Brevet FR2522794A1 — publié le 19830909

- - Description a/ Titre de 1' invention. COQUES SOLAIRES STRUCTURO-THERMIQUES = C. S. S. T b/ Indication du domaine technique de l'invention Les C.S.S.T s'appliquent dans le domaine de la construction en general( Genie-Civil ), individuelles ou collectives , a usage industriel, civil , ou militaire, les C.S.S.T peuvent être | || réalisées en constructions fixes ou ambulantes, en préfabriqués ou coulées in-situ . c/ Indication de l'etat de la téchnique antérieure faisant sortir le probléme téchnique posé . D'abord , pour dominer la téchnique antérieure sur le solaire, il il m'a fallut une année de bibliographie et de renseignement, voire meme des enquetes pour maitriser ce problème. En effet, Je me suis apperçu que les chercheurs en general, ne sont pas spécialises dans ce domaine d'une manière effective, car la plupart ne conaissent pas d'une manière approfondie le fond du problème du genie-civil, tels que ,ètudes de structures, béton, et méchanique des sols, thèrmique ect... , car le problème consiste à réunir ces conaissances avec celles de la physique du solaire, qui est relativement a la porte'e de tout scientifique, de sorte à en sortir de ces deux élements principaux une construction solaire universelle , comme c'est le cas des C.S.S.T . Les realisations actuelles se limitent , aux capteurs solaires t | d eau , et au chauffage par mur a grande épaisseur 45 a 60 cm et par thermoclrculation d'air utilisé à Odeillo (Four solaire) ! CAPTEURS SOLAIRES: Ils présent des anomalies d'ordre technique et economique Fuite trds frèquente d'eau des que la température croit dans celui | -ci. Coifficient de dilatation non homogene . Perte de chaleur par conduction et convection . Installation souvent compliquée . Prob -leme de la corrosion et de tartrage . Chauffage des locaux souvent assez long . Rendement global faible .Prix de revient élevé CONSTRUCTION EQUIPEE DE MUR SOLAIRE A THERMOCIRCULATION D AIR EXEMPLE : 'FOUR SOLAIRE A CDEILLO' CONSTRUCTION EQUIPEE DE MUR SOLAIRE A THERMOCIRCULATION D AIR EXEMPLE : FOUR SOLAIRE A ODEILLO. Le principe de cette réalisation est simple, seulement,le problème est que, l l'energie soit captde et localise dans un mur en simple fagade dont l'epaisseur est cosiderable. Sur le plan thermique, Je me suis aperçu que ce mur. par. faible ensoleillement ne chauffe plus les locaux, et en périodes d'été il crait un surchauffe allant Jusqu å 50-degres., ce qui est insuportable par l'homme. Lenergie solaire incidente est trés reduite,'mur a plan vertical'. Le chauffage des locaux par thermocirculation d'air , ce qui n'est pas efficace car risques fréquents de courant d'air , d'ou refroidissement brusque du milieu à chauffer. Le rayonnement thermique est tre's faible et reduit.Comportement thermique géneral compliqué Assez de turbulanees, perte de chaleur vers l'exterieur surtout au niveau des plafonts.Utilisation accrue de materiaux et de matieres isolantes, rendement géneral faible, cout de realisa -tion cher , aspect architectural médiocre et difficillement géneralisable. d/... e/... ... Ces quatre descriptions sont exposées , dans les pages, suivantes constituant : les solutions appor g/ -tees par l'invention, une presentation de dessins avec exposé détaillé en réference aux dessins ainsi que les modes de fonctionnement de la struc -ture et ses principes de fonctionnement , avec enfin, la maniere dont l'invention est susceptible d'application industrielle. DETAILS AVEC TEXTES ET DESSINS RELATIFS AUX PARAGRAPHES d/ e/ / g/ DE LA DESCRIPTION DE L INVENTION COQUE SOLAIRE STRUCTURO-THERMIQUE RELATIVE A LA DEMIE-SPHERE CES DESCRIPTIONS SONT RELATIVES ET APPLIQUABLES A TOUTES FORMES CONTRUCTIVES EN CQQUES OU EN PLAQUES AVEC AXES DE SYMETRIES VERTICAUX OU HORIZONTAUX , OU AXES DE REVOLUTION VERTICAUX . COQUE SOLAIRE STRUCTURO-THERMIQUE