Brevet FR2491597A1 — publié le 19820409

Dispositif pour capter l'énergie solaire intégré à une toiture. La présente invention a pour objet des dispositifs pour capter l'énergie solaire intégrés aux toitures. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des capteurs solaires incorporés dans les toitures ou couvertures de bâtiments. On a déjà proposé d'utiliser des capteurs solaires intégrés à des toitures de bâtiments car les pans de toiture orientés vers le Sud présentent des surfaces importantes bien exposées au soleil. Toutefois, pour que des capteurs solaires intégrés à la toiture puissent constituer une solution acceptable, il faut que la présence des capteurs n' augmente pas sensiblement le poids de la toiture, ce qui entraînerait des frais de construction élevés de la charpente ou de la structure supportant la toiture. Il faut également que l'aspect des toitures ne modifie pas trop profondément 11 aspect architectural qui doit être conforme aux lois et règlements concernant l'environnement. Il faut enfin que le coût de construction des capteurs intégrés aux toitures soit le plus réduit possible. L'objectif de l'invention est de procurer des capteurs solaires intégrés aux toitures qui soient légers, peu onéreux et qui présentent un aspect voisin de celui des toitures traditionnelles. On connaît par exemple des capteurs solaires à air qui sont décrits dans le brevet FR. 77/24.311 et dans les trois certificats d'addition FR. 78/16.151, FR. 78/23.799 et FR. 78/23.797. Ces brevets antérieurs décrivent des capteurs à air qui comportent une couverture transparente, un élément absorbant perméable qui est disposé transversalement au trajet de l'air ou des gaz et un piège à radiations ayant une structure cellulaire qui est disposé-entre la couverture transparente et l'élément absorbant et qui est composé d'un matériau transparent qui est opaque aux infrarouges. La présente demande a pour objet des capteurs dont la structure générale se rapproche de celle des capteurs décrits dans ces brevets antérieurs par le fait qu'ils comportent également une structure cellulaire, mais la fonction et la nature de cette structure cellulaire sont différentes. Les objectifs de l'invention sont atteints au moyen de dispositifs pour capter l'énergie solaire qui constituent des panneaux de toiture ou de couverture d'un bâtiment et qui comportent - une plaque en un matériau transparent qui constitue un élément de la toiture; - un absorbeur composé d'une membrane métallique mince sur la face avant duquel est collee une structure alvéolaire ouverte et opaque; - un matelas isolant thermique qui délimite avec la face arrière de ladite feuille mince un couloir; - et des moyens pour faire circuler de l'air dans ledit couloir. Avantageusement la membrane est une feuille métallique ayant une épaisseur comprise entre 20 V et 203p. La structure alvéo- laire est par exemple une structure en nid d'abeille déployable, en carton bakélisé colore. Selon un mode de réalisatiân préférentiel, une toiture selon l'invention est composée de panneaux autoportants préfabriqués qui sont juxtaposés et chaque panneau comporte un caisson rectangulaire dont les bords supérieur et inférieur sont constitués chacun d'une panne ou poutrelle qui est posée sur la charpente du bâtiment et qui est fixée à celle-ci. Chaque panne ou poutrelle est composée,de préférence, de profilés creux en forme de glissières ouvertes. Chaque poutrelle comporte, sur sa face supérieure, une ouverture longitudinale dans laquelle est engagée une pièce d'obturation des extrémités du caisson comportant des orifices qui mettent en communication les couloirs de deux panneaux juxtaposés et ladite plaque de couverture transparente est fixée sur lesdites pièces d'obturation dont le bord supérieur épouse le profil transversal desdites plaques. Un dispositif selon l'invention comporte, en outre, un échangeur à ailettes situé en travers des orifices de sortie d'air chaud qui fait partie d'un circuit fermé comportant un réservoir d'accumulation de calories et une pompe qui fait circuler de l'eau dans ledit circuit. De préférence, le moyen pour faire circuler l'air est constitué par un ventilateur entraîné par un moteur à vitesse variable qui est piloté par des thermostats. L'invention a pour résultat de nouvelles toitures ou couvertures de bâtiments qui constituent en même temps des capteurs solaires à air. Outre les plaques de couverture transparentes, les pannes et le matelas isolant qui font partie habituellement d'une toiture, les capteurs selon l'invention comportent seulement une