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Dispositif d'enceinte thermique adapté au chauffage solaire passif.
L'invention concerne un dispositif de chauffage solaire passif pour bâtiment, en particulier une maison d'habitation, permettant d'optimaliser ce chauffage solaire lors de la récupération des calories excédentaires par surchauffe localisé de l'air à extraire avant de pulser cet air vers un stockage approprié tout en assurant ainsi le confort thermique par le maintien de la température de consigne dans les locaux d'habitation.
On connaît déjà des capteurs solaires extérieurs placés en façade ou sur le toit et présentant au moins une paroi transparente vers l'extérieur et une paroi isolante vers l'intérieur séparant le capteur proprement dit de l'air ambiant du bâtiment.
Il existe également des châssis spécifiques délimitant un volume intérieur de faible épaisseur le long de la vitre extérieure permettant le passage de l'air par convection naturelle ou éventuellement par action d'un petit ventilateur pulsant, vers le milieu ambiant. Le but de tel châssis est de préchauffer l'air ambiant de l'habitation lors du passage dans ledit volume.
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Le chauffage solaire passif d'un bâtiment est généralement assuré par des vitrages de dimensions et d'orientation appropriés complétés par un système de circulation de l'air ambiant comprenant le passage par une unité de stockage de calories, par exemple sous la forme d'un lit de matériau de haute capacité calorifique et parfaitement isolé.
Dans ce cas l'air ambiant est généralement extrait de l'habitation à travers une bouche d'extraction sans dispositif particulier en amont de ladite bouche.
Le brevet belge 904532 propose un cas particulier d'un système de chauffage solaire passif comme décrit ci-dessus.
Un problème fréquemment rencontré dans les habitations à chauffage solaire passif résulte du fait que la circulation de l'air ambiant en utilisant des ventilateurs compatibles avec le volume du bâtiment, en particulier un bâtiment d'habitation, ne suffit pas dans certaines circonstances d'ensoleillement favorable à évacuer les calories excédentaires. Il y a donc surchauffe de l'habitation en particulier dans la partie supérieure du volume de celle-ci.
Ainsi à titre d'exemple une surface vitrée orientée Sud de 20 m2 peut mener à un apport solaire dans le bâtiment de 50 Kwh et plus pendant une journée de février en Belgique. Lors de certains jours bien ensoleillés, un apport de 25 Kwh doit
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alors pouvoir être évacué pour assurer le confort thermique d'une habitation moyenne. Plus particulièrement aux heures d'ensoleillement maximal, un excèdent de 6 Kwh doit pouvoir être évacué par heure.
Ainsi, à titre illustratif, si on adopte un système tel que décrit dans le brevet belge 904.532 où l'air est extrait au niveau de la partie supérieure de l'habitation, à une température supérieure d'environ 3 0 C par rapport à la température de consigne, le dispositif de ventilation ne sera capable, pour un débit de 2500 m3/h, d'évacuer et de stocker que 2,5 Kwh en heure de pointe et environ 10 Kwh sur la journée et donc de n'éliminer les surchauffes qu'à un niveau d'abord relativement bas.
L'évacuation d'une quantité nettement supérieure de calories excédentaires ne pourrait être obtenue pour la même différence de température que par l'installation de ventilateurs dont la puissance est incompatible avec un petit bâtiment ou une maison d'habitation. Pareil ventilateur serait en effet très bruyant, très encombrant et exigerait un local particulier pour son installation.
De plus outre le coût de l'installation, la consommation d'énergie pour son fonctionnement serait prohibitive et annulerait en partie les gains solaires gratuits recherchés.
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La présente invention vise à résoudre ce problème en proposant un dispositif particulier applicable à la partie supérieure de la surface vitrée principale de l'habitation capable de surchauffer l'air dans une enceinte thermique spécifique tout en maintenant l'air ambiant des pièces de séjour à la température de consigne.
