione nell'atmosfera;

* la loro capacità di intrappolare energia;

* il tempo medio nel quale un gas rimane in atmosfera.

Considerando questi tre fattori, il Segretariato delle Nazioni Unite sui Cambiamenti Climatici ha concluso che l'anidride carbonica è la maggiore responsabile dell'effetto serra di origine umana, e il maggiore responsabile delle sue immissioni in atmosfera è il settore energetico. Negli ultimi 40 anni la concentrazione di anidride carbonica in atmosfera è incrementata dello 0,5%.

Gli esperti [ENEA, 1998] concordano col fatto che, a causa dei cambiamenti climatici, nel prossimo futuro ci si dovrà attendere i seguenti fenomeni:

* aumento della temperatura de/pianeta: dal 1860 ad oggi la temperatura media è aumentata dello 0,6%;

* aumento delle precipitazioni, soprattutto nel nord ed alle medie latitudini;

* aumento della frequenza e dell'intensità di eventi climatici estremi;

* aumento del rischio di desertificazione per alcune zone;

* diminuzione dei ghiacciai;

* crescita de/livello del mare: negli ultimi 100 anni si è verificato un innalzamento di circa 10� 25cm.

Si prevede che la bassa atmosfera e la superficie terrestre continueranno a riscaldarsi, incrementando la loro temperatura di un valore compreso tra 1,5 e 5,8 C con un tasso medio di circa 0,3°C ogni tre anni.

In conseguenza dell'aumento di temperatura, si verificherà anche un incremento dell'evaporazione e, con essa, delle precipitazioni. Ma questo aumento complessivo non sarà equamente ripartito tra tutta la superficie terrestre: sarà concentrato nelle alte latitudini e nell'equatore durante tutto l'anno, mentre nelle medie latitudini soltanto durante i periodi più freddi.

Il livello del mare crescerà in conseguenza dell'espansione termica degli oceani e dello scioglimento dei ghiacciai.

A causa di tutti questi cambiamenti alcuni ecosistemi rischiano di scomparire o di vedere minacciata la loro biodiversità genetica, causando pertanto l'estinzione di molte specie.

Muterà la resa dei terreni agricoli ed alcune colture potrebbero essere spostate in altre zone (ad esempio le viti si sposteranno dalle medie alle alte latitudini).

Le malattie infettive si diffonderebbero con più facilità, a causa delle migliori condizioni di sopravvivenza per quegli organismi (batteri, virus, funghi, ecc.) che ne sono responsabili.

Con lo scioglimento dei ghiacciai la risorsa idrica si distribuirebbe in maniera diversa:

alcuni corsi d'acqua scomparirebbero e una quantità maggiore andrebbe a finire negli oceani, in cui la qualità dell'acqua è piuttosto scadente; le zone costiere diminuirebbero la loro estensione.

1.2 Per uno Sviluppo Sostenibile

Il concetto di sviluppo sostenibile [ENEA, 1998] è stato suggerito per incentivare ad utilizzare le risorse energetiche ed ambientali, in modo da contribuire alla riduzione delle emissioni di gas serra.

Lo sviluppo tecnologico, pur garantendo una migliore qualità della vita, ha la contraddizione di degradare l'ambiente a causa dell'alto sfruttamento delle risorse, che non possono essere rinnovate con la stessa velocità con cui sono consumate.

L'attenzione è incentrata in particolar modo al problema del deterioramento dei capitali naturali come acqua, terra, foreste; la produzione di rifiuti tossici produce, inoltre, danni gravi direttamente sulla salute dell'uomo.

È ormai accertato che i problemi maggiori nascono dall'esigenza di produrre grandi quantità di energia: attualmente essa viene prodotta soprattutto bruciando i combustibili fossili, come è esplicitato nella tabella che segue.

Tipo di fonte energetica - contributo percentuale rispetto alla produzione totale

Petrolio 38%

Carbone 24%

Gas 20%

Nucleare 6%

Idraulica 2%

Biomassa (legno, ecc.) 8%

Innovative e rinnovabili (eolico, solare) 2%

Per fonti energetiche non rinnovabili si intendono i combustibili fossili, presenti in natura grazie alla decomposizione di sostanze organiche avvenuta milioni di anni fa.

Sono dette non rinnovabili in quanto si trovano in natura in quantità limitata ed hanno bisogno di tempi lunghi per rinnovarsi (tuttavia, attualmente non esiste il problema di un loro esaurimento, in quanto sono stati scoperti, di recente, nuovi giacimenti).

