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Sep 13, 2023

Les fenêtres intelligentes qui protègent contre le rayonnement solaire peuvent aider à réduire les gaz à effet de serre

1er septembre 2021

1er septembre 2021

par la société Fraunhofer

Les chercheurs de Fraunhofer ont développé un revêtement intelligent pour les fenêtres en verre qui s'assombrit au soleil. Celui-ci utilise des matériaux électrochromes et thermochromes qui réagissent à l'électricité et à la chaleur. Dans les bâtiments avec de grandes façades vitrées, il empêche les pièces de devenir trop chaudes à cause du rayonnement solaire, réduisant ainsi la demande de climatisation énergivore.

Le secteur du bâtiment est l'un des plus gros émetteurs de gaz à effet de serre. Selon l'Agence allemande pour l'environnement, les bâtiments sont responsables d'environ 30 % des émissions de CO2 du pays et de 35 % de sa consommation d'énergie finale. Les bâtiments avec de grandes façades et toits en verre sont particulièrement problématiques, comme les tours de bureaux qui dominent les villes modernes. Ils chauffent au soleil, surtout en été. Cependant, l'utilisation de stores et de jalousies pour fournir de l'ombre est souvent impopulaire, car ils nuisent à l'attrait esthétique du verre et perturbent la vue sur l'extérieur. Au lieu de cela, l'intérieur est refroidi par la climatisation, ce qui nécessite d'énormes quantités d'électricité et augmente l'empreinte carbone du bâtiment.

L'Institut Fraunhofer pour la recherche sur les silicates ISC à Würzburg et l'Institut Fraunhofer pour l'électronique organique, les faisceaux d'électrons et la technologie plasma FEP à Dresde ont développé une solution sophistiquée à ce problème. Dans le projet Switch2Save, les chercheurs ont travaillé sur des revêtements transparents pour fenêtres et façades en verre à l'aide de matériaux électrochromes et thermochromes. Ceux-ci ajoutent une teinte sombre variable et transparente à l'extérieur des fenêtres, ce qui garde les pièces fraîches. Les instituts Fraunhofer se sont associés à des universités et à des partenaires industriels de six pays de l'UE pour ce projet de recherche financé par l'UE.

"Le revêtement électrochromique est appliqué sur un film transparent et conducteur qui peut ensuite être "allumé". L'application d'une tension électrique déclenche le transfert d'ions et d'électrons, ce qui assombrit le revêtement et teint la fenêtre. D'autre part, le revêtement thermochromique fonctionne de manière passive. Lorsqu'une certaine température ambiante est atteinte, il reflète le rayonnement thermique du soleil", explique le Dr Marco Schott, responsable du groupe des systèmes électrochromiques chez Fraunhofer ISC.

Avec les éléments électrochromiques, les capteurs peuvent être utilisés pour mesurer des facteurs tels que la luminosité et la température, en envoyant les résultats aux systèmes de contrôle. Cela envoie une impulsion de courant ou de tension au film conducteur, déclenchant l'assombrissement de la fenêtre. La surface du verre s'assombrit progressivement lorsque la température ou le niveau de luminosité devient trop élevé. Cela empêche les pièces de devenir surchauffées et réduit le besoin de climatisation, ce qui est particulièrement utile dans les climats plus ensoleillés et les bâtiments avec de grandes façades vitrées. Il sert également de protection anti-éblouissement lors des journées ensoleillées. Les jours nuageux et le soir, les fenêtres resteront lumineuses.

Les chercheurs de Fraunhofer ont également réfléchi à l'adéquation de la technologie à un usage quotidien. "Les vitres ne s'assombrissent pas soudainement, mais se teintent progressivement en quelques minutes", explique Schott. La consommation d'énergie est très faible. Dans des circonstances optimales, le film électrochromique ne nécessite que de l'électricité pour le processus de commutation et une très basse tension suffit pour déclencher le processus de coloration. Les matériaux thermochromiques ne nécessitent pas du tout d'électricité, mais réagissent passivement à la chaleur générée par le soleil. Ils peuvent être utilisés en complément d'un système commutable ou comme alternative, lorsqu'une solution commutable n'est pas nécessaire.

Switch2Save promet d'énormes économies d'énergie dans les zones où les températures extérieures sont élevées, c'est-à-dire dans les régions du sud, en réduisant l'utilisation des systèmes de climatisation ou en les supprimant complètement. Le Dr John Fahlteich, coordinateur du projet Switch2Save et responsable du groupe de recherche chez Fraunhofer FEP, explique : « Dans les régions chaudes d'Europe, les besoins en énergie de refroidissement et de chauffage des bâtiments modernes peuvent être réduits jusqu'à 70 %. Les économies ne sont pas si importantes dans les régions plus froides du nord, mais les systèmes pourraient également être utilisés ici comme protection anti-éblouissement contre la lumière directe du soleil.

En principe, la combinaison de couches électrochromes et thermochromes dans une fenêtre composite offre la plus grande flexibilité possible. En utilisant cela, les architectes et les développeurs peuvent fournir des solutions individuelles pour une variété de régions et de bâtiments. « Nous sommes en train d'installer la technologie dans la clinique pédiatrique du deuxième plus grand hôpital de Grèce, à Athènes, et dans un immeuble de bureaux à Uppsala, en Suède. Dans les deux bâtiments, la consommation d'énergie sera surveillée et comparée pendant une année entière avant et après l'installation des nouvelles fenêtres. Ce faisant, nous pouvons démontrer les performances réelles de la technologie Switch2Save et continuer à tester et à affiner la technologie pour différentes zones climatiques », déclare Fahlteich.

Les chercheurs ont également résolu des défis pour la fabrication. Le revêtement électrochromique est appliqué sur un substrat de film à base de polymère. Le revêtement thermochromique, quant à lui, utilise un substrat de verre fin. Les procédés chimiques humides et de revêtement sous vide sont utilisés dans un système de fabrication rouleau à rouleau rentable. Les composants commutables sont ensuite laminés sous vide sur une feuille de verre à vitre de 4 mm d'épaisseur, qui est ensuite intégrée à un vitrage isolant. Le procédé de revêtement est également économiquement faisable à l'échelle industrielle. Les éléments commutables électrochromes et thermochromes ne font que quelques 100 µm d'épaisseur et moins de 500 g par mètre carré. Ainsi, ils n'ajoutent pratiquement aucun poids aux fenêtres, ce qui signifie qu'ils peuvent être installés ultérieurement dans des bâtiments existants sans qu'il soit nécessaire de modifier la structure du bâtiment.

Le consortium du projet travaille actuellement à l'amélioration de la technologie. Par exemple, l'équipe d'experts étudie comment les éléments électrochromes et thermochromes peuvent être combinés dans une fenêtre composite pour exploiter encore mieux le potentiel de la technologie. D'autres objectifs de recherche incluent l'adaptation du revêtement aux formes de verre incurvées et l'ajout de plus de couleurs aux options existantes de bleu et de gris.

Le réchauffement climatique et les objectifs du Green Deal européen augmenteront considérablement la demande de technologies de construction économes en énergie au cours des prochaines années - et tous les bâtiments de l'UE devraient être neutres en carbone d'ici 2050. Les fenêtres électrochromiques et thermochromiques du projet européen Switch2Save peuvent y contribuer de manière importante.