Un groupe de chercheurs de l'Université d'État de Pennsylvanie a étudié l'efficacité d'un revêtement de fenêtre monocouche capable d'améliorer les économies d'énergie en hiver.Crédit : iStock/@Svetl.Tous droits réservés.
UNIVERSITY PARK, Pennsylvanie — Les fenêtres à double vitrage entourées d'une couche d'air isolante peuvent offrir une plus grande efficacité énergétique que les fenêtres à simple vitrage, mais le remplacement des fenêtres à simple vitrage existantes peut être coûteux ou techniquement difficile.Une option plus économique, mais moins efficace, consiste à recouvrir les fenêtres à chambre unique d'un film métallique translucide, qui absorbe une partie de la chaleur du soleil en hiver sans compromettre la transparence du verre.Pour améliorer l'efficacité du revêtement, des chercheurs de Pennsylvanie affirment que la nanotechnologie peut aider à améliorer les performances thermiques des fenêtres à double vitrage en hiver.
Une équipe du Département de génie architectural de Pennsylvanie a étudié les propriétés d'économie d'énergie des revêtements contenant des composants à l'échelle nanométrique qui réduisent les pertes de chaleur et absorbent mieux la chaleur.Ils ont également réalisé la première analyse complète de l'efficacité énergétique des matériaux de construction.Les chercheurs ont publié leurs résultats dans Energy Conversion and Management.
Selon Julian Wang, professeur agrégé de génie architectural, la lumière proche infrarouge – la partie de la lumière solaire que les humains ne peuvent pas voir mais peut ressentir la chaleur – peut activer l'effet photothermique unique de certaines nanoparticules métalliques, augmentant ainsi le flux de chaleur vers l'intérieur.à travers la fenêtre.
"Nous souhaitons comprendre comment ces effets peuvent améliorer l'efficacité énergétique des bâtiments, en particulier en hiver", a déclaré Wang, qui travaille également à l'Institut d'architecture et de matériaux de la Pennsylvania School of Art and Architecture.
L’équipe a d’abord développé un modèle pour estimer la quantité de chaleur provenant du soleil qui serait réfléchie, absorbée ou transmise à travers les fenêtres recouvertes de nanoparticules métalliques.Ils ont choisi un composé photothermique en raison de sa capacité à absorber la lumière solaire proche infrarouge tout en offrant une transmission suffisante de la lumière visible.Le modèle prédit que le revêtement réfléchit moins la lumière ou la chaleur du proche infrarouge et absorbe davantage à travers la fenêtre que la plupart des autres types de revêtements.
Les chercheurs ont testé des fenêtres en verre à simple vitrage recouvertes de nanoparticules sous la lumière du soleil simulée en laboratoire, confirmant ainsi les prédictions de la simulation.La température d’un côté de la fenêtre recouverte de nanoparticules a augmenté de manière significative, ce qui suggère que le revêtement peut absorber la chaleur de la lumière du soleil de l’intérieur pour compenser la perte de chaleur interne à travers les fenêtres à simple vitrage.
Les chercheurs ont ensuite introduit leurs données dans des simulations à grande échelle pour analyser les économies d'énergie du bâtiment dans diverses conditions climatiques.Comparés aux revêtements à faible émissivité des fenêtres simples disponibles dans le commerce, les revêtements photothermiques absorbent la majeure partie de la lumière dans le spectre proche infrarouge, tandis que les fenêtres à revêtement traditionnel la réfléchissent vers l'extérieur.Cette absorption du proche infrarouge entraîne environ 12 à 20 % de perte de chaleur en moins par rapport aux autres revêtements, et le potentiel d'économie d'énergie global du bâtiment atteint environ 20 % par rapport aux bâtiments sans revêtement dotés de fenêtres à simple vitrage.
Cependant, Wang a déclaré qu'une meilleure conductivité thermique, un avantage en hiver, devient un inconvénient pendant la saison chaude.Pour tenir compte des changements saisonniers, les chercheurs ont également intégré des auvents dans leurs modèles de bâtiments.Cette conception bloque la lumière directe du soleil qui réchauffe l’environnement en été, éliminant ainsi en grande partie un mauvais transfert de chaleur et les coûts de refroidissement associés.L'équipe travaille toujours sur d'autres méthodes, notamment des systèmes de fenêtres dynamiques pour répondre aux besoins saisonniers de chauffage et de climatisation.
"Comme le montre cette étude, à ce stade de l'étude, nous pouvons encore améliorer les performances thermiques globales des fenêtres à simple vitrage pour qu'elles soient similaires à celles des fenêtres à double vitrage en hiver", a déclaré Wang."Ces résultats remettent en question nos solutions traditionnelles consistant à utiliser davantage de couches ou d'isolation pour moderniser les fenêtres à chambre unique afin d'économiser de l'énergie."
"Compte tenu de l'énorme demande du parc immobilier en matière d'infrastructures énergétiques et d'environnement, il est impératif que nous approfondissions nos connaissances pour créer des bâtiments économes en énergie", a déclaré Sez Atamtürktur Russcher, professeur Harry et Arlene Schell et responsable de l'ingénierie de construction.« Dr.Wang et son équipe mènent des recherches fondamentales exploitables.
Parmi les autres contributeurs à ce travail figurent Enhe Zhang, étudiante diplômée en conception architecturale ;Qiuhua Duan, professeure adjointe de génie civil à l'Université d'Alabama, a obtenu son doctorat en génie architectural de la Pennsylvania State University en décembre 2021 ;Yuan Zhao, chercheur chez Advanced NanoTherapies Inc., qui a contribué à ces travaux en tant que doctorant à la Pennsylvania State University, Yangxiao Feng, doctorant en conception architecturale.La National Science Foundation et le USDA Natural Resources Conservation Service ont soutenu ce travail.
Il a été démontré que les revêtements de fenêtre (molécules en gros plan) améliorent le transfert de chaleur de la lumière solaire extérieure (flèches orange) vers l'intérieur d'un bâtiment tout en offrant une transmission lumineuse suffisante (flèches jaunes).Source : Image gracieuseté de Julian Wang.Tous droits réservés.