Un élément de construction durable crée un bon climat intérieur
infohightech ·
Une équipe de recherche de l'ETH Zurich a développé un nouveau matériau qui absorbe l'humidité. Lorsque cet élément de construction est utilisé dans les murs et les plafonds, il réduit l'humidité de l'air des espaces intérieurs. (Image : Pietro Odaglia / Josef Kuster)
En bref
- Des ingénieurs civils et des architectes de l'ETH ont développé un nouvel élément de construction permettant de déshumidifier les pièces.
- L'élément de construction est utilisé dans les murs et les plafonds pour fixer l'humidité et la stocker temporairement.
- Il est fabriqué de manière durable par impression 3D à partir de matériaux réutilisés et peut remplacer les systèmes de ventilation mécaniques.
Que ce soit la salle de réunion d'un immeuble de bureaux, la salle d'exposition d'un musée ou la salle d'attente d'une administration : Dans de tels endroits, de nombreuses personnes se rassemblent et l'air devient rapidement épais. Cela est notamment dû à l'augmentation de l'humidité de l'air. Pour déshumidifier les pièces et garantir le confort ambiant, on utilise aujourd'hui généralement des systèmes de ventilation dans les bureaux et les bâtiments administratifs. La déshumidification mécanique des locaux fonctionne de manière fiable, mais elle coûte de l'énergie et contribue - en fonction du courant utilisé - à la pollution climatique de l'atmosphère.
C'est dans ce contexte qu'une équipe de chercheurs de l'ETH Zurich a étudié une nouvelle approche de la déshumidification passive des espaces intérieurs. Dans ce contexte, passif signifie que l'humidité élevée de l'air est absorbée par les murs et les plafonds et y est temporairement stockée. L'humidité n'est donc pas évacuée dans l'environnement par un système de ventilation mécanique, mais stockée temporairement dans un matériau hygroscopique qui retient l'humidité, avant d'être restituée plus tard, lorsque la pièce est aérée. "Notre solution est recommandée pour les pièces très fréquentées, pour lesquelles les systèmes de ventilation installés sont insuffisants", explique Guillaume Habert, professeur d'environnement et de géomatique, qui a supervisé le projet de recherche de l'ETH.
Déchets issus de l'extraction du marbre
Habert et son équipe de recherche ont suivi le principe de l'économie circulaire dans leur recherche d'un matériau hygroscopique approprié. Le point de départ est constitué par des déchets finement broyés provenant de carrières de marbre. Pour fabriquer des éléments de mur et de plafond absorbant l'humidité à partir de cette poudre, il faut un liant.
Cette tâche est assurée par ce que l'on appelle un géopolymère, une classe de matériaux composée de métakaolin (connu dans la fabrication de la porcelaine) et d'une solution alcaline (silicate de potassium et eau). La solution alcaline active le métakaolin et fournit un liant géopolymère qui permet de lier la poudre de marbre en un matériau de construction solide. Le liant géopolymère est comparable au ciment, mais sa production émet moins de CO2.
Dans le cadre du projet de l'ETH, les scientifiques sont parvenus à fabriquer le prototype d'un élément de mur et de plafond de 20 x 20 cm et de 4 cm d'épaisseur. La production a été réalisée par impression 3D dans le groupe de Benjamin Dillenburger, professeur de technologies numériques de construction. Le procédé consiste à appliquer la poudre de marbre par couches successives et à la faire adhérer au moyen d'un liant géopolymère (technologie d'impression Binder-Jet). "Ce procédé permet de fabriquer efficacement des éléments de construction dans une grande variété de formes", explique Benjamin Dillenburger.
