FR3070753A1 - Systeme de ventilation naturelle avec stockage thermique pour un batiment - Google Patents

Systeme de ventilation naturelle avec stockage thermique pour un batiment Download PDF

Info

Publication number
FR3070753A1
FR3070753A1 FR1758187A FR1758187A FR3070753A1 FR 3070753 A1 FR3070753 A1 FR 3070753A1 FR 1758187 A FR1758187 A FR 1758187A FR 1758187 A FR1758187 A FR 1758187A FR 3070753 A1 FR3070753 A1 FR 3070753A1
Authority
FR
France
Prior art keywords
heat transfer
building
air
louvers
transfer medium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
FR1758187A
Other languages
English (en)
Other versions
FR3070753B1 (fr
Inventor
Eric Francois
Mathieu Mariotto
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Priority to FR1758187A priority Critical patent/FR3070753B1/fr
Publication of FR3070753A1 publication Critical patent/FR3070753A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of FR3070753B1 publication Critical patent/FR3070753B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F5/00—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater
    • F24F5/0007—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater cooling apparatus specially adapted for use in air-conditioning
    • F24F5/0017—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater cooling apparatus specially adapted for use in air-conditioning using cold storage bodies, e.g. ice
    • F24F5/0021—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater cooling apparatus specially adapted for use in air-conditioning using cold storage bodies, e.g. ice using phase change material [PCM] for storage
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/70—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof
    • F24F11/80—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof for controlling the temperature of the supplied air
    • F24F11/81—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof for controlling the temperature of the supplied air by controlling the air supply to heat-exchangers or bypass channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F13/00—Details common to, or for air-conditioning, air-humidification, ventilation or use of air currents for screening
    • F24F13/08—Air-flow control members, e.g. louvres, grilles, flaps or guide plates
    • F24F13/10—Air-flow control members, e.g. louvres, grilles, flaps or guide plates movable, e.g. dampers
    • F24F13/14—Air-flow control members, e.g. louvres, grilles, flaps or guide plates movable, e.g. dampers built up of tilting members, e.g. louvre
    • F24F13/15—Air-flow control members, e.g. louvres, grilles, flaps or guide plates movable, e.g. dampers built up of tilting members, e.g. louvre with parallel simultaneously tiltable lamellae
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/70—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof
    • F24F11/80—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof for controlling the temperature of the supplied air
    • F24F11/83—Control systems characterised by their outputs; Constructional details thereof for controlling the temperature of the supplied air by controlling the supply of heat-exchange fluids to heat-exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F7/00—Ventilation
    • F24F2007/004—Natural ventilation using convection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F2110/00—Control inputs relating to air properties
    • F24F2110/10—Temperature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F2110/00—Control inputs relating to air properties
    • F24F2110/10—Temperature
    • F24F2110/12—Temperature of the outside air
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Building Environments (AREA)
  • Central Heating Systems (AREA)

Abstract

L'objet principal de l'invention est un système de ventilation naturelle (10) avec stockage d'énergie thermique pour le chauffage et/ou le rafraîchissement d'un bâtiment (B), caractérisé en ce qu'il comporte : des ventelles mobiles, l'actionnement des ventelles permettant la mise en service ou l'arrêt de la ventilation naturelle ; un ou plusieurs dispositifs d'échange thermique air/médium caloporteur (3), recevant l'air de ventilation en provenance des ventelles, et comportant un medium caloporteur apte à permettre le stockage d'énergie thermique ; un ou plusieurs émetteurs thermiques (6) capables de restituer l'énergie thermique stockée en fonction des besoins temporel et géographique en chauffage et/ou rafraîchissement du bâtiment (B).