Le fonti di energia rinnovabili sono quelle che, invece, possono essere considerate inesauribili. Si può comprendere in questa categoria l'energia solare, idraulica, eolica, delle biomasse, delle onde e delle correnti. Nel futuro sarà necessario aumentare, per quanto possibile, la produzione di energia da fonti rinnovabili, sia per far fronte ai problemi di degrado dell'ambiente che per fronteggiare l'esauribilità delle fonti fossili.

L'idea di uno sviluppo sostenibile nacque negli anni Settanta, quando la consapevolezza della questione ambientale ha portato allo sviluppo di iniziative per la difesa dell'ambiente globale e locale, ed alla nascita delle associazioni ambientaliste.

Negli anni Ottanta il concetto fu meglio specificato, trovando una diffusione a più larga scala, culminando nel "Rapporto Brundtland", della Commissione Mondiale per l'Ambiente e lo Sviluppo (1987), che lo definì come lo "sviluppo capace di soddisfare i bisogni del presente senza compromettere la capacità delle future generazioni di soddisfare i propri bisogni".

Nel corso di questi ultimi decenni sono state molteplici le iniziative internazionali a favore dello sviluppo sostenibile.

> Nel 1979 a Ginevra viene firmata la convenzione sull'inquinamento atmosferico regionale o transfrontaliero, varata per affrontare i problemi legati all'acidificazione ed allo smog fotochimico.

> Nel 1987 è adottato il protocollo di Montreal, ratificato nel corso degli anni da

oltre 160 paesi di tutto il mondo: esso impegna i paesi firmatari ad eliminare gradatamente l'utilizzo e la produzione delle sostanze riducenti lo strato di ozono atmosferico.

> Nel 1991 inizia la campagna dell'ICLEI (Consiglio Internazionale per le Iniziative Ambientali Locali "Città per la protezione del clima", che offre sovvenzioni ed assistenza tecnica alle città e ai paesi aderenti per sostenere programmi ed iniziative che migliorino l'efficienza energetica, che si traducono in riduzioni delle emissioni di gas ad effetto serra.

Nel giugno del 1992 a Rio de Janeiro si è tenuta la Conferenza Mondiale sull'Ambiente e lo Sviluppo a cui hanno partecipato i rappresentanti dei governi dei paesi di tutto il mondo. Si sono discussi i problemi ambientali del

pianeta e i loro legami con i problemi dello sviluppo sociale ed economico.

> La conferenza ha approvato la "Dichiarazione di Rio sull'Ambiente e lo Sviluppo", con cui gli Stati si sono impegnati a tutelare l'ambiente ed a perseguire lo sviluppo sostenibile. Tali Stati si sono perciò impegnati ad adottare misure finalizzate alla prevenzione, controllo e mitigazione degli effetti delle

attività umane sul pianeta.

> Tra i documenti prodotti assume grande importanza l'Agenda 21: è un programma di azioni per lo sviluppo sostenibile del pianeta. Essa parte dalla

premessa che la società non può continuare a perseguire l'attuale modello di sviluppo, avente un eccessivo impatto sull'ambiente e causante un divario economico notevole tra le nazioni; considera che l'uomo è al centro del programma e sottolinea che lo sviluppo sostenibile deve essere realizzato proteggendo l'ambiente affinché i bisogni delle generazioni presenti e future siano equamente soddisfatti; individua nei governi i maggiori responsabili della progettazione e dell'attuazione dello sviluppo sostenibile, poiché saranno essi che dovranno cooperare a livello internazionale e promuovere la

partecipazione di comunità locali.

> Nel dicembre del 1997, a Kyoto, è stato concordato un Protocollo attuativo della Convenzione che impegna i paesi industrializzati e quelli in economia

di transizione (cioè dell'Est europeo), responsabili di oltre il 70% delle emissione mondiali di gas serra, a ridurre le emissioni entro il 2012, complessivamente del 5,2% rispetto alle emissione rilevate nel 1990. La riduzione del 5,2% viene ripartita in maniera diversa a seconda dei paesi: i paesi dell'Unione Europea dovranno ridurre dell'8% le loro emissioni (in particolare, L'Italia dell'8%, ma altre nazioni, come la Norvegia, sono autorizzate ad aumentarla). Tale protocollo indica, inoltre, le politiche e le misure che dovranno essere adottate per la riduzione delle emissioni:

* promozione dell'efficienza energetica;

* sviluppo delle fonti rinnovabili e delle tecnologie innovative per la riduzione delle emissioni;

* protezione ed estensione delle foreste per incrementare la capacità del pianeta di assorbire anidride carbonica;

* promozione dell'agricoltura sostenibile;

* limitazione e riduzione della produzione di metano nelle discariche di rifiuti e in altri settori energetici

* misure fiscali appropriate per disincentivare le emissioni di gas serra.

