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Sep 06, 2023

Comment les fenêtres intelligentes économisent de l'énergie

CRÉDIT : MODIFIÉ DE ISTOCK.COM / ISMAGILOV Fenêtres intelligentes qui se teintent en réponse

CRÉDIT : MODIFIÉ DE ISTOCK.COM / ISMAGILOV

Les fenêtres intelligentes qui se teintent en réponse à des stimuli tels que la chaleur ou la lumière, ou la préférence d'un utilisateur, sont de plus en plus courantes, mais il faudra peut-être un certain temps avant que la technologie ne soit généralisée.

Le verre spécialisé qui retient la chaleur pendant l'hiver et la laisse sortir pendant l'été pourrait rendre les bâtiments beaucoup plus efficaces - si les coûts et la complexité ne gênent pas

Par Brittney J. Miller 06.08.2022

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La lumière naturelle qui coule à travers une fenêtre ensoleillée est géniale - jusqu'à ce que vous plissiez les yeux et essuyiez la sueur de votre front. Vous pouvez fermer les stores ou allumer la climatisation, mais vous vous retrouvez avec une pièce sombre ou une facture d'électricité en hausse.

Une solution à cette énigme a été imaginée il y a 40 ans : des fenêtres intelligentes, adaptables à vos préférences. En utilisant des matériaux spéciaux qui bloquent des longueurs d'onde spécifiques de la lumière, ces fenêtres s'adaptent aux conditions météorologiques ou à votre confort personnel. Trop chaud? Les fenêtres peuvent devenir teintées pour bloquer la lumière et garder les pièces plus fraîches. Trop froid? La teinte disparaît, laissant la lumière naturelle chaude chauffer votre espace. Envie d'intimité ? Certains verres peuvent s'embuer d'une simple pression sur un interrupteur.

Au cours des dernières décennies, les progrès de la recherche sur les fenêtres intelligentes ont déplacé la technologie bien au-delà du laboratoire : le marché du verre intelligent devrait atteindre 7,5 milliards de dollars d'ici 2028. Des types de fenêtres intelligentes peuvent déjà être trouvés dans les bateaux, les voitures et les avions et font leur chemin dans les bâtiments tels que les bureaux et les terminaux d'aéroport. Et, en supposant qu'ils surmontent quelques défis clés, ils pourraient jouer un rôle important pour rendre les maisons plus éconergétiques un jour, disent les partisans.

Les bâtiments représentent 39 % de la consommation d'énergie aux États-Unis, dont 35 % sont associés au chauffage, à la ventilation et à la climatisation. Parce que les fenêtres intelligentes peuvent sélectivement bloquer la chaleur ou la laisser entrer, elles peuvent réduire ces besoins énergétiques : environ 35 % de l'énergie d'un bâtiment typique est perdue par les fenêtres.

Mais pour que les fenêtres intelligentes se généralisent – ​​et réduisent la consommation d'énergie de chacun – le prix doit baisser. Les appareils actuels peuvent coûter jusqu'à 10 fois le prix des fenêtres éconergétiques standard. Rendre la technologie moins chère, et peut-être même plus intelligente, est un domaine qui intéresse vivement les chercheurs.

À l'avenir, déclare le physicien des matériaux Claes-Göran Granqvist, "il n'y a aucune raison d'avoir d'autres fenêtres que ces fenêtres intelligentes".

Les fenêtres intelligentes sont apparues bien avant que les téléphones et les téléviseurs ne soient considérés comme « intelligents ». Au début des années 1980, des scientifiques de l'Université de technologie Chalmers en Suède et du Laboratoire national Lawrence Berkeley en Californie réfléchissaient à de nouvelles façons de fabriquer des matériaux de construction économes en énergie. Les chercheurs ont eu l'idée d'une fenêtre réactive qui changerait dynamiquement sa teinte. Granqvist, qui faisait partie de ces premières recherches, a utilisé l'expression "fenêtres intelligentes" dans une demande de subvention. Le nom est resté - et la première fenêtre intelligente a vu le jour en 1984.

