Brevet FR2556454A1 — publié le 19850614

La présente invention a trait au domaine de l'éner- gie solaire et plus spécialement de sor. stockage par des matériaux solides de capacité thermique améliorée. Elle concerne tout particulièrement un procédé de stockage de l'énergie provenant de capteurs solaires à air par emploi de parolis coules en béton ou mortier en blocs pleins ou ëlémen-..s analogues. Les systenies traditionnels issus du chauffage solai- re consistent à chauffer de 1 ' eau ou de 1 'air dans des capteurs solaires et à répartir le fluide dans des appareils de chauffage. Lorsque la. quantité d'énergie fournie par le solei est supérieure aux besoins immédiats, l'excédent doit etre mis en réserve pour etre utilisé pendant les périodes déficitaires, e particulier durant la nuit. En outre, le stockage à lona terme doit être également envisage car on voit tout l'intérêt de pouvoir utiliser pendant la période hivernale de l'énergie solaire recueillie au cours des journees d'été ensoleillées. De nombreux systèmes de stockage ont été imaginés, les plus courants étant composés d'installations accumula tours-échangeurs pour alimentation différée. Suivant que le fluide caloporteur est l'air ou l'eau, l'énergie solaire est stockee dans des lits de pierre, du béton ou dans l'eau. Des systemes plus perfectionnés font intervenir les chaleurs latentes de cnangement de phase (solide liquide) de sels minéraux contenus dans des sphères. Ces derniers dispositifs sont onéreux et difficilement rentabilisables dans le cas de maisons individuelles ou seul le stockage dans des accumulateurs simples peut être réalisable. En dehors des accumulateurs à eau, on connait aussi des moyens de stockage constitués par des éléments pleins ayant des caractéristiques géométriques appropriées et assemblés de manière à favoriser les échanges thermiques. On peut citer à cet égard des briques en terre cuite et des éléments en béton obtenus à partir de granulats courants, qui sont places dans des enceintes isoles se trouvant dans les soubassements de constructions. La capacité de stockage dépend de la chaleur speci- figue de la matière constituant les élements et de la masse ce ces éléments composant l'accumulateur. Pour des élér,ents de mêmes caractéristiques géométriques empilés d'une manière identique, on pet avoir des capacites de stockage différentes. En outre, les échanges thermiques (échauffement et refroidissements) sont favorisés lorsque la conductivité thermique de la matière constitutive des blocs est plus élevée.Ainsi pour la terre cuite, la masse spécifique de la matière est de 1 900 'kg/m3 en moyenne et sa chaleur spécifique de 0,16 kcalorie/kg C soit 0,18 kt/TOC dans l'in- tervalle de température de 20 à 100 OC. Un béton plein de granulats courants a une masse volumique sèche moyenne de 2 300 kg/m3 et sa chaleur spécifique est de l'ordre de 0,21 kcalorie/kg C soit 0,245 kwt/t C. L'un des buts de l'invention vise précisement à augmenter de façon sensible la capacité de stockage d'un arrangement d'éléments contenus dans un volume donné disponible par mise en oeuvre d'éléments constitués d'un matériau de masse volumique importante. Pour atteindre ce but principal, le procédé de l'invention fait également appel à la construction de murs ou parois réalisés au moins partiellement en béton ou mortier, mais il est essentiellement caractérisé par le fait que l'on emploie comme granulats pour la confection de ces bétons et/ou mortier des laitiers et scories métallurgiques "lourds", de masse volumique au moins égale à 3 000 kg/m3 et riches en silicate de fer, avec des teneurs d'au moins 20 % (en poids) de SiO2 et de FeO. C'est ainsi, par exemple, que la Demanderesse a pu établir des formulations de micro-bétons à partir de sables de O à 8 mm de laitiers métallurgiques granulés qui avaient les compositions chimiques suivantes Eléments dosés en % pondérai laitier 1 laitier 2 SiO2 40 29 CaO 10 17 A1303 6 7 MgO 2 1 FeO 40 29 Zn - 8 S 0,8 3 Ces compositions caractérisent des matériaux stables au point de vue physico-chimique. C'est la principale différence avec les laitiers métallurgiques, tels que ceux d'aciérie qui ont des masses spécifiques comparables mais qui peuvent présenter une certaine instabilité causant la détérioration lente ou brutale des bétons et mortiers, du fait de la présence de chaux libre. Formulation 1 . Granulé 0-8 mm de laitier 1 : 100 kg Ciment CPJ 45 : 40 kg Eau de gâchage : 15 litres Rapport eau/ciment : 0,375 Cette composition permet d'obtenir des éléments pleins dont la masse volumique sèche est de 2 600 kg/m3. Formulation 2 : Granulé 0-8 mm de laitier 2 : 86 kg Granulé broyé : 14 kg Ciment CPJ 45 : 20 kg Eau de gâchage : 10 litres Rapport eau/ciment : 0,50 Apres séchage à l'air libre, on a obtenu des éléments pleins d'une masse volumique de 2 670 kg/m3. L'utilisation de granulé broyé, en améliorant la maniabilité du béton ou du mortier, permet de diminuer la quantité de ciment et la quantité d'eau de gâchage. En outre, la masse volumique du mortier est encore accrue du fait qu'on remplace une partie du ciment de masse spécifique 3 100 kg/m3 par des fines de laitier dont la masse spécifique est de 3 600 kg/m3. L'utilisation comme granulat de béton, d'un laitier métallurgique à base de silicate de fer permet donc d'obte nir des mortiers ou microbétons dont la masse volumique est accrue de plus de 15 % par rapport à un béton de granulat courant. Etant donné que la chaleur spécifique de ces mortiers est de 0,21 kcalorie/kg C,donc comparable à celle d'un béton de granulat normal, l'utilisation d'éléments en mortier de