L’integrazione dei materiali a cambiamento di fase (PCM) nei sistemi di riscaldamento a pavimento radiante.

Building energy efficiency is a global priority, as the sector accounts for approximately one-fifth of global final energy consumption. This thesis investigates the integration of Phase Change Materials (PCM) into radiant floor heating systems as an active latent Thermal Energy Storage (TES) strategy for winter heating. By utilizing the high energy density of latent heat during isothermal phase transitions, PCMs overcome the capacity and volume limitations of traditional sensible heat systems. The work examines the theory behind the main heat transfer mechanisms related to the system, introduces the transient-regime behavior (Stefan problem), and evaluates two case studies from recent literature. The first one (University of Oviedo) demonstrates that incorporating PCM bands into the radiant floor nearly triples the thermal storage capacity compared to conventional configurations, increasing it from 445.5 - 552.0 Wh/m² to 1141.0 - 1245.5 Wh/m². This setup ensures stable long-term heat fluxes (31.4 - 44.6 W/m² even 10 hours after system deactivation), optimizing the integration of intermittent renewable sources like solar power. The second study (Hankyong National University) highlights the impact of material thickness: while a 10 mm layer reduces annual consumption by only 2.4%, optimizing the thickness up to 50 mm achieves an annual energy saving of over 15%. Despite constraints regarding low intrinsic thermal conductivity, high initial investment costs, and complex numerical modeling, PCMs offer substantial benefits for energy conservation and indoor comfort, showing great promise for future applications.

L'efficienza energetica edilizia è una priorità globale, essendo il settore responsabile di circa un quinto dell'uso finale di energia nel mondo. Questo lavoro analizza l'integrazione di materiali a cambiamento di fase (PCM) nei pavimenti radianti come strategia di accumulo termico latente (TES) per il riscaldamento invernale. Sfruttando l'elevata densità energetica del calore latente durante passaggi di stato isotermi, i PCM superano i limiti di capacità e ingombro dei sistemi tradizionali a calore sensibile. Viene esaminata la teoria dietro i principali metodi di scambio termico in riferimento al problema, viene introdotto il comportamento in regime transitorio (problema di Stefan) e vengono valutati due casi di studio in letteratura. Il primo (Università di Oviedo) dimostra che bande di PCM integrate nel pavimento radiante quasi triplicano la capacità di accumulo rispetto ai sistemi classici, passando da 445.5 - 552.0 Wh/m² a 1141.0 - 1245.5 Wh/m². Questa configurazione garantisce flussi termici stabili nel lungo termine (31.4 - 44.6 W/m² dopo 10 ore dallo spegnimento), ottimizzando l'integrazione di rinnovabili intermittenti come il solare. Il secondo studio (Università di Hankyong) evidenzia l'impatto dello spessore del PCM: se uno strato di 10 mm riduce i consumi annui solo del 2.4% , l'aumento a 50 mm permette un risparmio energetico superiore al 15%. Nonostante le criticità legate alla bassa conducibilità termica intrinseca, agli alti costi iniziali e alla complessa modellazione numerica, i PCM offrono vantaggi sostanziali per il risparmio energetico, il comfort indoor e sono promettenti in ambito di applicazioni future.