Brevet FR2621385A1 — publié le 19890407

page 1 262 1385 Procédé et dispositif de climatisation, de chauffage, de régulatiorn et de traitement hygrothermique des constructions, constructions résultant de leur- mise en oeuvre et procédé résultant de leurs fcondations. La présente invention concerne la climatisation, le chauffage, la régulation et le traitement hygrothermique des constructions. Elle peut s'appliquer à des salles de sports, des piscines, des usines, des habitations, des serres ou toutes autres constructions déterminant un espace dont on veut controler les températures et ou to l'hygrométrie et ou la luminosité. De nombreux procédés ou dispositifs de chauffage, particulièrement de chauffage solaire ont déja été développés. Une partie de ces techniques ont été prévues particuliérement pour les serres. La serre est un trés bon capteur solaire. L'énergie solaire ayant des variations importantes; différentes méthodes ont été proposées et sont mises en oeuvre pour diminuer l'effet de ces fluctuations qui ont d'autant plus d'amplitude que l'inertie thermique des serres est faible et que le coefficient de déperdition est fort. 2- Selon une technique traditionelle, les serres sont peintes en blanc l'été et une ventilation avec prise d'air à l'ombre est organisée dans la journée. Au contraire en hiver les vitrages sont nettoyés afin de laisser passer un maximum de lumière, et les serres sont chauffées. 9S En plus du probléme de variation des températures il faut maintenir le degré hygrometrique dans une fourchette définie en fonction de l'activité ou de la culture; et il est parfois necessaire de chauffer meme en été pendant la nuit pour éviter que la baisse de température entraine une augmentation du degré hygrométrique. 3. Plus récemment certaines serres ont été équipées à leur partie supérieure de films ou de filets réfléchissants interieurs amovibles. Lorsque l'ensoleillement est fort; un filet dont les mailles sont en partie obturées par des pastilles métalliques, est déroulé; il réfléchit une partie des rayonnements sans s'opposer â-la ventilation ; au contraire la nuit un film étanche et réflecteur limite la déperdition par rayonnement. Il a également été envisagé de récupérer les excédents thermiques pour les utiliser en période froide. Les dispositifs proposés se composent d'éléments capteurs à eau situés 4e entre la verrière et le volume utile. Ces éléments capteurs sont opaques et limitent à proportion de leur surface la quantité de lumière utile à la croissance des plantes. L'avantage obtenu lorsque l'ensoleillement est fort devient alors un inconvénient en hiver lorsque les plantes manquent de lumière. page 2 D'autres techniques ont été développées pour etre appliquées à toutes sortes de batiments: - capteurs solaires à. liquide caloporteur; Panneaux solaires Les panneaux solaires constituent des apports thermiques sur des- constructions traditionnelles, cet apport peut etre coupé par une vanne aussi ce dispositif ne présente pas de problème de climatisation et d'apport trop important par contre la montée en température du capteur est longue et correspond au chauffage du liquide caloporteur. Le stockage de l'energie captée par un panneau solaire se fait par une curve solde contenant le liquide caloporteur. Ce liquide est en général de l'eau, une cuve de capacité égale à la capacité du volume chauffé prix de la construction) conserve au mieux I mois de chauffage. Il y a eu de nombreuses recherches pour trouver des liquides dont la température de changement d'état est comprise entre 30' et 50' afin d'augmenter la capacité de stockage énergétique pour un meme volume, plusieurs matériaux conviennent mais leurs prix ne sont pas actuellement compatibles avec les données économiques. - Les capteurs à air dérivés des "Murs Trombe" qui peuvent etre regroupés en 2 catégories 6-S 6- les capteurs légers - les capteurs lourds - capteur léger : L'energie captée est équivalente à celle des serres à surface et orientation égale; cet apport peut aussi etre coupé; il n'y a donc pas de probléme de climatisation. La restitution peut se faire soit par convection à air chaud soit par rayonnement dans des murs chauffés par l'air chaud. Le stockage est réalisé par des matériaux entérrés confinés dans une enceinte isolée - Si les séquences d'ensoleillement sont courtes dans un contexte d'hiver; l'energie captée est directement distribuée; l'excédent est stockée dans des enrochements enterrés dans une enceinte isolée puis restitué selon les besoins. - Capteur lourd ( mur Trombe traditionnel) nous sommes très proches