Raffreddamento passivo: il successo delle pareti corrugate della Columbia University.
di Lisa Borreani
Gli edifici rappresentano circa il 40% del consumo energetico globale e contribuiscono al 36% delle emissioni di CO2. Il raffreddamento degli ambienti interni costituisce circa il 20% di questo consumo, e la sua domanda è in aumento, parallelamente al progressivo riscaldamento globale. Trovare soluzioni di raffreddamento efficienti è quindi essenziale per ridurre il consumo di energia e le emissioni di CO2. Si contribuisce così alla transizione verso una società a basse emissioni di carbonio.
Il raffreddamento radiativo
Negli ultimi anni, il raffreddamento radiativo (RC) è emerso come una soluzione promettente che permette di raffreddare gli edifici senza il consumo di elettricità. Questa tecnologia si basa sulla capacità di alcuni materiali di riflettere la luce solare e di emettere radiazioni infrarosse verso lo spazio esterno freddo attraverso una “finestra di trasparenza atmosferica”. Grazie ai recenti progressi nei materiali ad alta riflettanza solare e alta emittanza infrarossa, il raffreddamento radiativo ha attirato grande attenzione. Tra i materiali più promettenti ci sono le strutture fotoniche, i polimeri, i metamateriali e i materiali compositi, utilizzabili su tetti, finestre e serre per ridurre il consumo energetico e l’impatto ambientale.
Tuttavia, mentre vari design di RC sono stati applicati con successo ai tetti, che coprono solo una parte limitata delle superfici degli edifici, non sono ideali per le pareti, che coprono una porzione maggiore degli involucri degli edifici. La principale difficoltà per le pareti RC è che devono affrontare sia lo spazio freddo che il terreno caldo. Pertanto, è necessario considerare il trasferimento di calore radiante con il terreno, che di solito ha una temperatura superficiale più alta dell’aria ambientale a causa del riscaldamento solare diurno e della conservazione del calore, che può raggiungere i 60-70°C al picco. Inoltre, i materiali del terreno come calcestruzzo, mattoni e asfalto hanno una elevata emittanza termica, provocando una significativa radiazione termica verso le pareti. I design RC convenzionali con alta emittanza termica ricevono quindi un notevole calore dal terreno e non sono efficaci per le pareti RC.
Dai due ai 3 gradi in meno grazie al raffrescamento radiativo asimmetrico
Un gruppo di ricercatori della Columbia University ha sviluppato delle pareti a “zig zag” che sfruttano le proprietà del raffrescamento radiativo per ridurre il calore degli edifici. La ricerca, pubblicata sulla rivista Nexus, ha dimostrato che il design a zig zag asimmetrico permette di abbassare la temperatura media interna degli edifici di circa 2,3°C rispetto alle pareti convenzionali con materiali radiativi, e fino a 3,1°C durante le ore più calde.
Il design a zig zag delle pareti, utilizzato dai ricercatori, consente di ottimizzare il raffrescamento radiativo grazie alla sua geometria unica. Le pareti corrugate presentano due superfici principali: una rivolta verso lo spazio esterno (il cielo) e l’altra verso il terreno. La superficie rivolta verso il cielo è realizzata con materiali ad alta emittanza, capaci di emettere radiazioni infrarosse verso lo spazio freddo. La superficie rivolta verso il terreno, invece, è rivestita con materiali riflettenti per minimizzare il calore assorbito dal terreno caldo.
Il principio di funzionamento
Il raffrescamento radiativo convenzionale, applicato su superfici piane o tetti, non riesce a gestire efficacemente il calore proveniente dal terreno. Il design a zig zag affronta questa sfida creando una superficie con caratteristiche diverse a seconda della sua esposizione, migliorando così le prestazioni di raffreddamento.
(B) Parete ERZ. Superficie superiore: emettitore a banda larga ideale. Superficie inferiore: riflettore a banda larga ideale.
(C e D) Simulazione del guadagno netto di calore dal terreno e della perdita netta di calore verso lo spazio per la parete ad alta emissività (high-E) piatta (C) e la parete ERZ (D). La parete ERZ presenta un guadagno di calore inferiore (16,8%) e una perdita di calore superiore (103,2%) rispetto alla parete piatta ad alta emissività.
