L'augmentation sans cesse croissante de la consommation d'énergie dans le monde, ainsi que la tendance à la diversification des sources d'énergie qui se manifeste à l'heure actuelle dans de nombreux pays industrialisés, expliquent l'intérêt renouvelé que suscite l'énergie solaire. S'il semble douteux qu'une telle énergie puisse dans un avenir proche supplanter les autres sources d'énergie, il paraît néanmoins presque certain que l'énergie solaire pourrait être amenée à jouer dans les années à venir un rôle particulièrement important dans un certain nombre de domaines, notamment dans ceux du chauffage et de la climatisation des habitations.
On connaît déjà des dispositifs collecteurs d'énergie solaire conçus pour assurer le chauffage des habitations ou le chauffage de l'eau sanitaire. De tels dispositifs sont en général constitués par un vitrage disposé au-dessus d'une surface absorbante qui s'échauffe sous l'effet du rayonnement solaire piégé par effet de serre et transmet la chaleur ainsi absorbée à un fluide circulant dans des conduits placés à son contact. L'ensemble d'un tel système est en général monté sur un cadre capable d'en assurer la rigidité mécanique et l'étanchéité. La présence d'un tel cadre, qui doit par ailleurs pouvoir supporter des conditions climatiques parfois sévères (pluie, humidité, gel) et résister à des cycles thermiques répétés, contribue à renchérir le coût de fabrication de tels dispositifs.
Par ailleurs, le rendement de tels dispositifs reste limité, malgré l'utilisation de matériaux isolants recouvrant leurs faces arrières ainsi que leurs parois latérales, cela en raison des pertes inévitables par rayonnement et par convection.
Pour réduire ces pertes par rayonnement et par convection, on a préconisé l'emploi d'un double vitrage, qui contribue à amélio rer l'isolation thermique sans introduire trop de pertes par absorption et par réflexion dans le verre, ainsi que l'emploi de parois transparentes ou réfléchissantes, disposées perpendiculairement à la surface absorbante, entre cette surface et les vitrages.
Cependant ces dispositions additionnelles, outre le fait qu'elles compliquent le dispositif, contribuent à augmenter les coûts de fabrication.
Cependant, en dépit de toutes les améliorations potentielles, de tels dispositifs souffriront toujours d'un inconvénient majeur tenant à leur conception même, laquelle rend difficile leur intégra- tion réelle aux habitations et laquelle s'avère peu compatible avec les exigences esthétiques habituellement requises dans la construction. Cette difficulté d'intégration rend par ailleurs peu efficace la standardisation de tels dispositifs, en raison de la grande diversité architecturale que l'on rencontre dans le secteur de la construction. Cette standardisation serait pourtant un facteur essentiel pour obtenir un abaissement notable des coûts de fabrication.
La présente invention a précisément pour but de remédier aux inconvénients susmentionnés, en proposant des éléments de couverture pour une surface externe, par exemple toiture de bâtiment, qui soient notamment susceptibles d'être simultanément utilisés comme éléments de vitrage pour des collecteurs d'énergie solaire intégrables à ces toitures, de façon à permettre une concep tion modulaire de tels collecteurs.
A cet effet, la présente invention a pour objet un élément de couverture d'une surface externe de bâtiment, destiné à servir simultanément d'élément de vitrage pour un collecteur d'énergie solaire intégré à cette surface, caractérisé par le fait qu'il comprend un corps de forme sensiblement plate fait en un matériau perméable au rayonnement solaire, ledit corps comportant des moyens permettant sa fixation sur cette surface externe, et la surface du corps opposée à celle exposée au rayonnement solaire étant évidée de façon à former au moins une cellule capable de retenir par effet de serre la chaleur absorbée par le collecteur solaire.
Le dessin annexé illustre, schématiquement et à titre d'exemple, une forme d'exécution ainsi que des variantes de l'élément de couverture, objet de la présente invention.
La fig. I est une vue en perspective, illustrant cette forme d'exécution.
La fig. 2 est une vue en coupe selon la ligne II-II de la fig. 1.
La fig. 3 est une vue en perspective, partiellement coupée, illustrant un collecteur d'énergie solaire intégré à la toiture d'un bâtiment, qui utilise des éléments de couverture selon l'invention.
La fig. 4 est une vue en coupe selon la ligne IV-IV de la fig. 3.
La fig. 5 est une vue en perspective, illustrant une première variante.
La fig. 6 est une vue illustrant un détail, agrandi, de la fig. 5.
La fig. 7 est une vue en coupe selon la ligne VII-VII de la fig. 6.
La fig. 8 est une vue en perspective analogue à celle de la fig. 5, illustrant une seconde variante.
La fig. 9 est une vue en perspective illustrant une troisième variante.
Les fig. 1 et 2 illustrent une forme d'exécution d'un élément de couverture pour toiture de bâtiment, selon la présente invention.
