Durabilité
Ombrage adaptatif ‘Solar Gate’ s’inspire de la nature pour améliorer l’efficacité du CVC
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La crise climatique représente une grande menace pour notre environnement et nos vies. Cela a rendu la réduction des émissions de dioxyde de carbone (CO2) une nécessité mondiale urgente.
Le secteur du bâtiment est en fait responsable d’environ 42% des émissions mondiales annuelles de CO2. Bien que les opérations des bâtiments en soient principalement responsables, les matériaux de construction et d’infrastructure jouent également un rôle important ici.
Cela en fait la force motrice du changement climatique, dont les effets négatifs sont déjà observés lors d’événements météorologiques fréquents et plus dévastateurs.
Ainsi, nous devons construire non seulement des façades adaptatives capables de réduire le besoin de chauffage et de climatisation actifs, diminuant ainsi la consommation d’énergie et l’impact environnemental des bâtiments, mais aussi une architecture plus résiliente capable de résister aux défis posés par le changement climatique.
Pour construire de telles façades adaptatives, les architectes doivent utiliser des stratégies de conception qui intègrent les caractéristiques environnementales locales uniques. Cela se traduit simplement par la priorisation d’une architecture climatiquement réactive.
Ce type d’architecture se concentre sur la conception de bâtiments à haute efficacité énergétique adaptés au climat même dans lequel ils sont construits. Cela nécessite de prendre en compte des facteurs tels que la saisonnalité, l’ombrage naturel, les schémas de précipitations, l’humidité, etc.
Au lieu de lutter contre le climat local, les bâtiments climatiquement réactifs travaillent avec les conditions régionales pour offrir un confort maximal à l’occupant tout en utilisant le moins d’énergie possible.
En adoptant cette approche de mise en œuvre de stratégies de conception passive, les villes et les cités peuvent être construites pour les protéger de la fréquence croissante et des atrocités des événements météorologiques sévères résultant du changement climatique.
En plus d’améliorer la résilience des bâtiments en les préparant mieux à résister aux intempéries et aux catastrophes naturelles, l’architecture climatiquement réactive offre les avantages de coûts opérationnels réduits grâce à l’utilisation de systèmes naturels et passifs.
En utilisant la lumière du jour et la ventilation naturelle au lieu de systèmes qui consomment de l’électricité, les coûts opérationnels liés à l’énergie peuvent être considérablement réduits. L’utilisation intensive de ces systèmes a la capacité de réduire la consommation d’énergie jusqu’à 90 %. Ces systèmes passifs, comme le flux d’air naturel, améliorent même la productivité des occupants.
En améliorant l’efficacité énergétique, en réduisant les émissions de carbone et en protégeant les ressources naturelles, cette architecture contribue également à la durabilité environnementale.
Cependant, les bâtiments climatiquement réactifs présentent également le défi de coûts initiaux élevés en raison de l’utilisation de matériaux durables et du processus de construction long et complexe. Il y a aussi la question des obstacles réglementaires.
Bien sûr, les gouvernements prennent des initiatives, et les réglementations concernant l’efficacité énergétique du CVC et l’isolation thermique ont beaucoup progressé, mais il manque encore de règles de soutien pour les conceptions climatiquement réactives. Accroître l’adoption de ces architectures nécessite également de se concentrer sur l’éducation et l’investissement dans les compétences connexes.
Malgré les défis, nous constatons un intérêt croissant pour ces bâtiments. Certains des éléments clés d’une telle conception adaptative comprennent l’utilisation de sources naturelles pour le flux d’air et la ventilation, une conception solaire passive qui prend en compte la position du soleil, des matériaux naturellement durables comme le bois et le bambou, ainsi que des éléments verts sur les toits et les murs.
Ombrage adaptatif bio-inspiré et réactif aux conditions météorologiques
Parmi les architectures climatiquement réactives, les systèmes d’ombrage adaptatif sont un excellent moyen de réguler le climat intérieur de façon plus efficace en modifiant dynamiquement leur forme, orientation ou propriétés thermiques en réponse aux conditions météorologiques externes.
