Tra gli attuali materiali ingegneristici avanzati che soddisfano le prerogative per l’eco-design, un ruolo primario è rivestito dalle schiume d’alluminio, realizzabili in diverse tipologie e densità, il cui utilizzo consente ai prodotti di ottenere un valore aggiunto sensibilmente elevato.
Nel moderno settore edile, il miglioramento dell’efficienza energetica e la riduzione delle emissioni di gas serra sono gli obiettivi primari per contrastare il riscaldamento globale. Varie tecnologie di recupero del calore sono attualmente disponibili per l’efficientamento dell’impiego del calore proveniente dalle eccedenze solari estive, fornendo così preziose fonti d’energia e riducendone il consumo complessivo.
Il calore residuo dell’edificio, proveniente dal calore solare, il cui uso è notevolmente migliorato negli ultimi anni, può fornire un comfort termico sufficiente sia per mantenere la temperatura interna, sia per i fabbisogni d’acqua calda sanitaria, e l’accumulo può effettuarsi per breve o lungo periodo.
Stoccaggio e uso del calore per una maggiore efficienza energetica
La richiesta d’energia per i sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento negli edifici, nonché quella per il riscaldamento dell’acqua sanitaria, costituiscono una parte rilevante del consumo energetico globale.
La maggior parte dell’energia consumata in tutto il mondo, secondo l’Energy Information Administration del Dipartimento Usa dell’Energia, riguarda quattro settori: residenziale (riscaldamento/raffreddamento, illuminazione, elettrodomestici); commerciale (riscaldamento/raffreddamento, illuminazione, fornitura di servizi idrici e fognari); utenti industriali (agricoltura, produzione, edilizia, estrazione mineraria); trasporti (passeggeri, merci, condotte).
La quantità d’energia necessaria per produrre energia elettrica ammonta a volte a più del triplo: ad esempio, nel 2012 circa 19,4 PWh sono stati consumati sotto forma di elettricità, che ha richiesto 61,7 PWh d’energia per essere prodotta [1].
Il futuro esaurimento dei combustibili fossili – la cui energia è ancora prevalente per il fabbisogno energetico del pianeta, malgrado l’uso delle rinnovabili – va risolto radicalmente, anche intervenendo sullo stoccaggio e l’uso del calore per migliorare l’efficienza energetica, specie nel settore dell’edilizia.
Tecnologie avanzate d’accumulo di calore potrebbero promuovere tale principio nell’industria edile, favorendo l’implementazione di varie innovazioni high-tech in fase di progettazione.
Lo sviluppo, la valorizzazione e la commercializzazione di nuovi materiali ingegneristici e di tecnologie avanzate di produzione, inoltre, sono fondamentali per rimanere competitivi, e i settori High-Tech sono fattori chiave per la crescita economica e la redditività [2].
Coperture combinate con radiatori interni a soffitto d’ampia superficie costituiscono un’efficace soluzione tecnica: la loro funzione di scambiatori di calore ad alta efficienza tra l’ambiente circostante l’edificio e il mezzo di trasferimento del calore, consente il riscaldamento e la climatizzazione degli interni, e la preparazione d’acqua calda sanitaria.
L’inserimento in modo funzionale e costruttivo di sistemi integrati di accumulo termico negli edifici potrebbe promuovere tali sistemi nel settore dell’edilizia commerciale e residenziale, fornendo inoltre strumenti di facile utilizzo per favorire l’implementazione in fase di progettazione [3].
Efficienza energetica e coperture innovative per edifici
Assicurare un’adeguata efficienza energetica richiede un’analisi approfondita delle relazioni edificio-clima-energia, adattando le prerogative per l’efficienza energetica in base ai seguenti principi:
- riduzione della perdita di calore dell’edificio originata dal trasferimento di calore e dalla ventilazione, e impiego d’energia solare attraverso finestre, pareti di vetro, ecc.
- impiego di fonti energetiche rinnovabili e naturali disponibili nelle immediate vicinanze dell’edificio (per esempio energia solare e geotermica) [4].
I requisiti d’efficienza energetica fanno parte di numerosi codici edilizi e standard energetici onde ridurre le emissioni di gas serra fino all’85-90% entro il 2050.
La progettazione di un edificio include quindi vari sistemi passivi per ridurre la domanda d’energia e quindi migliorare l’efficienza energetica, includendo sistemi per raccogliere l’energia solare e stoccare quella termica.