Les fenêtres aident à créer des espaces agréables dans les bâtiments et jouent un rôle important dans le maintien d'un environnement intérieur confortable. Les fenêtres intelligentes de nouvelle génération seront la clé d'une économie plus verte et plus économe en énergie.

Les prototypes originaux ne couvraient que quelques centimètres et comportaient du verre qui passait de manière réversible du transparent au noirci, un exploit accompli en prenant en sandwich du verre, plusieurs couches de matériaux et des conducteurs transparents qui fournissaient de petites secousses d'électricité. La tension a modifié la façon dont les matériaux interagissaient avec la lumière, modifiant les longueurs d'onde réfléchies ou absorbées.

Au fur et à mesure que la technologie progressait, les chercheurs ont exploré d'autres substances qui manipulent la lumière en réponse à d'autres invites, telles que la chaleur, la lumière ultraviolette et le magnétisme. Aujourd'hui, une gamme de "matériaux intelligents" spéciaux est utilisée et les chercheurs continuent d'en étudier de nouveaux.

Ces premiers prototypes utilisaient des matériaux "électrochromes", ce qui signifie qu'ils changent de manière réversible en réponse au courant ou à la tension électrique. Les fenêtres électrochromiques comportent généralement cinq couches au total, dont deux couches qui servent d'électrodes (comme les pôles positif et négatif d'une batterie) et une couche d'électrolyte interne qui contient des ions. Lorsqu'une tension est appliquée, les ions chargés positivement sont entraînés dans une couche tandis que les électrons se déplacent dans l'autre. La réaction crée une teinte qui bloque une partie de la lumière visible ainsi que la lumière infrarouge thermo-emballée. La teinte reste jusqu'à ce qu'un autre cycle de tension déclenche une réaction inverse qui extrait les électrons et les ions, rendant ainsi la fenêtre transparente une fois de plus.

"C'est comme dans une pile électrique", explique Granqvist, du laboratoire Ångström de l'université d'Uppsala en Suède. "Vous devez mettre de l'énergie pour le charger, mais vous pouvez ensuite le conserver longtemps."

Le verre électrochrome est largement utilisé dans les fenêtres intelligentes et se trouve déjà dans les écrans de confidentialité, les panneaux d'affichage, les fenêtres de bateau, les fenêtres d'avion et certains toits ouvrants de voiture. Certains types de verre électrochromique sont presque opaques lorsqu'ils ne sont pas alimentés. Dans cet état, les matériaux réactifs du verre, qu'il s'agisse de gouttelettes de cristal ou d'autres particules en suspension, sont disposés au hasard, diffusant la lumière au lieu de la laisser passer, rendant le verre trouble. Mais zappez-le avec un courant électrique et les gouttelettes ou les cristaux s'alignent - rendant le verre transparent.

Ces fenêtres électrochromiques et d'autres permettent aux occupants du bâtiment de contrôler manuellement les niveaux de teinte, mais les électriciens sont tenus de construire correctement les réseaux d'électrodes et les fils qui les accompagnent, ce qui complique la conception et l'installation. Cela entraîne des prix beaucoup plus élevés que certains autres modèles de fenêtres intelligentes. D'un autre côté, les matériaux sont relativement bon marché et des méthodes de production peu coûteuses et évolutives se profilent à l'horizon, déclare Granqvist.

Et les fenêtres électrochromes ont encore de la place pour s'améliorer. Les chercheurs continuent d'étudier de nouveaux matériaux réactifs, dans le but d'augmenter l'efficacité et la longévité des fenêtres. Par exemple, un prototype contenant de l'oxyde d'étain dopé avec deux autres métaux qui bloquent à la fois la lumière infrarouge et la lumière visible a duré beaucoup plus de cycles marche/arrêt que de nombreuses fenêtres électrochromiques existantes, ont récemment rapporté des scientifiques dans ACS Omega.

