Brevet FR2507755A1 — publié le 19821217

On connaît du nombreux systèmes chauffage et de climatisation dérivés de l'énergie ; thermique solaire, la plupart de ces systèmes appartenant aux techalques suivantes - Effet de serre à système passif. Système connu depuis longtemps et ayant un rendement acceptable mais recevant de nombreuses objections sur les plans écologique et médical. - Capteur plan optique à~òcalisation. Ce système est trop limitatif dans le temps et ne peut servir que de climatisation thermique d'appoint. - Capteur concentrateur. Ce système permet de travailler avec des températures très élevées mais, malheureusement, n est pas esthétique et impose une technologie très complexe de poursuite solaire incompatible avec l'habitat. Il ne peut être réservé qu'à des usages industriels ou à des techniques avances. - Capteur plan noir mat. Ce système, employé sans effet de serre, impose de trop grandes surfaces qui, en général, ne peuvent etre couplées avec l'habitat. I1 est particulièrement réservé au chauffage des piscines, des serres horticoles, ou pour certaines industries très specialisées. Ici, le système qui tra être décrit est nouveau et, comme nous allons le voir, il peut servir de système de chauffage pour l'habitat, de production d'eau chaude sanitaire et de climatisation générale applicable aussi bien en hiver qu'en été. Ce procédé permet la captation thermique du rayonnement solaire par une structure se présentant soit sous une forme de couverture de toit, soit sous une forme de revetement de paroi verticale, ces deux versions rentrant dans les obligations d'intégration au site régional. Ces deux versions, qui peuvent être combinées ou indépendantes, se présentent, pour la première, sous forme de panneaux faisant office de toit avec une parfaite imitation de tuiles de forme quelconque, ou d'ardoises, ou de toutes autres formes déterminées en fonction du lieu géographique de l'installation. Ce toit capteur d'énergie thermique peut, selon les endroits géographiques de l'habitat qu'il recouvre, etre la source de chaleur, d'eau sanitaire, de chauffage et de climatisation.La deuxieme version se présente sous forme d'un panneau positionné contre un mur vertical ou en très forte pente selon les structures nouvelles architecturales actuelles et celui-ci est particulièrement adapté à la captation thermique solaire d'hiver, lorsque la hauteur du soleil est faible, et présente les memes fonctions de chauffage que la première version. Selon les techniques de construction employées, l'isolation thermique "arrière" de la structure est soit intégrée à la structure, soit séparée. Dans le premier cas, l'ensemble constitue un sandwich lequel est éventuellement porteur si la structure isolante le permet dans le second cas, la matière isolante est rapportée sur la structure du bâtiment, sur le mur de la façade, ou sur la charpente de la toiture. La structure solaire est alors reliée à l'ensemble isolant ou à la structure du bâtiment par des éléments rapportés tels que : entretoises, longerons, traverses, etc... L'isolatlon. est constituée d'un matériau à faible densité tel que ceux couramment utilisés dans le bâtiment ou l'industrie et sur lequel on pose avantageusement une peau réflectrice de rayonnements infrarouges émis par les corps (dits noirs) dans une gamme de températures de 300 à 4000K et peu émissive de ces rayonnements, par exemple : une feuille d'aluminium brillant. Cette peau peut également, dans une variante de l'invention, être posée sur la face arrière de la structure alvéolaire revendiquée. Les caractéristiques essentielles de l'enduit ou du revetement revendiqué sont optiques, thermiques et mécaniques. Selon le matériau employé comme base de la structure alvéolaire tubulaire, l'enduit adhère plus ou moins bien sur le matériau et certains pré traitements devront etre pratiqués. Pour le polycarbonate, l'adhésion est excellente alors que pour le polypropylène et le polyéthylène l'adhésion est faible. Pour améliorer l'adhérence, la structure généralement obtenue par extrusion est conçue pour permettre un accrochage mécanique, soit directement au niveau des éléments tubulaires, soit par des excroissances permettant d'insérer l'enduit ; ce dernier est appliqué à l'état pâteux, puis durcit à l'air tout en gardant la