fr.wedoany.com Rapport : Une recherche préliminaire menée à l’Université polytechnique de Californie (California Polytechnic State University, Cal Poly) utilise la simulation multiphysique pour relier les mesures optiques à l’échelle du revêtement à la réponse thermique à l’échelle du bâtiment. Les résultats de simulation montrent que les peintures réfléchissant les infrarouges produisent généralement, sous une même charge solaire, une température intérieure moyenne spatialement plus basse que les systèmes de pigments traditionnels, l’écart près du pic de température étant de l’ordre de plusieurs degrés Celsius.
Les peintures réfléchissant les infrarouges sont de plus en plus utilisées pour réduire le gain de chaleur solaire tout en conservant les couleurs sombres ou saturées souhaitées sur les façades des bâtiments. La réflectance solaire est un indicateur courant pour décrire la performance de ce type de peinture, mais elle ne reflète que la capacité du revêtement à réfléchir la lumière du soleil, sans indiquer directement de combien le mur revêtu, l’espace intérieur ou l’ensemble du bâtiment se rafraîchira dans des conditions réelles. Entre les propriétés optiques et la réponse thermique à l’échelle du bâtiment, de multiples facteurs interviennent : intensité solaire, vent, température ambiante, construction du mur, isolation, masse thermique, ventilation et fonctionnement du système de chauffage, ventilation et climatisation.
Ces matériaux conservent leur couleur visible en réfléchissant une plus grande proportion du rayonnement proche infrarouge, ce qui est particulièrement important pour les peintures de couleur sombre. Des travaux antérieurs de Ray Fernando, Olivia Everitt et Caleb Hall à Cal Poly ont déjà confirmé leur potentiel au niveau de la formulation : un pigment noir réfléchissant les infrarouges pour peinture de façade présente, sous une apparence visible similaire, une réflectance solaire nettement supérieure à celle du noir de carbone traditionnel. Mais la chimie du pigment n’est pas le seul facteur déterminant : l’épaisseur du film, la couleur du support, la taille des particules de charge, la brillance, l’opacité, la rhéologie et les conditions d’application influencent également la réflectance et le comportement thermique final.
Pour intégrer ces variables dans un cadre d’analyse unifié, l’étudiant chercheur Carson Dorough et le professeur associé Erik Sapper ont développé un modèle couplé de transfert de chaleur et d’écoulement de fluide basé sur COMSOL Multiphysics. Ce modèle couple le rayonnement solaire absorbé à la surface du revêtement, la conduction thermique dans les composants du mur, la convection aux frontières intérieures et extérieures, ainsi que l’évolution de l’état thermique intérieur, convertissant les propriétés optiques en réponse de température plus proche de l’utilisation réelle. Le mur représentatif est composé d’une plaque de plâtre de 12,7 mm, d’une couche isolante en polystyrène expansé de 50,8 mm et d’une seconde plaque de plâtre de 12,7 mm ; pour chaque couche, la masse volumique, la capacité thermique et la conductivité thermique sont définies. La charge solaire est calculée selon le spectre de référence ASTM G173, combiné aux réflectances mesurées expérimentalement ; l’apport solaire varie sur un cycle diurne de 12 heures. La température extérieure et la vitesse du vent restent fixes dans chaque cas afin d’isoler l’effet du choix de la peinture.
Les simulations préliminaires comparent la peinture réfléchissant les infrarouges aux systèmes de pigments traditionnels, couvrant trois températures extérieures et trois vitesses de vent fixes, les deux scénarios partant du même état thermique intérieur. Dans toutes les conditions simulées, la température intérieure moyenne spatialement de la peinture réfléchissant les infrarouges est plus basse, l’écart près du pic de température en fin de journée étant de l’ordre de plusieurs degrés Celsius.
Ce résultat transforme les mesures spectrales en une différence de performance thermique perceptible : les données de réflectance indiquent la quantité de lumière solaire réfléchie par la peinture, tandis que le modèle estime l’impact de cette différence sur le mur revêtu et l’environnement intérieur adjacent. Les chercheurs rappellent toutefois que la performance d’une peinture doit être évaluée dans son contexte spécifique. Dans les environnements froids, une absorption solaire réduite peut également diminuer le gain de chaleur passif utile ; la peinture optimale dépend donc du climat, de la saison, de l’orientation, de la construction du bâtiment et de la stratégie d’exploitation, et non d’une seule valeur de réflectance. Le modèle actuel présente une géométrie simplifiée, des conditions extérieures prédéfinies et n’a pas été calibré sur des mesures de murs ou de pièces instrumentés ; les écarts de température prédits ne doivent pas être utilisés pour des déclarations de performance produit. Leur valeur directe réside dans le criblage comparatif, afin de déterminer si l’avantage optique mesuré justifie la poursuite des recherches de formulation, des essais sur panneaux et des validations sur site.
Lorsqu’un modèle par éléments finis est relié à des données matérielles mesurées et fait l’objet d’améliorations continues par validation, il constitue la base d’un jumeau numérique de la peinture. Un premier niveau peut relier la réflectance spectrale et l’émissivité thermique au bilan thermique du substrat revêtu ; les niveaux suivants peuvent intégrer les fichiers météorologiques locaux, l’angle solaire, l’orientation du toit ou du mur, la géométrie du bâtiment, la ventilation, l’occupation et le contrôle du système de chauffage, ventilation et climatisation. Les facteurs de vieillissement peuvent également être introduits : les données d’encrassement, de rugosification, de farinage, de décoloration et de dégradation du liant obtenues en laboratoire et en exposition extérieure peuvent être utilisées pour mettre à jour les propriétés optiques du jumeau numérique et estimer l’évolution du bénéfice de refroidissement au fil des années d’utilisation. L’analyse de sensibilité peut également comparer les effets des systèmes de pigments, de l’épaisseur du revêtement, du niveau d’isolation, de la construction du mur, de la localisation géographique et de l’orientation de la façade, et identifier les cas de rendements décroissants — si d’autres voies de transfert thermique, telles qu’une isolation insuffisante, des fuites d’air ou des apports de chaleur internes, dominent, une réflectance accrue ne se traduit pas toujours par une réduction proportionnelle de la température intérieure ; si les prédictions sont très sensibles à l’émissivité thermique, à la teneur en humidité ou à la réflectance vieillie, ces propriétés devraient être mesurées en priorité plutôt que supposées fixes.
La prochaine étape de validation expérimentale est essentielle pour déterminer la valeur du modèle. Des murs d’essai instrumentés ou une petite enveloppe peuvent être utilisés pour comparer deux systèmes de peinture, en enregistrant la température de surface, le flux thermique, la température de l’air intérieur, l’irradiance solaire, la température ambiante et les conditions de vent, afin de déterminer les axes d’amélioration du modèle et les limites d’incertitude. L’objectif de ce travail n’est pas de remplacer les essais d’exposition extérieure, les études de vieillissement ou la modélisation complète de la consommation énergétique des bâtiments, mais de relier ces éléments par un jumeau numérique validé, de réduire le criblage expérimental aveugle et de permettre aux laboratoires de concentrer leurs ressources sur les variables les plus influentes.
