10.1 Introduzione
I materiali di isolamento termico sono scelti per ridurre il flusso di calore attraverso un mezzo e possono essere realizzati con materiali singoli o multipli. I materiali di isolamento termico fanno risparmiare all’industria statunitense più di $60 miliardi/anno in costi energetici (Cengel, 1998, pp. 158-159). Pertanto, il significato dei materiali isolanti motiva gli ingegneri energetici a migliorare le caratteristiche termiche dei materiali isolanti termici verso una maggiore resistenza termica., Le sostanze fibrose, cellulari e granulari sono materiali isolanti comunemente usati negli edifici. La selezione del materiale di isolamento termico si basa sulla sua conduttività termica, massa termica, temperatura degli spazi interni ed esterni, durata, costo e altri fattori. Le proprietà termofisiche dei materiali utilizzati nell’involucro dell’edificio influenzano fortemente i consumi energetici di riscaldamento o raffreddamento. La conduttività termica influisce sul flusso di calore in una condizione di stato stazionario., Per una condizione transitoria, il calore specifico influenza anche il flusso di calore assorbendo e immagazzinando il calore sotto forma di calore sensibile. L’intensità solare e la temperatura dell’aria esterna variano nel tempo; quindi, la conduttività termica e il calore specifico dei materiali utilizzati negli involucri degli edifici influenzano il flusso di calore. Gli isolamenti termici preferiti sono materiali con elevata capacità termica e bassa conduttività termica., Una revisione completa dell’economia del design dei materiali di isolamento termico è stata compiuta da Turner& Malley e Torgal, Mistretta, Kaklauskas, Granqvist,& Cabeza (2013) ha spiegato nel loro libro come affrontare le sfide della ristrutturazione degli edifici verso un’energia quasi zero.
L’incorporazione di materiale a cambiamento di fase (PCM) nell’involucro dell’edificio è stata studiata come tecnica economica per ridurre i carichi di raffreddamento., I PCM sono sostanze organiche o inorganiche con bassa temperatura di fusione e alto calore latente di fusione, come paraffina e sale. I PCM sono classificati come un tipo capacitivo di materiali isolanti perché rallentano il flusso di calore assorbendo il calore. Durante gli alti periodi all’aperto della temperatura, il PCM fonde e immagazzina la parte del calore mentre trasferisce dall’esterno all’interno e ai tempi all’aperto bassi della temperatura, il PCM solidifica e rilascia il calore immagazzinato., Durante il processo di fusione, il calore specifico del PCM aumenta a più di 100 volte, il che consente di assorbire una grande quantità di energia in una quantità relativamente piccola di PCM. L’utilizzo del PCM nel materiale da costruzione è stato suggerito da Barkmann& Wessling (1975). Morikama, Suzuki, Okagawa e Kanki (1985) introdussero il concetto di incapsulamento del PCM in una matrice di poliestere insaturo per materiale da costruzione., Una recente revisione della PCM per la costruzione di buste possono essere trovati nei riferimenti (Osterman, Tyagi, Butala, Rahim, & Stritih, 2012; Pomianowski, Heiselberg, & Zhang, 2013; Soares, Costa, Gaspare & Santos, 2013; Waqas & Din, 2013). A seconda del componente della busta, la ricerca per PCM può essere classificata in tre gruppi: mattoni, tetti e finestre., Per i mattoni, Alawadhi (2008) ha presentato un’analisi termica di mattoni con cavità cilindriche riempite di PCM e i risultati indicano che il guadagno di calore può essere ridotto del 17,55% per determinate condizioni di progettazione e meteo. Zhang, Chen, Wu,& Shi (2011) ha riportato le caratteristiche termiche del mattone con PCM sotto la temperatura esterna fluttuante reale. La risposta termica rappresentata dalla temperatura superficiale della parete interna del muro di mattoni riempito con PCM viene valutata e confrontata con quella del muro di mattoni pieni., Chwieduk (2013) ha pubblicato un articolo sulla possibilità di sostituire i mattoni esterni di massa termica spessi e pesanti utilizzati nei paesi ad alta latitudine con mattoni di massa termica sottili e leggeri. L’effetto dell’orientamento, della posizione dello strato PCM, della temperatura a cambiamento di fase e delle condizioni meteorologiche è stato studiato da Izquierdo-Barrientos et al. (2012), e hanno scoperto che il PCM aiuta a ridurre il massimo e l’ampiezza del flusso di calore istantaneo.
Per i tetti, Alawadhi & Alqallaf (2011) ha studiato un tetto in cemento con fori a cono verticale riempiti con PCM., L’obiettivo del tetto PCM è quello di ridurre il flusso di calore dallo spazio esterno a quello interno aumentando la massa termica del tetto. La forma dei contenitori PCM mantiene la resistenza fisica del tetto, può essere sostituita facilmente se necessario e consente al PCM di espandersi durante il processo di fusione nella direzione verso l’alto. Il flusso di calore sulla superficie interna del tetto può essere ridotto del 39%, come riportato., L’analisi numerica del trasferimento di calore attraverso la struttura del tetto con PCM è di Ravikumar& Sirinivasan (2011), e circa il 56% di riduzione del guadagno di calore nella stanza è ottenuto con una struttura del tetto PCM rispetto a un tetto convenzionale. D’altra parte, il concetto di doppi strati di PCM in un tetto di un edificio è stato proposto da Pasupathy & Velraj (2008) per una gestione termica per tutto l’anno. Il doppio strato di PCM nel tetto è raccomandato per ridurre il flusso di calore attraverso il tetto.,
La ricerca per PCM in Windows è stata realizzata anche come tecnica per ridurre il guadagno di calore attraverso windows. Le finestre rappresentano una grande percentuale di guadagno di calore durante il giorno e l’energia penetra nelle finestre attraverso la radiazione solare e la convezione. Pertanto, ridurre il guadagno di calore attraverso le finestre è il fattore chiave per il risparmio energetico negli edifici e, per ridurre il guadagno di calore, le persiane esterne sono installate per eliminare l’effetto della radiazione solare., Un otturatore della finestra riempito con PCM è stato proposto e analizzato da Alawadhi (2012) e viene condotto uno studio parametrico per valutare l’effetto di diversi parametri di progettazione, come il tipo e la quantità di PCM nell’otturatore. È stato riferito che la temperatura di fusione del PCM dovrebbe essere vicina alla temperatura esterna massima durante il giorno e la quantità di PCM dovrebbe essere sufficiente per assorbire grandi quantità di guadagno di calore. Goia et al. (2012) ha descritto il comportamento termofisico delle configurazioni del sistema di vetratura PCM., Sono state studiate anche finestre di vetro riempite di PCM per ridurre la radiazione solare che entra nello spazio interno attraverso le finestre (Ismail, Salinas, & Henriquez, 2008) e l’efficacia del sistema viene confrontata con finestre piene di gas riflettenti.
