IT8224569A1

IT8224569A1 - Pannelli da costruzione a conservazione del calore prodotto da cambiamenti di fase

Info

Publication number: IT8224569A1
Application number: IT1982A24569A
Authority: IT
Original assignee: Ben Gurion Univ Of The Negev Research And Development Authority
Priority date: 1982-11-27
Filing date: 1982-12-02
Publication date: 1984-06-02
Also published as: IT1154606B; AU2399684A; IT8224569A0

Description

Descrizione

La presente invenzione si riferisce ad un pannello da costruzione che conserva il calore dei cambiamenti di fase. Pi? in particolare, la presente invenzione si riferisce ad un pannello da costruzione che controlla la luce e la temperatura, conservando il calore dei cambiamenti di fasi, e si riferisce anche ai metodi di controllo della luce e della temperatura diurna e della temperatura notturna in serre, unit? abitative, ed altre strutture, impiegando detto pannello.

E' stato proposto rispettivamente dalla Brookhaven National Laboratory, New York, e dalla Suntek Research Associates, California, come riportato nell'Application of Solar Energy 1978 (Atti della Third Southeastem Conference on Application of Solar Energy (pagine 131-143) di incorporare sistemi di conservazione del calore dei cambiamenti di fase basati sull'incapsulamento o il miscelamento di materiali a cambiamento di fase nella struttura di una costruzione in muratura per fornire materiali strutturali ad elevata conservazione di calore per numerosi impieghi di raffreddamento e riscaldamento di costruzioni come pure per la produzione di materiali in blocchi in conglomerato ad elevata porosit? ed elevata permeabilit?, riempiti con materiale a cambiamento di fase e sigillati per servire come unit? modulare in sistemi di conservazione del calore.

Similarmente, il pompaggio, la circolazione e la conservazione di fluidi riscaldati dall'energia solare e passanti attraverso pareti costituenti edifici e serre, in cui vengono coltivate piante, sono state descritte in pubblicazioni quali i brevetti U.S.A. n. 3.563.305 e 4.108.373; detti sistemi sono tuttavia basati sulla conservazione di liquido riscaldato in serbatoi per il riciclo e la dispersione di calore durante la notte e conportano inpianti di pompaggio costosi e complicati.

Diversamente dai detti sistemi della tecnica precedente, che inoltre non sono stati considerati come anticipatori della presente invenzione, si ? ora previsto un pannello da costruzione per il controllo della luce e della temperatura mediante la conservazione del calore assorbito nei cambiamenti di fase, che comprende un involucro sigillato avente almeno due pareti trasparenti alla luce visibile, che delimitano almeno uno spazio intermedio riempito con un materiale di conservazione del calore acquisito nel cambiamento di fase liquido-solido, in cui detto materiale ? sostanzialmente trasparente alla luce visibile della fase solida ed in quella liquida, assorbe il calore durante la fusione, libera il calore durante la solidificazione e subisce i cambiamenti di fase in un intervallo di temperatura tra circa 5?C-28?C.

La presente invenzione prevede inoltre un metodo per controllare la luce e la temperatura diurna e la temperatura notturna di una serra nella quale vengono coltivate piante, che comprende la fornitura di un pannello secondo l'invenzione in almeno parte di detta superficie che la racchiude, in modo tale che detto pannello serva come finestra per la luce visibile quando detto materiale conservante il calore del cambiamento di fase ? nelle fasi solida e liquida e limiti la penetrazione di calore, assorbendo calore quando fonde e riduca la perdita di calore da detta serra liberando calore quando solidifica, come pure un metodo per controllare la luce e la temperatura diurna di una unit? abitativa e di altre strutture che comprendono l'impiego di un pannello secondo 1'invenzione in almeno parte della sua superficie esterna, di modo che detto pannello serva come finestra per la luce visibile quando detto materiale che conserva il calore del cambiamento di fase ? nelle fasi solida e liquida e limita la penetrazione di calore assorbendo calore nella fusione e riduce la perdita di calore da detto ambiente liberando calore nella solidificazione.

In quest'ultimo metodo, i pannelli autocontenuti della presente invenzione vengono di preferenza installati come lucernario del tetto e/o come finestra di dette abitazioni e di altre strutture, mentre nel primo metodo citato detti pannelli formano uno o pi? pannelli del tetto della recinzione per piante o della serra.

