D >> La Gestion Active du Confort

6 / État de la recherche, le futur réside dans les nouveaux matériaux ou « matériaux intelligents ».
 
 « Pour les amateurs de ski, cette affaire-là a tou¼jours été un casse-tête : quel anorak choisir ne pas transpirer en dévalant les pistes, ni geler en les remontant en télésiège ? La question est aujourd'hui résolue : il faut enfi¼ler un blouson «thermorégu¼lant». Les fibres high-tech de ce textile dernier cri sont en effet bourrées d'une sorte de paraf¼fine qui possède la propriété de passer de l'état liquide (lors¼qu'elle absorbe des thermies) à l'état solide (quand elle les rend). Grâce à quoi, ces vête¼ments emmagasinent de la cha¼leur lorsque le corps du slalo¼meur en émet, pour la lui restituer quand il se refroidit. Autant dire génial.
 
Mais pas exceptionnel. Mis au point par l'américain Oulast et le suisse Schoeller, ce pro¼cédé préfigure en fait toute une génération de matériaux dits «intelligents». Leurs caractéris¼tiques : réagir aux changements de température, aux sollicita¼tions mécaniques, à la modifi¼cation de la pression, ou encore être capables de transmettre de l'information vers l'extérieur. En général, il s'agit de compo¼sites intégrant à une matière de base des éléments électro¼niques ou des particules. Mais ils pourront être également de nature biochimique, fabriqués, le cas échéant, à partir d'orga¼nismes génétiquement modi¼fiés. «La rencontre de l'univers des matériaux avec le monde du vivant ouvre d'immenses pers¼pectives», estime Jean-François Baumard, responsable du pro¼gramme Matériaux au CNRS - le deuxième plus gros budget du Centre. Certaines de ces innovations ont déjà fait leur apparition dans les industries de pointe, comme le Glare, un mélange de fibre de verre et d'aluminium avec lequel sera construit le fuselage du futur A380 d'Airbus. A terme, elles bouleverseront presque tous les secteurs industriels ».
 
6.1 / Matériaux intelligents, définition.
 
Un matériau intelligent est sensible, adaptatif et évolutif. Il possède des fonctions qui lui permettent de se comporter comme un capteur (détecter des signaux), un actionneur (effectuer une action sur son environnement) ou parfois comme un processeur (traiter, comparer, stocker des informations). Ce matériau est capable de modifier spontanément ses propriétés physiques, par exemple sa forme, sa connectivité, sa couleur, en réponse à des excitations naturelles ou provoquées venant de l'extérieur ou de l'intérieur du matériau. Par exemple des variations de température, des contraintes mécaniques, de champs électriques ou magnétiques. Le matériau va donc adapter sa réponse, signaler une modification apparue dans l'environnement et dans certains cas, provoquer une action de correction.
 
 
6.2 / Les vitrages « intelligents ».
 
Aujourd'hui, le recours à la transparence, avec l'architecture de verre, n'est-il pas la réponse à tous ceux qui, sous prétexte d'économiser l'énergie, auraient supprimé la majeure partie des parois vitrées ?
 
On peut relever, parmi les demandes actuelles en matière de façade, quelques éléments durables. Ainsi, pour ce qui concerne la relation avec la matière, on constate une tendance à rechercher des matériaux lisses et peu salissants, Si possible présentant des reflets variables. Le vitrage auto-nettoyant, aujourd'hui en cours de développement, pourrait bien se généraliser sur les immeubles tertiaires dès qu'il sera économiquement abordable sur de grandes surfaces. Ce procédé repose sur le principe de la photocatalyse. L'oxyde de titane déposé en couches minces sur le vitrage agit sous l'action des rayons ultra-violets et catalyse la réaction de dégradation des matières organiques. Privées de support, les poussières accrochées à ces composés tombent également et les gouttes d'eau peuvent glisser sur le verre qui a retrouvé une surface lisse.
 
Dans le domaine des vitrages isolants, sous l'impulsion de la demande, on obtient aujourd'hui des performances exceptionnelles en utilisant des couches invisibles mais réfléchissantes au rayonnement énergétique (peu émissives) et des gaz. Les coefficients de transmission thermique des vitrages sont alors divisés par deux.
 
 
6.2.1 / Commander la transparence des vitrages :
 
Les composants de l'enveloppe évoluent depuis quelques années vers un rôle plus actif, plus intelligent, c'est-à-dire réceptifs à leur environnement. Parmi eux, la paroi vitrée joue un rôle vedette. L'examen des différentes fonctions à remplir révèle des difficultés et même des contradictions pour les satisfaire simultanément, ou même successivement.
 
Et Si les vitrages devenaient actifs ? Si leur transparence pouvait varier, être commandée en fonction des besoins ?
 