Selon l'invention on prévoit une surface vitrée à haut coefficient d'isolation, unitaire ou non, dimensionnée et exposée de manière appropriée pour obtenir un apport solaire optimal satisfaisant aux besoins thermiques de l'habitation.
- un moyen de stockage de calories, placé ou non sous l'habitation et parfaitement isolé, par exemple une dalle composite comprenant des galets de rivière, - des moyens de circulation de l'air ambiant constitués par un système de ventilation comprenant un ou plusieurs conduits, un ou plusieurs ventilateurs et éventuellement un ou plusieurs clapets, permettant entre autres d'extraire l'air de l'habitation et de le pulser au travers du stockage un volume intérieur au bâtiment formant enceinte thermique, situé en partie supérieure de la dite surface vitrée, volume ouvert vers le bas et délimité par la vitre extérieure isolante, une paroi postérieure, des parois latérales et une paroi supérieure, la partie supérieure de l'enceinte comprenant une ou plusieurs bouches d'extraction d'air du système de ventilation.
Dans certins modes
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particuliers de l'invention, on peut devoir pulser à certains moments l'air préchauffé de l'enceinte dans divers locaux de séjour. Ladite enceinte comporte essentiellement une surface intermédiaire réflecteur translucide faisant office de corps noir vu de l'extérieur.
De préférence l'enceinte thermique sera parallélipipédique et la surface intermédiaire captant le rayonnement solaire sera un réflecteur parallèle au vitrage extérieur, translucide vu de l'intérieur et corps noir opaque vu de l'extérieur.
Cette paroi intermédiaire peut ainsi prendre la forme d'un écran solaire composé de petites lamelles horizontales tenues dans une position angulaire prédéterminée par des fils verticaux, par exemple 17 s. Pour une position angulaire et un niveau d'observation fixe, cette paroi sera donc translucide telle qu'observée de l'intérieur, tout en absorbant la majeure partie des rayons solaires d'incidence oblique venant de l'extérieur.
Des écrans de ce type sont connus et sont commercialisés, en tant que pare-soleil pour être installés à l'extérieur des bâtiments, c'est à dire devant les vitres pour empêcher par réflexion le rayonnement solaire de pénétrer à l'intérieur
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du bâtiment assurant ainsi une protection contre l'éblouissement et la chaleur de la radiation directe du soleil.
De préférence l'écran réflecteur est amovible, et peut par exemple se déplacer sur des rails de coulissement, et peut éventuellement être enlevé ou rendu non fonctionnel.
La surface vitrée en contact avec l'air extérieur est de préférence un vitrage isolant de grande efficacité p. e. présentant un K de 1, 3 W/m2 deg C.
La surface vitrée postérieure ne doit pas nécessairement présenter les mêmes propriétés d'isolation et sera de préférence au moins partiellement amovible afin de pouvoir accéder à la surface vitrée extérieure et à la paroi intermédiaire pour le nettoyage ou l'entretien.
Selon le principe de l'invention, la température de l'air atteinte dans l'enceinte devient par ciel serein très vite supérieure à ce qui serait acceptable pour un lieu habité.
Cette température supérieure permet par contre d'effectuer le stockage des calories excédentaires, par circulation de l'air sous l'effet d'un ventilateur, de manière beaucoup plus efficace. En effet le rendement de l'opération de stockage est bien meilleur si la différence de température entre l'air circulant et le moyen de stockage
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est par exemple de 10 à 15 deg C au lieu de 2 à 4 deg C.
En d'autres termes, à débit de ventilation égal, la quantité de calories évacuées par unité de temps ou puissance caloportée est très supérieure en appliquant le dispositif de l'invention.
La puissance du ventilateur lui-même ne doit ainsi pas dépasser 200 Watt ce qui permet son installation dans une maison d'habitation unifamiliale. Un débit variant de 800 à 1400 m3/h est généralement satisfaisant pour une maison d'habitation moyenne.
