FR2973101A1 - Procede et dispositif de regulation de la temperature et de l'humidite relative dans un batiment - Google Patents

Abstract

Procédé et dispositif de réglage de la température et du taux d'humidité relative de l'air dans un bâtiment (10) comprenant des murs extérieurs (12) microporeux et une isolation thermique extérieure (16) avec des espaces (18) de circulation d'air entre les murs (12) et l'isolation thermique 16, et un dispositif (24) pour l'alimentation des espaces (18) par un débit d'air contrôlé, ce dispositif (24) comprenant des moyens humidificateurs pour alimenter les espaces (18) en air sensiblement saturé en vapeur d'eau.

Description

Procédé et dispositif de régulation de la température et de l'humidité relative dans un bâtiment

L'invention concerne un procédé et un dispositif de régulation de la température et de l'humidité relative de l'air à l'intérieur d'un bâtiment, par exemple d'habitation ou d'un autre type, commercial, industriel, de bureaux ou autre. Dans le document FR2933479-A1, on a déjà proposé, pour réduire la consommation énergétique d'un bâtiment pour son chauffage et sa climatisation, d'installer une isolation thermique extérieure sur les murs extérieurs microporeux du bâtiment en ménageant des espaces de circulation d'air entre ces murs et l'isolation thermique, et de faire circuler de l'air extérieur dans ces espaces pour sélectivement réchauffer ou refroidir les murs extérieurs par absorption ou évaporation d'eau, les murs étant en pierre, briques, parpaings, etc, qui sont des matériaux naturellement microporeux. En été, l'air extérieur a une température relativement élevée et, pendant certaines périodes de jour ou de nuit, une humidité relative faible. Au contact de cet air avec un mur du bâtiment, une certaine quantité d'eau contenue dans le matériau microporeux du mur est vaporisée et absorbée par l'air extérieur présent dans l'espace précité, ce qui refroidit le mur et tend à réduire la température à l'intérieur du bâtiment et également à stabiliser l'humidité relative dans le bâtiment. L'air extérieur présent dans l'espace précité, qui s'est chargé de vapeur d'eau, est rejeté à l'extérieur.

En hiver, l'air extérieur qui est admis dans les espaces précités doit avoir une humidité relative élevée. Toutefois, cela se produit lorsque la température extérieure est la plus basse. Le nombre de fois où l'air extérieur peut être admis dans les espaces précités pour chauffer les murs est donc limité. Cela reste néanmoins possible parce que la capacité thermique de l'air est très inférieure à celle des murs. Il faut cependant qu'il n'y ait pas un renouvellement rapide de l'air extérieur dans ces espaces car alors l'effet de convection l'emporterait sur l'effet de chauffage par condensation de la vapeur d'eau de l'air extérieur. Quand de l'air extérieur froid à humidité relative élevée est admis dans les espaces précités, les murs en contact avec cet air absorbent une partie de la vapeur d'eau de l'air extérieur et sont réchauffés par la chaleur latente de condensation de la vapeur d'eau. On obtient alors une température de surface des murs côté « lame d'air » qui est supérieure à la température de consigne dans le bâtiment (par exemple 20°C). Un flux thermique de chauffage est ainsi généré dans les murs, qui tend à compenser les pertes thermiques globales dans le bâtiment et à respecter la température de consigne. L'humidité relative de l'air à l'intérieur du bâtiment tend également à augmenter. On a pu vérifier sur une habitation témoin que le coût annuel de la consommation d'énergie pour la régulation de la température à environ 20°C à l'intérieur du bâtiment est ainsi réduit d'environ 75 % en région Midi Pyrénées. Toutefois, en hiver, lorsque la température de l'air extérieur est inférieure à 5° C, le réchauffement des murs par la condensation de la vapeur d'eau de l'air extérieur peut être sensiblement annulé par le refroidissement par convection des murs en contact avec l'air froid, et le système précité perd de son efficacité. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème. Elle propose à cet effet un procédé de régulation de la température et de l'humidité relative de l'air dans un bâtiment à murs microporeux et à isolation thermique extérieure, dans lequel des espaces de circulation d'air sont ménagés entre l'isolation thermique extérieure et les murs, caractérisé en ce qu'il consiste à régler l'humidité relative de l'air qui admis dans lesdits espaces, par commande de moyens humidificateurs agencés en entrée ou en amont des espaces de circulation d'air. Ces moyens humidificateurs permettent d'augmenter notablement l'humidité relative et l'humidité absolue de l'air admis dans les espaces précités, pour favoriser au maximum l'absorption et la condensation de vapeur d'eau dans ces murs et l'effet de chauffage qui en résulte. De plus, les cycles de chauffage peuvent être répétés plus fréquemment et répartis sur 24 heures. Avantageusement, l'air « humidifié » qui est admis dans les espaces précités n'est pas de l'air extérieur, mais de l'air prélevé à l'intérieur du bâtiment ou un mélange d'air prélevé à l'intérieur du bâtiment et d'air prélevé à l'extérieur du bâtiment.

