Brevet FR2515714A1 — publié le 19830506

La présente-invention concerne un procédé d'isolation thermodynamique particulièrement adapté aux locaux d'habitation, et les éléments de conception particulière utilisés pour la mise en oeuvre du procédé. L'isolation dynamique telle qu'elle est applicable dans les techniques de construction actuelles consiste à faire circuler une lame d'air dans la pali, l'isolant extérieur étant associé à un bardage. Ceci constitue un inconvénient dans la mesure où ce procédé d'isolation traditionnelle est sur le plan pratique, c'est-à-dire pour sa mise en oeuvre, subordonné aux aléas de chantiers dont les conséquences sont souvent préjudiciables à la qualité de l'ouvrage, au coût final de l'isolation, et aussi au respect des délais prévus de réalisation. Le procédé d'isolation thermodynamique selon l'invention vise à apporter les solutions à ces différents problèmes. En effet, ce procédé consiste à remplacer l'isolant prévu dans un système dtisolation extérieure traditionnelle avec bardage par des modules pré- fabriqués en usine. Ces modules sont réalisée de telle sorte outils définissent un ensemble lame d'air extérieure - isolant poreux - lame d'air intérieure, ceux-ci constituant la paroi à l'intérieur de laquelle circule l'air selon le principe thermodynamique fermée. Ainsi, la lame d'air extérieur est à la tenipérature extérieure, donc sans déperdition. La lame d'air intérieur est à une température proche de la température intérieure du logement, d'où récupération du flux des déperditions et échauffement de l'air qui peut, suivant une des applications de l'invention, 8tre transporté par une boucle d'eau glycolée vers une pompe à chaleur. Quant à la mise en oeuvre du procédé, elle est avantageusement favorisée par l'utilisation de modules préfabriqués, dont la mise en place est d'une grande simplicité. Un objet de l'invention consiste à réaliser un assemblage desdits modules par emboitement vertical, la fixation se faisant sur la façade selon un maillage pré-établi. Le dessin annexé 172 est une coupe où apparat Fig 1 un module et les circuits d'entrée/sortie de l'air qui le traverse, la Fig.2 représente un détail en coupe d'un type d'emboitement possible des modules, la fig.3 représente un moyen de fixation des modules sur la façade de l'habitation. Le dessin annexé 2/2, Fig.4 représente une application du procédé d'isolation thermodynamique utilisant les modules, objets de l'invention, quand une pompe à chaleur équipe l'ensemble du dispositif. Tel que représenté sur le dessin 1/2, le module est disposé extérieure ment à une paroi 1 constituant la façade. Ce module comporte deux coques 2, 3, réalisées en plastique, ciment fibreux ou autre matériau en feuille, fixées l'une sur l'autre, et prenant en "sandwich" l'isolant 4 au moyen de tenous, permettant ainsi la circulation de l'air de part et d'autre. L'air froid canalisé en 5 pénètre dans le module inférieur en le traversant jusqu'à frapper la paroi extérieure du caisson en 6. La circulation du bas vers le haut est la plus favorable. L'air froid constitue une première lame extérieure 7. Rappelons que cette lame d'air extérieur est,à.une- tempé- rature proche de la température extérieure. L'isolant poreux 4, qui peut être de la laine de verre est traversé par l'air frpid et constitue alors une lame d'aire réchauffé en 8 par les déperditions ,émanantde la paroi 1 dont la température tend à approcher celle de l'intérieur de l'habitation. Cette lame d'air chaud est alors canalisée en 9,puis exploitable selon divers procédés tels que l'association à une pompe à chaleur.Notons que dans cet