Cette forme d'exécution comprend un corps creux 11 de forme sensiblement plate, fait en un matériau transparent au rayonnement solaire tel que du verre ou de la matière plastique transparente. Ce corps creux 11 se compose d'une face supérieure plane 12 de forme rectangulaire se terminant par une extrémité arrondie 12a et d'une paroi latérale 13 entourant la face supérieure 12, dans laquelle sont pratiquées, au voisinage de sa partie rectiligne 13a opposée à l'extrémité arrondie 12a, deux encoches 14a et 14b se faisant vis-à-vis.
L'élément de couverture selon l'invention, qui est destiné à être assemblé sur la toiture d'un bâtiment avec d'autres éléments analogues de façon à assurer sa fonction classique de couverture, est notamment susceptible comme on va le voir ci-après, d'être simultanément utilisé comme élément de vitrage dans un collecteur d'énergie solaire intégré à la toiture de ce bâtiment. Une telle utilisation est illustrée aux fig. 3 et 4, sur lesquelles on peut reconnaître un collecteur d'énergie solaire intégré à la toiture d'une habitation, d'un type analogue à ceux décrits dans le brevet suisse
N" 593460.
On supposera dans la description qui va suivre que cette toiture (représentée seulement partiellement au dessin) est d'un type bien connu, se composant par exemple (fig. 3 et 4) d'une charpente 1 - comprenant des poutres horizontales ou pannes 2, des chevrons 3 reposant sur ces pannes 2 selon la ligne de plus grande pente de la toiture et des lattes 4 disposées à intervalles réguliers en travers de ces chevrons - et d'une couverture consti tuée par un ensemble de tuiles plates ordinaires 5 (représentées en hachures sur les fig. 3 et 4), par exemple en céramique, accrochées aux lattes 4.
De manière particulièrement avantageuse, le collecteur solaire peut se trouver inséré dans une fenêtre 6 découpée dans une partie de toiture délimitée par deux pannes et deux chevrons adjacents (par exemple pannes 2a et 2b et les chevrons 3a et 3b sur les fig. 2 et 3). On se référera plus spécialement à cet agencement particulier dans la description qui va suivre.
Ce collecteur solaire comprend (fig. 3 et 4) une enceinte parallélépipédique 7 de faible épaisseur, s'étendant sensiblement sur toute la fenêtre 6, et venant reposer, par l'intermédiaire de rebords 8a et 8b situés dans le prolongement de sa paroi supérieure 8, sur les chevrons adjacents 3a et 3b (fig. 3). Des bandes 9, faites en un matériau thermiquement isolant, sont interposées respectivement entre ces chevrons 3a et 3b et les rebords 8a et 8b.
La paroi supérieure 8 de cette enceinte 7 est, de préférence, constituée par une plaque métallique. La face externe de cette plaque 8 est revêtue d'une couche d'un matériau doué d'un fort pouvoir d'absorption du rayonnement solaire. Sur cette plaque absorbante 8 sont disposées à intervalles réguliers, et perpendiculairement à la ligne de plus grande pente de la toiture, des cornières 10 qui s'étendent du rebord 8a au rebord 8b de cette plaque 8 de façon à venir se trouver dans le prolongement des lattes 4 qui affleurent la fenêtre 6.
Sur la plaque absorbante 8 se trouve disposée une pluralité d'éléments creux 1 1 analogues à ceux décrits précédemment, assemblés de façon à recouvrir toute la surface de cette plaque. La longueur de ces éléments creux 11, c'est-à-dire la distance existant entre la partie arrière 1 3a qui forme talon et l'extrémité de la partie avant arrondie 1 2a, est choisie sensiblement égale au double de l'écartement des cornières 10, et par conséquent, de l'écartement des lattes 4.
Les éléments creux 1 1 sont accrochés aux cornières 10 de la plaque absorbante 8 de façon que tous les éléments 1 1 accrochés à une même cornière 10, c'est-à-dire tous les éléments 1 1 appartenant à une même rangée, se touchent bord à bord, les éléments 1 1 d'une même rangée chevauchant par ailleurs sensiblement de moitié les éléments de la rangée adjacente inférieure et se trouvant chevauchés de moitié par les éléments de la rangée adjacente supérieure, et ces éléments étant disposés en quinconce par rapport à ceux des rangées adjacentes.
L'ensemble de ces éléments creux 11 délimite ainsi, en coopération avec la plaque absorbante 8, une pluralité de cellules 15, disposées de façon telle qu'un rayonnement solaire arrivant sous une incidence quelconque soit contraint de traverser deux cellules 15 superposées avant de venir frapper la plaque absorbante 8. Les dimensions des éléments creux transparents 11 sont choisies de façon à être compatibles avec celles des tuiles plates ordinaires 5 qui recouvrent le reste de la toiture, de sorte que, au voisinage des bords de la plaque absorbante 8, il ne se pose aucun problème de transition avec ces tuiles ordinaires 5.
A l'intérieur de l'enceinte 7, est disposé, au contact de la face interne de la plaque absorbante 8 (comme on peut le voir sur l'éclaté de la fig. 3), un conduit 16 présentant une pluralité de parties droites 16a, disposées suivant la ligne de plus grande pente de la toiture et reliées entre elles par des parties coudées 16b, et débouchant, par l'une de ses extrémités 17a, sur la paroi latérale inférieure 18a de l'enceinte 7 située en regard de la panne inférieure 2a et, par son autre extrémité 17b, sur la paroi latérale supérieure 1 8b de l'enceinte 7 située en regard de la panne supérieure 2b. Ces parois latérales inférieure 18a et supérieure 18b sont par ailleurs respectivement munies de volets 19a et 19b, lesquels occupent la majeure partie de la surface de ces parois latérales.