Description

SYSTÈME DE VENTILATION NATURELLE AVEC STOCKAGE THERMIQUE POUR UN
BÂTIMENT
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention est concernée par la problématique du chauffage et/ou du rafraîchissement d'un bâtiment, par exemple un habitat, et plus généralement par celle du confort thermique.
Plus particulièrement, l'invention se rapporte au domaine de la ventilation naturelle dans un bâtiment pour pouvoir rafraîchir et/ou réchauffer le bâtiment.
L'invention trouve de nombreuses applications, et principalement pour le confort thermique des bâtiments du secteur tertiaire et des établissements recevant du public (ERP). Elle peut également être appliquée pour des logements collectifs et individuels, ainsi que pour des bâtiments industriels lorsque les conditions s'y prêtent.
L'invention propose ainsi un système de ventilation naturelle avec stockage thermique pour le chauffage et/ou le rafraîchissement d'un bâtiment, ainsi qu'un procédé de contrôle du fonctionnement d'un tel système.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
La ventilation naturelle permet de rafraîchir l'atmosphère intérieure et les parois des bâtiments principalement pendant les nuits d'été, lorsque la température extérieure redescend. Ce principe a été mis en œuvre dans de nombreux bâtiments et a déjà démontré son efficacité. Le potentiel énergétique est très important mais reste encore insuffisamment exploité. Il faut noter ici que la ventilation naturelle ne se substitue pas à une ventilation hygiénique des locaux, c'est-à-dire à la ventilation règlementaire, définie en général en fonction du taux d'occupation. Le modèle d'utilité chinois CN 203286701 U décrit un exemple de système de ventilation naturelle avec stockage d'énergie thermique.
Comme toute ressource d'énergie renouvelable, la ventilation naturelle présente un caractère intermittent (fonctionnement nocturne) et n'est pas disponible au moment du pic de besoin en rafraîchissement, à savoir en journée. L'augmentation de l'inertie du bâtiment par des matériaux denses et/ou des matériaux à changement de phase (MCP) constitue un stockage temporaire de l'énergie et permet ainsi de déphaser le rafraîchissement de la disponibilité de la ressource.
L'augmentation de l'inertie d'un bâtiment pour améliorer le confort thermique est une idée bien connue. Elle est parfois mise en œuvre sous la forme de murs Trombe (ou encore Trombe-Michel), qui constitue un système de chauffage solaire passif profitant de l'énergie gratuite du soleil. Ces murs Trombe existent sous différents principes, comme par exemple : les murs massiques, les murs en zigzag, les murs à eau, les murs hybrides, les murs trans-solaires, les murs équipés de MCP, les murs composites, les murs fluidisés, les murs avec photovoltaïque, etc.
Par ailleurs, les matériaux à changement de phase (MCP) offrent de belles perspectives pour accroître encore l'inertie des constructions, sans en augmenter ni le volume ni le poids. Il existe plusieurs familles de MCP. Les principales sont les matériaux organiques paraffines, organiques non paraffines, inorganiques sels hydratés et inorganiques métalliques. Ces matériaux se caractérisent par leur température de fusion et leur chaleur latente spécifique qui correspond à l'énergie thermique nécessaire à la transformation d'un kilogramme de matériau solide en liquide. Pour les applications dans le domaine du bâtiment, la température de fusion recherchée est la plus proche possible des conditions ambiantes à maintenir, soit par exemple entre 21 et 27°C. Les MCP du bâtiment sont très souvent encapsulés. De nos jours, ce type de matériau est déjà présent dans les enduits thermorégulants ou encore à l'intérieur des plaques de plâtre, sous la forme de microbilles de paraffine. La demande de brevet FR 2 979 938 Al décrit un exemple d'application des MCP dans le domaine du bâtiment.
Une autre problématique d'une énergie renouvelable, et donc de la ventilation naturelle, concerne la non disponibilité de la ressource en fonction de la localisation des besoins. La seule augmentation de l'inertie du bâtiment ne permet pas de redistribuer les frigories aux différents points chauds du bâtiment, par exemple au niveau de salles de réunion. Une inertie mobile est donc souhaitable.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Il existe par conséquent un besoin pour proposer une solution alternative de conception d'un système de ventilation naturelle d'un bâtiment permettant à la fois d'utiliser pleinement le potentiel de la ventilation naturelle et de répondre aux problématiques de disponibilité temporelle et géographique de la ressource pour des besoins en chauffage et/ou refroidissement du bâtiment.
L'invention a pour but de remédier au moins partiellement aux besoins mentionnés ci-dessus et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l'art antérieur.
L'invention a ainsi pour objet, selon l'un de ses aspects, un système de ventilation naturelle avec stockage d'énergie thermique pour le chauffage et/ou le rafraîchissement d'un bâtiment, caractérisé en ce qu'il comporte :
- des ventelles, ou encore lamelles ou volets, mobiles, pivotantes autour d'axes parallèles, depuis une position « ouverte » permettant l'écoulement d'air jusqu'à une position « fermée » dans laquelle les ventelles se rejoignent pour empêcher tout écoulement d'air, l'actionnement des ventelles permettant la mise en service ou l'arrêt de la ventilation naturelle,
- un ou plusieurs dispositifs d'échange thermique air/médium caloporteur, recevant l'air de ventilation en provenance des ventelles, et comportant un medium caloporteur apte à permettre le stockage d'énergie thermique,