A titre d'exemple, l'air dans l'enceinte peut atteindre une température de 35 deg C. Un thermostat situé dans l'enceinte enclenche le ventilateur qui via un circuit classique amènera l'air surchauffé vers les moyens de stockage. L'enclenchement peut avoir lieu pour une température quelconque choisie entre 10 0 C et 30 0 C soit bien inférieure à la température maximale que l'air peut atteindre dans l'enceinte. En deça de la température choisie pour l'enclenchement le ventilateur est à l'arrêt.
En pratique la température d'enclenchement sera supérieure de 3 à 4 0 C à la température de consigne du chauffage d'appoint et peut donc être de l'ordre de 24 0 C.
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Selon un mode particulier de l'invention, la paroi postérieure s'ouvrira automatiquement par l'action d'un ouvre-porte si la température de l'enceinte atteint une valeur limite pouvant endommager le dispositif par surchauffe excessive, par exemple supérieure à 40 C. Cette ouverture peut être commandée par un thermostat de sécurité qui le cas échéant coupe le circuit d'un électro-aimant. Selon la configuration du bâtiment, la paroi postérieure se présentera de différentes manières, par exemple sous la forme d'une porte donnant sur un corridor au niveau de l'étage du bâtiment ou donnant sur une mezzanine, et comportant un ouvre-porte sous tension.
Les dimensions du dispositif selon l'invention, en particulier de l'enceinte thermique peuvent varier en fonction du type d'habitation et correspondre à un volume variant par exemple de l à 10 m3, de préférence de 2 à 6 m3 pour une maison d'habitation de dimensions moyennes. A titre illustratif la hauteur et la largeur peuvent varier entre 2 et 5 mètres et la profondeur entre 25 et 100 cm. Une enceinte typique présente une hauteur de 2,5 m, une largeur de 4 m et une profondeur de 0,5 m soit une surface d'environ 10 m2 et un volume de 5 m3. La surface de réflection intermédiaire sera de dimension adaptée soit par exemple en présentant une surface de 8 m2 et positionnée parallèlement aux vitrages de façade à une distance par
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exemple de 30 cm.
La différence de température entre l'air ambiant du rez-de-chaussée et l'enceinte sera typiquement de l'ordre de 10 à 15 0 C.
La partie supérieure de l'enceinte, par exemple la paroi supérieure, sera munie d'une ou plusieurs bouches de ventilation en communication avec ou plusieurs gaines ou conduites d'air et le ou les ventilateurs et permettant ainsi, de manière continue, la circulation forcée de l'air surchauffé vers le moyen de stockage ou le cas échéant vers diers locaux de séjour. Cette circulation est provoquée de manière connue par un ou des thermostats.
L'invention sera mieux comprise à ltexamen des dessins en annexe, fournis à titre d'exemples non limitatifs, dans lesquels la fig. 1 représente en coupe verticale suivant l'axe Sud-Nord une maison d'habitation comportant le dispositif selon l'invention.
La fig 2 représente une vue en perspective d'un mode de réalisation particulier de l'enceinte thermique du dispositif suivant l'invention.
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Dans la fig. 1 on représente un vitrage isolant 1 donnant en facade sur l'air extérieur et orienté préférentiellement vers le sud pour l'application de l'invention dans l'hémisphère nord. En 2 on représente un réflecteur faisant office de corps noir et en 3 le vitrage séparant l'enceinte thermique de la chambre 14. La bouche d'aération 5 est reliée via le conduit d'air 12 et un ventilateur 8 au moyen de stockage 13 constitué d'une dalle composite comprenant des galets de rivière, ladite dalle se trouvant en-dessous du rez-de-chaussée 16 au niveau duquel se trouve également une bouche de sortie de l'air 6 complétant le circuit.