Ces volets 19a et 19b peuvent être actionnés manuellement (par un mécanisme non représenté), de façon à permettre la mise en communication de l'enceinte 7 avec l'atmosphère extérieure. Une couche 20 d'un matériau thermiquement isolant revêt la face arrière de l'enceinte 7.
On voit ainsi que le dispositif qui vient d'être décrit s'intègre parfaitement bien à la toiture de l'habitation. Cette intégration est rendue possible grâce à la conception même du dispositif ainsi qu'à la compatibilité des tuiles creuses transparentes 11 avec les tuiles ordinaires 5. A titre d'exemple, on peut utiliser des tuiles ordinaires présentant une longueur d'environ 30 à 35 cm, une largeur d'environ 15 à 20 cm et une épaisseur d'environ 15 à 25 mm, et des tuiles creuses en verre possédant une longueur et une largeur pratiquement identiques, mais présentant une épaisseur de verre d'environ 4 à 10 mm et une hauteur de paroi latérale intérieure (c'est-à-dire un creux) d'environ 10 à 20 mm.
La présence des cornières 10, soudées sur la paroi externe de la plaque 8 et venant prendre appui par leurs extrémités sur les chevrons adjacents 3a et 3b, par l'intermédiaire des rebords 8a et 8b de cette plaque, de même que la présence du conduit 16 soudé sur la paroi interne de la même plaque 8, contribuent par ailleurs à assurer la rigidité mécanique de l'ensemble du système.
Le dispositif qui vient d'être décrit est destiné à être raccordé, par l'intermédiaire des extrémités 17a et 17b de sa tuyauterie 16 dans laquelle circule un fluide tel que de l'eau ou de l'air, aux installations de chauffage de l'habitation (non représentées au dessin), éventuellement par l'entremise d'un dispositif de pompage (non représenté au dessin).
Le fonctionnement d'un tel dispositif est relativement analogue à celui des dispositifs collecteurs d'énergie solaire convention
nels évoqués plus haut. Les volets 19a et 19b de l'enceinte 7 sont
normalement en position fermée, de façon à maintenir emprison
née une certaine masse d'air à l'intérieur de l'enceinte 7. Sous
l'action du rayonnement solaire incident 21, qui a traversé succes
sivement deux épaisseurs de tuiles transparentes 11, la plaque
absorbante 8 s'échauffe et cède une partie de sa chaleur à la
tuyauterie 16 en contact avec la plaque 8, de sorte que le fluide
qui stationne à l'intérieur de cette tuyauterie 16 voit sa tempéra
ture s'élever progressivement.
Le fluide échauffé est alors évacué vers l'extérieur - soit par convection naturelle, soit par convec
tion forcée (pompage) - de façon à transmettre sa chaleur à
l'installation de chauffage (domestique ou d'eau sanitaire) de
l'habitation. Sous l'effet de ces divers échanges de chaleur, il
s'établit ainsi progressivement un équilibre thermique à l'intérieur
du dispositif, lequel atteint alors une température d'équilibre
déterminée. La valeur de cette température d'équilibre est
d'autant plus élevée que le rayonnement solaire est plus intense,
que le débit d'évacuation du fluide vers l'extérieur est plus faible
et que les pertes thermiques sont moins élevées.
Or, les pertes thermiques (constituées par la portion d'énergie
absorbée par la plaque 8 qui n'a pas été restituée au fluide par
conduction) sont réduites au minimum dans un tel dispositif. En
effet, les pertes thermiques en direction de la partie arrière du
dispositif s'avèrent négligeables, grâce à la présence de la masse
d'air emprisonnée dans l'enceinte 7 (qui constitue un excellent
isolant thermique) et grâce à la présence du matériau isolant 20.
Pour réduire encore ces pertes thermiques vers l'arrière, on peut
recouvrir la paroi interne de la face arrière de l'enceinte 7 d'une
couche réfléchissante. De même, les pertes thermiques en direc
tion de la partie avant du dispositif (pertes par conduction, par convection et par rayonnement) sont réduites au minimum grâce
à la présence des tuiles creuses transparentes 21 et à leur agence
ment spécifique, qui leur permet de jouer à la fois le rôle du
double vitrage et des parois de séparation des collecteurs solaires
conventionnels, ce qui supprime ainsi la convection sur la face
avant du dispositif.
Examinons de plus près ces pertes en direction de la partie
avant du dispositif. Les pertes par conduction sont négligeables, compte tenu du faible coefficient de conductibilité calorifique des
matériaux constituant les tuiles transparentes 11 (verre ou matière
plastique). Les pertes par rayonnement, quant à elles, sont
réduites au minimum; en effet, étant donné la présence d'une
double épaisseur de tuiles transparentes 1 1 (tuiles 11 qui consti
tuent, selon un effet de serre bien connu, des surfaces absorbantes
pour le rayonnement réémis vers l'extérieur par la plaque 8), il ne
parvient en fait à l'extérieur qu'environ le quart de l'énergie
radiative réémise par la plaque 8.
