FR2926128A1 - Climatisation d'une habitation par energie renouvelable - Google Patents

Abstract

Système de refroidissement (encore appelé climatisation)de l'air d'une habitation n'utilisant uniquement que de l'énergie renouvelable d'origine géothermique comprenant une cuve (5) enterrée à environ 5 mètres de profondeur où règne une température d'environ 15 degres C en toutes saisons. Le volume de cette cuve est calculé pour que l'échauffement du sol reste inférieur à la température maximale permettant à l'eau (7) d'assurer la climatisation par l'intermédiaire de radiateurs situés dans l'habitation

Description

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Le refroidissement de l'air d'une habitation, encore appelé conditionnement d'air , nécessite une dépense d'énergie qui peut atteindre plusieurs Kilowatts. Parmi les systèmes utilisés à ce jour certains font appel à des appareils fonctionnant suivant un cycle de Carnot avec compression et détente d'un gaz. Selon ces systèmes c'est l'air de l'habitation qui est refroidi dans un échangeur où circule l'air détendu générateur de froid. D'autres systèmes, aux performances plus modestes le font circuler sur des surfaces d' eau ; l'évaporation qui en résulte produit du froid qui abaisse la température de l'air circulant. D'autres systèmes encore font appel à des réactions physico-chimiques entre deux corps dont la mise en contact provoque du froid et dont la séparation s'obtient par chauffage. Tous ces procédés sont consommateurs d'énergie et la tendance à refrigérer les habitations étant très forte, la consommation d'énergie , dans certains pays en dessous du 45eme parallèle, devient plus forte en été qu'en hiver. Cette situation devient préoccupante eu égard à la nécessité de réduire la production d'énergie pour réduire les effets de la pollution et particulièrement les émissions de gaz à effet de serre. La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient en ne faisant appel qu'à de l'énergie renouvelable . Elle a pour principal domaine d'application les contrées où il n'est necéssaire de refroidir l'air des habitations que pendant l'été. Selon l'invention, il est tout d'abord nécessaire que le dessous du toit du local ou de l'habitation à réfrigérer = soit convenablement ventilé pour évacuer la chaleur provoquée par le rayonnement solaire sur le dit toit .Selon l'invention, alors, un réservoir est enterré à une profondeur de l'ordre de 4 à 6.mètres. A cette profondeur la température Os du sol se situe entre 13 etl 5 °C sous les latitudes tempérées. Ce réservoir peut être initialement rempli par de l'eau de pluie dont un moyen de la .25 recueillir est la collecte des eaux du toit de l'habitation. A l'entrée de la saison chaude l'eau du réservoir est donc comprise entre 13 et 15°CUne ou plusieurs pompes, lorsque la température de l'air intérieur dépasse la température de confort, que l'on peut situer aux environ de 25°C, sans que cette valeur soit limitativè, font circuler l'eau du réservoir vers des radiateurs. Les radiateurs verticaux classiques peuvent être 30 utilisés mais ils ont l'inconvénient de se couvrir de gouttelettes de 20 -2-

condensation.. Selon une variante préférentielle de l'invention, l'eau circule dans des radiateurs plats disposés au plafond des pièces à rafraîchir. Pour éviter que les gouttelettes ne tombent du plafond, on peut disposer, toujours selon l'invention, soit des ventilateurs à rotation lente à grandes pales ( que l'on baptise parfois du nom de style colonial ) qui font évaporer les gouttelettes tout en rabattant l'air froid, soit des jet d'air mis en pression par un compresseur, sortant de fentes pratiquées dans des tubes disposés le long de ces radiateurs plats, soit les deux à la fois. Selon une autre variante de l'invention, le radiateur peut être constitué de un ou plusieurs tubes horizontaux munis ou non d'ailettes et faisant le tour des pièces de l'habitation à . différentes hauteurs.

La figure 1 de la planche unique 1 montre une courbe sinusoïdale du relevé des températures diurnes et nocturnes en différentes saisons.

La figure 2 qui est une coupe d'un réservoir enterré montre la portion de sol entourant le réservoir, intéressée par une augmentation de température au bout des mois d'été 15 où la température a dépassé 25° C , soit dix semaines environ.

