Certains dispositifs permettent aujourd’hui de refroidir votre toit en été. Mais ils restent peu efficaces à le maintenir au chaud en hiver. Des chercheurs du Berkeley Lab (États-Unis) proposent une solution intelligente à ce problème. © pingpao, Adobe Stock
Maison

Et si votre toit vous faisait économiser de l’énergie ?

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Un toit capable de garder votre maison au chaud en hiver et au frais en été. Vous en avez rêvé ? Des chercheurs l'ont presque fait. Ils présentent aujourd'hui un prototype de revêtement intelligent qui bascule tout seul du mode chauffage au mode climatisation en fonction de la température extérieure. 

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Maintenir une température agréable à l'intérieur d'une maison, en été comme en hiver, c'est énergivore. Une situation de plus en plus difficilement soutenable dans le contexte de réchauffement climatique. C'est pourquoi les chercheurs travaillent à développer des solutions innovantes qui aideraient à limiter les consommations énergétiques du secteur. Et aujourd'hui, une équipe du Berkeley Lab (États-Unis), justement, présente un revêtement de toit intelligent qui bascule tout seul du mode chauffage au mode climatisation selon la température extérieure.

Rappelons qu'il existe déjà sur le marché, des systèmes de type revêtements réfléchissants ou tuiles de couleur claire qui aident à rafraichir les maisons en renvoyant la lumière du soleil dans les airs. Ils émettent également une partie de la chaleur absorbée sous forme de rayonnement infrarouge thermique. Dans un processus que les physiciens connaissent sous le nom de refroidissement radiatif. L'ennui, c'est que ce refroidissement ne s'arrête pas en hiver. Faisant grimper la facture de chauffage.

Le revêtement développé par les chercheurs du Berkeley Lab a ceci de différent que ses capacités de refroidissement radiatif sont tout simplement désactivées en hiver. Les chercheurs parlent de revêtement radiatif adaptatif à la température ou Tarc - pour temperature-adaptive radiative coating.

Ici, l’appareil d’ablation par laser pulsé (PLD) utilisé par les chercheurs du Berkeley Lab pour fabriquer leur revêtement par dépôt en couches minces. © Thor Swift, Berkeley Lab

Un drôle de métal

À la base de leur Tarc, du dioxyde de vanadium (VO2). Car en 2017, l'équipe avait une caractéristique étonnante de ce matériau. Il est en effet conducteur d'électricité, mais isolant thermique. Comprenez qu'il ne conduit pas la chaleur. Par ailleurs, en dessous de 67 °C, le VO2 est transparent à la lumière infrarouge. Mais au-dessus de cette température, il se met à l'absorber. Le dioxyde de vanadium présente donc le comportement typique d'un matériau dit à changement de phase.

Les chercheurs du Berkeley Lab ont d'abord testé leur revêtement -- un dispositif en couche mine « qui ressemble à du scotch et peut être facilement apposé sur un toit » -- dans un environnement réel. Sur le toit de l'un des physiciens. Ils ont mesuré les réactions aux changements de luminosité et de température extérieure pour un échantillon de toit recouvert de Tarc, pour un échantillon de toit sombre et pour un échantillon de toit clair.

Les chercheurs du Berkeley Lab ont testé des échantillons de leur revêtement en environnement réel avant de procéder à des simulations. © Junqiao Wu, Berkeley Lab

Un revêtement incroyablement efficace

À partir des données recueillies et de plus de 100.000 simulations énergétiques précédemment effectuées pour évaluer les performances des solutions déjà sur le marché, les chercheurs ont simulé les performances de leur revêtement sur une année, dans des villes représentant 15 zones climatiques différentes sur le continent américain. Le résultat est confirmé par des expériences de spectroscopie. Le Tarc surpasse les revêtements existants en matière d'économie d’énergie dans 12 des 15 zones climatiques testées. Il est particulièrement efficace dans les régions qui présentent de grandes variations de température que ce soit du jour à la nuit ou de l'été à l'hiver. En moyenne, les chercheurs estiment que leur revêtement pourrait permettre une économie d'énergie de 10 %.

Selon leurs mesures, le Tarc réfléchit environ 75 % de la lumière du soleil. Son émittance thermique -- comprenez, sa capacité à libérer de la chaleur par rayonnement infrarouge -- est, elle, de 90 % lorsque la température extérieure est élevée -- soit supérieure à 25 °C. Ce qui favorise l'élimination de la chaleur en été. Mais en hiver, cette émittance baisse. Et le toit peut alors retenir de la chaleur.

« La physique prévoyait que le Tarc fonctionnerait, mais nous n'avions pas pensé qu'il pourrait fonctionner aussi bien », commente Junqiao Wu, chercheurs en science des matériaux, dans un communiqué. Reste tout de même à valider ces performances sur un prototype à échelle réelle. Si les résultats sont aussi bons, le Tarc pourrait même servir de protection thermique pour les batteries, pour les satellites ou pour les voitures. Voire pour fabriquer des tentes, des revêtements de serres ou, pourquoi pas, des vêtements.

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