Dans un bâtiment américain typique, environ 50 % de l’énergie utilisée est utilisée pour le chauffage et le refroidissement. Non seulement cela coûte beaucoup d’argent et de combustibles fossiles, mais cela met également à rude épreuve les infrastructures énergétiques déjà vieillissantes, en particulier pendant les périodes de températures extrêmes. C'est la question que les chercheurs de l'UC Santa Barbara, Charlie Shaw, Elliott Hawkes et Liao Bolin, espèrent résoudre.

Dans un article publié dans la revue Device, ils décrivent une tuile adaptative qui, lorsqu'elle est installée en rangée sur un toit, peut réduire les factures de chauffage en hiver et de climatisation en été sans avoir recours à l'électronique.

"Il peut basculer entre un état de chauffage et un état de refroidissement en fonction de la température des carreaux", a déclaré Xiao, l'auteur principal de l'étude. "La température cible est d'environ 65 degrés Fahrenheit, soit environ 18 degrés Celsius."

Le thermorégulateur passif d'environ quatre pouces carrés combine l'expertise de Liao en science thermique et le travail de Hawkes sur la conception mécanique, une surface mobile qui modifie ses propriétés thermiques en réponse aux variations de température. L'idée du projet leur est venue il y a plusieurs années lors d'un long voyage entre Santa Barbara et la Californie du Nord.

Développement et fonctionnalité des tuiles

"Nos conjoints étaient tous les deux à Stanford à l'époque, nous avons donc voyagé ensemble pour voir ce que nous pourrions faire ensemble", a déclaré Liao, qui, comme Hawkes, est professeur de génie mécanique à l'UC Berkeley. Ils ont ensuite reçu un financement de démarrage du California NanoSystems Institute pour concevoir un dispositif thermique mécaniquement réglable.

Ce n'est que lorsque Shaw a eu l'idée d'utiliser des moteurs à cire que l'idée des dalles adaptatives a finalement pris forme. Selon l'évolution du volume de la cire sous l'action de la température, le moteur à cire génère une pression pour déplacer les pièces mécaniques et convertir l'énergie thermique en énergie mécanique. Les moteurs à cire sont couramment utilisés dans une variété d'appareils tels que les lave-vaisselle et les machines à laver, ainsi que dans des applications plus spécialisées telles que l'industrie aérospatiale.

Dans le cas du carrelage, le moteur à cire peut pousser ou rétracter le piston en fonction de son état, fermant ou ouvrant les volets sur la surface du carrelage. Ainsi, à des températures plus fraîches, lorsque la cire est solide, les stores se ferment et se carrelent, exposant une surface qui absorbe la lumière du soleil et minimise les pertes de chaleur par rayonnement.

Avantages et résultats des tests

Mais lorsque les températures atteignent environ 18 degrés Celsius, la cire commence à fondre et à se dilater, poussant les stores à s'ouvrir pour révéler une surface qui reflète la lumière du soleil et rayonne de la chaleur. De plus, pendant le processus de fusion ou de congélation, la cire absorbe ou libère de grandes quantités de chaleur, stabilisant ainsi davantage la température des carreaux et du bâtiment.

"En conséquence, nous avons un comportement de commutation prévisible qui fonctionne dans une très petite plage", a expliqué Xiao. Selon l'article des chercheurs, les tests ont montré une réduction de 3,1 fois de la consommation d'énergie de refroidissement et une réduction de 2,6 fois de la consommation d'énergie de chauffage par rapport aux appareils sans commutation recouverts de revêtements réfléchissants ou absorbants traditionnels. Grâce à son moteur à cire, l'appareil ne nécessite aucun appareil électronique, pile ou source d'alimentation externe pour fonctionner, et contrairement à d'autres technologies similaires, sa vitesse de réponse se situe à quelques degrés de la plage cible. De plus, la conception simple de l'appareil permet une personnalisation facile : différents revêtements thermiques et différents types de cire peuvent être utilisés pour permettre à l'appareil de fonctionner dans la plage de température souhaitée, tout en facilitant également la fabrication à grande échelle.

"Cet appareil est encore une preuve de concept, mais nous espérons qu'il mènera à une nouvelle technologie qui pourra un jour avoir un impact positif sur la consommation énergétique d'un bâtiment", a déclaré Hawkes.

Source compilée : ScitechDaily