- un ou plusieurs émetteurs thermiques capables de restituer l'énergie thermique stockée en fonction des besoins temporel et géographique en chauffage et/ou rafraîchissement du bâtiment.
Grâce à l'invention, il est possible de disposer d'un système qui à la fois participe à la ventilation naturelle d'un bâtiment et permet aussi de stocker toute l'énergie libérée par cette ventilation afin de la restituer tout au long de la journée notamment, aux heures critiques des pics de température et potentiellement là où les besoins se font ressentir. Le système de ventilation naturelle selon l'invention regroupe ainsi de façon avantageuse les fonctions de ventilation naturelle, d'échange et de réception d'air, de stockage d'énergie thermique, de restitution avec déphasage et de mobilité géographique de la réémission.
Le système de ventilation naturelle selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles.
Le système de ventilation peut préférentiellement être associé à un ou plusieurs organes de traitement des apports solaires, par exemple des brises soleil et/ou des stores. En effet, le système de ventilation peut ne pas se suffire à lui-même et les apports solaires journaliers, notamment en été, peuvent être traités en partie par de tels organes de type brises soleil et/ou stores. Ceci limite la hausse de température dans les locaux et peut permettre, en combinaison avec le système de ventilation, de pouvoir se passer d'unité de traitement de type climatisation avec des groupes de compression de fluide frigorigène, par exemple.
Le pivotement des ventelles peut être réalisé manuellement ou alors de façon motorisée. Préférentiellement, le pivotement des ventelles est motorisé mais un fonctionnement manuel reste possible compte-tenu du fait que les ventelles peuvent se situer dans des locaux occupés. Une consigne verbale ou expresse permettrait par exemple aux occupants d'organiser l'ouverture des ventelles le soir à la sortie des bureaux ou avant le coucher pour améliorer la ventilation naturelle nocturne.
Les ventelles sont avantageusement situées dans une ou plusieurs grilles d'entrée d'air, en particulier des grilles de prise d'air extérieur et/ou des grilles de transfert. Le système de ventilation naturelle selon l'invention peut ou non comporter la ou les grilles d'entrée d'air. En effet, le système de ventilation selon l'invention participe avantageusement à la ventilation naturelle du bâtiment. Ainsi, il peut être mis en place dans un bâtiment déjà équipé d'ouvertures sur l'extérieur, et notamment de grilles d'entrée d'air, et d'au moins un exécutoire de sorte à assurer la fonction de ventilation naturelle. Dans ce cas, l'invention peut contribuer à augmenter significativement le taux de ventilation obtenu.
Avantageusement, les grilles d'entrée d'air peuvent assurer une fonction d'entrée d'air extérieur, et les ventelles peuvent assurer des fonctions de pilotage et/ou d'amplification de la ventilation naturelle.
De façon avantageuse, la ou les grilles d'entrée d'air peuvent être situées entre le milieu extérieur et le bâtiment et peuvent ainsi former les entrées d'air du bâtiment. Elles peuvent encore être situées entre différentes pièces du bâtiment et peuvent ainsi former des grilles de transfert entre différentes zones du bâtiment. De façon générale, elles peuvent permettre l'entrée d'air de la ventilation naturelle jusqu'à l'exutoire de la ventilation naturelle, typiquement au niveau de la cheminée d'un atrium. Aussi, le système de ventilation selon l'invention peut s'intégrer à un système de ventilation naturelle préexistant ou bien être prévu en amont si le bâtiment est à l'état de projet.
De façon préférentielle, les ventelles peuvent comporter sur au moins l'une de leurs faces opposées, notamment sur les deux faces, un matériau de stockage d'inertie, notamment un matériau à changement de phase (MCP).
De façon avantageuse, les ventelles revêtues, sur au moins l'une de leurs faces opposées, d'un matériau à changement de phase (MCP) pilotent directement la ventilation naturelle du bâtiment.
De plus, le medium caloporteur du ou des dispositifs d'échange thermique air/médium caloporteur peut comporter un matériau de stockage d'inertie, notamment un matériau à changement de phase (MCP), et/ou un fluide caloporteur, notamment de l'eau, chargé ou non en matériau à changement de phase (MCP). Préférentiellement, le medium caloporteur du ou des dispositifs d'échange thermique air/medium caloporteur peut être un fluide caloporteur, notamment de l'eau chargée avec un matériau à changement de phase (MCP) encapsulé.
Le matériau de stockage d'inertie est préférentiellement un matériau à changement de phase (MCP). La température de fusion de ce matériau à changement de phase (MCP) peut être comprise entre 20 et 30°C, notamment entre 24 et 25°C pour un fonctionnement en été. En effet, la température de fusion idéale est celle qui offre d'une part, le meilleur compromis entre l'écart le plus important possible avec la température ambiante recherchée (entre 26°C et 29°C en condition été suivant les températures extérieures), pour améliorer les échanges thermiques de convection et de rayonnement et d'autre part, la plus grande disponibilité du système de rafraîchissement notamment pendant les jours les plus chauds de l'année pour permettre de décharger les calories emmagasinées durant la journée par la ventilation nocturne, les températures nocturnes pouvant monter à 22 ou 23°C en période de canicule. Cette température de fusion optimale se situe donc entre 24°C et 25°C pour un fonctionnement été.