En référence a ces dessins, grâce à la figure 1 tout d'abord, on peut estimer la ,w puissance en Kilowatts devant être évacuée du local ou de l'habitation à rafraîchir. La courbe sinusoïdale (1) montre l'évolution sur 24 heures de la température de l'air extérieur en période de canicule. La courbe (2) montre cette évolution en période

20 normale d'été. La courbe (3 ) est relative à la saison intermédiaire où la température est inférieure à 30°C, entourant l'été avant et après. Selon ces courbes la température 0 de l'air extérieur est donnée par la formule : 0 = 0m + (0M _ Om)/2 x [1 + sin fU12(t-9)], le point d'inflexion des sinusoïdes étant atteint à t = 9 heures T.U. (temps universel), OM étant la température maximale atteinte 25 sur la courbe prise en considération et Om étant la température minimum s`ur cette même courbe. On constate sur la courbe (1) que la température maximale à lieu à 15 heures T.U. et la minimale à 3 heures T.U. avec OF,= 40°C et 0,,,= 20°C

Les grandeurs qui caractérisent les phénomènes de climatisation sont : La différence de température AO entre l'air exterieur et l'air intérieur du 30 bâtiment à rafraîchir exprimée en degrés. La conductivité thermique K des murs et du toit exprimée en watts par mètre et par degré -3- La surface totale S en m2 des murs et du toit, c'est à dire la surface d'échange avec l'extérieur. Le plancher, isolé par le sol , à une influence négligeable. L'épaisseur e du matériau isolant des murs et du toit,prise égale pour les deux. Le flux thermique Q en watts est donné par la formule connue : Q =(KxSxAO)/e. Pour un bâtiment très bien isolé, équipé de doubles fenêtres et dont les murs et Le toit intègrent une épaisseur de 0,2 mètre de matériau isolant thermique, alvéolaire ou autre, on peut prendre K=0,03 watt par mètre et par degré. A titre d'exemple non limitatif, pour un bâtiment où S = 650m2, Q = (0,03 x650 x 1)/0,2 X100 watts par degré de différence de température entre l'air extérieur et l'air intérieur. L'énergie en joules à évacuer pendant un intervalle de temps de tl à t2 (t2 (exprimés en heures) est donné par W = Jt1 Q.dt . Selon les courbes de la figure 1, AO = 9m + ( 0M _ Om)/2 x (l+sin( t-9) x fl/12) - 6i. 15 0;, température de confort intérieur, peut être prise, on l'a vu à 25 °C,par exemple non limitatif L'intervalle de temps où la température dépasse 25 ° C va de tl à t2. En période de canicule, on voit sur la courbe (1) que tl = 7 heures T.U. et t2 = 23 heures T.U. En 24 heures, pour l'exemple considéré, il faut évacuer une énergie 20 calorifique, exprimée en joules, égale à : rii W = 3600x100x [0m + (OM _ Om)/2 x(1+ sin( t-9) x II/12) - O;] dt,''soit dans le cas 2.3 3 de canicule W= 3600x100x((20 + 10 -25) x [tI+ 10 x 12/II x [ûcos II/12(t-9)i ). W= 3600x100x(5x16 + 38,2[-(--N[3-/2 ) - J/2]) = (80 + 66,16)x3600x100 ' 52,6MJ par 24 heures. 25 Dans la plupart des pays européens et en général dans les contrées situées au nord du 4OêmeNord ou au sud du 35tmeparallèle Sud, sans précision absolue bien entendu, la période de canicule, avec 40°C atteints, dure environ deux semaines, soit 14 jours. L'énergie thermique à évacuer pour conserver 25 ° C à l'intérieur du bâtiment considéré est alors de 52,6x14 = 736 MJ. -4-

Dans ces mêmes contrées, la période d'été, correspondant à la courbe (2) de la figure 1 dure environ 6 semaines , soit 42 jours. On a pour cette période OM = 35 Om=18 tl =9 t2 = 21 On obtient W = 19,2 MJ par 24 heures, soit en 6 semaines une énergie thermique de 5 _19,2 x 42= 806 MJ. De même pour la saison intermédiaire, correspondant à la courbe (3), qui dure 4 semaines environ, soit 28 jours, avec OM = 30 O.= 15 , tl =11,t2 = 19 le calcul donne 525 MJ .Bien entendu, ces heures sont relative à l'Europe de l'Ouest. Les courbes de la figure 1 , sinusoïdales, se rapprochent beaucoup de l'allure réelle de 10 l'évolution des températures (courbe 4). Elles représentent le premier terme de leur décomposition en séries de Fourier. D'ailleurs, le climat variant d'une année sur l'autre, une grande précision ne peut être espérée. Pendant l'ensemble de la saison chaude, le système de climatisation doit donc évacuer un total de 2067 MJ en provenance de l'extérieur. Mais en plus de cette 15 - énergie à évacuer provenant de l'extérieur, il y a une certaine énergie générée par l'activité humaine à l'intérieur du local ou de l'habitation considérés. En prenant l'exemple d'une habitation où cinq personnes séjournent 11 h par jour en moyenne, en comptant 50 watts par personne, l'énergie dégagée est de 50x5x11x3600e-- 9,9 MJ.