A USAGE UNIVERSELLE . Aspet de résistance: Aspect thermo-solaire: Aspect phonique: .. Bonne tenue phonique .. Coque sans flèxion .. Captage élevé d'énergie .. Auto-isolation du bruit .. Résistance au seisme solaire. éxterieur. .. Résistance aux surcharges ..Auto-régulation thérmique. statiques. .. Parfaite isolation thèrmique. .. .. Résistance aux surcharges .. Stockage de la chaleur. dynamiques. .. Chauffage,ventilation, eau .. Résistance au glissement chaude courante. de terrain. .. Chaufage en ciel couvert. .. Réalisation in-situ ou .. Chauffage par rayonnement Aspect architectural. en préfabriqué. thermique,ou par air .. Adaptable à tous les sites .. Construction fixe ou .. Préselection de temperature .. Fonctionnelle et armonieuse. ambulante. .. A usage collectif ou individuelle, Aspect economique. industriel, militaire,ou civil. .. Faible apport de matériaux de construction. .. Réalisatin rapide. .. faible prix e revient. DESIGNATICN REPERES Parois passive * I Parois d'air stabilisatrice 2 - 14 Parois chauffante principale D - 15 Entree d'air fraic "Phase ventilation 4 - I7 Entrée centrale d'air chaud 5 Conduite centrale d'air chaud 6 Sortie d'air chaud "Phase A".........................7 Aspirateur.........................................8 Entree d'air fraic Phase D 9 Sortie d'air fondation 10 Base de la coque Il Vitre de l'insolateur..............................12 Parois absorbante 13 Entrée d'air dans l'insolateur.....................16 Isolateur thermique et amortisseur seismique.......18 Couche isolante 19 Appuis elutique : 20 Entree d'air dans la base de le coque 21 Couche d'air isolante,conductrice d'air chaud 22 Ces designations sont relatives a la coque solaire structuro-thermique a conduite centrale representee par la(figure: I) dont les elements principaux sont: -Insolateur (I2)et(I3)qui capte 1 energie solaire au moyen de la parois absorbante (I3). -La parois d air (2)et(I4) equilibre et stabilise la tem -perature de la parois (3)et(15), et isole la coque du bruit exterieur. -La parois (I) preserve la chaleur de la parois(2). -La conduite (6) conduit 1 air chaud a la base de la coque ou a son interieur, -La parois (22) isole la base du sol,et permet a 1 air chaud de circuler dans la fondation et se repartir ensuite dans toute la construction. -Le rideau (I8) isole thermiquement la fondation et amortit les ondes seismiques. CARACTERISTIQUES TECHNIQUES DE LA COQUE SOLAIRE STRUCTURO-THERMIQUE Nombres Repères Matériaux ou matières Epaisseur orifices Observations d'orifices en (cm) I béton,maçonnerie,métal,bois 5 # e # I0 plastique... 2 - I4 couche d'air 5 # e # 20 3 - I5 béton,maçonnerie,métal 5 # e # 20 I3 béton,maçonnerie,a surface noire mate:ou de préfèrences tole de fer oxidée. 0,I # e # I I2 verre en élements assembles 0,2 # e # 0,3 a I0cm de la surface I3 6 béton ou métallique ou 0,2#e # I amiante. I8 liege,caoutchout, ou matière I #e # 5 élastique . 7.9.5.2I selon le selon le dépendent de la taille debit debit de la construction. 22 couche d'air 5 # e # 30 II beton,métallique I0 # e # 20 = I6.4.I0 selon le selon le debit debit @N.B : La perspective de la coque representee par la figure : 22 donne une vue d'ensemble sur la disposition des orifices Figure 2 Le fonctionnement est simple ,la température dans l'insolateur 2 croit a l'apparition du soleil , l'aspirateur 6 est alors actionné automatiquement,et l air chaud est ainsi aspire par 6 de 1' insolateur en passant par les orifices 3,puis l insolateur 2, la conduite 4, et enfin la sortie 5 , 1 air chaud décharge ses calories å l'interieur 8, et le cycle continue,l'aspirateur est actionné par un thermostat place au sommet de 1 insolateur. Figure 3 Le principe est le mAeme que la figure 2 sauf que l air chaud circule dans la fondation chargee de galets ou de terre,avant d'entre libere a l'interieur de la coque, le