Autore: Federico Re Ferrè
I materiali per il raffrescamento radiativo passivo diurno (PDRC) sono la nuova frontiera per raffrescare gli edifici e combattere le isole di calore urbane.
Mentre per l’efficienza sul fronte impiantistico si procede verso l’elettrificazione delle rinnovabili, anche la parte relativa all’involucro si muove su soluzioni sempre più efficienti e innovative; una di queste è il Raffrescamento Radiativo Passivo Diurno (PDRC).
Punti chiave sul raffrescamento radiativo passivo diurno
- I materiali PDRC combinano alta riflettanza solare ed elevata emissività infrarossa.
- Il raffrescamento radiativo passivo diurno (PDRC) può portare le superfici sotto la temperatura ambiente.
- In condizioni molto umide o nuvolose, l’effetto di raffreddamento si riduce significativamente.
- Le applicazioni comprendono edifici, raffreddamento urbano e celle fotovoltaiche.
- Costi elevati e degrado dei materiali rappresentano criticità per la diffusione in edilizia.
Indice
- Cos’è il raffrescamento radiativo passivo diurno
- Dai materiali RC al raffrescamento radiativo diurno
- Come avviene lo scambio radiativo con lo spazio
- Quali materiali permettono il raffrescamento radiativo
- Dove si applicano i materiali per il raffrescamento radiativo passivo diurno (PDRC)
- Costi e durabilità dei materiali per il raffrescamento radiativo passivo diurno (PDRC)
- Domande frequenti sui materiali per il raffrescamento radiativo passivo diurno (PDRC)
- Materiali PDRC ed efficienza energetica degli edifici
Cos’è il raffrescamento radiativo passivo diurno
Il raffrescamento radiativo passivo diurno (PDRC) è una tecnologia che si basa sul fatto che alcuni materiali sono degli eccellenti riflettori ed emettitori di luce infrarossa.
Nella banda spettrale compresa tra 8 e 13 micrometri l’atmosfera non trattiene la radiazione infrarossa che viene dispersa nello spazio. I materiali adatti al raffrescamento radiativo passivo diurno riescono ad avere alte efficienze di riflettanza della luce solare (solitamente prossime al 95%) diminuendo l’assorbimento di calore diurno e un’alta emissione (oltre il 90%) proprio nella fascia 8-13 micrometri prima menzionata.
Dai materiali RC al raffrescamento radiativo diurno
La dimostrazione sperimentale del raffreddamento radiativo diurno risale al 2014 quando un gruppo di ricercatori di Stanford è riuscito a dimostrare che era possibile un raffreddamento in pieno giorno anche sotto la luce solare. Negli ultimi 10 anni la ricerca ha indagato sui materiali che permettono il raffrescamento radiativo passivo diurno sviluppando diversi prototipi ma la diffusione commerciale su larga scala è ancora limitata.
È bene specificare che materiali fortemente emissivi e capaci di raffreddarsi grazie all’emissione radiativa esistono da molto tempo.
Fin dagli anni ’70 si investigavano materiale RC (Radiative Cooling) tradizionali, per lo più polimeri come il polimetilmetacrilato (PMMA), cloruro di polivinile (PVC) e ossido di polifenilene (PPO); il limite di questi materiali è che potevano raffreddarsi solo in determinate occasioni e se esposti a luce diretta questo effetto non persisteva perché i bassi valori di riflettanza facevano sì che l’irraggiamento netto proveniente dal sole fosse di gran lunga superiore all’emissività.
In sostanza questi materiali non riuscivano ad avere anche una riflettanza abbastanza alta da respingere la luce solare e raffreddarsi anche sotto il sole.
Quello di rivoluzionario che avvenne nel 2014 da parte del team di Stanford fu il dimostrare la possibilità di raffreddamento radiativo diurno con materiali che unissero le due caratteristiche cercate: alta emissività nella banda LWIR (Infrarosso a Lunghezze d’Onda Lunghe, cioè 8-13 um) e altissima riflettanza solare.
Tuttavia, le prestazioni dipendono fortemente dalle condizioni climatiche locali: in ambienti molto umidi o nuvolosi l’effetto si riduce significativamente, poiché il vapore acqueo nell’atmosfera assorbe parte della radiazione infrarossa che dovrebbe raggiungere lo spazio.
Come avviene lo scambio radiativo con lo spazio
Il raffreddamento è possibile perché lo scambio radiativo avviene tra la Terra a temperatura ambiente (circa 300 K) e lo spazio (circa 3 K). Siccome lo spazio irradia molto meno della Terra (l’irraggiamento aumenta all’aumentare delle temperature) questa riesce a dissipare calore verso di esso.
Il Sole però è un emettitore netto verso la Terra e questa al contrario assorbe dal Sole più di quanto emette essendo questo a temperature molto più alte. La Terra, quindi, è un emettitore netto verso lo spazio e un ricevitore rispetto al Sole.
I materiali per il raffrescamento radiativo passivo diurno (PDRC) che uniscono quindi alta emissività LWIR (sono emettitori netti verso lo spazio nella banda infrarossa LWIR) ad alta riflettanza (respingono quasi tutto il contributo solare che ricevono) riescono a raffreddarsi sotto la temperatura ambiente.