membrane métallique très mince et une structure alvéolaire, ctest-à-dire un supplément de poids au mètre carré minime et ils peuvent être posés sur les charpentes traditionnelles sans nécessiter aucun renforcement de celles-ci. Dans les capteurs selon l'invention, l'air circule dans des couloirs délimités par des feuilles métalliques qui constituent des gaines étanches et il n'y a donc aucune fuite d'air vers 1 'extérieur ni aucune entrée de poussière dans le circuit d'air chaud, ce qui différencie les capteurs selon 1 invention des capteurs connus dans lesquels l'air traverse une structure poreuse située sous la couverture transparente et vient donc circuler au contact de la couverture d'où un risque d'entraînement de poussière et d'entrée d'air froid, du fait que la couverture n'est pas étanche à l'air. On évite ainsi le risque d'opacité progressive de la couverture transparente et la formation de dépôts isolants sur l'absorbeur qui reduisent le rendement du capteur. L'association de capteurs à air intégrésà la couverture avec un échangeur air-eau permet de bénéficier des avantages des capteurs à air tels que le faible poids et l'absence de risque de fuites d'eau qui permettent de les intégrer facilement à une toiture et en même temps de stocker des calories reutilisables pendant la nuit ou pour obtenir de l'eau chaude sanitaire dans un réservoir de faible volume grâce à la chaleur spécifique élevée de l'eau par unité de volume. La conception des panneaux préfabriqués selon l'invention permet de construire une toiture à laquelle sont intégrés des capteurs solaires aussi facilement qu'une toiture composée de bacs autoportants juxtaposés. Un avantage important des capteurs selon l'invention inté grés à une toiture réside dans la presence de la structure alvéolaire colorée, par exemple de couleur rouge brique,qui confère à la toiture vue du sol, un aspect qui se rapproche de celui des toitures tradi tionnelles et qui répond aux règlementation sur l'environnement, notamment pour la France à la loi du 3 Janvier 1977. Les capteurs selon l'invention sont composés de matériaux courants, par exemple des feuilles minces en alliage d'aluminium qui sont utilisées en grande quantité comme emballages, des structures déployables en nid d'abeille qui sont utilisées en grande quantité dans la construction et des plaques de couvertures transparentes vendues dans le commerce. L'application de ces matériaux, associes dans une structure composite,est nouvelle. Cette structure composite permet de conférer aux membranes métalliques minces des caractéristiques mécaniques suffisantes, notamment une résistance suffisante aux différences de pression qui restent faibles. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif; un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention. La figure 1 est une coupe verticale à travers une toiture selon l'invention. La figure 2 est une vue en perspective d'un panneau de toiture autoportant selon l'invention. La figure 3 est une coupe transversale selon III-III de la figure 2. La figure 4 est une coupe longitudinale selon IV-IV montrant le recouvrement de deux panneaux. La figure 1 représente une coupe verticale passant par la ligne de plus grande pente d'un pan de toiture selon l'invention qui est, de préférence, un pan de toiture orienté vers le Sud. On voit sur cette figure les fermes de la charpente 1 qui supportent des panneaux de toiture autoportants 2a,...2n. Les panneaux de toiture sont entierement préfabriqués en usine. Chaque panneau comporte une couverture transparente 3a,...3n qui est par exemple une plaque ondulée en une matira plastique Cransparente par exemple en méthacrylathe de méthyle ou en polycarbonate. Les plaques de couverture transparentes sont, de préférence, des surfaces ondulees comportant à la partie inférieure des faces planes d'assise. Les plaques de couverture d'un panneau recouvrent celles du bac placé immédiatement au-dessous et elles se recouvrent également dans le sens latéral, de telle sorte que les plaques transparentes constituent une couverture étanche à l'eau et transparente aux rayons solaires incidents. De plus, on choisit, de préférence, un matériau qui est opaque aux rayons infrarouges émis par l'absorbeur, de telle sorte que les plaques 3a...3n produisent un effet de serre. Chaque panneau comporte un absorbeur qui est composé d'une feuille ou membrane métallique mince 4a...4n sur la face avant de laquelle est collée une structure alvéolaire opaque 5a...5n. Les feuilles métalliques 4a...4n sont par exemple des feuilles en alliage