chauffage et le stockage se febt exclusivement par rayonnement,par la fondation I, la parois 6, les dalles 7, et les cloisons 8, le nombre de ces deu derniers est illimite. Figure 4 Lair chaud circule dans toute les cellules dela construction sous l effet del'aspirateur, le stockage se fait dans toute la masse constituant la construction, dalles, cloisons, fondation,meubles,ect.. Figure 5 Lair chaud circulant dans la conduite I, permet a 1 'eau dans le reservoir 2 de chauffer a son tour par convection et conduction. Figure 6 Pendant les périodes sans soleil , on utilise un chauffage d'appoint dont la cheminee est la meme conduite centrale 2 , l'air chaud dégag par I permet a4 l'eau du reservoir 3 de chauffer par convection et par coduction avant de perdre ses calories vers l'exterieur. Figure 7 Pendant 1 ete la ventilation ne demande aucune modification de la structure , on procede simplement aux ouvertures I de la parois 2 de 1 insolateur 3 et du sommet de la coque 4 , ainsi 1 interieur de la construction est parfaitement tempere quelque soit la tem -perature de 1 insolateur et de 1 exterieur. Figure 8 En periode d ete , on peut obtenir de 1 eau chaude au moyen des conduites I encastrees dans 1 insolateur 2 alors que la ventila -tion de la construction est toujours assuree. Figure 9 Dans certaines constructions collectives et a grandes surfaces, la conduite centrale devient encombrante exp: Piscine,salle de spectacle.Dans ce cas, l'aspirateur est place au sommet dela coque I, 1 air fraic passe par les orifices 2) puis 1 insolateur 3, se charge de calories pour les liberer enfin a linterieur de la construction en passant par le sommet 4 .Parallelement on obtient de l'eau chaude aux moyen des conduites 5 . Le chauffage se fait par rayonnement et thermocirculation d'air. Le stockage de la chaleur se fait dans toute la masse de la construction. Figure IO Pendant l'été les ouvertures des orifices I et 2 assurent la ventilation de la construction, tout en ayant de 1 eau chaude aux moyens des conduites 3 Figure II Represente une coque en simple parois I , cette construction est valable loraqu veut obtenir une temperature interieuretres élevée l'6té ou l'hiver car, elle est dépourvue de parois stabi -lisatrice. Figure I2 represente la coque chauffée par rayonnements solaires directs I, a travers la vitre 2 . La parois absorbante dans ce cas est la base 3 qui chauffe la construction par rayonnement et convection. Figure 13 Represente le mode de liaison de l'insolateur et des parois. Les elements 8 et Il (voir principe Fig I4) sont liés par le Joint en mortier 9, et l'acier de maintient I0 , le tout est liée a' linsolateur 2 et la vitre 4 par le goujon ancre, et les bague d'entretoises 71 et 1 ensemble de fixation 5, le Joint de dilatation 6 assure les liaisons thermiques. I est la parois stabilisatrices (extremmement importante), 3 est la parois absorbante et chauffante. Figure I4 represente le principe ae réalisation d'une construction en coque en elements préfabriques,identiques,decroissants,liés entre eux par des aciers de maintiens ou de traction, car les coques solaires sont sans flexion. I element prefabrique , 2 acier de liaison Figure 15 Represente les details 6 7 8 9 21 de la fig : I dans la fig: 15 Figurent trois phases Phase A s Lair chaud qui arrive de 1' insolateur est aspire par le ventilateur 8 pour se diffusera 1 interieur de la construction par les orifices 9 , les orifices 7 et 21 sont fermées. Phase B :Les orifices 7 et 9 sont fermées,l 'air chaud passe dans la fondation(batterle). Phase C t pour récuperer la chaleur stockee dans la fondation, l'air fraic lintereur de la construction passe par les orifices 7 pour se diffuser dans cette premiere,les orifices 9 , 21 sont dans ce cas fermées. Figure I6 Nous montre le principe de realisation technique de la fondation Elle est constitués d'une dalle en élements préfabriqués 2 lies par des Jointe de dilatation et appuies sur des appuis cylindriques 4 leur stabilitée est ainsi parfaite,et l'air chaud 3 peut circuler et se diffusé en écoulement libre et laminaire dans toute la fon -dation. 