20 En plein été on peut compter 3 heures d'éclairage électrique, en supposant 8 lampes de 60 watts, l'énergie dégagée est alors de 8x60x3x3600~ 5,2MJ. La chaleur dégagée pour la cuisine peut être estimée approximativement en moyenne à 1 KW pendant 2 fois 15 minutes par jour soit.1000x2x15x60 1,8 MJ. De plus, pour évacuer les fumées de la cuisine, un ventilateur extracteur envoie 25 vers l'extérieur, en général, 0,2 m3 par seconde. En prenant comme ci-dessus deux périodes de cuisine où l'on fait fonctionner l'extracteur pendant 15 minutes, ce sont 2x15x60x0,2 = 360 m3, soit, la masse spécifique de l'air chaud étant d'environ 1,15 Kg/m3 pour une température moyenne de 35 °C , 360x1,15 Kg d'air chaud venant de l'extérieur en remplacement de l'air de cuisine envoyé dehors par l'extracteur. La 30 chaleur ainsi importée, qui devra être évacuée par le système de climatisation est alors, en prenant 1330 joules/Kg/degrés comme chaleur spécifique de l'air à pression -5-constante, 1330x414x(35-25) = 5,5 MJ par jour. L'activité humaine génère donc au total 9,9 + 5,2 + 1,8 + 5,5= 22,4 MJ par jour. Il apparaît que la ventilation de la cuisine provoque 25 % de l'énergie due à l'activité interne. Selon l'invention une temporisation du fonctionnement du ventilateur extracteur peut être installée pour éviter une déperdition intempestive de l'énergie. Pendant la totalité de la saison chaude où la climatisation est nécessaire, soit 10 semaines, l'activité interne génère donc 22,4 x 10 x7 = 1568 MJ. Le total de l'énergie à évacuer provenant de l'extérieur et de l'intérieur est donc de 10 2067+1568 = 3635 MJ. Toujours selon l'exemple étudié d'un bâtiment refroidi par de l'eau froide à 15 ° C dans une cuve enterrée à 4 ou 5 m de profondeur et en supposant le volume V de cette cuve égal à 300 m3 , comme exemple non limitatif et sachant qu'un m3 d'eau absorbe 4,18MJ par degré d'élévation de température, soit 1254 MJ pour les 15 300 m3 pris en exemple, l'absorption des 3635 MJ élèvera la température de l'eau de 3635/1254 =2,9 °C. Mais ,de fait, l'élévation de température sera moindre car la température de l'eau devenant supérieure à celle du sol entourant la cuve , la chaleur de l'eau se diffuse dans le sol.

20 La diffusivité thermique a en (m2 / sec) est égale au rapport de la conductivité thermique K en watts/m et de la chaleur spécifique Cs du matériau considéré par unité de volume (en MJ /m3 par degré). La revue américaine de l'IEE Electrical insulation de Mai-Juin" 2006, donne pour les sols classiques K égal à 1 ou 2, prenons K = 1,5 à titre d'exemple non 25 limitatif et Cs = 2MJ / m3 par degré, d'où a = 1,5 w/m/ 2.106 m3; a= 0,7.10-6 m2/sec. La distance p de pénétration de l'onde de chaleur dans le sol est donnée par p= a , t étant le temps en secondes. Après 10 semaines de climatisation, soit 6,048.106 secondes l'onde de chaleur autour de la cuve, aura progressé de p = I O,75x6,048x 105 = 2,13 m ; l'épaisseur des 30 parois de la cuve est comprise dans ces 2,13 m car le béton a des caractéristiques voisines de celles du sol. -6-En référence la figure 2 et en reprënant 1' exemple étudié ci-dessus d'une cuve rectangulaire (5) de 13 m par 15,5 m et 1,5 m de hauteur, placée sous un bâtiment (6), sans que cette disposition soit limitative, contenant une masse d'eau (7) dont la surface supérieure (8) est sans contact avec le sol ou le reste du bâtiment (6) et dans laquelle l'eau est puisée par un conduit (9) pour être envoyée dans les radiateurs de refroidissement et dans laquelle elle retourne par un conduit de refoulement(10 ), le volume (11)de sol intéressé par une élévation de température vaut : (13 +2x2,13).(15,5 + 2x2,13).(1,5 + 2,52)-300 = 1238 -300= 938 m3 La figure 2 montre l'allure de la répartition des lignes isothermes dans le sol .

