Brevet FR2508151A1 — publié le 19821224

L'invention concerne un procédé de charpente-couverture permettant de former des gouttières solaires,également dénommées "canaletasWqui par utilisation de 17effet de serre, constituent des machines thermiques solaires connues sous le vocable de capteurs à ruissellement.Leur faible prix de revient peut permettre d'envisager le stockage de potentiel calorique par géothermie artificielle. fl est parfaitement connu à propos de l'énergie solaire que ses irradiations intermittentes sont principalement disponibles (à 60S environ) sur des périodes durant lesquelles leurs effets sont plutot nuisibles au confort des locaux. Les principes d'une arithmétique élémentaire conduisent à penser que la récolte des calories d'été devrait procurer de l'agrément,tandis qu'un stockage en nappes phréatiques rendrait possible leur utilisation hivernale ne seraitce qu'en servant d'appoint à une pompe à chaleur. Le premier pas vers des économies réelles d'énergies en matière de chauffage ou de rafraichissement des locaux semble consister en une utilisation des énergies véritablement gratuites,sans recours importants à des substitutions onéreuses Pour y parvenir,il convient de pratiquer des moyens de collecte économiques et conformes à la nature meme des choses. La présente invention se propose dans ce but la fabrication de toitures-couvertures-climatisantes , servant dtin- solateurs à ruissellement,assurant en été la récolte des calories reçues par les matériaux de couverture et perdues dans l'atmosphère ambiante après surchauffe des locaux.Cette collecte assurée par des moyens simples et déja obligatoires au plan des investissements permet de tolérer des pertes inévitables lors du stockage.Mais le prix de revient de lténergie finalement disponible dans le cadre d'un bilan énergétique annuel est d'autant plus valable que la climatisation estivale des locaux est également assurée. On admet qu'il faut entre 50 et 70 mètres carrés de capteurs-plans,en climats tempérés,pour couvrir à 70 ou 80%o les déperditions hivernales d'un local de 250 mètres cubes. Une bonne orientation dans tous les cas est difficile à trouver pour une telle surface et entraine parfois à la création de volumes spécifiques créant des surchauffes d1été.Or un local de 250 M3 dispose d'une manière ou d'une autre de 100 mètres carrés de surface plus ou moins efficaces si l'on considère les toitures et tous les murs vers le Sud.Doubler ou tripler une surface de captage pour un cout global équivalent,sinon moindre,apporte certaines facilités. Par ailleurs le rendement genéral d'une machine thermique solaire est d'autant plus mauvais que les dimensions des panneaux capteurs sont plus faibles et les liaisons plus nombreuses.Les pertes par convection ou conductance sont fonction des températures,les déperditions nuisibles aux rendements étant mesurées en watts/m2 et degré centigrade. Pour obtenir des rendements thermodynamiques corrects (THEMIS-EDF valant 0,16 en moyenne annuelle et 5 à 5,40 F/kwh) il suffit de puiser par exemple en nappe phréatique une eau à IO C,de la porter en été à 50 C et en hiver à 30 C.Les rendements obtenus seront respectivement: été 323- 283/323=I2,38% et hiver 303-283/303=6,60%.En comparaison le rendement d'un capteur-plan à lame d'eau enfermée,utilisé en chauffage direct entre 35 et 60 C est de 333-308/333=7,50%.De plus un tel résultat n'est atteint en hiver que pour une petite moitié des durées d'insolations,les 600C n'étant pas atteints. n est donc possible d'en déduire queux doit autre le rendement d'un stockage souterrain pour obtenir un rendement global,satisfaisant en écrivant : 0,303 x 0,1238 - 0,0375 w 0,075 x O,50.Soit à dire que l'accumulation de potentiel thermique peut se limiter,"de façon intelectuelle" au rendement de 3o%,en faisant,de plus, abstraction de la climatisation de l'été. Le flux géothermique naturel est faible comparé au flux solaire,ce dernier étant près de 5.000 fois plus important. Une exploitation de forages profonds en "doublets" dispose d'une durée de vie de 25 ans environ du fait de la dégradation du gradient thermique disponible,consécutive au thermopompege pratiqué.La géothermie superficielle pratiquée à l'aide de pompes à chaleur se heurte à des difficultés du même ordre,si elle s'intéresse