Dans la figure 2 on représente l'enceinte ABCDEFGH qui est délimitée vers l'intérieur de l'habitation par une paroi postérieure comprenant deux simples vitrages 3 montés sur des châssis ouvrants, par exemple oscillo-battants, et donnant sur deux chambres latérales 14 et 14', et une porte vitrée 4 pouvant s'ouvrir vers l'intérieur, par exemple sur un corridor 15, à l'intervention d'un ouvre-porte 11 et d'un électro-aimant de sécurité 9. Les deux parois latérales peuvent être également des vitrages ou être des parois opaques ou des murs. Sur l'une d'elles se trouve un thermostat 7 commandant le ventilateur 8 ainsi qu'un thermostat de sécurité 7'coupant éventuellement l'alimentation de l'électro-aimant susmentionné pour ouverture de l'enceinte en cas de surchauffe excessive.
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En 2 on représente le réflecteur faisant office de corps noir vu de l'extérieur mais translucide vu de l'intérieur.
Ce réflecteur est également amovible et peut glisser sur des rails de coulissement 10.
Une habitation comprenant le dispositif selon l'invention sera de préférence conçue et bâtie en appliquant tous les principes de constructions propres aux habitations à chauffage solaire. Les murs extérieurs de fondation et d'élévation seront de préférence doubles et comporteront des moyens d'isolations intercalés. Une dalle composite inférieure peut constituer le moyen de stockage forcé. Le revêtement spécifique de sol du rez-de-chaussée peut faire partie intégrante de la dalle composite. Les dalles de séparation entre les étages ou constituant une mezzanine sont de préférence surdimensionnées mais non isolées pour permettre à l'air chaud de monter dans le bâtiment par convection-conduction. Les murs de l'étage supérieur et le plafond sont de préférence en matériau léger et comportent des moyens d'isolation extérieurs.
Il est évident que l'enceinte selon l'invention peut présenter différents aspects ou formes géométriques en fonction de la configuration du bâtiment et que différents modes de réalisation peuvent être envisagés sans sortir du cadre de l'invention.
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Thermal enclosure device suitable for passive solar heating.
The invention relates to a passive solar heating device for a building, in particular a dwelling house, making it possible to optimize this solar heating during the recovery of excess calories by localized overheating of the air to be extracted before blowing this air towards appropriate storage while ensuring thermal comfort by maintaining the set temperature in the living quarters.
There are already known external solar collectors placed on the facade or on the roof and having at least one transparent wall towards the outside and an insulating wall towards the inside separating the sensor itself from the ambient air of the building.
There are also specific frames delimiting an interior volume of small thickness along the external window allowing the passage of air by natural convection or possibly by the action of a small pulsating fan, towards the ambient environment. The purpose of such a chassis is to preheat the ambient air in the home when passing through said volume.
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Passive solar heating of a building is generally ensured by glazing of appropriate dimensions and orientation supplemented by an ambient air circulation system comprising passage through a calorie storage unit, for example in the form of a bed of high calorific and perfectly insulated material.
In this case the ambient air is generally extracted from the dwelling through an extraction mouth without any particular device upstream of said mouth.
Belgian patent 904532 proposes a special case of a passive solar heating system as described above.
A frequent problem encountered in passive solar heating dwellings results from the fact that the circulation of ambient air using fans compatible with the volume of the building, in particular a residential building, is not sufficient in certain circumstances of sunshine. favorable to remove excess calories. There is therefore overheating of the house in particular in the upper part of the volume thereof.
Thus, for example, a south-facing glazed surface of 20 m2 can lead to solar gain in the building of 50 kWh and more during a February day in Belgium. On certain sunny days, an intake of 25 Kwh should
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then be able to be evacuated to ensure the thermal comfort of an average dwelling. More particularly at the hours of maximum sunshine, an excess of 6 Kwh must be able to be evacuated per hour.
Thus, by way of illustration, if a system as described in Belgian patent 904.532 is adopted, where the air is extracted at the upper part of the dwelling, at a temperature approximately 30 ° C. higher than the set temperature, the ventilation device will only be able, for a flow rate of 2500 m3 / h, to evacuate and store only 2.5 kWh during peak hours and around 10 kWh during the day and therefore to eliminate overheating only at a relatively low level at first.
