FR3121740A1 - Système et procédé de refroidissement d’un bâtiment par froid radiatif - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un système de refroidissement d’un bâtiment comprenant un circuit fermé comprenant au moins un échangeur de chaleur (9) implanté dans ledit bâtiment (5) pour récupérer la chaleur du bâtiment (5), des conduites de liaison (4, 7), et au moins un panneau de refroidissement (1) implanté sur le toit (3) du bâtiment (5) pour évacuer la chaleur et refroidir le bâtiment (5). L’échangeur de chaleur (9) est relié par les conduites de liaison (4, 7) au panneau de refroidissement (1) implanté sur le toit (3) et le panneau de refroidissement (1) est configuré pour émettre du rayonnement infrarouge vers l’espace. De plus, le circuit fermé comprend un fluide et au moins une pompe de circulation (2) pour faire circuler le fluide dans le circuit fermé. En outre, le fluide comprend des capsules enfermant des matériaux à changement de phase. L’invention concerne aussi un procédé de refroidissement basé sur le système décrit précédemment. Figure 1 à publier

Description

Système et procédé de refroidissement d’un bâtiment par froid radiatif
L’invention concerne le domaine du refroidissement d’un bâtiment par échange de chaleur avec l’espace par le phénomène connu sous le nom de froid radiatif.
Dans le contexte de la nécessaire adaptation au changement climatique, les températures sont de plus en plus élevées en été dans les bâtiments, notamment en ville. Lors de ces pics de chaleur, les températures des bâtiments dépassent généralement la température de confort de l’être humain (18-25°C environ).
Pour refroidir les bâtiments, on connaît déjà les climatisations qui ont pour but de refroidir l’air intérieur. Toutefois, ce type de solutions rejette la chaleur récupérée dans le bâtiment dans l’environnement extérieur et donc réchauffe un peu plus l’air extérieur, ce qui n’est pas souhaitable. De plus, les climatisations consomment beaucoup d’énergie.
On connait également les pompes à chaleur qui peuvent réchauffer le bâtiment en hiver et le refroidir en été. Toutefois, les pompes à chaleur ont les mêmes inconvénients que les climatisations.
Par ailleurs, on connaît l’utilisation de panneaux de froid radiatif comme SolarWall© pour refroidir un bâtiment.
La technologie de froid radiatif est une technologie basée sur l’évacuation de chaleur en direction de la haute atmosphère. Elle consiste en l’émission d’un rayonnement infrarouge (IR) (de longueur d’onde comprise entre 8 et 13 μm) porteur de chaleur en direction du ciel, en particulier durant la nuit, tout en limitant les apports de chaleurs par convection et rayonnement infrarouge incident sur les radiateurs. Ainsi, le système est particulièrement adapté au rafraîchissement du bâtiment car il évacue sa chaleur sans être lui-même réchauffé par des sources de chaleur extérieures au bâtiment. L’utilisation de panneaux de froid radiatif pour refroidir un bâtiment n’est toutefois pas assez efficace pour être rentable. Leur efficacité est notamment fortement limitée par les conditions climatiques nocturnes : de fortes chaleurs nocturnes ou un ciel couvert sont susceptibles de limiter les quantités de chaleur évacuée, voire d’annuler totalement l’efficacité du dispositif. Ainsi, il est nécessaire d’améliorer les performances de refroidissement du système.
Pour résoudre les problématiques de l’art antérieur, l’invention concerne un système de refroidissement d’un bâtiment comprenant un circuit fermé, le circuit fermé comprenant au moins un échangeur de chaleur implanté dans le bâtiment pour récupérer la chaleur du bâtiment. De plus, le système de refroidissement comprend des conduites de liaison et au moins un panneau de refroidissement implanté sur le toit du bâtiment pour évacuer la chaleur et ainsi refroidir le bâtiment. L’échangeur de chaleur est relié par les conduites de liaison au panneau de refroidissement implanté sur le toit. De plus, le panneau de refroidissement est configuré pour émettre du rayonnement infrarouge vers l’espace, de préférence dans la bande de 8 à 13 μm, et le circuit fermé comprend un fluide et au moins une pompe de circulation pour faire circuler le fluide dans le circuit fermé. En outre, le fluide comprend des capsules enfermant des matériaux à changement de phase ayant de préférence une température de changement de phase comprise entre 20 et 30°C.
De préférence, le panneau de refroidissement est incliné par rapport à un plan horizontal d’un angle de 45 à 60°.
Avantageusement, la pompe de circulation est positionnée en amont du panneau de refroidissement, entre l’échangeur de chaleur et le panneau de refroidissement.
Selon une mise en œuvre, le circuit fermé comprend un dispositif implanté dans le sous-sol terrestre pour échanger de la chaleur avec le sous-sol terrestre et des conduites d’acheminement, le dispositif implanté dans le sous-sol terrestre étant relié par les conduites d’acheminement audit échangeur de chaleur et/ou au panneau de refroidissement
De préférence, le panneau de refroidissement comprend une partie en matériaux à forte émissivité radiative, de préférence en acier, en cuivre ou en aluminium ou un alliage comprenant ces matériaux pour générer du rayonnement infrarouge vers l’espace.
Avantageusement, une couche en matériau transparent aux ondes infrarouges de la bande 8-13 μm et réfléchissant pour les ondes solaires recouvre la partie en matériaux à forte émissivité radiative.
Selon une configuration avantageuse de l’invention, le panneau de refroidissement comprend un réflecteur amovible, de préférence le réflecteur amovible a une surface polie miroir, la surface étant orientée vers l’espace (ou vers les couches supérieures de l’atmosphère).
De manière préférée, le réflecteur amovible comprend une plaque peinte en blanc avec de l’oxyde de titane pour éviter le réchauffement du panneau de refroidissement.