6, entrée de 1 air chaud, I sortie de 1 air fraic,voir fig t I ou cette fondation est répresentée en coupe. Figure : I7 (Periodes de chauffage) Représente les valeurs de temperature en differents points de la v.S.S.T . les repères representent les valeurs exactes de ces temperatures, a 5C cm figure les temperatures respectives de l'air a 2800, et de rayonnement thermique a 29 C.Cette figure est sans echelle . Ces resultats sont relatifs a la courbe de temperature de la figure : 20 au couche du soleil.On remarque que toutes les tempe ratures de la coque sont tres voisines et dont la moyenne est de 3C C alors que la temperature exterieure est de 5 C Figure :I8 Represente les valeurs de temperature en differents point de la coque en periodes de ventilation à midi solaire vrais Figure : 19 Montre le comportement thermique des differentes parois de la coque solaire structuro-thermique et le mode de fonctionnement de chaqu'une d elles. Figure : 20 C'est la figure la plus interessante , elle interprete les courbes éxperimentales de temperature enregistrées pendant trois Jours et trois nuits consecutifs, on remarque les proches valeurs de temperature entre celles de l'air et du rayonnement thermique respectivement 3e 2 . Quant au temperature exterieure elle est representee par le repere 4 .Le deuxieme Jour d'experimentation le ciel etait entierement couvert. I...Courbes d'ensoleillement enregistrees par le Pyranometre. 2...Courbes de temperature ae rayonnement thermique. 3... = = = de l'air. 4... = = = Exterieure à l'abrit. 5...Valeur de la vitesse du vent en km/h. 6... = ae l'humidite de 1 air en 7...Absices des temperatures. 8... = des energies.solaires. Figure : 21 Represente les courbes des temperatures obtenues pendant les periodes de ventilation. Les reperes sont les mêmes que la Fig :20. i@@@ : I @ege@ @. ayonnement thermique............... Convection naturelle................ Convection forcee................... Equilibre thermique................. Thermocirculation d air............. Notation. Rayons incicents GI. Rayons absorbes ....... Ga Hayons reflechis Gr Energie recue ...................... Qr Energie stockee..................... Qs Energie perdue...................... Qp Remarque: Voir Fig : I pour les reperes et les designations. Crdre de grandeur du bilan thermique. Qr = Qs + Qp 100% 88% I2% Qs : Energie stockée par thermocirculation d'air, par rayonnement, et convection dans toute la masse constituant la construction. wr : inergie absorbee par 1' insolateur et distribuée par conauctiOn , convection forcee, et rayonner nt. Qp : Pertes vers l ' exterieur par : convenction, rayonnement,reflexion dela vitre conduction et convection avec le sol. FIGURE t 22 Montre une perspective en coupe de la coque solaire structuro -thermique en demie-sphère, cette coque represenbe l'exemple I de la figure 24 . Sur cette perspective on constate les mêmes details et les mêmes reperes que la figure I , l'attention est surtout attirée sur la disposition des orifices. - L'insolateur 12 et I3 engendre la facade sud dont l'angle est de I80 degres , suivant la traJectoire du soleil. - Le repere 5 represente le passage d air chaud de l'in- -solateur a l'interieur de la construction , cette con -duite est centrale. - Les orifices d'entre de l'air décalorifié 16 dans l'insolateur, elles sont disposées en bas de celui ci sur un angle de I80 degres - Orifices de sortie de l'air IO de la fondation,disposées sur 360 degres - Orifices deventilation I7 de l isolateur,disposées sur I80 degres cote Sud. - Orifices de ventilation 4 des parois de la