Une percée qui permet de réguler la température d'un foyer sans consommer de gaz naturel ou d'électricité
Des scientifiques ont mis au point un revêtement de toit intelligent toutes saisons qui garde les maisons chaudes en hiver et les rafraîchit en été sans consommer de gaz naturel ou d'électricité. Les résultats de cette recherche, publiés dans la revue Science, mettent en évidence une technologie révolutionnaire qui permet de réaliser des économies d'énergie plus importantes que les systèmes commerciaux de toits froids.
"Notre revêtement de toit toutes saisons passe automatiquement du froid au chaud, en fonction de la température de l'air extérieur. Il s'agit d'un système de climatisation et de chauffage sans énergie et sans émissions, le tout en un seul dispositif", a déclaré Junqiao Wu, membre du corps enseignant de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'université de Berkeley, qui a dirigé l'étude.
Les systèmes de toits froids actuels, tels que les revêtements, les membranes, les bardeaux ou les tuiles réfléchissants, présentent des surfaces de couleur claire ou plus foncée qui rafraîchissent les maisons en réfléchissant la lumière du soleil. Ces systèmes émettent également une partie de la chaleur solaire absorbée sous forme de rayonnement infrarouge thermique ; dans ce processus naturel connu sous le nom de refroidissement radiatif, la lumière infrarouge thermique est rayonnée à partir de la surface.
Le problème de nombreux systèmes de toits froids actuellement sur le marché est qu'ils continuent à émettre de la chaleur en hiver, ce qui augmente les coûts de chauffage, a expliqué M. Wu.
"Notre nouveau matériau, appelé revêtement radiatif adaptatif à la température (TARC), permet de réaliser des économies d'énergie en désactivant automatiquement le refroidissement radiatif en hiver, ce qui résout le problème du surrefroidissement", a-t-il ajouté.
Un toit pour toutes les saisons
Les métaux sont généralement de bons conducteurs d'électricité et de chaleur. En 2017, Wu et son équipe de recherche ont découvert que les électrons du dioxyde de vanadium se comportent comme un métal à l'électricité mais comme un isolant à la chaleur - en d'autres termes, ils conduisent bien l'électricité sans conduire beaucoup de chaleur. "Ce comportement contraste avec la plupart des autres métaux où les électrons conduisent la chaleur et l'électricité proportionnellement", a expliqué Wu.
En dessous de 67 degrés Celsius (153 degrés Fahrenheit), le dioxyde de vanadium est également transparent à la lumière infrarouge thermique (et ne l'absorbe donc pas). Mais dès que le dioxyde de vanadium atteint 67 degrés Celsius, il passe à l'état métallique et devient absorbant pour la lumière infrarouge thermique. Cette capacité à passer d'une phase à une autre - dans ce cas, d'un isolant à un métal - est caractéristique de ce que l'on appelle un matériau à changement de phase.
Pour voir comment le dioxyde de vanadium se comporterait dans un système de toiture, Wu et son équipe ont conçu un dispositif à couche mince TARC de 2 centimètres sur 2 centimètres. Le TARC "ressemble à du ruban adhésif et peut être fixé sur une surface solide comme un toit", a déclaré Wu.
Dans une expérience clé, le co-auteur principal Kechao Tang a mis en place une expérience sur le toit de la maison de Wu à East Bay l'été dernier pour démontrer la viabilité de la technologie dans un environnement réel.
Un dispositif de mesure sans fil installé sur le balcon de Wu a enregistré en continu les réponses aux changements de la lumière solaire directe et de la température extérieure d'un échantillon TARC, d'un échantillon de toit sombre commercial et d'un échantillon de toit blanc commercial sur plusieurs jours.
Les performances du TARC en matière d'économies d'énergie
Les chercheurs ont ensuite utilisé les données de l'expérience pour simuler les performances du TARC tout au long de l'année dans des villes représentant 15 zones climatiques différentes sur le territoire continental des États-Unis.
