Les ingénieurs ont conçu un nouveau système qui peut aider à refroidir les bâtiments dans les zones métropolitaines surpeuplées sans consommer d'électricité, une innovation importante à l'heure où les villes s'efforcent de s'adapter au changement climatique.

Le système se compose d'un matériau spécial—un film polymère/aluminium peu coûteux—qui est installé à l'intérieur d'une boîte au fond d'un "abri" solaire spécialement conçu. Le film aide à garder son environnement frais en absorbant la chaleur de l'air à l'intérieur de la boîte et en transmettant cette énergie à travers l'atmosphère terrestre dans l'espace. L'abri a un double objectif, aider à bloquer la lumière du soleil entrante, tout en diffusant le rayonnement thermique émis par le film dans le ciel.

"Le polymère reste froid car il dissipe la chaleur par rayonnement thermique, et peut alors refroidir l'environnement, " dit le co-premier auteur Lyu Zhou, un doctorat candidat en génie électrique à l'Université de Buffalo School of Engineering and Applied Sciences. "C'est ce qu'on appelle le refroidissement radiatif ou passif, et c'est très intéressant car il ne consomme pas d'électricité - il n'aura pas besoin d'une batterie ou d'une autre source d'électricité pour réaliser le refroidissement."

"L'une des innovations de notre système est la capacité de diriger délibérément les émissions thermiques vers le ciel, " dit le chercheur principal Qiaoqiang Gan, Doctorat., UB professeur agrégé de génie électrique. "Normalement, les émissions thermiques se propagent dans toutes les directions. Nous avons trouvé un moyen de diffuser les émissions dans une direction étroite. Cela permet au système d'être plus efficace en milieu urbain, où il y a de grands immeubles de tous les côtés. Nous utilisons à faible coût, matériaux disponibles dans le commerce, et trouve qu'ils fonctionnent très bien."

Pris ensemble, le système d'abris et de boîtes conçu par les ingénieurs mesure environ 18 pouces (45,72 centimètres), 10 pouces de large et 10 pouces de long (25,4 centimètres). Pour refroidir un bâtiment, de nombreuses unités du système devraient être installées pour couvrir un toit.

La recherche sera publiée le 5 août dans Durabilité de la nature . L'étude était une collaboration internationale entre le groupe de Gan à UB, Le groupe de Boon Ooi à l'Université des sciences et technologies King Abdullah (KAUST) en Arabie saoudite, et le groupe de Zongfu Yu à l'Université du Wisconsin-Madison. Avec Zhou, les co-premiers auteurs sont Haomin Song, Doctorat., Professeur assistant de recherche en génie électrique à l'UB, et Jianwei Liang chez KAUST. L'étude a été financée en partie par la National Science Foundation.

Un système qui fonctionne pendant la journée et dans des environnements surpeuplés

Le nouveau système de refroidissement passif répond à un problème important sur le terrain :comment le refroidissement radiatif peut fonctionner pendant la journée et dans les zones urbaines surpeuplées.

"Au cours de la nuit, le refroidissement radiatif est facile car nous n'avons pas d'apport solaire, donc les émissions thermiques s'éteignent et nous réalisons facilement un refroidissement radiatif, " Song dit. "Mais le refroidissement pendant la journée est un défi parce que le soleil brille. Dans cette situation, vous devez trouver des stratégies pour empêcher les toits de chauffer. Il faut aussi trouver des matériaux émissifs qui n'absorbent pas l'énergie solaire. Notre système répond à ces défis."

Lorsqu'il est placé à l'extérieur pendant la journée, le film dégageant de la chaleur et l'abri solaire ont aidé à réduire la température d'un petit espace clos d'un maximum d'environ 6 degrés Celsius (11 degrés Fahrenheit). La nuit, ce chiffre est passé à environ 11 degrés Celsius (environ 20 degrés Fahrenheit).

Comment une architecture innovante peut favoriser le refroidissement radiatif

Le nouveau système de refroidissement radiatif intègre un certain nombre de caractéristiques de conception optiquement intéressantes.

L'un des composants centraux est le film polymère/métal, qui est fabriqué à partir d'une feuille d'aluminium recouverte d'un polymère transparent appelé polydiméthylsiloxane. L'aluminium réfléchit la lumière du soleil, tandis que le polymère absorbe et dissipe la chaleur de l'air ambiant. Les ingénieurs ont placé le matériau au fond d'une boîte en mousse et ont érigé un "abri" solaire au sommet de la boîte, utiliser un matériau absorbant l'énergie solaire pour construire quatre murs inclinés vers l'extérieur, avec un cône carré inversé à l'intérieur de ces murs.

Cette architecture a un double objectif :d'abord, il aide à éponger la lumière du soleil. Seconde, la forme des parois et du cône dirigent la chaleur émise par le film vers le ciel.

"Si vous regardez le phare de votre voiture, il a une certaine structure qui lui permet de diriger la lumière dans une certaine direction, " dit Gan. "Nous suivons ce genre de conception. La structure de notre système de mise en forme de faisceau augmente notre accès au ciel. La capacité de diriger les émissions améliore les performances du système dans les zones surpeuplées."