Avec la hausse des températures à l’échelle mondiale, le besoin de solutions de refroidissement plus durables se fait également sentir. Des chercheurs de l’UCLA et leurs collègues ont désormais trouvé un procédé abordable et évolutif pour refroidir les bâtiments en été et les chauffer en hiver.
Dirigée par Aaswath Raman, professeur associé de science et d’ingénierie des matériaux à l’UCLA Samueli School of Engineering, l’équipe de recherche a récemment publié une étude dans Rapports de cellules Sciences physiques détaillant une nouvelle méthode pour manipuler le mouvement de la chaleur radiante à travers les matériaux de construction courants afin d’optimiser la gestion thermique.
La chaleur rayonnante, qui se fait sentir lorsqu’une surface chaude réchauffe notre corps et notre maison et qui est transportée par des ondes électromagnétiques, se propage sur l’ensemble du spectre à large bande au niveau du sol entre les bâtiments et leur environnement, comme les rues et les structures voisines. En revanche, la chaleur se déplace entre les bâtiments et le ciel dans une partie beaucoup plus étroite du spectre infrarouge appelée fenêtre de transmission atmosphérique. La différence dans la façon dont la chaleur rayonnante se propage entre les bâtiments et le ciel par rapport au sol a longtemps posé un défi pour refroidir les bâtiments dont les surfaces orientées vers le ciel sont moins nombreuses. Ces bâtiments sont difficiles à refroidir en été car ils retiennent la chaleur du sol et des murs voisins lorsque la température extérieure est élevée. Ils sont tout aussi difficiles à réchauffer en hiver lorsque la température extérieure baisse et que les bâtiments perdent de la chaleur.
« Si l’on regarde des villes historiques comme Santorin en Grèce ou Jodhpur en Inde, on constate que le refroidissement des bâtiments en faisant réfléchir les rayons du soleil sur les toits et les murs est une pratique qui existe depuis des siècles », explique Raman, qui dirige le laboratoire Raman à UCLA Samueli. « Ces dernières années, l’intérêt pour les revêtements de toits rafraîchissants qui réfléchissent la lumière du soleil a été considérable. Mais le refroidissement des murs et des fenêtres est un défi beaucoup plus subtil et complexe. »
Cependant, après avoir constaté le succès du refroidissement des bâtiments en utilisant de la peinture ultra-blanche sur les toits pour réfléchir la lumière du soleil et diffuser la chaleur vers le ciel, les chercheurs ont entrepris de créer un effet de refroidissement radiatif passif similaire en recouvrant les murs et les fenêtres de matériaux capables de mieux gérer le mouvement de chaleur entre les bâtiments et leur environnement au niveau du sol. Les chercheurs ont démontré que les matériaux capables d’absorber et d’émettre préférentiellement la chaleur radiante dans la fenêtre atmosphérique pouvaient rester plus frais que les matériaux de construction conventionnels en été et plus chauds qu’ils ne le pourraient en hiver.
« Nous avons été particulièrement enthousiastes lorsque nous avons découvert que des matériaux comme le polypropylène, que nous avons obtenu à partir de plastiques ménagers, peuvent rayonner ou absorber de manière sélective la chaleur dans la fenêtre atmosphérique de manière très efficace », a déclaré Raman. « Ces matériaux sont à la limite du banal, mais la même évolutivité qui les rend courants signifie également que nous pourrions les voir thermoréguler les bâtiments dans un avenir proche. »
En plus de tirer parti de matériaux économiques facilement accessibles, l’approche de l’équipe présente également l’avantage supplémentaire d’économiser de l’énergie en réduisant la dépendance aux climatiseurs et aux chauffages qui sont non seulement coûteux à faire fonctionner mais contribuent également aux émissions de dioxyde de carbone.
« Le mécanisme que nous avons proposé est entièrement passif, ce qui en fait un moyen durable de refroidir et de chauffer les bâtiments au gré des saisons et de réaliser des économies d’énergie inexploitées », a déclaré Jyotirmoy Mandal, premier auteur de l’étude et ancien chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Raman. Mandal est aujourd’hui professeur adjoint de génie civil et environnemental à l’université de Princeton.
Selon les chercheurs, la nouvelle méthodologie peut être facilement mise à l’échelle et aura un impact particulièrement important sur les communautés à faible revenu ayant un accès limité ou inexistant aux systèmes de refroidissement et de chauffage qui ont connu une augmentation des victimes résultant d’événements météorologiques extrêmes à travers le monde.
Raman et son équipe étudient les moyens de démontrer cet effet à des échelles de bâtiment plus grandes et ses économies d’énergie concrètes, en particulier dans les communautés vulnérables à la chaleur du sud de la Californie.
Plus d’informations :
Jyotirmoy Mandal et al., Refroidissement radiatif et thermorégulation dans la lueur terrestre, Rapports de cellules Sciences physiques (2024). DOI : 10.1016/j.xcrp.2024.102065