Wu a fait appel à Ronnen Levinson, co-auteur de l'étude, scientifique et responsable du Heat Island Group au sein de l'Energy Technologies Area du Berkeley Lab, pour les aider à affiner leur modèle de température de surface des toits. Levinson a mis au point une méthode permettant d'estimer les économies d'énergie du TARC à partir d'un ensemble de plus de 100 000 simulations énergétiques de bâtiments que le Heat Island Group avait précédemment réalisées pour évaluer les avantages des toits et des murs froids à travers les États-Unis.
Finnegan Reichertz, un élève de terminale de l'East Bay Innovation Academy d'Oakland qui a travaillé à distance en tant que stagiaire d'été pour Wu l'année dernière, a aidé à simuler comment le TARC et les autres matériaux de toiture se comporteraient à des heures et des jours spécifiques tout au long de l'année pour chacune des 15 villes ou zones climatiques étudiées par les chercheurs pour l'article.
Les chercheurs ont constaté que le TARC est plus performant que les revêtements de toit existants en termes d'économie d'énergie dans 12 des 15 zones climatiques, en particulier dans les régions où les variations de température sont importantes entre le jour et la nuit, comme la baie de San Francisco, ou entre l'hiver et l'été, comme la ville de New York.
"Avec le TARC installé, le ménage moyen aux États-Unis pourrait économiser jusqu'à 10 % d'électricité", a déclaré Tang, qui était chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Wu au moment de l'étude. Il est aujourd'hui professeur adjoint à l'université de Pékin, en Chine.
Les toits froids standard ont une réflectance solaire élevée et une émittance thermique élevée (la capacité de dégager de la chaleur en émettant un rayonnement infrarouge thermique), même par temps frais.
D'après les mesures des chercheurs, le TARC réfléchit environ 75 % de la lumière du soleil tout au long de l'année, mais son émittance thermique est élevée (environ 90 %) lorsque la température ambiante est chaude (supérieure à 25 degrés Celsius ou 77 degrés Fahrenheit), ce qui favorise la perte de chaleur vers le ciel. Par temps plus frais, l'émittance thermique du TARC passe automatiquement à un niveau faible, ce qui permet de retenir la chaleur provenant de l'absorption solaire et du chauffage intérieur, a expliqué M. Levinson.
Les résultats des expériences de spectroscopie infrarouge réalisées à l'aide d'outils avancés à la Molecular Foundry du Berkeley Lab ont validé les simulations.
"La physique simple avait prédit que le TARC fonctionnerait, mais nous avons été surpris qu'il fonctionne aussi bien", a déclaré Wu. "Nous pensions au départ que le passage du réchauffement au refroidissement ne serait pas aussi spectaculaire. Nos simulations, nos expériences en plein air et en laboratoire ont prouvé le contraire - c'est vraiment passionnant."
Les chercheurs prévoient de développer des prototypes de TARC à plus grande échelle afin de tester plus avant ses performances en tant que revêtement de toit pratique. Selon Wu, le TARC pourrait également servir de revêtement de protection thermique pour prolonger la durée de vie des batteries des smartphones et des ordinateurs portables, et protéger les satellites et les voitures contre les températures extrêmement élevées ou basses. Il pourrait également être utilisé pour fabriquer des tissus thermorégulateurs pour les tentes, les couvertures de serres, et même les chapeaux et les vestes.
Les co-auteurs principaux de l'étude sont Kaichen Dong et Jiachen Li.
La Molecular Foundry est une installation d'utilisation des nanosciences au Berkeley Lab.
Ce travail a été principalement soutenu par le DOE Office of Science et une bourse Bakar.
La technologie est disponible pour l'octroi de licences et la collaboration. Si vous êtes intéressé, veuillez contacter le bureau de la propriété intellectuelle de Berkeley Lab, ipo@lbl.gov.
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