Dato che ci? ? importante, si intende che il materiale a cambiamento di fase sigillato nei pannelli della presente invenzione non serve soltanto come mezzo di controllo della temperatura mediante conservazione del calore, ma anche cane mezzo di controllo della luce in quanto i materiali a cambiamento di fase devono essere scelti in modo tale che siano sostanzialmente trasparenti alla luce visibile nella fase solida ed in quella liquida.

Mentre le composizioni a cambiamento di fase per se sono descritte nella tecnica precedente, ad esempio nei brevetti U.S.A. n. 4.272.390; 4.189.394; 2.706.716 e 2.677.664 e nella domanda di brevetto Europeo 0.013.569, la presente invenzione fornisce per la prima volta un involucro trasparente riempito con un materiale che conserva il calore assunto nel cambiamento di fase liquido-solido, in cui detto materiale ? sostanzialmente trasparente alla luce visibile nella fase solida ed in quella liquida, assorbe calore fondendo, libera calore solidificando e subisce il cambiamento di fase in un intervallo di temperatura tra circa 5?-28?C, involucro che agisce sia come elemento di controllo della luce, che della temperatura.

In una realizzazione preferita della presente invenzione detto materiale ? una paraffina singola o una miscela di paraffine che subiscono il cambiamento di fase insieme in un intervallo di temperature tra 5?C-28?C.

Perci?, ad esempio,possono essere usate le seguenti paraffine (prodotte dalla Hurrphrey Chemical Co., Devine St.,North Haven,Conn. U.S.A.).

1 D 0?

In altre realizzazioni preferite della presente invenzione detto materiale ? una miscela di sali che conservano il calore del cambiamento di fase liquido-solido che subisce il cambiamento di fase in un intervallo di temperatura tra circa 5?-28?C.

Le miscele di sali preferiti, che si ? scoperto essere utili nei pannelli della presente invenzione, sono rispettivamente una miscela di sali comprendente acqua ed un agente nucleante, una miscela di sali che conprende , acqua ed un agente nucleante e una miscela di sali che comprende ed un agente nucleante.

Sono preferite le miscele di sali che comprendono circa il 40-52% di CaCl2, circa 4-7.5% di KCl, circa 40-56% di acqua ed un agente nucleante e le miscele di sali che comprendono circa 31-42% di CaCl2, circa 10-15% di MgCl2, circa 45-55% di H2O ed un agente nucleante.

Possono essere usati vari agenti nucleanti quali il e il ed ? specialmente preferito l'impiego di

Specialmente preferite per l'impiego nei pannelli della presente invenzione sono le miscele di sali di cane miscela di sali comprendente circa il 70% di circa 30% di

ed agente nucleante.

I risultati sperimentali hanno sorprendentemente mostrato che gli idrati si sciolgono uno nell'altro nell'intervallo di concentrazione e creano soluzioni solide. Questo comportamento ? caratteristico di miscele di materiali isomorfi ed ? proporzionato con il fatto che negli idrati le celle dei cristalli sono di forma esagonale, con parametri di cella simili come segue: (8.138A, 4.015A) (7.860A,3905A)

La grande inportanza di questo sistema si colloca nel fatto che in tutti gli intervalli di concentrazioni e temperature non ci sono punti di incongruenza nella transizione di fase. Perci? ? possibile adattare gli intervalli di temperatura desiderabili per il raccoglimento di calore tra 10?-28?C cambiando il rapporto quantitativo dei due idrati

tra 90:10 % in peso e 10:90 % in peso di

cerne illustrato nella seguente tabella 1.

TABELLA 1. RISULTATI SPERIMENTALI DEL CALORE DI TRANSIZIONE DI FASE E DELLE DENSIT? DI VARIE MISCELE

- La densit? dei materiali nello stato solido fu misurata a 5?C

- La densit? nello stato liquido fu misurata a 40?C

- Il calore di transizione di fase per unit? di volume ? calcolato in relazione alla densit? dello stato liquido a Le miscele descritte ed esaminate nella tabella 1 furono preparate da una soluzione di CaBr2 al 52% in concentrazione (prodotta dalla Bromine Campounds Beer-Sheva Ltd) e (Merck, Germania) aggiungendo acqua per ottenere le appropriate composizioni esaidrate. Le miscele furono riscaldate a 40?C fino ad ottenere una soluzione omogenea e dopo 15 minuti di agitazione, la soluzione raffreddata a 5?C fino alla completa cristallizzazione del materiale.

