Inerzia trasparente : definizione progettuale e validazione sperimentale di un componente di facciata in policarbonato alveolare e PCM.

1. Introduzione

1.1 Abitare "mediterraneo"

1.2 Prestazione programmabile

1.3 Elementi responsivi nella ricerca iea annex 44

Facciate integrate avanzate

Attivazione della massa termica

Accoppiamento con il terreno

Isolamento dinamico

Materiali a cambiamento di fase

2. Inerzia termica

2.1 Il ruolo della massa termica

2.2 Il quadro normativo

Legislazione nazionale

Caratteristiche dinamiche

Fabbisogno energetico estivo

2.3 Esemplificazioni

Condizione invernale

Condizione estiva

2.4 Alternative alla massa termica

3. Inerzia termica "artificiale"

3.1 Fisica dei PCM

Transizione di fase

Metodi di accumulo dell'energia termica

Calore sensibile

Calore latente

3.2 Classificazione dei PCM

Requisiti prestazionali

Classi di PCM

PCM organici

PCM inorganici

Miscele eutettiche

Sostenibilità dei PCM

4. Il problema del contenimento: packaging del PCM

4.1 Tipologie di contenimento

Microincapsulamento

Macroincapsulamento

PCM compositi

Confronto tra tecniche di incapsulamento

4.2 Criticità nella transizione

Separazione delle fasi

Sottoraffreddamento (subcooling)

