Brevet FR2464440A1 — publié le 19810306

L'invention concerne l'obtention d'air chaud pour le chauffage d'habitations et locaux industriels ou pour le séchage domestique, agricole et industriel. On connaît déjà des capteurs solaires utilisant directement l'air comme fluide caloporteur. Ces capteurs solaires sont constitués à la manière d'une serre vitrée avec une paroi transparente et, à l'intérieur, une surface absorbante généralement constituée par une paroi noircie, parfois poreuse ou granuleuse ou encore en forme de lames de persiennes, orientables ou non. Le fond du capteur est habituellement constitué par une paroi isolante ou parfois par une paroi existante. Tous les capteurs connus de ce type présentent l'inconvénient de conduire à un prix du mètre carré relativement élevé et en même temps à un rendement calorifique au mètre carré relativement faible, ce qui augmente d'autant l'investissement nécessaire pour un débit calorifique donné. Le but de l'invention est d'éliminer les inconvénients précédents, c'est-à-dire de produire de l'air chaud avec une installation de rendement élevé et de cout très faible. Le procédé selon l'invention consiste à faire passer l'air à chauffer directement à travers un lit de charbon de bois disposé directement en vrac entre une paroi transparente aux longueurs d'ondes de la lumière solaire et une paroi de fond, constituée de préférence par un élément de construction tel que mur extérieur ou toiture du local utilisant l'air chaud produit. Lors de l'insolation le charbon de bois emmagasine une certaine quantité de calories qu'il restitue en partie à l'air qui le traverse, ce qui se trouve facilité par la grande surface d'échange entre le charbon et l'air. L'air ainsi chauffé est envoyé à l'intérieur du local à chauffer ou dans la chambre de séchage. Un tel procédé est facile à mettre en oeuvre et surtout nécessite peu d'investissement du fait même de sa conception très simple utilisant simplement un châssis vitré et du charbon de bois sans nécessiter de paroi isolante pour fermer la face arrière du châssis vitré. Dans certains cas, la circulation d'air peut même fonctionner sans apport d'énergie si l'on utilise le principe de la convection naturelle ou thermocirculation. Moyennant de légères transformations, telle que la confection d'une paroi isolante à l'arrière du châssis vitré, le dispositif peut être utilisé comme collecteur d'énergie solaire indépendant. Un tel capteur, outre sa conception simple et économique, présente des rendements thermiques très élevés. Conformément à l'invention, le capteur d'énergie solaire comprend essentiellement une zone collectrice de chaleur contenant du charbon de bois sous forme de morceaux de 10 à 40 mm et de préférence de 15 à 25 mm. Les avantages du charbon de bois sur les autres matériaux cités dans l'art antérieur sont son pouvoir absorbant, sa forme particulière dont il est aisé d'ajuster la granulométrie en jouant ainsi sur la surface d'échange entre l'absorbeur et le fluide caloporteur, sa densité qui lui confère une faible inertie thermique, sa non toxicité et son absence d'odeur quelle que soit la température d'utilisation, sa stabilité thermique et enfin son court très faible et sa grande disponibilité. Le charbon de bois utilisé provient de la carbonisation discontinue ou en continu du bois sous toutes ses formes. La densité apparente du charbon de bois est environ 0,20 et son point d'inflammation se situe entre 200 et 2500C. Le charbon de bois qui joue le rôle de collecteur d'énergie solaire est placé entre un écran transparent à la lumière solaire et un support (fond isolant). L'épaisseur de la couche de charbon de bois est fonction de la granulométrie, de la perte de charge et de l'incrément de température souhaité. Elle est de 3 à 15 cm et de préférence de 5 à 8 cm. L'écran employé est de préférence transparent dans une grande proportion du spectre solaire y compris aux radiations infrarouges visibles et ultraviolettes. La matière transparente ne doit pas se ramollir ou se déformer aux températures de fonctionnement du collecteur. Parmi les matières possibles on peut citer le verre, le métacrylate de polyméthyle, l'acétate de cellulose, le polyéthylène, le polystyrène, le polycarbonate, le chlorure de polyvinyle transparent, le mica. L'utilisation du verre est à adopter de préférence. Dans le cas de l'application pour le chauffage de locaux la paroi arrière du collecteur d'énergie solaire est avantageusement constituée par les éléments de maçonnerie ou de couverture existants. Un mode préférentiel de