FR2669993A1 - Dispositif d'enceinte thermique adapte au chauffage solaire passif. - Google Patents

Abstract

L'invention est constitué par un dispositif de chauffage solaire passif. Il comporte un volume formant enceinte thermique ABCDEFG ouvert vers le bas et relié à au moins un conduit (12) comportant un ventilateur (8) et menant à un moyen de stockage (13). Cette enceinte thermique comprend essentiellement une surface vitrée (1) en façade du bâtiment et une surface intermédiaire constituée d'un matériau faisant office de corps noir (2) vu de l'extérieur, mais translucide vu de l'intérieur. L'enceinte a pour fonction, en vue de la récupération optimale des calories excédentaires, de rendre maximale la puissance calorifique de l'air à extraire de ladite enceinte et à le pulser vers le moyen de stockage en augmentant d'au moins 10degré C la température de l'air dans l'enceinte par rapport à la température de l'air ambiant dans les pièces de séjour.

Description

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 a 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.

I1 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.

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. I1 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 alors pouvoir être évacué pour assurer le confort thermique d'une habitation moyenne. Plus particulièrement aux heures d'ensoleillement maximal, un excèdent de 6 kw/h doit pouvoir être évacué en une 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 30C 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 kw/h en heure de pointe et environ 10kw/h sur la journée et donc de n'éliminer les surchauffes qu'a un niveau d'abord relativement bas.

L'évacuation d'une quantité nettement supérieure de calories excédentaires ne pourrait être obtenue pour la m$eme différence de température que par l'installation de ventilateurs dont la puissance est incompatible avec un petit bâtiment ou une maison d'habitation. Un tel ventilateur serait, en effet, très bruyant, très encombrant et exigerait un local particulier pour son installation. De plus, outre le coût de l'installation ou la consommation d'énergie pour son fonctionnement, serait prohibitive et annulerait en partie les gains solaires gratuits recherchés.

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 comme 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 ladite surface vitrée, volume
ouvert vers le bas et délimité par la vitre extérieure
isolante, une paroi postérieure, des parois latérlaes et
une paroi supérieure, la partie supérieure de l'enceinte
comprenant une ou plusieurs bouches d'extraction d'air du
système de ventilation.

Dans certains modes particuliers d'exécution de l'invention, il peut être nécessaire de pulser à certains moments, l'air préchauffé de l'enceinte dans divers locaux de séjour. Ladite enceinte comporte essentiellement une surface intermédiaire réflectrice 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 170C. Pour une position angulaire et un niveau d'observation fixe, cette paroi sera donc translucide lorsqu'elle est 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 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 par OC.

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 est par exemple de 10 à 150C au lieu de 2 à 40C. 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 Watts, 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 350C. 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 et 30au, soit bien inférieure à la température maximale que l'air peut atteindre dans l'enceinte. En decca de la température choisie pour l'enclenchement, le ventilatleur est à l'arrêt.

En pratique, la température d'enclenchement sera supérieure de 3 à 40C à la température de consigne du chauffage d'appoint et peut donc être de l'ordre de 240C.

Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, la paroi postérieure s'ouvre 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 400C. 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 présente 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 1 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 0,25 et 1 mètre. Une enceinte typique présente une hauteur de 2,5 mètres, une largeur de 4 mètres et une profondeur de 0,5 mètre 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 unesurface de 8 m2 et positionnée parallèlement aux vitrages de façade à une distance par 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 " 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 fiers locaux de séjoour. Cette circulation est provoquée de manière connue par un ou des thermostats.

L'invention sera mieux comprise à l'examen 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.

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.

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.

Claims (9)

Revendications

1) Dispositif pour bâtiment à chauffage solaire au moins partiellement passif comprenant un volume formant enceinte thermique, ouvert vers le bas, situé en façade à l'intérieur du bâtiment, façade comprenant essentiellement un vitrage isolant et de disposition appropriée pour capter le rayonnement solaire, ladite enceinte étant reliée à sa partie supérieure à au moins une conduite menant l'air surchauffé par rapport à l'air ambiant, à un moyen de stockage thermique forcé à l'intervention de moyens de contrôle et de ventilation appropriée.

2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'enceinte comporte essentiellement une paroi intermédiaire formant élément capteur sous forme d'une surface essentiellement parallèle au vitrage extérieur isolant, I'ensemble faisant ainsi office de corps noir vu de l'extérieur mais restant translucide vu de l'intérieur de l'habitation.

3) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la température de l'air à l'intérieur de l'enceinte, par ciel serein et sans intervention de moyens de circulation de l'air, est au moins supérieure de 100C à la température ambiante hors de l'enceinte, plus spécialement dans les pièces de séjour.

4) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que la paroi intermédiaire est coulissante sur rails et amovible.

5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'enceinte est un volume de forme au moins approximativement parallélipipédique.

6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la paroi postérieure de l'enceinte, c'est-à-dire côté habitation, est constituée d'un vitrage amovible p.e sous forme de châssis ouvrant.

7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que une partie au moins de la paroi postérieure de l'enceinte s'ouvre automatiquement en cas de surchauffe excessive de l'air contenu dans ladite enceinte.

8) Dispositif selon les revendications 1 à 7 caractérisé en ce que la paroi intermédiaire se présente sous la forme d'un écran solaire composé de petites lamelles horizontales tenues dans une position angulaire prédéterminée par des fils verticaux.

9) Dispositif de chauffage solaire d'une habitation selon la revendication 1 comportant une surface vitrée exposée de manière appropriée pour obtenir un chauffage solaire passif de l'air ambiant, un moyen de stockage de calories, des moyens de circulation de l'air ambiant constitués par un ou plusieurs conduits, un ou plusieurs ventilateurs et, éventuellement, un ou plusieurs clapets et un volume intérieur au bâtiment formant enceinte, situé à la partie supérieure de ladite surface vitrée, volume ouvert vers le bas, la partie supérieure de l'enceinte étant reliée à un ou plusieurs conduits comportant un ou plusieurs ventilateurs et menant au moyen de stockage, et le cas échéant à divers locaux de séjour, ladite enceinte comportant essentiellement une surface intermédiaire faisant office de corps noir vu de l'extérieur, mais restant translucide vu de l'intérieur.