Des robots souples pour des fa?ades de b?timents adaptatives
Aujourd'hui, les fa?ades des b?timents sont généralement statiques et ne s'adaptent guère aux conditions changeantes. La House of Natural Resources, qui vient d'être inaugurée, utilise pour la première fois une fa?ade adaptable. Elle peut produire de l'électricité et réguler l'incidence de la lumière et la formation de chaleur.
Pour le bilan énergétique des b?timents, leur enveloppe revêt une grande importance. Ces dernières années, l'isolation thermique et l'étanchéité à l'air ont notamment été améliorées. Mais il existe un potentiel important et encore trop peu exploité pour la transition énergétique : les enveloppes de b?timent, et en particulier les fa?ades, se prêtent à la production de chaleur et d'électricité.
Une structure rigide devient dynamique
La fa?ade, en tant que frontière entre l'intérieur et l'extérieur, influence de manière déterminante l'équilibre de l'air, de la lumière et de la chaleur d'un b?timent - et donc directement le confort des utilisateurs. L'extérieur et l'intérieur sont tous deux de nature stochastique : ils changent constamment et leurs états ne sont pas ou vaguement prévisibles. Pourtant, les enveloppes, telles que nous les construisons aujourd'hui, sont statiques. Elles ne sont con?ues que pour un ou quelques états différents. Les enveloppes de b?timent actuelles ne réagissent pas ou seulement de manière limitée lorsque le temps change ou que les pièces sont utilisées différemment. Des potentiels considérables d'économie et de gain d'énergie ainsi que d'amélioration du confort restent donc inexploités.
? la chaire d'architecture et de systèmes du b?timent, nous menons des recherches sur des approches visant à rendre l'enveloppe du b?timent plus dynamique, plus efficace et plus apprenante. La "fa?ade solaire adaptative" en est un exemple. Elle se compose de modules individuels montés sur un réseau de c?bles sur la fa?ade. D'une part, ils peuvent influencer l'apport de lumière et de chaleur dans la pièce en laissant passer plus ou moins de rayonnement solaire par les fenêtres. D'autre part, ils produisent de l'électricité gr?ce à des modules à couche mince très efficaces. La fa?ade solaire adaptative est en outre très légère, ce qui permet de l'installer presque partout, même sur des b?timents existants, contrairement aux modules photovolta?ques traditionnels.
Adaptable gr?ce à la robotique douce
Les modules sont mobiles gr?ce à un nouveau composant, le "Soft Robotic Actuator". Ces "robots mous" constituent un nouveau domaine très prometteur de la robotique. Ils sont constitués de matériaux souples qui prennent les formes les plus diverses lorsque la pression varie dans des chambres spéciales. De tels actionneurs sont habituellement utilisés principalement pour les prothèses et les robots biomimétiques - nous les étudions et les développons désormais pour les futurs systèmes énergétiques et climatiques des b?timents.
Nos actionneurs souples sont fabriqués à l'aide d'un procédé de moulage à cavités spécialement développé à cet effet. Leurs chambres creuses sont ensuite remplies d'air. Des valves contr?lent les quantités d'air qui sont injectées ou évacuées pour déformer l'actionneur et ainsi déplacer l'élément solaire de manière ciblée. Gr?ce aux Soft Actuators, nous pouvons commander individuellement chaque module de la fa?ade solaire adaptative et le faire tourner seul ou en groupe sur deux axes. De cette manière, les modules peuvent suivre le soleil et produire de l'électricité, utiliser ou réduire les apports solaires, créer une intimité ou offrir une vue. Gr?ce à une régulation intelligente et capable d'apprendre, la fa?ade doit en outre s'adapter de manière optimale aux conditions météorologiques changeantes ainsi qu'aux habitudes et aux souhaits des utilisateurs.
Prototype à la Maison des Ressources Naturelles
Sans les Soft Actuators, une telle fonction ne serait possible que par une combinaison complexe de plusieurs pièces mécaniques. Celles-ci seraient moins durables et plus chères - ergo, il n'est pas réaliste de penser qu'elles seront utilisées à l'avenir sur les fa?ades. L'actionneur que nous avons développé ne co?te que quelques francs par pièce dans la production industrielle. En laboratoire, les Soft Actuators ont montré qu'ils étaient robustes lors de tests cycliques. Il leur reste maintenant à prouver qu'ils peuvent faire leurs preuves dans les conditions difficiles d'une fa?ade de b?timent. Pour cela, et pour une multitude d'autres tests, nous montons actuellement un prototype de fa?ade de 50 modules sur le c?té sud de la House of Natural Resources (HoNR).
Le module utilise des cellules solaires à couche mince CIGS (cuivre-indium-gallium-diséléniure) très efficaces et atteint un rendement élevé. Les cellules solaires sont développées par Flisom [1], spin-off de l'EMPA et partenaire industriel du projet. Les premiers calculs du cycle de vie ont montré que l'Adaptive Solar Facade peut réduire en un an et demi les émissions de CO2 à nouveau compensé.
Dans le cadre du projet phare EU ClimateKIC "BTA - Building Technologies Accelerator" [2], on étudie actuellement comment et sous quelle forme la fa?ade solaire adaptative et donc les actionneurs souples peuvent être développés en un produit commercialisable. Si elle y parvient, notre fa?ade adaptative pourrait contribuer à la production efficace d'énergie sur le b?timent et donc à la transition énergétique.
Informations complémentaires
En savoir plus sur la Maison des ressources naturelles ici et dans le Communiqué de presse de l'ETH Zurich.
Vous trouverez de plus amples informations sur la fa?ade solaire adaptative sur la Site web de la chaire d'architecture et de systèmes de construction.
Références :
[1] Spin-off de l'Empa page externeFlisom
[2] Projets phares ClimateKIC de l'UE "page externeBTA"