ELEMENT DE VETURE DE PAROIS DE BATIMENT A FONCTION SOLAIRE
ET ISOLANTE
La présente invention concerne un certain type de vêture de parois extérieures de bâtiment , susceptible d'équiper des murs existants, qui a pour fonction de rendre d'une part ces parois bénéficiaires d'apports calorifiques d'origine solaire, en hiver par jour ensoleillé, et d'autre part de réduire le coefficient de déperditions thermiques de ces parois et les rendre moins sensibles aux pertes de chaleur en période froide et aux surchauffes en période d'été
Le dispositif proposé peut être rapproché aussi bien des capteurs à air de façade, dont il utilise certaines propriétés, que des isolant extérieurs apportés sous forme de bardage ou de vêture, dont il reprend certains aspects mécaniques
Dans le domaine des capteurs solaires de façade, il n'existe guère actuellement que le système de mur vitré, dit " Mur Trombe ", qui revient à disposer une surface transparente faisant effet de serre devant un mur lourd pour l'aider a se charger en chaleur solaire, sans que son coefficient de déperdition thermique, initialement très élevé (absence d'isolant) s'en trouve fortement réduit ni que le risque de surchauffe en éte soit évité
Dans le domaine des vêtures ou bardages extérieurs de bâtiments, il n'est d'autre fonction proposée actuellement que celle d'isoler thermiquement ou de modifier l'aspect extérieur des murs
La présente invention a pour but de concilier la- fonction d'isolant, en reproduisant la facilité de mise en oeuvre des vêtures, et la fonction de capteur solaire des murs Trombe en utilisant comme eux la masse du mur comme milieu de stockage thermique ( avec éventuellement un élément de stockage additionnel ) . Cette double fonction est obtenue grâce à la juxtaposition de plusieurs composants différents au sein de la vêture et a 1 'exp- loitation de quelques phénomènes physiques simples .De l'extérieur vers l'intérieur de la paroi, on rencontre successivement, comme l'indique la
Figure I; un élément de vêture proprement dite, constitué d'une paroi transparente ou translucide (1), laissant passer la majeure partie du rayonnement solaire, cette paroi pouvant être avantageusement double ( ou alvéolaire ) pour assurer une meilleure isolation thermique; une surface absorbante (2) qui transforme en chaleur le rayonnement reçu, et qui se trouve séparée de la couverture (1) par une lame d'air de quelques centimêtres, laquelle surface peut être directement la face avant ( de teinte sombre ) d'un panneau isolant thermiquement (3) constitué de mousse plastique ou de matériau minéral, pourvu d'orifices (4) dans sa partie haute et (5) dans sa partie basse et de corrugations horizontales (6); un ensemble de lames réfléchissantes (7) disposées sur les plans faiblement inclinés des corrugations, et dont l'orientation permet de renvoyer sur l'absorbeur (2) le rayonnement solaire suffisamment bas sur l'horizon ( hiver ) et de rejeter vers l'extérieur le rayonnement solaire haut sur l'horizon ( éte ), conformément aux revendications d'un brevet PROMOVENCE déjà déposé (dépot du 11 décembre 1984 ); des clapets (8) situés sur les orifices supérieurs (4) pour imposer un cheminement de l'air en sens unique; enfin la surface du mur original (9) sur laquelle sont accroches les éléments prcédemnent énumérés
Le fonctionnement du dispositif est alors le suivant : sous l'influence des rayons solaires d'hiver ou de demie-saison, la surface de l'absorbeur monte en température et échauffe la lame d'air située entre la couverture (1) transparente et l'isolant (3); cette lame d'air se dilate et devient plus légère que la lame d'air située a l'arrière entre l'isolant (3) et le mur (9) ce qui provoque un mouvement appelé thermo-siphon,dans le sens des flèches
La chaleur reçue par l'air en avant est cédée au mur a l'arrière, ce qui permet de maintenir les conditions du thermo-siphon pendant toute la periode d'insolation et de rechauffer l'espace qui touche le mur arrière .Pendant une interruption momentanée (nuage) ou prolongée (nuit) de l'ensoleillement il n'y a plus de force motrice pour entrainer l'air dans le sens des flèches, mais il n'y a pas non plus de thermo-siphon en sens inverse en raison du clapet anti-retour (8) ; en consequence, l'air stagne et l'ensemble du dispositif se comporte comme un isolant dont l'efficacité dépend de l'épaisseur de l'isolant, des lames d'air et des alvéoles de la couverture
En période d'éte, la course du soleil est telle qu'un mur vertical sensiblement exposé au sud reçoit des rayons issus de directions très hautes sur l'horizon (du moins pour nos latitudes comprises entre 40 et 500); les lames réflectrices renvoient alors ces rayons vers l'extérieur .La cause de l'échauffement de l'air est donc partiellement ou complètement supprimée suivant l'époque considérée, et le transfert de chaleur vers le mur est réduit d'autant . De cette façon, la vêture solaire joue le rôle d'isolant protecteur des surchauffes en eté, comme le ferait un isolant exterieur ordinaire