Une autre classe de fenêtres intelligentes qui changent en réponse à la chaleur, appelée thermochromique, n'a pas le câblage compliqué ou les alimentations électriques des fenêtres électrochromiques. Un matériau thermochromique étudié depuis longtemps est le dioxyde de vanadium (VO2), explique le scientifique des matériaux Harlan Byker, qui a fondé la société Pleotint, un fabricant de verre à vitre dynamique.

Les fenêtres intelligentes peuvent basculer entre un état transparent et un état bloquant, un exploit réalisé en tirant parti de matériaux qui changent de forme de manière réversible. Certains matériaux s'altèrent en réponse à la chaleur ou à l'électricité (illustré); d'autres réagissent à un champ magnétique, à des contraintes mécaniques ou à des niveaux d'humidité.

Le VO2 a la capacité de changer de forme à des températures plus élevées (environ 68 degrés Celsius ou 154 degrés Fahrenheit), augmentant sa capacité à réfléchir la lumière infrarouge. Cela permet à la lumière visible de continuer à pénétrer, éclairant la pièce, tout en réduisant la quantité de chaleur entrante, gardant la pièce plus fraîche. Les chercheurs peuvent mélanger des substances spéciales dans le VO2 pour le faire réfléchir à des températures plus basses, mais cela entrave sa réflexion de la lumière, ce qui rend difficile la transition du produit du laboratoire vers les marchés commerciaux, explique Byker.

Les fenêtres thermochromiques de nouvelle génération peuvent utiliser différents matériaux qui absorbent la lumière au lieu de la refléter, créant une teinte continue à mesure que les températures augmentent, comme les fenêtres électrochromiques. Une substance récemment développée exploite les interactions entre les ions métalliques et d'autres molécules pour absorber moins de lumière infrarouge et visible lorsqu'il fait froid dehors, laissant ainsi entrer plus de chaleur. Lorsqu'il fait plus chaud, les matériaux absorbent plus de lumière, gardant sa chaleur associée à l'extérieur.

Chaque matériau sensible à la température évolue à différentes températures et peut sembler plus ou moins teinté - et présente des défis, explique le scientifique des matériaux Long Yi de l'Université technologique de Nanyang à Singapour. Certains, comme un polymère appelé hydrogel, sont excellents pour dévier la chaleur mais présentent une teinte trop opaque pour voir à travers. D'autres, comme le VO2, sont suffisamment transparents pour conserver les vues, mais ne sont pas aussi économes en énergie car ils ne peuvent pas non plus refléter la chaleur.

"Il n'y a pas de matériaux parfaits", dit Yi. "Nous ne pouvons trouver le matériau parfait que pour certaines applications."

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Une application consiste à concevoir des fenêtres qui non seulement diffusent la lumière mais retiennent également sa chaleur. Le laboratoire de Yi, par exemple, développe des fenêtres thermochromiques capables de stocker la chaleur collectée au moment le plus ensoleillé de la journée et de la restituer lorsque la demande et les coûts sont plus faibles pendant les périodes les plus fraîches de la journée.

Ils peuvent le faire en plaçant un hydroliquide - une combinaison d'eau et d'hydrogel - entre deux vitres. Les chaînes de polymères à l'intérieur de l'hydrogel se dilatent lorsque les températures descendent en dessous de 30 degrés Celsius (86 degrés Fahrenheit), rendant le verre transparent. Au-dessus de ce seuil, les chaînes se froissent comme du papier et s'entremêlent pour créer une teinte, diffusant la lumière proche infrarouge et visible. Grâce à l'eau contenue dans le mélange, qui peut contenir de grandes quantités de chaleur, l'hydroliquide absorbe la chaleur et la libère progressivement au fil du temps. Cela peut réduire les besoins énergétiques de chauffage, de ventilation et de climatisation de 35 % par rapport au verre à double vitrage, selon les données de simulation de Yi.

