Conducibilità termica dei compositi cementizi con MPCM: un modello multiscala per la progettazione energetica
L’integrazione di materiali a cambiamento di fase microincapsulati (MPCM) nei compositi cementizi rappresenta una strategia tecnica in crescita per il miglioramento delle prestazioni energetiche degli edifici. La capacità di questi materiali di accumulare e rilasciare energia termica attraverso transizioni di fase solido-liquido apre prospettive concrete per la riduzione dei carichi termici negli involucri edilizi. Tuttavia, la progettazione efficace di tali sistemi richiede una conoscenza approfondita del comportamento termico a diverse scale, dalla microstruttura dell’inclusione fino al comportamento macroscopico del composito.
Una recente indagine sperimentale e modellistica, pubblicata su Buildings (Vol. 16, pag. 2763), ha affrontato proprio questo nodo critico: la previsione quantitativa della conducibilità termica in compositi cementizi modificati con MPCM. Il lavoro, firmato da un team di ricercatori tra cui Qiling Wang, Yaxin Tao, Eddie Koenders e Xiaojian Wu, propone un approccio combinatorio micro-macro (MMCA) basato sulla costruzione di volumi elementari rappresentativi (RVE) e sull’analisi delle interazioni termiche cumulative.
Il modello MMCA: dalle inclusioni al comportamento macroscopico
Il cuore dello studio risiede nello sviluppo di un modello fisico-matematico in grado di catturare la natura gerarchica dei meccanismi di trasferimento del calore. Il modello MMCA (micro-macro combinatorial accumulation) si fonda su due pilastri:
- la costruzione di RVE che rappresentano la microstruttura del composito a diverse scale;
- l’accumulo delle interazioni termiche tra inclusioni, considerando geometria, frazione volumetrica e stato di dispersione delle particelle di MPCM.
Questo approccio consente di prevedere la conducibilità termica efficace per inclusioni con geometrie diverse e differenti stati di accumulo. I risultati sperimentali hanno confermato la capacità del modello di descrivere l’evoluzione multiscala della conducibilità termica, cogliendo gli effetti cumulativi legati alla gerarchia delle inclusioni.
Risultati quantitativi: riduzione della conducibilità fino al 35%
La sperimentazione ha evidenziato una relazione chiara tra frazione volumetrica di MPCM e conducibilità termica del composito. All’aumentare della frazione volumetrica di MPCM da 0 a 0,217, la conducibilità termica efficace è diminuita da 0,802 a 0,519 W/(m·K), con una riduzione complessiva del 35,3%. Tale decremento non è lineare: la conducibilità manifesta una rapida riduzione iniziale, seguita da una progressiva stabilizzazione all’aumentare della densità di inclusioni.
L’analisi dell’accumulo degli RVE ha mostrato che il comportamento termico dipende dalla scala di osservazione. Le interazioni gerarchiche tra inclusioni determinano un effetto di schermatura termica che si satura oltre una certa soglia di frazione volumetrica, indicando un limite pratico per l’ottimizzazione delle prestazioni isolanti del materiale.
Implicazioni per la progettazione di materiali cementizi funzionali
Il contributo principale del lavoro risiede nella messa a punto di un quadro teorico multiscala che lega in modo quantitativo le caratteristiche delle inclusioni di MPCM, le interazioni termiche cumulative e la conducibilità termica macroscopica. Per il progettista di sistemi di involucro edilizio, questo modello offre uno strumento per prevedere le prestazioni termiche di un composito cementizio in funzione della formulazione e della distribuzione del materiale a cambiamento di fase.
La possibilità di calcolare la conducibilità termica in funzione della frazione volumetrica e della geometria delle inclusioni consente di ottimizzare il rapporto tra capacità di accumulo termico (tipica dei PCM) e isolamento, senza dover ricorrere esclusivamente a prove sperimentali iterative. Il modello fornisce inoltre indicazioni sulla scala alla quale le interazioni termiche diventano significative, aspetto utile per la progettazione di materiali stratificati o per la definizione di spessori ottimali negli elementi di involucro.
Prospettive per il settore delle costruzioni
L’integrazione di MPCM in malte e calcestruzzi si inserisce nel quadro delle strategie per l’efficienza energetica degli edifici, in particolare per la riduzione dei picchi di carico termico e per il miglioramento del comfort indoor. Sebbene lo studio non affronti aspetti normativi o prescrittivi, le metodologie di previsione della conducibilità termica rappresentano un prerequisito tecnico per la validazione di soluzioni costruttive innovative. La capacità di modellare il comportamento termico a diverse scale potrà trovare applicazione nei processi di certificazione energetica e nella progettazione prestazionale degli involucri, ambiti nei quali la modellazione fisica dei materiali compositi è ancora un campo in evoluzione.
Per il tecnico chiamato a valutare l’impiego di malte termoregolatrici o calcestruzzi con PCM, il modello MMCA fornisce un riferimento quantitativo per confrontare formulazioni alternative e per stimare il contributo effettivo del materiale al bilancio energetico dell’edificio. La ricerca conferma che la riduzione della conducibilità termica, sebbene significativa, non è indefinita e che la progettazione deve bilanciare la capacità di accumulo termico con le esigenze di isolamento, evitando un eccesso di inclusioni che porterebbe a rendimenti decrescenti.
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