(E e F) Simulazione dell’emissività angolare IR di una parete ad alta emissività piatta (E) e di una parete ERZ (F). La parete ad alta emissività piatta ha un’emissività uniformemente alta verso il cielo o il terreno, mentre la parete ERZ mostra una significativa asimmetria angolare.
In (D) e (F), la parete ERZ ha una geometria con θ1 = 60° e θ2 = 30°.
Credits: Nexus 2024– https://doi.org/10.1016/j.ynexs.2024.100028 – Creative Commons Attribution (CC BY 4.0)
Potenziale teorico di raffreddamento delle pareti ERZ
Il design delle pareti ERZ (emittente-riflettente zigzagato) sfrutta una nuova libertà progettuale: l’asimmetria angolare. Questo approccio massimizza le prestazioni di raffreddamento utilizzando due parametri critici: l’angolo tra la direzione verticale e la superficie superiore (q1) e quello con la superficie inferiore (q2). I risultati delle simulazioni hanno dimostrato che una maggiore asimmetria angolare e una superficie riflettente altamente speculare possono ridurre significativamente il guadagno di calore dal terreno caldo e migliorare il raffreddamento.
Le simulazioni hanno mostrato che a temperature superficiali del terreno di 60°C e con una temperatura della parete di 30°C, le pareti ERZ ricevono solo 15,1 W/m² di calore dal terreno rispetto ai 89,7 W/m² delle pareti ad alta emittanza. Inoltre, la parete ERZ ha una perdita di calore leggermente superiore verso lo spazio, ma l’effetto complessivo è un miglioramento del raffreddamento netto.
Per validare le prestazioni di raffreddamento delle pareti ERZ, sono stati realizzati prototipi utilizzando materiali a basso costo e facilmente scalabili. I film di Mylar aluminizzato sono stati usati come riflettori IR per il lato rivolto verso il terreno, mentre i film rivestiti con polidimetilsilossano (PDMS) sono stati utilizzati come emettitori IR per il lato rivolto verso il cielo. I risultati sperimentali hanno mostrato che le pareti ERZ erano in grado di ridurre la temperatura rispetto alle pareti convenzionali rivestite solo con emettitori PDMS/Mylar o riflettori Mylar.
Le prove di laboratorio e i test sul campo hanno confermato che le pareti ERZ possono mantenere una temperatura inferiore rispetto ai controlli, anche nelle condizioni più calde. In un test di campo effettuato in estate in New Jersey, le pareti ERZ erano costantemente più fresche rispetto ai controlli per un periodo continuo di 24 ore, dimostrando l’efficacia del design anche in condizioni reali.
Scenari di applicazione
Le pareti ERZ offrono significativi vantaggi in termini di risparmio energetico, in particolare grazie alla loro capacità di riflettere la radiazione termica terrestre e di trattenere il raffrescamento radiativo (RC). Queste caratteristiche le rendono particolarmente efficaci in regioni calde, dove la temperatura del suolo tende a mantenersi elevata. Infatti, in contesti climatici più caldi, la radiazione termica emessa dal terreno è più intensa e, grazie alla loro particolare geometria a zigzag, le pareti ERZ riescono a riflettere una maggiore quantità di calore verso l’esterno. Ciò contribuisce a mantenere gli edifici freschi senza l’uso eccessivo di energia per la climatizzazione.
Il fattore di visibilità tra la superficie delle pareti e il suolo gioca un ruolo fondamentale: gli edifici più bassi, essendo più vicini al suolo, godono di un maggior potenziale di riflessione della radiazione termica terrestre rispetto agli edifici più alti. Questo fa sì che le pareti ERZ siano particolarmente indicate per edifici di bassa altezza o per contesti urbani dove l’ambiente circostante favorisce una maggiore interazione con il suolo caldo.
