Un processus automatisable, en attente de brevet, mis au point par des ingénieurs de Purdue, améliore la viabilité de l’incorporation de matériaux à changement de phase dans les briques, les panneaux de béton et les cloisons sèches.
Le chauffage et la climatisation des habitations ont un coût économique et environnemental élevé. Selon l’administration américaine d’information sur l’énergie, plus de la moitié de l’énergie domestique aux États-Unis est utilisée pour le chauffage et la climatisation, et cela 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, professeur adjoint de génie civil à l’université Purdue, à la Lyles School of Civil Engineering du College of Engineering, s’attaque à ces problèmes. Elle et les chercheurs de son laboratoire ont mis au point un processus en attente de brevet, évolutif et automatisable, qui améliore la méthode traditionnelle d’incorporation des matériaux à changement de phase, ou MCP, dans les matériaux de construction.
L’incorporation de MCP tels que la paraffine, les esters et les hydrates de sel dans les éléments de l’enveloppe des bâtiments modère 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 état solide à un état liquide, ou l’inverse. Ils fournissent un refroidissement ou une chaleur utile en absorbant ou en libérant de l’énergie pendant ces transitions.
“L’incorporation de MCP réduit la consommation d’énergie dans les bâtiments, ce qui réduit les émissions de dioxyde de carbone et les coûts opérationnels”, a déclaré M. Velay-Lizancos. “Elle diminue également la perméabilité à l’eau des matériaux de construction”.
Les MCP sont utilisés dans l’enveloppe d’un bâtiment, c’est-à-dire les portes, les murs extérieurs, les fondations, les toits, les fenêtres et les autres composants qui créent une barrière entre l’intérieur et l’extérieur. Les propriétés thermiques de l’enveloppe des bâtiments jouent un rôle clé dans la consommation d’énergie d’un bâtiment.
“L’augmentation des capacités de stockage de la chaleur des enveloppes des bâtiments réduirait l’effet des fluctuations de température dans un bâtiment”, a déclaré Mme Velay-Lizancos. “Cela augmenterait le confort thermique du bâtiment et diminuerait 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 résilients et indépendants sur le plan énergétique, et moins sensibles aux pannes de courant et autres problèmes d’approvisionnement en énergie.”
Selon Mme Velay-Lizancos, les méthodes traditionnelles d’ajout de MCP dans les matériaux de construction présentent des inconvénients.
“Actuellement, les MCP sont incorporés dans d’autres matériaux par microencapsulation ou macroencapsulation”, a déclaré M. Velay-Lizancos. “Toutefois, ces méthodes limitent l’utilisation des MCP. 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 M. Velay-Lizancos utilise l’immersion liquide et le vide pour incorporer les MCP après que les matériaux de construction tels que les briques, les cloisons sèches et le béton ont déjà été formés. Une vidéo de deux minutes de la méthode est en ligne.
“Cela permet d’accroître la résistance, d’améliorer la durabilité et d’augmenter l’inertie thermique des matériaux de construction”, a déclaré M. Velay-Lizancos. “Cette nouvelle méthode répartit également les MCP de manière à ce qu’ils soient concentrés dans la couche superficielle des matériaux de construction. Une plus grande partie des MCP est en contact avec les surfaces extérieures de l’enveloppe du bâtiment, ce qui rend les MCP plus efficaces.”
La méthode de Mme Velay-Lizancos ne nécessite qu’un système d’aspiration, 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 d’une formation spéciale”, a déclaré Velay-Lizancos. “Le processus pourrait être facilement automatisé et intégré à la chaîne de production d’éléments préfabriqués comme les briques, les panneaux de béton, les cloisons sèches et les pavés, entre autres.”
Mme 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 un temps de vide de 15 minutes.
Une vaste campagne expérimentale a été menée sur des mortiers de ciment avec trois rapports eau/ciment et, par conséquent, différents niveaux de porosité initiale. Les MCP 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 MCP.
Selon Mme Velay-Lizancos, la répartition inégale du MCP concentré dans la couche superficielle rend le MCP plus efficace pour améliorer les propriétés thermiques.
“La méthode utilisée dans cette étude introduit le MCP dans la couche du matériau la plus proche de la surface du matériau, ce qui signifie qu’une plus grande quantité sera en contact avec les surfaces externes de l’enveloppe du bâtiment, d’où une utilisation plus efficace du MCP”, a déclaré M. Velay-Lizancos. “De plus, cette méthode pousse le matériau PCM dans les pores capillaires par le biais du 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 supérieures au point de fusion du PCM utilisé.”
Un article sur les méthodes de recherche et les résultats de Velay-Lizancos a été publié dans le numéro de mars 2023 de la revue à comité de lecture Construction and Building Materials (Elsevier).
La prochaine étape du développement de la méthode d’incorporation du MCP consiste à construire un prototype à grande échelle.
“Cela nous permettra de visualiser, à l’aide de caméras et de capteurs, la performance thermique de l’enveloppe du bâtiment”, a déclaré Velay-Lizancos. “Les clients disposeront de données concrètes et pourront également visualiser les avantages de cette technologie.”
M. Velay-Lizancos a divulgué l’innovation au bureau de commercialisation des technologies de la Fondation de recherche de Purdue, qui a déposé une demande de brevet sur la propriété intellectuelle. Les partenaires industriels qui souhaitent développer cette innovation sont invités à contacter Parag Vasekar, psvasekar@pf.org, au sujet du numéro de référence 2022-VELA-69766, “Novel Building Envelope Materials with Enhanced Durability That Reduce Energy Consumption”.
Velay-Lizancos et son équipe ont reçu le soutien de la Lyles School of Civil Engineering et de la Frederick N. Andrews Fellowship de la Graduate School de Purdue.
À propos de l’université de Purdue
L’université Purdue est un établissement de recherche public de premier plan qui élabore des solutions pratiques aux défis les plus difficiles d’aujourd’hui. Classée au cours de chacune des cinq dernières années parmi les 10 universités les plus innovantes des États-Unis par U.S. News & World Report, Purdue effectue des recherches qui changent le monde et des découvertes hors du commun. Engagée dans l’apprentissage pratique et en ligne du monde réel, Purdue offre à tous une éducation transformatrice. Soucieuse d’être abordable et accessible, Purdue a gelé les droits de scolarité et la plupart des frais aux niveaux de 2012-2013, ce qui permet à un plus grand nombre d’étudiants que jamais d’obtenir un diplôme sans dette. Découvrez comment Purdue ne s’arrête jamais dans sa quête constante du prochain pas de géant sur https://stories.purdue.edu.
À propos de l’Office of Technology Commercialization de la Purdue Research Foundation
Le Purdue Research Foundation Office of Technology Commercialization gère l’un des programmes de transfert de technologie les plus complets parmi les grandes universités de recherche des États-Unis. Les services fournis par ce bureau soutiennent les initiatives de développement économique de l’université Purdue et profitent aux activités académiques de l’université par la commercialisation, l’octroi de licences et la protection de la propriété intellectuelle de Purdue. Au cours de l’exercice 2021, le bureau a fait état de 159 transactions finalisées avec 236 technologies signées, 394 divulgations reçues et 187 brevets américains délivrés. Le bureau est géré par la Purdue Research Foundation, qui a reçu le prix 2019 Innovation and Economic Prosperity Universities Award for Place de l’Association of Public and Land-grant Universities. En 2020, l’institut IPWatchdog a classé Purdue au troisième rang national pour la création de startups et dans le top 20 pour les brevets. La Purdue Research Foundation est une fondation privée à but non lucratif créée pour faire avancer la mission de l’université Purdue.