exemple, l'isolation du plancher 10 et du plafond 11, est réalisée de façon traditionnelle telle que réprésentée en 12, 13, 14. Précisons encore que la présence d'un isolant 15 dans le module inférieur est justifiée par la proximité de la dalle 10 dont les déperditions ne sont pas suffisamment exploitables et que cet isolant favorise de plus le contour de l'isolant poreux 4 par l'air froid arrivant du circuit 5. Tel que représenté sur le dessin 1/2 Fig.2, lemboitement vertical des modules est réalisé de telle façon que les plans de joints sont parfaitement étanches, la dilatation des différents éléments se faisant sans contraintes néfastes. La Fig.3 fait apparaître le mode de fixation quand celui-ci est réalisé par goujon ancré. Notons a présence de mousse isolante coté mur, ceci pour éviter le pont thermique. Tel que représenté sur le dessin annexé 2/2 FiG.4, un immeuble d'habitation est isolé selon le procédé objet de l'invention, le circuit d'air étant exploité dans une pompe à chaleur 16, L'air chaud est collecté à partir des modules supérieurs I7 par un circuit 18, au moyen de, collecteurs 19. L'air refroidi, sortant de la pompe à chaleur 16, est redistribué en bas des modules par un circuit similaire 20. Notons que les, dimensions. des, modules tels que 21 dont la hauteur en particulier correspond à celle d'un niveau de construction permet une très grande pré-fabrication en usine. A titre d'exemple d'application du procédé d'isolation selon l'invention citons le calcul thermique suivant G statique = G calculé lorsque le système d'isolation ne fonctionne pas. G dynamique = G calculé lorsque le système d'isolation fonctionne. La localisation se fait à Trappes orientation Nord/sud Dh = 62 300 OCh ) température intérieur de référence = -70 C N = 5 500 h ) E = 44 400 wh/m2 ) température intérieure résultante = + 180 C Les calculs portent sur un appartement en étage courant, d'un immeuble R + 2 de 6 logements. Volume habitable : 170 m3 Volume des pièces principales . 104 m3 Surface habitable : 68 m2 Début d'extraction mini : 75 m3/h (0,72 Vol.P.P/h) Début d'extraction maxi : 150 m3/h (1,44 Vol.P.P/h) Début d'extraction moyen : 110 m3/h (1,06 Vol.P.P/h) Nota La valeur retenue pour le calcul est celle du débit moyen soit 110 m3/h. Le chauffage est du type mixte par convecteur bi-énergie avec thermostats et régulation incorporée : - eau chaude basse température - électricité en appoint. A/ DETERNINATION DU COEFFICIENT G EN ISOLATION STATIQUE 1/ Calcul des coefficients K et k - Parois vitrées . Menuiserie bois à double vitrage (e : 10 mm) avec bonne fermeture - K JOUR/NUIT K = 2,4 W/m2 OC - Mur extérieur, au niveau des modules Panneau béton préfabriqué : 12 cm Vide d'air 4 cm Laine de verre 10 cm Vide d'air 4 cm Pont thermique périphérique K = 0,35 W/m2 OC - Mur extérieur, au niveau des allèges Panneau béton préfabriqué 12 cm . Vide d'air 4 cm Laine de verre 10 cm . Vide d'air 4 cm .Pont thermique périphérique K = 0,35 W/m2 OC - Mur extérieur, au niveau du balcon Panneau menuisé K = 0,45 W/m2 OC - Nur intérieur sur la cage d'escalier K = 3,2 W/m2 OC - Porte d'entrée K 1,2 W/m2 OC - Pont thermique sur le balcon k = 0,36 W/ml OC - Pont thermique sur la cage d'escalier k = 0,25 W/mL OC 2/ Calcul du coefficient G statique a/ Déperdition par transmission (par C) TYPE DE PAROI K ou k S ou 1 KS ou KI Mur sud 0,35 10,50 3,68 Allège 0,35 1,70 0,6 Menuiserie 0,45 3,68 1,66 Paroi vitrée ?,4 7,14 17,14 Mur Ouest 0,35 I9,69 6,89 Allège 0,35 2,35 0,82 Paroi vitrée 2,4 2,65 6,36 Mur nord ,35 14,44 5,05 Allège 0,35 0,45 0,16 Paroi vitrée 2,4 2,05 4,92 Mur Est 0,35 3,94 1,38 Pont thermique,balcon 0,36 