10 Sachant que la capacité calorifique du sol est environ moitié de celle de l'eau , ce volume (11) correspondrait à 469 m3 d'eau. Mais on doit intégrer le fait que, en première approximation, la température du sol diminue de façon logarithmique en fonction de la distance à la source de chaleur (l'eau de la cuve). De fait, c'est donc environ le '/4 des 469 m3 qui doit être ajouté 15 aux 300 m3 de l'exemple traité, soit 117m3, ce qui donne au total 300+117=417m3 , permettant d'absorber 417x4,18 =1743 joules par degré,d'élévation de température. Les 3635 Joules à évacuer au total dans l'exemple traité_ provoqueront donc une élévation de température de l'eau de la cuve de 3635/1743 = 2°C.environ. En fin de saison chaude la température de l'eau de la cuve se trouve donc à15+2=17°C 20 En reprenant l'exemple, non limitatif, de radiateurs plats, placés au plafond des pièces à climatiser, les phénomènes à prendre en compte sont : -La couche limite à la surface des radiateurs pouvant occasionner une perte de 1°C -La résistance thermique de la paroi des radiateurs avec encore une perte de 1°C. -La couche limite dans l'eau des radiateurs, perte supplémentaire de 1°C également. 25 _ Ces valeurs sont bien entendu approximatives, mais il faut donc compter, pour le refroidissement de l'air, avec une différence de température de 25-(17+3)=5°C ,ce qui est la valeur minimum raisonnable pour des temps de réponse corrects.. Le volume du sol équivalent à un volume d'eau de 117m3 vu dans l'exemple traité est une fonction du volume `V de la cuve. En première approximation, c'est à dire en 30 assimilant cette fonction au premier terme de son développement en série, on peut considérer que les relations entre V, K, S , e, Oi, Os sont linéaires; alors, suivant la méthode utilisée dans l'exemple traité , si l'on désire obtenir Oi = 25°C ,le volume V -7- nécessaire pour la cuve d'eau froide, peut être, selon l'invention,calculé à l'aide de la formule : V= a x K x S/ e x (Oi û Os ). On rappelle Osûtempérature du sol. a étant une constante paramétrique dépendant du climat considéré. Dans l'exemple décrit, relatif à un climat tempéré (courbes de la figure 1) a= 300x0,2x10 / (0,03x650) soit a= 30,8 .Etant donné les tolérances sur les grandeurs qui relèvent des industries du bâtiment et des travaux publics, on peut dire que a est compris entre 25 et 35 selon l'invention. De plus il est évident que pendant la saison chaude il faut éviter d'ouvrir les fenêtres et les portes de façon inutile. Des capteurs de signalisation de position, selon l'invention, peuvent être installés sur les portes et fenêtres. Leurs signaux peuvent, toujours selon l'invention, donner une alarme sonore temporisée ou une alarme lumineuse, ou les deux à la fois. Il est possible alors de stopper automatiquement la climatisation dans une pièce dont l'ouverture ne serait pas refermée après un certain temps de temporisation et même, de façon préférentielle, stopper l'ensemble de la climatisation du local ou de l'habitation considérés. De façon préférentielle également toutes ces décisions peuvent être prises par un calculateur programmable, pour synchroniser entre autres les périodes d'extraction de l'air de cuisine avec les temps de cuisson. Quand la température extérieure est inférieure à la température de référence de 25°C, la climatisation doit être stoppée. De façon préférentielle c'est le calculateur programmable qui stoppe la climatisation. Mais il reste néanmoins nécessaire d'évacuer l'énergie produite en interne par l'activité humaine décrite plus haut. Les portes et fenêtres peuvent alors être ouvertes pour ventiler les locaux. Le calculateur programmable peut afficher un message lumineux pour en faire la demande. Selon l'invention, le calculateur programmable mettra en marche l'extrattion de l'air intérieur vers l'extérieur à l'aide de ventilateurs placés en divers endroits. Le ventilateur extracteur de la hotte de cuisine peut également faire cet office. Le calculateur programmable peut, selon l'invention, faire la sommation de tous les temps de fonctionnement de l'extracteur de l'air de cuisine et prévenir par affichage du capital de temps de refroidissement possible restant. Selon l'invention l'information d'ouverture des portes et fenêtres peut être communiquée à un ensemble de sécurité anti-intrusion.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1) Système de refroidissement de l'air d'un local ou d'une habitation ,appelé système de climatisation, comprenant une cuve (5) réserve d'eau froide (7) enterrée à une profondeur où la température du sol est de l'ordre de 13 à 15 °C, comprenant également une ou plusieurs pompes de circulation d'eau, comprenant aussi des radiateurs où circule l'eau froide, comprenant enfin des ventilateur pouvant extraire l'air intérieur du local ou de l'habitation, caractérisé par le fait que le réservoir d'eau (7) a des dimensions telles que, lorsque l'eau circule par le biais des pompes depuis le réservoir (7) à travers le ou les radiateurs, la totalité de l'énergie calorifique à évacuer pour maintenir le local ou l'habitation à une température ne dépassant pas une température déterminée, dite température de référence, 25°C par exemple non limitatif, pendant les périodes chaudes, est absorbée par échauffement de l'eau du réservoir enterré (7) et par diffusion dans le sol environnant, caractérisé encore par le fait que quand l'air extérieur est à une température inférieure à la température de référence, la circulation de l'eau est stoppée et caractérisé enfin par le fait que, dans ce cas, le ou les ventilateurs sont mis en marche pour extraire l'air intérieur du local ou de l'habitation et le rejeter à l'extérieur.