Enfin, I'imbrication particulière
de ces tuiles transparentes 11, en délimitant une pluralité de
cellules 15 isolées les unes des autres, limite au maximum les
pertes par convection. Par ailleurs, les possibilités de convection à
l'intérieur même de chacune de ces cellules 15 sont pratiquement
annulées, en raison de l'inclinaison de ces cellules 15 selon la
pente de la toiture. Selon cette disposition en effet, I'air plus
chaud est contraint de stationner dans la partie supérieure 15a de
chacune des cellules 15 (voir fig. 2), donc de rester au contact de
la plaque chaude 8, cependant que l'air plus froid est amené à
stationner dans la partie inférieure 1 5b de ces cellules, seule partie
située en contact direct avec l'extérieur. L'air stationnant dans chacune de ces cellules constitue par ailleurs un excellent isolant
thermique.
On peut ainsi, selon l'intensité du rayonnement solaire
incident et selon le débit d'évacuation du fluide vers l'extérieur,
atteindre des températures d'équilibre relativement élevées.
Afin d'éviter une réverbération du rayonnement solaire sur la
toiture, non souhaitable d'un point de vue esthétique, on peut
utiliser des tuiles de verre 11 légèrement dépolies, cette disposition
particulière n'affectant pratiquement pas les propriétés du collec
teur.
Les fig. 5 à 7 illustrent une première variante d'un élément de couverture selon l'invention, qui diffère de la forme d'exécution précédemment décrite, essentiellement par son mode d'accrochage à la toiture. Dans cette variante en effet, les cornières longitudinales qui servaient précédemment à l'accrochage des tuiles sont ici remplacées (fig. 5) par une pluralité de crochets 40 distants les uns des autres et disposés sur la plaque absorbante 8 en rangées successives de façon telle que la distance m qui sépare deux crochets adjacents quelconques appartenant à une même rangée soit égale à la largeur des tuiles et que l'écartement n qui existe entre deux rangées adjacentes de crochets soit égal à l'écartement des lattes disposées sur la charpente, les crochets d'une même rangée étant par ailleurs disposés en quinconce par rapport à ceux des rangées adjacentes.
Une pluralité de tuiles transparentes 41, imbriquées les unes avec les autres de manière identique à la manière précédemment décrite, sont accrochées à la plaque absorbante 8 par l'intermédiaire de ces crochets 40.
Ces tuiles 41, en matériau transparent, se composent (fig. 6 et 7) d'une face supérieure plane 42 de forme rectangulaire se terminant par une extrémité arrondie 42a et d'une paroi latérale 43 entourant la face supérieure 42 dans la face interne de laquelle est ménagée, dans la partie rectiligne 43a opposée à l'extrémité arrondie 42a de la tuile, un évidement 44 destiné à assurer le positionnement des tuiles 41 par rapport aux crochets 40. La face supérieure 42 de ces tuiles 41 comporte de plus une rainure médiane 47 qui s'étend sur toute la longueur de la tuile. Cette rainure 47 est destinée par exemple à faciliter l'écoulement de l'eau de pluie le long de la pente du toit. Dans la semelle de la paroi latérale 43 est ménagée par ailleurs une encoche annulaire 48 dans laquelle est logé un joint d'étanchéité 49, fait en tresse d'amiante par exemple.
La présence de ce joint 49 a pour but d'assurer l'étanchéité entre les tuiles qui se chevauchent et entre le bord supérieur de la tuile et le collecteur. En variante, on pourrait également prévoir de loger des joints dans la face externe de ces parois latérales 43 de façon à assurer l'étanchéité entre les tuiles adjacentes.
Au-dessous de la plaque absorbante 8, et en contact avec cette dernière, est disposée (fig. 5) une tuyauterie 46 analogue à celle décrite précédemment, mais dont les parties droites 46a sont disposées perpendiculairement à la ligne de plus grande pente de la toiture au lieu d'être disposées comme précédemment parallèlement à cette ligne de plus grande pente.
Dans les formes d'exécution décrites jusqu'à présent, la tuyauterie est disposée au-dessous de la plaque absorbante. Cette disposition n'est cependant pas obligatoire. Ainsi, dans la seconde variante représentée à la fig. 8, la tuyauterie 56 se trouve être en contact avec la face supérieure de la plaque absorbante 8, les parties droites 56a de cette tuyauterie étant par ailleurs disposées perpendiculairement à la ligne de plus grande pente de la toiture de façon à servir simultanément de moyens d'accrochage pour les tuiles transparentes 51.
Les tuiles creuses transparentes peuvent revêtir des formes très diverses. Elles peuvent par exemple avoir une forme rectangulaire, carrée, terminée ou non par un arrondi. Leur face antérieure peut par ailleurs comporter un ou plusieurs trous destinés à faciliter l'évacuation de l'eau de condensation, cependant que leur face supérieure peut être cannelée ou en verre dépoli. Ces tuiles peuvent également être formées de telle sorte qu'elles focalisent au moins partiellement le rayonnement solaire sur la plaque absorbante. De préférence, I'épaisseur de la face supérieure est comprise entre 2 et 15 mm, cependant que la profondeur des creux de la tuile est comprise entre 0,5 et 3 cm.