d'aluminium ayant une épaisseur comprise entre 20 et 200 microns,par exemple des feuilles du type utilisé couramment pour des emballages. On peut également utiliser des feuilles minces en cuivre,en acier galvanisé ou en tout autre métal ou alliage métallique ayant une bonne conductibilité thermique. De préférence, la face avant de ces feuilles, c'est-à-dire la face tournée vers le soleil, est traitée pour augmenter le pouvoir absorbant. Par exemple, elle est revêtue d'une couche de peinture noire ou bien elle est anodisée. Les structures alvéolaires 5a...5n sont constituées, de préférence, par des structures en nid d'abeille, en carton bakélisé, que l'on utilise couramment pour construire des portes isoplanes ou des panneaux préfabriqués en plâtre et qui sont des structures déployables occupant un faible volume avant déploiement. Ces structures sont avantageusement colorées dans la teince des toitures traditionnelles de la région et les cloisons qui les composent sont disposées perpendiculairement a la feuille mince 4a. . .4n sur laquelle elles sont collées. Ces structures alvéolaires servent à raidir les feuilles minces et à conférer à celles-ci une résistance suffisante à la différence de pression qui s'exerce sur leurs deux faces. Les cloisons des structures alvéolaires sont sensiblement parallèles à la direction des rayons solaires et elles n'empêchent pas ceux-ci d'atteindre 1a feuille absorbante 4a. ..4n. Par contre, un observateur situé au niveau du sol voit les structures alvéolaires à travers la couverture transparente et il ne voit pas la face avant sombre des feuilles absorbantes, ce qui confere aux toitures un aspect et une couleur voisins de ceux des toitures traditionnelles. Chaque panneau de toiture comporte, en outre, un matelas isolant thermique Za...6n, par exemple une couche de laine de verre ou de mousse de polyuréthane, qui est situé au-dessous de la feuille absorbante, à une certaine distance de celle-ci, de sorte qu'il délimite avec la face arrière de la feuille absorbante un couloir 7. Les couloirs 7, constitués par les différents panneaux assemblés bout bout, s'étendent sur toute la hauteur de la toiture. Ils comportent, à l'extrémité inférieure, une entrée d'air frais 8 qui est équipée d'un filtre et, à l'extrémité supérieure, des sorties d'air chaud 9. On a représenté par des flèches la circulation de l'air. De préférence, la face supérieure des matelas isolants est revêtue d'une feuille mince 10 ayant une face supérieure réfléchissante, par exemple d'une feuille en un alliage d'aluminium. Chaque panneau de toiture comporte une structure porteuse qui remplace les pannes ou liteaux supportant les toitures traditionnelles. Cette structure est composée par exemple de deux poutrelles transversales 11 situées aux extrémités supérieure et inférieure de chaque panneau. Ces poutrelles prennent appui sur les fermes de la charpente et sont fixées à celles-ci. Elles sont constituées par exemple par des profilés à froid en forme de glissières ou par des profilés tubulaires extrudés. En général, la largeur des panneaux préfabriques est inférieure à l'écartement entre fermes de la charpente et on assemble les panneaux bout à bout en engageant des verrous d'assemblage à l'intérieur des profilés creux. Un dispositif de chauffage selon l'invention comporte des moyens pour faire circuler de l'air dans les couloirs 7 où il s'échauffe au contact des feuilles 5a...5n qui sont chauffées par l'absorption de l'énergie solaire. Par exemple, un ventilateur, non représenté, aspire par l'intermédiaire d'une canalisation 12, l'air contenu dans un collecteur 13 situé sous les combles. Les orifices 9 débouchent dans le collecteur 13 dans lequel se trouve un échangeur 14 (tube à ailettes) situé en face des orifices 9, de sorte que l'air chaud sortant des orifices 9 lèche le tube à ailettes. L'air chaud aspiré par le ventilateur est renvoye dans le logement pour chauffer celui-ci. Le ventilateur est entraîné par un moteur à vitesse variable qui est piloté par des thermostats. De plus, une pompe de circulation peut faire circuler de l'eau dans un circuit fermé comportant les tubes à ailettes 14 et un réservoir d'accumulation de calories non représenté. Le logement comporte un chauffage d'appoint traditionnel qui intervient lorsquele chauffage solaire est insuffisant. Le fonctionnement général est le suivant. Pendant les périodes non ensoleillées où les capteurs ne collectent pas de calories et où la temperature de l'air sortant des capteurs est inférieure ou sensiblement égale à la température extérieure, le