La propriété de base des matériaux à transparence variable est de présenter une modification importante de leurs propriétés optiques en réponse à un changement d'intensité lumineuse ou de composition spectrale, à une variation de température, à un champ électrique ou à une injection de charges électriques. Les matériaux "photochromes" voient leurs propriétés optiques changer quand ils sont exposés à la lumière. Ils reviennent à l'état initial quand l'exposition s'arrête. Les propriétés optiques des matériaux "thermochromes" changent quand la température augmente et ils retrouvent leur état Initial lors du refroidissement.
 
Les systèmes à cristaux liquides réagissent à un champ électrique. Les molécules de cristaux liquides, de forme allongée (phase nématique) ont une tendance naturelle à s'aligner dans une direction donnée. Lorsqu'elles sont soumises à un champ électrique, elles s'orientent dans une direction précise qui peut faciliter le passage de la lumière. Il n'y a pas de mémoire, le temps de réponse est très rapide. Les systèmes électrochromes sont les seuls à présenter un effet mémoire. Il s'agit d'une cellule électrochimique multicouche dont l'un des éléments passe de l'état absorbant (coloré) à l'état transparent (clair) sous l'effet d'une sollicitation électrique. Deux options sont possibles pour le fonctionnement de systèmes électrochromes installés dans un bâtiment : la commande locale ou la commande centralisée. Le cas des vitrages électrochromes est le premier exemple d'élément d'enveloppe à propriétés variables, à caractère dynamique. Il constitue un cas d'école pour étudier et, si possible, prévoir et préparer les modifications dans les métiers d'installateur, les évolutions dans les pratiques des usagers. Sur le plan domotique, on pourra chercher à intégrer la transparence variable parmi les paramètres d'une gestion optimale de la thermique et des consommations énergétiques en général.
 
« … mais tout aussi technologique, la baie vitrée du salon du XXIe siècle sera en verre «électrochrome». Une simple pression sur un interrupteur électrique suffira à la faire chan¼ger d'opacité (on «étein¼dra» la vitre au lieu de tirer les rideaux) et elle sera extrê¼mement iso¼lante, grâce à l'introduction d'un «aérogel de silice». Les Bureaux d'études de Saint-Gobain planchent déjà sur cette merveille. Notre future villa abritera encore des bouches de chauffage en plas¼tique à mémoire, qui s'ouvriront ou se fermeront toutes seules en fonction des variations de la température, et le tissu de ses canapés sera antipoussière »[1].
 
 
6.3 / Les façades « intelligentes ».
 
« Les façades verront leurs performances augmenter, en particulier leurs performances énergétiques, passives ou actives, variables ou non »[2].
 
Désormais indépendante de la structure, l'enveloppe joue le rôle d'une peau où s'effectuent les échanges entre l’intérieur et l'extérieur du bâtiment. Elle intègre les fonctions d'éclairage, de transferts thermiques et acoustiques, de ventilation. A la recherche d'une plus grande transparence, les architectes peuvent faire appel à une batterie de solutions, comme les nouvelles utilisations du verre (poutres en verre, verres extérieurs collés, verres extérieurs attachés, verres sérigraphiés, ...) mais aussi de nouveaux matériaux comme les aérogels de silice pour réaliser des isolants transparents ou encore les verres électrochromes.
 
« Tout en s'amincissant, les parois seront de plus en plus composées de plusieurs couches. Pour satisfaire les demandes d'amélioration du confort, un seul matériau ne suffit plus. L'alchimiste moderne sera celui qui transformera les matériaux d'aujourd'hui en une matière porteuse et résistante, stable dimensionnellement, isolante thermiquement, isolante aux bruits, insensible au feu, imperméable à l'air et à l'eau, n’émettant ni fibre, ni poussière, ni gaz, pouvant stocker ou émettre de l'énergie, …
Il se passera encore beaucoup de temps avant que l'on découvre ce matériau ! »[3]
 
L’enveloppe « agit » de plus en plus :
 
Jusqu'à maintenant, le fonctionnement de la façade est resté relativement passif les performances sont fixées une fois pour toutes à la conception et ne sont modifiables qu'avec une intervention externe. Seule exception : la baie. Avec l'ouverture des vantaux, les volets, les rideaux, elle peut jouer sur la plupart des propriétés de confort : aération, visuel, thermique d'hiver et d'été, protection de l'intimité.
 
Cependant, depuis quelques années, à la fois pour permettre le progrès et mieux assister l'occupant, grâce à l'informatique et à la motorisation, on assiste au début d'un changement : les façades s'équipent et deviennent « actives ». On peut citer de nombreux exemples : la motorisation des fermetures ou les vitrages pressurisés. On ira beaucoup plus loin dans les années à venir.
 
Les performances des parois seront variables automatiquement ou de façon commandée dans le domaine de la transparence, de la perméabilité à l'air et à la vapeur, de l'isolation thermique.
 