Selon une variante de l’invention, le panneau de refroidissement comprend une isolation thermique au niveau de la liaison du panneau de refroidissement avec le bâtiment.
De manière avantageuse, l’isolation thermique est en polyester.
Préférentiellement, le circuit fermé comprend un réservoir de capsules enfermant des matériaux à changement de phase.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le circuit fermé comprend une pompe à chaleur.
De préférence, l’échangeur de chaleur est situé dans au moins un plancher, dans au moins un plafond et/ou dans au moins un mur.
Avantageusement, l’échangeur de chaleur comprend plusieurs branches en parallèle et/ou des boucles de circulation.
L’invention concerne également un procédé pour refroidir un bâtiment dans lequel on effectue au moins les étapes suivantes au moyen du système tel que décrit précédemment :
- on fait circuler des capsules de matériaux à changement de phase dans au moins le dispositif implanté dans ledit bâtiment pour récupérer la chaleur du bâtiment ;
- on capte la chaleur du bâtiment grâce aux capsules de matériaux à changement de phase ;
- on poursuit la circulation des capsules de matériaux à changement de phase et on évacue la chaleur récupérée par les capsules de matériaux à changement de phase par le panneau de refroidissement, de préférence la nuit et de manière préférée par temps clair.
Avantageusement, on arrête la pompe de circulation du fluide pour capter la chaleur du bâtiment, on remet en route la pompe de circulation une fois que la chaleur a été récupérée par les capsules, et arrête à nouveau la pompe de circulation lorsque les capsules chaudes sont au niveau du panneau de refroidissement.
Liste des figures
D'autres caractéristiques et avantages du système et du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
[Fig 1]
La représente un premier mode de réalisation du système selon l’invention.
[Fig 2]
La représente un deuxième mode de réalisation du système selon l’invention.
[Fig 3]
La représente un troisième mode de réalisation du système selon l’invention.
[Fig 4]
La représente une illustration du fluide chargé de capsules de matériaux à changements de phase dans une conduite du système selon l’invention.
[Fig 5]
La illustre un exemple de panneau de refroidissement radiatif de l’invention.
[Fig 6]
La illustre un exemple d’échangeur de chaleur dans le bâtiment selon l’invention.
[Fig 7]
La illustre un quatrième mode de réalisation d’un système selon l’invention.
L’invention concerne un système de refroidissement d’un bâtiment comprenant un circuit fermé. Le circuit fermé comprend au moins un échangeur de chaleur implanté dans le bâtiment pour récupérer la chaleur du bâtiment, des conduites de liaison, et au moins un panneau de refroidissement implanté sur le toit du bâtiment pour évacuer la chaleur et refroidir le bâtiment. L’échangeur de chaleur est relié par les conduites de liaison au panneau de refroidissement implanté sur le toit. Ainsi, la chaleur récupérée du bâtiment par l’échangeur de chaleur peut être évacuée par le panneau de refroidissement. De plus, le panneau de refroidissement est conçu pour maximiser l’émission de rayonnement infrarouge vers l’espace. Autrement dit, le panneau de refroidissement est un panneau de froid radiatif, limitant les échanges thermiques avec l’air extérieur à proximité du panneau. De ce fait, l’effet de refroidissement est amélioré. De plus, ce système nécessite moins de consommation énergétique que les systèmes utilisant un climatiseur et/ou une pompe à chaleur pour refroidir le bâtiment car le panneau de refroidissement ne consomme aucune énergie électrique.
De plus, le circuit fermé comprend un fluide et au moins une pompe de circulation pour faire circuler le fluide dans ledit circuit fermé, le fluide étant un fluide caloporteur qui récupère la chaleur pour l’évacuer via le panneau de refroidissement. De préférence, le fluide peut être un liquide.
En outre, le fluide comprend des capsules enfermant des matériaux à changement de phase (appelés par la suite MCP) ; autrement dit, le fluide est chargé de MCP encapsulés. De ce fait, le fluide permet la circulation des capsules de matériaux à changement de phase. Cette circulation des capsules de matériaux à changement de phase permet de simplifier le système et d’améliorer l’efficacité énergétique du système. L’utilisation de capsules permet d’éviter les risques de bouchage liés aux agglomérats qui pourraient se produire si les matériaux à changement de phase n’étaient pas encapsulés.
Les matériaux à changement de phase sont aptes à changer de phase au niveau du panneau de refroidissement et de l’échangeur de chaleur. Pour ce faire, les conduites de liaison peuvent être revêtues d’une couche d’isolation thermique de manière à favoriser le changement de phase des matériaux à changement de phase au niveau du panneau de refroidissement et de l’échangeur de chaleur. Cette configuration où le matériau à changement de phase est directement présent au niveau de l’au moins un panneau est avantageuse par rapport à une configuration concurrente où le MCP est stocké dans une réserve interne au bâtiment, et échange avec l’au moins un panneau via un réseau de fluide caloporteur. Dans la présente invention, la présence des matériaux encapsulés dans l’au moins un panneau garantit leur maintien à la température de fusion du MCP, sans écart de température entre la réserve et les panneaux imposé par le réseau caloporteur. Cette différence permet de maintenir une température plus élevée au niveau de l’au moins un panneau, et donc une puissance de rayonnement accrue.
Par exemple, le système peut être configuré pour permettre une circulation du fluide par intermittence, de préférence un cycle jour/nuit par exemple. En effet, le refroidissement radiatif vers l’espace est essentiellement efficace la nuit, et de manière préférée par temps clair. Ainsi, il est intéressant de pouvoir capter la chaleur du bâtiment la journée et d’évacuer cette chaleur la nuit par le panneau de refroidissement.