Par ailleurs, les tuiles peuvent être, suivant leur forme, agencées en quinconce ou en ligne.
De manière avantageuse, ces tuiles peuvent également être équipées de tenons, de façon à pouvoir être accrochées les unes aux autres par un fil de fer. On peut également utiliser un mécanisme d'accrochage tel que celui représenté à la fig. 9. Dans cette variante, chaque tuile 60 comporte, respectivement, deux plots 61a et 6lb situés au voisinage de chaque bord de la tuile et faisant saillie au-dessus de la face supérieure de celle-ci, dans sa partie médiane, et une languette 62 située dans le prolongement de sa face avant, lesdits plots et ladite languette étant agencés de telle sorte que la languette 62 d'une tuile appartenant à une rangée quelconque vient s'insérer entre les plots 61a et 61b de deux tuiles adjacentes appartenant à la rangée immédiatement inférieure.
Un fil de fer 63, monté pivotant par ses extrémités dans ces plots 61 a et 61 b, est alors poussé sur la languette 62 de façon à maintenir l'ensemble en position.
Le mode de fixation qui vient d'être décrit, ou un mode analogue, peut s'avérer particulièrement avantageux dans les cas où le collecteur est monté sur une toiture à forte pente, voire dans le cas où le collecteur est monté verticalement sur une façade. Il est en effet évident que le dispositif collecteur de l'invention ne se limite pas aux toitures, bien qu'il ait été fait plus spécialement référence à cette possibilité dans la description.
L'élément de couverture selon l'invention permet ainsi, notamment, de réaliser des collecteurs solaires qui présentent de multiples avantages par rapport aux collecteurs conventionnels. La conception modulaire de ces collecteurs, en favorisant la compatibilité, rend ainsi possible leur intégration complète à pratiquement tous les styles de construction, sans nécessiter de changements dans les techniques de construction traditionnelles. Un tel collecteur peut aussi bien être installé sur des habitations nouvelles en cours de construction que sur des habitations déjà existantes.
Cette possibilité d'intégration permet ainsi d'améliorer grandement l'esthétique, en même temps qu'elle apporte une grande simplification pour l'ensemble, puisque les tuiles transparentes assurent simultanément une double fonction: fonction traditionnelle de couverture du toit et fonction de double vitrage du collecteur conventionnel.
Par ailleurs, en autorisant la production en grande série, cette conception modulaire contribue à un abaissement notable du coût de fabrication; le coût des tuiles transparentes, notamment, peut être fortement abaissé grâce à cette production de masse. L'intégration d'un tel collecteur favorise en outre l'installation de grandes surfaces collectrices, ce qui permet d'être moins exigeant à l'égard du rendement thermique par unité de surface. Enfin,
I'entretien d'un tel collecteur est particulièrement facile: simple remplacement de tuiles, accès au collecteur et à la tuyauterie assurant l'échange de chaleur par le grenier.
The steadily increasing increase in energy consumption around the world, as well as the trend towards diversification of energy sources which is now evident in many industrialized countries, explains the renewed interest in 'solar energy. While it seems doubtful that such energy could in the near future supplant other sources of energy, it nevertheless seems almost certain that solar energy could be called upon to play in the years to come a particularly important role in a certain number of areas, particularly in heating and air conditioning of homes.
Solar energy collecting devices are already known designed for heating homes or heating sanitary water. Such devices are generally constituted by a glazing arranged above an absorbing surface which heats up under the effect of solar radiation trapped by the greenhouse effect and transmits the heat thus absorbed to a fluid circulating in conduits placed at his contact. The whole of such a system is generally mounted on a frame capable of ensuring its mechanical rigidity and sealing. The presence of such a frame, which must moreover be able to withstand sometimes severe climatic conditions (rain, humidity, frost) and withstand repeated thermal cycles, contributes to increasing the cost of manufacturing such devices.
Furthermore, the efficiency of such devices remains limited, despite the use of insulating materials covering their rear faces as well as their side walls, this because of the inevitable losses by radiation and by convection.
To reduce these losses by radiation and by convection, the use of double glazing has been recommended, which helps to improve thermal insulation without introducing too many losses by absorption and reflection in the glass, as well as the use transparent or reflective walls, arranged perpendicular to the absorbent surface, between this surface and the glazing.
However, these additional arrangements, in addition to the fact that they complicate the device, contribute to increasing the manufacturing costs.
However, in spite of all the potential improvements, such devices will still suffer from a major drawback due to their very design, which makes their real integration into dwellings difficult and which proves to be hardly compatible with the aesthetic requirements usually required in the home. construction. This difficulty of integration also makes the standardization of such devices ineffective, because of the great architectural diversity found in the construction sector. This standardization would, however, be an essential factor in obtaining a significant reduction in manufacturing costs.