Le matériau de stockage d'inertie peut être par exemple un acide gras constitué de 34% d'acide tétradécanoïque avec 66% d'acide décanoïque (température de fusion de 24°C) ou un sel hydraté comprenant 66,6% de chlorure de calcium hexahydraté avec 33,3% de chlorure de magnésium hexahydraté (température de fusion de 25°C).
Par ailleurs, le ou les émetteurs thermiques peuvent être intégrés aux dispositifs d'échange thermique air/médium caloporteur.
Préférentiellement, lorsque le medium caloporteur du ou des dispositifs d'échange thermique air/médium caloporteur est un fluide, le ou les émetteurs thermiques peuvent comporter un réseau de canalisations transportant le fluide caloporteur. Ce réseau de canalisations peut relier le ou les dispositifs d'échange thermique air/médium caloporteur à un dispositif de stockage d'énergie thermique externe de fluide caloporteur.
En outre, de façon préférentielle, le ou les émetteurs thermiques comportent une surface présentant une émissivité améliorée, permettant d'améliorer les transferts radiatifs, comme par exemple au moyen d'une peinture noire, cette émissivité étant particulièrement comprise entre 0,85 et 0,95.
De plus, une ventilation dirigée sur ce ou ces émetteurs thermiques peut permettre d'augmenter l'échange convectif, et donc d'obtenir une meilleure efficacité. Cette ventilation peut être intégrée aux réseaux du bâtiment ou obtenue plus simplement par des appareils autonomes installés dans les différents locaux à traiter.
Par ailleurs, le ou les dispositifs d'échange thermique air/médium caloporteur peuvent également comporter de façon avantageuse des ventelles pour la ventilation naturelle du bâtiment.
Le système de ventilation selon l'invention peut par exemple équiper un mur extérieur d'un bâtiment et/ou un mur intérieur, ou cloison, d'un bâtiment.
En outre, l'invention a aussi pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé de contrôle du fonctionnement d'un système de ventilation naturelle tel que défini précédemment, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape consistant à ouvrir ou à fermer les ventelles en fonction de la température extérieure au bâtiment et de la température ambiante de la zone du bâtiment à réchauffer et/ou à rafraîchir.
Lors de l'utilisation d'un fluide caloporteur dans un réseau de canalisations, le procédé peut comporter l'étape consistant à autoriser ou arrêter la circulation de fluide caloporteur dans le réseau de canalisations en fonction de la température ambiante de la zone du bâtiment à réchauffer et/ou à rafraîchir, de la température du fluide caloporteur, de la température extérieure et d'une température de consigne prédéterminée.
Le système de ventilation naturelle et le procédé de contrôle selon l'invention peuvent comporter l'une quelconque des caractéristiques énoncées dans la description, prises isolément ou selon toutes combinaisons techniquement possibles avec d'autres caractéristiques.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple de mise en œuvre non limitatif de celle-ci, ainsi qu'à l'examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel :
- les figures IA et IB représentent, en perspective et partiellement, un exemple de grille d'entrée d'air d'un système de ventilation naturelle conforme à l'invention, avec les ventelles respectivement dans une position ouverte et dans une position fermée,
- les figures 2A et 2B représentent, en perspective et partiellement, un exemple de dispositif d'échange thermique air/médium caloporteur du système de ventilation naturelle conforme à l'invention, avec les ventelles respectivement dans une position fermée et dans une position ouverte,
- la figure 2C est une vue partiellement éclatée, de derrière, de la figure 2B,
- la figure 2D est une vue en coupe, de côté, de la figure 2B,
- les figures 3, 4 et 5 illustrent le fonctionnement du système de ventilation naturelle conforme à l'invention, respectivement en début de nuit, en fin de nuit et en journée, et
- la figure 6 est un organigramme illustrant un principe du procédé de contrôle conforme à l'invention.
Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.
De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ D'UN MODE DE RÉALISATION PARTICULIER
Il est à noter que même si dans les exemples décrits ci-après, le système de ventilation naturelle selon l'invention est principalement utilisé en mode froid, notamment pour l'été ou la mi-saison, c'est-à-dire pour le rafraîchissement d'un bâtiment, le système peut bien entendu être utilisé en mode chaud, notamment pour l'hiver ou la mi-saison, c'est-à-dire pour le chauffage d'un bâtiment. Il est d'ailleurs à noter que le système de ventilation selon l'invention est d'autant plus performant que les écarts de température entre le jour et la nuit sont importants.
Tout d'abord, nous décrivons des remarques préliminaires concernant la ventilation naturelle. En effet, de nos jours, de nombreux bâtiments sont équipés de dispositifs de ventilation naturelle, mécanisée ou manuelle. Ces dispositifs sont constitués d'entrées d'air en façades et d'ouvertures en partie haute (effet cheminée d'un atrium). Ces dispositifs fonctionnent sous l'effet combiné des vents et du tirage thermique. La ventilation naturelle dans un bâtiment, et notamment dans les atriums (pièces centrales), permet d'atteindre des taux de renouvellement très élevés. Ainsi, des essais ont été réalisés sur le bâtiment « HELIOS », siège social de l'institut National de l'Energie Solaire (INES), situé au 60, avenue du Lac Léman, 73370 Le Bourget du Lac. Ces essais ont permis de mettre en évidence des taux de renouvellement de l'ordre de 40 vol/h dans l'atrium, soit un débit de 44 000 m3/h et de 10 à 20 vol/h dans les bureaux traversés.