Quali materiali permettono il raffrescamento radiativo
Ci sono tre principali tipologie di materiali che permettono il raffrescamento radiativo passivo diurno (PDRC) in base al meccanismo principale di raffreddamento:
- per emissione,
- per trasmissione,
- per riflessione.
Raffreddamento per emissione
I materiali con raffreddamento per emissione utilizzano il meccanismo già discusso, il materiale riflette praticamente tutta la radiazione proveniente dal sole ed emette fortemente, in modo selettivo se solo nella banda LWIR, o in modo non selettivo se emette in tutte le lunghezze d’onda, riuscendo quindi non solo a non scaldarsi per il Sole ma anche a raffreddarsi sotto la temperatura ambiente.
Raffreddamento per trasmissione
I materiali con raffreddamento per trasmissione hanno un’alta trasmittanza nel campo infrarosso (sono quindi trasparenti nell’infrarosso) e riescono a far passare molta radiazione.
Se c’è un emettitore sottostante permettono alla radiazione termica emessa dallo strato sottostante di attraversarli; se però sono esposti alla luce solare permettono anche alla componente infrarossa della radiazione solare di raggiungere lo strato emettitore sottostante, riscaldandolo.
Questi materiali sono quindi adatti a usi in cui non c’è un’esposizione diretta alla luce solare oppure quando lo strato emettitore sottostante abbia lui stesso ottime proprietà riflettive.
Raffreddamento per riflessione
Il meccanismo dei materiali con raffreddamento per riflessione è il più facile da spiegare in quanto sono dotati di un’altissima riflettività non selettiva (sono dei riflettori quasi perfetti su tutte le lunghezze d’onda) ma non hanno le caratteristiche di emissività o trasmittanza degli altri. Fanno parte di questa categoria, ad esempio, le vernici ultra-bianche.
Questi materiali riescono quindi a evitare il surriscaldamento ma difficilmente raggiungono un raffreddamento sotto la temperatura come negli altri casi.
Figura 1. Le tre tipologie di materiali RC. Fonte: Progress in passive daytime radiative cooling from spectral design to real application, Carbon Future.
Dove si applicano i materiali per il raffrescamento radiativo passivo diurno (PDRC)
I materiali PDRC possono essere impiegati in una grande varietà di applicazioni come:
- il raffreddamento urbano,
- il raffreddamento degli edifici,
- la raccolta di acqua,
- il raffreddamento delle celle fotovoltaiche (raffreddamento pannelli fotovoltaici),
- indumenti per la regolazione termica delle persone,
- materiali per la regolazione termica dinamica.
Costi e durabilità dei materiali per il raffrescamento radiativo passivo diurno (PDRC)
Nell’ambito dell’edilizia buoni esiti sono stati raggiunti per materiali PDRC in forma di vernice o film. Purtroppo, questi materiali sono ancora costosi e presentano problemi di degrado se sottoposti ad agenti atmosferici in modo prolungato.
Sono stati sviluppati anche materiali PDRC rigidi che, differentemente da film e vernici, riescono a essere più durevoli e robusti anche se persiste la criticità dei costi elevati.
Domande frequenti sui materiali per il raffrescamento radiativo passivo diurno (PDRC)
Cosa sono i materiali PDRC?
PDRC è l’acronimo per Passive Daytime Radiative Cooling ovvero materiali che si raffreddano passivamente (senza bisogno di essere alimentati con energia elettrica o altre fonti) tramite lo scambio radiativo con il cielo anche durante il giorno, quindi in presenza di Sole.
Il raffrescamento radiativo passivo funziona anche di notte?
Sì, funziona e ancora meglio. Durante la notte non c’è radiazione solare da respingere, quindi i materiali PDRC possono concentrarsi esclusivamente sull’emissione di radiazione termica verso lo spazio.
Quanto può effettivamente raffreddarsi una superficie con tecnologia PDRC?
In condizioni ottimali (cielo sereno, bassa umidità, buona esposizione), i materiali PDRC più avanzati possono raggiungere temperature di 5-10°C sotto la temperatura ambiente anche in pieno giorno. La capacità di raffreddamento tipica si attesta intorno ai 100-150 W/m².
Materiali PDRC ed efficienza energetica degli edifici
Il raffrescamento radiativo passivo diurno rappresenta una delle innovazioni più promettenti nel campo dell’efficienza energetica degli edifici.
Sebbene la tecnologia debba ancora superare alcune sfide tecniche ed economiche per una diffusione capillare, i risultati già ottenuti nelle prime applicazioni commerciali dimostrano un potenziale significativo.
Il futuro della decarbonizzazione e dell’efficienza energetica degli edifici non potrà che passare dai materiali PDRC per ridurre i fabbisogni di freddo e diminuire al contempo il rischio delle isole di calore urbane.
Per maggiori informazioni sulle diverse tipologie di materiali PDRC e sulle loro applicazioni contatta il team Enertech Solution.