Les éléments de construction anti-humidité augmentent le confort
La combinaison d'un géopolymère et d'une impression 3D pour fabriquer un réservoir d'humidité est une approche innovante de la durabilité dans la construction. Magda Posani, physicienne du bâtiment, a dirigé l'étude des propriétés hygroscopiques du matériau à l'ETH Zurich avant de rejoindre récemment l'Université Aalto à Espoo, en Finlande, en tant que professeure. Le projet s'est inscrit dans le prolongement des thèses de Vera Voney, spécialiste des matériaux, encadrée par Coralie Brumaud, chercheuse senior principale, et de l'architecte Pietro Odaglia, qui ont développé le matériau et la machine d'impression 3D à l'ETH.
Les éléments de construction respectueux du climat sont fabriqués de manière durable à l'aide d'une imprimante 3D. (Vidéo : Pietro Odaglia, Vera Voney / chaires de technologies de construction numérique & de construction durable).
"Nous avons pu démontrer par des simulations numériques que les éléments de construction peuvent réduire de manière significative l'humidité de l'air dans les espaces intérieurs fortement utilisés", résume Magda Posani le principal résultat du projet de recherche.
Pour la simulation, on a supposé que les murs et le plafond de la salle de lecture d'une bibliothèque publique de Porto, au Portugal, utilisée par 15 personnes, étaient entièrement revêtus d'éléments de construction hygroscopiques. Magda Posani a calculé, pour la salle de lecture virtuelle, combien de fois et dans quelle mesure l'humidité de l'air avait violé la zone de confort, c'est-à-dire 40 à 60 pour cent d'humidité relative, au cours de l'année.
Elle a ensuite calculé un indice d'inconfort, c'est-à-dire un chiffre qui exprime la perte de confort due à une humidité trop élevée ou trop basse. Si la salle de lecture était équipée d'éléments absorbant l'humidité, l'indice d'inconfort pouvait être réduit de 75 pour cent par rapport à un mur traditionnel peint. L'utilisation d'éléments de 5 cm d'épaisseur au lieu de 4 a même permis de réduire l'indice d'inconfort de 85%.
Dans l'impression 3D traditionnelle, un plastique visqueux est appliqué couche par couche sur une plaque de base. Pour la fabrication des éléments de mur et de plafond, on utilise un autre procédé d'impression 3D, le Binder-Jet-Printing. Ici, un lit de poudre de marbre finement broyé et de métacoaline est appliqué sur la plaque de base. Une buse mobile (jet) dépose aux endroits souhaités une solution de silicate de potassium qui solidifie la poudre. En répétant l'opération, l'élément de construction est développé couche par couche. (Illustration : Vera Voney)
Plus respectueux du climat qu'un système de ventilation
Les éléments hygroscopiques pour murs et plafonds sont respectueux du climat, ce qui signifie que sur un cycle de vie de 30 ans, ils génèrent nettement moins d'émissions de gaz à effet de serre qu'un système de ventilation qui déshumidifie la qualité de l'air dans les mêmes proportions. Dans les calculs de simulation, les éléments de mur et de plafond ont également été comparés à un enduit d'argile tel qu'il est utilisé depuis longtemps et qui régule également de manière passive l'humidité de l'air dans les pièces intérieures. Cette ancienne technique de culture s'est avérée plus respectueuse du climat que les éléments de construction hygroscopiques. Toutefois, le crépi dispose d'une capacité de stockage de la vapeur d'eau plus faible.
Les travaux de l'ETH prouvent qu'il est possible de fabriquer des éléments de murs et de plafonds à partir de l'association d'un géopolymère et d'une impression 3D afin de tamponner efficacement l'humidité. Après cette démonstration de faisabilité, la technologie est en principe prête à être développée et mise à l'échelle industrielle.
Parallèlement, la recherche se poursuit. Dans le cadre d'un projet mené en collaboration avec l'école polytechnique de Turin et l'université Aalto, l'ETH Zurich s'efforce de fabriquer les éléments de murs et de plafonds avec encore moins d'émissions de gaz à effet de serre. Car il est clair que si la Suisse veut atteindre l'objectif du zéro net d'ici 2050, elle a besoin de bâtiments dont la construction et l'exploitation ne génèrent si possible aucune émission de gaz à effet de serre.