Les fenêtres PV débloquent l’objectif d’une efficacité énergétique accrue des gratte-ciel

Selon une étude sur les fenêtres photovoltaïques menée par des experts du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL), les gratte-ciel dominent les horizons métropolitains, mais même d’énormes structures à parois de verre peuvent être rendues plus économes en énergie par l’inclusion de fenêtres photovoltaïques (PV) à efficacité thermique.

Leurs recherches, publiées dans la revue Une Terreprésente des lignes directrices pour la conception de bâtiments qui peuvent aboutir à un bâtiment avec une consommation d’énergie nette nulle ou même positive.

« Il existe des idées préconçues sur ce à quoi ressemble un bâtiment économe en énergie, et il n’est généralement pas très vitré, et il n’est probablement pas très haut », a déclaré Lance Wheeler, un scientifique du NREL spécialisé dans l’intégration de la technologie photovoltaïque dans les fenêtres. « Nous avons découvert qu’il existe d’autres façons de construire des bâtiments à haut rendement. »

Dans un article intitulé « Les fenêtres photovoltaïques réduisent la consommation d’énergie et les émissions de CO2 de 40 % dans les bâtiments très vitrés. » co-écrit par Wheeler et son frère jumeau Vincent, professeur adjoint à l’Université du Wisconsin-Stout. Les frères ont créé un programme appelé PVwindow qui permet aux utilisateurs de simuler des conceptions de bâtiments à l’aide de modèles de fenêtres photovoltaïques afin d’effectuer l’analyse.

Les autres co-auteurs, tous de NREL, sont Janghyun Kim, Tom Daligault, Bryan Rosales, Chaiwat Engtrakul et Robert Tenent.

Plus d’un tiers de l’énergie mondiale et presque autant de ses émissions de dioxyde de carbone proviennent des bâtiments. Cependant, selon les experts, les nouveaux bâtiments peuvent devenir un outil essentiel dans la lutte contre le changement climatique en combinant le PV avec la technologie des fenêtres à haute efficacité thermique. Par exemple, l’Equitable Building à New York a un ratio fenêtre/mur de 25 %. La tour Bank of America de la ville, qui a été construite 101 ans plus tard et ouverte en 2016, a un ratio de 71 %.

Pour démontrer clairement l’influence du vitrage sur la performance énergétique des bâtiments, les chercheurs ont concentré une grande partie de leur analyse sur les bâtiments avec un rapport fenêtre/mur de 95 %, appelés « hautement vitrés ». Bien qu’elles ne soient pas encore largement utilisées, les avancées dans les technologies de vitrage telles que les fenêtres à triple vitrage ont contribué à améliorer l’efficacité énergétique des bâtiments.

« Je ne veux pas m’asseoir ici et dire que nous devrions construire des bâtiments très vitrés », a déclaré Lance Wheeler. « Nous devrions construire des bâtiments hautement efficaces. Mais si nous choisissons de continuer à fabriquer ces bâtiments, nous devons concilier leurs performances inférieures d’une manière ou d’une autre, et les fenêtres photovoltaïques sont un moyen d’y parvenir.

Les effets de trois différentes technologies de vitrage PV, y compris la technologie PV commutable développée par NREL, ont été simulés par les chercheurs. Dans huit villes aux climats variés, plusieurs technologies de vitrage ont été utilisées dans une structure. Les chercheurs ont utilisé les progiciels EnergyPlus et OpenStudio en plus de PVwindow.

Les structures très vitrées nécessitent l’utilisation d’une quantité importante d’énergie pour refroidir les occupants en raison d’un grand nombre de fenêtres et de la lumière du soleil pénétrant dans la structure. Les fenêtres photovoltaïques isolent thermiquement un bâtiment tout en générant de l’énergie à partir de l’énergie absorbée. Dans les climats où le temps change considérablement avec les saisons au cours d’une année, les chercheurs ont découvert une tendance distincte dans la génération de PV. Les modèles ont montré qu’à Denver, par exemple, la production photovoltaïque sur site peut réduire de moitié la charge électrique moyenne d’un bâtiment pour une structure de 12 étages avec un vitrage important. De plus, ils ont découvert que les fenêtres photovoltaïques de Denver pourraient réduire de 2 millions de livres d’émissions de dioxyde de carbone chaque année.

Les simulations ont montré une diminution de la consommation d’énergie et des émissions de dioxyde de carbone dans les huit zones climatiques et ont montré une amélioration progressive des performances pour chacune des trois variantes de vitrage photovoltaïque étudiées.

Les chercheurs ont découvert que lorsqu’une structure a plus de fenêtres que d’espace mural, la consommation d’énergie augmente. Cependant, lorsque le ratio est augmenté et que des vitrages photovoltaïques sont ajoutés, la consommation d’énergie diminue. De plus grandes hauteurs d’un étage à l’autre ainsi que des vitrages photovoltaïques réduisent en effet la demande énergétique du bâtiment. Ce gratte-ciel peut atteindre le zéro net si le vitrage PV est combiné avec des panneaux photovoltaïques à l’extérieur de la structure, en particulier ceux orientés à l’est et à l’ouest pour capter l’énergie solaire tôt le matin et en fin d’après-midi.

« Imaginez une ligne d’horizon à New York, par exemple, où se trouvent ces immeubles de grande hauteur entièrement en verre », a déclaré Wheeler. « Ils sont entièrement vitrés. La Freedom Tower a des millions de pieds carrés de verre. Cela pourrait être une centrale électrique en soi.

Les chercheurs ont déclaré que le verre PV pourrait être utilisé en conjonction avec l’énergie solaire sur le toit pour augmenter la quantité d’électricité produite, avec le potentiel de générer plus d’énergie qu’un bâtiment n’en a besoin en utilisant des fenêtres PV à haut rendement et une géométrie de bâtiment distinctive. Sans compromettre la liberté architecturale de la façade fortement vitrée des bâtiments, le déménagement pourrait répondre aux objectifs de changement climatique.

Source : NREL

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