1. Introduzione: Il Problema del Calore di Picco e la Fisica del PCM nei Climi Mediterranei
Le installazioni termosolari in Italia, soprattutto nel Sud e in Sicilia, affrontano una sfida critica: la gestione dei picchi termici estivi che sovraccaricano i sistemi di accumulo e riducono il coefficiente di utilizzo energetico. A temperature che spesso superano i 35°C per 8-10 ore giornaliere, il calore disponibile sui tetti non viene sfruttato in modo continuo, generando discontinuità termica e richiedendo integrazioni innovative. Il calore di recupero, tipicamente disperso tra mezzogiorno e tardo pomeriggio, presenta una firma termica caratterizzata da un rapido incremento tra le 11:00 e le 15:00, con flussi che oscillano da 120 a 380 W/m² in base all’orientamento e all’ombreggiamento. I PCM (Materiali a Cambiamento di Fase), con temperatura di transizione tra 50°C e 65°C, offrono una soluzione ideale per smussare questi picchi grazie al calore latente immagazzinato (150–250 kJ/kg), assorbendo energia senza variazione di temperatura e rilasciandola in fase di raffreddamento serale.
*Esempi reali: in un impianto residenziale a Palermo, il recupero termico integrato con PCM ha ridotto del 42% il picco di richiesta climatica notturna, migliorando la capacità di autosufficienza termica del 53%.*
«La chiave è sfruttare il calore disponibile non come flusso istantaneo, ma come riserva termica a temperatura stabile: i PCM lo trasformano in energia programmata.
2. Fondamenti Tecnici: Selezione e Integrazione del PCM nei Pannelli Termosolari
La selezione del PCM è un passo critico: la temperatura di fusione deve coincidere con il profilo termico solare locale, tipicamente 58–63°C per climi mediterranei, per massimizzare l’efficienza del cambiamento di fase. Paraffine modificate con grafite o nanotubi di carbonio aumentano la conducibilità termica da ~0.2 W/m·K a oltre 0.8 W/m·K, riducendo i tempi di accumulo e rilascio.
*Parametri fondamentali da considerare:*
| Parametro | Intervallo Ottimale | Metodo di Verifica |
|———-|———————|——————–|
| Temperatura fusione | 55–65°C | Calorimetria differenziale a scansione (DSC) |
| Calore latente | 180–230 kJ/kg | DSC dinamico o bomb calorimetria |
| Stabilità ciclica | >1000 cicli senza degradazione | Test di laminazione ripetuta |
| Compatibilità chimica | Inerte con matrici polimeriche (es. PE, PET) | Analisi FTIR post-incapsulamento |
L’incapsulamento, fondamentale per prevenire perdite e ossidazione, si realizza tramite microcapsule (50–200 μm) o macrocapsule in acciaio inossidabile rivestito con polimeri termoresistenti (es. poliuretano fluorurato). Le tecniche a vuoto o in atmosfera inerte garantiscono tenuta a 1,5 bar per 5 anni, essenziale per sistemi integrati in lamine composite.
*Esempio pratico: un impianto pilota a Catania ha utilizzato microcapsule di paraffina-grafite incapsulate in gusci polimerici, ottenendo una durata di 7 anni senza segni di degrado visibile.*
3. Mappatura e Analisi Termica: Identificare il Flusso Recuperabile
Per progettare un sistema PCM efficace, è imprescindibile mappare con precisione il flusso termico disponibile. Si impiegano tre metodologie:
– **Flussimetria differenziale con termocoppie distribuite** (precisione ±2°C), posizionate a 0,3 m dal vetro verso il collettore, registrando profili T ogni 15 minuti durante un mese estivo.
– **Termografia a infrarossi** (risoluzione 640×480, sensibilità 0.03°C) per identificare perdite termiche e zone di scarsa accumulazione.
– **Sensori di flusso a fibra ottica** (capacità fino a 10.000 misurazioni/giorno), integrati in condotti per misurare il calore accumulato nelle lamine PCM durante cicli solari.
Il risultato è un’analisi energetica dettagliata che mappa le fasi di accumulo (0–13:00, temperatura 25–58°C) e rilascio (14:00–20:00, temperatura 55–64°C), con un picco di differenza termica di 12–18°C tra assorbitore e isolante retro.
*Dati tipici: un pannello da 2 m² recupera in media 1,7 kWh/m²/giorno di calore a bassa intensità solare, fino a 2,9 kWh/m² in giornate estive prolungate.*
4. Progettazione Termica e Configurativa: Struttura Multistrato Ottimizzata
La configurazione multistrato è il cuore del sistema:
1. **Vetro trasparente** con rivestimento selettivo (Low-E) per massimizzare l’irraggiamento utile (80–90% di trasmissione solare).
2. **Assorbitore selettivo** in rame o alluminio, con spessore 1.5–2.0 mm, progettato per uniformare la distribuzione termica.
3. **PCM incapsulato** in strati di 10–15 mm, disposti in lamine parallele con giunti termici flessibili (silicone a bassa conducibilità) per compensare dilatazioni.
4. **Isolante retro** (lana di roccia o poliuretano espanso) con spessore 20–30 mm, per minimizzare le perdite verso il retro.
5. **Supporto strutturale** in alluminio anodizzato, con profili a scatola termicamente spezzati per ridurre ponti termici.
Un modello termodinamico basato su equazioni del trasferimento di calore latente predice che un pannello con 12 mm di paraffina-grafite ha un tempo di accumulo medio di 4,2 ore e un rilascio controllato su 6 ore, riducendo il picco di carico termico del 68% rispetto a un sistema senza PCM.
*Schema tipico:*
- 0–2 mm: adesivo termoconduttivo epossidico (λ=1.2 W/m·K)
- 2–10 mm: microcapsule PCM (58°C, 65% volume)
- 10–20 mm: foglio isolante poliuretano (λ=0.028 W/m·K)
- 20–30 mm: supporto alluminio con giunti elastomerici
5. Installazione e Incapsulamento: Tecniche per la Longevità e l’Affidabilità
La fase installativa richiede precisione chirurgica:
– **Preparazione superficiale**: pulizia con solvente alcolico (99%), asciugatura criogenica a -20°C per rimuovere umidità residua, trattamento ancorante con adesivo epossidico termoconduttivo (λ=1.