aux sources "froides"les plus chaudes possibles. En effet une pompe à chaleur puisant ses calories dans l'eau d'une rivière à IO-C pour la restituer b 5 C par exemple peut à l'occasion économiser du fuel si son coefficient de performances est correct.Peut-on par contre imaginer des centaines ou des milliers d'installations semblabes sur une rivière gelée à moitié de son cours. Le régime des températures locales du proche sous-sol et des températures extérieures du globe terrestre présentent des variations périodiques annuelles et diurnees. Il est connu qu'une variation périodique sinusoidale autour de la même valeur moyenne se propage en profondeur avec une diminution exponentielle d'amplitude et un déphasage proportionnel à la racine carée de la période. La profondeur à laquelle l'amplitude est réduite à I/23ème de sa valeur initiale, et la phase inversée,est de l'ordre de 50 centimètres pour la variation diurne, et de IO mètres pour la variation annuelle. A une profondeur de 20 mètres, l'amplitude est réduite au I/500ème.Les valeurs précédentes expriment la diffusivité thermique moyenne de l'écorce terrestre superficielle. Pour le calcul des déperditions d'un batiment à soussol enterré on considère que le coefficient "K" de transmission thermique est égal à zéro pour une profondeur de sept mètres. Le flux calorique de déperditions vers l'extérieur est donc considéré comme nul sous cette couverture de terre rapporté En réalité le calcul par les séries de Fourier indique plutot une apmplitude réduite au I/I00ème, mais pratiquement négligeable. La constitution d'une réserve chaude artificielle et permanente est donc possible on moyen de pertes très acceptables en milieu naturel stable ou stabilisé sens aucun risque pour les températures superficielles. Il suffit d'activer la pénétration du flux solaire ou autre, par des moyens economiques. L'invention consiste également à l'aide de doublets ou triplets correctement répartis ou nappes phréatiques à IO/ I5 mètres de profendeur sprès suppression d'éventuels courants @@@terrains à établir une boucle de circulation partant d'un puissage à IO C par example, passant par un issolateur pour être gravitairement restituée à l'accumulateur de potentiel thermique Entre ce dernier recevant les eaux réchauffées et le puisage de départ,un écoulement du type loi de Darcy sera établi,ain si qu'un flux calorique certainement entretenu par la règle de déplacement de la chaleur d'un point chaud vers un point froid.Xais il est également possible de réaliser les apports de chaleur par le moyen de capteurs-plans ou de convertisseur- concentrateurs.L'accumulation de potentiel pourrait aussi,en terrains perméables autre pratiquée en réservoirs semi-naturels à fonds simplement baché,en volumes délimités par des parois moulées dans le sol ou par tout autre moyen adéquat à la nature simple ou complexe du sous-sol concerné. Cette chaine calorique continue dont l'invention pré- sente des applications, utilise des captages d'énergies naturelles,principalement en périodes de surabondance,la connaissance des variations d'amplitude et des temps de trajets de. flux et leurs migrations naturelles permettant par exemple de leur faire parcourrir le sous-sol d'un local à chauffer en hiver au moyen du relèvement du niveau de puisage de départ de la boucle,aussi bien que par le choix de l'élément de triplet plus ou moins rapproché selon les périodes du ou des locaux à climatiser à l'année. Le demandeur se propose de parvenir à ces résultats par les moyens décrits sur les cinq feuilles de dessins qui sont annexées. La planche I/5 représente un insolateur à ruissellement également appellé "canaleta" ou gouttière solaire en coupe transversale d'un batiment,soit aussi bien en toiture qu'en bardage ou murs périphériques.Cet insolateur est caractérisé par le fait qu'il peut constituer la couverture du batiment ainsi que son bardage.Contrairement aux traditions les ondee formant raidisseurs sont transversale. à la pente et non pas dans la pente I et 2(fig.I)Ces ondes transversale. à la pente peuvent rev1etir toutes sortes de formes adaptées à le manière selon laquelle on souhaite les utiliser.C'est ainsi que les figures 2 et 3 feuille I/5 montrent les adaptations possibles et respectives de. raidisseurs,les ondes T