réalisation de l'invention consiste donc à fixer une paroi transparente de verre paral lelement au mur extérieur ou à la toiture, en respectant un intervalle de plusieurs centimètres entre le vitrage et l'élément de construction (mur ou toit), et à combler le volume ainsi défini avec des morceaux de charbon de bois dament calibrés, l'élément de construction existant (mur ou toit) servant de paroi arrière au collecteur. La paroi transparent de verre est fixée par les moyens classiques de fixation, par exemple en scellant ou fixant dans le mur ou sur sa toiture un cadre en métal (aluminium ou acier zingué par exemple ou autres matériaux résistant aux intempéries) sur lequel vient s'engager le vitrage. Pour donner plus de rigidité à l'ensemble du collecteur et éviter l'utilisation de vitrage possédant une trop grande portée, on peut avantageusement utiliser une structure modulaire. La circulation de l'air à l'intérieur du collecteur est assurée soit par circulation forcée, soit par convection naturelle dite encore thermocirculation. L'air chauffe sur le collecteur s'élève librement derrière le vitrage et pénètre dans le local par la voie d'une ou plusieurs ouvertures pratiquées dans la partie supérieure de l'élément de construction existant (mur ou toit). L'air plus froid venant du bas du collecteur est aspiré par la voie d'une ou-plusieurs ouvertures pratiquées dans la partie inférieure du cadre et reliées soit au local par des conduites aménagées dans l'élément de construction (recyclage de l'air du local) soit directement en prise avec l'extérieur (air de renouvellement) soit les deux en combinaison (recyclage de l'air du local + air de renouvellement). Pour lutter contre des pertes de charges occasionnées par le garnissage du collecteur, un mode préféré de l'invention consiste à provoquer une circulation forcée de l'air sur le collecteur en utilisant un ventilateur ou un système aspirant quelconque situé près des ouvertures pratiquées dans la partie supérieure de l'élément de construction existant. Dans le cas du chauffage d'habitations et de locaux industriels, le dispositif peut être isolé du local par obturation du ventilateur ou du dispositif aspirant et par installation, sur la partie supérieure du capteur, d'une trappe qui, lorsqu'elle est ouverte, permet l'évacuation dans l'atmosphère de l'air chaud mû par thermocirculation. Pendant la nuit, on peut utiliser le capteur selon l'invention comme source'froide, soit directement pour réfrigérer l'air des locaux, soit par stockage des frigories sur un milieu liquide ou solide en restituant celles-ci dans la journée pour climatiser les locaux. Pour augmenter le rendement thermique du collecteur d'énergie solaire, il est préférable de placer le dispositif sur les éléments de construction existants orientés plein Sud. Lorsqu'un élément est mal orienté (toiture par exemple); il est possible de corriger l'inclinaison ou l'orientation en désolidarisant le collecteur de la toiture ou du mur du bâtiment. On réalise alors un collecteur d'énergie solaire indépendant ayant donc une paroi arrière propre. Ce collecteur comprend un châssis vitré dont le fond est constitué par un isolant tel que bois, polyuréthane, laine de verre ou laine de roche. On peut utiliser les châssis à vitrages existants dans le commerce puisque l'absorbeur (charbon de bois) et le fluide caloporteur (l'air) sont des éléments inertes vis-àvis des matériaux généralement utilisés pour ces châssis. Le procédé selon l'invention peut être couplé à tout élément de stockage de calories. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description, ci-après, d'exemples de réalisation de collecteur d'énergie solaire selon l'invention, donnés à titre illustratif mais nullement limitatif. Cette description sera faite au regard des fig. 1 à 6 annexées sur lesquelles on a représenté - sur la fig. 1 en coupe verticale un premier mode de réalisation du capteur d'énergie solaire avec circulation d'air de renouvellement, - sur la fig. 2 en coupe verticale une variante du premier mode de réalisation du capteur d'énergie solaire avec circulation d'air provenant du local (recyclage); - sur la fig. 3 en coupe longitudinale un mode de réalisation sur toiture du capteur d'énergie solaire selon l'invention;; - sur la fig. 4 un montage modulaire de capteurs d'énergie solaire adaptable sur un élément de construction (mur ou toiture); - sur la fig. 5 un montage d'un assemblage de capteurs sur une toiture; - sur la fig. 6 en perspective éclatée un mode de réalisation d'un capteur d'énergie solaire indépendant; - sur