Aussi, le potentiel de la ventilation naturelle est très important et n'est jamais totalement exploité : 472 500 m3/h ou bien encore 1150 m3/h pour un bureau de 20 m2, pour un taux de renouvellement moyen de 15 vol/h. Or, ce potentiel peut être converti en énergie froide avec un matériau d'inertie ou à changement de phase (MCP).
Ainsi, en considérant un matériau à changement de phase MCP avec une température de fusion égale à 25°C, par exemple un sel hydraté tel que 66,6%CaCI2-6H2O + 33,3%MgCI2-6H2O, et un taux de renouvellement moyen de 15 vol/h obtenu par la ventilation naturelle en fonctionnement continu durant 7 heures nocturnes (température d'air extérieur moyenne = 22°C), l'énergie qui pourrait être stockée serait respectivement de :
• 472 500 m3/h / 3600 x 1,29 kg/m3 x 1 kJ/kg.°K x (25°C - 22°C) x 7 heures = 3 555 kWh/j pour le bâtiment complet ;
• 1155 m3/h / 3600 x 1,29 kg/m3 x 1 kJ/kg.°K x (25°C - 22°C) x 7 heures = 8,7 kWh/j pour un bureau de 20 m2.
La quantité nécessaire de MCP (Lf = 127 kJ/kg) pour stocker cette énergie, est _ Energie _ 8,7 X3600 _ , 246 kg _irc , 3 □θ . ΊΤΙμγρ — — — ΖύΟ KQ OU o — Ijj CLTÏl .
Lf 127 1590 kg/m3
Or, si l'on considère les seuls apports par ensoleillement à combattre, les besoins en terme de rafraîchissement se limitent respectivement à :
• 500 W/m2 (apports par ensoleillement) x 2 250 m2 (surface vitrée) x 0,8 (facteur de transmission) x (4h/j) = 3 600 kWh/j pour le bâtiment complet ;
• 500 W/m2 (apports par ensoleillement) x 4 m2 (surface vitrée) x 0,8 (facteur de transmission) x (18h - 13h)/j = 8 kWh/j pour un bureau.
En conséquence, on peut constater que le potentiel de la ressource constituée par la ventilation naturelle, permettant le stockage de frigories puis l'échange selon le principe du système de l'invention décrit par la suite, est du même ordre de grandeur que les besoins estimés en rafraîchissement. Aussi, la solution de l'invention peut permettre d'assurer le confort thermique en été. Toutefois, il faut noter que le fonctionnement des appareils électriques tels que la pompe de circulation entre les récepteurs, le stockage et les émetteurs ou encore les éventuels moteurs des ventelles sur les récepteurs émetteurs n'est que très faiblement énergivore compte-tenu des faibles niveaux de puissance électrique mis en jeu et car la consommation n'est effective que pour des phases transitoires ou temporaires fonctions des besoins.
En référence aux figures 1 à 5, on a ainsi représenté de façon schématique et partielle un exemple de système de ventilation 10 avec stockage d'énergie thermique pour le chauffage et/ou le rafraîchissement d'un bâtiment B.
En référence aux figures IA et IB, le système 10 comporte une pluralité de grilles d'entrée d'air 1. La figure IA représente une grille d'entrée d'air 1 lorsque le flux d'air de ventilation, représenté par les flèches V, la traverse, et la figure IB représente la grille d'entrée d'air 1 lorsque la ventilation naturelle est arrêtée.
Chaque grille d'entrée d'air 1 comporte des ventelles mobiles 2. Ces ventelles 2 sont pivotantes autour d'axes parallèles depuis une position « ouverte » permettant l'écoulement d'air (figure IA) jusqu'à une position « fermée » dans laquelle les ventelles 2 se rejoignent pour empêcher tout écoulement d'air (figure IB).
Ces ventelles 2 agissent comme des actionneurs permettant la mise en service ou l'arrêt de la ventilation naturelle.
De façon avantageuse, les ventelles 2 comportent, sur les deux faces opposées, un matériau de stockage d'inertie sous la forme d'un matériau à changement de phase (MCP). Ce matériau MCP est sélectionné pour une température de fusion qui soit approximativement égale à la température intérieure du bâtiment souhaitée diminuée de quelques degrés. Ainsi, par exemple, le matériau MCP peut être le chlorure de calcium hexa hydraté, CaCI2-6H2O, qui présente une température de fusion Tf égale à 27°C.
Ainsi, lors de la ventilation naturelle en période nocturne, la grille d'entrée d'air 1 est traversée par l'air frais, de température inférieure à 25°C, et le matériau MCP constituant les ventelles 2 libère l'énergie nécessaire à sa transformation solide. L'échange au niveau des ventelles 2 est principalement convectif. En journée, le matériau MCP absorbe progressivement l'excès de chaleur dû aux apports internes et à l'ensoleillement, représenté par les flèches R sur la figure IB. L'échange s'effectue par rayonnement et permet de maintenir l'environnement de la grille d'entrée d'air 1 à la température de fusion du matériau MCP. Le matériau MCP peut être dimensionné pour pouvoir stocker l'énergie correspondante aux apports maximum durant la journée sur la zone à traiter.
Par ailleurs, en référence aux figures 2A, 2B, 2C et 2D, le système 10 comporte encore des dispositifs d'échange thermique air/médium caloporteur 3.
Ces dispositifs 3 reçoivent l'air de ventilation en provenance des grilles d'entrée d'air 1. Ils comportent avantageusement un medium caloporteur 4 apte à permettre le stockage d'énergie thermique.
Plus précisément, dans cet exemple de réalisation, chaque dispositif d'échange thermique air/medium caloporteur se présente sous la forme d'un mur Trombe M constitué d'une batterie contenant un medium caloporteur 4 sous la forme d'un fluide caloporteur, notamment de l'eau, et de matériaux MCP sous forme de nodules ou capsules, dont la température de fusion est sélectionnée avec les mêmes critères que précédemment. Ce mur Trombe M échange par rayonnement et convection avec l'atmosphère de la pièce à traiter. Des ventilateurs d'appoint peuvent également prendre part à l'échange en augmentant localement la vitesse de l'air de la zone à traiter sur la surface de l'émetteur thermique.
