Prévention des pertes d’énergie des fenêtres

Les ingénieurs en mécanique mettent au point des technologies qui pourraient empêcher la chaleur de pénétrer ou de s’échapper par les fenêtres, ce qui pourrait prévenir une perte massive d’énergie.

Dans la recherche d’une meilleure efficacité énergétique des bâtiments, les fenêtres posent un problème particulièrement difficile. Selon le ministère de l’énergie des États-Unis, la chaleur qui s’échappe ou entre par les fenêtres représente environ 30 % de l’énergie utilisée pour chauffer et climatiser les bâtiments. Les chercheurs mettent au point diverses technologies de fenêtres qui pourraient prévenir cette perte massive d’énergie.

 » Le choix des fenêtres d’un bâtiment a une influence directe sur la consommation d’énergie « , dit Nicholas Fang, professeur de génie mécanique. « Nous avons besoin d’un moyen efficace de bloquer le rayonnement solaire. »

Fang fait partie d’une vaste collaboration qui vise à développer des systèmes intelligents de contrôle et de surveillance adaptatifs pour les bâtiments. L’équipe de recherche, qui comprend des chercheurs de l’Université des sciences et des technologies de Hong Kong et Leon Glicksman, professeur de technologie du bâtiment et de génie mécanique au MIT, a été chargée d’aider Hong Kong à atteindre son objectif ambitieux de réduire les émissions de carbone de 40 % d’ici 2025.

 » Notre idée est d’adapter de nouveaux capteurs et des fenêtres intelligentes afin de contribuer à l’efficacité énergétique et d’améliorer le confort thermique des personnes à l’intérieur des bâtiments « , explique M. Fang.

Sa contribution est le développement d’un matériau intelligent qui peut être placé sur une fenêtre comme un film qui bloque la chaleur à l’entrée. Le film reste transparent lorsque la température de la surface est inférieure à 32°C, mais devient laiteux lorsqu’elle dépasse 32°C. Ce changement d’apparence est dû aux microparticules thermochromiques qui changent de phase en réponse à la chaleur. L’apparence laiteuse de la fenêtre intelligente peut empêcher jusqu’à 70 % du rayonnement solaire de passer à travers la fenêtre, ce qui se traduit par une réduction de 30 % de la charge de refroidissement.

En plus de ce matériau thermochromique, l’équipe de M. Fang espère intégrer aux fenêtres des capteurs qui surveillent la lumière du soleil, la luminance et la température.  » Dans l’ensemble, nous voulons une solution intégrale pour réduire la charge des systèmes de CVC « , explique-t-il.

Tout comme M. Fang, Elise Strobach, étudiante diplômée, travaille sur un matériau qui pourrait réduire considérablement la quantité de chaleur qui s’échappe ou entre par les fenêtres. Elle a mis au point un aérogel (je vous parle de l’aérogel ici)de silice de haute clarté qui, lorsqu’il est placé entre deux vitres, est 50% plus isolant que les fenêtres traditionnelles et dure jusqu’à dix ans de plus.

« Au cours des deux dernières années, nous avons mis au point un matériau dont le rendement a été démontré et qui est assez prometteur pour commencer à être commercialisé « , explique Mme Strobach, qui est candidate au doctorat au Device Research Laboratory du MIT. Pour aider à cette commercialisation, M. Strobach a cofondé la jeune entreprise AeroShield Materials.

Plus léger qu’une guimauve, le matériau d’AeroShield contient 95 % d’air. Le reste du matériau est constitué de nanoparticules de silice de 1 à 2 nanomètres de diamètre. Cette structure bloque les trois modes de perte de chaleur : la conduction, la convection et le rayonnement. Lorsque le gaz est emprisonné dans les petits vides du matériau, il ne peut plus entrer en collision et transférer de l’énergie par convection. Pendant ce temps, les nanoparticules de silice absorbent le rayonnement et le réémettent dans la direction d’où il provient.

La composition du matériau permet un gradient de température vraiment intense qui maintient la chaleur là où vous le souhaitez, qu’il fasse chaud ou froid dehors « , explique M. Strobach, qui, avec le cofondateur d’AeroShield, Kyle Wilke, a été nommé l’un des  » 30 Under 30 in Energy  » de Forbes. La commercialisation de cette recherche est soutenue par le Centre d’innovation technologique du MIT de Deshpande.

M. Strobach voit également des possibilités de combiner les technologies AeroShield avec d’autres solutions de fenêtres en cours de développement au MIT, notamment les travaux de M. Fang et les recherches menées par Gang Chen, le professeur Carl Richard Soderberg en génie énergétique et la chercheuse Svetlana Boriskina.

« Les bâtiments représentent un tiers de la consommation d’énergie aux États-Unis, et les fenêtres sont donc à bien des égards des fruits à portée de main « , explique M. Chen.

Chen et Boriskina ont déjà travaillé avec Strobach sur la première itération du matériau AeroShield pour leur projet de développement d’un récepteur aérogel solaire thermique. Plus récemment, ils ont mis au point des polymères qui pourraient être utilisés dans les fenêtres ou les façades de bâtiments pour piéger ou réfléchir la chaleur, quelle que soit la couleur.

Ces polymères ont été en partie inspirés par les vitraux.  » J’ai une formation en optique, alors je suis toujours attiré par les aspects visuels des applications énergétiques « , dit M. Boriskina. « Le problème est que quand vous introduisez une couleur, cela affecte la stratégie énergétique que vous essayez de poursuivre. »

En utilisant un mélange de polyéthylène et un solvant, Chen et Boriskina ont ajouté diverses nanoparticules pour donner de la couleur. Une fois étiré, le matériau devient translucide et sa composition change. Les chaînes de carbone auparavant désorganisées se reforment en lignes parallèles, qui sont beaucoup plus efficaces pour conduire la chaleur.

Bien que ces polymères doivent être perfectionnés pour être utilisés dans des fenêtres transparentes, ils pourraient éventuellement être utilisés dans des fenêtres colorées et translucides qui réfléchissent ou emprisonnent la chaleur, ce qui permettrait en fin de compte de réaliser des économies d’énergie.  » Le matériau n’est pas aussi transparent que le verre, mais il est translucide. Il pourrait être utile pour les fenêtres des endroits où vous ne voulez pas que la lumière directe du soleil entre – comme les gymnases ou les salles de classe « , ajoute M. Boriskina.

Boriskina utilise également ces matériaux pour des applications militaires. Dans le cadre d’un projet de trois ans financé par l’armée américaine, elle met au point des fenêtres en polymère légères, colorées sur mesure et incassables. Ces fenêtres peuvent fournir un contrôle passif de la température et un camouflage pour les abris portatifs et les véhicules.

Pour que ces technologies aient un impact significatif sur la consommation d’énergie, les chercheurs doivent améliorer l’extensibilité et l’abordabilité.  » À l’heure actuelle, l’obstacle du coût de ces technologies est trop élevé – nous devons examiner des versions plus économiques et plus évolutives « , ajoute M. Fang.

Si les chercheurs réussissent à mettre au point des solutions manufacturables et abordables, leurs technologies de fenêtres pourraient améliorer considérablement l’efficacité des bâtiments et entraîner une réduction substantielle de la consommation d’énergie des bâtiments dans le monde entier.

Via MIT NEWS

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