ventilateur tourne- à la vitesse minima, par exemple une vitesse qui assure 0,8 renouvellements horaires d'air. La pompe de circulation tourne et fait circuler de l'eau chaude dans l'échangeur 14 qui réchauffe l'air. Si la température de consigne n, est pas atteinte, le chauffage d'appoint se met en route. Pendant les périodes ensoleillées, la température de l'air sortant des capteurs est supérieure à la température de consigne. Lorsqu'un thermostat d'ambiance situé dans le logement détecte une température dans le logement inférieure à la température' deconsigne, il commande le fonctionnement du ventilateur à grande vitesse, par exemple une vitesse qui correspond à trois renouvellements par heure, ce qui fait remonter la tempérâture dans le logement. Lorsque la température de consigne est dépassée, le thermostat d'ambiance commande une réduction progressive de la vitesse du ventilateur. De ce fait, la température de l'air sortant des capteurs augmente. Lorsqu'elle devient supérieure à la température de l'eau contenue dans le réservoir d'accumulation, on met en route la pompe de circulation et l'échangeur 14 prélève des calories sur l'air chaud -qui sont stockées dans le réservoir d'accumulation. En été ou en demi saison, lorsque la capacité des capteurs solaires dépasse les besoins du chauffage, l'air ayant traversé l'é- changeur 14 est rejeté à l'atmosphère et l'échangeur 14 sert uniquement à produire de l'eau chaude sanitaire. La figure 2 est une vue en perspective avec arrachement partiel d'un panneau de toiture rectangulaire préfabriqué 2. On voit sur cette figure une plaque de couverture transparente 3 qui présente un profil ondule. On voit également que le panneau comporte un caisson rectangulaire comportant deux poutrelles transversales Il situées le long des bords supérieur et inférieur du panneau. Ces deux poutrelles sont reliées entre elles par deux joues en tôle pliée 15 dont une seule est visible. On voit que la couverture transparente 3 déborde au delà de la poutrelle 11 située à l'extrémité inférieure pour venir en recouvrement sur la plaque ondulée du panneau suivant. Elle déborde également au delà d'une des joues latérales 15 pour assurer le recouvrement latéral entre panneaux juxtaposés. On voit à travers learrachement la structure alvéolaire 5 et un fragment de la membrane absorbante 4. L'épaisseur de la structure alvéolaire 5 est d'environ 10 mm et le diamètre des cellules hexagonales est d'environ 25 mm. Afin qu'on ne puisse voir du sol la face supérieure de la membrane absorbante, il faut que le rapport'entre la hauteur h et le diamètre D des alvéoles de la structure 5 croisse avec la pente de la toiture. Si a est l'angle de la toiture avec le plan h horizontal, il faut que le rapport hD soit supérieur ou égal à 0,6. tg a. Les membranes 5 et les structures alvéolaires 4 ont des coefficients de dilatation très différents et la membrane est soumise à des écarts de température. Les essais effectués ont montre que, grâce à sa déformabilité, la structure alvéolaire suivait facilement les dilatations et les contractions de la membrane sans créer des contraintes qui risqueraient d'entraîner le déchirement de la membrane mince. La figure 3 est une coupe transversale d'un panneau de toiture 2. On voit sur cette figure la plaque ondulée 3 qui constitue la couverture transparente et lamembrane absorbante 4 sur la face supérieure de laquelle est collée la structure alvéolaire en nid d'abeille 5. Les deux bords longitudinaux de la membrane 4 sont roulés en 16. On voit le matelas isolant 6 recouvert d'une feuille 10, qui délimite'avec la membrane 4, le couloir 7 à travers lequel l'air circule. On a représenté sur cette figure deux ouvertures rectangulaires 17 qui sont découpées dans les pièces d'extrémité du panneau pour assurer la continuité du couloir 7. On voit sur cette figure les deux joues en tôle pliée 15 qui constituent les parois latérales du caisson contenant chaque panneau. Ces joues supportent des joints d'étanchéité 18 sur lesquels les plaques de couverture 3 prennent appui. On voit également sur la figure des cales 19 dont la hauteur est égale à la hauteur du couloir 7 qui servent de cales d'épaisseur, maintenant l'écartement entre la membrane 4 et la feuille 10. On voit également du côté gauche de la figure le débordement latéral d'une onde de la plaque de couverture 3 qui vient en recouvrement sur la plaque juxtaposée. La figure 4 est une coupe longitudinale IV-IV de la figure 2 montrant l'assemblage entre deux panneaux successifs. On voit sur cette figure la plaque de couverture 