De plus, ce medium caloporteur 4 est présent dans un réseau de canalisations qui forment, avec le mur Trombe M, des surfaces d'émission ou émetteurs thermiques intégrés capables de restituer l'énergie thermique stockée en fonction des besoins temporel et géographique en chauffage et/ou rafraîchissement du bâtiment B. Aussi, les dispositifs d'échange thermique 3 peuvent se présenter sous la forme de batteries de type tubes à ailettes alimentées par le medium caloporteur 4 contenant le fluide caloporteur. Les frigories stockées peuvent être redistribuées sur l'une ou l'autre des batteries en fonction des besoins ponctuels dans le bâtiment B, par exemple dans des salles de réunion ou autres locaux à fort dégagement.
Comme visible sur les figures 3 à 5, ce réseau de canalisations 6 permet ainsi de relier les dispositifs d'échange thermique 3 à un dispositif de stockage d'énergie thermique externe 7 de fluide caloporteur. Ce dispositif de stockage d'énergie thermique peut se présenter sous la forme d'une bâche de stockage. Le fluide caloporteur peut par exemple être stocké et/ou déstocké de ce dispositif de stockage d'énergie thermique 7 ou encore mis en circulation entre les récepteurs émetteurs et la bâche par le biais d'une pompe 8 avec ou sans retour gravitaire, comme visible sur les figures 3, 4 et 5.
Le réseau de canalisations 6 permet le remplissage et/ou la vidange entre les différents murs Trombe M, ou batteries, et le dispositif de stockage 7.
De plus, chaque dispositif d'échange thermique 3 comporte également des ventelles 2 dont l'ouverture permet le fonctionnement de la ventilation naturelle. Dans cet exemple, chaque dispositif 3 comporte un registre de ventelles 2 en partie basse sur la face avant, et un registre de ventelles 2 en partie haute sur la face arrière. Toutefois, un seul registre de ventelles pourrait être envisagé.
L'espace intérieur E de chaque dispositif d'échange thermique 3, situé entre les deux registres de ventelles 2 et délimité par le mur Trombe M et une plaque arrière 5, permet la circulation d'air de ventilation au travers du dispositif 3, et constitue le lieu d'échange convectif entre l'air en transfert et le mur Trombe M.
Pour un bâtiment B comportant par exemple trois bureaux Bl, B2 et B3, chacun pourvu d'une grille d'entrée d'air 1 et d'un dispositif d'échange thermique air/medium caloporteur 3, en communication avec un atrium (pièce centrale) A pourvu d'une verrière Ve apte à s'ouvrir ou se fermer pour autoriser ou non la ventilation naturelle, la gestion du système 10 selon l'invention peut par exemple être telle que décrite ci-après.
En début de nuit, en référence à la figure 3, la ventilation naturelle est en service : toutes les ventelles 2 sont ouvertes ainsi que la verrière Ve de l'atrium A. La bâche de stockage 7 est vide. Le medium caloporteur 4 comprenant de l'eau et un matériau MCP encapsulé se situe dans les murs Trombes M et le réseau de canalisations
6. La circulation d'air sur le système 10 dépose les frigories sur le medium caloporteur 4.
En fin de nuit, en référence à la figure 4, on arrête la ventilation naturelle : toutes les ventelles 2 sont fermées ainsi que la verrière Ve de l'atrium A. La bâche de stockage 7 est pleine, obtenu par stockage gravitationnel ou par le biais d'une pompe 8.
En journée, lorsque des pics de rafraîchissement sont nécessaires, il n'y a pas de ventilation naturelle traversante : toutes les ventelles 2 sont fermées mais la verrière Ve de l'atrium A est ouverte. Alors, le medium caloporteur 4 est redistribuer dans les bureaux Bl, B2, B3 à traiter par le biais des émetteurs thermiques formés par le réseau de canalisations 6 et le medium caloporteur 4 des murs Trombe M, éventuellement de façon localisée à l'endroit où le rafraîchissement est nécessaire, la bâche de stockage 7 étant alors vidée progressivement.
Il est à noter que les frigories stockées peuvent également être utilisées dans un émetteur terminal de type batterie en gaines, par exemple une centrale de traitement d'air neuf (CTAN), ou un plafond rafraîchissant.
De façon avantageuse, le système 10 selon l'invention permet tout particulièrement de coupler le principe de la ventilation naturelle nocturne et l'utilisation de l'effet cheminée de l'atrium, soit un potentiel de rafraîchissement non exploité. Afin de pouvoir bénéficier au moment opportun de ce potentiel de rafraîchissement durant la journée, le système 10 intègre une gestion d'inertie mobile et d'émetteur/récepteur par le biais d'un stockage. Un algorithme de contrôle peut être associé à ce système 10 afin d'optimiser la gestion énergétique du rafraîchissement d'un bâtiment, en particulier en mi saison et en été.
Ainsi, la figure 6 illustre, sous la forme d'un organigramme, un principe du procédé de contrôle du fonctionnement du système 10 conforme à l'invention.
L'algorithme de fonctionnement représenté sur la figure 6 reflète les deux modes de contrôle du système 10 selon l'invention, à savoir : un mode décharge de fluide caloporteur (stockage de frigorie) dans lequel la ventilation naturelle nocturne permet de solidifier les matériaux MCP encapsulés dans le fluide caloporteur; un mode charge de fluide caloporteur (restitution de frigorie en fonction du rafraîchissement voulu) lorsqu'un besoin de rafraîchissement est demandé dans une zone X, notamment un bureau, du bâtiment B, le fluide caloporteur, contenant des matériaux MCP encore solides, étant dirigé vers les émetteurs thermiques formés par le réseau de canalisations 6 situé dans ladite zone X.