la fig. 7 une coupe verticale d'un mode de réalisation de la présente invention pour séchage domestique (local sèche linge). En se référant à la fig. 1, on voit que le capteur est avantageusement constitué par une masse de charbon de bois 1 emprisonnée en vrac entre le mur 2 du bâtiment et une paroi vitrée transparente 3 disposée parallèlement au mur 2. Cette paroi vitrée repose sur un cadre métallique 4, avec une trappe supérieure d'évacuation 5, fixé au mur par des pattes de scellement ou des équerres de fixation et reposant sur le sol par un socle 6. Le cadre métallique 4 est muni, en sa partie inférieure, de perforations 7 permettant l'admission de l'air froid. Une grille 8 à mailles serrées est placée dans la partie inférieure du cadre afin d'éviter que le charbon de bois ne tombe à l'extérieur du cadre. Une autre grille 9 peut éventuellement être placée audessus du garnissage 1. La grille 9 et la partie supérieure du cadre déterminent avec la paroi vitrée et le mur un volume parallélépipédique utilisé comme enceinte collectrice d'air chaud 10. Ce volume est relié avec l'intérieur du local par une conduite munie d'un ventilateur obturable 11 assurant l'évacuation de l'air échauffé sur le collecteur vers le local à chauffer. Pour isoler le capteur du local, il suffit d'obturer le ventilateur et d'ouvrir la trappe 5. L'air chaud est alors évacué directement dans l'atmosphère. L'intérieur des parois latérales et de la paroi supérieure du cadre est tapissé d'un isolant évitant ainsi les déperditions thermiques sur ces côtés. Le socle métallique 6 est équipé d'une grille métallique I maille serrée tombant jusqu'au sol. Elle évite le passage de poussières, d'insectes et de débris divers dans la partie inférieure du collecteur où se fait l'admission d'air de renouvellement. Dans la variante représentée à la fig. 2, l'admission d'air est toujours effectuée dans la partie inférieure du capteur mais cet air provient de l'intérieur du local (recyclage). I1 est acheminé par une conduite 13 aménagée au pied du mur de construction. Le socle 6 est remplacé par une assise en métal ou en maçonnerie 14 qui isole la partie inférieure du capteur de l'atmosphère extérieure. La fig. 3 représente l'adaptation du dispositif à une toiture existante. La masse de charbon de bois 1 est placée entre l'élément de toiture existant 15 et un vitrage 3. Le dispositif est en tout point identique à celui décrit dans l'exemple 1 : cadre 4, grilles 8 et 9, fixation étanche 12 du vitrage, ventilateur 11, trappe d'évacuation 5. L'étanchéité du dispositif est assurée par l'interposi- tion d'une bavette en plomb 16 en partie supérieure et inférieure du cadre 4. L'étanchéité au niveau du vitrage est assurée par un joint mastic. La fig. 4 représente un montage modulaire de capteurs d'énergie solaire. L'ensemble est constitué par un cadre métallique 4 dont la face intérieure est tapissée d'un isolant. Ce cadre est divisé à l'aide de pièces médianes métalliques 17 en une série d'éléments ayant des dimensions standard. Sur chaque élément est appliqué un vitrage au moyen d'une fixation métallique étanche. L'arrivée de l'air se fait par une gaine 18 située à la partie inférieure de l'assemblage, alors qu'un système d'aspiration il évacue l'air chaud du collecteur 19 situé dans la partie supérieure de l'assemblage vers le local à chauffer. La fig. 5 indique une possibilité de disposition des capteurs d'énergie solaire sur une toiture en créneaux d'un bâtiment industriel. Les assemblages de capteurs solaires sont disposés sur les pans de toiture orientés vers le Sud alors que l'autre pan est simplement vitré afin de permettre l'éclairement du local. La fig. 6 représente le dispositif objet de l'invention utilise comme collecteur d'énergie solaire indépendant. Le châssis est constitué par un élément autoportant, par exemple celui connu sous le nom de marque "Toiturel", dont le fond et les parois internes sont revêtus d'un isolant pour éviter les déperditions calorifiques. Le garnissage est constitué par un lit de morceaux de charbon de bois de dimensions comprises entre 15 mm et 25 mm. Le tout est recouvert par une vitre 3. L'air entre dans le capteur par les perforations 7 aménagées sur la partie inférieure du châssis (ou sur une partie de la vitre), passe à travers la masse de charbon de bois 1 retenue par les grilles à mailles serrées 8 et 9 et arrive dans le collecteur d'air chaud 20 d'ot il est évacue par un système d'aspiration. Un tel dispositif permet, sous une insolation de 600 W/m2, d'obtenir un incrément de température