0,80 0,29 Mur intérieur 3,2 0,15 19,25 9,24 Porte 1,2 0,15 I,85 0,33 Pont thermique,cage d'escalier 0,25 0,15 I6 0,60 59,12W/C b/Déperditions par infiltrations (par degrés) m = 0,3 Am = 11,84 m2 é = 1,1 Di = 0,34x0,3x11,9x1,1 = 1,33 W/ C c/ Déperditions par renouvellement (par degrès) v = 110 m3/h Dr = 0,34 x 110 = 37,40 W/ C d/ Déperdition globale et coefficient G statique D = Dt + Dr + Di = 97,85 w / C G statique = 0,58 W/N3 C On constate que G statique B/ DETERMINATION DU COEFFICIENT G apparent obtenu en isolation PERMEODYNA- NIQUE 1/ Rappel thermique Déperdition Apport gratuit Transmission Dt# Interne Ai# Infiltration Dt# Solaire A## Statique Renouvellement d'air D## Globale D# Global A# Transmission Dtd Interne Aid=Ai# Infiltration Did=Di# Solaire A#d Dynamique Renouvellement P A C Apd d'air D#d=D## La lame d'air intérieur D#d globale Dd Global Ad Le bilan global nous donne A Bo 5 #B - #A= B#- j ss D \A = a s? d - A besoin de chauffage en statique besoin de chauffage en dynamique Le principe reste le même si l'on raisonne sur une année de chauffage. B G apparent = DI.V (Bd : Besoin de chauffage calculé suivant la méthode du CSTB). REMARQUE : Ad = Puissance calorifique utile de la PAC p - Puissance électrique consommée Puissance frigorifique Pe : Puissance électrique Pf : Puissance frigorifique sur l'évaporateur Pc : Puissance calorifique Or dans une année on peut écrire que avec une première approximation avant de déterminer les caractéristiques de la PAC proprement dite. #1 = 0,80 #2 = 0,80 Ces facteurs représentent une récupération moyenne sur l'année tenant compte - du rendement de la boucle à eau glycolée et des batteries d'échange - - de la variation des écarts de température des 2 sources froides sur les échangeurs - du foisonnement (facteur d'intermittence) de la P A C - du C.O.P. de la P.A.C. N.B. Ces valeurs de ## et Uz pourraient autre améliorées sensiblement suivant les résultats d'exploitation. Apd = 0,8 ( Drd + Ded ) p r De) C/ DETERMINATION DE LA DIMINUTION DU COEFFICIENT G OBTENU EN ISOLATION PERMEODYNAMIQUE 1/ Déperdition par transmission (par degrés) a/ Valeur de K du module perméodynamique : Ke (déperdition par la face extérieure) avec m = débit massique (Kg.s-1) # = conductivité en (W.m-1.k-1) v = vitesse en (m.s 1) = 2 m/h c = chaleur massique en (,J.Kg k ) e = masse volumique en (Kg.m 3) e = épaisseur en (m) - Valeurs retenues v = 1 m/h # = 0,041 (W.m-1 .k-1) laine de verre e = O,IO m x = 0,0603 m Ke=0,16W/m2/ C b/ Coefficient K moyen du module perméodynamique Compte tenu de l'isolation placée au niveau des joints entre modules :: ke perméodynamique moyen = O,I9 W/m2 K c/ Déperdition par transmission Surface des modules perméodynamiques . Mur sud 10,50 . Mur ouest I9,69 . Mur nord I4,44 . Mur est 3.94 total 48,57 m2 donc Dtd = 59,12 - (0,35 - 0,19) . 48,57 = 51,35 W/ C 2/ Déperdition par infiltration (par degrés) Did = DiA = 1,33 W/ C 3/ Déperdition par renouvellement d'air (par degrès) Dd = DA = 37,40 W / C 4/ Déperdition par la lame d'air intérieure (par degrés) En considérant une vitesse frontale de 2m/h, on obtient le débit Q = 2 x 53,82 = 107,64 m3/h avec S : 53,82 m2 : répartition moyenne des surfaces perméodynamique par appartement. La température de l'air étant estimée à +170 pour un rejet à +20. Les déperditions par degrés sont donc : D1d = 0,34 # 107,64 = 36,60 W/ C 5/ Déperdition globale et coefficient G dynamique Dd = d + d + Dd + Dd = 51,35 + 1,33 + 37,40 + 36,60 + 126,68 D t Di r 1 + 126,68 W/ C G dynamique = Gd = 0,75 W/m3/0C D/ BESOIN ANNUEL DE CHAUFFAGE EN ISOLATION DYNAMIQUE SANS POMPE A CHALEUR I Calcul de la surface équivalente Sud S FA CA DE sud ouest nord est Paroi vitrée A . 