Les tuiles de toit adaptatives pourraient être la clé pour réduire la consommation d’énergie de chauffage/refroidissement

Selon les estimations des études de marché, le marché mondial de la toiture pourrait dépasser 140 milliards de dollars US d’ici 2033, contre près de 82 milliards de dollars US en 2023. Aucun chantier de construction n’est complet sans une solution de toiture. Elle est tout aussi essentielle aux structures résidentielles et commerciales. Le marché est dynamique car les toits doivent être remplacés à intervalles fréquents. En Amérique du Nord, selon une estimation d’étude de marché, 94 % des projets de toiture sont des remplacements de toit. 

Remplacer les vieux toits consiste souvent à les rendre durables sur le plan environnemental et économes en énergie. Les toits frais, capables de refléter le rayonnement solaire et de réduire la température du toit, peuvent économiser 0,50 $ US par pied carré, selon certaines études. 

Certaines estimations prévoient que le marché mondial des toits frais croîtra à un TCAC de 5,7 % d’ici 2025. Les matériaux de toiture réfléchissants, tels que les membranes ou revêtements blancs, peuvent réduire la température de la surface du toit jusqu’à 50 degrés Fahrenheit. 

Alors que les propriétés de refroidissement ou de chauffage sont devenues une caractéristique déterminante des solutions de toiture, l’intérêt pour la durabilité et les économies d’énergie montre que les solutions doivent être efficaces. 

Nous commencerons la discussion d’aujourd’hui avec une telle solution qui a attiré l’attention de l’industrie de la toiture à l’échelle mondiale. 

Tuiles de toit adaptatives : sensibles à la température extérieure ; aident à réduire la consommation d’énergie

Des scientifiques de l’Université de Californie, Santa Barbara, ont mené des recherches académiques détaillant comment les tuiles de toit peuvent réduire les coûts de chauffage et de refroidissement. 

Le but des trois chercheurs impliqués dans ce projet, Charlie Xiao, Elliot Hawkes et Bolin Lao, était de réduire le montant des factures d’énergie des Américains et de diminuer la nécessité de combustibles fossiles nécessaires au fonctionnement des systèmes CVC domestiques. 

Ces tuiles adaptatives sont équipées d’un commutateur radiatif pour aider à basculer entre les états de chauffage et de refroidissement. Elles peuvent basculer entre les états de refroidissement et de chauffage dans un intervalle de 3 degrés Celsius autour de la température de commutation. Elles peuvent réduire les besoins en refroidissement et en chauffage de plus de 2,5 fois par rapport aux dispositifs statiques. 

Le « commutateur », ou dispositif de thermorégulation passive, est un carré de 4 pouces. Il sert de surface mobile pouvant modifier ses propriétés thermiques pour répondre à une gamme de températures.

Selon le chercheur Charlie Xiao :

« Il bascule entre un état de chauffage et un état de refroidissement, selon la température de la tuile. »

Les chercheurs ont conçu la solution en visant une température de 65 degrés Fahrenheit, soit environ 18 degrés Celsius. 

Mais pourquoi cette solution suscite-t-elle tant d’anticipation dans l’industrie de la toiture ? Comprendre cette question nécessite de saisir le scénario de la consommation énergétique des bâtiments aux États‑Unis. 

50 % de la consommation énergétique des bâtiments américains est consacrée au chauffage et à la climatisation

La quantité d’énergie consommée pour le chauffage et la climatisation des bâtiments américains est énorme. Selon l’United States Energy Information Administration, la consommation d’énergie finale combinée des secteurs résidentiel et commercial représentait environ 29 % de la consommation totale d’énergie finale aux États‑Unis en 2022. Si l’on inclut les pertes d’énergie du système électrique, les secteurs résidentiel et commercial représentaient 38 % de la consommation totale d’énergie aux États‑Unis en 2022. 

Avec 50 % de la consommation énergétique des bâtiments américains consacrée au chauffage et à la climatisation, le système doit être économe en énergie à tout prix. De plus, le changement climatique et le réchauffement planétaire augmenteront le besoin de refroidissement. Cependant, il y aura des zones où la demande de chauffage restera élevée et pourra même augmenter. 

Les systèmes de toit frais traditionnels, incluant les revêtements réfléchissants, membranes, bardeaux ou tuiles, fonctionnent selon le principe de refroidir les habitations en reflétant la lumière du soleil. Ces solutions libèrent également une partie de la chaleur piégée sous forme de rayonnement infrarouge thermique. Cependant, le problème survient lorsque les systèmes de toit frais continuent à rayonner de la chaleur en hiver, augmentant ainsi les coûts de chauffage. En bref, ils manquent d’efficacité énergétique et de rentabilité. 

En tenant compte de tous ces aspects mentionnés ci‑dessus, une solution capable de basculer entre les états de chauffage et de refroidissement en fonction de la température extérieure est une véritable révolution, d’autant plus qu’elle fonctionne sans électricité. 

