La nouvelle peinture offre une isolation supplémentaire, permettant des économies d'énergie, de coûts et d'émissions de carbone.

14 août 2023

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par Mark Golden, Stanford University

Les scientifiques de l'Université Stanford ont inventé un nouveau type de peinture qui peut maintenir les maisons et autres bâtiments plus frais en été et plus chauds en hiver, réduisant ainsi considérablement la consommation d'énergie, les coûts et les émissions de gaz à effet de serre.

Le chauffage et la climatisation représentent environ 13% de la consommation mondiale d'énergie et environ 11% des émissions de gaz à effet de serre. Les nouvelles peintures ont réduit l'énergie utilisée pour le chauffage d'environ 36% dans des expériences utilisant des environnements artificiels froids, selon une étude publiée aujourd'hui dans Proceedings of the National Academy of Sciences. Elles ont réduit de près de 21% l'énergie nécessaire pour le refroidissement dans des conditions chaudes artificielles. Dans des simulations d'un immeuble d'appartements typique à hauteur moyenne dans différentes zones climatiques des États-Unis avec la nouvelle peinture sur les murs extérieurs et les toits, la consommation totale d'énergie de chauffage, de ventilation et de climatisation a diminué de 7,4% au cours d'une année.

« Les émissions et l'énergie provenant du chauffage devraient continuer à baisser en raison des progrès de l'efficacité énergétique, mais l'utilisation de la climatisation augmente, surtout dans les économies en développement d'un monde qui se réchauffe », a déclaré l'auteur principal de l'étude, Yi Cui, professeur de science et d'ingénierie des matériaux, de science et d'ingénierie de l'énergie, et de science des photons au SLAC National Accelerator Laboratory.

« Pour le chauffage et la climatisation, nous devons réduire l'énergie et les émissions à l'échelle mondiale pour atteindre nos objectifs de zéro émission », a déclaré Cui, qui dirige l'Institut Precourt pour l'énergie et l'accélérateur de durabilité, tous deux au sein de la Stanford Doerr School of Sustainability. « La manière de réduire les échanges de chaleur entre l'environnement de vie et de travail des êtres humains et leur environnement suscite de plus en plus d'attention, et de nouveaux matériaux pour une isolation améliorée, tels que des films à faible émissivité pour les fenêtres, sont demandés. »

Les peintures à faible émissivité actuelles ont généralement une couleur argentée ou grise qui limite leur utilisation esthétique. Les peintures nouvellement inventées ont deux couches appliquées séparément : une couche inférieure réfléchissante dans l'infrarouge à l'aide de paillettes d'aluminium et une couche supérieure ultramince transparente dans l'infrarouge à l'aide de nanoparticules inorganiques, disponible dans une large gamme de couleurs. Le spectre infrarouge de la lumière du soleil provoque 49% du chauffage naturel de la planète lorsqu'il est absorbé par les surfaces.

Pour éviter la chaleur, la peinture peut être appliquée sur les murs extérieurs et les toits. La plupart de cette lumière infrarouge traverse la couche de couleur des nouvelles peintures, se réfléchit sur la couche inférieure et ressort sous forme de lumière sans être absorbée par les matériaux de construction sous forme de chaleur. Pour conserver la chaleur à l'intérieur, les peintures sont appliquées sur les murs intérieurs, où à nouveau, la couche inférieure réfléchit les ondes infrarouges qui transfèrent l'énergie à travers l'espace et sont invisibles à l'œil humain.

Plus précisément, jusqu'à environ 80% de la lumière infrarouge moyenne supérieure est réfléchie par les peintures, accomplissant la majeure partie du travail de conservation de la chaleur pendant les périodes froides et à l'extérieur pendant les périodes chaudes. La couche de couleur réfléchit également une partie de la lumière infrarouge proche, ce qui améliore la réduction de la climatisation. L'équipe de recherche a testé ses peintures en blanc, bleu, rouge, jaune, vert, orange, violet et gris foncé. Les chercheurs ont découvert qu'elles étaient 10 fois meilleures que les peintures conventionnelles de même couleur pour réfléchir la lumière infrarouge moyenne supérieure.

Les peintures peuvent être appliquées au-delà des bâtiments pour améliorer l'efficacité énergétique ailleurs. Par exemple, elles pourraient recouvrir les camions et les wagons utilisés pour le transport réfrigéré, où les coûts de refroidissement peuvent représenter jusqu'à la moitié du budget de transport.

« Les deux couches peuvent être pulvérisées sur diverses surfaces de formes et de matériaux variés, fournissant une barrière thermique supplémentaire dans de nombreuses situations différentes », a déclaré Yucan Peng, co-auteur principal de l'étude, qui a terminé son doctorat en science des matériaux à Stanford en 2020 et est maintenant chercheur postdoctoral au Geballe Laboratory for Advanced Materials de Stanford.

The researchers also evaluated how practical their paints would be in various situations. Both layers are water-repellant, which should enhance stability in humid environments. Painted surfaces can be cleaned easily with wet cloth or water flushing, the researchers report. Furthermore, the paints' performance and aesthetics were not diminished after continuous exposure for one week to high temperature (176 degrees Fahrenheit), low temperature (-320.5 degrees Fahrenheit), as well as high acidic and low acidic environments. The paint actually increased the use of air conditioning slightly in some U.S. cities, but no location showed an increased total HVAC load.

'Our team continues to work on refining the paint formulations for practical applications,' said the study's other co-lead author, Jian-Cheng Lai, a postdoctoral scholar advised by Zhenan Bao, professor of chemical engineering. 'For example, water-based solutions would be more environmentally friendly than the organic solvents we used. That could facilitate the commercialization of the paints.'

Journal information: Proceedings of the National Academy of Sciences

Provided by Stanford University