des capteurs à eau, mais avec l'avantage d'une possibilité d'utilisation directe et immédiate du flux capté: il faut une période de temps suffisante pour chauffer le mur noir situé derriere un vitrage, les séquences inferieures au temps d'échauffement sont inutilisables. Une amélioration de ces systèmes consiste en l'adjonction d'un film isolant ( et reflecteur des rayonnements infra rouge lointain emis par le mur) situé entre le mur de stockage et la verriere pour limiter les pertes du stock. Dans une serre traditionnelle il fait très chaud le jour au soleil ce qui produit malgré l'arrosage intensif une baisse du degré hygrométrique en dessous de l'optimum de croissance des plantes. La nuit la température baisse énormément ce qui produit une saturation hygrométrique dont souffre les plantes avec prolifération de champignons et parasites necessitant des traitement onéreux. page 3 26 2 1 385 Il existe des pompes à chaleur qui récupère la chaleur laternte de condensation et ainsi chauffe la nuit en déshydratant et de façon trés performante. Enfin différentes possibilités de stockage de chaleur plus ou moins intersaisonnier ont été exploitées. - stockage profond en puits et nappe phréatique - stockage en surface par galets secs dans une enceinte isolée - en bassin excavé de type divisé - en terrain remanié r4S Chacune de ces techniques antérieures apporte une solution à une partie des problèmes: chauffage, climatisation, traitement hygrométrique des constructions. Mais chacune d'elles- présente des inconvénients au moins dans certaines conditions de fonctionnement qui ont empêché leur It développement. De plus les installations qui en dérivent sont couteuses et leur fiabilité difficile à obtenir. Le but de l'invention est la réalisation d'un procédé et d'un dispositif: lis - de climatisation - de chauffage - de traitement hygrométrique - de régulation de l'intensité et du spectre lumineux dont le fonctionnement permet d'exploiter les ressources naturelles ou 1 les ressources liées au fonctionnement ou à l'exploitation; l'ensoleillement, l'énergie liée à une activité industrielle ou l'énergie liée à l'occupation des lieux par de nombreuses personnes. Dans des conditions optimales quellesque soient les variations des conditions d'ensoleillement, d'exploitation ou d'occupation. >. La mise en oeuvre de ce procédé est d'un faible cout avec une grande simplicité d'appareillage et donc une grande fiabilité. A cet effet il est proposé un Procédé de climatisation, de chauffage de régulation et traitement hygrothermique des constructions du type dans lequel: l3c o- on capte l'énergie solaire au travers d'une première surface - on filtre séléctivement et de manière variable les radiations ayant traversées la première surface par une deuxième surface - on stocke l'énergie en excès page 4 315 Selon l'invention - on commande par un systéme de régulation: la circulation d'air entre le volume délimité par les deux surfaces et une unité de stockage, et, ou entre le volume utile et l'unité de stockage et la filtration par la deuxième surface de façon à maintenir les paramètres voulus Il est également proposé un Dispositif de climatisation, de chauffage de régulation et traitement hygrothermique des constructions du type comportant 4Lf g- une unité de stockage de l'énergie - des conduits d'air assurant le transfert d'énergie entre le volume utile et l'unité de stockage Selon l'invention: l'unité de stockage comporte un volume de sol naturel en place au sein duquel sont placés des drains destinés à réaliser un échange thermique entre l'air qui y circule et le sol. L'invention concerne aussi une construction comportant un dispositif de climatisation, de chauffage, de régulation, de traitement hygrométrique. Elle concerne aussi un procédé de réalisation de fondations adapté à la réalisation de telles constructions. L'invention est décrite plus en détail en référence aux dessins dans lesquels - la figure I est un schéma de fonctionnement de l'invention - la figure 2 représente une construction selon l'invention \@" - la figure 3 représente une coupe AA - la figure 4 représente une coupe BB Selon le procédé de climatisation de chauffage de régulation et de traitement hygrothermique de l'invention l'énergie solaire est captée est filtrée avant d'atteindre le volume utile de la construction. I La captation, la filtration, la modification spectrale sont réalisées par 2 surfaces éléments) délimitant une enceinte. page 5 262 1385 Dans la période d'ensoleillement l'air de cette enceinte est chauffée. On réalise éventuellement un stockage de