Brevet FR2394035A1 — publié le 19790105

Les études théoriques et expérimentales de l'inventeur ont montré ques pour utiliser au mieux le rayonnement solaire, il faut le laisser pénétrer librement dans les locaux. Bes "capteurs" simplifiés, constitués par un seul verre ou par deux verres espacés de quelques centimètres, ont un rendement généralement supérieur à celui des capteurs classiques, même perfectionnés. Malheureusement, le remplacement d'une partie d'un mur par un vitrage provoque des déperditions supplémentaires qu'il convient de supprimer lorsque le vitrage n'apporte plus de chaleur. En conclusion, la solution la plus rationnelle de l'utili- sation de l'énergie solaire pour chauffer un pavillon est, oonfor- dément à la présente invention, de laisser pénétrer directement le soleil par le maximum de vitrages et d'obturer temporairement des vitrages (hormis ceux nécessaires à l'éclairage) par un calorifuge efficace, lorsqu'il y a pen de soleil QU qu'il nty en a plus da tout, en particulier la nuit. Le local est ainsi vitré comme une véranda sur son plafond et sa façade sud, éventuellement sur les fa çades est et ouest. Pour bien faire comprendre l'invention, on en décrira ciaprès des exemples d'exécution en se référant an dessin schématique annexé, dsns lequel : la figure 1 est une coupe verticale sud-nord d'un pavillon aménagé selon l'invention, par exemple une coupe selon la ligne I-I de la figure 4 ; la figure 2 montre une coupe du plafond du pavillon ; la figure 5 est le plan d'un pavillon normal de type 25 à un niveau ; la figure 4 est le plan d'un pavillon analogue aménagé selon l'invention ;; la figure 5 est le schéma de la disposition d'un thermostat commandant les rideaux des vitrages ; la figure 6 est le plan d'une serre à double-vitrage établie selon l'invention ; et la figure 7 est uee coupe verticale sud-nord de la serre de la figure 6. Sur la figure 1, on a indiqué en S la face sud à double vitrage du pavillon, en N la face nord murée (à l'exception des baies dtéclairage) et en 1 et 2 les vitrages doubles des toits des parties sud et nord. En outres sur cette figure on a indiqué respeo- tivement en 3-4-5 des exemples de la direction du rayonnement solaire dans le plan méridien du lieu, ctest-à-dire à 12 heures solaires, aux dates du 20 décembre, du 10 mars et du 1er mai.On comprendra que les directions représentées dépendent de la latitude Nord du lieu mais que, dans tous les cas, les trois direc tions font des angles de plus en plus grands avec le plan horizontal et la figure représente la pénétration du rayoflnement solaire par la façade sud et le toit vitré pour la partie sud et par le toit vitré pour la partie nord. Différents procédés peuvent être imaginés pour l'obturation thermique des vitrages pendant les heures sombres. Une première solution consiste à mnnir les vitrages verticaux de volets intérieurs en matière isolante (genre polystyrène expansé; caoutchouc mousse, etc ... ) de quelques centimètres d'épaisseur, mobiles autour de charnières verticales et maintenant un vide d 'air isolant et étanche de 2 cm environ entre les vitres et ces volets. Dans une solution plus générale, valable aussi bien pour le toit que pour les façades, le vitrage double est constitué (figure 2) par deux verres 6-7 distants par exemple de 8 à 9 ci, entre lesquels coulisse un rideau isolant 8 d'une épaisseur de l'ordre de 5 cm. En position de fermeture, ce rideau est séparé des verres par un vide d'air 9 de l'ordre de 2 cm, s'opposant aux mouvements de convection. Ces vitres de façade et ce toit, avec leurs rideaux fermés, n'ont pas ainsi plus de déperditions qu'un mur ou un, plafond normal, situé sons un comble. Dans une première variante, ces rideaux sont manoeuvrés soit manuellement par l'occupant, soit par des monteurs commandés par une horloge les fermant pendant les heures de nuit. (Par exemple, en novembre, fermeture des rideaux à 17 h solaires et réouverture à 8 h solaires). Dans le cas d'un pavillon normal de type F5 à un niveau par exemple, analogue à celui de la figure 3, la surface de vitres @habituellement prévue pour l'éclairage est de 8 m2, cette surface étant indiquée par des parties non ponctuées des parois extérieures. Le total. des vitrages (toit et façades) du pavillon aménagé pour le chauffage solaire, conformément aux figures 1 et 4, représente 82 m2. Il faut donc obturer, quand il n' a pas de soleil 82 - - 74 m2 de vitres. Si l'obturation est seulement nocturne, sa durée varie d'un mois à l'autre (12 heures en septembre, 13 heures en octobre, 15 