Froid radiatif : des matériaux intelligents permettent de passer du chauffage au refroidissement

La gestion thermique radiative est considérée comme une technologie prometteuse pour le chauffage et le refroidissement sans consommation d'énergie externe. Les systèmes de refroidissement radiatif fonctionnent en absorbant le rayonnement thermique (c'est-à-dire la chaleur) d'un bâtiment, puis en l'émettant vers le ciel (ou l'espace lointain). L'un des défis des matériaux de gestion thermique radiative est de maximiser l'utilisation de la source inépuisable de chaleur radiative (c'est-à-dire le soleil, ~5800 K) et de la source froide (c'est-à-dire l’espace lointain, ~3 K) dans la nature. 

 

Selon une étude publiée dans Nature en août 2022, des chercheurs de l'université de Nankai, en Chine, ont conçu un dispositif de gestion thermique radiatif mixte capable de passer du mode chauffage au mode refroidissement en percevant selon la température ambiante.^[1]  

 

Conception des couches pour le mode chauffage et le mode refroidissement 

 
Ce dispositif est constitué de trois couches fonctionnelles : une couche de refroidissement radiatif, une couche d'actionnement sensible à la température et une couche de chauffage solaire. La couche de chauffage solaire est composée d'une plaque d'aluminium recouverte de nanoparticules d'oxyde de chrome noir. La couche fonctionnelle pour le 

refroidissement radiatif est constituée d'un polymère flexible qui encapsule des nanoparticules d'oxyde de titane (TiO₂), qui est un pigment blanc. La couche de chauffage est noire pour absorber la lumière du soleil, tandis que la couche de refroidissement est blanche et brillante pour refléter la lumière du soleil. 

 

 

Mécanisme de commutation automatique entre le mode chauffage et le mode refroidissement 

 

Entre les couches de chauffage et de refroidissement, une couche intermédiaire à mémoire de forme réversible sert de commutateur automatique intelligent activé par la température. Les chercheurs ont synthétisé un polymère sensible à la température et l'ont fait adhérer à la couche de refroidissement. Lorsque la température baisse, le polymère se contracte, décollant la couche de refroidissement pour que le chauffage solaire puisse être lancé. Lorsque la température augmente, le polymère se détend et revient à sa position de repos pour permettre d’activer le refroidissement radiatif. En outre, la propriété de mémoire de forme du polymère assure une transition en douceur entre le chauffage et le refroidissement sans affecter leur rendement de conversion supérieur à 90 %. 

 

Regardez un court clip vidéo illustrant le mécanisme de commutation : 

 

 

Application pratique et potentiel d'économie d'énergie 

 

Le dispositif peut atteindre une puissance de chauffage moyenne d’environ 860 W m^-2 (correspondant à une efficacité un rendement de conversion solaire-thermique moyen d'environ 91 %) et une puissance de refroidissement moyenne d'environ 126 W m^-2. En prenant l'exemple de la ville de Tianjin, en Chine, dont le climat est de type continental-mousson, les chercheurs ont calculé que l'économie d'énergie cumulée tout au long de l'année peut dépasser 2,9 GJ m^-2. Ils ont également modélisé les économies d'énergie en mode chauffage et refroidissement pour plusieurs villes du monde. 

 

Selon ses concepteurs, ce dispositif de gestion thermique radiatif mixte pourrait convenir aux espaces ouverts tels que les toits de grands bâtiments. À ce stade, leur priorité absolue est d'améliorer encore les performances de gestion thermique de leur dispositif ainsi que sa résistance aux intempéries dans la vie réelle.^[1] En effet, l'effet de l'humidité, de la pluie et du vent sur la stabilité chimique et la longévité du matériau doit être pris en compte avant de pouvoir l'utiliser pour rénover des bâtiments existants.^[2] 

 

 

Pour plus d'informations sur les technologies de refroidissement passif (y compris le refroidissement radiatif), 

téléchargez la 47^ème note d'information de l'IIF 
 

 

Sources 

[1] Zhang, Q., Lv, Y., Wang, Y. et al. Temperature-dependent dual-mode thermal management device with net zero energy for year-round energy saving. Nat Commun 13, 4874 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32528-1 

[2] UCL Science Magazine. (2022) Heating and Cooling our Homes: As Simple as Black and White? https://www.uclsciencemagazine.com/article-c1/