Les ingénieurs de l’université de Duke ont fait la démonstration d’un dispositif de chauffage et de refroidissement pour la climatisation des bâtiments qui, s’il était largement déployé aux États-Unis, pourrait réduire la consommation d’énergie de la climatisation de près de 20 %.
L’invention fait appel à une combinaison de mécanique et de science des matériaux pour capter ou expulser certaines longueurs d’onde de la lumière. Selon les conditions, des rouleaux déplacent une feuille d’avant en arrière pour exposer soit des matériaux qui retiennent la chaleur sur une moitié, soit des matériaux qui refroidissent sur l’autre. Spécialement conçu à l’échelle nanométrique, un matériau absorbe l’énergie du soleil et piège la chaleur existante, tandis que l’autre réfléchit la lumière et permet à la chaleur de s’échapper à travers l’atmosphère terrestre et dans l’espace.
« Je pense que nous sommes les premiers à faire la démonstration d’un contact thermique réversible, qui nous permet de passer d’un mode de chauffage ou de refroidissement à l’autre« , a déclaré Po-Chun Hsu, professeur adjoint de génie mécanique et de science des matériaux à Duke et chef de l’équipe. « Cela permet au matériau d’être mobile tout en maintenant un bon contact thermique avec le bâtiment pour soit faire entrer de la chaleur, soit en faire sortir« .
Les résultats ont été publiés en ligne le 30 novembre, dans la revue Nature Communications.
Environ 15 % de la consommation d’énergie aux États-Unis, et plus de 30 % dans le monde, est destinée au chauffage et au refroidissement des bâtiments, qui sont responsables d’environ 10 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre. Pourtant, jusqu’à présent, la plupart des approches visant à réduire l’empreinte carbone n’ont porté que sur le chauffage ou le refroidissement. Cela laisse les zones climatiques tempérées du monde qui ont besoin à la fois de chauffage et de refroidissement pendant l’année – ou parfois en 24 heures – dehors dans le froid. Dans ce nouvel article, M. Hsu et son équipe font la démonstration d’un dispositif qui pourrait nous permettre de rester au chaud ou au frais lorsque le temps change.
La feuille spécialement conçue part d’un composite de polymère comme base qui peut se dilater ou se contracter en y faisant passer de l’électricité. Cela permet au dispositif de rester en contact avec le bâtiment pour transmettre l’énergie tout en pouvant se désengager pour que les rouleaux puissent passer d’un mode à l’autre.
La partie refroidissante de la feuille est constituée d’un film d’argent ultra-fin recouvert d’une couche encore plus fine de silicone transparent, qui ensemble réfléchissent les rayons du soleil comme un miroir. Les propriétés uniques de ces matériaux permettent également de convertir l’énergie en lumière infrarouge de moyenne portée et de l’émettre, qui n’interagit pas avec les gaz de l’atmosphère terrestre et passe facilement dans l’espace.
Lorsqu’un changement de temps entraîne un besoin de chauffage, la charge électrique se libère et les rouleaux tirent la feuille le long d’une piste. La moitié de la feuille qui se refroidit et réfléchit est ainsi remplacée par la moitié qui absorbe la chaleur.
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Pour chauffer le bâtiment situé en dessous, les ingénieurs ont utilisé une couche ultra-mince de cuivre surmontée d’une couche de nanoparticules de zinc-cuivre. En donnant aux nanoparticules une taille spécifique et en les séparant d’une certaine distance, elles interagissent avec le cuivre sous-jacent de manière à piéger la lumière sur leur surface, permettant au matériau d’absorber plus de 93 % de la chaleur du soleil.
Hsu et son équipe considèrent que l’appareil pourrait fonctionner avec les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation existants, plutôt que de les remplacer complètement.
« Au lieu de chauffer et de refroidir directement le bâtiment, nous pourrions utiliser un panneau d’eau pour amener l’eau chaude ou froide à une pompe à chaleur ou à un système de chaudière« , a déclaré Hus. « J’imagine aussi qu’avec une ingénierie supplémentaire, cela pourrait aussi être utilisé sur les murs, formant une sorte d’enveloppe de bâtiment commutable« , a déclaré Hsu.
L’équipe travaille sur plusieurs aspects de la conception afin de la faire passer du prototype à l’échelle de fabrication. Parmi ces aspects, explique Hsu, il y a les préoccupations concernant l’usure à long terme des pièces mobiles et le coût des matériaux spécialisés. Par exemple, ils étudieront si l’aluminium, moins coûteux, peut remplacer l’argent et travaillent également sur une version statique qui peut changer de mode chimiquement plutôt que mécaniquement.
Malgré les nombreux obstacles, Hsu pense que cette technologie pourrait être une aubaine pour les économies d’énergie à l’avenir. Et il n’est pas le seul.
« Nous travaillons déjà avec une entreprise pour déterminer les endroits idéaux pour le déploiement de cette technologie« , a déclaré Hsu. « Et comme presque toutes les zones climatiques des États-Unis ont besoin à la fois de chauffage et de refroidissement à un moment donné de l’année, les avantages d’un dispositif à double mode comme celui-ci sont évidents« .