heures en novembre, 16 heures en décembre, 16 heures en Janvier, 15 heures en février, 14 heures en mars, 11 heures en avril, 9 heures en mai, 8 heures en juin). Il suffit de modifier le réglage de l'horloge au début de chaque mois.Sur les figures 3 et 4, on a indiqué en Â une salle de séjour, en B un salon, en C trois chambres, en D une cuisine et en E une salle de bains. Les capteurs traditionnels, à eau ou à air, présentent, sur le vitrage, l'avantage de permettre d'accumuler la chaleur captée dans un réservoir ou dans de la pierraille, lorsqutelle n'est pas immédiatement nécessaire au chauffage des locaux. Il faut donc prévoir une accumulation analogue avec le captage par un vitrage simple ou double Ce peut être dans la construction elle-même, si elle est suffisamment "lourde", c'est-à-dire si elle est constituée par des parois et cloisons épaisses et de couleur sombre, bonnes conductrices de la chaleur sur la face exposée an soleil, isolantes sur l'autre face et d'une grande chaleur spécifique (béton de quartzite ou adobes par exemple). Cependant, pour réduire l'encom- brement de ces masses accumulatrices, les cloisons 11, 12, 13, 14 (figure 4) peuvent être constituées par des tôles d'acier ou d'un métal inoxydable, distantes de 10 à 25 cm (suivant que la région est moins ou plus enseleillée) et remplies deean, À volume égal et toutes autres choses égales par ailleurs, l'eau ammagasine en effet deux ou trois fois plus de chaleur que la maçonnerie.Le rayonnement solaire tombant sur ces cloisons de couleur sombre est absorbé en chauffant lseau, ce qui évite une élévation excessive de la température du local, tout en permettant de mettre en ré serve cette chaleur pour les heures non ensoleillées. Pour utiliser au mieux cette inertie, il est prévu que la température des locaux peut s'élever, pendant le jour, de 2 C au-dessus de sa valeur normale, et s'abaisser de 2 C au cours de la nuit. De plas, pour mieux répartir la chaleur solaire dans l'ensemble du pavillon1 des canalisations font communiquer ces cloisons entre elles par le bas et par le hante Ainsi, la chaleur reçue par les cloisons Il et 12 de la façade sud la plus ensoleillée est partiellement envoyée, par thermosiphon, dans les cloisons 13 et 14 pour chauffer la partie nord du local (figure 4). Le calcul montre qu'en Picardie (nord de la France), l'éner- gie solaire pouvant ttre captée par ce pavillon ainsi aménagé et vitré est, du 15 septembre aa 15 Juin, de 41 500 kW environ, alors que les besoins thermiques, en suppesant l'obturation seulement nocturne des vitrages, n'est que de 21 200 kW, pour une température moyenne intérieure de 19 C. Rependant, une partie de cette énergie pouvant être captée est surabondante pour le chauffage au début et à la fin de la saison de chauffe. De calcul montre que l'économie réelle est de 15 700 kW, en nécessitant une consommation de 21 200 - 15 700 = 5 500 ki. Four ce pavillon aménagé, l'économie sera donc de: 15 700/21 200 = 74 % environ.En réalité, il faut considérer l'économie par rapport an pavillon normal (figure 3), c'est-à-dire non aménage', n'ayant que 8 m2 de vitrages, pour lequel les besoins thermiques annuels sont de 13 900 ki. L'économie est donc de : 13 900 - 5 500 = 8 400 kW, soit 60 % La plus grande clarté des locaux peut être considérée comme un élément de confort supplémentaire. En outre, il est possible que cet important vitrage permette des économies d'éclairage au début et à la fin de la Journée, économies qui ne jouent réellement qu'aux époques où le chauffage d'appoint n'est pas nécessaire. Une variante encore plus économique du point de vue énergétique consiste à fermer automatiquement les rideaux lorsque 11 énergie pénétrait par ces capteurs simplifiés est inférieure aux déperditions de la vitre. Gette fermeture peut être commandée par une cellule photo-électrique, exposée au soleil derrière la vitre et dont les seuils de fonctionnement peuvent être réglés à volonté. Une solution plus simple et moins conteuse consiste à placer parallèlement et derrière la vitre, à une dizaine de centimètres, une surface réceptrice noire 15 (figure 5) dont la température s'élève en fonction du rayonnement reçu. Un thermostat 16 solidaire de cette surface commande alors la fermeture et l'ouverture du rideau.Si on adiet que cette surface a an coefficient de rayonnement de 4,5 kcal/m2.h., tant dans le visible que dans l'infra-rouge, et que le coefficient de convection du fait qu'elle est de petites dimensions (5 à 10 ci environ de c8té), est de 4 kcal/m2.h., elle atteindra, dans une