plasticité et l'élasticité permettant de suivre les déformations et les dilatations de la structure. Les caractéristiques optiques de l'enduit sont, outre celles relatives à la couleur, une très grande absorption du rayonnement visible et du rayonnement solaire infrarouge dans la zone de 0,7 à 3 microns et une faible emission de rayonnements thermiques infrarouges dans la zone de 5 à 30 microns pour les applications dans les pays où le besoin de chauffage est prioritaire. Par contre, dans les pays chauds, la forte émission des rayonnements thermiques susdits est recherchée et la composition de l'enduit est modifiée en conséquence, les propriétés optiques de surface étant liees à la couche superficielle de l'enduit. Une des conséquences très importantes de la composition et de la finition de surface de l'enduit est sa paradirectionnalité qui lui permet d'absorber le rayonnement solaire quelle que soit son incidence par rapport à la couche, et ceci en l'absence de couverture transparente, ce qui n'est le cas d'aucun absorbeur actuellement employé et qui permet d'augmenter considérablement le temps de captation de l'énergie thermique solaire. Les caractéristiques thermiques de enduit, outre celles liées aux rayonnements thermiques infrarouges, reposent sur une bonne conductibilité de la chaleur ; celle-ci est obtenue par la présence de charges microcalibrées et/ou d'armatures bonnes conductrices connues telles que des micrograins de silice ou de basalte, ou encore très bonnes conductrices comme des limailles d'aluminium ou autres métaux. Ces charges dont la granulométrie est décidée selon l'aspect recherché doivent être caractérisées par une très faible émission de rayonnements infrarouges. Ces charges sont enrobées dans un liant qui est une émulsion aqueuse et/ou un melange d'émulsions de polymères ou de copolymères tels que ceux à base d'acétate de vinyle et d'esters maléiques ou de copolymères à base de styrène et d'esters acryliques ; le liant peut également etre constitué de produits classiques tels que : l'asphalte, le bitume, etc.., de résines telles que : les résines êpoxy, les résines polyuréthanes ou les resines polyamides, toutes ces résines étant caractérisées par une très grande résistance aux ultraviolets, aux solvants, et une très grande résistance à la rupture. Les colorants employés dans cet enduit sont à base d'oxydes métalliques peu émissifs dans le rayonnement infrarouge, tels que les oxydes de fer ocres rouges ou noirs, oxydes de chrome jaunes ou noirs, oxydes de titane blancs... A titre d'exemple, un enduit qui a donné d'excellents résultats était composé de 68 Z de silice calibrée de granulometrie comprise entre 0,1 et 0,3 mm, de 30 Z de copolymères vinyliques et maléiques en émulsion aqueuse à 50 Z et de 2 Z de colorants constitués par de l'ocre rouge, du jaune de chrome, du noir d'oxyde de fer, du blanc de titane, les dilutions étant faites à l'eau et dosées suivant la viscosité d'emploi. Les caractéristiques mécaniques de l'enduit, à savoir : la résistance aux chocs, aux dilatations et aux déformations. sont obtenues par la nature des charges et leur pourcentage, par l'adaptation de l'épaisseur de l'enduit, par le choix du liant et par la présence éventuelle d'une armature. Le choix s'effectue en fonction des températures de fonctionnement et des agressio s envisagées. L'adjonction de ciment donne de la dureté mais réduit l'elasti- cité et la plasticité. Les asphaltes ou les bitumes appliqués à chaud ou en émulsion donnent de la souplesse et de la plasticité, la dureté devant être assurée par la nature des charges. Les caractéristiques mécaniques doivent être suffisantes lorsque la température varie. L'enduit ne doit pas etre cassant à basse température ni mou à haute température, enfin l'enduit doit résister à la pluie et à l'humidité lorsqu'il est posé sur une toiture et lorsqu'il sert également de revêtement de façade . Dans ce dernier cas, une variante de réalisation de l'invention comprend en avant de l'enduit une surface transparente et totalement ou très perméable aux rayonnements infrarouges ; cette surface est à quelques centimètres de l'enduit et est maintenue par un cadre support, l'ensemble constituant une serre et protégeant l'enduit de déperditions thermiques dues au vent et à la présence