3a du panneau supérieur qui déborde au delà de l'extrémité inférieure du panneau et qui recouvre la plaque 3b du panneau suivant. On voit que l'extrémité supérieure de la plaque 3b est fixée par des vis a tête fraisée 20 tandis que l'extrémité inferieure de la plaque 3a est fixée par des boulons et écrous 21 coopérant avec des étriers de fixation 22. Des joints d'é tanchéité 23 sont intercalés entre les deux plaques de couvertures. Des joints 24 sont intercalés entre la plaque de couverture et les pièces d'extrémité de cahque panneau. Des joints 25 sont intercales entre les extrémités de deux panneaux juxtaposés. On voit sur la figure 4 un mode de réalisation des poutrelles ou pannes transversales Il qui constituent les bords inférieur et supérieur de chaque panneau et qui servent d'éléments porteurs. Dans cet exemple, chaque poutrelle 11 comporte deux profilés à froid 26a et 26b, en forme de glissière ouverte, qui sont assemblés entre eux par des tôles 27 qui maintiennent un espace intermédiaire 29 entre les deux profilés et qui permettent d'obtenir une poutrelle ayant une hauteur sensiblement égale à l'épaisseur du matelas 6. Les profilés 26a ont une ouverture vers le bas qui sert à la fixation du panneau sur les fermes de la charpente. L'espace intermédiaire 29 sert à enfiler un verrou d'assemblage dans deux profilés placés bout à bout. Les profiles 26b ont une ouverture dirigée vers le haut, dans laquelle est engagée une pièce 28, qui sert à obturer les extrémités du panneau et qui est par exemple une pièce en bois ou un profilé en matière plastique comportant des lumières rectangulaires 17 qui sont communiquer entre eux les couloirs 7. Le bord supérieur des pièces 28 est découpé suivant des créneaux qui épousent le profil transversal des plaques de couverture 3a, 3b. Les profilés à froid 26a, 26b, les tôles 27 et la pièce 28 peuvent être remplacés par des profilés, par exemple des profilés en alliage d'aluminium ou en matière plastique. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour capter l'énergie solaire intégré à une toiture ou à une couverture d'un bâtiment, caractérisé en ce qu'il comporte - une plaque (2) en un matériau transparent qui constitue un élément de la toiture; - un absorbeur composé d'une membrane métallique mince (4) sur la face avant duquel est collée une structure alveolaire (5) ouverte et opaque; - un matelas isolant thermique (6) qui délimite avec la face arrière de ladite feuille mince un couloir (7); - et des moyens pour faire circuler de l'air dans ledit couloir (7). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite membrane (4) est une feuille métallique ayant une epaisseur comprise entre 20 et 200 p. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite structure alvéolaire (5) est une structure en nid d'abeille déployable en carton bakélisé coloré. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite toiture est composée de-panneaux (2a...2n) autoportants préfabriqués, qui sont juxtaposés et chaque panneau comporte un caisson rectangulaire dont les bords supérieur et inférieur sont constitués chacun d'une panne ou poutrelle (11) qui est posée sur la charpente du bâtiment et qui est fixée à celle-ci. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque panne ou poutrelle (11) est composée de profilés creux en forme de glissières (26a, 26b) ouvertes, qui comportent un espace (29), intermédiaire entre eux. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites poutrelles (11) comportent, sur leur face supérieure, une ouverture longitudinale dans laquelle est engagée une pièce (28) d'obturation des extrémités du caisson comportant des orifices (17) qui mettent en communication les couloirs(7)de deux panneaux juxtaposés et ladite plaque de couverture transparente (2) est fixée sur lesdites pièces d'obturation (28) dont le bord supérieur épouse le profil transversal desdites plaques. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la plaque de couverture transparente (3) de chaque panneau déborde au delà du bord inférieur dudit panneau et au delà de l'un des bords latéraux. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre,un échangeur à ailettes (14) situé en travers des orifices de sortie d'air chaud (9) qui fait partie d'un circuit fermé comportant un réservoir d'accumulation de calories et une pompe qui fait circuler de l'eau dans ledit circuit. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moyen pour faire circuler l'air est constitué par un ventilateur entraîné par un moteur à vitesse variable qui est piloté par des thermostats.