Les bâtiments consomment environ 40% de l'énergie finale de l'Union européenne (UE). Énergie utilisée pour répondre aux besoins du froid, de la chaleur et de l'éclairage. Il est important de réduire la consommation pour réduire la dépendance énergétique et les émissions de gaz à effet de serre. Par conséquent, tous les nouveaux bâtiments de construction doivent être une consommation d'énergie presque nul et que les formules sont recherchées pour construire des sols, des murs et des plafonds plus efficaces et durables dans le but de décarboniser le secteur de la construction.
À de nombreuses reprises, les chercheurs trouvent des solutions basées sur la nature (SBN). Cela s'est reproduit: les chercheurs de l'Université de Drexel (États-Unis) ont développé un système innovant pour la réglementation thermique passive des bâtiments, inspirée par la structure vasculaire des éléphants et des oreilles de lièvre.
Cette approche, détaillée dans le «Journal of Building Engineering», intègre des réseaux de microcanaux dans des matériaux de ciment remplis de paraffine, ce qui pourrait réduire considérablement la consommation d'énergie associée à la climatisation des constructions.
Environ la moitié de l'énergie consommée dans les bâtiments est utilisée pour les systèmes de chauffage et de refroidissement. Bien que l'isolation thermique ait évolué, les murs, les plafonds et les sols restent des points critiques de perte d'énergie, responsable d'environ 63% des fuites thermiques dans les structures.
Le problème d'isolement
« Architectural, il est agréable d'avoir de nombreuses fenêtres dans un bâtiment, mais cela provoque également des propriétés d'isolement plus faibles », explique Rhythm Osan, co-auteur de l'enquête. Compte tenu de cette réalité, l'équipe dirigée par Yaghoob Amir Farnam a recherché une solution inspirée de la thermorégulation biologique.
La méthode basée sur les oreilles des éléphants et des lièvres. / Université de Drexel
Le système est basé sur deux principes observés dans les organismes vivants. Vascularisation architectée, avec des canaux qui imitent
« Notez comment notre système circulatoire régule la température. Lorsqu'il fait chaud, le sang remonte à la surface; nous pourrions redoutant un peu et commencer à transpirer à travers les glandes, ce qui nous refroidisse à travers un processus de changement de phase: l'évaporation de la sueur », détaille Farnam.
Pour reproduire ce phénomène, l'équipement a utilisé la paraffine PCM-18, un matériau à changement de phase (PCM) avec une température de fusion dans 18 ° C, qui absorbe ou libère de la chaleur lors du changement entre les états solides et liquides.
Grâce à une technique appelée «Andamiaje polymère sacrificiel», les chercheurs ont créé des modèles de canaux à l'intérieur des matrices de ciment. Des filaments solubles ont été insérés dans des moules avant la vidange du béton.
De plus, après le réglage, les filaments se sont dissous avec une solution chimique, laissant des réseaux creux, et ces réseaux ont été remplis de paraffine liquide, scellés pour éviter les fuites.
Cinq architectures vasculaires
Cinq architectures vasculaires ont été évaluées: canaux uniques (parallèles et perpendiculaires à la charge), triples, diagonales et maille de diamant. Ce dernier, avec un volume de vide de 3,27%, s'est avéré être le plus efficace.
L'inclusion des canaux réduit inévitablement la résistance à la traction du béton. Cependant, l'étude a révélé des stratégies pour atténuer cet effet. L'orientation diagonale ou diamant s'écarte des fissures sous tension, augmentant la ductilité.
Les bâtiments consomment environ 40% de l'énergie finale de l'Union européenne. / Pixabay
Les canaux inférieurs à 4,75 millimètres, inférieurs à la taille maximale de l'agrégat, évitent les pertes de résistance importantes. Et le renforcement avec des agrégats fins améliore la zone de fracture.
L'architecture de diamant, malgré son volume élevé de lacunes (13,97%), a montré une résistance à la traction élevée, dépassant les configurations avec moins de canaux mais une orientation défavorable (par exemple, des canaux triples perpendiculaires).
Sous des cycles contrôlés de chauffage / refroidissement (1,5 ° C / H), la réponse thermique avec thermographie infrarouge a été mesurée, il a été constaté que pendant le refroidissement, la solidification de la paraffine libère la chaleur, augmentant la température de surface de 1,25 ° C par heure par rapport à l'environnement.
Au contraire, dans la phase de chauffage, la fusion a absorbé l'énergie, refroidissant la surface de 1 ° C par heure. Enfin, le maillage diamant a enregistré l'indice thermique le plus élevé, attribué à sa plus grande surface d'échange.
Méthode simple et rentable
« Nous découvrons, bien qu'il ne soit peut-être pas surprenant, qu'une surface vasculaire plus grande équivaut à une meilleure performance thermique. Cette observation est similaire à la physiologie des oreilles des éléphants et des lièvres, qui contiennent de vastes zones de vasculaire pour aider à réguler leur température corporelle », explique Robin Deb, Co-auteur de l'étude.
Le système, appelé VASCI (Paute à la paternité vasculaire Cementicios), offre des avantages évolutifs. D'une part, son adaptabilité climatique, car en remplaçant la paraffine PCM-18 avec des PCM de fusion plus élevés (par exemple, 26-30 ° C), il pourrait fonctionner dans des climats chauds.
D'un autre côté, la fabrication avec l'impression 3D, ce qui permet de créer un échafaudage complexe sans endommager la matrice de ciment. Et enfin, le faible coût, car la paraffine est abondante et la technique évite les systèmes de pompage actifs.
Les chercheurs recherchent des solutions pour construire des sols, des murs et des plafonds plus efficaces et durables. / Pixabay
« Bien que cette étude ait destiné à démontrer une preuve de concept, ces résultats sont prometteurs et nous pouvons en profiter », explique Farnam. « Cela démontre à la fois l'efficacité de cette méthode pour réguler la température de surface dans les matériaux fabriqués avec du ciment comme simple et rentable pour sa production », ajoute-t-il.
L'équipe élargira désormais la recherche vers des tests de panneaux à échelle réelle dans des conditions environnementales extrêmes, à l'étude de durabilité à long terme et aux cycles PCM répétés et à l'intégration avec des systèmes de construction modulaires.
« Nous pensons que nos matériaux vasculaires pourraient remplir une fonction similaire dans un bâtiment, aidant à compenser les changements de température et à réduire la demande énergétique des systèmes de climatisation pour maintenir le confort thermique », conclut Deb.