d'air frais.La constitution de la surface transparente est avantageusement un film ou une feuille en matière plastique connue telle que : le polychlorure ou le polyfluorure de vinyle, le polyéth > - lène, le polypropylène, le polyester, le polytétrafluorure d'éthylène, les polyoléfines, les polycarbonates, les méthacrylates et les différents films commerciaux caractérisés par des compositions et/ou des traitements spéciaux protégés par des brevets et ayant des propriétés mécaniques optiques et thermiques particulièrement intéressantes. Pour certaines réalisations à-base de films armés ou de feuilles ou de structure alvéolaire, l'épaisseur est suffisamment importante pour considérer la surface transparente comme une plaque mince. L'emploi des surfaces transparentes est principalement réserve aux structures de façades verticales ou peu inclinées par rapport à la verticale, orientées au sud, sud-est et sud-ouest, et utilisées en hiver lorsque le soleil est bas sur l'horizon et que les incidences sont toujours fortes et assez proches de la normale. La structure avéalr!e est obtenue par extrusion Il cst constitue de matériaux e-trudable at ayant des caracteris'í La structure alvéolaire est reliée à ses extrémités à des collecteurs par soudure, collage ou emboitage, les collecteurs étant percés de trous ou fendus sur leur longueur selon le typez la forme et la nature de la structure alvéolaire et du collecteur. La fente longitudinale est adaptée aux structures alvéolaires, à canaux carrés, rectangulaires5 trapézoidaux et meme circulaires, la liaison collecteur-structure alvéolaire se faisant par collage ou par soudure. Les piquages directs avec manchon en élastomère sont réservés aux canaux tubulaires circulaires où les tubes sont facilement séparables les uns des autres. Les piquages à visser et/ou à emboîter sont réservés aux canaux circulaires. Ces types de piquages sont couramment utilisés dans les matériels d'irrigation par goutte à goutte. Les collecteurs sont perpendiculaires aux canaux. L'ecoulement du fluide caloporteur s'effectue indifféremment dans le sens de la pente, de bas en haut ou de haut en bas, ou transversalement à la pente, les positions étant choisies en fonction du système de circulation retenu et des déformations de la structure alvéolaire. Pour certaines applications, la structure reste plane. Les modifications d'aspect étant limitées à l'enduit, les canaux sont indifféremment dans le sens de la pente ou perpendiculaires à ce sens. Pour d'autres applications, telles que l'imitation des tuiles rondes ou romanes, la structure doit être déformée ; les canaux sont, dans cet exemple, avantageusement perpendiculaires à la pente et les collecteurs dans le sens de la pente. Lorsque la structure doit être mise en forme spéciale, le matériau de base est soit thermoplastique déformable à chaud et rigide aux températures de fonctionnement, soit déformable à froid comme les élastomères et certaines matières plastiques. Dans ce second cas c'est l'enduit qui, en séchant, formera une carapace rigide. A titre d'exemple, les matériaux du premier cas sont les polycarbonates, les polyméthacrylates, les polyacetals, les polychlorures de vinyle rigides et les polypropylènes. Dans le second cas, citons les polyéthylènes, les silicones, les polyamides, les polychlorures de vinyle "plastifiés" et les élastomères. Une autre caractéristique de l'enduit selon l'invention est son étanchéité et sa compatibilité à certains-matériaux couramment utilisés en étanchéité, ce qui permet une bonne liaison avec les chéneaux recouverts d'une bande d'étanchéité et avec les murs au niveau des solins. L'utilisation des structures solaires selon l'invention dépend de la période de l'année considérée, de la latitude, de l'inclinaison et de l'orientation des dites structures. Dans l'hémisphère nord sous les latitudes moyennes à climat tempéré, les structures verticales ou proches de la verticale, protégées par une couverture transparente, sont utilisées l'hiver pour le chauffage des locaux et l'été pour la production d'eau chaude sanitaire. En effet, pour une belle journée ensoleillée, l'énergie solaire reçue est du même ordre de grandeur toute l'année mais, en hiver, il y a plus de nuages de vent, et la température extérieure est plus froide. Pour