Selon une version alternative de l'invention, schématisée en Figure II, il est possible de placer cette vêture solaire devant des murs de faible masse (par exemple faits de blocs creux au lieu de béton plein), en évitant le danger de créer une surchauffe intolérable de ce mur en hiver au cours d'une journée ensoleillée : ceci est rendu possible par l'introduction d'un élément de stockaoe thermique additionnel (10) placé dans la lame d'air située entre l'isolant et le mur .Cet élément de stockage thermique,qui doit être capable d'accumuler beaucoup de chaleur sous un faible volume, est constitué d'une enveloppe rigide, de préférence en matière plastique, contenant un matériau dit~"a changement de phasme"9 tel qu'un dérivé du Chlorure de calcium ou tout autre hydrate salin développé à cette fin, avec une température de fusion adaptee au problème présent (entre 20 et 500cl). SOLAR FUNCTIONAL WALL CLADDING ELEMENT
AND INSULATING
The present invention relates to a certain type of cladding of exterior walls of buildings, capable of equipping existing walls, which has the function of making on the one hand these walls beneficiary of calorific contributions of solar origin, in winter on a sunny day , and on the other hand to reduce the coefficient of heat losses of these walls and to make them less sensitive to heat losses in cold period and to overheating in summer period
The proposed device can be compared to both front air sensors, of which it uses certain properties, as well as external insulation provided in the form of cladding or cladding, from which it takes up certain mechanical aspects.
In the field of solar facade collectors, there is hardly any other than the glazed wall system, called "Mur Tombe", which amounts to having a transparent surface acting as a greenhouse in front of a heavy wall to help it load in solar heat, without its initially very high heat loss coefficient (absence of insulation) being greatly reduced or the risk of overheating in summer being avoided
In the field of exterior cladding or cladding of buildings, there is no other function currently proposed than that of thermally insulating or modifying the external appearance of the walls.
The purpose of the present invention is to reconcile the function of insulator, by reproducing the ease of implementation of the clothing, and the function of solar collector of Trombe walls by using, like them, the mass of the wall as a medium for thermal storage (with possibly an additional storage element). This double function is obtained thanks to the juxtaposition of several different components within the cladding and to the exploitation of some simple physical phenomena. From the outside towards the inside of the wall, we meet successively, like the indicates the
Figure I; an item of clothing proper, consisting of a transparent or translucent wall (1), allowing most of the solar radiation to pass, this wall possibly being advantageously double (or cellular) to ensure better thermal insulation; an absorbent surface (2) which transforms the received radiation into heat, and which is separated from the cover (1) by an air gap of a few centimeters, which surface can be directly the front face (of dark shade) of a thermally insulating panel (3) made of plastic foam or mineral material, provided with orifices (4) in its upper part and (5) in its lower part and with horizontal corrugations (6); a set of reflective plates (7) arranged on the slightly inclined planes of the corrugations, and whose orientation makes it possible to return to the absorber (2) the sufficiently low solar radiation on the horizon (winter) and to reject towards the outside the high solar radiation on the horizon (ext), in accordance with the claims of a PROMOVENCE patent already deposited (deposit of December 11, 1984); valves (8) located on the upper holes (4) to impose a flow of air in one direction; finally the surface of the original wall (9) on which the previously listed elements are hung
The operation of the device is therefore as follows: under the influence of winter or half-season solar rays, the surface of the absorber rises in temperature and heats the air space located between the transparent cover (1) and the insulator (3); this air space expands and becomes lighter than the air space located at the rear between the insulation (3) and the wall (9) which causes a movement called thermo-siphon, in the direction of the arrows
The heat received by the air at the front is transferred to the wall at the rear, which makes it possible to maintain the conditions of the thermo-siphon during the entire period of sunshine and to heat the space that touches the rear wall. momentary interruption (cloud) or prolonged (night) of sunshine there is no longer any driving force to entrain the air in the direction of the arrows, but there is also no thermo-siphon in the opposite direction due to the non-return valve (8); consequently, the air stagnates and the entire device behaves like an insulator whose effectiveness depends on the thickness of the insulator, the air spaces and the alveoli of the cover