Les façades feront également appel à des matériaux dont la fonction est déclenchée uniquement en cas de besoin, par exemple dans le secteur de la sécurité avec l'irrigation des structures, le bris du vitrage provoqué en cas de rupture du collage, les barrières anti-feu se mettant en place au moment de l'incendie pour ne pas gêner les autres fonctions de la façade (par exemple au moyen de produits expansifs dans les cannelures de drainage), …
 
 
 
6.4 / La maison sans chauffage.
 
A l'avenir, et sous nos climats, les résultats de l'ensemble des efforts de la maîtrise de l'énergie dans les bâtiments auront pour effet une diminution considérable des besoins de chauffage. La maison passive, une forme intelligente de la maison presque sans énergie thermique, repose déjà sur une formule très simple, les déperditions de chaleur sont réduites afin que les sources de chaleur internes (personnes, appareils électriques et d'éclairage) et l'énergie solaire reçue par système passif grâce aux fenêtres orientées au sud suffisent presque à chauffer les pièces. Elle conduit à envisager une nouvelle stratégie d'adaptation des équipements. Un système de chauffage qui représente un investissement lourd n'étant plus rentable, une réduction des coûts sera recherchée grâce à la combinaison de fonctions.
 
La fenêtre faiblement émissive et chauffante en est un exemple, la couche peu émissive de la fenêtre devenant une résistance chauffante. Le recours à des revêtement décoratifs, chauffants ou non, déjà connus, est également une solution, de même que les parois conductrices (béton renforcé par des charges métalliques ou des polymères conducteurs) ou les parois « micro-ondes ».
 
Cependant, le développement de certaines de ces solutions suppose l'émergence de nouveaux dispositifs de sécurité des personnes et un meilleur contrôle des rayonnements électromagnétiques.
 
 
6.5 / Les biotechnologies aux commandes.
 
La métrologie domestique fera largement appel aux biotechnologies avec les capteurs bio-sensibles qui évalueront par exemple la qualité de l'air. Ces biotechnologies, déjà largement exploitées dans l'assainissement centralisé des eaux usées, pourront se développer dans des moquettes qui digèrent les acariens. Les biomatériaux seront employés pour l'autoréparation des bâtiments. Les matériaux à mémoire de forme, qui reviennent à leur forme initiale après une sollicitation, trouveront aussi des applications dans l'autoréparation des murs fissurés ou la réalisation de serrures sans clés, actionnées par une simple commande électrique, …
 
 
6.6 / Récapitulation …
 
« Mais les murs eux-mêmes et les cloisons faits de matériaux intelligents vont être capables de fonctions et de propriétés qui vont révolutionner le bâtiment dans les années à venir. Reliés à des capteurs, à des systèmes électroniques et à des robots domestiques, ces matériaux vont bouleverser notre façon de vivre dans les maisons de demain. À la différence des matériaux passifs capables de lutter contre le bruit ou contre la perte de chaleur (comme le liège ou la laine de verre), les matériaux intelligents pourront s'adapter à leur environnement comme une «  peau » sensible. Par exemple, absorber l'humidité ou au contraire vaporiser de l'eau, comme un humidificateur. Ou encore créer une ventilation quand la température atteint un certain niveau, détruire des odeurs gênantes, tuer des bactéries ou éliminer des acariens dans des tentures ou des moquettes susceptibles de provoquer des allergies chez les occupants d'une pièce ; assombrir un vitrage quand la lumière devient trop forte et même, dans certains cas, être capable d'éliminer les vibrations, voire du bruit, par production d'un antibruit ou d'antivibrations neutralisant la gêne incidente. Il existe déjà des tables ou des cloisons expérimentales, sensibles à la proximité de la main et capables d'afficher par transparence l'équivalent d'un écran d'ordinateur ou de projections multimédia. Des capteurs biométriques sont susceptibles de détecter la présence humaine et même de reconnaître précisément quelles personnes entrent dans une pièce en fonction de certains paramètres biologiques spécifiques. Les bâtiments ressemblent à des organismes vivants dotés d'un squelette, de muscles, d’un système nerveux, ou d'un cerveau. Les personnes habitants dans ces espaces vivent ainsi et en symbiose avec leur environnement »[4].…
 

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[1] Capital, n°119 – août 2001 – p. 52-53 : 21 révolutions pour le 21ème siècle – Technologie – Des matériaux intelligents du sol au plafond. http://www.capital.fr

[2] Le bâtiment demain et après-demain, Édité :CSTB (Centre scientifique et Technique du Bâtiment) — 1998.

[3] Le bâtiment demain et après-demain, Édité :CSTB (Centre scientifique et Technique du Bâtiment) — 1998.

[4] Joël de Rosnay - Directeur de la Prospective et de l'Evaluation. Cité des Sciences et de l'Insdustrie – Paris – Le Carrefour du futur, Les matériaux intelligents –
Article complet disponible à :
http://csiweb2.cite-sciences.fr/derosnay/articles/utls_conf.html