Selon une mise en œuvre de l’invention, le système peut utiliser plusieurs panneaux de refroidissement en série ou en parallèle en fonction des caractéristiques du bâtiment (taille, quantité de chaleur à évacuer) pour garantir une efficacité de refroidissement satisfaisante sur une nuit par exemple.
Les MCP sont des matériaux capables de changer d’état physique (solide/liquide ou liquide/gaz ou solide/gaz notamment) dans une plage de température restreinte. Contrairement à d’autres matériaux ou fluides qui ne stockent de l’énergie que sous forme de chaleur sensible, les MCP ont la capacité de stocker de l’énergie sous deux formes de chaleur, sensible et latente. C’est lors de son changement d’état physique qu’ils stockent ou libèrent de l’énergie sous forme de chaleur latente. Les MCP emmagasinent ainsi beaucoup plus d’énergie que d’autres matériaux. Durant ce processus, le MCP reste à une température stable, ce qui permet également de maintenir le bâtiment ou un panneau radiatif à une température stable.
Un MCP possède ainsi deux avantages par rapport à un matériau ne délivrant que de la chaleur sensible (pas de changement de phase) :
- Sa grande capacité de stockage d’énergie sur l’intervalle de température couvrant sa température de changement de phase. Il en résulte un gain de volume par rapport à un matériau ne délivrant que de la chaleur sensible sur le même intervalle de température. En effet, par exemple, pour l’eau, la capacité calorifique volumique vaut 4.18 J/°C/cm3. L’énergie absorbée par son réchauffement de 15 °C à 25 °C, soit une augmentation de température de 10 °C, est donc de 42 J/cm3. Si on considère maintenant un MCP tel que l’heptadécane dont la température de fusion est de 22 °C, la chaleur latente de fusionLest égale à 215 J par gramme (167 J/cm3) et la capacité calorifique volumique égale à 1.25 J/°C/cm3. L’énergie absorbée par son réchauffement de 15 °C à 25 °C, soit une augmentation de température de 10 °C, vaut cette fois 167 + 10 * 1.25 = 180 J/cm3soit environ 4.3 fois celle de l’eau, ce qui témoigne de l’intérêt des MCP pour stocker ou évacuer la chaleur (le système étant réversible).
- Le quasi maintien d’une température constante au changement de phase, qui procure une plus grande stabilité des flux d’énergie entre le MCP et chacune des sources. Le maintien de la température des panneaux radiatifs est également important. Le système de l’invention permet de capter la chaleur depuis le bâtiment et de l’évacuer vers les couches hautes de l’atmosphère et l’espace. Il assure donc trois fonctions : une fonction de stockage de l’énergie, une fonction de transport puis une fonction d’échange de cette énergie. Ces trois fonctions sont assurées par un même vecteur, à savoir une suspension en phase liquide de capsules solides renfermant le MCP, cet ensemble étant appelé « coulis de matériau à changement de phase (MCP) encapsulés ».
De préférence, les matériaux à changement de phase peuvent avoir de préférence une température de changement de phase comprise entre 20 et 30°C.
De préférence, la pompe de circulation peut être une pompe Moineau ou une pompe à aube déportée. Une pompe Moineau comprend un rotor hélicoïdal tournant à l’intérieur d’un stator hélicoïdal. Lorsque le rotor tourne à l’intérieur du stator, des cavités progressent le long de l’axe de la pompe sans changer ni la forme ni le volume des cavités. Ainsi, la pompe Moineau est une pompe volumétrique rotative à débit régulier. Elle est particulièrement avantageuse car son fonctionnement limite l’échauffement du fluide. De ce fait, cette pompe peut être positionnée n’importe où sur le circuit en boucle fermée.
De préférence, la pompe de circulation peut être configurée pour ne pas chauffer le fluide et ne pas détruire les capsules de matériaux à changement de phase.
Selon une mise en œuvre de l’invention, le fluide peut comprendre de l’eau et de préférence au moins un additif choisi parmi un biocide, un antigel, un tensioactif, un agent dispersant des capsules et/ou un additif anticorrosion. L’utilisation de l’eau permet de conduire facilement les capsules, de circuler facilement dans les conduites et de réduire le coût du système. De plus, en cas de fuite, l’impact environnemental est réduit.
Selon une variante de l’invention, les matériaux à changement de phase peuvent comprendre des métaux, des alliages de métaux, des matériaux inorganiques, des matériaux organiques ou des hydrates ou des mélanges de ces matériaux. De préférence, les métaux et/ou alliages de métaux de MCP peuvent comprendre du Gallium dont la température de changement de phase (fusion par exemple) se situe entre 20 et 30°C et de manière préférée entre 26 et 28°C, adaptée à la situation de refroidissement du bâtiment. Les matériaux inorganiques peuvent comprendre des sels de calcium (CaCl2,6H2O, ou CaCl2,·2H2O); les matériaux organiques de MCP peuvent comprendre des paraffines, des acides gras, des esters, des acides carboxyliques ou des mélanges de ces différents matériaux. Parmi les matériaux à changement de phase, les paraffines sont les matériaux préférés pour leur stabilité et leur moindre sensibilité au phénomène de surfusion.
De manière encore préférée, les matériaux à changement de phase peuvent comprendre un mélange eutectique des matériaux décrits précédemment, de manière à atteindre une température de changement de phase (fusion par exemple) non atteignable avec des composés purs et/ou à faire baisser le coût du MCP. En effet un mélange eutectique peut permettre d’atteindre une température de fusion identique à celle d’une paraffine pure très chère mais en utilisant un mélange de paraffines qui seraient moins chères à l’achat.
