Ogni corpo più caldo, posto vicino ad uno più freddo, cede a quest’ultimo calore, fino a che le due temperature non diventano uguali. I tre processi per cui il calore si trasmette sono:
la conduzione – l’energia termica passa tra porzioni di uno stesso materiale o tra due corpi aventi differenti temperature; è quello che avviene attraverso un muro quando il sole ne riscalda la superficie esterna: il calore tende ad attraversare la muratura per portare equilibrio tra la temperatura della faccia esterna e dell’interna.
la convezione – una pentola di acqua posta sul fuoco ha la piastra di fondo che trasmette calore al liquido posto in basso; questo, scaldandosi, si dilata e tende a salire, lasciando il proprio posto ad acqua più fredda. Si innesca così un movimento ad anello fatto di correnti di acqua calda che sale e di acqua fredda che scende. Lo stesso fenomeno si ha con l’aria: l’aria calda, più leggera, tende a salire attirando verso il basso aria fredda più pesante.
l’irraggiamento – attraverso le proprie superfici tutti i corpi irradiano calore verso l’esterno: le molecole superficiali in continuo moto vibratorio trasmettono energia cinetica nell’intorno, così come avviene, ad esempio, nel caso dei cosiddetti carboni ardenti: non ardono più, non emettono luce, ma continuano ad emanare calore. L’emissione di radiazione termica dalla superficie di un materiale dipende dalla temperatura della superficie stessa (temperatura radiante), dalla sua qualità e dalla sua emissività.
L’ACCUMULO DEL CALORE
Un corpo che si trovi in un ambiente a temperatura più alta, riceve da questo calore e lo accumula al suo interno. Al momento dell’inversione termica, cioè quando la temperatura ambiente si abbassa al di sotto di quella della sostanza che stiamo considerando, il processo si capovolge, ed il calore immagazzinato viene ceduto all’esterno. Su questo fenomeno fisico si basano i sistemi solari passivi: opportune strutture, composte da materiali appropriati e convenientemente posizionate all’interno degli edifici, svolgono la funzione diurna di accumulatori termici, immagazzinando il calore trasmesso dal sole al proprio interno per poi cederlo, nelle ore serali e notturne, quando la temperatura ambiente si abbassa.
Ma per funzionare in modo adeguato come accumulatore di calore un materiale, oltre a possedere un’alta capacità termica, deve anche presentare una termoconduttività relativamente elevata, e ciò al fine di trasmettere rapidamente energia dalla superficie al proprio interno sfruttando così la quantità maggiore di massa del corpo come magazzino di calore.
L’edificio è un enorme unità di accumulo di calore “abitato”, ossia è un insieme di strutture formate da quantità di materiale ad alta capacità termica per l’accumulo di energia solare. Questi materiali sono il cemento, i mattoni, le pietre e l’acqua e dovrebbero essere situati nel pavimento, nelle pareti e nel soffitto.
In una giornata serena, l’energia solare assorbita da un sistema passivo può superare largamente la domanda di calore, ma questo esubero di energia può essere accumulato per essere utilizzato più tardi, quando necessita. Se troppo calore è rilasciato nell’ambiente si può produrre un surriscaldamento, forzando così gli occupanti ad abbassare schermi o a ricorrere ad una ventilazione forzata. E in questo modo una parte potenziale di energia utile verrà perduta. L’accumulo ha quindi due scopi: quello di recuperare l’energia in esubero e di evitare il surriscaldamento. Inoltre, in certe circostanze, l’accumulo può assorbire il calore rilasciato dal sistema di illuminazione elettrica, dagli elettrodomestici e dagli occupanti.
L’efficienza di un accumulo dipende da un certo numero di fattori che possono essere suddivisi in due categorie:
– le dimensioni e i materiali costituenti l’accumulo;
– i modi in cui il calore viene immagazzinato e rilasciato.