s'allongeant pour les fortes pentes et se rétrécissant pour les faibles,et réciproquement pour les ondes 2(partielles).Pour assurer un ruissellement régulier il faut simplement se conformer à cette règle naturelle qui évite la formation de mini-bassins 3 fig.I et rend régulière l'épaisseur du film d'eau 4 fig.I.Mais on pourrait aussi rechercher la présence de ceux-ci pour augmenter l'inertie et le réchauffement obtenu par une exposition longue. La feuille 2J5 représente une coupe sur appuis des bacs de couverture à ondes transversales formant insolateurs à ruissellement.Sur cette feuille les pièces de charpente principale I peuvent recevoir des pièces de charpente complémentaires 2 dont le role serait de former appuis pour des panneaux isolants 3 et 4 dont on a besoin pour diminuer les pertes arrières d'un capteur,mais qui dans cette utilisation peuvent également servir à l'isolation du batiment.Les insolateurs-bace de couverture reposent sur les pièces de charpente I par les plis en U 5,tan- dis que les fonds d'ondes 6 s'appuient sur les panneaux isolants 3 et 4.Il est donc possible de choisir un role porteur transversal entre pièces de type T aussi bien pour les panneaux que pour les bacs ou pour les deux. Les flans verticaux 7 des bacs ,sont dotés de fruits ou angles d'ouverture qui rendent aisés les opérations de fabrication telles que le démoulage,ainsi que l'empilage en vue du transport.Il en va de méme pour les parties verticales des plis 5*Un vitrage,éventuellement armé, ou tout autre matériau transparent, tel le polycarbonate, assure l'effet de serre 8,ce titrage est encadré par un joint du genre 9 et serré par un profilé tubulaire à ailettes du genre 10 rend étanche à l'air et aux eaux de pluie le volume d'air placé sous effet de serre.Une rondelle d'étanchéité tI pressde par une autre rondelle dure I2 fixe le tube TO sur les pièces I Des bandes de mousse imprégnées par exemple de brai de houille ou bitume I5 facilitent le repos des bacs et suppriment les ponts thermiques. La feuille 3/5 décrit le détail d'un Joint entre bacs. Les formes choisies pour le destin ne sont pas limitatives,et des développements inégaux des ondes transversales conduiraient identiquement à des dispositions équivalentes.Des bourrelets continus,intégrés ou rapportés I et 2 assurent le contact et l'écartement des bacs entre eux y compris dans les plis en U (5 feuille 2/5)Les bandes 15 feuille 2/5 sont par contre interrompues au droit du défoncé 4 feuille 3/5 pratiqué sur les abouts amont des plis en U d'appuis. La feuille 4/5 représente une variante d'appui des bacs à ondes transversales 1,2,3,4,qui en 5 sont simples afin de les rendre amovibles pour une utilisation périodique,par exemple dans une serre en été. La feuille 5/5 est un schéma montrant les diverses dispositions de fonctionnement d'une installation de bacs de couverture formant insolateurs à ruissellement et permettant la pratique de la géothermie artificielle. Le fonctionnement s'explique tout d'abord par la fig.I feuille I/5 dont le repère 9 est un réservoir ou bache d'alimentation en eau de nappe phréatique, raccordé par un tube IO à des diffuseurs II alimentant une goulotte inclinée I2.Le controle du débit de ruissellement est assuré par un thermostat-pressostat 13. Le schéma de la feuille 5/5 reprend une partie de ces dispositions-en montrant le réservoir I et des thermostats 2 placés sous effet de serre dans un volume calorifugé.Ces controleurs de débit réagissent a' la quantite d'irradiations reçues du fait de l'ensoleillement instantané et sont prévus en autant d'exemplaires qu'il y a d'expositions différentes aux rayonnements dans une installation.Le débit de suiesellement peut donc autre controlé pour chaque serie de capteurs 3.Les eaux réchauffées parviennent par gravité à la vanne trois voies 4I.Ie circuit I,2,3,4I est semblable pour tous les modules de fonctionnement saisonniers. En période estivale ou de surabondance calorique les eaux chaudes parviennent en 6 qui plongé dans la nappe phréatique naturelle ou artificielle de niveau IO à II est constitué par un tube à hélice dont le role échangeur est décrit et revendiqué par le demandeur dans le brevet français 8I 05053 dSposv le I3 Mars I98I,lequel ouvert à sa partie supérieure cids les calories récoltées b partir du point