ambiance à , la température T telle que (4,5 + 4) (T -#) = valeur de l'énergie en kcal/m2.h. pénétrant dans le local.La fenêtre double aura comme déperditions 3,2 (O - tex) kcal/m2.h. (tex étant la température extérieure) Pour que son couverture au soleil" soit énergétiquement avantageuse, il faut donc que 8,5 (T -# ) > 3,2 (#- tex), soit : T > 1,37# - 0,37 tex Si on admet O = 19 C, on obtient la condition T > 26 - 0,37 tex, soit pour tex = 0, T > 26 C tex = 14 C,T > 26 - 5,2 = 20,8 C Ainsi, le thermostat devra commander l'ouverture si T est supérieur à 26 C pour la période la plus froide de l'hiver, supérieur à 21 C en arrière-saison, et le rideau restera fermé tant que 1 sera inférieur à ces valeurs.Si, pour des raisons d'économie, on ne voulait pas recourir à une régulation complexe réalisant > 260 - 0,37 tex, il suffirait de changer, tous les mois, le réglage du thermostat en donnant à T les valeurs suivantes en octobre et avril, T T 22 C en novembre et mars, T = 23,5 0C, en décembre, janvier, février, T = 24,5 C, soit trois valeurs au cours de la saison de chauffe. Bien entendu, il faudrait un de ces thermostats sur la face sud servant également aux vitres verticales, sud et à celles da toit, et un autre sur les faces est et ouest, dont l'intérêt est d'ailleurs accessoire, soit au total trois thermostats. Cette manoeuvre automatique des rideaux permet également d'empocher une insolation excessive. Il suffit que leur fermeture soit également commandée quand la température du local dépasse de 2 C la température de base du local. Dans l'exemple précédent, les rideaux se fermeraient automatiquement quand la température intérieure dépasserait 19 + 2 = 21 C. Il serait ainsi tiré le maximum de l'énergie solaire, sous réserve évidemment que la fermeture et l'ouverture automatiques, silencieuses et progressives de ces rideaux (å l'exception de ceux des fenêtres nécessaires à l'éclairage) fussent admises par les occupants, puisqu'elles pourraient se produire à toute heure de la journée. Bien entendu, comme dans tout chauffage solaire , il faut un chauffage d'appoint pour les @jours où le soleil est absent ou insuffisant. Ce chauffage d'appoint, dont la consommation est ainsi réduite à 40 % environ de celle du chauffage de ce même pavillon non solaire, peut être obtenu très simplement par un chauffage électrique direct, se justifiant par son faible coût d'installation et sa faible consommation. Cependant, on peut égaiement utiliser la réserve d'eau constituée par les cloisons pour faire du chauffage électrique par accumulation, à l'aide dU courant de nuits Â cet effet, il suffit de porter l'eau des cloisons à une température suffisante pour participer au chauffage du local pendant la journée, en évitant toutefois de le surchauffer. Ce chauffage d'appoint par accumulation ne peut donc apporter qu'une fraction - la moitié par exemple du chauffage d'appoint nécessaire, le complément étant fourni par le chauffage électrique direct. Pour cela, une des cloisons 11, 12, 13, 14 comporte, à sa partie basse, une résistance électrique chauffant pendant la nuit l'eau qui, par différence de densité, se répartit dans toutes les autres cloisons.Le réglage automatique de ce réchauffeur devra entre modifié tous les mois en novembre, décembre, janvier, février, et généralement supprimé complètement avant le 1er novembre et après le 1er mars. Il est possible que le soleil pénétrant directement dans le local puisse geler certains occupants. Les façades ensoleillées peuvent être munies de stores verticaux à lamelles orientables. Le plafond peut comporter un store analogue à lamelles horizontales, ou un selon atténuant le rayonnement solaire (tout en permettant linsolation des parois accumulatrices), et diminuant, en m8se temps, les déperditions par le plafond. (Ce velum ne réduit pas sensiblement les apports énergétiques puisque, quand il atténue le rayonnement solaire, il a déjà apporté son énergie dans les locaux). L'aménagement d'un pavillon selon l'invention permet en outre d'obtenir à faible prix, en été, une température agréable, Tout d'abord, pour éviter la surchauffe par le soleil, le rideau du plafond sera maintenu fermé une bonne partie de la Journée et sa face supérieure sera peinte d'une teinte claire, ou mieux encore métallisée pour renvoyer le soleil, les volets des vitrages verticaux sud étant également plus ou moins fermés.En outre, on pourra rafratchir efficacement le bâtiment en introduisant dans les cloisons de l'eau froide de la ville, dont la température est voisine de 16 ou 17 OC. La