Un film transparent qui rejette 70% de la chaleur solaire
Pour lutter contre la chaleur estivale, les immeubles de bureaux et résidentiels ont tendance à augmenter la climatisation, ce qui fait grimper les factures d’électricité. Par exemple, on estime que les climatiseurs utilisent environ 6% de toute l’électricité produite aux États-Unis, pour un coût annuel de 29 milliards de dollars – une dépense qui ne manquera pas d’augmenter à mesure que le thermostat mondial augmentera avec le changement climatique.
Un film protecteur pour les fenêtres
Pour résoudre ce problème, des ingénieurs du MIT ont développé un film qui rejette la chaleur qui peut être appliqué sur les fenêtres d’un bâtiment pour refléter jusqu’à 70% de la chaleur entrante venant du Soleil. Ce film est capable de demeurer transparent même en dessous de -32 degrés Celsius. Au-dessus de cette température, expliquent les chercheurs, le film agit comme un “système autonome” pour rejeter la chaleur. Ils estiment que si chaque fenêtre faisant face à l’extérieur d’un bâtiment était couverte de ce film, les coûts de la climatisation et de l’énergie du bâtiment pourraient diminuer de 10%.
Ce film qui est similaire à une pellicule de plastique transparente, possède des propriétés de rejet de la chaleur provenant de microparticules encastrées à l’intérieur. Ces microparticules sont fabriquées à partir d’un type de matériau de changement de phase qui se rétrécit lorsqu’il est exposé à des températures de 30 degrés Celsius ou plus. De plus, les microparticules donnent au film normalement transparent un aspect plus translucide ou givré selon la température extérieure.
Appliqué à une fenêtre en été, ce film pourrait refroidir passivement un bâtiment tout en laissant entrer une bonne quantité de lumière. Nicholas Fang, professeur de génie mécanique au MIT, affirme que ce matériau offre une alternative abordable et efficace sur le plan énergétique aux technologies de fenêtres intelligentes déjà existantes.
Des fenêtres plus intelligentes
“Les fenêtres intelligentes sur le marché ne sont actuellement pas très efficaces pour rejeter la chaleur du soleil, ou, comme certaines fenêtres électrochromiques, ils peuvent avoir besoin de plus de puissance pour les faire fonctionner, de sorte que vous devez payer pour rendre vos fenêtres opaques”, explique Fang. “Nous avons pensé qu’il pourrait y avoir de la place pour de nouveaux matériaux et revêtements optiques, afin de fournir de meilleures options de fenêtres intelligentes.”
Il y a un peu plus d’un an, Fang a commencé à collaborer avec des chercheurs de l’Université de Hong Kong, qui étaient désireux de trouver des moyens de réduire la consommation d’énergie des bâtiments dans sa ville. ”Relever ce défi est essentiel pour une région métropolitaine comme Hong Kong, où ils sont soumis à une date limite stricte pour les économies d’énergie », explique Fang, se référant à l’engagement de la ville de Hong Kong à réduire sa consommation d’énergie de 40% d’ici l’année 2025.
Après quelques calculs rapides, les étudiants de Fang ont découvert qu’une partie importante de la chaleur d’un bâtiment passait par les fenêtres, sous la forme de lumière solaire. “Il s’avère que pour chaque mètre carré, environ 500 watts d’énergie sous forme de chaleur sont apportés par les rayons du soleil à travers une fenêtre,” Fang explique : “c’est l’équivalent d’environ cinq ampoules électriques.”
Fang, dont le groupe étudie les propriétés de diffusion de la lumière par des matériaux exotiques et changeants de phase, s’est demandé si de tels matériaux optiques pouvaient être façonnés pour les fenêtres, afin de refléter passivement une partie importante de la chaleur incidente d’un bâtiment.
Des microparticules qui réfléchissent la lumière
Les chercheurs ont parcouru la littérature des matériaux “thermochromiques” — des matériaux sensibles à la température qui changent temporairement de phase, ou de couleur, en réponse à la chaleur. Ils ont fini par découvrir un matériau fabriqué à partir de microparticules de chlorhydrate de poly(2-dimethyl amino ethyl) méthacrylate.
Ces microparticules ressemblent à de minuscules sphères transparentes à fibres palmées et sont remplies d’eau. À des températures de 30 Celsius ou plus, ces sphères rejettent toute leur eau et se rétrécissent en faisceaux serrés de fibres qui réfléchissent la lumière d’une manière différente, ce qui rend ce matériau translucide.
Les chercheurs ont donc créé une solution de microparticules de protection thermique qu’ils ont appliquée entre deux feuilles de verre de 30 cm par 30 cm pour créer une fenêtre recouverte de ce film. Ils ont projeté la lumière d’un simulateur solaire sur cette fenêtre pour reproduire l’effet de la lumière du soleil, et ont constaté que le film est devenu glacé en réponse à la chaleur. Lorsqu’ils ont mesuré l’irradiance solaire transmise par l’autre côté de la fenêtre, les chercheurs ont constaté que le film était capable de rejeter 70% de la chaleur produite par la lampe.
L’équipe a également tapissé une petite chambre calorimétrique avec ce film de rejet de la chaleur et a mesuré la température à l’intérieur de la chambre en faisant briller la lumière d’un simulateur solaire à travers le film. Sans ce film, la température interne a augmenté à 40 Celsius — « environ la température d’une forte fièvre » note Fang. Avec notre film, la chambre intérieure est restée à un niveau plus tolérable de 33 Celsius.
Faciliter la fabrication de fenêtres intelligentes
« Les fenêtres ont toujours été l’un des principaux goulots d’étranglement de l’efficacité des bâtiments », a déclaré Xiaobo Yin, professeur agrégé de génie mécanique à l’Université du Colorado à Boulder. « Les fenêtres intelligentes qui régulent la consommation d’énergie solaire peuvent potentiellement changer la donne. Un grand avantage de ce travail est que les matériaux utilisés, améliorent considérablement l’applicabilité et la fabrication de fenêtres intelligentes.”
À l’avenir, l’équipe envisage d’effectuer d’autres analyses de ce film pour voir s’il peut peaufiner sa formule pour améliorer ses propriétés de protection thermique. Cette recherche a été financée en partie par le Consortium HKUST-MIT.
Source : MIT