Alors que le réchauffement climatique se poursuit, les gens ont tendance à allumer des ventilateurs ou des climatiseurs par temps chaud. Mais plus nous utilisons d’appareils électriques, plus nous consommons d’énergie et plus nous produisons de dioxyde de carbone. Dans la continuité de ses percées en matière de refroidissement sans électricité, la City University of Hong Kong (CityUHK) a récemment développé un nouvel aérogel transparent à l’infrarouge, qui accroît les performances de refroidissement des matériaux de refroidissement radiatif diurne subambiant jusqu’à 5,2 °C.
Les résultats ont été publiés dans Energy & Environmental Science, dans un article intitulé « Decoupling solar reflection and thermal emission enables deep subambient radiative cooling for building energy savings ».
Le refroidissement radiatif diurne subambiant (SDRC) réfléchit le rayonnement solaire et émet un rayonnement thermique vers l’espace, réduisant ainsi la température de surface sans consommer d’énergie. Mais le SDRC existant repose sur une seule surface exposée pour assurer à la fois la réflexion solaire et l’émission thermique, ce qui rend le refroidissement profondément subambiant vulnérable aux gains de chaleur parasites.
Dirigée par le professeur Edwin Tso Chi-yan, doyen associé (Internationalisation et rayonnement) et professeur titulaire de la School of Energy and Environment (SEE) de la CityUHK, l’équipe de recherche a développé un aérogel blanc transparent à l’infrarouge (WITA) qui découple spatialement la réflexion solaire et l’isolation thermique. En recourant à un procédé simplifié d’échange de solvant en une seule étape, l’équipe a adopté de manière innovante le polyéthylène à ultra-haut poids moléculaire (UHMWPE) comme substrat. Par rapport au polyéthylène haute densité classique, l’UHMWPE offre une densité d’enchevêtrement plus élevée et une réticulation physique plus forte, permettant à l’aérogel de conserver sa structure poreuse tridimensionnelle stable. Le WITA ainsi obtenu présente d’excellentes performances optiques, avec une transmittance dans la fenêtre atmosphérique pouvant atteindre 94,5 % et une réflectance solaire de 96,6 %.
L’équipe a établi un modèle optico-thermique multi-échelles qui fait le lien entre les mécanismes de diffusion de la lumière et de transfert de chaleur du WITA, reliant directement les formulations du matériau à la réponse spectrale et aux performances de refroidissement. Ce modèle, validé expérimentalement, permet de prédire les performances de refroidissement du WITA à partir de paramètres tels que la composition et l’épaisseur du matériau, et d’identifier les conceptions optimales pour des substrats et des conditions météorologiques spécifiques.
Par ailleurs, l’équipe de recherche a développé un modèle énergétique de bâtiment incluant les paramètres du WITA et a mené des essais sur le terrain à Hong Kong et à Abu Dhabi. Les résultats ont montré que l’application du WITA sur des revêtements blancs commerciaux et des revêtements SDRC améliorait leurs performances de refroidissement. À Hong Kong, le revêtement SDRC recouvert de WITA a permis une baisse supplémentaire maximale de 5,2 °C en dessous de la température ambiante par rapport au revêtement SDRC nu. Dans le climat extrêmement chaud et aride d’Abu Dhabi, le revêtement SDRC recouvert de WITA a constamment surpassé le revêtement SDRC nu, offrant un refroidissement subambiant supérieur sur de longues périodes d’exposition en extérieur.
De plus, l’équipe a évalué la consommation annuelle d’énergie d’un immeuble résidentiel de quatre étages et a constaté qu’un toit SDRC recouvert de WITA permet de réduire la consommation d’énergie. À Abu Dhabi, par exemple, le toit SDRC a effectivement réduit la consommation annuelle d’énergie de 14,6 GJ par rapport à un toit classique. Lorsqu’il est recouvert de WITA, le toit SDRC a permis une baisse supplémentaire de température, augmentant d’environ 55 % les économies liées au SDRC.
Au-delà de ses remarquables performances de refroidissement, le WITA est durable et sans danger pour une utilisation prolongée. L’équipe a exposé un échantillon WITA-SDRC à un rayonnement ultraviolet à 40 °C pendant 75 jours (soit l’équivalent d’environ deux ans d’exposition aux UV en extérieur à Hong Kong). Sa réflectance solaire et sa transmittance infrarouge dans la fenêtre atmosphérique sont restées pratiquement inchangées après le test de vieillissement accéléré, démontrant sa résistance à une exposition prolongée au soleil et son adéquation aux applications extérieures de longue durée.
En outre, le WITA présente un caractère hydrophobe satisfaisant, contribuant à atténuer la contamination par l’eau de pluie tout en offrant des propriétés autonettoyantes. Après traitement avec un agent hydrophobisant commercial, le matériau ne s’est pas enflammé lors du test de résistance au feu, ne présentant qu’un simple retrait. Par rapport aux matériaux SDRC organiques existants, le WITA offre de meilleures performances de refroidissement et une meilleure résistance au feu. L’équipe a également développé avec succès des variantes rouge, jaune et bleue du WITA qui conservent les performances du matériau, démontrant son adéquation à des applications de construction esthétiquement variées.
Le professeur Tso a souligné : « Cette recherche présente un matériau de refroidissement radiatif très performant, ainsi qu’un cadre de prédiction allant de la conception des matériaux à l’efficacité énergétique des bâtiments. En reliant la formation des matériaux, les performances de refroidissement et l’efficacité énergétique réelle, nous visons à accélérer l’application généralisée de la technologie de refroidissement passif et à réduire la consommation énergétique des bâtiments, contribuant ainsi à apporter des solutions au réchauffement climatique et aux îlots de chaleur urbains. »
Article : Decoupling solar reflection and thermal emission enables deep subambient radiative cooling for building energy savings – Journal : Energy & Environmental Science – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Cette étude est le fruit d’une collaboration entre la CityUHK et l’Université Xi’an Jiaotong. Les auteurs correspondants sont le professeur Tso, le professeur Lin Kaixin de la SEE de la CityUHK et la professeure He Yaling de la School of Energy and Power Engineering de l’Université Xi’an Jiaotong.
Source : CityUHK