The object of the present invention is precisely to remedy the aforementioned drawbacks, by proposing covering elements for an external surface, for example a building roof, which are in particular capable of being simultaneously used as glazing elements for solar energy collectors. can be integrated into these roofs, so as to allow a modular design of such collectors.
To this end, the present invention relates to a covering element for an external surface of a building, intended to serve simultaneously as a glazing element for a solar energy collector integrated into this surface, characterized in that it comprises a body of substantially flat shape made of a material permeable to solar radiation, said body comprising means allowing its attachment to this external surface, and the surface of the body opposite to that exposed to solar radiation being recessed so as to form at least one cell capable of retaining by greenhouse effect the heat absorbed by the solar collector.
The appended drawing illustrates, schematically and by way of example, an embodiment as well as variants of the covering element, object of the present invention.
Fig. I is a perspective view illustrating this embodiment.
Fig. 2 is a sectional view along the line II-II of FIG. 1.
Fig. 3 is a perspective view, partially cut away, illustrating a solar energy collector integrated into the roof of a building, which uses roofing elements according to the invention.
Fig. 4 is a sectional view along the line IV-IV of FIG. 3.
Fig. 5 is a perspective view illustrating a first variant.
Fig. 6 is a view illustrating a detail, enlarged, of FIG. 5.
Fig. 7 is a sectional view along the line VII-VII of FIG. 6.
Fig. 8 is a perspective view similar to that of FIG. 5, illustrating a second variant.
Fig. 9 is a perspective view illustrating a third variant.
Figs. 1 and 2 illustrate an embodiment of a roofing element for a building roof, according to the present invention.
This embodiment comprises a hollow body 11 of substantially flat shape, made of a material transparent to solar radiation such as glass or transparent plastic. This hollow body 11 consists of a flat upper face 12 of rectangular shape ending in a rounded end 12a and of a side wall 13 surrounding the upper face 12, in which are formed, in the vicinity of its rectilinear part 13a opposite to the rounded end 12a, two notches 14a and 14b facing each other.
The covering element according to the invention, which is intended to be assembled on the roof of a building with other similar elements so as to ensure its conventional covering function, is in particular susceptible, as will be seen below. , to be simultaneously used as a glazing element in a solar energy collector integrated into the roof of this building. Such use is illustrated in FIGS. 3 and 4, on which we can recognize a solar energy collector integrated into the roof of a house, of a type similar to those described in the Swiss patent
No. 593460.
It will be assumed in the description which follows that this roof (shown only partially in the drawing) is of a well known type, consisting for example (fig. 3 and 4) of a frame 1 - comprising horizontal beams or purlins 2 , rafters 3 resting on these purlins 2 along the line of the greatest slope of the roof and slats 4 arranged at regular intervals across these rafters - and a roof consisting of a set of ordinary flat tiles 5 (shown in hatching in Figs. 3 and 4), for example in ceramic, hung on the slats 4.
In a particularly advantageous manner, the solar collector can be inserted in a window 6 cut in a part of the roof delimited by two purlins and two adjacent rafters (for example purlins 2a and 2b and the rafters 3a and 3b in FIGS. 2 and 3 ). Reference will be made more specifically to this particular arrangement in the description which follows.
This solar collector comprises (fig. 3 and 4) a parallelepipedal enclosure 7 of small thickness, extending substantially over the entire window 6, and coming to rest, via rims 8a and 8b located in the extension of its upper wall. 8, on the adjacent rafters 3a and 3b (fig. 3). Strips 9, made of a thermally insulating material, are interposed respectively between these rafters 3a and 3b and the edges 8a and 8b.
The upper wall 8 of this enclosure 7 is preferably formed by a metal plate. The outer face of this plate 8 is coated with a layer of a material endowed with a high capacity to absorb solar radiation. On this absorbent plate 8 are arranged at regular intervals, and perpendicular to the line of greatest slope of the roof, angles 10 which extend from the rim 8a to the rim 8b of this plate 8 so as to be in the continuation slats 4 which are flush with the window 6.
On the absorbent plate 8 is arranged a plurality of hollow elements 11 similar to those described above, assembled so as to cover the entire surface of this plate. The length of these hollow elements 11, that is to say the distance existing between the rear part 1 3a which forms heel and the end of the rounded front part 1 2a, is chosen to be substantially equal to twice the spacing of the angles 10, and consequently, the spacing of the slats 4.
The hollow elements 1 1 are hooked to the angles 10 of the absorbent plate 8 so that all the elements 1 1 hooked to the same angle 10, that is to say all the elements 1 1 belonging to the same row, touch each other edge to edge, the elements 1 1 of the same row also overlapping substantially by half the elements of the adjacent lower row and being overlapped by half by the elements of the adjacent upper row, and these elements being arranged staggered with respect to to those in adjacent rows.
The set of these hollow elements 11 thus defines, in cooperation with the absorbent plate 8, a plurality of cells 15, arranged in such a way that solar radiation arriving at any incidence is forced to pass through two superimposed cells 15 before coming. strike the absorbent plate 8. The dimensions of the transparent hollow elements 11 are chosen so as to be compatible with those of the ordinary flat tiles 5 which cover the rest of the roof, so that, in the vicinity of the edges of the absorbent plate 8, it There is no transition problem with these regular tiles 5.
