(Fondazione Università di Mantova, 27.4.2007) Massimiliano Nastri ...

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• l’elevata durabilità dei trattamenti e la resistenza nei confronti delle sostanze chimiche (a esempio, conseguenti alle piogge acide); • le difficoltà funzionali nel caso di variazioni improvvise della radiazione luminosa, considerando che il tempo di reazione dallo stato trasparente a quello oscurato è compreso tra 4÷5 minuti, mentre il tempo di reazione dallo stato oscurato a quello trasparente è compreso tra 8÷10 minuti; • le difficoltà funzionali nel caso di aumento della radiazione solare per cui gli elementi di chiusura, in seguito alla transizione cromatica, diventano assorbenti invece che riflettenti, comportando le condizioni di surriscaldamento e incrementando il livello di scambio termico radiativo; • le difficoltà operative nel caso della presenza di elementi schermanti esterni, che possono generare zone a diversa intensità di luce e di ombra; • le difficoltà applicative nel caso della distribuzione uniforme dei materiali cromogenici sulle lastre di vetro e della perdita dei fenomeni di reversibilità nel tempo (Altomonte, 2004, pp. 140-143). Inoltre, all’interno di questo ambito sperimentale, si rilevano le prestazioni dei dispositivi fotoelettrocromici, eseguiti da due componenti che usufruiscono de: • le proprietà foto-reattive di un materiale semiconduttore (come il diossido di titanio policristallino), in grado di interagire con la radiazione luminosa per produrre cariche elettriche (nella forma di una cella solare elettrochimica); • la capacità di utilizzare queste cariche elettriche (nella forma di un dispositivo elettrocromico) per garantire, in modo controllabile e reversibile, la variazione cromatica. La produzione degli elementi di chiusura e le conseguenze funzionali prevedono: • l’applicazione di un film in diossido di titanio policristallino su una lastra di vetro, insieme a un colorante chimico che riduce il rischio di corrosione del rivestimento e lo rende sensibile a un ampio campo spettrale: in presenza della radiazione ultravioletta, il colorante trasferisce elettroni nel diossido, sostituendoli con gli elettroni provenienti da un elettrolita, il quale, a sua volta, assorbe elettroni da un contro-elettrodo (così completando il processo). Se il contro-elettrodo è costituito da un film sottile in triossido di tungsteno, si ottiene un componente cromogenico a comportamento passivo; • l’attivazione mediante un circuito elettrico esterno, controllato direttamente dall’utenza o da un “sistema di gestione computerizzata dell’edificio” (BMS), in modo indipendente dalle condizioni climatiche (Altomonte, 2004, pp. 143-144). 1.2.2. I dispositivi termocromici e termotropici Gli elementi di chiusura trasparenti integrati dai dispositivi termocromici e termotropici sono espressi dalla capacità di evitare i rischi di surriscaldamento, con la possibilità di mantenere comunque inalterato l’utilizzo della radiazione solare: questo, considerando la trasmissione diffusa della luce, che precisa l’adozione di tali dispositivi in alternanza rispetto alle porzioni trasparenti (a esempio, al di sopra o al di sotto delle superfici di visibilità). Gli studi sperimentali individuano sia l’impiego per ampie superfici trasparenti, sia i contributi alla riduzione dei consumi energetici (per la diminuzione dei guadagni termici e, quindi, dei carichi di raffrescamento). Questi dispositivi variano i propri caratteri cromatici in funzione della temperatura, che induce una reazione chimica o una transizione di fase tra due stati: tale processo, che genera la variazione ottica del materiale trasparente, è reversibile una volta che sono ripristinate le condizioni termiche entro le quali la reattività chimica è stabile. Il comportamento termocromico si verifica mediante: • l’impiego di diversi composti organici, inorganici e film di ossidi metallici, con la capacità di trasformarsi in conduttori a certe temperature: i composti, soggetti a riscaldamento oltre una soglia definita (quale temperatura critica), variano le proprietà relative alla trasmissione luminosa (soprattutto nel campo spettrale dell’infrarosso). L’applicazione agli elementi di chiu- 13