l'énergie. La répartition de la chaleur et de l'humidité entre l'enceinte, l'unité de stockage et le volume utile est réalisée par une circulation d'air. Celle ci est commandée par une régulation. L'unité de stockage est constitué de drains placés dans la terre. -La 1' surface, externe, constitue la périphérie de la construction et la 2 surface délimite le volume utile; elle peut etre ouverte ou fermée selon l'apport et la déperdition thermique; elle est constituée de velums ou de tous autres matériaux ayant les caractéristiques physiques souhaitées. Les propriétées peuvent etre obtenues avec une surface simple ou au contraire avec une surface composite éventuellement formée de plusieurs velums superposés. Le fonctionnement du procédé est le suivant: - cas N'I sequence de soleil avec rayonnement positif mais inferieur à la deperdition: les velums s'ouvrent nous avons un apport solaire direct. - cas N'2: sequence de soleil avec rayonnement positif et superieur à la deperdition: un velum translucide se ferme pour limiter le rayonnement à la valeur de la deperdition ( sauf si dans le programme nous avons accepté une surélévation admissible de la température pour maintenir un niveau lumimeux très élévé, le système de régulation définit la hierachisation entre le stockage energetique et le niveau lumineux, il peut meme admettre des options différentes dans le temps par exemple pour un gymnase période de non utilisation, periode d'entrainement ou période de compétition) nous avons alors accumulation thermique entre le velum et la serre volume compris entre le 1 et la 2' surface). La ventilation mecanique envoie cet air chaud dans les drains en sol. L'unité de stockage étant plus froide que l'air,il s'y condense, le sol s'échauffe du fait de la température cédée par l'air et du fait de la chaleur latente de changement d'état. Cas N'3 rayonnement négatif, déperdition thermique importante ce cas se divise en 2 sous possibilités - le stockage energetique en sol est très important, un velum translucide diminuant peu le niveau lumineux viendra proteger le batiment,le sol chaud viendra rayonner et chauffer la serre ou le gymnase, pour une habitation, une circulation,-d'air ou d'eau, chaude issue du sol viendra réchauffer les refends qui rayonneront sur o la surface habitable. page 6 - Les exigences thermiques priment sur les niveau. lumineux ou en cas d'absence de lumiere naturelle velums veint proteger les parties habitables ou plantées. Cas N'4: rayonnement positif et superieur à l'aborption maximale du A.is systéme de stockage, la température interieure restant conforme. ventilation mécanique; entrée d'air à l'ombre et sortie en zone chaude de la partie habitable pour maintenir la température convenue et du plenum entre velum et serre pour maintenir l'apport à la quantité absorbable sans que le plenum monte à une température telle que son rayonnement rende inacceptable la température résultante de la zone habitable Cas N5: nous sommes situées en zone chaude et la ventilation mecanique meme à partir des zones à l'ombre reste insuffisante nous 23e constatons une élévation de température excessive dans les parties habitables. nous reservons à plus grande profondeur dans le sol sous le batiment et sous les zones de stockage chaud; un plan'horizontal d'environ 2 m d'épaisseur la zone entre la verriere et les films est ventilée dans son plan sans communication avec la zone habitable la zone habitable est ventilée avec une circulation d'air dans les drains du plan prévu à cet effet. Nous pouvons améliorer le systeme par la brumisation de l'espace habitable donc vaporisation donc absorption thermique; l'air circulant dans les drains se refroidit et se condense et redevient à un degré hygrometrique conforme au programme. Le dispositif de climatisation, de chauffage, de régulation et de 4S traitement hygrométrique des constructions comporte au moins: - un capteur d'énergie 1 - une unité de stockage 2 - des conduits d'air 3 assurant la distribution de l'air, de l'énergie et de l'humidité l'unité de stockage 2 comporte - un volume de sol 4 au sein duquel sont placés des drains 5 destinés à réaliser les échanges d'énergie entre l'air qui y circule et le sol 4. Le stockage de l'énergie dans le sol 4 s'est en effet révélé particulièrement efficace à condition de pouvoir controler l'humidité de la terre et d'utiliser des échangeurs efficaces L'utilisation de drains 5 à l'interieur desquels circule de l'air Dage chargé d'humidité comme échangeur permet de satisfaire ces conditions Les propriétées combinées de l'eau et de la terre participent