Avantageusement, c'est un air filtré, plus propre que l'air extérieur, qui est ainsi admis dans les espaces précités, ce qui évite une obturation progressive des micropores des murs par les poussières et analogues contenues dans l'air extérieur. L'air prélevé à l'intérieur du bâtiment a, en hiver, une température d'environ 18 à 20° C et une humidité relative assez faible, par exemple de 40 %. Le passage de cet air dans les moyens humidificateurs permet d'augmenter son humidité relative à un taux d'environ 90 % à 95%, la température de cet air étant abaissée à 14° C environ lorsque les moyens humidificateurs sont du type adiabatique. L'humidité absolue de l'air est également augmentée, la quantité d'eau contenue dans l'air passant par exemple de 4,31 g d'eau par kg d'air sec à 9,64g/kg air sec, ce qui permet de récupérer une plus grande quantité de chaleur par condensation de la vapeur d'eau et/ou d'allonger la durée du cycle de chauffage. On peut ainsi faire circuler, en hiver, de l'air à 14° C et à au moins 90 0/0 d'humidité relative dans les espaces entre l'isolation thermique extérieure et les murs du bâtiment, ce qui se traduit par un apport d'énergie thermique plus important à l'intérieur du bâtiment et par un maintien de l'humidité relative de l'air à l'intérieur du bâtiment à environ 60 %, ce qui donne une plus grande sensation de confort aux personnes se trouvant dans le bâtiment. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'air sensiblement saturé en humidité qui sort des moyens humidificateurs, est par intermittences soufflé à l'intérieur du bâtiment. Cela permet, en hiver, d'augmenter de façon très rapide le taux d'humidité relative de l'air à l'intérieur du bâtiment, par exemple à environ 60%, ce qui se traduit par une plus grande sensation de confort, sans pour autant augmenter la température de l'air qui reste sensiblement constante à l'intérieur du bâtiment. L'invention propose également un dispositif de régulation de la température et de l'humidité relative de l'air à l'intérieur d'un bâtiment à murs microporeux et à isolation thermique extérieure, comprenant des moyens de commande d'admission d'air dans des espaces ménagés entre l'isolation thermique extérieure et les murs microporeux, caractérisé en ce qu'il comprend également des moyens humidificateurs d'air dont une sortie est reliée à une entrée desdits espaces de circulation d'air.

Ce dispositif est également caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'alimentation des moyens humidificateurs en air prélevé à l'extérieur du bâtiment ou en air prélevé à l'intérieur du bâtiment ou en un mélange d'air prélevé à l'extérieur du bâtiment et d'air prélevé à l'intérieur du bâtiment. Avantageusement, les moyens humidificateurs d'air sont montés en sortie d'une installation de ventilation mécanique contrôlée à double flux, comprenant des moyens d'aspiration d'air à l'intérieur et à l'extérieur du bâtiment, des moyens d'échange de chaleur entre l'air prélevé à l'intérieur du bâtiment et l'air prélevé à l'extérieur du bâtiment, des moyens de soufflage d'air à l'intérieur du bâtiment et dans lesdits espaces entre les murs et l'isolation thermique extérieure, et des moyens électriques pour un chauffage d'appoint de l'air soufflé à l'intérieur du bâtiment. Dans un mode de réalisation de l'invention, les moyens de soufflage d'air sont équipés en sortie d'un caisson à deux voies, reliées respectivement à des moyens d'entrée d'air à l'intérieur du bâtiment et à des moyens d'entrée d'air dans les espaces de circulation d'air entre les murs et l'isolation thermique.

De préférence, les moyens humidificateurs d'air sont montés entre les moyens d'échange de chaleur et les moyens de chauffage d'appoint. De façon générale, l'invention permet d'assurer une régulation de la température et de l'humidité relative de l'air à l'intérieur d'un bâtiment, tout au long de l'année sans consommer d'énergie, à l'exception de celle qui est nécessaire pour le fonctionnement des moyens d'humidification, d'aspiration et de soufflage d'air et pour le chauffage d'appoint de l'air soufflé dans le bâtiment. L'économie d'énergie ainsi réalisée est supérieure à 65 % et peut atteindre 100% dans les régions bénéficiant d'un climat tempéré. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe d'un bâtiment équipé d'un dispositif selon l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique de face d'une partie du bâtiment de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue schématique du dispositif selon l'invention.