conserver un bon rendement , la temperature du fluide caloporteur ne peut guère dépasser 25 à 300C ; cette température est utilisable dans un plancher chauffant à forte densité de tubes. En été, la température ambiante est plus élevée, les besoins en énergie pour l'eau chaude sanitaire sont réduits par rapport au chauffage d'hiver, de sorte que les capteurs de façade sont largement suffisants pour le chauffage de l'eau chaude sanitaire à une température de l'ordre de 509C. De plus, alors que pour une villa et une famille moyenne la surface de capteurs bien orientés pour l'été est de l'ordre de 3 à 6 m2 pour la fourniture d'eau chaude sanitaire, dans notre cas la surface de captation de façade est de l'ordre de 10 à 30 m2, ce qui est amplement suffisant pour compenser la mauvaise inclinaison. Toujours dans l'hémisphère nord, dans les zones de latitudes moyennes, de l'ordre de 30 à 500, les structures de toiture assez faiblement inclinées sur l'horizontale, de 00 à 459, sont utilisables en faible partie l'hiver, en grande partie le printemps, l'été et l'automne. En automne et au printemps, l'utilisation de la chaleur captée sert au chauffage des locaux et/ou de l'eau chaude sanitaire ; en été, la chaleur captée sert au chauffage de l'eau chaude sanitaire et, éventuellement, à la production de froid dans un groupe frigorifique à absorption. Pour cette dernière application, la chaleur solaire captée est la source chaude du groupe frigorifique à absorption, celle qui remplace le brûleur. Enfin, toujours dans le cas du groupe frigorifique a absorption, il est intéressant l'hiver et pendant la saison de chauffage, en cas d'insuffisance des apports solaires, d'utiliser le groupe frigorifique comme pompe à chaleur à absorption avec un brûleur auxiliaiïe a combustibles ou avec une résistance électrique. De la chaleur peut ainsi être transférée de la toiture au système de chauffage, cette chaleur stajoutant à celle du générateur à brûleur ou électrique. Selon la conception architecturale des locaux, la latitude et le climat, une des deux inclinaisons, forte ou faible, est employée ou les deux inclinaisons. Dans la présentation des structures, celles-ci sont liées à un bâtiment quelconque. Les structures revendiquées selon l'invention s'appliquent également lorsque celles-ci sont posées au sol ou appuyées sur des supports indépendants des bâtiments, tels que poteaux, clôtures, margelles, terrasses, talus, murets, levées de terre ou de pierres sèches, pergolas, ailées ... I1 faut constater que ce procédé de chauffage et de climatisation s'intègre totalement dans la construction qui, d'aspect extérieur, ne diffère en rien d'une construction classique et que les structures employées ne sont pas un supplément au bâtiment mais remplacent de toute façon des éléments qui auraient éte nécessaires, ce qui donne un prix de revient pour une maison solaire (chauffage et climatisation) très peu supérieur à une constructior classique. r DESCRIPTTON Planche 1/2, nous voyons Fig. 1 et 2, en 1, l'enduit sous forme de tuiles ondulées avec le décrochement 2 provoqué par la variation d'épaisseur de ce dernier. En 3, sous enduit, se trouve la structure alvéolaire composée de canaux qui, ici, se trouvent dans le sens de I'ondulation, laquelle structure est raccorde à un collecteur que nous verrons et décrirons en détail Fig. 9 Planche 212. En 4, nous voyons la surface réfléchissante pouvant servir de support rigide et, en 5, l'isolant. Fig. 3, 4, 5 et 6, sont représentées des variantes de structures et nous voyons Fig. 3 l'enduit en 6, une structure plastique comportant les canaux où circule le fluide caloporteur en 7, laquelle structure plastique comporte des profilés en 8 permettant de la fixer sur une armature 9 au-dessus de laquelle se trouve le réflecteur 10. Fig. 4, nous voyons toujours l'enduit en 11, lequel comporte une armature de rigidité 12 et est déposé sur une structure plastique 13 comportant des canalisations, laquelle est elle-même fixée par des pointes, des vis ou des agrafes 14 sur un isolant 15 séparé de la structure par le réflecteur 16. Fig. 5, une autre variante nous montre toujours un enduit 17 déposé sur une structure plastique comportant les canalisations 18 elles-memes comportant des aspérités 19 permettant un bon accrochage de