de 120C entre la température à l'entrée du capteur (température ambiante) et la température de sortie avec un débit de 120 m3/m2/heure. Le rendement thermique est de 85%. Un incrément de 200C correspond à un débit de 60 m3/m2/h (rendement 70%) et un incrément de 300C correspond à un débit de 30 m3/m2/h (rendement 55%). La fig. 7 représente le procédé de la présente invention appliqué au chauffage d'un local destiné au séchage (par exemple le séchage du linge). Le local est un parallélipipède dont une face est constituée par un capteur d'énergie solaire 21 (ou un assemblage de capteurs) tel que celui décrit dans l'exemple 1 avec la différence suivante : l'air venant de l'extérieur est aspiré dans la partie supérieure du capteur 22 et l'air chauffé après son passage sur le charbon de bois arrive dans le local grâce à des conduites aménagées dans la partie inférieure du mur formant la partie arrière du capteur 23. Dans un des côtés du local est aménagé un accès alors que la circulation de l'air est assurée par un ventilateur 11. Ce dispositif peut être facilement incorporé dans l'architecture des immeubles et peut remplacer de façon très efficace les loggias ou autres locaux aérés amenagés pour ce besoin dans les constructions existantes. REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'air chaud pour le chauffage ou le séchage caractérisé par le fait que l'on fait circuler l'air à chauffer directement à travers un lit de charbon de bois disposé directement en vrac entre une paroi transparente aux longueurs d'ondes de la lumière solaire et une paroi de fond. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le charbon de bois comporte une granulométrie régulière comprise entre 10 et 40 mm, et de préférence comprise entre 15 et 25 mm. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le lit de charbon de bois est retenu à ses extrémités supérieure et inférieure respectivement par une cloisons en grillage d'une maille inférieure à la granulométrie du charbon de bois et disposée entre la vitre et la paroi de fond et à faible distance de la paroi d'extrémité correspondante de manière à ménager entre ces quatre éléments un espaces servant de collecteur, respectivement pour l'amenée d'air frais et la reprise d'air chaud. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendication précédentes, caractérisé par le fait que la reprise d'air chaud a lieu par circulation forcée. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la reprise d'air chaud a lieu par thermocirculation. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la paroi de fond est constituée directement par un élément de construction limitant extérieurement le local dans lequel est utilisé l'air chaud produit. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le châssis vitré disposé devant ledit élément de construction est de construction modulaire formé par des montants et des traverses d'extrémité et intermédiaires de manière à recevoir plusieurs vitrages, lesdits collecteurs d'air étant communs pour l'ensemble. 8. Installation de captage solaire pour la production d'air chaud par la mise en oeuvre du procédé selon le revendication 1, caractérisée par le fait qu'il comporte un lit de charbon de bois disposé directement en vrac entre une paroi transparente aux longueurs d'ondes de la lumière solaire et une paroi de fond. 9. Installation selon la revendication 8, caractérisée par le fait que le charbon de bois a une granulométrie comprise entre 10 et 40 mm, et de préférence comprise entre 15 et 25 mm. 10. Installation selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisée par le fait que le lit de charbon de bois est retenu à ses extrémités supérieure et inférieure respectivement par une cloison en grillage d'une maille inférieure à la granulométrie du charbrn de bois et disposée entre la vitre et la paroi de fond et à faible distance de la paroi d'extrémité correspondante de manière à ménager entre ces quatre éléments un espace servant de collecteur, respectivement pour l'amenée d'air frais et la reprise d'air chaud. 11. Installation selon l'une quelconque des revendication 8 à 10, caractérisée par le fait que la paroi de fond est constituée directement par un élément de construction limitant extérieurement le local dans lequel est utilisé l'air chaud produit. 12. Installation selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisée par le fait qu'elle comporte une paroi de fond indépendante pour constituer un capteur autonome orienté convenablement par rapport au soleil et raccordé au local d'utilisation.