Cependant, le problème réside dans la dépendance de ces systèmes d’ombrage cinétique à l’énergie de fonctionnement pour activer les dispositifs électromécaniques qui entraînent de multiples pièces mobiles. Ces assemblages complexes sont vulnérables aux dysfonctionnements, nécessitant alors des réparations coûteuses.
Bien qu’il existe des alternatives sous forme de verre teinté passif anti-soleil, elles filtrent trop de lumière naturelle. Alors, quelle est la solution ? Eh bien, elle se trouve dans la nature.
Une nouvelle étude1 menée par des chercheurs des universités de Fribourg et de Stuttgart s’est tournée vers la nature et a découvert qu’il existe déjà des solutions d’adaptation. Elles s’inspirent de matériaux biologiques et répondent passivement aux stimuli externes.
La solution que les chercheurs ont prise comme modèle était les cônes de pin, qui réagissent à l’environnement et changent de forme malgré le fait que leurs systèmes matériels soient complètement morts. Le cône de pin s’ouvre et se ferme en réponse aux variations de température et d’humidité sans consommer d’énergie métabolique.
En utilisant le cône de pin comme modèle, les chercheurs ont développé un nouveau système de façade autonome en énergie qui s’adapte passivement aux conditions météorologiques. Baptisé « Solar Gate », le système a été installé sur la coquille biomimétique livMatS de l’Université de Fribourg. livMatS, ou « Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems » (livMatS), est un bâtiment de recherche.
Au lieu de dépendre de « dispositifs techniques élaborés », comme le font la plupart des tentatives de réactivité dans les façades architecturales, cette recherche « explore comment exploiter la réactivité du matériau lui‑même grâce à la conception computationnelle avancée et à la fabrication additive », a déclaré le professeur Achim Menges, directeur de l’Institut de conception et construction computationnelles (ICD) à l’Université de Stuttgart.
Selon Menges, qui est également le porte‑parole du Cluster d’excellence Conception et Construction Computationnelles Intégratives pour l’Architecture (IntCDC), leur approche leur a permis de créer un système d’ombrage qui s’ouvre et se ferme de façon autonome en réponse aux changements météorologiques.
Cet effet est réalisé sans recourir à des éléments mécatroniques ou à de l’énergie opérationnelle. Ici, « la structure biomatérielle elle‑même est la machine ».
Ce système d’ombrage adaptatif et réactif aux conditions météorologiques est le premier à fonctionner sans énergie électrique. En plus du design bio‑inspiré, les chercheurs ont utilisé des matériaux naturels et des technologies largement accessibles pour le « Solar Gate ».
La technologie utilisée ici était l’impression 3D, également appelée fabrication additive, qui permet la fabrication de formes et de structures complexes. Dans ce processus, des objets tridimensionnels sont créés à partir d’un fichier numérique en déposant successivement des couches de matériau. L’impression 3D permet le prototypage rapide, la personnalisation, des économies de coûts et une grande précision, tout en offrant une liberté de conception.
L’équipe a utilisé des imprimantes 3D standard pour reproduire la structure dépendante de la direction de la cellulose dans les tissus végétaux.
La cellulose est la biomasse la plus abondante sur Terre. C’est également un matériau naturel, peu coûteux, biodégradable et renouvelable qui possède surtout des caractéristiques hygromorphes inhérentes, permettant à l’ombrage adaptatif d’être durable.
Cette propriété hygromorphe, qui représente le gonflement et le rétrécissement avec les variations d’humidité, est fréquemment observée dans la nature. L’ouverture et la fermeture des écailles des cônes de pin en sont un exemple.
En tirant parti de cette propriété, l’équipe a conçu sur mesure des fibres de cellulose d’origine biologique, puis les a imprimées en 4D dans une structure bi‑couche en s’inspirant des écailles de cône de pin.
Une technique de fabrication computationnelle a également été développée par les chercheurs pour contrôler l’extrusion de matériaux cellulosiques via l’imprimante 3D FFF.
