Les façades dynamiques des bâtiments pourraient réduire les coûts de climatisation et d’éclairage

Un nouveau système « optofluidique » peu coûteux, conçu à l’Université de Toronto, pourrait permettre aux bâtiments d’économiser de l’énergie en modifiant de façon dynamique l’apparence de leur extérieur. Cette approche a été inspirée par des organismes marins tels que les poissons, les crabes et le krill.

« Je ne pense pas que l’analogie soit trop poussée si l’on considère les bâtiments comme des organismes vivants« , déclare Raphael Kay (MSE), candidat au MASc, qui est supervisé par le professeur Ben Hatton (MSE).

« Ils ont un métabolisme, en termes de flux d’énergie entrant et sortant. Et ils doivent répondre aux conditions environnementales changeantes pour maintenir un intérieur confortable et fonctionnel. »

Mais alors que les bâtiments s’appuient actuellement sur des systèmes mécaniques tels que le chauffage et la climatisation pour maintenir le confort à l’intérieur, Kay souligne que de nombreux animaux régulent le transfert d’énergie directement à la surface, c’est-à-dire dans leur peau.

C’est le cas du krill, un organisme marin ressemblant à une crevette qui se développe en grand nombre dans certaines zones de l’océan. Le krill est transparent, ce qui signifie que la lumière UV peut endommager ses organes internes.

En réaction, ils ont développé un système d’ombrage dynamique, en transférant des granules de pigment dans les cellules sous leur peau pour s’assombrir lorsqu’il fait trop clair, et redevenir plus clair lorsque le soleil décline.

Les bâtiments ont également une « peau » constituée de leurs façades extérieures et de leurs fenêtres. Mais aujourd’hui, ces couches extérieures sont pour la plupart statiques et immuables. En conséquence, la quantité de lumière et de chaleur entrant dans le bâtiment est souvent trop élevée ou trop faible, ce qui oblige les systèmes de chauffage, de refroidissement et d’éclairage à travailler plus qu’ils ne le devraient autrement.

« Pour prendre un exemple simple, imaginez que vous ouvrez vos stores lorsque vous avez besoin de plus de lumière du jour ou de chaleur solaire, et que vous les fermez lorsque vous en avez moins besoin« , explique M. Kay.

« Cela permet d’économiser de l’énergie, mais c’est assez rudimentaire. Pour en tirer tous les avantages, il faut qu’un tel système soit automatisé et optimisé pour équilibrer toute une série de facteurs en temps réel, depuis les changements de température, l’intensité, l’angle et la direction du soleil jusqu’à l’évolution des besoins des occupants du bâtiment. »

Certaines technologies actuelles permettent de commencer à y parvenir : par exemple, l’ajout de moteurs commandés par ordinateur aux volets roulants traditionnels, ou l’installation de fenêtres électrochromiques, qui peuvent modifier leur opacité en réponse à une tension électrique appliquée.

Mais d’une manière générale, Kay considère que l’ensemble actuel d’outils disponibles est à la fois trop coûteux et trop limité.

« La quasi-totalité de ces systèmes sont coûteux, reposent sur des procédures de fabrication compliquées ou ne peuvent passer que d’une gamme limitée d’opacités, par exemple de très sombre à seulement un peu sombre« , explique-t-il. « Il est également difficile de réaliser des gradations spatiales fines, comme ombrer une partie d’une vitre mais pas une autre.« 

Dans un article publié dans Nature Communications, Kay, Hatton et leur équipe de recherche décrivent un nouveau paradigme qui permet de surmonter ces limites. Les cellules optofluidiques prototypes consistent en une couche d’huile minérale d’environ un millimètre d’épaisseur, prise en sandwich entre deux feuilles de plastique transparent, mises au point par Charlie Katrycz, étudiant en doctorat.

Par un tube relié au centre de la cellule, les chercheurs peuvent injecter une petite quantité d’eau contenant un pigment ou un colorant. L’injection de ce « fluide invité » crée une efflorescence de couleur, qui peut être contrôlée par une pompe numérique fonctionnant dans les deux sens. En ajoutant de l’eau, la fleur s’agrandit, tandis qu’en enlevant de l’eau, elle se réduit.

La forme de l’efflorescence peut être contrôlée par le débit de la pompe : un faible débit donne une efflorescence circulaire, tandis qu’un débit plus élevé donne des motifs ramifiés complexes.

« Nous nous intéressons à la façon dont les « fluides confinés », de chimie verte et durable, peuvent être utilisés pour modifier les propriétés des matériaux« , explique M. Hatton. « C’est très polyvalent : non seulement nous pouvons contrôler la taille et la forme de l’eau dans chaque cellule, mais nous pouvons également régler les propriétés chimiques ou optiques du colorant dans l’eau. Il peut avoir la couleur ou l’opacité que nous voulons.« 

En plus des prototypes, l’équipe a travaillé avec Alstan Jakubiec, de la faculté d’architecture de Daniels, pour construire des modèles informatiques qui simulent comment un système entièrement automatisé et optimisé utilisant ces cellules se comparerait à un système utilisant des stores motorisés ou des fenêtres électrochromes.

« Ce que nous avons découvert, c’est que notre système pouvait réduire jusqu’à 30 % l’énergie nécessaire au chauffage, à la climatisation et à l’éclairage par rapport aux deux autres options« , explique M. Kay. « La raison principale en est que nous avons un contrôle beaucoup plus fin de l’étendue et du moment de la protection solaire. Notre système est analogue à l’ouverture et à la fermeture de centaines de petits stores à différents endroits et à différents moments d’une façade. Nous pouvons réaliser tout cela avec un flux de fluide simple, évolutif et peu coûteux. »

L’équipe spécule également sur les possibilités artistiques. De grands réseaux de cellules pourraient agir comme des pixels, créant des écrans optofluidiques capables de produire des œuvres d’art de style pointilliste. Dans ses modèles, l’équipe a même simulé des images de personnages célèbres tels qu’Albert Einstein et Marilyn Monroe.

M. Hatton espère que l’idée d’utiliser des façades dynamiques pour économiser de l’énergie fera évoluer les conversations sur la conception des bâtiments et le changement climatique.

« Dans le monde développé, les bâtiments sont responsables de quelque chose comme 40 % de nos émissions, ce qui est plus que tout autre secteur individuel« , explique M. Hatton.

« Cela s’explique en partie par le fait que nous avons conçu les bâtiments pour qu’ils ne soient pas flexibles. Des bâtiments dynamiques et adaptables pourraient réduire les gradients de température et de lumière du jour contre lesquels nous devons lutter, ce qui permettrait d’économiser beaucoup d’énergie. Nous espérons que notre contribution stimulera l’imagination des gens. »