Par exemple, un matériau à changement de phase possible serait l’heptadécane dont la température de fusion est de 22 °C.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le matériau des capsules peut comprendre des matériaux organiques, inorganiques et/ou métalliques ou des mélanges de ces matériaux. Par exemple, les matériaux organiques pour les capsules peuvent comprendre du graphène, du carbone poreux des polymères, des polyamides, du nylon, des lignines, des acides gras, des esters, des éthers couronne ; les matériaux inorganiques pour les capsules peuvent comprendre de la silice, de la silice fondue. Bien entendu, les capsules peuvent être constituées par un ou plusieurs des matériaux décrits ci-dessus et être constituées par des mélanges de ces matériaux.
Les métaux ont l’avantage d’offrir une bonne conductivité thermique. Les polymères permettent un bon compromis entre la conductivité et la flexibilité. Ils permettent aussi de réduire la friction et le bruit. La silice permet d’obtenir facilement des matériaux fonctionnalisés.
Les capsules peuvent également prendre la forme de cages moléculaires.
Préférentiellement, les capsules peuvent être fonctionnalisées à l’aide de molécules ioniques ou à l’aide de chaînes longues hydrophobes de sorte que les capsules restent à distance les unes des autres par une répulsion électrostatique ou stérique dans le cas de molécules ioniques et par une répulsion stérique dans le cas de chaînes longues hydrophobes. Ainsi, on peut éviter de générer des agglomérats de capsules qui pourraient crémer, sédimenter voire générer un bouchage des conduites.
Avantageusement, la taille des capsules peut être comprise entre 5 nm et 2 mm, et le matériau constituant la paroi des capsules peut avoir une épaisseur comprise entre 0.5 nm et 500 μm. De ce fait, les capsules sont petites, ce qui facilite leur circulation dans le fluide de transport. La taille moyenne des capsules peut correspondre au diamètre équivalent de Sauter. L’épaisseur permet d’assurer une résistance suffisante aux capsules. L’épaisseur des capsules est optimisée en fonction de chaque matériau afin que la capsule soit imperméable au MCP, que ses propriétés mécaniques permettent de résister aux contraintes de dilatation-compression du MCP en fonction de la température et aux contraintes appliquées par la circulation (diamètres des conduites, coude, restriction, pompe, etc.) et que les échanges thermiques soient maximisés.
De préférence, le fluide peut comprendre entre 5 et 70 % (de préférence entre 5 et 40%) en poids de capsules de matériaux à changement de phase. Ainsi, la densité de MCP est suffisante pour récupérer/évacuer la chaleur et elle permet aussi une bonne circulation des MCP avec le fluide. De ce fait, la consommation d’énergie de la pompe pour faire circuler le fluide est optimale. Des concentrations supérieures ne sont pas proscrites, néanmoins, l’augmentation forte de la viscosité relative est à l’origine d’une perte de charge élevée et d’échauffements du fluide.
Selon un mode de réalisation avantageux de l’invention, le panneau de refroidissement peut être incliné par rapport à un plan horizontal d’un angle de 45 à 60°. Ainsi, il peut être posé à plat sur un toit incliné d’un angle de 45° à 60° par rapport à un plan horizontal.
Alternativement, le panneau de refroidissement peut être posé sur un toit plat. De ce fait, le rayonnement radiatif est bien orienté vers l’espace, ce qui permet de faciliter et d’améliorer le refroidissement.
Selon une variante de l’invention, le panneau de refroidissement peut comprendre un moyen pour modifier son inclinaison par rapport à un plan horizontal, tel qu’un vérin par exemple, de manière à pourvoir par exemple limiter l’absorption lumineuse des rayons lumineux du soleil en journée.
Selon une variante de l’invention, la pompe de circulation peut être positionnée en amont du panneau de refroidissement, entre l’échangeur de chaleur et le panneau de refroidissement dans le sens de circulation du fluide dans le circuit en boucle fermée. Ainsi, la pompe de circulation est configurée pour faire circuler les capsules de matériaux à changement de phase depuis la source chaude (le bâtiment) vers la source froide (l’espace). De ce fait, si la pompe crée un échauffement du fluide, par exemple dans le cas d’une pompe centrifuge, les matériaux à changement de phase pourront être refroidis dans la source froide et ainsi, permettre une meilleure récupération de chaleur de la source chaude, pour refroidir le bâtiment.
Selon une configuration de l’invention, le circuit fermé peut comprendre un dispositif implanté dans le sous-sol terrestre pour échanger de la chaleur avec le sous-sol terrestre et des conduites d’acheminement, le dispositif implanté dans le sous-sol terrestre étant relié par les conduites d’acheminement audit échangeur de chaleur et/ou au panneau de refroidissement. Ainsi, on peut utiliser le dispositif implanté dans le sous-sol pour refroidir le bâtiment lorsque l’évacuation de la chaleur vers l’espace via le panneau de refroidissement est difficile ou insuffisante, par exemple en journée, ou lorsque le ciel est voilé ou très nuageux, empêchant ainsi le rayonnement infrarouge d’atteindre l’espace.
Le dispositif implanté dans le sous-sol peut aussi servir à réchauffer le bâtiment en hiver par exemple en récupérant la chaleur du sous-sol et en la transférant au bâtiment.
Selon un mode de réalisation avantageux de l’invention, le panneau de refroidissement peut comprendre une partie en matériaux à forte émissivité radiative (émissivité supérieure à 0,9 de préférence), de préférence en acier, en cuivre, en aluminium ou en alliage de ces matériaux. Cette partie peut notamment être une plaque dont le comportement est proche de celui d’un corps noir.
Avantageusement, le panneau de refroidissement peut comprendre un réflecteur amovible pour réfléchir les ondes solaires et minimiser le réchauffement du panneau de refroidissement à certaines périodes du jour. Le réflecteur est amovible, c’est-à-dire déplaçable pour permettre un refroidissement radiatif efficace quand c’est possible.