Aux figures 1 et 2, on a représenté schématiquement une partie d'un bâtiment 10, par exemple d'habitation ou de bureaux, ou encore un bâtiment commercial, industriel ou autre, qui comprend des murs extérieurs 12 et une toiture 14, les murs extérieurs 12 étant équipés d'une isolation thermique extérieure 16 qui ménage avec la face extérieure des murs 10 des espaces 18 de circulation d'air ou « lames d'air ». Les murs extérieurs 12 du bâtiment ont une structure microporeuse et peuvent être réalisés avec des produits courants ayant naturellement une structure microporeuse, tels par exemple que des briques, des parpaings, des pierres, etc.

L'isolation thermique 16 qui est rapportée sur la face extérieure des murs 12 est d'un type quelconque approprié et est posée de façon à ménager avec les murs 12 les espaces 18 qui ont une épaisseur de quelques centimètres et qui s'étendent de préférence sur toute la surface extérieure des murs 12. De préférence, comme représenté en figure 2 qui est une vue de face d'un mur 12 comportant une fenêtre F, les espaces 18 comportent chacun une série de canaux verticaux délimités par des tasseaux horizontaux et verticaux 20, les canaux communiquant à leurs extrémités, de sorte que l'air circule dans un canal en descendant le long d'un mur 12 puis en remontant le long de ce mur dans le canal suivant et ainsi de suite.

Des clapets 22 de contrôle d'entrée d'air et de sortie d'air sont montés dans des bouches d'entrée et de sortie d'air respectivement, aux extrémités droite et gauche et à l'extrémité supérieure de l'espace 18, ces clapets étant avantageusement du type fermé au repos et ouvert par une surpression d'air.

Les espaces 18 de circulation d'air sont alimentés en air par un dispositif 24 représenté plus en détail en figure 3. Ce dispositif comprend essentiellement une installation 26 de ventilation mécanique contrôlée (VMC) à double flux, qui est associée à des moyens humidificateurs 28, à des moyens 30 de chauffage d'appoint et, si besoin est, de séchage d'air, et à des moyens 32 de répartition de l'air vers les espaces 18 précités ou vers des bouches de soufflage d'air à l'intérieur du bâtiment. L'installation de VMC 26 comprend, de façon générale, un échangeur de chaleur 34 comportant un circuit primaire dans lequel circule de l'air 36 extrait du bâtiment et un circuit secondaire dans lequel circule de l'air neuf 38 prélevé à l'extérieur du bâtiment. Des moyens 40 de dérivation ou « by-pass » sont prévus dans l'échangeur 34 pour délivrer, en sortie de cet échangeur, soit de l'air neuf prélevé à l'extérieur du bâtiment et qui a été chauffé par échange de chaleur avec l'air 36 extrait du bâtiment, soit de l'air neuf non chauffé par l'air extrait, soit un mélange d'air neuf 38 et d'air 36 extrait du bâtiment.

La sortie de l'échangeur de chaleur 34 alimente les moyens humidificateurs 28 qui sont de préférence du type adiabatique, et par exemple à ultrasons. Ces moyens humidificateurs permettent d'élever le taux d'humidité relative de l'air qui les traverse, par exemple de 40 % à 90 % ou 95% environ, c'est-à-dire de pratiquement saturer cet air en vapeur d'eau et d'augmenter notablement son humidité absolue. Lorsque cette humidification est adiabatique, elle s'accompagne d'une baisse de la température de l'air, qui passe par exemple de 18-20° C à environ 14° C.

L'air sortant des moyens humidificateurs 28 est admis dans les moyens 30 de chauffage d'appoint, qui sont de préférence des moyens de chauffage électrique et qui ont une consommation d'énergie relativement faible, par exemple de 2 à 3 kWh pour un bâtiment d'habitation 10 d'une taille moyenne courante (par exemple 100 à 130 m2 habitables).

Des moyens 42 d'aspiration d'air et 44 de soufflage d'air, tels que des ventilateurs, sont montés respectivement en sortie du circuit primaire de l'échangeur 26, pour le rejet à l'extérieur d'air 36 prélevé à l'intérieur du bâtiment, et en sortie des moyens de chauffage d'appoint 30 pour le soufflage d'air dans les moyens de répartition 32.