le plus bas et en provenance des insolateurs 3.Dans le forage réalisé à l'origi ne,une protection 8 constituée par exemple d'un tube de drainage,ou par les parois d'un puits,maintient les terres autour de l'échangeur.Une couverture isolante 7 constituée par exemple de billettes de verre expansé (connu sous la marque Expanver) procure au minimum une isolation équivalente à celle de la couverture de terres sur la nappe phréatique.En raison de l'amenée centrale garantie par le tube échangeur à hélice la cession des calories a lieu du bas vers le haut.Si l'échangeur fonctionne en période estivale comme accumulateur de potentiel thermique le puisage pratiqué dans le forage 9 assure un faible rabattement de la nappe souterraine et un transfert des eaux et des calories s'opère de 6 vers 9.La tube échangeur et le puisage forment ainsi un doublet.Mais il est également possible d'utiliser deux points de puisage du genre 9.En effet un point plus éloigné des zones où l'on souhaite réaliser le stockage calories que augmentera la surface et le volume de celui-ci.En période hivernale au contraire un point de puisage plus proche des batiments à climatiser,et choisi plus haut grace à la remontée des eaux de la nappe pourra dévier le flux calorique du sol sous-jacent sur le terre-plein des locaux,ou les couches très voisines. Le fonctionnement hivernal est prévu pour les deux hypothèses à retenir t soit une période de nuit ou de Jour sans rayonnements solaires exploitables et au contraire les heures d'insolation valables pour la production calorique. Sans production calorique instantanic possible et d- tectable par les thermostats I4,1a vanne 4I est manoeuvrée de façon à mettre en communication l'échangeur 6 avec un second échangeur T2 au travers d'une pompe de circulation 5I.L'échan- geur 12 est constitue selon les descriptions et revendications de brevet 8I05053 ci-dessus évoqué de trois tubes et deux jeux d'hélices.Dans cette utilisation il peut 9u bien accomplir le transfert des calories de l'accumulateur 6 vers un réseau caloporteur,à basse température1 de chsuffage par le Jolgou bien encore apporter des calories à l'évaporateur d'une pompe à chaleur à compression ou à absorption,reliée au réseau calopor- teur I3,figuré ici dans une seule hypothèse de chauffage par le sol.La manoeuvre de la vanne 41 et de la 42 sont simultanées,la vanne 42 également trois: voies met en communication l'échangeur I2 avec le puisage 9.Les transferts caloriques non pratiqués dans l'échageur I2 peuvent se parfaire dans le puisage 9 où ils servent à tout le moins d'énergie passive,ainsi qu'à rele- ver la température des eaux puisées par le pompe 52 à destina- tion du réservoir I. Dans le cas où la production calorique des insolateurs 3 est possible,les thermostats 14 déclenchent la vanne 4I faisant communiquer directement les insolateurs 3 et l'échangeur 12 par la pompe 5I.A la sortie de l'échangeur I2 les eaux peuvent être soit reJetées vers le puisage 91 soit renvoyées au réservoir I.Le choix de ces deux opérations est réalisé par exem- ple par le second seuil de déclenchement des thermostats I4,le rejet au puisage 9 se Justifiant dans la mesure où les irradiations reçues couvrent les besoins de l'échangeur I2.Si une telle variante est adoptée à la création de l'installation le puisage 9 est équipé d'un tube échangeur à hélice identique à 6 et le réservoir.I est ravitaillé par un autre puisage plus éloigné composant un "triplet" par deux échangeurs type 6 un second point de puisage analogue à 9 étant installé. La régulation générale des températures est assurée par tous moyens classiques disponibles, y compris sous controle éventuel d'un micro-processeur. l'es bacs de couverture formant des insolateurs à ruissellement sont très faciles à fabriquer. Il peut être prévu d'en assurer la fourniture en de nombreuses qualités de matériaux divers tels que métaux en feuilles pliés à la presse, matériaux fibreux moulés ou pressés tels l'amiante-ciment, ou en complexes du genre de ceux servant à la fabrication des bardeaux et toles ondulées de couverture connus sous une marque telle qu'Onduline. Les résistances à la flexion, les caractéristiques mécaniques et les choix de role porteur sont multiples comme indiqué ci-avant Ces bacs de couverture sont également réalisables