au fonctionnement éfficace des dispositifs de l'invention; l'eau en changeant éventuellement d'état sert de support à la circulation de l'énergie. La terre sèche est un bon isoclant thermique alors que chargée d'eau elle est conductrice; le controle de l'humidité de la terre au voisinage des drains permet de controler une conduction alors que plus loin la terre sèche constitue un isolant et limite les pertes de chaleur stockées Au droit des drains 5 les condensats 6 humidifient le sol 4 et améliorent ainsi les échanges thermiques, plus on s'éloigne de l'axe des drains 5 plus l'humidité et donc la conduction baisse mais plus le perimetre d'échange augmente, Il faut impérativement que cette hygrométrie baisse car plus l'argile est sèche plus le temps entre l'émission et la restitution augmente et donc plus on aura une restitution l'hiver de l'énergie de l'été. La définition donnée au mot argile dans l'invention est une définition de granulométrie et non une définition géologique ou chimique; il s'agit d'un sol de granulométrie faible:0.I mm en moyenne quelque soit sa composition. Les condensats 6 sont repris par un rabattement de nappe et un 22O drainage et évacués, leur energie potentielle peut cependant etre utilisée par une pompe à chaleur pour faire par exemple de l'eau chaude ou du chauffage ponctuel d'appoint. La présence des condensats 6 est cependant indispensable car en périphérie immédiate des drains 5 elle diminue la resistance thermique et donc augmente la capacite d'absorption thermique du sol 4 par unité de temps, et donc la capacité du sol d'absorber sans élévation de température du local habitable ou de la serre agricole un rayonnement momentanément très excessif. Le calcul devra determiner à chaque fois 0 c- la longueur total des drains 5, surface d'échange thermique qui depend de l'humidité de la terre et donc du coefficient d'échange superficiel et de l'energie maximum à absorber par unité de temps. Les études faites prouvent que: - dans une argile (conditions spécifique à une experience 2.59 devant etre vérifié pour les différents sols rencontrés) de température IO' C. à 15 X d'hygrometrie - si en un point donné nous maintenons une température de 40 - il faudra 6 mois pour enregistrer une élévation de température à 2 metres de notre émetteur o Si nous avons une construction de 30 m par 30 m avec une coéfficent de déperdition volumétrique G egal à 0.8 1.W/m3/"C. avec 900 m2 de verriere zénitale de pente orientée au sud à 30 ' de l'horizontale avec des drains disposés dans des tranchées à une profondeur maximale o de 4 m et minimale de I m les tranchées étant espacées de 4 m et les drains verticalement de 30 cm page 8 1 22621385 Dans les conditions climatiques de Bretagne en période stabilisée après la période de montée en température) garantissent par exemple 3 une température du sol et des refends rayonnant de 24 La restitution de la chaleur stockée est restituée lorsque cela est necessaire pour maintenir l'ambiance voulue dans le volume utile IO, elle peut etre obtenue soit par la circulation de l'air dans les drains 5, celui ci étant réchauffé dans le sol 4 et refroidi dans le 1 volume utile I0, soit directement par rayonnement du sol 4 sous le volume utile. Le sol étant chauffé en un point la chaleur se propage depuis le point initial jusqu'au point de restitution à une vitesse donnée fonction de la nature du sol et de son hygrométrie, la distance entre le point de 3 t o stockage et le point de restitution conditionne le temps de déphasage revendication 7) De manière préférentielle le volume de l'unité de stockage 2 est isolée de son environnement 7 par une enceinte de confinement 8. Une telle disposition permet d'éviter une déperdition thermique latérale liées à un exces d'humidité de la terre à partir de source exterieure. Pour la meme raisonr nous a: s une recupération des condensats 6. Pour des utilisations particulières, le dispositif peut etre améliorer par des pompes à chaleur air / air 9 condensant l'exces 33 d'humidité du volume utile I0 et récupérant ainsi la chaleur latente de vaporisation qui peut etre soit diffusé directement dans le volume utile soit stocké dans l'unité de stockage 2. De meme une pompe air / air 9 entre le volume utile I0 et l'air qui circule dans les drains 5 en sol peut apporter une réponse rapide à 33 une demande thermique donnée. Ces pompes 9 de complément peuvent ainsi agir, pour chauffer, climatiser, régulariser les échanges hygrothermiques en complément des cycles naturels décrits ci-avant. L'enceinte de confinement 8 comporte pour fermer ses parois