De préférence, la surface du réflecteur amovible orientée vers l’espace peut être polie miroir (rugosité de surface inférieure à 0,05 μm, de préférence inférieure à 0,02 μm) de manière à améliorer les performances de réfléchissement des ondes arrivant sur la surface.
De manière préférée, le réflecteur amovible peut comprendre une plaque peinte en blanc avec de l’oxyde de titane pour éviter le réchauffement du panneau.
De manière avantageuse, le panneau de refroidissement peut comprendre une couche d’isolation thermique, en polymère par exemple et de manière préférée en polyester, au niveau de la liaison du panneau de refroidissement avec le bâtiment (avec le toit notamment) de manière à éviter le réchauffement du bâtiment durant la journée. Une couche d’isolation peut aussi être prévue pour isoler le panneau de l’air ambiant pour limiter les apports de chaleur par convection depuis l’air ambiant.
Un exemple de réalisation d’un panneau de refroidissement pour l’invention peut ainsi être le suivant :
- Le panneau de refroidissement peut notamment comprendre une couche d’isolation thermique au niveau de l’interface avec le toit, de manière à ne pas réchauffer le bâtiment. Cette couche d’isolation thermique a une faible conductivité thermique et peut notamment être en polyester ou en polyuréthane.
- Au-dessus de cette couche d’isolation thermique, on peut trouver une ou des canalisations dans laquelle (lesquelles) circule le fluide chargé des matériaux à changement de phase. De préférence, la canalisation forme des boucles au-dessus de la couche isolante pour maximiser l’échange thermique du fluide au niveau du panneau de refroidissement. La canalisation peut notamment être en matériau conducteur thermique tel que de l’acier ou du cuivre.
- Au-dessus de cette canalisation, se trouve une plaque dont le fonctionnement s’apparente à celui d’un corps noir. Cette plaque a une grande émissivité d’ondes infrarouges. Pour ce faire, la plaque peut notamment être une plaque en métal tel que de l’acier, du cuivre ou de l’aluminium dont la surface en direction de l’espace favorise l’émission d’ondes infrarouges. Elle peut par exemple être anodisée, comprendre une surface rugueuse et/ou être peinte en noir. De préférence, la plaque a une émissivité supérieure à 0,9 notamment pour les ondes infrarouges de la bande de 8 à 13 μm. De ce fait, le refroidissement radiatif est amélioré.-
- Au-dessus de cette plaque de forte émissivité, une couche en matériau transparent aux ondes infrarouges de la bande de 8 à 13 μm et réfléchissant pour les ondes solaires peut être déposée. De ce fait, l’émission radiative est favorisée pour refroidir le panneau et le panneau est protégé d’un réchauffement important par les rayons lumineux du soleil, et peut ainsi constituer ainsi une alternative potentiellement moins couteuse ou complexe à un système d’ombrage amovible. Cette couche en matériau transparent peut également être utilisé avec le réflecteur amovible. De plus, cette couche a avantageusement une faible conductivité thermique qui permet d’isoler le panneau de l’air ambiant et d’éviter d’éventuel transfert convectif de chaleur vers le panneau par temps chaud. Cette couche peut notamment être en polymère, par exemple en polyéthylène ou en polyméthylpentène de préférence du polyéthylène nanoporeux.
- Enfin, le panneau peut avantageusement comprendre un réflecteur amovible. Ce réflecteur a pour objet de réfléchir les ondes solaires pour éviter un réchauffement du panneau aux heures les plus chaudes et ensoleillées de la journée. Le réflecteur est positionné au-dessus de l’assemblage de la couche d’isolation thermique, de la plaque de forte émissivité et de l’éventuelle couche supérieure lorsque le refroidissement radiatif n’est pas possible, la journée par exemple. Le réflecteur est déplacé de manière à ne pas gêner la transmission des ondes infrarouges vers l’espace lorsque le refroidissement radiatif est possible, la nuit par temps clair notamment.
- Le réflecteur amovible peut être constituée par une couche d’aluminium poli peint en blanc qui a une faible émissivité et de bonnes propriétés pour réfléchir les ondes solaires. - Ce réflecteur peut comprendre un moyen de déplacement pour déplacer le réflecteur relativement au panneau, par exemple un vérin, une crémaillère ou tout mécanisme équivalent.
Avantageusement, le circuit fermé peut comprendre un réservoir de capsules, implanté par exemple dans le sous-sol terrestre, enfermant des matériaux à changement de phase, pour augmenter les capacités de stockage de chaleur. Ainsi, lorsque la chaleur est très élevée, compte tenu du fait qu’il faut attendre la nuit pour évacuer la chaleur par le panneau de refroidissement, on peut faire circuler le fluide contenant les capsules de manière à stocker les capsules dans un réservoir et à capter une autre partie de la chaleur par une autre quantité de capsules contenant les matériaux à changement de phase transférée par pompage au niveau de l’échangeur de chaleur. Ainsi, on augmente les capacités de récupération de chaleur et les facultés de refroidissement.
De manière avantageuse, le circuit fermé peut comprendre une pompe à chaleur. La pompe à chaleur peut augmenter les capacités de refroidissement notamment lorsque le refroidissement par froid radiatif vers l’espace n’est pas possible ou insuffisante. En outre, la pompe à chaleur peut également réchauffer le bâtiment en hiver par exemple.
Selon une variante de l’invention, l’échangeur de chaleur implanté dans le bâtiment peut être situé dans au moins un plancher et/ou dans au moins un plafond et/ou dans au moins un mur. Ainsi, on peut récupérer la chaleur à différents endroits dans le bâtiment, ce qui permet plus de flexibilité dans la conception du système et/ou du bâtiment afin d’augmenter les performances de chauffage (combiné à une pompe à chaleur ou à un dispositif implanté dans le sous-sol terrestre) ou de refroidissement.