Sa dernière étude introduit une fenêtre à double sens. Décrite en 2021 dans Science, l'équipe de Yi a créé une fenêtre - dotée de revêtements écoénergétiques et de VO2 - qui empêche la lumière infrarouge emballée par la chaleur d'entrer dans les bâtiments tout en laissant la chaleur intérieure rayonner, refroidissant ainsi les pièces en été. Ce mécanisme s'inverse en hiver lorsque les températures se refroidissent - les matériaux laissent entrer la lumière et empêchent la chaleur intérieure de rayonner. Par rapport aux revêtements de verre commerciaux actuels et économes en énergie, cette nouvelle technologie pourrait permettre d'économiser jusqu'à 15% d'énergie, a déclaré Yi.

Les chercheurs développent des fenêtres intelligentes qui bloquent l'entrée de la lumière infrarouge proche de la chaleur en été tout en permettant à la chaleur de rayonner (à gauche) ; en hiver, ces fenêtres laissent entrer la lumière infrarouge proche et empêchent la chaleur intérieure de rayonner (à droite). La lumière visible passe en toutes saisons.

CRÉDIT : S. WANG ET AL / SCIENCE 2021

Les fenêtres intelligentes peuvent aider le monde à faire des progrès en matière d'économies d'énergie - mais, comme on le voit avec d'autres innovations comme les voitures électriques, la route vers un avenir plus vert peut être un peu cahoteuse.

Les prix élevés des fenêtres intelligentes sont des obstacles majeurs à leur expansion dans plus d'espaces, note un aperçu de 2016 des matériaux de fenêtres intelligentes dans l'examen annuel du génie chimique et biomoléculaire. Les fenêtres électrochromiques, par exemple, peuvent être plusieurs fois plus chères que les fenêtres écoénergétiques en raison de leurs systèmes d'alimentation complexes et de la longueur des processus d'installation. Et bien que les fenêtres thermochromiques soient moins chères, elles coûtent toujours plus cher que les fenêtres ordinaires. La plupart des consommateurs préfèrent choisir l'option la moins chère, même s'ils ne bénéficient pas des avantages énergétiques des fenêtres intelligentes.

Les scientifiques continuent d'améliorer la technologie, mais à ce stade, le succès ou l'échec des fenêtres intelligentes dépend en grande partie de l'économie. Pour que les fenêtres intelligentes décollent, leurs prix doivent baisser, explique le spécialiste des matériaux et ingénieur électricien Carl Lampert, associé directeur de la société de conseil en revêtements de fenêtres Star Science. Inclure les fenêtres dans les programmes de remise gouvernementaux - comme le symbole Energy Star pour les produits éconergétiques - pourrait aider. Mieux éduquer les consommateurs sur les avancées émergentes, leurs performances et les économies d'énergie pourrait également accroître la demande.

La recherche ouvre lentement la voie à des fenêtres intelligentes plus simples, moins chères et plus durables qui réduisent les coûts et les risques. Mais les consommateurs devront peut-être les attendre : Yi estime qu'il faudra peut-être 10 ans avant que de nouveaux produits quittent les laboratoires et arrivent sur les marchés.

À terme, ces fenêtres pourraient être plus répandues, s'ajustant passivement aux désirs des consommateurs ou répondant à la pression d'un bouton - comme la télécommande d'un téléviseur, dit Lampert. Il imagine un avenir où il pourra demander une fenêtre intelligente chez Home Depot sans semer la confusion parmi les travailleurs. Et d'autres chercheurs sont d'accord :

"Les fenêtres dynamiques sont inévitables", déclare Byker. "C'est juste beaucoup de douleurs d'accouchement ici."

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Brittney J. Miller (@BrittneyJMiller) est une journaliste scientifique de Floride qui adore écrire sur le monde qui l'entoure.

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