La miscela fu poi riscaldata in un bagno riscaldante (KT-52, Haake, Germania), ad una velocit? di 0.2-0.4?C/minuto. La temperatura come funzione del tempo fu misurata e registrata mediante una termocoppia (rame-costantana,Typo J collegato ad una banca dati del termometro digitale,modello 590 TC, United Systems Corporation).Dal grafico della temperatura in funzione del tempo fu determinata la temperatura di inizio e di completezza della miscela.

Questo esperimento fu condotto per miscele di differenti rapporti di peso.La struttura dei cristalli fu anche esaminata mediante i raggi X.

Dai risultati sperimentali trapel? inoltre che l'addizione di 1-1.5% dei materiali: pu? servire per la nucleazione di varie miscele di

(che possono essere ottenuti in un sistema

come risultato dell'addizione di sono isomorfi con gli idrati di dei quali ? composta la miscela.Le celle dei cristalli di questi idrati sono di forma esagonale: (8.228A, 72.416A) (7.963A, 4.959A)

Questo fatto spiega 1'opportunit? di questi idrati ad agire come nucleanti in questo sistema.

Gli idrati che pu? essere ottenuto formando l'addizione di questi due idrati) sono di forma monoclina:

(11.845A, 9.277A, 99? 00') (6.720A, 10.907A,

7.135A, 91? 09').

L'opportunit? di questi materiali ad agire come nucleanti nelle miscele pu? essere spiegata dal fatto che c'? una certa correlazione tra uno dei piani del lattice di questi idrati e le celle dei cristalli delle soluzioni dei solidi del formate in questo sistema.

I risultati sperimentali costituiscono una innovazione dato che i dati sulla solubilit? di nello stato solido e in modo particolare nella loro utilizzazione potenziale per la conservazione del calore alla temperatura ambiente per scopi di riscaldamento di costruzioni. Da quanto detto precedentemente furono raggiunte le seguenti conclusioni:

a) mediante miscele degli idrati si pu? ottenere materiale adatto a conservare il calore alle temperature scelte entro l'intervallo tra 10-28?C. La determinazione della temperatura di transizione di fase ? fatta cambiando le quantit? relative dei due idrati nella miscela. In queste miscele non ci sono punti di incongruenza nella transizione di fase e perci? esse possano essere adatte per conservare il calore in sistemi passivi.

b) la capacit? di calore delle varie miscele ? circa 60 cal/cm . c) l'addizione di 1-1.5% di ognuno dei seguenti materiali:

? conveniente per agire cerne nuclean?

ti per accellerare la velocit? di nucleazione e diminuire il grado di super raffreddamento del processo di cristallizzazione di 1-2?C.

d) le differenti miscele che possono essere prodotte dal miscelamento delle soluzioni prodotte dalla Bromide Carpounds Beer-Sheva con la concentrazione del 52% di CaBr2.

Bench? l'invenzione verr? ora descritta in relazione ad alcune realizzazioni preferite con riferimento agli esperimenti seguenti illustrativi cos? che possa essere compresa pi? pienamente, deve essere sottolineato che i particolari mostrati e descritti sono a titolo di esempio e per scopi soltanto di trattazione illustrativa e vengono presentati con il motivo di provvedere a che la descrizione dei principi e degli aspetti concettuali dell'invenzione sia ritenuta essere pi? utile e pi? facilmente compresa. A questo scopo, non viene fatto alcun tentativo di discutere i dettagli strutturali dei pannelli secando l'invenzione e i metodi per il loro uso in dettagli maggiori di quanto sia necessario per una comprensione fondamentale dell'invenzione, rendendo chiaro agli esperti del ramo la descrizione presa con esperimenti illustrativi come possono essere realizzate in pratica le diverse forme dell'invenzione.

Le due costruzioni esaminate erano della stessa forma e grandezza (5.9 x 10.8 x 3.0 m) in un'area di 64 m . Il tetto aveva due pendenze di 22?, affacciate l'una verso l'ovest e l'altra verso l'est.

Le pareti laterali erano costruite da piastre di poliuretano opaco e ben isolato di 4 di spessore. Le pareti interne erano coperte con un foglio di alluminio riflettente la luce. Ci? minimizzava l'influenza delle pareti e simulava le prestazioni delle attuali serre in larga scala. Il tetto era costituito da pannelli di policarbonato (Poligal) trasparente a doppia parete, con uno spessore della parete di 0.5 mm.Ogni pannello era di 1.8 m di lunghezza, 0.8 m di larghezza e 0.01 m di spessore, ed era diviso in 80 canali. Nelle serre solari esaminate i pannelli erano riempiti con una miscela di sali idrati della seguente composizione (% in peso): con aggiunta di 1% di

care agente nucleante. La miscela subiva il cambiamento di fase (liqui do-solido) tra 17-15?C con una densit? di calore latente di 60 cal/cm .