La solution est également considérée comme jouant un rôle déterminant pour l’industrie car elle peut répondre aux besoins de chauffage et de refroidissement dans le même bâtiment le même jour. Il n’existe pas beaucoup de technologies actuellement capables de basculer automatiquement entre le chauffage passif et le refroidissement. Les solutions disponibles, cependant, sont généralement inefficaces pour un basculement quotidien car elles nécessitent une large plage de température pour changer d’état. 

Les chercheurs affirment également que leur conception est hautement adaptable. Elle peut atteindre différents points de consigne de température en modifiant le matériau à changement de phase. Pour un refroidissement radiatif supérieur, des performances de chauffage améliorées et une durabilité supérieure, les tuiles adaptatives n’ont besoin que de modifier leur revêtement. 

Une autre caractéristique qui rend la solution attrayante est sa conception simple et son potentiel de production à faible coût. 

Alors que tous ces avantages attendent d’être exploités par l’industrie et produits à plus grande échelle, de nombreuses autres solutions de construction œuvrent à réduire la consommation d’énergie de chauffage/refroidissement. Nous allons maintenant examiner quelques-unes de ces solutions. 

Revêtement de toit intelligent pour des économies d’énergie toutes saisons

Des scientifiques impliqués dans une étude dirigée par Junqiao Wu, scientifique du corps professoral du Materials Sciences Division du Berkeley Lab et professeur de science et génie des matériaux à l’UC Berkeley, ont développé un revêtement de toit intelligent toutes saisons pour garder les maisons chaudes en hiver et fraîches en été. 

Comme la solution précédente, celle-ci ne nécessite ni gaz naturel ni électricité. 

Selon Junqiao Wu :

« (Nos) revêtement de toit toutes saisons passe automatiquement du mode frais au mode chaud, selon la température extérieure de l’air. C’est une climatisation et un chauffage sans énergie, sans émissions, le tout dans un seul dispositif. »

Pour atteindre leur objectif, les scientifiques ont développé un nouveau matériau appelé revêtement radiatif adaptatif à la température ou TARC. Le TARC désactive automatiquement le refroidissement radiatif en hiver, garantissant qu’il n’y a pas de surrefroidissement ni de gaspillage d’énergie. 

Avec le TARC en place, les scientifiques s’attendent à ce que le ménage moyen aux États‑Unis économise jusqu’à 10 % d’électricité. La solution est capable de refléter 75 % de la lumière solaire toute l’année. Cependant, lorsque la température ambiante dépasse 25 °C ou 77 °F, son émissivité thermique atteint environ 90 %. 

Junqiao Wu, exprimant son enthousiasme quant à ce que la solution pourrait accomplir, a déclaré :

« Nous pensions initialement que le passage du chauffage au refroidissement ne serait pas aussi spectaculaire. Nos simulations, expériences en plein air et en laboratoire ont prouvé le contraire – c’est vraiment excitant. »

Les chercheurs prévoyaient de développer des prototypes de TARC adaptés à des applications à plus grande échelle. Ils espéraient que le TARC prouverait son utilité en tant que revêtement protecteur thermique pour prolonger la durée de vie des batteries des smartphones et ordinateurs portables. D’autres utilisations pourraient inclure la protection des satellites et des voitures contre des températures extrêmement élevées ou basses, ainsi que la fabrication de tissus régulant la température pour les tentes, les couvertures de serres, les chapeaux et les vestes. 

Des solutions écoénergétiques pour les bâtiments américains, notamment axées sur une toiture efficace, sont également disponibles à l’échelle de l’entreprise. Nous verrons quelques-unes de ces solutions dans les prochains segments. 

1. Whitco Roofing, Inc.

Whitco se positionne comme le plus grand entrepreneur de toiture commerciale à Atlanta et l’un des principaux entrepreneurs de toiture en Amérique du Nord. Whitco est l’une des rares entreprises de toiture commerciale en Amérique du Nord à disposer de professionnels certifiés en toits verts parmi son personnel. Elle propose également des panneaux solaires pour toiture capables d’alimenter efficacement plus de 25 % de l’énergie totale d’un bâtiment. Ses solutions comprennent également une isolation de toiture en polyisocyanurate. Appliquée correctement, cette solution peut réduire de manière significative les coûts de chauffage et de climatisation dans les scénarios d’utilisation commerciale et industrielle.

Fondée en 2005, Whitco Roofing est une entreprise privée dont le siège se trouve à Atlanta, Géorgie, États‑Unis. 

2. Grundfos

Lorsqu’il s’agit d’une approche holistique pour réduire la consommation d’énergie de chauffage ou de climatisation dans les bâtiments, Grundfos est le nom qui figure en tête. Ses solutions s’adressent tant aux bâtiments commerciaux qu’aux bâtiments domestiques. 