coque disposeés á 360 degrés. - le repere 8 represent l'aspirateur central. Figure : 23 Elle represente les façades de constructions en coque solaire a axe de symetrie vertical ou horizontal , le repere 4 represente une combinaison entre les formes aux reperes I et 2 Figure t 24 Represente des façades de construction a axe de revolution central , l'exemple de la sphere est celui le numero I EXEMPLES de realisations en roques Solaires Structuro-Thermiques,repondant aux discriptions de 1 invention. Figure : 25 Maison en Coque Solaire Structuro-Thermiques ( C.S.S.T ) en forme d'ellipsoide, on remarque l'aspect architectural de cette construction, avec sa terrasse et son balcon . Ses fenetres exposes au sud ne genent en aucun cas le fonctionnement thermique de la coque. On obtient ainsi les rayonnements directes a travers la vitre. L'eau chaude peut atteindre en permanance les 50 degres centigrades. La surface de linsolateur peut etre reduite selon le besoin energeti -que. Figure : 26 Represente l'amenagement interieur de la maison de la Fig : 25 Au rez de chaussée figurent les chambres, cuisine, wc,ect.., donnant sur une terrasse . au premier étage , un salon avec son balcon, l'ensemble est relié par escaliers en spirales Figure : 27 Maison Solaire en C.S.S.T en demie-sphere avec les mimes amenage -ments interieurs que la Fig : 25 Figure : 28 , 29 C.S.S.T a grande surface et a usage collectif. Exemples: Piscines, Salles de sports, Salles de spectacles, Grandes surfaces commerciales Hangarts, Construction a usage touristique. ....... Figure : 30 C.S.S.T a grande surface a terrasse et a balcon, cette construction à multiples usages que la fgure s 28 . 29 , peut être utilisée dans les regions cotieres. Figure X 3I Construction en C.S.S.T a usage artistique ou touristique. Figure : 32 Construction en C.S.S.T en élements prerabriques ,métalliques par exemple , elle est flottante , a usage touristique, militaire, ou industriel. Figure : 33 Figure : Cette construction est interessante , elle est faite en elements prefabriques symetriques faciles a monter ,en metal ou en bois ou en matiere plastique. Elle est ambulante , utilisee dans un terrain naturel, accidente , ou inaccessible, avec appuis de reglage de niveau , Elle est a usage industriel , militaire , ou tcurlstique, exemple: laboratoires,ou habitation de chantiers in dernieres pages figurent les photos en couleurs montrant les principales phases experimentales ces photos sont aux nombres de sept. REVENDICATIONS C.S.S.T - Coques solaires structuro-thermXques. Les @C.S.S.T presentent les designations et les caracteristiques || representées par les Fig : I . 11. I2 2/ Selon la revendication I , les C.S.s.T sont caracterisées par le fonctionnement thermique et solaire, chauffage et stockage de la chaleur representes par les Fig : 2 . 3 . 4 . 9 Selon les revendications I et 2 l'exploitation d'eau chaude est representeé par les Fig = 5 , I0 q 6 Selon la revendication 3 l'eau chaude de la Fig : 5 peut être obtenue au moyen du chauffage d'appoint de la Fig : 6 Selon la revendication I la ventilation et l'eau chaude sont obtenues aux moyens des Fig : 10 : 7 6 Selon la revendication I , le principe de réalisation des C.S.S.T. est obtenu in - situ ou en prefabrication au moyens des Fig : i6 . 22 , le principe de liaison , parois insolateur est est represente par la Fig : I3 7#| D'apres la revendication I , le comportement phonique et seis -mique est represente par les figures I . 11. 22 , le mode de fonctionnement thermique des parois par la fig : I9 . 8# D'apres la revendication I ,les C.S.S.T. peuvent avoir les ossatures et formes representees par les Fig. : 23 . 24 9# D'apres la revendication I les formes architecturales relatives aux C.S.S.T, peuvent entre-autres être representées par les exem- -ples des Fig : 23.24.25.26.27.28.28.29.30.3I.32.33 .