à partir de toutes sortes de matières plastiques de synthèse, armées ou non, de fibres de verre ou de carbone ou autres.Il apparaît d'évidence, qu'il est préférable de les employer dans le cadre d'un système constructif existant ou à créer,et qui harmonise les ensembles charpente-couverture-capteurs à ruissellement ainsi que les serres d'agrément ou de culture.Les fermettes bois,dites américaines,généralement disposées à 60 centimètres l'une de l'autre sont d'excellents supports pour les bacs de couverture-canaletas du fait de la normalisation des sections de bois employées pour leur propre fabrication. La surface extérieure des bacs offerte aux rayons so- laires doit par contre autre traitée de manière compatible avec le but recherché.C'est ainsi que son albedo doit se rapprocher le plus possible de celui du corps noirEconstante de Stéphan) et que les qualités de sélectivité de ces surfaces, considérées sous l'angle de la réémissivité des rayonnements du spectre solaire doivent tre bonnes et garantir le maximum possible de captage calorique. L'aspect de surface des matériaux employés serait avantageusement doté d'une rugosité très importante,allant jusqu'à former des structures antirayonnantes aidant également à la régu. larisation de l'épaisseur du film d'eau,en le ralentissant dans sa course,en augmentant les surfaces d'échanges, les transferts caloriques et le rendement général de captage.rar ailleurs la présence d'un film d'eau én périodes d'irradiations ne peut que favoriser la bonne tenue des revêtements appliqués ou inclus dans la masse. REVENDICATTONS La présente invention concerne des installations de captage du rayonnement solaire,conçues pour fonctionner sur la durée annuelle dtinsolation,afin de pratiquer l'accumulation de potentiel thermique par géothermie artificielle et controlée,dans les nappes phréatiques stables ou stabilisées et peu profondes. Les techniques pratiquées conJointement et solidairement dans ces deux domaines sont habituellement le fait de la nature,plutot que celui des interventions humaines.Cepen- dant le role du Soleil réchauffant la Terre en été peut Autre accéléré et amplifié par des moyens très simples,afin de constituer des réserves caloriques,utilisables en hiver par les techniques habituelles de puisage ou captage relevant de la géothermie superficielle de thermopompage à faibles profondeur. -I-Selon l'invention une installation de captage des irradiations solaires,accumulation de potentiel thermique et thermopompage superficiel est économiquement et thermodyna miquement.valable,du fait des moyens utilisés au captage et à la restitution,de manière conJointe,solidaire et continue pour obvier aux intermittences de la sourcewprincipale de chaleur d'origine solaire. Selon la première série de moyens -2-Insolateurs à ruissellement et effet de serre com- posés au moyen de bacs de couverture et caractérisés par le fait que leurs ondulations I et 2 (î/5)sont perpendiculaires aux lignes de plus grande pente d'une toiture ou d'un bardage et que leurs appuis sont prévus dans un plan parallèle aux pignons des batiments recouverts. -3-Bacs de couverture constitués selon la revendication 2 en éléments métalliques ou d'agglomérés fibreux et dont les matériaux constitutifs,ainsi que la résistance propre des profils choisis sont dotés de caractéristiques mécaniques susceptibles de les rendre autoportants. -4-Bacs de couverture constitués selon la revendication 2 en éléments fibreux dont les caractéristiques mé- caniques ou les dimensions d'ondes limitent les portées entre appuis et-qui doivent être soutenus par un panneau isolant rigide et porteur,ou au contraire constitués on éléments fibreux ou métalliques formant des panneaux sandwich isolants et porteurs -5-Bacs de couverture constitués selon la revendication 2 en matériaux plastiques de synthèse,arnés ou non de fibres de verre ou de carbone ou autres,et caractérisés par les résistances mécaniques ou les solutions relatives à la flexion des poutres ou panneaux ou plaques,énoncdes dans les revendications 3 et 4. -6-Accessoires et compléments divers dont ceux de faitage I2 et 14 (I/5)compatibles avec les fabrications découlant des revendications précédentes et en particulier revêtements de surfaces extérieures apparentes 6 (3/5)intégrés ou rappor