Pour rendre le chauffage commercial économe en énergie, Grundfos propose des pompes circulatrices, des boucles de mélange, des solutions de pompage distribué, des ensembles de surpresseurs, des pompes à un seul étage en ligne, des hydro‑surpresseurs, et bien plus encore. Pour un chauffage économe en énergie dans les installations domestiques, Grundfos dépend principalement des pompes circulatrices. 

Au cours de l’exercice financier 2022, Grundfos a enregistré un chiffre d’affaires net de 33,3 milliards DKK (2021 : 28,7 milliards DKK). Il a constaté une croissance des ventes de 12,1 % en monnaies locales par rapport à l’exercice précédent (2021). Le retour sur ventes en 2022 est passé à 11,8 % contre 11,4 % en 2021.

3. Tesla Solar Roofs

L’installation des toits solaires Tesla (TSLA ) offre la possibilité d’alimenter son domicile avec un système entièrement intégré de solaire et de stockage d’énergie. Elle propose une garantie de 25 ans et une protection contre les pannes 24 h/24 et 7 j/7. Le toit solaire est complété par le Powerwall, une batterie domestique compacte assurant une sécurité énergétique continue. Ces batteries aident à stocker l’énergie produite par le toit solaire afin d’alimenter la maison à tout moment. 

En termes de composition, un toit solaire comprend à la fois des tuiles solaires en verre et des tuiles de toiture en acier. Les tuiles solaires en verre produisent de l’énergie. Les tuiles en acier de qualité architecturale sont destinées à conférer longévité et résistance à la corrosion au toit. 

Selon les chiffres officiellement publiés par l’entreprise, l’équipe interne de professionnels de l’énergie de Tesla a installé près de 4 gigawatts de solaire sur près de 480 000 toits. Cumulativement, ces toits génèrent plus de 25 TWh d’énergie propre. 

L’installation comprend également des onduleurs solaires Tesla afin de garder le système bien intégré, sûr, fiable et prêt en cas de panne. Avec l’application Tesla, il est possible de surveiller la production d’énergie en temps réel. Il est également possible de contrôler le système depuis n’importe où grâce à des alertes instantanées et un accès à distance. 

Au troisième trimestre 2023, Tesla a enregistré un chiffre d’affaires de plus de US$21.4 billion. La marge opérationnelle s’élevait à 17,2 %. 

Bâtiments et efficacité énergétique : la voie à suivre

Le réchauffement climatique et le changement climatique constituent une préoccupation civilisationnelle. Les gouvernements, les organismes de réglementation, les conseils des nations et les entreprises sont tous désireux de proposer des solutions permettant d’atteindre des modules énergétiques efficaces. En plus des solutions spécialisées, il existe de nombreuses façons de répondre à ces préoccupations en apportant de petites modifications quotidiennes à nos systèmes de construction. 

Le Bureau de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables des États‑Unis recommande de nombreuses solutions de ce type, telles que l’ajout d’isolation, l’utilisation d’éclairage LED, l’installation de pompes à chaleur, etc. 

Les personnes vivant dans des climats chauds et humides peuvent utiliser des tuyaux de chaleur déshumidifiants pour réduire l’humidité intérieure et améliorer le confort. Minimiser les pertes d’énergie dans les conduits est une autre façon de favoriser l’efficacité énergétique. Isoler les conduits et les étanchéifier peut être utile. 

Pour des systèmes de chauffage de l’eau efficaces dans les bâtiments, on peut envisager des solutions écoénergétiques telles que les serpents de chauffe sans réservoir, les chauffe-eau indirects, les chauffe-eau solaires, etc. L’introduction de procédés comme la récupération de chaleur des eaux de drainage peut également s’avérer utile. 

Il existe de nombreux avantages à réduire la consommation d’énergie de chauffage/refroidissement. Il ne s’agit pas seulement de réduire les coûts. Cela apporte des bénéfices plus larges à la communauté. Ils contribuent à renforcer la résilience communautaire et à créer un système énergétiquement avisé et équitable. Il existe des communautés défavorisées dans chaque région qui ont besoin de technologies et d’infrastructures rentables pour accéder à un approvisionnement énergétique ininterrompu. 

Les systèmes écoénergétiques entraînent également moins de pollution de l’air, ce qui profite à la santé globale de la communauté. La réduction de la combustion de combustibles fossiles est également bénéfique pour notre écologie, les plantes et les animaux qui nous entourent. 

Son bénéfice pour l’économie des infrastructures du pays est également important. Les systèmes énergétiques efficaces allègent la charge des réseaux. Ils aident à minimiser la congestion et le stress sur la distribution d’électricité à tout moment. 

Les avantages sont si répandus et d’une portée si large que nous aurons besoin de davantage de solutions comme les tuiles de toit adaptatives à l’avenir. C’est certainement une étape encourageante dans le cheminement vers l’efficacité et la durabilité. 

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