Tale miglioramento può ottenersi incorporando alla copertura dell’intero tetto a falde dell’edificio opportuni scambiatori di calore termoattivi a base di schiuma di alluminio, integrabili con sistemi di pannelli per soffitti interni atti a preservare il comfort termico tramite immagazzinamento/rilascio di calore latente durante la fusione/solidificazione dei materiali a cambiamento di fase (phase change material – Pcm) impregnati nella loro struttura.
Le schiume d’alluminio, impiegabili in svariati tipi d’applicazione, sono materiali porosi che possono variare nella loro consistenza e porosità (fino al 70% in volume) [5]. La loro produzione avviene tramite uno dei seguenti processi:
- iniezione di gas nel materiale fuso (“air bubbing”);
- decomposizione di particelle con rilascio di gas nel materiale fuso o nei semisolidi;
- fusione, utilizzando un polimero o una cera come modello precursore;
- espansione di gas intrappolato;
- co-compattazione o fusione di due materiali, di cui uno rilasciabile;
- deposizione di metallo in preforme cellulari [6].
Una delle applicazioni nel settore edilizio, per esempio, consiste in pannelli di schiuma di alluminio con tubi inox (oppure di rame) incorporati nella struttura di schiuma: si tratta di prodotti high-tech assai promettenti per il riscaldamento e il raffreddamento efficiente di pareti e soffitti d’interni di edifici.
La bassa capacità termica e quindi la rapida reazione alle variazioni termiche, unitamente alla distribuzione uniforme della temperatura grazie all’ottima conduzione di calore dell’alluminio, la capacità autoportante, la flessibilità della superficie e la ridotta resistenza idraulica fanno prevedere un potenziale considerevole di commercializzazione [7].
L’uniformità della distribuzione di temperatura nella schiuma, l’aumento della sua emissività radiante e la notevole riduzione dei tempi di reazione conseguenti a variazioni di temperatura sono tra i principali vantaggi che non possono essere ottenuti, per ora, da alcuna soluzione tecnica differente.
Questa nuova copertura a base di schiuma di alluminio può integrarsi con un sistema di pannelli per soffitti interni onde mantenere un comfort termico sufficiente grazie alla loro capacità di immagazzinare/rilasciare grandi quantità di calore latente durante la fusione/solidificazione dei Pcm impregnati nella loro struttura.
Tali pannelli sono realizzati mediante dispositivo schiumogeno con riscaldamento a infrarossi (Ir) integrato e raffreddamento ad acqua delle lampade Ir.
La fusione del precursore schiumabile, in lega AlSi12, avviene in modo rapido ed efficiente dal punto di vista energetico, ed è seguita da una solidificazione rapida del pannello espanso, avente densità di circa 512 kg/m3. Il Pcm con temperatura di transizione di fase 28 °C è incapsulato nella struttura degli scambiatori di calore interni a soffitto a base di schiuma di alluminio.
La modalità free cooling notturno può usarsi se l’ambiente interno necessita di raffreddamento e le condizioni esterne sono in grado di coprirlo. I surplus di calore estivi possono impiegarsi durante il giorno per riscaldare acqua sanitaria o possono immagazzinarsi mediante accumulo sotterraneo anche a lungo termine.
Il vantaggio principale è che la quantità di calore semplicemente immagazzinata nei soffitti è generalmente sufficiente a mantenere un comfort termico soddisfacente all’interno, con significativo miglioramento dell’efficienza energetica e riduzione dei costi d’esercizio rispetto alle tecnologie convenzionali utilizzate attualmente in edilizia. Le eccedenze di calore sono quindi utilizzate in modo efficiente per ridurre il fabbisogno energetico.
L’impiego di potenziale di temperatura con bassa differenza di temperatura (circa 15°C), ottenibile quotidianamente dalla differenza tra le temperature diurne e notturne senza necessità di produzione di caldo/freddo utilizzando energia elettrica o combustione, può garantire comfort termico durante tutto l’anno.
I surplus termici estivi accumulati negli scambiatori di calore interni a soffitto impregnati da Pcm durante il giorno, sono possibili senza necessità di conversione per irradiarsi nell’ambiente circostante l’edificio durante la notte, se la temperatura è inferiore a 20 °C.
Nella zona climatica temperata, in estate, l’interno può mantenersi a una temperatura accettabile utilizzando solo l’alternanza naturale del ciclo giorno-notte. La superficie della copertura termoattiva deve adattarsi affinché lo scambio termico tra l’aria ambiente e il fluido termovettore sia il più efficiente possibile.
