Un revêtement de toit qui régule la température des maisons toute l’année

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À droite : échantillons du revêtement radiatif adaptatif à la température. Le matériau ressemble à du scotch et peut être apposé sur un toit. | Shutterstock/Thor Swift/Laboratoire de Berkeley
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Des scientifiques de l’université de Berkeley (Californie) ont mis au point un revêtement thermique innovant destiné aux toitures des maisons. Il permet de réguler naturellement la température intérieure tout au long de l’année.

Un isolant qui permet aux maisons de rester chaudes en hiver, et froides en été… Cela n’est pas sans rappeler les vêtements réversibles que nous vous présentions il y a peu. Ceux-ci permettaient, de la même façon, de disposer de vêtements capables de prodiguer fraîcheur ou chaleur en fonction du côté duquel ils sont portés. Dans le cas des maisons, cependant, c’est un peu plus compliqué de retourner le toit à chaque saison…

Les scientifiques ont donc conçu un matériau capable de s’autoréguler en fonction de la température extérieure. « Notre revêtement de toit toutes saisons passe automatiquement du maintien au frais au maintien au chaud, en fonction de la température de l’air extérieur. Il s’agit d’une climatisation et d’un chauffage sans énergie et sans émissions, le tout dans un seul dispositif », se félicite dans un communiqué Junqiao Wu, l’un des chercheurs de Berkeley qui ont mené cette étude à bien. Les détails de l’avancée ont été publiés dans la revue Science.

Les chercheurs ont nommé leur revêtement « Temperature-Adaptive Radiative Coating », ou « TARC » (« revêtement radiatif adaptatif à la température »). Le dispositif est formé de plusieurs couches de matériaux, et ressemble en définitive à une sorte de morceau de « scotch » que l’on peut facilement fixer sur une surface solide.

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Résumé des étapes de fabrication de TARC. © Kechao Tang et al./Berkeley university.

Les scientifiques ont réalisé de nombreux tests pour évaluer les économies d’énergies possibles grâce à ce nouveau revêtement. Pour récolter des données sur son fonctionnement en situation réelle, ils l’ont disposé sur la maison de Jungiao Wu, l’été dernier, et ont enregistré toutes les variations. Ils ont comparé ces données avec des mesures effectuées en même temps sur des maisons à toits blanc et noir standards.

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Les chercheurs sont ensuite partis de ces données pour simuler l’utilisation du TARC dans 15 zones climatiques différentes des États-Unis. Ils ont pour cela pu utiliser une simulation du Heat Island Group, un département de l’université de Berkeley spécialiste de ce type de questions qui avait déjà à disposition une simulation de la performance énergétique de quelque 100 000 bâtiments de différents types à travers les États-Unis.

10% d’électricité économisé

Résultat : les toits équipés de TARC sont plus performants que les différents types de toits existants dans 12 des 15 zones climatiques étudiées. Ils sont particulièrement efficaces dans les régions qui présentent de forts différentiels de température entre le jour et la nuit, comme dans la baie de San Francisco, ou entre l’été et l’hiver, comme à New York. En moyenne, cette technologie pourrait permettre aux foyers d’économiser 10% d’électricité.

Comme de nombreuses technologies thermiques, ce fameux TARC se base sur un principe physique simple : le rayonnement infrarouge. Globalement, trois dynamiques interviennent naturellement concernant la régulation thermique d’une maison.

  • L’absorption : c’est la partie de la chaleur qui va être « absorbée », par exemple ici par un toit.
  • La convexion : la partie de la chaleur qui est « transportée » ailleurs, notamment par des mouvements d’air, et qui ne sera donc pas absorbée.
  • La radiation : le rayonnement infrarouge émis de l’intérieur vers l’extérieur, et qui renvoie la chaleur.
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Modèle utilisé pour le calcul de l’absorption et émission de chaleur. © Kechao Tang et al./Berkeley University

C’est sur ce rayonnement infrarouge que la plupart des technologies actuelles en matière de construction agissent déjà. Différents systèmes existent, tels que des tuiles réfléchissantes, des surfaces claires ou de la peinture ultra-blanche, des membranes… Ils permettent de réfléchir la lumière du soleil pour amoindrir son absorption, mais aussi d’émettre vers l’extérieur une partie de la chaleur absorbée sous forme de rayonnement infrarouge. Problème : ce système fonctionne en permanence, c’est-à-dire qu’il refroidit la maison même lorsqu’il fait déjà froid.

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Comment ça marche ?

C’est ce défaut qu’ont cherché à combler les scientifiques de l’université de Berkeley. Et pour cela, ils se sont penchés sur les propriétés du vanadium. « Il y a quelques années, je me suis demandé s’il existait seulement un matériau qui pourrait basculer automatiquement entre le refroidissement radiatif par temps chaud et la rétention de chaleur par temps froid. Et puis j’ai pensé, le dioxyde de vanadium peut faire ça », raconte ainsi Junqiao Wu.

Le dioxyde de vanadium a en effet une propriété bien particulière. En 2017, Wu et son équipe ont découvert que les électrons présents dans ce matériau transmettaient très bien l’électricité, mais sans conduire autant la chaleur, ce qui est un fonctionnement inhabituel pour un métal. Il n’absorbe pas non plus les rayonnements infrarouges. « Ce comportement contraste avec la plupart des autres métaux où les électrons conduisent la chaleur et l’électricité proportionnellement », affirment ainsi les chercheurs.

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Mais là où ce matériau devient intéressant, c’est qu’en dessous de 67 °C, il change de propriétés. Il se comporte alors comme un métal plus standard, et se met à absorber les rayonnements infrarouges. En remplaçant 1,5% du vanadium par du tungstène, une méthode appelée « dopage », les scientifiques sont parvenus à abaisser cette température où les propriétés basculent à 25 °C. En d’autres termes, avec ce matériau, la maison retient la chaleur en dessous de 25 °C et se met à la rejeter dès que la température devient plus élevée, sans qu’aucune intervention soit nécessaire.

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Selon les mesures, le TARC réfléchit environ 75% de la lumière du soleil toute l’année, mais son émittance thermique est d’environ 90% lorsque la température ambiante est forte, favorisant la perte de chaleur vers le ciel. Par temps plus frais, l’émittance thermique du TARC passe automatiquement à environ 20%, aidant à retenir la chaleur de l’absorption solaire et du chauffage intérieur. Des résultats frappants, qui ont agréablement surpris les scientifiques eux-mêmes.

« Notre nouveau matériau peut permettre des économies d’énergie en désactivant automatiquement le refroidissement radiatif en hiver, surmontant ainsi le problème du sur-refroidissement », conclut Wu. Au-delà de l’isolation des maisons individuelles, des applications pourraient être trouvées dans de multiples domaines où une régulation thermique serait utile : allonger la durée de vie des batteries des appareils électroniques, protéger les voitures des températures extrêmes, ou encore les satellites, ou même fabriquer des tentes, des vestes et des chapeaux thermiquement autorégulés.

Source : Science

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