Les systèmes matériels produits ici peuvent changer de forme de façon autonome en réponse à des stimuli externes. Les matériaux cellulosiques absorbent l’humidité et se dilatent lorsque l’humidité est élevée, faisant courber et ouvrir les éléments. En revanche, à faible humidité, ces matériaux libèrent l’humidité et se contractent, faisant aplatir et fermer les éléments imprimés.
“Inspiré par les mouvements hygroscopiques des écailles des cônes de pin et des bractées du chardon argenté, Solar Gate a réussi à transposer non seulement la haute fonctionnalité et la robustesse des modèles biologiques dans un système d’ombrage bio‑inspiré, mais aussi l’esthétique des mouvements végétaux.”
– Professeur Thomas Speck, porte‑parole de livMatS et responsable du groupe de biomécanique végétale de Fribourg à l’Université de Fribourg
Le système d’ombrage adaptatif bio‑inspiré a déjà été testé dans le monde réel pour sa fonctionnalité et sa durabilité. L’équipe l’a installé sur le puits de lumière orienté sud de la coquille biomimétique livMatS, qui aide à réguler le climat intérieur du bâtiment.
Pendant la période de plus d’un an, il a été observé que, en hiver, les éléments d’ombrage imprimés en 4D s’ouvrent et permettent un chauffage naturel en laissant entrer la lumière du soleil, et se ferment en été pour réduire le rayonnement solaire.
Le « Solar Gate » est uniquement alimenté par les cycles climatiques et ne nécessite aucune énergie électrique, représentant une alternative efficace en ressources et autonome en énergie aux systèmes d’ombrage traditionnels. Le système d’ombrage imprimé en 4D et bio‑inspiré offre également les avantages d’un faible coût, d’une faible consommation de matériaux, d’une construction légère et d’une robustesse opérationnelle accrue.
Ce système, selon les chercheurs, a des implications bien plus vastes que les seules façades de bâtiments. Ils ont écrit qu’il peut également impacter des domaines plus larges de l’architecture, de l’ingénierie et de la construction.
Dans les travaux futurs, les chercheurs examineront plus en profondeur la dégradation induite par les UV et ses effets à long terme ainsi que l’usure mécanique du Solar Gate, et quantifieront l’amélioration de la régulation du climat intérieur.
Tuiles de toit adaptatives
Dans le passé, nous avons également couvert comment scientistes de l’Université de Californie, Santa Barbara, ont développé des tuiles de toit adaptatives. Ces tuiles pourraient réduire considérablement les coûts énergétiques. Leur secret est un « commutateur radiatif » qui bascule entre les modes chauffage et refroidissement, réagissant à la température extérieure. Les tuiles s’ajustent à moins de 3 degrés Celsius de la cible. Et comparées aux systèmes classiques, elles sont plus de 2,5 fois plus efficaces. Le résultat est des factures plus basses et une moindre dépendance aux combustibles fossiles.
Au cœur de cette innovation se trouve un petit dispositif carré de 4 pouces. Il ajuste la quantité de chaleur qu’il rayonne en fonction du temps. L’objectif est de maintenir des températures intérieures stables—environ 65 °F (18 °C)—sans besoin d’alimentation constante. Cependant, cette technologie n’est pas encore commercialisée, mais lorsqu’elle le sera, elle pourra économiser de l’énergie, réduire les coûts et contribuer à rendre les bâtiments plus verts.
Entreprises
Examinons maintenant quelques entreprises publiques engagées dans l’architecture adaptative grâce à leur concentration sur des solutions innovantes d’efficacité énergétique, de durabilité des bâtiments et de performance des matériaux.
1. Johnson Controls International
Johnson Controls propose le plus vaste portefeuille d’équipements et de contrôles CVC pour des environnements de bâtiment plus confortables, sains et durables. Les solutions CVC de l’entreprise peuvent fournir un air nettement plus propre et offrir un contrôle climatique total. Ses services prédictifs et diagnostiques détectent quant à eux les problèmes liés à la structure avant que les dommages liés aux séismes ne surviennent. Elle propose également une maintenance planifiée et préventive ainsi qu’une gestion à distance des bâtiments.