Avantageusement, l’échangeur de chaleur implanté dans le bâtiment et/ou au moins un dispositif implanté dans le sous-sol terrestre lorsqu’il est utilisé peut (peuvent) comprendre plusieurs branches en parallèle et/ou des boucles de circulation. Ainsi, par géothermie, on peut accélérer et augmenter la récupération ou l’évacuation de chaleur. Par boucle de circulation, on entend une conduite tortueuse de manière à augmenter la surface d’échange de la conduite dans l’espace considéré sans augmenter l’emprise au sol, ce qui permet d’augmenter les échanges thermiques.
Le système tel que décrit peut être avantageusement couplé à un système de récupération d’énergie (ballon d’eau chaude/ procédé de production d’eau chaude industrielle etc..) ou refroidi dans des parkings souterrains.
L’invention concerne également un procédé pour refroidir un bâtiment dans lequel on effectue au moins les étapes suivantes au moyen du système tel que décrit précédemment :
- on fait circuler le fluide comprenant les capsules de matériaux à changement de phase dans l’échangeur de chaleur implanté dans le bâtiment pour récupérer la chaleur du bâtiment;
- on capte la chaleur du bâtiment grâce aux capsules de matériaux à changement de phase ;
- on poursuit la circulation des capsules de matériaux à changement de phase et on évacue la chaleur récupérée par les capsules de matériaux à changement de phase par le panneau de refroidissement, de préférence la nuit et de manière préférée par temps clair.
Ainsi, on peut récupérer la chaleur du bâtiment et la renvoyer vers les hautes couches de l’atmosphère.
De préférence, on peut arrêter la pompe de circulation du fluide pour capter la chaleur du bâtiment puis la remettre en route une fois que la chaleur a été récupérée par les capsules, ensuite l’arrêter à nouveau lorsque les capsules chaudes sont parvenues au niveau du panneau de refroidissement où elles perdent leur chaleur par émission radiative. Le cycle de circulation des capsules de matériaux à changement de phase est de préférence journalier pour récupérer la chaleur le jour et évacuer la chaleur la nuit.
La illustre, de manière schématique et non limitative un premier exemple de réalisation d’un système de refroidissement selon l’invention.
Le système comprend un circuit en boucle fermée dans lequel peut circuler un fluide chargé de capsules de matériaux à changement de phase. Le circuit fermé comprend un panneau de refroidissement 1 posé sur le toit 3 d’un bâtiment 5 et une pompe de circulation 2 pour mettre en circulation le fluide dans le circuit en boucle fermée, et un échangeur de chaleur 9 comprenant des boucles de circulation 9a afin de favoriser l’échange de chaleur. Le toit 3 est ici représenté incliné mais le système pourrait fonctionner avec un toit plat. Tel que représenté, l’échangeur de chaleur 9 est positionné dans un mur du bâtiment 5.
De plus, le circuit en boucle fermée comprend des conduites 4 et 7 permettant de relier le panneau de refroidissement 1 à l’échangeur de chaleur 9. Avantageusement, les conduites peuvent être revêtues d’une couche d’isolation thermique afin que le changement de phase des matériaux à changement de phase ne se produise pour l’essentiel qu’au sein de l’échangeur de chaleur 9 et du panneau de refroidissement 1.
Le panneau de refroidissement 1 est traversé par une canalisation 10 du circuit en boucle fermée pour permettre un refroidissement efficace.
La pompe de circulation 2 est avantageusement positionnée sur la conduite 4, qui relie l’échangeur de chaleur 9 au panneau de refroidissement 1, dans le sens de circulation du fluide dans la boucle fermée, de manière à pouvoir évacuer plus facilement et plus rapidement la chaleur qui pourrait être générée par le pompe 2.
La représente, de manière schématique et non limitative, un deuxième mode de réalisation d’un système selon l’invention.
Les références identiques à celles de la correspondent aux mêmes éléments et ne seront pas redétaillés.
La diffère de la en ce que l’échangeur de chaleur 9 est positionné dans un plafond 12 du bâtiment, le plafond 12 étant au-dessus d’une pièce 16.
La représente, de manière schématique et non limitative, un troisième mode de réalisation d’un système selon l’invention.
Les références identiques à celles des figures 1 ou 2 correspondent aux mêmes éléments et ne seront pas redétaillés.
La diffère des figures 1 et 2 en ce que l’échangeur de chaleur 9 est positionné dans un plancher 17 du bâtiment, le plancher 17 étant au-dessous d’une pièce 16.
Bien entendu, les modes de réalisation ne se limitent pas aux modes de réalisations 1 à 3 et l’échangeur de chaleur 9 pourrait comprendre des parties dans un mur et/ou un plancher et/ou un plafond et/ou le système pourrait comprendre plusieurs échangeurs de chaleur dans un ou plusieurs murs, planchers et/ou plafonds.
Sur les figures 1 à 3, la circulation du fluide, lorsqu’elle est mise en route par la pompe de circulation 2, part par exemple de l’échangeur de chaleur où la chaleur a pu s’accumuler dans les capsules permettant ainsi un changement de phase des MCP (par exemple, les MCP peuvent se liquéfier), circulent d’abord vers la pompe de circulation via la conduite 4. La pompe peut générer un échauffement qui peut être transmis aux capsules de MCP. La circulation du fluide se poursuit jusqu’à ce que les capsules de MCP chaudes arrivent au niveau du panneau de refroidissement 1. La pompe peut alors être arrêtée, pour que les MCP contenus dans les capsules puissent se liquéfier. Cela peut avantageusement être produit la nuit. Lorsque les capsules de MCP ont été refroidies et que les MCP ont changé à nouveau de phase (ils se sont solidifiés par exemple), la pompe de circulation 2 peut être remise en route pour déplacer le fluide et les capsules contenues dans le fluide vers l’échangeur de chaleur 9 via la conduite 7. Ainsi, la circulation du fluide dans la boucle fermée n’a lieu que dans un seul sens, représenté par les flèches grises sur la .