The evacuation of a much higher amount of excess calories could not be obtained for the same temperature difference as by installing fans whose power is incompatible with a small building or a dwelling house. Such a fan would indeed be very noisy, very bulky and would require a specific room for its installation.
In addition to the cost of the installation, the energy consumption for its operation would be prohibitive and would partially cancel the free solar gains sought.
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The present invention aims to solve this problem by proposing a particular device applicable to the upper part of the main glazed surface of the dwelling capable of overheating the air in a specific thermal enclosure while maintaining the ambient air in the living rooms at the set temperature.
According to the invention there is provided a glazed surface with a high insulation coefficient, unitary or not, dimensioned and exposed in an appropriate manner to obtain an optimal solar contribution satisfying the thermal needs of the dwelling.
- a means of storing calories, placed or not under the dwelling and perfectly insulated, for example a composite slab comprising river pebbles, - means for circulating the ambient air constituted by a ventilation system comprising one or more ducts, one or more fans and possibly one or more valves, making it possible inter alia to extract air from the dwelling and to pulsate it through the storage a volume inside the building forming a thermal enclosure, located in the upper part of said glazed surface, volume open downwards and delimited by the insulating exterior glass, a rear wall, side walls and an upper wall, the upper part of the enclosure comprising one or more air extraction vents from the ventilation system .
In some fashions
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individuals of the invention, it may be necessary to pulsate at certain times the preheated air from the enclosure in various living rooms. Said enclosure essentially comprises a translucent intermediate reflective surface acting as a black body seen from the outside.
Preferably the thermal enclosure will be parallelipipedic and the intermediate surface capturing the solar radiation will be a reflector parallel to the exterior glazing, translucent seen from the inside and opaque black body seen from the outside.
This intermediate wall can thus take the form of a sunscreen composed of small horizontal strips held in a predetermined angular position by vertical wires, for example 17 s. For an angular position and a fixed level of observation, this wall will therefore be translucent as observed from the inside, while absorbing most of the sun's rays of oblique incidence coming from the outside.
Screens of this type are known and are marketed, as sun visors to be installed outside buildings, that is to say in front of the windows to prevent by reflection the solar radiation from entering inside.
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of the building thus providing protection against glare and heat from direct sunlight.
Preferably the reflective screen is removable, and can for example move on sliding rails, and can optionally be removed or made non-functional.
The glazed surface in contact with the outside air is preferably a highly efficient insulating glazing p. e. with a K of 1, 3 W / m2 deg C.
The posterior glass surface does not necessarily have to have the same insulation properties and will preferably be at least partially removable in order to be able to access the external glass surface and the intermediate wall for cleaning or maintenance.
According to the principle of the invention, the temperature of the air reached in the enclosure quickly becomes clearer than what would be acceptable for an inhabited place.
This higher temperature on the other hand makes it possible to store the excess calories, by circulation of the air under the effect of a fan, in a much more efficient manner. Indeed the efficiency of the storage operation is much better if the temperature difference between the circulating air and the storage means
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is for example from 10 to 15 deg C instead of 2 to 4 deg C.
In other words, at equal ventilation rate, the quantity of calories evacuated per unit of time or heat transfer power is much greater by applying the device of the invention.
The power of the fan itself must therefore not exceed 200 Watt, which allows it to be installed in a single-family dwelling. A flow rate varying from 800 to 1,400 m3 / h is generally satisfactory for an average dwelling house.
For example, the air in the enclosure can reach a temperature of 35 deg C. A thermostat located in the enclosure switches on the fan which, via a conventional circuit, will bring the superheated air to the storage means. The engagement can take place for any temperature chosen between 10 0 C and 30 0 C is much lower than the maximum temperature that the air can reach in the enclosure. Below the temperature chosen for switching on, the fan is stopped.
