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5 Avr, 2024

Un nouveau film pour fenêtres réduit la température de 7,2 °C et la consommation d’énergie

Un nouveau film pour fenêtres réduit la température de 7,2 °C et la consommation d’énergie

Un nouveau revêtement de fenêtre laisse passer la lumière visible tout en bloquant la chaleur

Grâce à la physique quantique et à l’apprentissage automatique, des chercheurs ont mis au point un revêtement de fenêtre transparent qui laisse passer la lumière visible mais bloque les UV et les infrarouges qui produisent de la chaleur. Ce revêtement réduit non seulement la température ambiante, mais aussi la consommation d’énergie liée à la climatisation, quelle que soit la position du soleil dans le ciel.

Les fenêtres sont formidables. Elles offrent une vue sur le parc en face duquel vous vivez ou sur l’arbre rempli d’oiseaux qui se trouve à l’extérieur de votre bureau. Mais les fenêtres peuvent aussi être moins bonnes. Laisser entrer la lumière (et la vue) est une chose, mais la lumière s’accompagne de chaleur, surtout pendant les mois les plus chauds.

Lorsqu’il fait chaud, jusqu’à 87 % des gains de chaleur dans nos maisons se font par les fenêtres. Les rayons UV de la lumière du soleil passent facilement à travers le verre, réchauffant la pièce et augmentant la probabilité que vous ayez besoin d’allumer la climatisation ou de renoncer à la lumière (et, encore une fois, à la vue) en fermant les rideaux ou en baissant les stores. Cependant, des chercheurs de l’université de Notre-Dame aux Etats-Unis ont mis au point un revêtement de fenêtre qui bloque les UV et les infrarouges produisant de la chaleur tout en laissant passer la lumière visible, ce qui réduit à la fois la température ambiante et la consommation d’énergie de refroidissement.

Le revêtement transparent permet une vision complète tout en réduisant les rayons UV et infrarouges qui produisent de la chaleur.

« Comme les lunettes de soleil polarisées, notre revêtement réduit l’intensité de la lumière entrante, mais contrairement aux lunettes de soleil, notre revêtement reste clair et efficace même lorsque vous l’inclinez sous différents angles », a déclaré Tengfei Luo, qui dirige le laboratoire MÖNSTER (Molecular/Nano-Scale Transport and Energy Research Laboratory) à Notre Dame et qui est l’auteur correspondant de l’étude décrivant les travaux des chercheurs.

En 2022, Tengfei Luo et ses collègues ont fabriqué un revêtement de verre à l’aide de structures photoniques multicouches planaires (PML). Ces couches ultraminces empilées ont des indices de réfraction distincts qui permettent à la lumière d’être transmise ou réfléchie de manière sélective en fonction de sa longueur d’onde.

En empilant de la silice, de l’alumine et de l’oxyde de titane sur une base de verre et en les recouvrant d’une fine couche de polymère de silicium (PDMS) pour réfléchir le rayonnement thermique, c’est-à-dire le rayonnement électromagnétique émis par une surface chauffée dans toutes les directions, les chercheurs ont obtenu un revêtement transparent qui, selon eux, surpasse les autres revêtements réducteurs de chaleur disponibles sur le marché.

Les chercheurs étaient déterminés à améliorer leurs travaux antérieurs. Les fenêtres étant généralement installées à la verticale, la lumière directe du soleil qui les frappe tout au long de la journée varie en fonction des mouvements du soleil. Les revêtements de fenêtres existants sont généralement optimisés pour la lumière qui entre à un angle de 90 degrés, de sorte que leur capacité à bloquer la lumière dépend de ce que l’on appelle l’angle d’incidence solaire. À midi, au moment le plus chaud de la journée, la lumière du soleil frappe une fenêtre à un angle oblique, ce qui signifie que la plupart des revêtements sont moins efficaces pour la bloquer.

Schéma de la fenêtre à économie d’énergie

Plutôt que de résoudre ce problème par tâtonnements, les chercheurs ont utilisé un modèle d’apprentissage automatique assisté par l’informatique quantique. Plus précisément, ils ont utilisé l’apprentissage actif, un sous-ensemble de l’apprentissage automatique dans lequel un algorithme d’apprentissage peut interroger un utilisateur de manière interactive pour étiqueter des données, et le recuit quantique, qui utilise la physique quantique pour trouver des combinaisons optimales – ou quasi optimales – d’éléments.

L’approche de l’apprentissage actif assisté par ordinateur a permis aux chercheurs d’optimiser la configuration des structures PML et leur a procuré un avantage certain, précise Tengfei Luo.

« Elle peut être utilisée pour résoudre des problèmes d’optimisation et de conception très complexes », a-t-il déclaré. « Le problème d’optimisation complexe de ce travail peut être difficile à résoudre à l’aide d’algorithmes conventionnels.

À l’aide des composants qu’ils avaient déjà utilisés, les chercheurs ont fabriqué un revêtement transparent qui transmettait et réfléchissait sélectivement la lumière sur une large gamme d’angles d’incidence. Ils l’ont ensuite testé. Des fenêtres revêtues et des fenêtres en verre normal ont été placées verticalement dans des chambres extérieures identiques. Les chercheurs ont mesuré les températures diurnes dans chaque chambre.

Ils ont également testé le verre en plaçant la fenêtre horizontalement, face au ciel, pour imiter le toit ouvrant d’une voiture. Le verre à couche a démontré des performances supérieures à celles du verre normal, réduisant la température de 5,4 °C – 7,2 °C pour une large gamme d’angles d’incidence.

« L’angle entre le soleil et votre fenêtre change constamment », explique Tengfei Luo. « Notre revêtement conserve sa fonctionnalité et son efficacité quelle que soit la position du soleil dans le ciel.

Afin d’estimer les économies d’énergie pour le refroidissement en utilisant leur structure photonique comme fenêtre, les chercheurs ont utilisé le logiciel EnergyPlus pour simuler la consommation dans des bureaux standard de différentes villes. Ils ont démontré que toutes les villes des États-Unis pouvaient économiser jusqu’à 97,5 MJ/m2 (27 kWh/m2) par an. Ces économies d’énergie se sont étendues aux villes du monde entier, y compris celles situées dans des climats tropicaux.

Image du haut : Carte montrant l’estimation des économies annuelles d’énergie de refroidissement réalisées grâce à l’utilisation du revêtement de fenêtre aux États-Unis. Image du bas : Estimation de la consommation annuelle d’énergie de refroidissement dans seize villes sélectionnées dans le monde.

Les chercheurs prévoient de nombreuses utilisations pour leur nouveau revêtement de fenêtre, notamment pour les bâtiments commerciaux et résidentiels et les voitures.

« Je pense qu’il peut être particulièrement utile pour les vitres des voitures », assure Tengfei Luo. « Il peut être utilisé comme fenêtre de toit ouvrant ou de toit ouvrant. On peut même l’utiliser pour un pare-brise, qui doit rester transparent, mais qui laisse passer beaucoup d’UV et d’IR [infrarouges] qui chauffent l’espace.

Les chercheurs doivent encore déterminer l’évolutivité du revêtement de la fenêtre.

« On ne le sait pas encore », conclut Tengfei Luo. « Je ne peux pas dire s’il est … moins cher, mais à mesure que nous travaillons sur la mise à l’échelle, il peut être bon marché. Le revêtement peut être fabriqué à l’aide de procédés de revêtement à l’échelle industrielle. Les matériaux du revêtement sont des matériaux très courants (pas de matériaux exotiques). »

https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(24)00072-9

https://news.nd.edu/news/sunrise-to-sunset-new-window-coating-blocks-heat-not-view