Cette tuile adaptative peut réduire les coûts de chauffage et de climatisation

Environ la moitié de la consommation énergétique d'un bâtiment américain moyen est consacrée au chauffage et à la climatisation. Cela représente beaucoup d'argent dépensé, de combustibles fossiles brûlés et de pression sur une infrastructure énergétique vieillissante en période de températures extrêmes.

C'est aussi un problème que les chercheurs de l'UC Santa Barbara, Charlie Xiao, Elliot Hawkes et Bolin Liao, espèrent résoudre. Dans un nouvel article de la revue Appareille trio présente une tuile adaptative qui, lorsqu'elle est déployée en rangées sur les toits, peut réduire les factures de chauffage en hiver et de climatisation en été, sans avoir besoin d'électronique.

“Il bascule entre un état de chauffage et un état de refroidissement, en fonction de la température du carreau”, a déclaré Xiao, l'auteur principal de l'étude. “La température cible est d'environ 65° F, soit environ 18° C.”

D'une superficie d'environ quatre pouces carrés, ce dispositif de thermorégulation passive est un mélange de l'expertise de Liao en science thermique et du travail de Hawkes en matière de conception de mécanismes : une surface mobile qui peut modifier ses propriétés thermiques en réponse à une plage de températures. L'idée de ce projet leur est venue lors de longs trajets entre Santa Barbara et le nord de la Californie, il y a quelques années.

“Nos deux conjoints étaient à Stanford à l'époque, nous faisions donc des voyages et nous nous demandions ce que nous pourrions potentiellement faire ensemble”, a déclaré Liao, qui, comme Hawkes, est professeur au département de génie mécanique de l'UCSB. Ils ont ensuite commencé à concevoir des dispositifs thermiques mécaniquement réglables.

Ce n'est qu'avec l'idée de Xiao d'utiliser un moteur à cire que l'idée des tuiles adaptatives a pris sa forme définitive. Basé sur la variation du volume de cire en réponse aux températures auxquelles elle est exposée, un moteur à cire crée une pression qui déplace les pièces mécaniques, traduisant l'énergie thermique en énergie mécanique. Les moteurs à cire sont couramment utilisés dans divers appareils tels que les lave-vaisselle et les machines à laver, ainsi que dans des applications plus spécialisées, comme dans l'industrie aérospatiale.

Dans le cas du carreau, le moteur de cire, selon son état, peut pousser ou rétracter les pistons qui ferment ou ouvrent les persiennes sur la surface du carreau. Ainsi, à des températures plus fraîches, alors que la cire est solide, les persiennes sont fermées et posées à plat, exposant une surface qui absorbe la lumière du soleil et minimise la dissipation de la chaleur par rayonnement.

Mais dès que les températures atteignent environ 18°C, la cire commence à fondre et à se dilater, poussant les persiennes à s'ouvrir et exposant une surface qui reflète la lumière du soleil et émet de la chaleur.

De plus, pendant le processus de fusion ou de congélation, la cire absorbe ou libère également une grande quantité de chaleur, stabilisant ainsi davantage la température du carreau et du bâtiment.

“Nous avons donc un comportement de commutation très prévisible qui fonctionne dans une bande très étroite”, a expliqué Xiao. Selon l'article des chercheurs, les tests ont démontré une réduction de la consommation d'énergie pour le refroidissement de 3,1 fois et le chauffage de 2,6 fois par rapport aux appareils sans commutation recouverts de revêtements réfléchissants ou absorbants conventionnels. Grâce au moteur à cire, aucun appareil électronique, batterie ou source d'alimentation externe n'est requis pour faire fonctionner l'appareil et, contrairement à d'autres technologies similaires, il réagit à quelques degrés près de sa plage cible.

De plus, la simplicité de sa conception se prête à la personnalisation : différents revêtements thermiques et différents types de cire peuvent être utilisés pour permettre à l'appareil de fonctionner dans les plages de température souhaitées, tout en se prêtant également à une fabrication de masse.

“Le dispositif est encore une preuve de concept, mais nous espérons qu'il mènera à de nouvelles technologies qui pourraient un jour avoir un impact positif sur les dépenses énergétiques des bâtiments”, a déclaré Hawkes.