La illustre, de manière schématique et non limitative, une variante du système de la de l’invention. Les références identiques à celles de la correspondent aux mêmes éléments et ne seront pas redétaillés.
Dans le système de la , le circuit en boucle fermée comprend un dispositif d’échange de chaleur 33 implanté dans le sous-sol terrestre 30 de manière à réchauffer le bâtiment en hiver et/ou à augmenter les capacités de refroidissement en été.
Le dispositif d’échange de chaleur 33 du sous-sol terrestre 30 est relié à l’échangeur de chaleur 9 du bâtiment par la conduite 32 et à la pompe de circulation 2 par la conduite 31. Les conduites 31 et 32 sont avantageusement recouvertes d’une couche d’isolation thermique.
Alternativement, le dispositif d’échange de chaleur 33 du sous-sol terrestre 30 peut être positionné ailleurs au sein du circuit en boucle fermée.
La illustre, de manière schématique et non limitative, la circulation F du fluide chargé de capsules 13a, 13b, 13c de matériaux à changement de phase 14 dans une conduite T qui peut être l’échangeur de chaleur implanté dans le bâtiment, une conduite de liaison, la canalisation du panneau de refroidissement ou un dispositif implanté dans le sous-sol terrestre.
La capsule 13a a par exemple une forme sphérique ou cylindrique (la capsule 13a a une section circulaire), la capsule 13c est de section elliptique, la capsule 13b est de forme quelconque.
Comme visible sur la , les capsules 13a, 13b ou 13c matérialisées par les enveloppes solides externes noires enferment un matériau à changement de phase 14 en gris.
Le fluide circulant dans la conduite T entraîne avec lui les capsules 13a, 13b ou 13c de matériaux à changement de phase 14. La flèche F représente le sens de circulation du fluide dans la conduite T.
Par ailleurs, certaines capsules, ou de préférence toutes les capsules, peuvent être fonctionnalisées par des molécules ioniques 15, ici des charges positives + sont représentées, mais des charges négatives pourraient être utilisées de manière alternative. Ainsi, en chargeant les capsules par une même charge (ici positive), les capsules ont tendance à se repousser naturellement par répulsion électrostatique, ce qui évite les agglomérats de capsules et donc les risques de crémage, de sédimentation voire de bouchage de la conduite T.
De manière alternative ou en combinaison avec les fonctions ioniques, des fonctions hydrophobes, notamment des longues chaînes hydrophobes peuvent être greffées afin d’utiliser le mécanisme de répulsion stérique (diminution de l’entropie). La fonctionnalisation covalente est privilégiée mais la fonctionnalisation par des liaisons faibles peut également être envisagée.
La illustre de manière schématique et non limitative, une vue en coupe d’un exemple d’un panneau de refroidissement 60.
L’axe Y correspond à l’axe vertical orienté vers l’espace pour l’implantation du panneau de refroidissement sur un toit plat par exemple. L’axe X est un axe horizontal.
Ce panneau de refroidissement 60 comprend une canalisation comprenant des boucles 53 au sein du panneau, la canalisation permettant la circulation du fluide chargé des capsules de matériaux à changement de phase.
Le panneau de refroidissement 60 comprend une couche d’isolation thermique 50, par exemple en polymère, de faible conductivité thermique, au niveau de la liaison du panneau de refroidissement 60 avec le bâtiment situé dessous.
Le panneau de refroidissement 60 comprend une plaque 51 pour générer des ondes infrarouges vers l’espace. Cette plaque 51 est avantageusement en métal, en acier, en cuivre ou en aluminium par exemple.
La plaque 51 est recouverte d’une couche 52 transparente aux ondes infrarouges et réfléchissante aux ondes solaires. Elle est ici constituée d’un film en polyéthylène.
Le film en polyéthylène offre un bon compromis entre la transparence infrarouge recherchée et la réflexion des rayons lumineux dans le domaine des ondes visibles. Ainsi, le film en polyéthylène peut servir de substitution au réflecteur amovible : en d’autres termes, l’utilisation du film en polyéthylène permet de ne pas utiliser de réflecteur amovible qui peut être coûteux à mettre en place et/ou complexe à gérer.
De plus, le panneau de refroidissement 60 comprend un réflecteur amovible 54 qui peut se déplacer dans le sens de la double flèche (d’autres mouvements seraient possibles sans sortir du cadre de l’invention). Dans la position telle que représentée sur la , le réflecteur amovible 54 réfléchit les ondes solaires arrivant du ciel sur le réflecteur amovible 54 et empêche ainsi ces ondes de réchauffer le fluide et les capsules de matériaux à changement de phase contenu dans le panneau de refroidissement.
Le retrait du réflecteur amovible 54 (par son déplacement), sur un côté par exemple, permet au panneau de refroidissement 60 d’émettre un rayonnement radiatif vers l’espace et ainsi de se refroidir.
La illustre, de manière schématique et non limitative, un échangeur de chaleur 9 implanté dans le bâtiment, ici une conduite implantée dans le bâtiment comprenant plusieurs branches en parallèle.
En effet, l’échangeur de chaleur 9 implanté dans le bâtiment comprend une première branche 26 implantée dans le plancher 20 du bâtiment, une deuxième et une troisième branches 24 et 25 implantées dans un mur vertical 21 du bâtiment et une quatrième branche 23 implantée dans le plafond 22 du bâtiment. Comme illustré sur la , ces branches 23, 24, 25 et 26 sont montées en parallèle et reliées aux conduites de liaison 4 et 7.