4.3 Incremento di conducibilità termica

Matrice di grafite

Spugna di alluminio

Nanofibre

4.4 Compatibilità chimica tra PCM e altri materiali

Compatibilità con le materie plastiche

Corrosione dei metalli

5. Uso dei PCM nell'ambiente costruito

5.1 Climatizzare con i PCM

Comfort del corpo umano

Scambi termici dell'edificio

Usi potenziali dei PCM

PCM per il controllo della temperatura

PCM per l'accumulo termico

6. Lo stato della ricerca

6.1 Sviluppi recenti nel campo dei PCM

Ricerche iea annex 10 e annex 17

Ricerca innovative PCM technology

La ricerca in Italia: l'esperienza c-tide

6.2 Applicazioni solari passive

Potenzialità applicative

Pavimentazioni solari passive

Muri solari

Controllo dell'illuminazione naturale

6.3 Chiusure trasparenti

Trasparenza dei PCM

L'esperienza di Dietrich Schwarz e glassx

Power glass

Glassx crystal

6.4 Conclusioni relative allo stato dell'arte

7. Il policarbonato alveolare

7.1 Le materie plastiche

Polietilene

Polipropilene

Polivinilcloruro

Polistirene

Acrilonitrile butadiene stirene

Polietilene tereftalato

Policarbonato

Polimetilmetacrilato

Comparazione tra materie plastiche

7.2 Formatura dei contenitori plastici

Tecnologia di trasformazione dei polimeri

7.3 Concept applicativi

Sistema modulare_contenitori in PET

Sistema modulare_frangisole in PP

Sistema modulare_contenitori in PC

7.4 Prodotti finiti e semilavorati

7.5 Pannelli a nido d'ape

Ipotesi di contenimento con pannelli honeycomb

7.6 Lastre alveolari

Lastre alveolari in policarbonato

Lastre alveolari in polimetilmetacrilato

Usi architettonici delle lastre alveolari

8. Prototipo di pannello

8.1 Definizione del prototipo

Scelta del tipo di lastra

8.2 Sigillatura del pannello

Sigillatura con silicone neutro

Cordolo in sigillante butilico

Termosaldatura

Shiusura con profili esterni

8.3 Scelta del PCM

8.4 Proprietà inerziali del pannello

Altre proprietà termiche

9. Analisi sperimentale: il comportamento fisico del modulo

9.1 Considerazioni preliminari

L'esigenza di una campagna sperimentale

Definizione degli obiettivi e risultati attesi

Scopi applicativi del sistema testato

9.2 Configurazione dei test

Preparazione del modulo di prova

Test-cell

Strumentazioni

Dati iniziali

Grandezze fisiche rilevate

9.3 Step 1

Condizioni al contorno intero periodo 29/03 - 16/04

Selezione giorni rappresentativi 08/04 - 09/04

Flussi termici 06/04

Flussi termici 09/04

Temperature superficiali interne 08/04

Temperature superficiali interne 09/04

Confronto t sup interne/esterne (PCM) 08/04 - 09/04

Temperature superficiali 09/04

Confronto temp flusso termico (PCM) 09/04

Irradianze trasmesse 08/04 - 09/04

La ricerca Actress

Confronto tra pannello e PCM in vetrocamera

Ipotesi di bilancio energetico

9.4 Step 2

Condizioni al contorno intero periodo 17/04 - 02/05

Selezione giorni rappresentativi 18/04 - 19/04

Flussi termici 18/04

Flussi termici 19/04

Temperature superficiali interne 18/04

Temperature superficiali interne 19/04

Confronto t sup interne/esterne (PCM) 18/04 - 19/04

Confronto temp - flusso termico (PCM) 19/04

Confronto step 1 - step 2 09/04 - 19/04

9.5 Step 3

Pannello ad acqua

Condizioni al contorno intero periodo 22/04 - 30/05

Flussi termici 24/05

Temperature superficiali interne 24/05

Termocamera

9.6 Conclusioni

10. Applicabilità progettuale del sistema

10.1 Integrazione del pannello

Problemi delle chiusure trasparenti

Oltre le chiusure trasparenti

Progetto Framework: sistema di intelaiatura per facciata continua

Progetto Curtain wall: sistema modulare per facciate continue

Progetto Turning board: sistema modulare rotante

Progetto Velario: plafonatura per uno spazio espositivo

Progetto Abitare provvisorio: moduli temporanei per l'emergenza

Progetto Solar furniture: arredo componibile da accoppiare a superfici vetrate

Bibliografia

CAPITOLO 1 INTRODUZIONE

Imperadori M. "Evoluzione dell'involucro. Phase Change Materials: inerzia termica artificiale programmabile". The Optimizer.it (www.theoptimizer.it)

Olgyay V. Design with Climate: An Approach to Bioclimatic Regionalism (1963) Progettare con il clima. Un approccio bioclimatico al regionalismo architettonico. Padova, Muzzio 1990

Zappa A. "La casa del mezzogiorno". Costruire n. 285 (2007)

Croce S. Il progetto dell'involucro innovativo. Atti del convegno "L'involucro edilizio: innovazione e sostenibilità", Bari 24 aprile 2004

Perino M. IEA Annex 44-State of the Art Review of Responsive Building Elements: Volume II, Aalborg University, 2008

Perino M., Serra V., Zanghirella F., Kindinis A. Elementi responsivi e concetti integrati edificio/impianto. Rapporto sulle attività della IEA ECBS Annex 44. Report RSE 2009

www.annex44.civil.aau.dk Il sito riporta documentazione ufficiale delle ricerche condotte nell'ambito del IEA ECBCS Annex 44: Integrating Environmentally Responsive Elements in Buildings.

CAPITOLO 2 INERZIA TERMICA

Medora M. "Prestazioni termiche dell'involucro edilizio". Costruire in laterizio n.118, 2007, p.62-67.

Baratta A., Venturi L. "Prestazioni termiche di pareti perimetrali in regime dinamico". Costruire in laterizio, n.121, p. 62-67.

Augenti V., Stefanizzi P. "Considerazioni su soluzioni di involucro opaco in regime termico dinamico". Costruire in laterizio n. 125 p. 50-53

DPR 02/04/2009 n. 59, concernente attuazione della direttiva 2002/91/CE sul rendimento energetico in edilizia.

D.M. 26/06/2009, n.158, in materia di "Linee guida nazionali per la certificazione energetica degli edifici".

CAPITOLO 3 INERZIA TERMICA "ARTIFICIALE"

Mehling H., Cabeza L. Heat and cold storage with PCM. An up to date introduction into basics and applications. Berlin, Springer 2009

Sharma S.D., Sagora K. "Latent heat Storage materials and systems: a review". International Journal of Green Energy, 2 (1), p. 1-56

Kenisarin M., Mahkamov K. "Solar energy Storage using phase change materials". Renewable & Sustainable Energy Reviews, 11 (2007), p. 1913-1965

Farid M.M., Khudhair A., Razack S., Al-Hallaj S. "A review on phase change energy Storage: materials and applications". Energy Conversion and Management, 45 (2004), p. 1597-1615

Zhu N., Ma Z., Wang S. "Dynamic characteristics and energy performance of building using phase change materials: a review". Energy Conversion and Management 50 (2009) p. 3169-3181

Zalba B., Marin J.M., Cabeza L., Mehling H. "Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer anaysis and applications". Applied Thermal Engeneering 23 (2003) p. 251-283

CAPITOLO 4 IL PROBLEMA DEL CONTENIMENTO: PACKAGING DEL PCM

Mehling H., Cabeza L. Heat and cold Storage with PCM. An up to date introduction into basics and applications. Berlin, Springer 2009

Castellon C., Nogues M., Roca J., Cabeza L. Design of a plastic encapsulation for phase change materials (PCM) in buildings. IEA ECES IA Annex 17. 8th workshop, 18-20 April 2005, Kizkalesi, Turkey.

Lazaro A., Zalba B., Marin J. M., Cabeza L. IEA ECES IA Annex 17. 8th workshop, 18-20 Aprii 2005, Kizkalesi, Turkey.