L’uso di vari strati superficiali compositi di tegole a base di alluminio può migliorare la resistenza della superficie del tetto al gelo, all’intensa radiazione solare, al caldo estivo, al vapore acqueo chimicamente inquinato e ai danni meccanici causati da condizioni meteorologiche avverse (esempio: forti piogge, grandine).
Compositi con sigillante a base di bitume o matrice polimerica termoindurente rinforzata da granuli di basalto a grana fine, granuli di scarto di alluminio, pietre naturali frantumate o granuli di basalto annegati in matrice di alluminio, possono impiegarsi a tale scopo.
Conclusioni
L’ottimizzazione del passaggio ripetibile di calore dall’ambiente circostante al mezzo di trasferimento del calore e viceversa è attualmente un obiettivo primario, e opportuni sistemi d’impianto sono in studio per l’ottenimento dell’ideale comfort termico, usufruendo del potenziale dato dalla differenza tra la più bassa e la più alta temperatura (circa 15 °C).
Rivestire il tetto con materiale d’adeguata conduttività termica è essenziale per l’efficacia dell’uso di risorse instabili di calore di scarto, rimuovendo il calore estivo eccedente evitando dispositivi esterni e utilizzandolo per fornire un comfort termico sufficiente durante il periodo quando la temperatura è inferiore a 20°C.
Le schiume metalliche considerate, le cui proprietà termo-fisiche sono state opportunamente valutate attraverso svariate misure sperimentali, consentono d’ottimizzare la progettazione di coperture a falde di edifici con funzione di scambiatore di calore, evitando il surriscaldamento del tetto in estate grazie alla dissipazione più efficiente del calore.
Tali schiume possiedono rilevanti potenzialità d’applicazione anche in altri settori, e attività di caratterizzazione avanzata tipo quelle mediante tecniche neutroniche possono fornire informazioni cruciali su questi materiali, favorendo tale sviluppo [9].
di Massimo Rogante, ingegnere, Studio d’Ingegneria Rogante, e Jaroslav Jerz, Istituto dei Materiali e di Meccanica delle macchine di Bratislava
Ringraziamenti
Si ringrazia l’Agenzia Slovacca di Ricerca e Sviluppo per il supporto economico fornito nell’ambito del contratto APVV-17-0580 (progetto: RoofFoam).
Bibliografia
[1] Pagine web https://en.wikipedia.org/wiki/World_energy_consumption.
[2] M. Rogante, J. Jerz, La strada della sostenibilità, Tecnologie Meccaniche, Vol. 5 (2018), pp. 160-165.
[3] L. Navarro, A. de Gracia, S. Colclough, M. Browne, S.J. McCormack, P. Griffiths, L.F. Cabeza, Thermal energy storage in building integrated thermal systems: A review. Part 1. active storage systems, Renewable Energy, Vol. 88 (2016), pp. 526-547.
[4] D. Petráš, Nízkoteplotní vytápění a obnovitelné zdroje energie (Riscaldamento a bassa temperatura e fonti energetiche rinnovabili), Jaga group s.r.o., Bratislava (2008), ISBN 9788080760694, p. 216.
[5] M. Rogante, J. Jerz, Schiume d’alluminio: caratteristiche e principali impieghi, Il Progettista Industriale, Tecniche Nuove, Ed., Milano, Vol. 8 (2017), pp. 56-61.
[6] H. Nakajima, Porous Metals with Directional Pores, Springer (2013), p. 284.
[7] J. Jerz, L. Orovčík, F. Simančík, R. Florek, Innovative high-tech products made of aluminium foam, Proc. 3rd International Conference MTSM2013, Split, Croatia (2013), pp. 53-59.
[8] J. Jerz, F. Simančík, A. Gopinathan, A. Puškár, D. Szabó, J. Španielka, Aluminium foam based roofing for energy efficient heat recovery from solar gains and maintaining of sufficient thermal comfort in building interiors, Proc. 9th International Conference MTSM2019, Split, Croatia (2019), pp. 89-95.
[9] M. Rogante, in: Atti del 1° Workshop Nazionale per l’Industria “Applicazioni Industriale delle Tecniche Neutroniche”, Civitanova Marche, Italy, 12-14 Giugno 2008, Rogante Engineering (2008), pp. 40-120.