In practice, the switch-on temperature will be 3 to 4 0 C higher than the set temperature of the auxiliary heating and may therefore be of the order of 24 0 C.
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According to a particular embodiment of the invention, the rear wall will open automatically by the action of a door opener if the temperature of the enclosure reaches a limit value which can damage the device by excessive overheating, for example greater than 40 C. This opening can be controlled by a safety thermostat which, if necessary, interrupts the circuit of an electromagnet. Depending on the configuration of the building, the rear wall will appear in different ways, for example in the form of a door opening onto a corridor at the level of the building floor or onto a mezzanine, and comprising a live door opener. .
The dimensions of the device according to the invention, in particular of the thermal enclosure can vary depending on the type of housing and correspond to a volume varying for example from 1 to 10 m3, preferably from 2 to 6 m3 for a house of house of average dimensions. By way of illustration, the height and the width can vary between 2 and 5 meters and the depth between 25 and 100 cm. A typical enclosure has a height of 2.5 m, a width of 4 m and a depth of 0.5 m, i.e. an area of approximately 10 m2 and a volume of 5 m3. The intermediate reflection surface will be of suitable size, for example by presenting an area of 8 m2 and positioned parallel to the facade glazing at a distance of
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example of 30 cm.
The temperature difference between the ambient air on the ground floor and the enclosure will typically be of the order of 10 to 15 ° C.
The upper part of the enclosure, for example the upper wall, will be provided with one or more ventilation openings in communication with one or more ducts or air ducts and the fan or fans and thus allowing, continuously, circulation forced superheated air to the storage medium or, if necessary, to other local accommodation. This circulation is caused in a known manner by one or more thermostats.
The invention will be better understood on examining the appended drawings, provided by way of nonlimiting examples, in which FIG. 1 shows in vertical section along the South-North axis a dwelling house comprising the device according to the invention.
Fig 2 shows a perspective view of a particular embodiment of the thermal enclosure of the device according to the invention.
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In fig. 1 shows insulating glazing 1 giving a facade on the outside air and preferably oriented towards the south for the application of the invention in the northern hemisphere. In 2 there is shown a reflector acting as a black body and in 3 the glazing separating the thermal enclosure from the chamber 14. The air vent 5 is connected via the air duct 12 and a fan 8 to the storage means 13 consisting of a composite slab comprising river pebbles, said slab being located below the ground floor 16 at the level of which there is also an air outlet mouth 6 completing the circuit.
In FIG. 2, the enclosure ABCDEFGH is represented, which is delimited towards the interior of the dwelling by a rear wall comprising two simple glazings 3 mounted on opening frames, for example tilt-and-turn, and giving onto two lateral chambers 14 and 14 ', and a glass door 4 which can open inwards, for example on a corridor 15, by means of a door opener 11 and a safety electromagnet 9. The two side walls can also be glazing or be opaque walls or walls. On one of them is a thermostat 7 controlling the fan 8 as well as a safety thermostat 7 ′ possibly cutting off the supply of the aforementioned electromagnet for opening the enclosure in the event of excessive overheating.
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In 2 there is shown the reflector acting as a black body seen from the outside but translucent seen from the inside.
This reflector is also removable and can slide on sliding rails 10.
A house comprising the device according to the invention will preferably be designed and built by applying all the principles of construction specific to houses with solar heating. The exterior foundation and elevation walls should preferably be double and include interleaved insulation means. A lower composite slab can constitute the means of forced storage. The specific ground covering on the ground floor can be an integral part of the composite slab. The separation slabs between the floors or constituting a mezzanine are preferably oversized but not insulated to allow the hot air to rise in the building by convection-conduction. The walls of the upper floor and the ceiling are preferably made of light material and include external insulation means.
It is obvious that the enclosure according to the invention can have different aspects or geometric shapes depending on the configuration of the building and that different embodiments can be envisaged without departing from the scope of the invention.