Aider les fabricants de matériaux de construction à réduire la consommation d’énergie et l’empreinte carbone du chauffage et de la climatisation des maisons

Le chauffage et la climatisation des maisons ont un coût économique et environnemental élevé. L’Energy Information Administration des États-Unis a signalé que plus de la moitié de toute l’énergie domestique aux États-Unis est utilisée pour le chauffage et la climatisation, et elle représente également plus de 14 % de la consommation énergétique globale du pays. Selon le World Green Building Council, le secteur des bâtiments et de la construction est responsable de 39 % des émissions mondiales de carbone liées à l’énergie.

Mirian Velay-Lizancos, professeure adjointe de génie civil à l’Université Purdue de la Lyles School of Civil Engineering du College of Engineering, aborde ces questions. Elle et les chercheurs de son laboratoire ont mis au point un processus en instance de brevet, évolutif et automatisable qui améliore la méthode traditionnelle d’incorporation de matériaux à changement de phase, ou PCM, dans les matériaux de construction.

L’incorporation de PCM comme la paraffine, les esters et les hydrates de sel dans les éléments de l’enveloppe du bâtiment atténue l’effet des changements de température extérieure sur l’environnement intérieur. Ils convertissent les changements d’énergie thermique en changements de phase en passant d’un solide à un liquide, ou l’inverse. Ils fournissent un refroidissement ou une chaleur utile en absorbant ou en libérant de l’énergie pendant ces transitions.

“L’intégration de PCM réduit la consommation d’énergie dans les bâtiments, ce qui réduit les émissions de dioxyde de carbone et les coûts d’exploitation”, a déclaré Velay-Lizancos. “Il diminue également la perméabilité à l’eau des matériaux de construction.”

Les PCM sont utilisés dans l’enveloppe d’un bâtiment, ou les portes, murs extérieurs, fondations, toits, fenêtres et autres composants qui créent une barrière entre l’intérieur et l’extérieur. Les propriétés thermiques des enveloppes des bâtiments jouent un rôle clé dans la consommation d’énergie d’un bâtiment.

“Augmenter les capacités de stockage de chaleur des enveloppes des bâtiments réduirait l’effet des fluctuations de température dans un bâtiment”, a déclaré Velay-Lizancos. “Cela augmenterait le confort thermique du bâtiment et réduirait la consommation d’énergie, les émissions de dioxyde de carbone et les coûts économiques liés au chauffage et au refroidissement. Cela rendrait également les bâtiments plus résistants et indépendants de l’énergie et moins sensibles aux pannes de courant et à d’autres problèmes d’approvisionnement énergétique.”

Velay-Lizancos a déclaré que les méthodes traditionnelles d’ajout de PCM dans les matériaux de construction présentaient des inconvénients.

“Actuellement, les PCM sont incorporés dans d’autres matériaux via la microencapsulation ou la macroencapsulation”, a déclaré Velay-Lizancos. “Cependant, ces méthodes limitent l’utilisation des PCM. La microencapsulation a un effet négatif sur la résistance et la durabilité des matériaux de construction. La macroencapsulation limite la forme et la méthode de production des matériaux de construction.”

La méthode de Velay-Lizancos utilise l’immersion liquide et le vide pour incorporer les PCM après que les matériaux de construction comme les briques, les cloisons sèches et le béton ont déjà été formés.

“Cela augmente la résistance, améliore la durabilité et augmente l’inertie thermique des matériaux de construction”, a déclaré Velay-Lizancos. “Cette nouvelle méthode distribue également les PCM afin qu’ils soient concentrés dans la couche superficielle des matériaux de construction. Un plus grand nombre de PCM sont en contact avec les surfaces externes de l’enveloppe du bâtiment, ce qui rend les PCM plus efficaces.”

La méthode de Velay-Lizancos ne nécessite qu’un système de vide, qui, selon elle, est très accessible et facile à utiliser pour les fabricants.

“Les utilisateurs devront être familiarisés avec le processus, mais ils n’auront pas besoin de formation spéciale”, a déclaré Velay-Lizancos. “Le processus pourrait être facilement automatisé et intégré dans la chaîne de production d’éléments préfabriqués comme les briques, les panneaux de béton, les cloisons sèches et les pavés, entre autres.”

Velay-Lizancos et son groupe de recherche ont testé l’innovation au laboratoire Pankow de la Lyles School of Civil Engineering. Les premiers tests ont été effectués avec des briques commerciales et 15 minutes de temps de vide.

Une vaste campagne expérimentale a été menée sur des mortiers de ciment avec trois rapports eau sur ciment et, par conséquent, des niveaux de porosité initiale différents. Les PCM ont été incorporés dans les mortiers pendant trois périodes de vide différentes : 15 minutes, 1 heure et 4 heures. Velay-Lizancos et son équipe ont observé une augmentation de l’inertie thermique de 24 % et une augmentation de plus de 22 % de la résistance à la compression, avec seulement 7 % du volume de l’élément rempli de PCM.

Velay-Lizancos a déclaré que la distribution inégale du PCM concentré dans la couche de surface rend le PCM plus efficace pour améliorer les propriétés thermiques.

“La méthode utilisée dans cette étude introduit le PCM dans la couche de matériau la plus proche de la surface du matériau, ce qui signifie que davantage sera en contact avec les surfaces externes de l’enveloppe du bâtiment, ce qui se traduira par une utilisation plus efficace du PCM”, dit Velay-Lizancos.

“De plus, cette méthode pousse le matériau PCM dans les pores capillaires à travers le vide. En raison des forces capillaires, aucune fuite de PCM n’a été observée, même lorsque le composite final a été exposé à des températures élevées bien au-dessus du point de fusion du PCM utilisé. ”

Un article décrivant les méthodes de recherche et les résultats a été publié dans le numéro de mars 2023 de la revue Construction et matériaux de construction.

La prochaine étape pour développer la méthode d’incorporation PCM est de construire un prototype à grande échelle.

“Cela nous permettra de visualiser avec des caméras et des capteurs les performances thermiques de l’enveloppe du bâtiment”, a déclaré Velay-Lizancos. “Les clients disposeront des données concrètes et pourront également visualiser les avantages de cette technologie.”