laitier granulé à base de silicate de fer permet d'accroitre la capacité de stockage de plus de 15 %. En pratique, on met en oeuvre des laitiers métallurgiques à forte teneur en silicate de fer et dont la masse volumique des grains est supérieure à 3 000 kg/m3. On sait que, pour certains laitiers, on peut avoir des masses volumiques de l'ordre de 3 300 à 3 600 kg/m3. L'invention permet ainsi de valoriser des laitiers de ce type, riches en silicate et en oxydes de fer. Conformément à l'invention, les bétons lourds obtenus à partir des granulats précités peuvent servir a confectionner des parois ou murs à inertie thermique importante. En' saison froide, quand on coupe la source de chauffage, un local ayant des murs lourds isolés par l'extérieur subit un refroidissement plus lent qu'un local à faible inertie thermique. En période ensoleillée, au printemps et en automne, le flux d'énergie solaire entrant dans un local au travers des vitrages peut être supérieur aux déperditions ; il en résulte un échauffement de l'air ambiant et par suite de la partie intérieure de la paroi qui sert d'accumulateur d'énergie solaire restituée ensuite. On obtient un amortissement des pointes de variations de la température de l'air ambiant à l'intérieur du local. On voit donc l'intérêt d'utiliser des laitiers métallurgiques lourds granulés ou cristallisés pour la confection de parois à inertie thermique accrue. Ces parois peuvent être montées à partir de blocs manufacturés ou coulés en béton banché. Parmi les nombreux types de murs réalisables selon l'invention on en a illustré deux, à titre non limitatif, sur les dessins schématiques annexés qui représentent - figure 1 : un mur simple avec isolation par l'extérieur - figure 2 -: un mur plus élaboré, à isolation pariétodynamique. Le mur simple de la figure 1 se compose d'un élément porteur 1 réalisé selon invention en béton 11lourd" et d'un parement extérieur 2 de faible épaisseur. Entre les deux se trouve une couche d'isolant 3 d'épaisseur suffi sante pour assurer à l'ensemble un coefficient K permettant ze satisfaire les exigences de la législation en vigueur. Le chiffre a correspond à la couche de finition intérieure du mur 1. Ce type de mur ne permet que d'emmagasiner l'6ner- gie solaire en surplus pénétrant dans un local au travers des vitrages. Le mur à isolation pariétodynamique de la figure 2 est d'une autre conception. Il se compose d'un corps central porteur 5, en matériau lourd selon l'invention et possédant une inertie thermique importante. A la partie supérieure sont aménagés des passages horizontaux 6 joignant les deux faces. Une première lame d'air 7 est obtenue à l'aide d'un parement extérieur 8 de faible épaisseur, d'inertie thermique minimale mais ayant une forte conductivité thermique. Une seconde lame d'air 9 est créée en équipant la face intérieure par adjonction d'un isolant à plat 10. L'air extérieur Il introduit par des ouvertures basses du parement extérieur 8 circule dans la première lame d'air grâce à une ventilation mécanique contrôlée. Il se charge d'une partie de l'énergie solaire transmise à travers le parement extérieur, réchauffe la face du corps central 4 qu'il traverse dans la partie supérieure et re- descend le long de la seconde lame d'air 9 en continuant le réchauffage du corps central et en récupérant les déperditions thermiques provenant de l'intérieur du local et traversant la couche d'isolant. L'air préchauffe ressort dans la partie basse en 12 et est dirigé vers le corps de chauffe pour se voir elevé à la température recherchée. Le parement extérieur 8 peut être un vitrage pour permettre une transmission directe de l'énergie solaire 13 gui réchauffe l'air circulant dans la lame d'air et également la face du corps central. Ur. système d'occultation pendant les heures chaudes d'été permet de limiter les apports solaires et l'air extérieur n'est que faiblement échauffé au cours de son passage dans la lame d'air comprise entre le parement extErieur et le corps central. Celui-ci piege cependant une partie de l'énergie solaire ce qui permet d'améliorer le confort intérieur durant la période estivale. L'utilisation de mortiers ou bétons lourds selon l'invention, à base de laitiers ou scories de forte masse spécifique et riches en silicate de fer se révèle tout à fait bénéfique pour le montage de murs à isolation par l'extérieur ou à isolation pariétodynamique. REVENDICATIONS 1. Procédé de stockage d'énergie provenant de capteurs solaires à air par utilisation d'accumulateurs composés d'éléments en béton ou de murs ou parois isolants réalisés au moins partiellement en béton ou mortier, caractérisé en ce que l'on met en oeuvre, comme granulats pour la confection desdits béton ou mortier, des laitiers et scories métallurgiques "lourds" de masse volumique au moins égale à 3 000 kg/m3, riches en silicate de fer avec des teneurs d'au moins 20 8'en poids de SiO2 et de FeO. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits granulats sont utilisés sous forme brute en granulometrie 0 à 8 mm, une partie de ces granulats dans le béton ou mortier final pouvant être remplacée par des fines issues du laitier granulé broyé. 3. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou .2 à la réalisation de murs simples avec élément porteur (1) en béton lourd, matériau isolant (3) et parement extérieur, ou à celle de murs avec isolation pariétodynamique dont le corps central (5) en béton lourd est séparé du parement extérieur (8), généralement un vitrageyet de l'isolant intérieur (10) par des couloirs en lames (7, 9) où circule l'air provenant de l'extérieur