7,14 2,65 2,05 S' 0,43 0,43 0,43 f moyen 0,41 0,52 0,56 C1 1 0,56 0,23 S# 1,26 0,33 0,11 1,70 Paroi opaque A 15,88 22,04 14,89 3,94 K global 0,25 0,I8 0,17 0,I6 1/He 0,06 0,06 | 0,06 0,06 f 0,68 0,80 0,80 0,20. C1 1 0,56 0,23 0,56 SA 0,16 0,11 0,03 0,004 0,30 S# résultant 1,42 0,44 0,14 0,004 2,00 SA = 2,00 m2 2/ Calcul du facteur de couverture solaire passive (F) Déperdition annuelle Dd = Gd . v . Dh = 0,75. 1,70. 62 300 = 7 892 164 Wh/an = 7 892 kWh/an Apport interne Ad. = 1 ,5.V . N = 1,50 . 170-. 5500 @ = 1 402 500 Wh/an Soit :D' = Dd - Aid = 6 489 664 Wh/an Ce qui permet de calculer X (rapport des apports solaires sur les déperditions) X = 2,00 . 444 000 = 0,137 6 489 664 Ce qui, compte tenu de l'inertie moyenne du bâtiment nous donne - F = 0,095 3/ Calcul des besoins annuels de chauffage (B) B = D' (A-F) = 64 89 664 (1- 0,095) = 5.873.146 Wh/an E/ BESOIN ANNUEL DE CHAUFFAGE EN ISOLATION DYNAMIQUE AVEC POMPE A CHALEUR (Bo) 1/ Calcul préliminaire Nous avons vu que Bo = B - Apd Apd = 0,8 ( Dpd + Ded) Calcul d'un coefficient G fictif (G*) pour des déperditions égales à 0,8 (D@d + Dtd) = D* = 0,8 (37,40 + 21,11 ) = 46,81 W/ C et donc :G* = 0,28 W/m3 / C 2/ Calcul des apports annuels moyens de la P A C Apd = G*.V.Dh = 2.916.138 Wh/an 3/ Calcul de Bo Bo = B = - Apd = 5.873.148 - 2.916.138 = 2.957 008 Wh/an = 2.957 kwh/an F/ CALCUL DU COEFFICIENT G APPARENT (Ga) On a par définition Bo = Ga . V. Dh Donc Ga = Bo V.Dh Ga = 0,28 W/m3/ C G/ REPARTITION DES CONSOMMATIONS PAR LE CHAUFFAGE ELECTRIQUE DIRECT ET PAR LA P A C La température de fond étant estimée en première approximation à 9 C, nous avons les consommations C chauf.élect. = Ga V.(19-9) C P A C = Ga. V. (9 + 7) Cchauf.élect. = 476 W Cp A C = 762 W Soit un rapport de 1,60 Le procédé d'isolation et les modules objets de l'invention est applicable dans tous les cas où les conditions climatiques courantes sont-compa- tibles avec les caractéristiques générales telles que définies précédemment ceci pour isoler de façon efficace des locaux à usages divers, et particulièrement ceux à usage d'habitation. REVENDICATIONS 1 - Paroi isolante extérieure caractérisée par le fait qu'elle comporte deux coques (2,3), réalisées en plastique, ciment fibreux ou autre matériau en feuille, prenant en sandwich un isolant poreux (4) au travers duquel circule l'air définissant ainsi l'isolation dynamique. 2 - Paroi isolante extérieure selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la répartition des éléments définit deux lames d'air (7,8) réparties de part et d'autre de l'isolant poreux (4). 3 - Paroi isolante extérieure selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite paroi est réalisée sous forme d'éléments modulaires 21 dont les dimensions correspondent aux normes de construction, ceci autorisant la préfabrication desdits éléments en usine. 4 - Paroi isolante extérieure selon les revendications t et 3, caractérisée par le fait que l'assemblage des éléments modulaires 21 est réalisable par emboitement vertical. 5 - Procédé d'isolation issu de l'utilisation des éléments modulaires selon les revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la circulation de l'air se fait de l'extérieur (7) (froid) vers l'intérieur (chaud) (8) au travers d'un isolant poreux (4), les calories dissipées par le mur (1) étant alors collectées en (9) puis exploitables, notamment dans une pompe à chaleur. 6 - Procédé d'isolation selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'absence de ventilation, d'où l'état statique offre toutefois une isolation efficace contre la chaleur extérieure.