2) Système selon la revendication 1, comprenant un ou plusieurs radiateurs de forme plate, caractérisé par le fait que ce ou ces radiateurs sont disposés au plafond des pièces à rafraîchir.

3) Système selon les revendications 1 et 2 comprenant un ou plusieurs ventilateurs à larges pales caractérisé par le fait que l'air froid produit à la surface inférieure des radiateurs plats est ràbattu dans la pièce à rafraîchir par ce ou ces ventilateurs et caractérisé également par le fait que les mouvements d'air ainsi créés empêchent la formation et la chute de goutelettes de condensation, par évaporation immédiate.

4) Système selon les revendications 1 et 2 comprenant, à la surface inférieure des radiateurs plats, des dispositifs de jets d'air formés de tubes munis de fentes ,disposés le long de ces radiateur plats, comprenant également un compresseur alimentant en air sous pression les tubes avec fentes précités, caractérisé par le fait que les jets d'air sortant des fentes évitent que les gouttelettes de condensation ne tombent du plafond .-9-

5) Système selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un ou plusieurs ventilateurs extracteurs de l'air de cuisine et comprenant également un calculateur programmable, caractérisé par le fait que ce calculateur limite le temps de fonctionnement de ce ou ces extracteurs, caractérisé également par le fait que leurs périodes de fonctionnement sont synchronisées avec les périodes de cuisson par ce calculateur, caractérisé encore par le fait que ce calculateur programmable fait la sommation de tous ces temps de fonctionnement et prévient par affichage du capital de temps de refroidissement possible restant.

6) Système selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant des capteurs de température placés à l'extérieur et à l'intérieur du local ou de l'habitation, reliés au calculateur programmable, caractérisé par le fait que la conduite des différentes opérations de climatisation se font automatiquement par ordres du calculateur programmable.

7) Système selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant des contacts de signalisation d'ouverture sur les portes et fenêtres donnant sur l'extérieur du local ou de l'habitation, reliés au calculateur programmable, caractérisé par le fait que ce calculateur stoppe la climatisation dans une pièce dont l'ouverture reste ouverte pendant un temps prédéterminé.

8) Système selon l'une quelconque des revendications précédentes relativement à un local ou habitation de surface thermique d'échange avec l'extérieur S exprimée e:n mètres carrés, incluant les murs et le toit, comprenant pour ceux-ci des parois de coefficient de conductibilité thermique K exprimé en Watts par mètre et par degré et d'épaisseur e exprimée en mètres, caractérisé par le fait que le volume V de la cuve d'eau froide, exprimé en mètres cubes, nécessaire au maintien à l'intérieur d'une température 9i exprimée en degrés C , est donné par la relation : V= a x K x S) / e x (O û es ), Os étant la température du sol entourant la cuve d'eau froide, a étant une constante paramétrique déterminée en fonction du climat considéré.

9) Système selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait 30 que sous les latitudes tempérées a est compris entre 25 et 35-10-

10) Système selon l'une quelconque des revendications 5 à 9 caractérisé par le fait que l'information d'ouverture des portes et fenêtres peut être utilisée par un ensemble de sécurité anti-intrusion. .