Cabeza L, Roca J., Nogues M., Mehling H., Hiebler S. "Long term immersion corrosion tests on metal-PCM pairs used for latent heat storage in the 24 to 29°C temperature range". Materials and corrosion 56 (1) p. 33-39

Mehling H., Hiebler S., Ziegler F. Latent heat Storage using a PCM-graphite composite material. Terrastock 2000, Stuttgart, Germany, 2000

AZIENDE PCM

www.rubitherm.com

www.climator.com

www.qlassx.ch

www.entropysolutionsinc.com

www.pcm_products.net

www.teappcm.com

www.cosella-dorken.com

www.micronal.de

www.cristopia.com

www.pcpaustralia.com.au

www.microteklabs.com

www.phasechangeenergy.com

www.outlast.com

www.pcm-solutions.com

CAPITOLO 5 USO DEI PCM NELL'AMBIENTE COSTRUITO

Mehling H., Cabeza L. Heat and cold Storage with PCM. An up to date introduction into basics and applications. Berlin, Springer 2009

UNI EN ISO 7730 (1997) in materia di "Ambienti termici moderati - Determinazione degli indici PMV e PPD e specifica delle condizioni di benessere termico".

CAPITOLO 6 LO STATO DELLA RICERCA

Mehling H., Cabeza L. Heaf and cold Storage with PCM. An up to date introduction into basics and applications. Berlin, Springer 2009

lEA Annex 17 Final Report, cura di A. Hauer, H. Mehling, R. Schossig, M. Yamaha, L. Cabeza, V. Martin, F. Setterwall

Imperadori M., Masera G., Iannaccone G., Dell'Oro D. Improving energy efficiency through artificial inertia; the use of Phase Change Materials in light, internal components. PLEA 2006 23rd conference on Passive and Low Energy Architecture. Geneva, 6-8 Sept. 2006

Xiao W., Wang X., Zhang Y. "Analytical optimization of interior PCM for energy storage in a lightweight passive solar room". Applied Energy 86 (2009) p. 2013-2018

Hittle D. Phase Change Materials in Floor Tiles for Thermal Energy Storage. Topical Report. 2002

Kurklu A. "Energy Storage applications in greenhouses by means of phase change materials (PCMs): a review". Renewable Energy 13 (1998) p. 89-103

Weinlader H., Beck A., Fricke J. "PCM panel for day lighting and room heating". Solar Energy, 78 (2), p. 177-186.

Jain L, Sharma S.D. "Phase Change Materials for daylighting and glazed insulation in buildings". Journal of Engeneering Science and Technology, 4 (3) 2009, p. 322-327

Ismail K., Salinas C, Henriquez J. "Comparison between PCM filled glass windows and absorbing gas filled windows". Energy and Buildings 40 (2008) p. 710-719

SITI DI ENTI E RICERCHE

www.zaebayern.de www.pcm-demo.info

www.fskab.com/Annex17

CAPITOLO 7 IL POLICARBONATO ALVEOLARE

Boustead I. Ecoprofiles of plastic and related intermediates. Bruxelles, APME 1999.

AZIENDE LASTRE ALVEOLARI

www.gallina.it

www.docksweb.it

www.politecsa.com

www.sepitalia.com

www.inpolicarbonato.it

www.rodeca.de

www.rockwellsheet.com

CAPITOLO 8 PROTOTIPO DI PANNELLO

United States Patent US 7,614,186 B2 nov. 10, 2009. Multiwall Polymer sheet brevetto with cells having liquid affecting solar and light transmission.

TESI

Ferrini Marco. "Progettazione e studio del comportamento termico di pannelli sandwich contenenti materiale a cambiamento di fase (PCM), tramite analisi numerica e sperimentale". Facoltà di Ingegneria Edile, Università Politecnica delle Marche, aa 2002/2003. Relatore: Mario De Grassi

Bozzolo Marco. "Sistema di componenti in policarbonato alveolare estruso per l'impiego in campo edilizio e ortoflorovivaistico". Dottorato di ricerca in innovazione tecnologica per l'architettura e disegno industriale XVII ciclo. Politecnico di Torino. 2005. Relatore: Claudio Germak, coordinatore: Marco Filippi.

Albertino Paolo. "Materiali a cambiamento di fase (PCM) in edilizia. Sperimentazioni sull'involucro a blocchi portanti e su rivestimenti ad intonaco". Facoltà di Ingegneria Edile, Politecnico di Torino, aa 2008/2009, Relatori: Carlo Caldera, Andrea Cavaleri

Serru Francesco. "I materiali a cambiamento di fase e le loro applicazioni nell'edilizia". Facoltà di Ingegneria Edile, Politecnico di Torino, aa 2007/2008. Relatori: Carlo Caldera, Marco Perino

Coppola Marzia. "L'uso dei materiali a cambiamento di fase per il comfort termico estivo nell'ambiente interno". Facoltà di Architettura I. Politecnico di Torino, aa 2007/2008. Relatore: Vincenzo Corrado, correlatrice; Simonetta Pagliolico

Divelli Clara. PCMs, "Massa virtuale per involucri leggeri". Facoltà di Architettura II, Politecnico di Torino, aa 2006/2007. Relatori: Orio De Paoli, Elena Montacchini

Borgarello Paola, Galletti Marco. "Nanotecnologie: il tempo cambia, l'architettura deve cambiare". Facoltà di Architettura II, Politecnico di Torino, aa 2007/2008. Relatori: Orio De Paoli, Elena Montacchini