In summer, the course of the sun is such that a vertical wall substantially exposed to the south receives rays from very high directions on the horizon (at least for our latitudes between 40 and 500); the reflective plates then return these rays to the outside. The cause of the air heating is therefore partially or completely eliminated depending on the time considered, and the transfer of heat to the wall is reduced accordingly. In this way, the solar clothing acts as a protective insulator against overheating in summer, as would an ordinary exterior insulator
According to an alternative version of the invention, shown schematically in Figure II, it is possible to place this solar clothing in front of low mass walls (for example made of hollow blocks instead of solid concrete), avoiding the danger of creating overheating intolerable of this wall in winter during a sunny day: this is made possible by the introduction of an additional thermal storage element (10) placed in the air space between the insulation and the wall. thermal storage element, which must be capable of accumulating a lot of heat under a small volume, consists of a rigid envelope, preferably made of plastic, containing a material known as "a phase change" 9 such as derived from Calcium chloride or any other saline hydrate developed for this purpose, with a melting temperature adapted to the present problem (between 20 and 500cl).
De ce fait une partie de la chaleur transmise vers l'arrière est accumulée dans l'élément de stockage pour être ensuite restituée au mur pendant la phase de stagnation
La disposition des éléments de vêture solaire ainsi décrits est modulaire pour pouvoir s'adapter â des parois de dimensions variées sans obliger à une fabrication sur mesure . Les dimensions d'un module ne sont fixées que par des considérations mécaniques ou thermiques : en largeur, seules des questions de résistance mécanique et de manutention limitent les dimensions, qui peuvent être aussi bien d'une fraction de mètre que de plusieurs mètres selon les matériaux choisis . En hauteur, des questions thermiques de rendement de captage solaire limitent les dimensions à des valeurs en dessous du mètre .Mais cette restriction concerne la hauteur de la boucle d'air et donc la distance entre orifices hauts et bas dans l'isolant . Rien n'empèche d'avoir une couverture transparente de grande hauteur renfermant des modules plus courts réalisant des boucles d'air isolées les unes des autres
Un des derniers éléments caractéristiques de l'invention concerne le choix des matériaux aptes à assurer les fonctions décrites : la couverture transparente, de préférence alvéolaire doit être légère, non fragile et resistante au rayonnement (en particulier aux U-V) et à la chaleur, tout en suportant sans dommage les agressions atmosphériques extérieures; d'ou le choix de matières plastiques de haute qualité comme par exemple le polycarbonate
L'isolant dont la face avant joue le rôle d'absorbeur doit résister à de hautes températures sans dégradations et le cloisonnement des boucles d'air qu'il assure doit résister aux dilatations différentielles des autres matériaux . Pour ce faire, il peut éventuellement faire appel a une structure composite où certains matériaux assurent la fonction thermique et optique et d'autres la fonction d'étanchéité (par exemple verre cellulaire allié à mousses phénoliques) . Les lames réfléchissantes doivent faire appel de préférence aux qualités optiques de l'aluminium poli et conserver leur pro pie té dans le temps grâce par exemple à une anodisation, leur fixation doit résister a- la chaleur et aux dilatations différentielles avec le support, par exemple en util-isant adhésifs et rainures sur la surface (2) .Les ma tériaux constituant les clapets (8) doivent être très légers pour être soulevés par une très faible surpression et résister à la chaleur et au rayornement et peuvent être des membrannes de certains plastiques comme le PVC, le polyéthyléne, le 'flylar, le Teflon, les EVA et autres films connus . la forme du siège arrière -des orifices (4) peut être avantageusement inclinée sur la verticale pour assurer un leger appui au repos et donc une meilleure étanchéité au mouvement d'air inverse de celui des flèches de la Figure I
Enfin la fabrication et la mise en place des différents composants doit être aussi industrialisable que possible, avec une main d'oeuvre simplifiée et rapide sur site .Cela peut être obtenu grâce au caractère modulaire des composants conçus en quelques largeurs et en hauteur adaptable par simple opération de sciage, facile à effectuer sur des couvertures de plastique et des isolants de matière tendre . L'absorbeur-isolant en particulier peut être aisément réalisé par une opération de moulage d'une mousse lui donnant en une fois la forme se prètant à assurer l'étanchéité à l'air sur les bords et à aménager les orifices de circulation hauts et bas,-tout en permettant l'usage de matériaux distincts sur la face avant corruguée