Il est à noter que, sur la figure 6, les heures H1 et H2 sont à implémenter suivant le moment de la saison, le climat local et l'orientation du bâtiment à rafraîchir.
De plus, le paramètre ΔΤ est un paramètre à implémenter par exemple entre 2 et 3°C, tout en prévoyant une hystérésis.
Les paramètres Tamb, Moy(Tamb), Text, Tf|Uide et Tconsigne représentent respectivement la température ambiante dans la zone X du bâtiment, la température moyenne ambiante dans cette même zone X, la température extérieure au bâtiment, la température du fluide caloporteur dans le réseau de canalisations 6 et une température de consigne prédéterminée.
Il est à noter que les remplissages, vidanges et circulations peuvent être assurés par un jeu de vannes et de purgeurs automatiques.
De façon générale, le procédé selon l'invention peut comporter une étape consistant à ouvrir ou à fermer les ventelles 2 en fonction de la température extérieure 10 Text au bâtiment B et de la température ambiante Tamb de la zone X du bâtiment B à réchauffer et/ou à rafraîchir.
De plus, il peut comporter une étape consistant à autoriser ou arrêter la circulation de fluide caloporteur dans le réseau de canalisations 6 en fonction de la température ambiante Tamb de la zone X du bâtiment B à réchauffer et/ou à rafraîchir, 15 de la température du fluide caloporteur Tfiuide, de la température extérieure Text et d'une température de consigne Tconsigne prédéterminée.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit. Diverses modifications peuvent y être apportées par l'homme du métier.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS
    1. Système de ventilation naturelle (10) avec stockage d'énergie thermique pour le chauffage et/ou le rafraîchissement d'un bâtiment (B), caractérisé en ce qu'il comporte :
    - des ventelles (2) mobiles, pivotantes autour d'axes parallèles, depuis une position « ouverte » permettant l'écoulement d'air jusqu'à une position « fermée » dans laquelle les ventelles (2) se rejoignent pour empêcher tout écoulement d'air, l'actionnement des ventelles (2) permettant la mise en service ou l'arrêt de la ventilation naturelle,
    - un ou plusieurs dispositifs d'échange thermique air/médium caloporteur (3), recevant l'air de ventilation en provenance des ventelles (2), et comportant un medium caloporteur (4) apte à permettre le stockage d'énergie thermique,
    - un ou plusieurs émetteurs thermiques (6) capables de restituer l'énergie thermique stockée en fonction des besoins temporel et géographique en chauffage et/ou rafraîchissement du bâtiment (B).
  2. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ventelles (2) comprennent sur au moins l'une de leurs faces opposées, notamment sur les deux faces, un matériau de stockage d'inertie, notamment un matériau à changement de phase (MCP).
  3. 3. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le medium caloporteur (4) du ou des dispositifs d'échange thermique air/médium caloporteur (3) comporte un matériau de stockage d'inertie, notamment un matériau à changement de phase (MCP), et/ou un fluide caloporteur, notamment de l'eau, chargé ou non en matériau à changement de phase (MCP).
  4. 4. Système selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le matériau de stockage d'inertie est un matériau à changement de phase (MCP) et en ce que la température de fusion du matériau à changement de phase (MCP) est comprise entre 20 et 30°C, notamment entre 24 et 25°C.
  5. 5. Système selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le ou les émetteurs thermiques (6) sont intégrés aux dispositifs d'échange thermique air/médium caloporteur (3).
  6. 6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le medium caloporteur (4) du ou des dispositifs d'échange thermique air/médium caloporteur (3) comporte un fluide caloporteur, et en ce que le ou les émetteurs thermiques comportent un réseau de canalisations (6) transportant le fluide caloporteur, ce réseau de canalisations (6) reliant le ou les dispositifs d'échange thermique air/médium caloporteur (3) à un dispositif de stockage d'énergie thermique externe (7) de fluide caloporteur.
  7. 7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les dispositifs d'échange thermique air/médium caloporteur (3) comportent des ventelles (2) pour la ventilation naturelle du bâtiment (B).
  8. 8. Procédé de contrôle du fonctionnement d'un système de ventilation naturelle (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape consistant à ouvrir ou à fermer les ventelles (2) en fonction de la température extérieure (Text) au bâtiment (B) et de la température ambiante (Tamb) de la zone du bâtiment (B) à réchauffer et/ou à rafraîchir.
  9. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il est appliqué à un système de ventilation (10) selon la revendication 6 ou 7, et en ce qu'il comporte l'étape consistant à autoriser ou arrêter la circulation de fluide caloporteur dans le réseau de canalisations (6) en fonction de la température ambiante (Tamb) de la zone du bâtiment (B) à réchauffer et/ou à rafraîchir, de la température du fluide caloporteur (Tfiuide), de la température extérieure (Text) et d'une température de consigne (Tconsigne) prédéterminée.
FR1758187A 2017-09-05 2017-09-05 Systeme de ventilation naturelle avec stockage thermique pour un batiment Active FR3070753B1 (fr)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1758187A FR3070753B1 (fr) 2017-09-05 2017-09-05 Systeme de ventilation naturelle avec stockage thermique pour un batiment