Ces moyens de répartition sont avantageusement constitués d'un caisson équipé de deux sorties d'air, l'une 46 étant destinée à l'alimentation des espaces 18 de circulation d'air entre les murs 12 et l'isolation thermique extérieure 16, et l'autre 48 au soufflage d'air à l'intérieur du bâtiment 10. Le dispositif 24 comprend encore un certain nombre d'équipements habituels tels que des filtres par exemple, qui n'ont pas été représentés sur le dessin pour plus de clarté. Ce dispositif fonctionne de la façon suivante : En été, lorsque l'air extérieur a une température relativement élevée, par exemple d'au moins 25° C, et un taux d'humidité relative faible, par exemple inférieur à 40 %, le dispositif selon l'invention est commandé pour maintenir à l'intérieur du bâtiment une température inférieure à 25° C, par exemple voisine de 22° C, et un taux d'humidité relative de l'air d'environ 60 %, ce qui correspond à une agréable sensation de confort. Pour cela, de l'air extérieur est prélevé à l'extérieur du bâtiment et est injecté directement dans les espaces 18 ménagés entre les murs 12 et l'isolation thermique extérieure 16. La circulation de l'air à faible vitesse dans les espaces 18 permet une absorption par l'air de l'humidité contenue dans les murs 12 et le refroidissement de ces murs par évaporation d'une partie de l'eau qu'ils contiennent. Comme expliqué en détail dans les brevets antérieurs du Demandeur, les murs microporeux 12 absorbent en permanence une partie de l'humidité de l'air à l'intérieur du bâtiment et cèdent cette humidité à l'air qui circule dans les espaces 18, ce qui se traduit par une diminution de la température et de l'humidité relative de l'air à l'intérieur du bâtiment. Pour maintenir un taux d'humidité relative de l'air voisin de 50 à 60 % à l'intérieur du bâtiment, le dispositif 24 permet de souffler par intermittence, à l'intérieur du bâtiment, de l'air extérieur qui est passé dans les moyens humidificateurs 28 et dont le taux d'humidité relative a été relevé de 30 ou 40% à 90% ou 95% environ. On maintient ainsi une sensation de confort à l'intérieur du bâtiment, en évitant que le taux d'humidité relative de l'air dans le bâtiment devienne trop faible pour une température donnée, ce qui se traduirait par une sensation de froid. Le dispositif 24 peut être utilisé également pour faire circuler de l'air extérieur à vitesse plus importante dans les espaces 18, notamment pendant la nuit, lorsque l'air extérieur est à une température inférieure à 20°C. On peut ainsi refroidir les murs 12 par convection. On peut également, par intermittences, souffler de l'air extérieur relativement froid à l'intérieur du bâtiment, par exemple lorsque la chaleur a été très élevée pendant la journée, pour évacuer des calories. En hiver, lorsque l'air extérieur est à une température relativement basse, par exemple à 5° C, il est avantageux de faire circuler dans les espaces 18 de l'air 36 prélevé à l'intérieur du bâtiment et dont on a relevé le taux d'humidité relative à une valeur d'environ 90% ou 95% grâce aux moyens humidificateurs 28, ou un mélange d'air 36 prélevé à l'intérieur du bâtiment et d'air neuf 38 prélevé à l'extérieur du bâtiment. On peut ainsi amener dans les espaces 18 de l'air à une température de 14° C par exemple, ayant un taux d'humidité relative de 90% ou 100% et une humidité absolue importante. La circulation de cet air dans les espaces 18 se fait à vitesse relativement lente ou par intermittences, de façon à ce que les murs 12 puissent se recharger en humidité et soient réchauffés par la chaleur latente de condensation de la vapeur d'eau de l'air qui a été amené dans les espaces 18. Les murs 12 cèdent ainsi en permanence de la chaleur et de l'humidité à l'air contenu dans le bâtiment, ce qui élève sa température et son taux d'humidité relative. Les moyens 30 de chauffage d'appoint permettent, si nécessaire, d'injecter rapidement une grande quantité d'air chaud à l'intérieur du bâtiment, cet air étant soufflé par la sortie 48 du caisson 32. Comme représenté schématiquement en figure 3, les moyens humidificateurs 28 peuvent être alimentés directement en air 36 prélevé à l'intérieur du bâtiment, sans que cet air passe d'abord par l'échangeur de chaleur 34.