MATERIALI E SPESSORI
La capacità termica di una certa quantità di materiale è la quantità di calore che deve essere fornita al materiale per innalzare la sua temperatura di 1°K. La capacità termica dei più comuni materiali da costruzione e dell’acqua (per quest’ultima tra il punto di congelamento e quello di ebollizione) è praticamente indipendente dalla temperatura. I materiali che subiscono un cambiamento di fase assorbono calore quando fondono e lo rilasciano quando risolidificano e questo avviene in un ristretto intervallo di temperatura detto “intervallo di fusione“. In questo intervallo i materiali presentano il più alto valore della capacità termica.
La capacità termica dei più comuni materiali da costruzione dipende principalmente dalla densità.
La massa (in questo caso la massa termica) è quindi una buona misura della capacità termica.
Comunque la massa efficace per l’accumulo è generalmente minore della massa totale. Questa massa dipende fortemente dalla frequenza con la quale l’accumulo è caricato e poi scaricato. Il gradiente di temperatura attraverso il materiale dell’accumulo si riduce con la distanza dalla superficie riscaldata, ossia il materiale partecipa sempre meno all’accumulo. Lo spessore che gioca un ruolo è quello “effettivo“: per l’usuale ritmo di carica e scarica, 24 ore, questo spessore per i più comuni materiali da costruzione varia tra 6 e 12 cm. Non serve quindi costruire pareti e solai con spessori pieni superiori a 8-16 cm, quando il calore viene fornito su un solo lato.
L’acqua presenta generalmente le migliori caratteristiche ed inoltre, per effetto della circolazione naturale, è possibile ottenere un accumulo praticamente isotermo, se il progetto riesce a limitare il fenomeno della stratificazione. Le caratteristiche dell’acqua sono superate solo dai materiali a cambiamento di fase, anche se il calore viene generalmente accumulato a temperatura inferiore.
Questa proprietà può essere molto vantaggiosa se il PCM è impiegato all’interno di un locale, in quanto, se la sua temperatura di fusione è leggermente superiore a quella richiesta per l’ambiente, il materiale può funzionare come un termostato: il calore in esubero può essere accumulato senza un sensibile aumento della temperatura e può essere rilasciato dall’accumulo a temperatura praticamente costante. I problemi maggiori nell’utilizzo di questi materiali sono dati dal loro contenimento.
CARICO E SCARICO DELL’ACCUMULO
Il mezzo più efficace per trasferire calore ad un accumulo è quello di metterlo a contatto diretto con la radiazione solare (accumulo primario). Un’altra possibilità è il contatto termico radiativo con un’area illuminata dal sole (accumulo secondario). In questo caso la temperatura media radiante “vista” dall’accumulo deve essere maggiore della temperatura superficiale dell’accumulo stesso.
Un terzo sistema, ma meno efficace, usa la convezione naturale: l’aria viene prima riscaldata in uno spazio solare o un collettore e poi trasferita all’accumulo (in questo caso si parla di accumulo isolato).
Naturalmente la temperatura dell’aria deve essere più alta di quella dell’accumulo. Lo scarico dell’accumulo può avvenire per irraggiamento termico e/o per convezione, la conduzione gioca sempre un ruolo minore in questa fase. Un colore scuro è il più efficace per l’assorbimento di una maggiore quantità di radiazione solare da parte di un accumulo primario.
In un sistema diretto l’accumulo avviene all’interno degli elementi costruttivi come le pareti ed i solai, per cui questa soluzione può essere più problematica (a parte un pavimento scuro).
Ciò può non avere eccessiva importanza se il calore non assorbito dall’accumulo primario può essere trasferito in parte ad un accumulo secondario e in parte all’ambiente per convezione. Un sistema poi a diffusione può trasferire la radiazione solare su una più ampia superficie, massimizzando così le dimensioni di un accumulo primario.
Nel caso di un accumulo secondario è importante che sia “visto” da quello primario e che inoltre la sua emissività sia alta, come è sempre il caso con le comuni superfici, indipendentemente dal loro colore. Il trasferimento di calore ad un accumulo isolato avviene solo per convezione, naturale o forzata. L’accumulo isolato può essere costituito da un letto di pietre, da un doppio solaio, da un volume di stoccaggio termico situato lontano dall’edificio oppure dalla rimanente parte delle strutture dell’edificio. Il rilascio del calore può essere controllato da serrande o ventilatori, oppure può essere trasmesso per conduzione a pareti e solai.