Il Protocollo prevede anche che le misure nazionali siano integrate da strumenti di cooperazione tra paesi in modo da ottenere il massimo risultato con la riduzione del costo al minimo, In realtà il protocollo non è ancora stato ratificato da tutti i paesi che lo proposero, ma ha già prodotto rilevanti conseguenze economiche ed organizzative, in particolare nel settore energetico: basti ricordare l'esempio italiano in cui, con Decreto del Ministero dell'Ambiente del 28 maggio 1998, si sono individuati gli strumenti per promuovere lo sviluppo sostenibile; la Delibera CIPE del 19 novembre 1998 ha definito le linee guida per le politiche e le misure nazionali di riduzione delle emissioni di gas serra; con la Legge 344 del 1997 il governo si è impegnato a sviluppare ed adottare misure per favorire la sostenibilità ambientale; con il DPCM. n. 11 del 15 maggio 1999 si istituisce la "carbon tax". Altre misure minori, ma sempre volte all'incentivazione dello sviluppo sostenibile, sono state adottate dal nostro governo negli ultimi anni.

Anche i progettisti che lavorano nel campo dell'edilizia possono e devono dare il loro contributo promuovendo un'architettura sostenibile, vale a dire un modo di costruire che sia rispettoso delle esigenze delle generazioni future.

Si possono sintetizzare in sei punti i principi che aiutano a perseguire un tale scopo:

* protezione dell'ambiente naturale;

* massimo riutilizzo dei materiali;

* minimizzazione delle risorse;

* utilizzo di fonti energetiche rinnovabili;

* ambienti interni non tossici;

* perseguimento della qualità costruttiva.

1.3 Progettare la Prestazione

Negli ultimi anni si è assistito a cambiamenti radicali nel modo di concepire e, di conseguenza, di progettare un edificio. Alla necessità di realizzare organismi edilizi energicamente efficienti (esigenza da tempo manifestata e rimasta spesso disattesa) e rispettosi del benessere di chi vive e occupa lo spazio confinato, si affiancano oggi nuove esigenze connesse alla compatibilità e alla sostenibilità ambientale.

Quando si parla (o meglio si legge) di sostenibilità, in genere si fa riferimento a realizzazioni eccellenti con uno spiccato carattere di sperimentalità e con un approccio di innovazione spinta. Spesso localizzate all'estero, in contesti diversi da quello italiano, non consentono di valutare completamente la reale portata degli interventi (norme e culture differenti, e non ultimo, budget più alti).

Accanto a concetti basilari non sempre ben acquisiti e metabolizzati, della progettazione 10w energy, come l'orientamento, i guadagni diretti e indiretti, il ciclo di vita di un edificio, alcuni aspetti, oggi, sono entrati in gioco, con maggiore evidenza, tra le variabili del progetto sostenibile: iperisolamento, inerzia termica, importanza delle finestrature, ventilazione meccanica controllata, impiantistica di ultima generazione.

È all'interno di questo dibattito che si inserisce la ricerca per lo sviluppo delle nano- tecnologie, in grado di consentire nuove applicazioni e nuove prospettive nel mondo dell'edilizia a partire da ricerche di laboratorio e applicazioni sperimentali.

I PCMs (Phase Change Materials) elaborati dalla NASA negli anni �70, hanno reso tecnicamente compatibili inerz

Relatori: Orio De Paoli, Elena Piera Montacchini
Tipo di pubblicazione: A stampa
Soggetti: S Scienze e Scienze Applicate > SH Fisica tecnica
T Tecnica e tecnologia delle costruzioni > TE Tecnologia dei materiali
Corso di laurea: Corso di laurea specialistica in Architettura
Classe di laurea: NON SPECIFICATO
Aziende collaboratrici: NON SPECIFICATO
URI: http://webthesis.biblio.polito.it/id/eprint/1021
Capitoli:

prefazione I

Indice II

Introduzione IV

1.1 Mutazioni Climatiche: l�Uomo come Causa Primaria IV

1.2 Per uno Sviluppo Sostenibile VI

1.3 Progettare la Prestazione X

I Materiali a Cambiamento di Fase 1

1.1 Introduzione al Concetto di Inerzia Termica I

1.1.1 Isolamento e Accumulo Termico nei Sistemi di Involucro 1

1.1.2 L�Inerzia Termica nei Regolamenti Edilizi 3

1.2 PCMs (Phase Change Materials) 6

1.2.1 Classificazione e Proprietà dei PCM5 6

1.2.2 Problemi di Segregazione di Fase e Subcooling 7

1.3 Maggiori Applicazioni dei PCMs 10

1.3.1 Applicazioni in Edilizia 10

1.3.2 Innovazioni Tecnologiche: l�Incapsulamento dei PCMs 12

1.3.3 Limiti e Problemi di Utilizzo 14

Lo Stato della Ricerca 15

2.1 Sperimentazione di Prodotto e di Sistema 15

2.2 Il Progetto �Innovative PCM Tecnologie� 17

2.3 La Ricerca �C-TIDE� 19

2.3.1 Scopi e Fasi della Ricerca 19

2.3.2 Modelli di Funzionamento (Estivo ed Invernale) 21

2.3.3 Considerazioni sui Risultati Sperimentali 24

2.3.4 L�Impacchettamento Discretizzato 26

2.3.5 La Collaborazione con la Tsinghua University di Pechino 27

Edifici Realizzati con la Tecnologia dei PCMs 28

3.1 Introduzione: Edifici ed Energia Solare 28

3.1.1 Sistemi di Accumulo e Trasformazione dell�Energia Solare 29

3.2 I Progetti di Riferimento 30

3.2.1 �Solarhause�, Svizzera, 2000 30

3.2.2 �3-Liter-Hause�, Germania, 2001 35

3.2.3 �Alloggi per Anziani DomatlEms�, Svizzera, 2004 37

3.2.4 �Haus der Gegenwart�, Germania, 2005 40

3.2.5 Altri Esempi Selezionati 42

3.3 Ambiente e Risorse Energetiche ., 45

3.3.1 L�Esperienza del �Quartiere Vauban� a Friburgo 46

Chiusura Verticale Opaca: Metodologie di Lavoro per la Progettazione 48

4.1 Contesti Climatici 48

4.1.1 Macroclima: Zone Climatiche 48

4.1.2 Macroclima ed Abitazioni 54

4.1.3 Fattori Climatici che Influenzano l�Accumulo 56

4.1.4 Microclima 65

4.2 Contesti Progettuali 77

4.2.1 Modelli d�Uso 77

4.2.2 Caratteristiche Morfologiche dell�Edificio 81

4.2.3 Posizione dell�Edificio 86

4.3 Strategie di Massima per la Chiusura Verticale 88

4.4 Modelli per le Applicazioni 91

Caso Studio: Sede ATC a Torino

5.1 Analisi dello Stato di Fatto 99

5.1.1 Modello d�Uso 105

5.1.2 Caratteristiche dell�Edificio in Esame 105

5.2 Proposte di Intervento 106

5.2.1 Integrazioni negli Elementi Interni 107

5.2.2 Integrazioni nella Chiusura Verticale Trasparente 109

Conclusioni 110

6.1 Strategie Principali di Utilizzo 110

6.1.1 Impiego Operativo 111

6.2 I Modelli di Calcolo 115

6.3 Il Monitoraggio come Verifica delle Prestazioni 115

6.4 Considerazioni Economiche 116

6.5 Possibilità di Sviluppo a Breve Termine 117

Appendice A - Prodotti in Commercio 119

A.1 MICRONAL®PCM 119

A.2 SMARTBOARDTM 120

A.3 DELTA®-PCM 121

A.4 DELTA® - CCCL 122

A.5 MAXIT CLIMA® 123

A.6 GLASSXCRYSTAL® 124

A.7 ILKAZELL® 125

Bibliografia 126

Bibliografia:

V. OLGYAY, Progettare con il clima, Franco Muzzio Editore, 1997.

M. O. TORRICELLI, R. DEL NORD, P. FERRI, Materiali e tecnologie dell�architettura, Editori Laterza, Bari 2001.

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5. ALTOMONTE, L�involucro architettonico come interfaccia dinamica: strumenti e criteri per una architettura sostenibile, Alinea, Firenze 2004.

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T. POLI, L. P. GATTONI, Attitudine al cambiamento, in Modulo n. 293, pp. 596-599, luglio-agosto 2003.

M. IMPERADORI, La spugna termica, in Modulo n. 293, pp. 632-635, luglio-agosto 2003.

B. NIESING, Storing heat with wax, in Fraunhofer magazine, pp. 36-37, gennaio 2004.

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Quartiere Vauban in Freiburg, in Baumeister, vol. 102, n. 10, pp. 57-61, ottobre 2005.

M. ROSSI, Specialisti in termoregolazione, in Costruire n. 282, pp. 72-78, novembre 2006.

P. FANUZZI (a cura di), Low energy, vizi e virtù, in Modulo n. 329, pp. 186-192, marzo 2007.

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Stato dell�arte delle fonti energetiche nuove e rinnovabili in Italia, (Rapporto) ISES

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