Avec la course à la décarbonisation en cours, Johnson Controls assure la durabilité grâce à ses systèmes de chauffage et de refroidissement efficaces qui offrent un contrôle climatique performant tout en optimisant l’utilisation d’énergie. Le portefeuille d’équipements CVC de l’entreprise est conçu pour maximiser l’efficacité énergétique.
En plus des CVC, l’entreprise propose également une plateforme IoT, OpenBlue, qui permet une exploitation et une optimisation intelligentes et proactives. La plateforme peut traiter un million de points de données par minute et vise à rendre les bâtiments plus intelligents et plus efficaces.
Johnson Control utilise également massivement l’IA dans ses solutions de sécurité pour les environnements d’entreprise, commerciaux et résidentiels. L’entreprise a en outre étendu ses capacités d’IA dans son OpenBlue Enterprise Manager, visant à porter les insights des données à un niveau supérieur. Ces améliorations, associées aux mises à niveau d’équipements et aux services proactifs, offrent aux clients jusqu’à 30 % de réduction des dépenses énergétiques, jusqu’à 20 % de réduction des dépenses de maintenance et 10 % d’optimisation de l’utilisation de l’espace.
“Ces nouvelles fonctionnalités basées sur l’IA améliorent non seulement l’efficacité opérationnelle et la durabilité, mais aussi donnent aux propriétaires et aux exploitants de bâtiments des niveaux d’insight et de contrôle sans précédent. Nous nous engageons à innover en pionnier des solutions qui favorisent l’automatisation et créent des environnements plus intelligents et plus réactifs pour nos clients.”
– CTO Vijay Sankaran
Au moment de la rédaction, les actions JCI se négocient à 82,10 $, en hausse de 4,02 % depuis le début de l’année, avec une capitalisation boursière de 54,19 milliards $. Johnson Controls affiche un BPA (TTM) de 2,09, tandis que son ratio P/E (TTM) est de 39,27. L’entreprise verse un rendement de dividende de 1,80 %.
JCI Graphique du prix
Pour son dernier trimestre déclaré, c’est‑à‑dire le T3 2024, le chiffre d’affaires de Johnson Controls est tombé en dessous des attentes avec 6,25 milliards $. Son bénéfice non‑GAAP de 1,28 $ par action a toutefois dépassé les estimations consensuelles des analystes de 2,6 %. Le PDG et président George Oliver a déclaré à l’époque qu’ils étaient « très satisfaits » d’avoir réalisé une « croissance organique à deux chiffres des ventes et une forte expansion des marges ».
Selon Statista, Johnson Controls a généré des ventes nettes mondiales de près de 26,8 milliards $ au cours de l’exercice 2023, soit une hausse d’environ 6 % par rapport à l’année précédente.
Plus récemment, l’entreprise a acquis Webeasy, basée aux Pays‑Bas, un fournisseur d’automatisation et de contrôles de bâtiments qui s’alignera sur la mission de Johnson Controls d’innover des solutions de bâtiments écoénergétiques et durables.
2. Owens Corning
Fournisseur de matériaux de construction et de rénovation, Owens Corning (OC ) possède quatre activités : toitures, portes, composites et isolation.
Les solutions d’isolation de l’entreprise conviennent à pratiquement toutes les situations de construction, couvrant les murs extérieurs, les systèmes de toiture et le CVC. Ses solutions de bâtiment offrent la conformité aux exigences énergétiques et aux codes du bâtiment, une performance thermique de haut niveau, une résistance à l’air/l’eau, le contrôle de l’humidité et une performance acoustique.
Les utilisateurs privilégient les services d’isolation de l’entreprise pour leur efficacité énergétique, leur durabilité, leurs performances à long terme, leur facilité d’installation et leur entretien minimal.