Nella serra di controllo i pannelli di policarboriata erano riempiti con una soluzione acquosa con circa 35% di CaCl2. La soluzione ? allo stato liquido omogeneo al di sopra di 0?C,perci?, non c'? processo di cambiamento di fase nell'intervallo di temperatura di inpiego dei Beer-Sheva. Quindi,qualsiasi differenza tra la serra esaminata e quella di controllo pu? essere relativa solamente al processo di cambiamento di fase che avviene nella serra solare esaminata. La costruzione delle serre fu completata il 20 gennaio 1982. La distribuzione della luce all'interno dei due modelli di serra e all'esterno fu misurata durante l'inverno in cinque punti all'interno delle strutture per cinque volte durante le ore di luce diurne. Le misure furono condotte con un L-Quantum/radiometro/fotometro (Landa Instruments). Fu impiegato un sensore di luce modello LI 2105 (Licor). La luce fu misurata in modo perpendicolare alla terra ad una altezza di circa 100 metri. I risultati tipici sono dati nella tabella 2. Si pu? vedere che:

a) La distribuzione della luce nella serra solare passiva era maggiore anche di quella della serra di controllo.

b) La luce penetrava nella serra solare passiva sia durante la fase solida che in quella liquida.

Dalla tabella 3 si vede che, le temperature dell'aria nella serra passiva erano maggiori che in quella di controllo e cos? pure all'esterno sia nelle notti chiare che in quelle nuvolose. La tabella 4 illustra i profili tipici di temperatura sotto il tetto e fuori, in una serra solare passiva.La tabella 5 mostra le variazioni della temperatura nel suolo ad una profondit? di 15 cm all'interno della serra solare passiva e nelle serre di controllo. La tabella 6 da alcuni dati preliminari sullo sviluppo delle rose all'interno delle due strutture.

Tabella 2: Distribuzione della luce in vari punti all'interno di una serra solare passiva e in una serra di controllo durante le ore di luce diurne (luce all'esterno = 100%)

Tabella 3:Variazioni nella temperatura dell'aria a 1.5 mm di altezza in una serra solare passiva in una serra di controllo e all'esterno durante una notte nuvolosa ed una chiara

Tabella 5:Variazione diurna della temperatura nel suolo (15 cm di profondit?) nella serra solare passiva e nella serra di controllo durante un giorno nuvoloso (14.2.82) ed un giorno limpido (10.2.82)

Tabella 6:Crescita delle piante da fiore 27.1.82

I risultati sorprendentemente superiori ottenuti inpiegando il pannello e il metodo della presente invenzione sono facilmente osservati dai risultati dei dati precedentemente tabulati.

E' stato anche osservato che fornendo un foglio di polietilene rimovibile o un foglio di plastica espansa al di sopra di detto pannello durante la notte aumentava ulteriormente il suo effetto riducendo la perdita di calore per convezione da essa durante le ore notturne.

Come gi? detto, nei pannelli del trovato, possono essere impiegate le parafine che hanno le propriet? adatte e che mostrano perfino propriet? superiori di trasmissione della luce come mostrato nella seguente ta

Claims

Rivendicazioni

1. Pannello da costruzione con controllo della luce e della temperatura, che conserva il calore assunto durante i cambiamenti di fase, caratterizzato dal fatto che comprende un involucro sigillato che ha almeno due pareti trasparenti alla luce visitile che delimitano almeno uno spazio intermedio riempito con un materiale che conserva il calore del cambiamento di fase liquido-solido, in cui detto materiale ? sostanzialmente trasparente alla luce visibile, sia nella fase solida che in quella liquida, assorbe calore mentre fonde, libera calore mentre solidifica e subisce un cambiamento di fase nell'intervallo di temperatura tra circa 5 e 28?C.

2. Pannello da costruzione con controllo della luce e della temperatura, che conserva il calore assunto durante i cambiamenti di fase secondo 1, caratterizzato dal fatto che il suddetto materiale ? una miscela di sali atta a conservare il calore assunto durante il cambiamento di fase liquido-solido, cambiamento che avviene nell'intervallo di temperatura tra circa 10? e 28?C.