Tuttavia, anche in contesti urbani con edifici adiacenti, le pareti ERZ dimostrano di mantenere buone prestazioni di raffrescamento. Ad esempio, un’analisi condotta a Los Angeles ha dimostrato che, anche in presenza di edifici vicini a una distanza di 10 metri, le pareti ERZ sono in grado di garantire un risparmio energetico annuo di 29,5 GJ, pari a 22,5 MJ per metro quadrato. Anche in edifici di grandi dimensioni con diversi rapporti tra volume e superficie della parete, le pareti ERZ offrono un risparmio superiore a 22 MJ/m² e una riduzione del consumo energetico superiore al 9% rispetto alle pareti tradizionali ad alta emissività (high-E).
La produzione delle pareti ERZ
Per quanto riguarda la produzione su larga scala, le pareti ERZ possono essere facilmente realizzate utilizzando unità ripetitive di zigzag di dimensioni maggiori, comprese tra i 5 e i 50 cm, senza compromettere le prestazioni ottiche. Questo è possibile poiché la geometria zigzagata supera di gran lunga le lunghezze d’onda rilevanti per il raffrescamento radiativo, garantendo una fabbricazione conveniente e scalabile.
La produzione di queste strutture può avvenire tramite la stampatura di fogli metallici, con l’applicazione successiva di un rivestimento ad alta emissività (high-E) sul lato rivolto verso il cielo e di un rivestimento a bassa emissività (low-E) sul lato rivolto verso il suolo. Per edifici già esistenti, le pareti ERZ possono essere montate meccanicamente sulle superfici esterne mediante l’uso di fili o altre soluzioni di fissaggio. Nelle future costruzioni, le pareti corrugate, già ampiamente utilizzate nelle coperture degli edifici, potrebbero essere facilmente adattate per includere rivestimenti ad alta emissività sulla parte superiore e rivestimenti a bassa emissività sulla parte inferiore delle corrugazioni per ottenere una gestione termica ottimale.
I costi
Il costo per la realizzazione di pareti ERZ è competitivo. Prendendo come esempio un edificio di medie dimensioni a Los Angeles, con una superficie muraria di 1.310 m², il costo aggiuntivo dei materiali sarebbe di circa $3.000, se si utilizzassero fogli di alluminio di 0,3 mm di spessore e PDMS di 40 mm di spessore. Questo si traduce in un costo di circa $2,3/m², molto inferiore rispetto alle pareti corrugate commerciali. Questi costi aggiuntivi verrebbero recuperati in circa tre anni grazie ai risparmi energetici derivanti dall’uso delle pareti ERZ.
Anche se la dimostrazione del design ERZ in questo studio si basa sull’uso combinato di PDMS e alluminio, sarà necessario condurre ulteriori studi per valutarne la resistenza alla corrosione e i costi per applicazioni pratiche su larga scala. Tuttavia, esistono anche altre strategie promettenti, come l’uso di rivestimenti auto-pulenti e resistenti alla corrosione per l’alluminio o le sue leghe, nonché radiatori trasparenti basati su materiali come l’acrilico o la silice, che potrebbero sostituire il PDMS, rendendo ancora più efficace l’applicazione delle pareti ERZ nelle future costruzioni.
Le sfide future
Un’altra questione da affrontare nell’implementazione reale delle pareti ERZ è la possibile contaminazione della loro superficie a causa dell’accumulo di polvere. Questo fenomeno potrebbe ridurre le prestazioni di raffrescamento. Tuttavia, questo problema potrebbe essere risolto con l’uso di materiali auto-pulenti, una tecnologia che richiede ulteriori studi per garantirne l’efficacia a lungo termine.
Il design a zig zag delle pareti ERZ rappresenta un importante avanzamento nella tecnologia di raffreddamento radiativo. Grazie alla sua geometria innovativa e all’uso di materiali ad alta riflettanza e alta emittanza, le pareti ERZ offrono una soluzione pratica ed efficace per migliorare il raffreddamento degli edifici e ridurre il consumo energetico. Tuttavia, ulteriori ricerche e sviluppi sono necessari per superare le sfide legate alla scalabilità, ai costi e alla durata nel tempo dei materiali utilizzati.