l'enduit. En 20, se trouve le réflecteur et en 21 l'isolant. Fig. 6, ici l'enduit 22 comporte une plaque de rigidité eventuel- lement percée ou ajourée 23 et, dans cet enduit, sont introduits des tuyaux 24 dont l'espacement peut être déterminé par des fils 25, le tout posé sur le réflecteur 26 et l'isolant 27. Planche 2/2, sont représentées en Fig. 7 et 8 des plaques de rigidite modulaires 28 recouvertes de l'enduit 29, emboîtées l'une dans l'autre comme des tuiles normales par les côtés en 30. Ces tuiles viennent écraser des gaines mono ou plurialvéolaires extrudées 31 sur lesquelles elles sont collées ; ces gaines servent au transport du fluide caloporteur et elles sont maintenues par lss~tuiles sur le réflecteur 32, lui-même posé sur l'isolant 33. Des vis 34 maintiennent les tuiles entre elles sur l'ensemble de la structure. Enfin, en Fig. 9, comme nous l'avons signalé au début de cette description, se trouve détaillé le raccordement d'un type de structure alvéolaire sur le collecteur du fluide caloporteur ; ce type de raccordement n'est pas limitatif et est présenté à titre d'exemple. En 35, nous voyons l'enduit, en 36 la structure alvéolaire, en 37 le réflecteur, en 38 l'isolant, en 39 le collecteur, le raccord se faisant par une fente dans laquelle est incrustée la structure en 40 collée selon 41 et, en 42, une forme faîtière englobant le collecteur et se raccordant avec les tuiles formées par l'enduit en 35 et ayant la même apparence et recouvertes du même enduit. REVENDICATIONS 1. Dispositif de captation de l'énergie solaire caractérisé en ce qu'il est constitué d'un enduit très bon absorbeur thermique de rayonnement solaire, déposé sur une structure alvéolaire à canaux dans lesquels circule un fluide caloporteur, ladite structure étant obtenue par extrusion d'une matière à base d'élastomères ou de thermoplastiques. 2. Dispositif selon la revendication X caracterise en ce que l'enduit est à base d'émulsion aqueuse ou de mélange d'émulsions aqueuses, de polymère ou de copolymères d'acétate de vinyle et d'esters maléfiques, ou de copolymères à base de styrène et d'esters acryliques colorés par des oxydes métalliques appropriés et chargés en matières minérales sous forme de micrograins provoquant un état de surface optiquement paradirctionnel. 3. Dispositif selon la revendication l caractérisé en ce que la structure alvéolaire en matière plastique ou en élastomère est mise en forme d'ondulation de tuiles a froid ou à chaud et où l'enduit est appliqué en pate durcissable et dont les constituants forment, apres durcissement, une carapace qui peut être recouverte d'une couche de matériaux bons absorbeurs du rayonnement solaire. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'enduit est appliqué sous forme de pate et présente des reliefs imitant un décroche de tuiles, ou d'ardoises, ou de briques, ou de pierres, ou d'enduits traditionnels de façades ou de crépis. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications de i à 4 caractérisé en ce que l'enduit renferme une armature en fibres de verre ou en fibres de matières plastiques à haute résistance mécanique ou en fils métalliques 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications de 1 à 5 caractérisé en ce que enduit est recouvert d'une mince couche de liant coloré à faible teneur en charges minérales 7. Dispositif selon les revendications de à 6 caractérisé en ce que la structure alvéolaire en matière thermoplastique est mise en forme par thermoformage, la forme obtenue imitant l'ondulation et/ou le décroché de tuiles. 8. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'armature est rigide et métallique et a la forme apparente d'une tuile de dessin determiné, et est appliquée sur une structure alvéolaire ou sur des gaines où circule le fluide caloporteur. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications de 1 à 8 caractérisé en ce que l'enduit est protégé du vent et des intempéries par une couverture transparente au rayonnement solaire, laquelle est placée à une faible distance de ce dernier. 10. Dispositif selon ltune quelconque des revendications de 1 à 8 caractérise en ce que l'enduit est recouvert d'un vernis transparent au rayonnement solaire qui protège ce dernier des dégradations dues aux intempéries et aux pollutions atmosphériques.