sura nei sistemi di facciata avviene nella forma di rivestimenti basso-emissivi (secondo l’utilizzo di ossidi metallici, quali l’ossido di vanadio), al fine di ridurre la trasmissione nel campo spettrale dell’infrarosso o le perdite termiche per emissione e scambio radiativo; • l’impiego di due componenti di base dotati di diversi valori di rifrazione e miscelati tra loro, quali l’acqua e un polimero (hydrogel, che richiede una buona impermeabilizzazione dei telai), o di due differenti polimeri (polymer bend): i componenti, soggetti a riscaldamento oltre una soglia definita (quale temperatura critica, per cui assumono una colorazione lattiginosa), variano le proprietà relative alla trasmissione luminosa rispetto all’intero ambito radiativo dello spettro solare. A livello funzionale: - alle basse temperature, la miscela è omogenea ed è definita da una elevata trasparenza: i polimeri si dispongono all’interno del composto secondo catene che presentano un diametro inferiore rispetto alla lunghezza d’onda della radiazione nel campo del visibile, permettendo la trasmissione luminosa; - alle alte temperature, le catene polimeriche si separano in domini discreti, le cui dimensioni sono simili alla lunghezza d’onda della radiazione nel campo del visibile, causando la riflessione della luce. Le dimensioni di questi domini possono essere stabilite da variazioni chimiche delle sostanze, in grado di influenzare anche la temperatura critica, il gradiente della variazione cromatica e la velocità del processo di trasformazione. Nella situazione oscurata, un film termotropico permette il passaggio del 20% circa della radiazione luminosa incidente (assumendo i valori del fattore di trasmissione luminosa τ pari a 0,80÷0,90 nello stato trasparente e pari a 0,10÷0,50 nello stato opaco). L’applicazione alle superfici degli elementi di chiusura osserva: • l’instabilità alla radiazione ultravioletta, che si manifesta con l’ingiallimento dei materiali, influenzandone le proprietà energetiche; • il degrado per effetto dell’umidità e dell’ossigeno sui composti polimerici; • i costi meno elevati rispetto ai dispositivi di schermatura tradizionali (Altomonte, 2004, pp. 145-149). 1.2.3. I dispositivi a cristalli liquidi Gli elementi di chiusura trasparenti integrati dai dispositivi a cristalli liquidi (LCD, Liquid Crystals Display) sono espressi dalla capacità di variare, in modo dinamico, il proprio stato dalla condizione traslucida fino alla totale trasparenza: il funzionamento si basa su materiali con struttura molecolare a barre (come particelle lunghe solo qualche nm) che, sollecitati da un campo elettrico (per il fenomeno di anisotropia dielettrica), si allineano e modificano la trasmissione luminosa. Tali dispositivi sono composti da una matrice polimerica, dotata della dispersione di gocce di cristallo liquido (caratterizzate da un comportamento anisotropo), che determina: • in assenza di campo elettrico, l’orientamento delle particelle in modo casuale (nella matrice polimerica), comportando una serie di riflessioni dei raggi incidenti e la configurazione traslucida; • in presenza di campo elettrico, l’orientamento delle particelle in una sola direzione (nella matrice polimerica), che corrisponde al gradiente del potenziale applicato, comportando la configurazione trasparente. I dispositivi possono essere regolati, mediante sistemi di controllo, rispetto alla trasmissione luminosa richiesta (che, in generale, assume un valore del fattore di trasmissione luminosa τ = 0,48÷0,76): in particolare, i cristalli liquidi (dei quali il tipo più comune è a struttura nematica intrecciata) (17) sono composti da polimeri che formano delle catene rotanti tra piatti polarizzati (il cui grado di rotazione può essere stabilito durante il processo di produzione). L’applicazione agli elementi di chiusura (sulle superfici dei vetri laminati, con diverse colorazioni di tipo neutro, verde o grigia) osserva: • la necessità dell’alimentazione elettrica continua per mantenere la trasparenza; • la bassa stabilità agli effetti della radiazione ultravioletta; 14
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