3. Pannello da costruzione con controllo della luce e della temperatura, che conserva il calore assunto durante i cambiamenti di fase secondo 2, caratterizzato dal fatto che in esso detta miscela di sali comprende CaCl2, KC1, acqua ed un agente nucleante.

4. Pannello da costruzione con controllo della luce e della temperatura, che conserva il calore assunto durante i cambiamenti di fase secondo 2, caratterizzato dal fatto che in esso detta miscela di sali comprende circa acqua ed un agente nucleante.

5. Pannello da costruzione con controllo della luce e della temperatura,che conserva il calore assunto durante i cambiamenti di fase secondo 3, caratterizzato dal fatto che in esso detta miscela di sali comprende circa 40-52% CaCl2, circa 4-7.5% KC1, circa 40-55% H2O e un agente nucleante.

6. Pannello da costruzione con controllo della luce e della temperatura,che conserva il calore assunto durante i cambiamenti di fase secondo 4, caratterizzato dal fatto che in esso detta miscela di sali comprende circa 31-42% CeCl2, circa 10-15% circa 45-55% H2O ed un agente nucleante.

7. Pannello da costruzione con controllo della luce e della temperatura, che conserva il calore assunto durante i cambiamenti di fase secondo 1, caratterizzato dal fatto che in esso detta miscela di sali comprende come agente nucleante.

8. Pannello da costruzione con controllo della luce e della temperatura, che conserva il calore assunto nei cambiamenti di fase, secondo 2, caratterizzato dal fatto che in esso detta miscela di sali comprende circa 10-90% , circa 90-10% ed un agente nucleante.

9. Pannello da costruzione con controllo della luce e della temperatura, che conserva il calore assunto durante i cambiamenti di fase secondo 8,caratterizzato dal fatto che in esso detta miscela di sali comprende circa 70% , circa 30% ed un agente nucleante.

10.Pannello da costruzione con controllo della luce e della temperatura, che conserva il calore assunto durante i cambiamenti di fase, secondo 1, caratterizzato dal fatto che detto materiale comprende almeno una paraffina del tipo che conserva il calore assunto durante il cambiamento di fase liquido-solido.

11. Pannello da costruzione con controllo della luce e della temperatura, che conserva il calore assunto durante i cambiamenti di fase secondo 1, caratterizzato dal fatto che in esso detto materiale comprende una miscela di paraffine che subiscono insieme il cambiamento di fase in un intervallo di temperatura tra 5? e 28?C.

12. Pannello da costruzione con controllo della luce e della temperatura, che conserva il calore assunto durante i cambiamenti di fase secondo 1, caratterizzato dal fatto che detto involucro ? diviso in una pluralit? di compartimenti separati e sigillati riempiti ognuno con materiale suddetto.

13. Metodo di controllo della luce e della temperatura diurne e temperatura notturna in un ambiente in cui vengono coltivate piante caratterizzato dal fatto che comprende la fornitura di un pannello secondo la rivendicazione 1, come almeno parte della superficie di detto ambiente, in modo che detto pannello serve come una finestra per la luce visibile, quando detto materiale, che conserva il calore assunto durante i cambiamenti di fase, si trova nella fase solida e nella fase liquida, limita la penetrazione del calore assorbendo calore mentre fonde e riduce le perdite di calore provenienti dall?ambiente quando libera calore mentre si solidifica.

14. Metodo di controllo della luce e della temperatura diurna e notturna di una unit? abitativa e di altre strutture caratterizzato dal fatto che comprende la fornitura di un pannello secondo la rivendicazione 1, come almeno parte del suo ambiente esterno, di modo che detto pannello serve come una finestra per l'entrata della luce visibile, quando detto materiale che conserva il calore assunto durante i cambiamenti di fase suddetti si trova nella fase solida e nella fase liquida, limita la penetrazione del calore assorbendo calore durante la fusione, e riduce la perdita di calore proveniente da detto ambiente liberando calore mentre solidifica.

15. Metodo di controllo della luce e delle temperature diurne e notturne di una unit? abitativa e di altre strutture secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che in esso detto pannello ? installato cerne un lucernario del tetto della suddetta abitazione e di altre strutture.

16. Metodo di controllo della luce e delle temperature diurna e notturna di una unit? abitativa secondo 14, caratterizzato dal fatto che in esso il suddetto pannello viene installato cerne finestra della abitazione stessa.