Inspiré des oreilles d’éléphant, un nouveau design de mur pourrait aider les bâtiments à rester frais et à réduire la consommation d’énergie
Les veines de matériaux à changement de phase peuvent transformer les matériaux de construction à base de ciment en contributeurs passifs au chauffage et au refroidissement des bâtiments
S’inspirant des oreilles veineuses des lièvres et des éléphants, des chercheurs de l’Université Drexel ont mis au point une nouvelle approche du chauffage et de la climatisation passifs qui pourrait un jour améliorer l’efficacité énergétique des bâtiments. Leur concept, récemment publié dans le Journal of Building Engineering , intègre un réseau vasculaire dans des matériaux de construction à base de ciment qui, rempli de paraffine, peut contribuer à réguler passivement la température de surface des murs, des sols et des plafonds.
Cette approche vise à remédier à la contribution substantielle de la demande énergétique des bâtiments – près de 40 % de la consommation totale d’énergie – à la production de gaz à effet de serre. Environ la moitié de la consommation énergétique d’un bâtiment est consacrée au maintien d’une température confortable. Si les nouveaux produits et techniques d’isolation ont contribué à consolider les murs, les fenêtres et les plafonds, ces surfaces demeurent le principal défi en matière de rétention ou de perte de chaleur, contribuant à environ 63 % des pertes énergétiques des bâtiments.
« D’un point de vue architectural, avoir de grandes fenêtres sur un bâtiment est esthétique, mais cela diminue également les propriétés d’isolation », a déclaré Rhythm Osan, étudiant en licence à la faculté d’ingénierie et co-auteur de l’étude. « Dans un monde idéal, un bâtiment ne perdrait pas de chaleur, mais d’un point de vue constructible, des problèmes tels que les ponts thermiques, les fuites d’air des conduits, la performance des matériaux et les détails des joints entraîneront toujours des pertes de chaleur. »
Pour renverser cette réalité frustrante, l’équipe de Drexel a conçu un moyen pour que ces surfaces contribuent à maintenir une température intérieure souhaitée, plutôt que d’y être un obstacle.
« Observez la façon dont notre système circulatoire régule la température. Lorsqu’il fait chaud, le sang remonte à la surface – nous pouvons avoir un léger rougeur au visage et commencer à transpirer par nos glandes, ce qui nous rafraîchit grâce à un processus de changement de phase : l’évaporation de la sueur », a expliqué Amir Farnam, docteur en philosophie , professeur associé à la faculté d’ingénierie de Drexel et responsable de la recherche. « C’est un processus naturel très efficace que nous souhaitions reproduire dans les matériaux de construction. »
Le laboratoire AIM (Advance Infrastructure Materials) de Farnam est un leader dans la recherche axée sur les méthodes inspirées de la nature pour accroître la durabilité des matériaux d’infrastructure. Il a déjà développé du béton utilisant un matériau à changement de phase – similaire à la paraffine utilisée pour fabriquer des bougies – pour faire fondre la neige et la glace à sa surface ; du béton auto-cicatrisant utilisant des bactéries spécifiques produisant du carbonate de calcium ; et des polymères imprimés en 3D pour renforcer les structures en béton.
Pour créer des matériaux de construction thermosensibles, le groupe s’est inspiré de plusieurs de ces projets, en utilisant une matrice polymère imprimée pour créer la grille de canaux dans la surface du béton avant de les remplir d’un matériau à base de paraffine pour permettre leur régulation de température réactive.
Les matériaux à changement de phase, comme la paraffine, sont particulièrement adaptés à cette application, car ils absorbent et libèrent de l’énergie thermique lors de leur passage de l’état liquide à l’état solide. Ainsi, lorsque la température baisse et que le matériau passe de l’état liquide à l’état solide, il libère de l’énergie thermique ; à l’inverse, lorsque la température ambiante augmente, le matériau absorbe l’énergie thermique, produisant ainsi une surface froide.
« Nous avions déjà utilisé un matériau à base de paraffine comme ingrédient à changement de phase pour le béton auto-chauffant. Nous savions donc qu’il s’agissait d’une substance naturelle fiable capable d’influencer la température de surface des matériaux de construction en béton », a déclaré Robin Deb, PhD, chercheur au laboratoire AIM et co-auteur de l’étude. « Pour cette application, nous avons sélectionné un matériau à changement de phase dont la température de fusion est d’environ 18 °C, un point de fusion relativement bas, afin de tester son efficacité dans les climats froids. Ce système permettrait également d’adapter le matériau à changement de phase aux climats plus chauds. »
À l’aide d’un modèle polymère soluble, ou « sacrificiel », l’équipe a créé une série d’échantillons de ciment avec différents modèles de canaux vasculaires, y compris un canal unique, plusieurs canaux, des canaux parallèles perpendiculaires aux bords de la surface, des canaux parallèles diagonaux et une grille de canaux en forme de losange ; et dont l’épaisseur varie de 3 à 8 millimètres.
Ils ont testé chaque échantillon pour déterminer son comportement mécanique, ainsi que sa capacité à ralentir le réchauffement et le refroidissement de la surface, par rapport aux conditions environnementales ambiantes, lorsque les canaux étaient remplis de matériau à changement de phase.
La combinaison la plus efficace de résistance et de régulation thermique s’est avérée être l’échantillon à architecture de canaux en forme de losange. Cet échantillon a pu conserver son intégrité structurelle lors des essais d’étirement et de compression, tout en ralentissant l’échauffement et le refroidissement de sa surface (de 1 à 1,25 °C par heure) par rapport à son environnement.
« Nous avons constaté, sans surprise, qu’une plus grande surface vasculaire se traduit par une meilleure performance thermique. Cette observation est similaire à celle des oreilles d’éléphant et de lièvre, qui contiennent de vastes zones vasculaires contribuant à réguler leur température corporelle », a déclaré Deb. « Nous pensons que nos matériaux vasculaires pourraient jouer un rôle similaire dans un bâtiment en contribuant à compenser les variations de température et à réduire la consommation énergétique des systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) afin de maintenir le confort thermique. »
Pour renforcer davantage la résistance des matériaux — malgré le fait qu’ils soient partiellement creusés par les canaux — l’équipe a montré que l’ajout d’un matériau à agrégat fin au ciment pouvait améliorer sa durabilité sans affecter la capacité du système vasculaire à faire circuler le matériau à changement de phase.
« Bien que cette étude ait été conçue pour démontrer la faisabilité du concept, ces résultats sont prometteurs et nous pouvons nous appuyer sur eux », a déclaré Farnam. « Ils démontrent à la fois l’efficacité de cette méthode pour réguler la température de surface des matériaux cimentaires, ainsi qu’une méthode simple et économique pour les produire. Grâce à des tests et une mise à l’échelle supplémentaires, nous pensons que cette méthode pourrait contribuer de manière significative aux nombreux efforts en cours pour améliorer l’efficacité énergétique des bâtiments. »
Les recherches futures de l’équipe consisteront à tester différents matériaux à changement de phase et configurations de canaux dans des échantillons de matériaux cimentaires plus grands sur une période plus longue et une plage plus large de températures environnementales, entre autres variables.
https://drexel.edu/news/archive/2025/July/vascular-building-materials
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352710225011155