Inside the enclosure 7 is arranged, in contact with the internal face of the absorbent plate 8 (as can be seen on the exploded view of FIG. 3), a duct 16 having a plurality of straight parts. 16a, arranged along the line of greatest slope of the roof and interconnected by bent parts 16b, and opening, by one of its ends 17a, on the lower side wall 18a of the enclosure 7 located opposite the lower purlin 2a and, by its other end 17b, on the upper side wall 1 8b of the enclosure 7 located opposite the upper purlin 2b. These lower 18a and upper 18b side walls are also respectively provided with flaps 19a and 19b, which occupy the major part of the surface of these side walls.
These flaps 19a and 19b can be actuated manually (by a mechanism not shown), so as to allow the enclosure 7 to be placed in communication with the external atmosphere. A layer 20 of a thermally insulating material covers the rear face of the enclosure 7.
It can thus be seen that the device which has just been described integrates perfectly well with the roof of the dwelling. This integration is made possible thanks to the very design of the device as well as the compatibility of the transparent hollow tiles 11 with the ordinary tiles 5. By way of example, ordinary tiles having a length of about 30 to 35 can be used. cm, a width of about 15 to 20 cm and a thickness of about 15 to 25 mm, and hollow glass tiles having a substantially identical length and width, but having a glass thickness of about 4 to 10 mm and an interior side wall height (i.e. a hollow) of about 10 to 20 mm.
The presence of the angles 10, welded to the outer wall of the plate 8 and coming to rest by their ends on the adjacent rafters 3a and 3b, via the edges 8a and 8b of this plate, as well as the presence of the duct 16 welded to the internal wall of the same plate 8, moreover contribute to ensuring the mechanical rigidity of the entire system.
The device which has just been described is intended to be connected, via the ends 17a and 17b of its pipe 16 in which a fluid such as water or air circulates, to the heating installations of the dwelling (not shown in the drawing), possibly by means of a pumping device (not shown in the drawing).
The operation of such a device is relatively similar to that of conventional solar energy collecting devices.
nels mentioned above. Flaps 19a and 19b of enclosure 7 are
normally in the closed position, so as to maintain
arose a certain mass of air inside the enclosure 7. Under
the action of incident solar radiation 21, which has passed through
After two layers of transparent tiles 11, the plate
absorbent 8 heats up and gives up part of its heat to the
pipe 16 in contact with plate 8, so that the fluid
who parked inside this pipe 16 sees its temperature
ture to rise gradually.
The heated fluid is then evacuated to the outside - either by natural convection or by convection.
forced tion (pumping) - so as to transmit its heat to
the heating installation (domestic or domestic water) of
housing. Under the effect of these various heat exchanges, it
In this way, a thermal equilibrium is gradually established inside
of the device, which then reaches an equilibrium temperature
determined. The value of this equilibrium temperature is
the higher the solar radiation is more intense,
that the fluid discharge flow to the outside is lower
and that the thermal losses are lower.
However, the thermal losses (constituted by the portion of energy
absorbed by the plate 8 which has not been returned to the fluid by
conduction) are minimized in such a device. In
In fact, the heat losses towards the rear part of the
device are negligible, thanks to the presence of the mass
air trapped in chamber 7 (which constitutes an excellent
thermal insulation) and thanks to the presence of the insulating material 20.
To further reduce these heat losses towards the rear, we can
cover the internal wall of the rear face of the enclosure 7 with a
reflective layer. Likewise, thermal losses in direct
tion of the front part of the device (losses by conduction, by convection and by radiation) are reduced to a minimum thanks to
the presence of transparent hollow tiles 21 and their agency
specifically, which allows them to play both the role of
double glazing and separation walls for solar collectors
conventional, thus eliminating convection on the face
front of the device.
Let's take a closer look at these losses towards the game
front of the device. Conduction losses are negligible, taking into account the low coefficient of heat conductivity of
materials constituting the transparent tiles 11 (glass or material
plastic). As for radiation losses, they are
reduced to a minimum; indeed, given the presence of a
double thickness of transparent tiles 1 1 (tiles 11 which constitute
kill, according to a well-known greenhouse effect, absorbent surfaces
for the radiation re-emitted to the outside by the plate 8), it does not
in fact reaches outside that about a quarter of the energy
radiative re-emitted by plate 8.
Finally, the particular nesting
of these transparent tiles 11, by delimiting a plurality of
cells 15 isolated from each other, limits
convection losses. In addition, the possibilities of convection at
the very interior of each of these cells 15 are practically
canceled, due to the inclination of these cells 15 according to the
slope of the roof. According to this arrangement in fact, the air more
hot is forced to park in the upper part 15a of
each of the cells 15 (see fig. 2), so to stay in contact with
hot plate 8, while the colder air is brought to
park in the lower part 1 5b of these cells, only part
located in direct contact with the outside. The air stationed in each of these cells is also an excellent insulator.
thermal.
One can thus, according to the intensity of the solar radiation
incident and according to the discharge rate of the fluid to the outside,
achieve relatively high equilibrium temperatures.