Les différentes branches 23, 24, 25 et 26 comprennent des portions de tubes formant des boucles (ou des ondulations) de manière à optimiser les échanges thermiques avec le bâtiment, avec le plafond, le mur vertical ou le plancher. Autrement dit, les branches 23, 24, 25 et 26 comprennent des boucles de circulation tortueuses.
Le débit dans chaque branche 23, 24, 25, 26 peut être déterminé par la longueur, la section et la tortuosité de chaque branche de manière à répondre au mieux aux besoins du bâtiment. Par exemple, dans la , la chaleur ayant tendance à monter au plafond, il peut être intéressant de faire circuler plus de débit par la branche 23 que par les autres.

Claims (15)

  1. Système de refroidissement d’un bâtiment (5) comprenant un circuit fermé comprenant au moins un échangeur de chaleur (9) implanté dans ledit bâtiment (5) pour récupérer la chaleur du bâtiment (5), des conduites de liaison (4, 7), et au moins un panneau de refroidissement (1, 60) implanté sur le toit (3) du bâtiment (5) pour évacuer la chaleur et refroidir le bâtiment (5), ledit échangeur de chaleur (9) étant relié par lesdites conduites de liaison (4,7) au panneau de refroidissement (1, 60) implanté sur le toit (3), le panneau de refroidissement (1, 60) étant configuré pour émettre du rayonnement infrarouge vers l’espace, le circuit fermé comprenant un fluide et au moins une pompe de circulation (2) pour faire circuler le fluide dans ledit circuit fermé, caractérisé en ce que le fluide comprend des capsules (13a, 13b, 13c) enfermant des matériaux à changement de phase (14), les matériaux à changement de phase (14) ayant de préférence une température de changement de phase comprise entre 20 et 30°C.
  2. Système selon la revendication 1, dans lequel le panneau de refroidissement (1, 60) est incliné par rapport à un plan horizontal d’un angle de 45 à 60°.
  3. Système selon l’une des revendications précédentes, pour lequel la pompe de circulation (2) est positionnée en amont du panneau de refroidissement (1, 60), entre l’échangeur de chaleur (9) et le panneau de refroidissement (1, 60).
  4. Système selon l’une des revendications précédentes, pour lequel le circuit fermé comprend un dispositif (33) implanté dans le sous-sol terrestre (30) pour échanger de la chaleur avec le sous-sol terrestre (30) et des conduites d’acheminement (31, 32), le dispositif (33) implanté dans le sous-sol terrestre (30) étant relié par les conduites d’acheminement (31, 32) audit échangeur de chaleur (9) et/ou au panneau de refroidissement (1, 60).
  5. Système selon l’une des revendications précédentes, pour lequel le panneau de refroidissement (1, 60) comprend une partie en matériaux à forte émissivité radiative (51), de préférence en acier, en cuivre ou en aluminium ou un alliage comprenant ces matériaux pour générer du rayonnement infrarouge vers l’espace.
  6. Système selon la revendication 5, pour lequel une couche en matériau transparent aux ondes infrarouges de la bande 8-13 μm et réfléchissant pour les ondes solaires (52) recouvre la partie en matériaux à forte émissivité radiative (51).
  7. Système selon l’une des revendications précédentes, pour lequel le panneau de refroidissement (1, 60) comprend un réflecteur amovible (54), de préférence le réflecteur amovible (54) a une surface polie miroir, la surface étant orientée vers l’espace.
  8. Système selon la revendication 7, pour lequel le réflecteur amovible (54) comprend une plaque peinte en blanc avec de l’oxyde de titane pour éviter le réchauffement du panneau de refroidissement (1, 60).
  9. Système selon l’une des revendications précédentes, pour lequel le panneau de refroidissement (1, 60) comprend une isolation thermique (50) au niveau de la liaison du panneau de refroidissement (1, 60) avec le bâtiment (5), de préférence l’isolation thermique (50) étant en polyester.
  10. Système selon l’une des revendications précédentes, pour lequel le circuit fermé comprend un réservoir de capsules (13a, 13b, 13c) enfermant des matériaux à changement de phase (14).
  11. Système selon l’une des revendications précédentes, pour lequel le circuit fermé comprend une pompe à chaleur.
  12. Système selon l’une des revendications précédentes, pour lequel l’échangeur de chaleur (9) est situé dans au moins un plancher (17, 20), dans au moins un plafond (12, 22) et/ou dans au moins un mur (21).
  13. Système selon l’une des revendications précédentes pour lequel l’échangeur de chaleur (9) comprend plusieurs branches en parallèle et/ou des boucles de circulation (9a).
  14. Procédé pour refroidir un bâtiment (5) dans lequel on effectue au moins les étapes suivantes au moyen du système selon l’une des revendications précédentes :
    - on fait circuler des capsules (13a, 13b, 13c) de matériaux à changement de phase (14) dans au moins l’échangeur de chaleur (9) implanté dans ledit bâtiment (5) pour récupérer la chaleur du bâtiment (5) ;
    - on capte la chaleur du bâtiment (5) grâce aux capsules (13a, 13b, 13c) de matériaux à changement de phase (14) ;
    - on poursuit la circulation des capsules (13a, 13b, 13c) de matériaux à changement de phase (14) et on évacue la chaleur récupérée par les capsules (13a, 13b, 13c) de matériaux à changement de phase (14) par le panneau de refroidissement (1, 60), de préférence la nuit et de manière préférée par temps clair.
  15. Procédé selon la revendication 14, pour lequel, on arrête la pompe de circulation (2) du fluide pour capter la chaleur du bâtiment (5), on remet en route la pompe de circulation (2) une fois que la chaleur a été récupérée par les capsules (13a, 13b, 13c), et arrête à nouveau la pompe de circulation (2) lorsque les capsules (13a, 13b, 13c) chaudes sont au niveau du panneau de refroidissement (1).
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