grande surface des cloisons permet de maintenir une température intérieure de 24 C avec une température extérieure de 32 C. Ce résultat est généralement obtenu dans les habitations luxueuses par des installations de conditionnement d'air, d'-achat et d'exploitation coteux, alors que, pour ce pavillon il suffira de consommer 6 m3 d'eau par Jour pendant la période la plus chaude de l'été - eau qui peut être récupérée pour une piscine ou des arrosages. Ce rafraîchissement par l'eau du sous-sol, en somme géothermique, est de très loin beaucoup moins onéreux. Le chauffage solaire selon l'invention s'applique particu- lièrement bien aux serres horticoles, pour lesquelles il convient (figure 6) de prévoir des façades sud, est, ouest et un toit vitrés comportant deux verres entre lesquels coulisse un rideau isolant conformément à la figure 2. La façade nord est constituée par un mur plein 17, devant lequel est disposée une cloison en t81e 18 remplie d'eau. Ce volant de chaleur est complété par une cloison médiane 19, également remplie d'eau0 Ces cloisons sont peintes de couleur sombre. Pour mieux absorber le rayonnement solaire, le sol 20 de la serre sera avantageusement constitué par des terres de couleur aussi sombre que possible. Ainsi, ce sol sera un élément complémen- taire de l'inertie thermique. Pour les serres de moyenne importance, il suffit que les rideaux des trois fagades sud, est, ouest et du toit soient fermés manuellement la nuits a décembre et Janvier, ces rideaux seront fermés toute la journée pour les façades est, ouest et pour le toit0 Pour les serres plus importantes, on peut prévoir une commande automatique par un appareil analogue à celui de la figure 5. Une serre ainsi conçue profite au maximum du soleil0 La température intérieure moyenne ne descend pas, en Picardie, au-dessous de 6 C en décembre et janvier. Elle dépasse 18 C avant le 15 novembre et après le ler mars. Lorsque la température intérieure 'est pas limitée par les besoins de l'utilisation, l'accumulation de la chaleur peut entre très importante. R E V E N D I C A T I O N S. 1. Installation pour le chauffage solaire d'un pavillon d'habitation ou d'une construction analogue, combinée à mi mode spécial de construction, consistant à munir les parois verticales exposées au soleil de larges surfaces vitrées équipées de moyens d'occultation par des écrans calorifuges mobiles et à constituer le toit ou une partie du toit par un double vitrage incliné à une ou plusieurs pentes ménageant entre les deux partie vitrées un espace intermédiaire à l'intérieur duquel peut ttre déroulé et tendu à volonté ou automatiquement un rideau calorifuge réservant un vide d'air entre chaque face de ce rideau et la paroi vitrée voisine. 2. Installation selon la revendication 1, dans laquelle des cloisons intérieures exposées à la pénétration du rayonnement solaire à travers les vitrages sont constituées par des réservoirs d'eau augmentant 11 inertie thermique des locaux d'habitation tout en permettant facilement soit un chauffage d'appoint par une autre source de chaleur en saison froide, soit au contraire un rafratchis- sement en saison chaude par admission aux réservoirs d'eau fraîche en provenance d'un réseau de distribution fournissant normalement de l'eau à température relativement basse pendant-les périodes de chaleur ou en provenance de toute autre source équivalente d'eau fraîche, ce qui assure ainsi une climatisation satisfaisante par les moyens les plus économiques partout où on dispose d'une possibilité d'alimentation en eau fraîche. 3. Installation selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans laquelle la manoeuvre des rideaux réglant la pénétration de l'énergie solaire dans les locaux est obtenue automatiquement par une cellule photo-électrique on par un dispositif thermostatiqae simple repérant l'intensité du rayonnement solaire reçu à travers les vitrages, ainsi que la température des locaux, pour éviter les surchauffes. 4. Installation selon la revendication 1, applicable aux serres horticoles, caractérisée par des faces sud, est, ouest et un toit à doubles vitrages entre les deux verres desquels peuvent coulisser des rideaux isolants tandis que la face nord est constituée par un mur plein devant lequel est disposée une cloison en ttle remplie d'eau. 5. Installation selon la revendication 4, comprenant en outre une cloison intérieure médiane remplie d'eau pour augmenter l'inertie thermique de la serre et réduire l'abaissement de la température intérieure pendant les périodes sans rayonnement solaire.