tés,adaptés aux maté@iaux qui les supportent ou les intègrent et caractérisés en ce qu'ils assurent à la fois le role de structures anti-rayonnantes et sont capables étant plongés dans un bief d'écoulement laminaire de créer des remous et des deviations d'un courant liquide,pour le brasser et le mélanger garantissant ainsi un mei\eur transfert calorique. -7-A titre d'application,insolatenrs à ruissellement utilisés selon diverrex pentes et csractérisés on ce que les hauteurs et longueurs des ondes sont disposées par exemple pour des pentes faibles comme en figure 2 (I/5)et pour des pentes fortes selon la figure 3(I/5) pour assurer la régularit de l'épaisseur du film d'eau de ruisselement en toitures ou en parois quasi-verticales. -8-Insolateur à ruissellement selon les revendications précédentes,caractérisé par le fait que le réssem de distribution des @aux, en partie haute, est assuré à la feis par un tube à orifices tarés n (I/5) et une gouttière de répartition repère I2 (I/5). + A titre d'application,régulation de la dis tribu tion d'eau de ruissellement d'ensembles insolateurs dont les orientations sont banales,caractérisée en ce que chaque ensemble de surface efficace particulière et homogène,reçoit par une vanne thermostatique ou un pressostat-thermostat 13 (I/5) placé sous effet de serre la quantité d'eau strictement nécessaire pour le captage des irradiations solaires effectivement reçues selon les périodes et les heures de la Journée. -IO-Bacs de couverture selon la revendication 2 caractérisé en ce que ses appuis 5 feuille 2/5,peuvent reposer directement sur un élément primaire de charpente bois ou métal ou autre tels que fermettes ou poutrelles ou poteaux,simple- ment adaptés aux volumes des locaux concernés. -II-A titre d'application,insolateur à ruissellement selon les revendications précédentes caractérisé par l'affectation d'une part très importante de sa production annuelle énergétique recueuillie par les descentes 15 (I/5) à un accumulateur de potentiel thermique pour servir ultérieurement d'appoint à une pompe à chaleur ou de source chaude à un réseau caloporteur à basse température. -12-A titre d'application,esemble de bacs formant gouttières solaires à fonds aménagés comme en 6 (3/5),eventuellement ou spécifiquement amovibles et démontables selon feuille 4/5,exploités dans une serre de culture ou d'agrément et selon les revendications précédentes caractérisés par leur utilisation pour'l'accumuiation de potentiel thertique en nappes phréatiques stables ou stabilisées. -I3-"Selon la deuxibme série de moyens" Accumulation de potentiel thermique en nappes phréatiques peu profondes stables ou stabilisées,caractérisée par la restitution des calories captées lors du passage dans les insolateurs au moyen d'un ou plusieurs tubes échangeurs à hélice tels ceux décrits et revendiqués par le brevet français n08105053 dépo- ad par le demandeur le 13 lars I98I,pour rendre possible la mise en charge des nappes phréatiques ainsi que le transfert @alorique à calles-ci depuis le point le plus bas des ins tallations. -I4-A titre d'application du ci-dessus évoqué et dans le cadre de la présente requête,Ttritube échangeur à hélice1 caractérisé par le fait qutil permet des apports caloriques en source froide d'une pompe à chaleur, soit du fait de l'alimentation dur capteur ou insolateur quelconque,soit du fait du puisage pratiqué dans un accumulateur de potentiel thermique selon la revendication 13. -15- A titre d'application du brevet 8I05053 déja evoqué,et de la revendication I de la présente demande,Réservoir Multi-échangeur caractérise en ce qu'il constitue l'évaporateur d'une pompe à chaleur à compression ou à absorption ou encore la bouilloire d'un moteur solaire -I6- A titre d'applications des revendications précédentes, Exploitations de stockages caloriques continus,caractérisées en ce que le nombre,l'implantation,les niveaux de puisales pour alimentation des insolateurs à partir de nappes phréatiques stables ou stabilisées ou aménagées,ainsi que les conditions particulières des restitutions peuvent autre choi- sies selon les besoins et les disponibilités de chaque saison aux fins d'obtenir des parcours de flux caloriques domesti qués dans le temps et @ les volumes sous-Jacents aux locaux ou installations à climatiser.