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1758187 2017-09-05
FR1758187A FR3070753B1 (fr) 2017-09-05 2017-09-05 Systeme de ventilation naturelle avec stockage thermique pour un batiment

Publications (2)

Publication Number Publication Date
FR3070753A1 true FR3070753A1 (fr) 2019-03-08
FR3070753B1 FR3070753B1 (fr) 2020-01-10

Family

ID=60182751

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FR1758187A Active FR3070753B1 (fr) 2017-09-05 2017-09-05 Systeme de ventilation naturelle avec stockage thermique pour un batiment

Country Status (1)

Country Link
FR (1) FR3070753B1 (fr)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3108130A1 (fr) 2020-03-12 2021-09-17 Universite De La Reunion Mur trombe presentant une paroi de stockage thermique et une couverture transparente
CN114484667A (zh) * 2022-01-19 2022-05-13 新疆兵团城建集团有限公司 一种绿色节能的建筑通风用装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4435403A1 (de) * 1994-10-04 1996-04-11 Fraunhofer Ges Forschung Sauglüfter
CN203286701U (zh) * 2013-05-16 2013-11-13 华南理工大学 采用可采光太阳能集热技术的被动式蓄能太阳能通风系统

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4435403A1 (de) * 1994-10-04 1996-04-11 Fraunhofer Ges Forschung Sauglüfter
CN203286701U (zh) * 2013-05-16 2013-11-13 华南理工大学 采用可采光太阳能集热技术的被动式蓄能太阳能通风系统

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3108130A1 (fr) 2020-03-12 2021-09-17 Universite De La Reunion Mur trombe presentant une paroi de stockage thermique et une couverture transparente
CN114484667A (zh) * 2022-01-19 2022-05-13 新疆兵团城建集团有限公司 一种绿色节能的建筑通风用装置

Also Published As

Publication number Publication date
FR3070753B1 (fr) 2020-01-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1649221B1 (fr) Collecteur solaire thermique a capacite de stockage thermique monte sur paroi
CH663658A5 (fr) Dispositif de ventilation.
FR3070753A1 (fr) Systeme de ventilation naturelle avec stockage thermique pour un batiment
EP2354713B1 (fr) Système solaire thermique pour chauffer un espace habitable.
FR2938900A1 (fr) Dispositif de conditionnement d'air comportant un puit canadien et un echangeur de chaleur secondaire
JP2009264670A (ja) 太陽熱集熱器および太陽熱集熱システム
FR2511133A1 (fr) Collecteur d'energie solaire a accumulateur de chaleur et radiateur integres
FR2882427A1 (fr) Capteur solaire hybride thermique (liquide et/ou air) et photovoltaique
EP2805116A1 (fr) Systeme de refroidissement pour batiment a basse consommation d'energie
FR2476806A1 (fr) Maison solaire a captage et chauffage d'ambiance a air
EP2339253B1 (fr) Maison d'habitation avec système de climatisation passive
EP2299196A1 (fr) Dispositif de ventilation d'un bâtiment de type puits canadien
WO2015094102A1 (fr) Construction comprenant une structure de bâtiment et une cuve souterraine de stockage thermique
EP2354712B1 (fr) Capteur solaire thermique, systeme solaire thermique comprenant un tel capteur solaire thermique et procédé pour chauffer un espace habitable.
WO2016079424A1 (fr) Bâtiment basse consommation ou à énergie positive et procédé de régulation de la température et de l'humidité relative dans ce bâtiment
WO2023099555A1 (fr) Dispositif émetteur de chaleur ou de froid et système de chauffage ou de rafraichissement intégrant ce dispositif
Poshtiri et al. Comparative survey on using two passive cooling systems, solar chimney-earth to air heat exchanger and solar chimney-evaporative cooling cavity
EP3561402B1 (fr) Procédé et dispositif de contrôle thermique d'un bâtiment
FR3032782A1 (fr) Ventilation vortex mecanique a circuit court evolutive et autonome
FR2866101A1 (fr) Installation destinee a temperer un local en utilisant l'inertie thermique du sol et composants de cette installation
FR3139622A1 (fr) Circuit échangeur de chaleur utilisant les hourdis et Méthode d’installation d’un circuit climatiseur
FR3005145A1 (fr) Dispositif de chauffage et/ou de rafraichissement a paroi ayant un capteur thermique solaire et un element de stockage d'energie thermique
FR3002027A1 (fr) Chauffage solaire integral
FR3047022A1 (fr) Element d'enveloppe de batiment comprenant un materiau a changement de phase, et batiment correspondant
FR2464440A1 (fr) Procede et installation pour l'obtention d'air chaud par capteurs solaires

Legal Events

Date Code Title Description
PLSC Publication of the preliminary search report

Effective date: 20190308

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 3

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 4

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 5

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 6

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 7