In order to prevent solar radiation from being reflected on the
roof, undesirable from an aesthetic point of view, one can
use 11 slightly frosted glass tiles, this arrangement
particularly not affecting the properties of the collec
tor.
Figs. 5 to 7 illustrate a first variant of a covering element according to the invention, which differs from the embodiment previously described, essentially by its method of attachment to the roof. In this variant, in fact, the longitudinal angles which previously served for the attachment of the tiles are here replaced (FIG. 5) by a plurality of hooks 40 spaced from each other and arranged on the absorbent plate 8 in successive rows in such a manner. that the distance m which separates any two adjacent hooks belonging to the same row is equal to the width of the tiles and that the distance n which exists between two adjacent rows of hooks is equal to the distance of the slats arranged on the frame, the hooks of the same row being moreover arranged staggered with respect to those of the adjacent rows.
A plurality of transparent tiles 41, nested with one another in an identical manner to the manner previously described, are hung on the absorbent plate 8 by means of these hooks 40.
These tiles 41, made of transparent material, consist (fig. 6 and 7) of a flat upper face 42 of rectangular shape ending in a rounded end 42a and of a side wall 43 surrounding the upper face 42 in the internal face. of which is provided, in the rectilinear part 43a opposite the rounded end 42a of the tile, a recess 44 intended to ensure the positioning of the tiles 41 relative to the hooks 40. The upper face 42 of these tiles 41 further comprises a middle groove 47 which extends over the entire length of the tile. This groove 47 is intended, for example, to facilitate the flow of rainwater along the slope of the roof. In the sole of the side wall 43 is also formed an annular notch 48 in which is housed a seal 49, made of asbestos braid for example.
The presence of this seal 49 is intended to ensure the seal between the overlapping tiles and between the upper edge of the tile and the collector. As a variant, provision could also be made to accommodate gaskets in the external face of these side walls 43 so as to ensure the seal between the adjacent tiles.
Below the absorbent plate 8, and in contact with the latter, is arranged (fig. 5) a pipe 46 similar to that described above, but the straight parts 46a of which are arranged perpendicular to the line of greatest slope of the roof instead of being arranged as before parallel to this line of greatest slope.
In the embodiments described so far, the piping is disposed below the absorbent plate. However, this provision is not compulsory. Thus, in the second variant shown in FIG. 8, the pipe 56 is in contact with the upper face of the absorbent plate 8, the straight parts 56a of this pipe being moreover arranged perpendicular to the line of greatest slope of the roof so as to simultaneously serve as means of 'hooking for transparent tiles 51.
Transparent hollow tiles can take a variety of shapes. They may for example have a rectangular or square shape, whether or not terminated by a rounding. Their front face can also include one or more holes intended to facilitate the evacuation of the condensation water, while their upper face can be fluted or frosted glass. These tiles can also be formed such that they at least partially focus the solar radiation on the absorbent plate. Preferably, the thickness of the upper face is between 2 and 15 mm, while the depth of the hollows in the tile is between 0.5 and 3 cm.
Furthermore, the tiles can be, depending on their shape, arranged in staggered rows or in a row.
Advantageously, these tiles can also be equipped with tenons, so as to be able to be hooked to each other by a wire. It is also possible to use a hooking mechanism such as that shown in FIG. 9. In this variant, each tile 60 comprises, respectively, two studs 61a and 6lb located in the vicinity of each edge of the tile and projecting above the upper face thereof, in its middle part, and a tongue 62 located in the extension of its front face, said studs and said tongue being arranged so that the tongue 62 of a tile belonging to any row is inserted between the studs 61a and 61b of two adjacent tiles belonging to the row immediately below.
An iron wire 63, mounted to pivot at its ends in these studs 61 a and 61 b, is then pushed onto the tongue 62 so as to hold the assembly in position.
The fixing method which has just been described, or a similar method, can prove to be particularly advantageous in the cases where the collector is mounted on a roof with a steep slope, or even in the case where the collector is mounted vertically on a facade. . It is in fact obvious that the collecting device of the invention is not limited to roofs, although reference has been made more specifically to this possibility in the description.
The covering element according to the invention thus makes it possible, in particular, to produce solar collectors which have multiple advantages over conventional collectors. The modular design of these collectors, by promoting compatibility, makes it possible to integrate them fully into virtually any building style, without requiring changes in traditional building techniques. Such a collector can just as well be installed on new dwellings under construction as on already existing dwellings.
This possibility of integration thus makes it possible to greatly improve the aesthetics, at the same time as it brings a great simplification for the whole, since the transparent tiles simultaneously perform a double function: traditional function of roof covering and double function. glazing of the conventional collector.
Moreover, by allowing mass production, this modular design contributes to a notable reduction in the cost of manufacture; the cost of transparent tiles, in particular, can be greatly reduced thanks to this mass production. The integration of such a collector also promotes the installation of large collecting surfaces, which makes it possible to be less demanding with regard to the thermal efficiency per unit area. Finally,
The maintenance of such a collector is particularly easy: simple replacement of tiles, access to the collector and to the piping ensuring heat exchange through the attic.