Dans un exemple de réalisation où le dispositif 24 est installé dans une maison d'habitation de taille moyenne, l'installation de VMC 26 permet d'injecter à l'intérieur de la maison un débit d'air neuf 38 préchauffé par échange de chaleur avec l'air extrait 36 dans l'échangeur 34, d'environ 150 m3/h pour le renouvellement d'air dans la maison, les ventilateurs 42 et 44 étant alors entraînés à petite vitesse. Le renouvellement de l'air contenu dans les espaces 18 peut être assuré en quelques minutes par l'installation 26, avec un débit d'air traité variant de 150 à 500 m3/h, les moyens humidificateurs 30 pouvant assurer un débit d'air de 500 m3/h avec une humidité relative de 60% environ et une température d'environ 20° C dans le bâtiment. Le dispositif selon l'invention peut fournir une puissance thermique d'environ 100W/m2 pendant 15 minutes toutes les 2 heures, par condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'air présent dans les espaces 18. Lorsque l'installation 26 est utilisée en appoint de chauffage par soufflage d'air dans la maison, le débit d'air traité est par exemple de 500 m3/h, comprenant 150 m3/h d'air neuf 38 et 350 m3/h d'air extrait 36, l'air étant chauffé par les moyens 30 ayant une puissance électrique de 2 à 3 kW. De façon générale, le dispositif 24 selon l'invention permet, grâce aux moyens humidificateurs 28, d'alimenter les espaces 18 entre les murs 12 et l'isolation thermique extérieure 16 en air qui est sensiblement saturé en humidité, et de souffler de l'air saturé en humidité à l'intérieur du bâtiment lorsqu'il faut relever le taux d'humidité relative de l'air dans le bâtiment pour une plus grande sensation de confort. Le soufflage d'air saturé en humidité dans les espaces 16 entre les murs et l'isolation thermique extérieure permet d'assurer le chauffage à l'intérieur du bâtiment et le maintien d'une température sensiblement constante de l'ordre de 20° C à l'intérieur du bâtiment, quelles que soient les conditions climatiques extérieures, et cela au prix d'une consommation d'énergie électrique qui est très faible ou quasi-nulle.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de régulation de la température et de l'humidité relative de l'air dans un bâtiment à murs microporeux (12) et à isolation thermique extérieure (16), dans lequel des espaces (18) de circulation d'air sont ménagés entre l'isolation thermique extérieure et les murs, caractérisé en ce qu'il consiste à régler l'humidité relative de l'air admis dans lesdits espaces (16), par commande de moyens humidificateurs (28) agencés en entrée ou en amont des espaces (16) de circulation d'air.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à faire passer dans les moyens humidificateurs (28) de l'air neuf (38) prélevé à l'extérieur du bâtiment, ou de l'air (36) extrait du bâtiment ou un mélange d'air neuf (38) prélevé à l'extérieur et d'air (36) extrait du bâtiment.
3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'air sortant des moyens humidificateurs (28) est par intermittences soufflé à l'intérieur du bâtiment pour augmenter le taux d'humidité relative de l'air dans le bâtiment.
4. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'air sortant des moyens humidificateurs (28) est sensiblement saturé en vapeur d'eau.
5. 5. Dispositif de régulation de la température et de l'humidité relative de l'air à l'intérieur d'un bâtiment à murs microporeux (12) et à isolation thermique extérieure (16), comprenant des moyens de commande de l'admission d'air dans des espaces (18) ménagés entre l'isolation thermique extérieure (16) et les murs microporeux (12), caractérisé en ce qu'il comprend également des moyens (28) humidificateurs d'air dont une sortie est reliée à une entrée desdits espaces (18).
6. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (34) d'alimentation des moyens humidificateurs (28) enair (38) prélevé à l'extérieur du bâtiment ou en air (36) prélevé à l'intérieur du bâtiment ou en un mélange d'air (38) prélevé à l'extérieur du bâtiment et d'air (36) prélevé à l'intérieur du bâtiment.
7. 7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les moyens humidificateurs (28) sont montés en sortie d'une installation (26) de ventilation mécanique contrôlée à double flux, comprenant des moyens (42, 44) d'aspiration d'air à l'intérieur et à l'extérieur du bâtiment et de soufflage d'air à l'intérieur du bâtiment et dans lesdits espaces (18) entre les murs et l'isolation thermique extérieure (16), des moyens (34) d'échange de chaleur entre l'air (38) prélevé à l'extérieur du bâtiment et l'air (36) prélevé à l'intérieur du bâtiment, et des moyens électriques (30) de chauffage d'appoint de l'air soufflé.
8. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'installation (26) de ventilation mécanique contrôlée comprend en sortie un caisson (32) à deux voies (46,48) reliées respectivement à des moyens d'entrée d'air dans lesdits espaces (18) et à des moyens d'entrée d'air à l'intérieur du bâtiment.
9. 9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que les moyens humidificateurs (28) sont montés entre les moyens d'échange de chaleur (34) et les moyens (30) de chauffage d'appoint.