OC Graphique du prix
Au moment de la rédaction, les actions OC se négocient à 187,57 $, en hausse de 10,13 % depuis le début de l’année, avec une capitalisation boursière de 16,09 milliards $. Owens Corning affiche un BPA (TTM) de 11,76, tandis que son ratio P/E (TTM) est de 15,96. L’entreprise verse un rendement de dividende de 1,47 %.
En ce qui concerne les finances de l’entreprise, pour le troisième trimestre 2024, elle a déclaré des ventes nettes de 3 milliards $, soit une hausse de 23 % par rapport à l’année précédente. Son activité récemment acquise de portes a contribué à plus d’un demi‑milliard de dollars. Le BPA dilué déclaré était de 3,65 $ et le BPA dilué ajusté de 4,38 $. Le flux de trésorerie disponible pendant cette période était de 558 millions $.
Owens Corning a retourné un total de 252 millions $ à ses actionnaires sous forme de dividendes et de rachats d’actions. En parlant de sa solidité financière, le directeur financier Todd Fister a déclaré :
“Nous avons démontré la forte capacité de bénéfice et le potentiel de génération de trésorerie de l’entreprise. Notre équipe a livré une croissance du chiffre d’affaires et du résultat net grâce à une exécution commerciale et opérationnelle de premier ordre.”
En ce qui concerne les efforts de durabilité de l’entreprise, le portefeuille de produits d’Owens Corning aide ses clients à économiser de l’énergie et à réduire les émissions. Dans son rapport de durabilité 2023, Owens Corning a eu 14 de ses produits certifiés comme fabriqués avec 100 % d’électricité renouvelable, représentant un quart du chiffre d’affaires total de l’entreprise.
L’entreprise a également déclaré avoir réalisé une réduction de 28 % des émissions de Scope 1 et 2 par rapport à une base de 2018, se rapprochant ainsi de son objectif de réduction de 50 % des émissions de GES d’ici 2030. Des progrès ont également été réalisés par Owens Corning dans ses efforts de recycler deux millions de tonnes de bardeaux par an aux États‑Unis d’ici la fin de cette décennie.
L’entreprise de matériaux de construction a également investi dans une installation de fabrication de nattes de verre de 52 000 m² pour fournir à l’industrie des matériaux de construction durables et plus résistants.
Conclusion
Les émissions mondiales de carbone augmentent à un rythme rapide, entraînant une élévation de la température de la Terre et provoquant des conditions météorologiques extrêmes, une augmentation des incendies de forêt et des perturbations de l’approvisionnement alimentaire. Avec les bâtiments représentant une proportion considérable des émissions mondiales de carbone, il est extrêmement important de réduire l’énergie requise pour le chauffage, la climatisation et la ventilation. En même temps, les structures doivent être capables de résister aux catastrophes climatiques.
La réponse à ces deux besoins est l’architecture climatiquement réactive, qui nécessite de prêter attention et d’incorporer le climat local et les caractéristiques géographiques de la région dans la conception des bâtiments. Étant donné la grande capacité de l’architecture climatiquement réactive à réduire les émissions mondiales de carbone dans le secteur et à limiter la production de déchets, il est nécessaire d’obtenir un soutien réglementaire et, bien sûr, une innovation constante.
Des études comme le « Solar Gate » apportent des solutions prometteuses au problème qui peuvent répondre aux défis environnementaux et satisfaire les besoins fonctionnels du bâti. Elles soulignent également le potentiel de technologies accessibles telles que la fabrication additive et les matériaux abondants et renouvelables comme la cellulose pour contribuer à des solutions architecturales durables.
En adoptant des matériaux naturels et des conceptions bio‑inspirées ainsi que des techniques de fabrication numériques, nous pouvons construire des structures sûres, durables et un avenir résilient !
Référence de l’étude :
1. Cheng, T., Tahouni, Y., Sahin, E. S., Ulrich, K., Lajewski, S., Bonten, C., Wood, D., Rühe, J., Speck, T., & Menges, A. (2024). Weather-responsive adaptive shading through biobased and bioinspired hygromorphic materials. Nature Communications, 15, Article 54808. https://www.nature.com/articles/s41467-024-54808-8
