Des chercheurs de Princeton et de l'UCLA ont créé une nouvelle technologie de contrôle climatique passif utilisant des revêtements techniques qui gèrent le transfert de chaleur par des longueurs d'onde spécifiques, offrant potentiellement des économies d'énergie substantielles et améliorant le confort dans les bâtiments, en particulier dans les régions moins riches. Une image thermique montre la chaleur rayonnant d'un bâtiment. Crédit : Mandal et al/Princeton University
Des chercheurs ont conçu un mécanisme de régulation thermique passif utilisant des matériaux courants qui gèrent de manière sélective la chaleur radiante, offrant un moyen durable d'améliorer considérablement l'efficacité énergétique et le confort des bâtiments.
Des ingénieurs de Princeton et de l’UCLA ont développé un mécanisme passif pour refroidir les bâtiments en été et les réchauffer en hiver.
Dans un article récemment publié dans la revue Rapports de cellules Science physiqueIls rapportent qu'en limitant les flux de chaleur radiante entre les bâtiments et leur environnement à des longueurs d'onde spécifiques, les revêtements conçus à partir de matériaux courants peuvent permettre des économies d'énergie et un confort thermique qui vont au-delà de ce que les enveloppes de bâtiment traditionnelles peuvent réaliser.
« Avec l’augmentation des températures mondiales, maintenir des bâtiments habitables est devenu un défi mondial », a déclaré le chercheur Jyotirmoy Mandal, professeur adjoint de génie civil et environnemental à Princeton. « Les bâtiments échangent la majorité de leur chaleur avec leur environnement sous forme de rayonnement, et en adaptant les propriétés optiques de leurs enveloppes pour exploiter le comportement du rayonnement dans notre environnement, nous pouvons contrôler la chaleur dans les bâtiments de manière nouvelle et efficace. »
Techniques de refroidissement historiques et actuelles
La chaleur rayonnante, transportée par des ondes électromagnétiques, est omniprésente : nous la ressentons lorsque la lumière du soleil réchauffe notre peau ou lorsqu’un serpentin électrique chauffe une pièce. Réguler la température d’un bâtiment en contrôlant la chaleur rayonnante est une pratique courante. La plupart des bâtiments utilisent des stores pour bloquer la lumière du soleil et beaucoup peignent les toits et les murs en blanc pour refléter le soleil.
« Si nous observons des villes historiques comme Santorin en Grèce ou Jodhpur en Inde, nous constatons que le refroidissement des bâtiments en faisant en sorte que les toits et les murs reflètent la lumière du soleil est une pratique qui existe depuis des siècles », a déclaré le chercheur Aaswath Raman, professeur associé de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université de Tel Aviv. UCLA« Ces dernières années, les revêtements de toitures rafraîchissantes qui réfléchissent la lumière du soleil ont suscité un intérêt considérable. Mais le refroidissement des murs et des fenêtres est un défi beaucoup plus subtil et complexe. »
Une image thermique des murs et des toits des bâtiments. Crédit : Mandal et al./Université de Princeton
Les toits ont généralement une vue dégagée sur le ciel. Cela permet aux revêtements de toit froids de réfléchir la lumière du soleil et de diffuser la chaleur à ondes longues vers le ciel et finalement vers l'espace. Les murs et les fenêtres, en revanche, ont généralement une vue sur le sol et les bâtiments voisins. Par temps chaud, ils sont réchauffés par la chaleur rayonnant des rues, des trottoirs et des bâtiments voisins. Cela signifie que même si les murs et les fenêtres rayonnent de la chaleur vers le ciel, ils sont encore plus chauffés par la terre. Par temps froid, l'environnement terrestre devient plus froid, ce qui évacue la chaleur des murs et des fenêtres.
Les chercheurs ont découvert que la solution à ce problème réside dans la façon différente dont la chaleur se déplace entre les bâtiments et la zone au niveau du sol et entre les bâtiments et le ciel. La chaleur rayonnante se déplace des bâtiments vers le ciel dans une portion étroite du spectre infrarouge appelée fenêtre de transmission atmosphérique, ce que les chercheurs appellent bande étroite. Au niveau du sol, la chaleur rayonnante se déplace sur l'ensemble du spectre infrarouge, ce que les chercheurs appellent bande large.
« En revêtant les murs et les fenêtres de matériaux qui ne diffusent ou n’absorbent la chaleur que dans la fenêtre atmosphérique, nous pouvons réduire le gain de chaleur à large bande du sol en été et la perte en hiver, tout en maintenant l’effet rafraîchissant du ciel. Nous pensons que cette idée est sans précédent et qu’elle va au-delà de ce que les enveloppes de toit et de mur traditionnelles peuvent réaliser », a noté Mandal.
Innovations matérielles et potentiel futur
Les résultats de ces recherches sont importants pour deux raisons principales. Tout d'abord, les chercheurs montrent dans leur article que de nombreux matériaux de construction courants et peu coûteux diffusent la chaleur dans la bande étroite et bloquent la chaleur dans la bande large. Des matériaux tels que le fluorure de polyvinyle, déjà utilisé comme matériau de revêtement, pourraient être adaptés à cet usage, tout comme des plastiques encore plus courants.
« Nous avons été vraiment ravis de découvrir que des matériaux comme le polypropylène, que nous avons obtenu à partir de plastiques ménagers, rayonnent ou absorbent sélectivement la chaleur dans la fenêtre atmosphérique », a noté Raman. « Ces matériaux sont à la limite du banal, mais la même évolutivité qui les rend courants signifie également que nous pourrions les voir thermoréguler les bâtiments dans un avenir proche. »
La deuxième raison d’être optimiste est que les impacts potentiels sur l’énergie à l’échelle du bâtiment sont considérables. Les chercheurs ont noté que les économies d’énergie saisonnières réalisées grâce à leur mécanisme sont comparables aux avantages de la peinture en blanc des toits sombres. Cela pourrait être utile alors que le coût de la climatisation et les accidents liés à la chaleur continuent de grimper dans le monde entier. Mandal et Raman prévoient de poursuivre ces recherches.
« Le mécanisme que nous avons proposé est entièrement passif, ce qui en fait un moyen durable de refroidir et de chauffer les bâtiments au gré des saisons et de réaliser des économies d’énergie inexploitées », note Mandal. « En fait, les avantages des mécanismes et des matériaux que nous présentons sont plus importants pour les bâtiments des pays du Sud. Cela pourrait donc être une solution plus équitable pour les communautés pauvres en ressources, d’autant plus qu’elles connaissent une augmentation des besoins en refroidissement et des décès liés à la chaleur. »
Le projet a été soutenu en partie par la Schmidt Science Fellowship, la Fondation Alfred P. Sloan et la National Science Foundation.