Une technique de pose simple est suggéree en Figure III grâce à l'usage de couvertures transparentes de profil en U évasé (12)quel'on trouve chez les fabricants de plaques de polycarbonate alvéolaire, et de profils metal- liques en Oméga (13) directements fixés au mur . Le mode de pose consiste à fixer les profils métalliques sur le mur à l'aide d'un gabarit, à inserrer les absorbeurs-isolants (3) entre ces profils, par coincement, et à clipser les couvertures en U sur toute la hauteur des profils métalliques
Des terminaisons métalliques constituées de profils en U assurent la protection et l'étanchéité superieure et inférieure de la vêture de façade ainsi montée .Therefore a part of the heat transmitted backwards is accumulated in the storage element to be then returned to the wall during the stagnation phase
The arrangement of the solar clothing elements thus described is modular in order to be able to adapt to walls of various dimensions without requiring custom manufacturing. The dimensions of a module are only fixed by mechanical or thermal considerations: in width, only questions of mechanical strength and handling limit the dimensions, which can be as much a fraction of a meter as several meters depending on the chosen materials. In height, thermal questions of solar collection efficiency limit the dimensions to values below the meter. But this restriction concerns the height of the air loop and therefore the distance between high and low holes in the insulation. Nothing prevents having a transparent high-rise cover containing shorter modules producing air loops isolated from each other
One of the last characteristic elements of the invention relates to the choice of materials capable of performing the functions described: the transparent cover, preferably cellular, must be light, non-fragile and resistant to radiation (in particular UV) and to heat, all by supporting without damage external atmospheric aggressions; hence the choice of high quality plastics such as polycarbonate
The insulation whose front face acts as an absorber must withstand high temperatures without damage and the partitioning of the air loops it provides must resist differential expansion of other materials. To do this, it can possibly use a composite structure where certain materials provide the thermal and optical function and others the sealing function (for example cellular glass alloyed with phenolic foams). The reflective plates should preferably use the optical qualities of polished aluminum and retain their property over time, for example by anodizing, their fixing must resist heat and differential expansion with the support, for example. using adhesives and grooves on the surface (2). The materials constituting the valves (8) must be very light to be lifted by a very low overpressure and resist heat and radiation and can be members of certain plastics such as PVC, polyethylene, 'flylar, Teflon, EVA and other known films. the shape of the rear seat - orifices (4) can be advantageously inclined vertically to ensure a slight support at rest and therefore a better seal against the movement of air opposite to that of the arrows in Figure I
Finally the manufacture and installation of the various components must be as industrializable as possible, with a simplified and rapid labor on site. This can be obtained thanks to the modular nature of the components designed in a few widths and in height adaptable by simple sawing operation, easy to perform on plastic covers and soft material insulation. The absorber-insulator in particular can be easily produced by a molding operation of a foam giving it at once the shape which is suitable for ensuring airtightness at the edges and for arranging the high circulation openings and low, -allowing the use of separate materials on the corrugated front face
A simple installation technique is suggested in Figure III thanks to the use of transparent covers with a flared U-shaped profile (12), which are found in the manufacturers of cellular polycarbonate sheets, and metallic profiles in Omega (13). directly attached to the wall. The installation method consists of fixing the metal profiles to the wall using a template, inserting the absorbers (3) between these profiles, by wedging, and clipping the U-shaped covers over the entire height of the metal profiles
Metal terminations made up of U-shaped profiles provide upper and lower protection and sealing for the facade cladding thus assembled.
Des améliorations d'aspect architectural peuvent être introduites par l'usage de couvertures teintées dans la masse, ou d'un choix de couleurs pour les absorbeurs, soit de façon uniforme,-soit le long de bandes verticales modulaires, en jouant de plus sur l'état de surface de la couverture pour éviter éventuellement l'aspect vitreux de la réflexion de la lumière vu de l'extérieur Improvements of architectural aspect can be introduced by the use of tinted covers in the mass, or of a choice of colors for the absorbers, either in a uniform way, either along modular vertical bands, by playing more on the surface condition of the cover to possibly avoid the glassy appearance of light reflection seen from the outside