verticales 3 4rn une succession de cylindre II. Chaque cylindre est constitué d'une poche étanche remplie d'un mélange d'argile foisonnée, naturellement desséchée puis complémentairement dessechée et stabilisée par de la chaux vive. Les poches des cylindres Il peuvent etre constituées à partir d'un 345 film élastomère, polyane ou polyéthyléne ou tout autre produit stable dans le temps et étanche. L'argile utilisée peut etre celle du terrain, foisonnée, déposée sur une aire de déshydratation puis malaxée avec environ 5 % de chaux vive on obtient un matériau isolant thermiquement et stable mécaniquement ,p à l'abri de l'humidité. Les parois verticales de l'enceinte de confinement 8 sont réalisées par 2 rangs 1I a et II b de cylindres décallés les uns par rapport aux autres pour constituer une isolation continue constituée de petits page 9 éléments stables lors de la réalisation sans modifier la capacité 3X s portante générale du sol en place. Le dispositif de l'invention comporte un volume d'air située exterieurement au volume utile 10 et situé entre la première surface 12 et la ou les deuxiemes surfaces 13. La premiere surface 12 constitue la protection périphérique de la 3 construction La premiere surface 12 de ce volume assure la captation de l'énergie. La ou les deuxiemes surfaces 13 filtrent et ou modifient les valeurs spectrales du rayonnement selectivement et de manière réglable. Des conduits 3 assurent la.-circulation de l'air entre le volume d'air 3 14 le volume utile 10 et les drains 5. Des sondes 15 établies suivant les paramètres significatifs de la production ou de l'occupation donnent une information à un automat ordinateur programmé) I6 qui commande - des vannes 17 3) 3S système. La ou les 2' surfaces 13 du volume utile 10 comporte un ou plusieurs films dont certains étanches à l'air, parteillement réflechissant à la lumière susceptibles d'etre ouverts ou fermés filtrant et modifiant la répartition spectrale des radiations et principalement des radiations lumineuses, afin de controler les apports et les déperditions. Ainsi les propriétées de la ou les 2' surface 13 du volume utile 10 peuvent etre complètement modifiées et controlées en fonction de l'ensoleillement, de la déperdition et du programme affecté à la construction. Les sondes 15 fournissent à l'automat de régulation 16 les valeurs qui permettent d'intervenir par exemple sur - la température physique - la température résultante 3 90 la températive effective le rayonnement - la luminosité - l'hygrométrie L'invention concerne aussi la construction en elle meme 3. particulièrement bien adaptée à etre équipée du dispositif de climatisation de chauffage, de régulation et de traitement hygrothermique. Les fondations de cette construction peuvent etre partiellement ou totalement constituées de cylindre Il constitués d'une poche étanche 4,c constituée d'argile foisonnée, desséchée et stabilisée à la chaux vive. Ces fondations sont simples à réaliser, on fore des trous page 10 6 2 1 385 appr. oximativerrmenrit cylindriques réguliérerrment répartis sur le pourtour de la construction; chaque trou étant rebouché avant l execution d'un t trou voi sin pour ne pas déstabil i ser la résistance mecarnique du sol en place. In fine ces trous sont proches pour constituer une continuité de l'isolation thermique; sette isolation est améliorée par la real isation de 2 rangées de trous en quinconce. page 4 2621385 Re e n d i catv i on s 1 - Procédé de climatisation, de chauffage, de régulation et traitement hygrothermique des constructions du type dans lequel: - on capte l'énergie solaire au travers d'une première surface - on filtre séléctivement et de manière variable les radiations ayant traversées la première surface par une 2' surface - on stocke l'énergie en excès Caractérisé en ce que: - on commande par un système de régulation: la circulation d'air entre le volume délimité par les 2 surfaces et une unité de stokage, et, ou entre le volume utile et l'unité de stockage et la filtration par la 2 ' surface - De façon à maintenir les paramètres voulus ( en fonction de conditions de vie, de croissance de plantes ou autres 2 - Procédé selon la revendication I; caractérisé en-ce que le stockage de l'énergie est situé dans le sol à une profondeur telle que le temps necéssaire a sa progression par conduction correspond au déphasage temporel entre le moment de stockage et le moment de restitution souhaité. 3 - Procédé selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que l'on intervient sur la vitesse de progression de l'énergie par conduction et le déphasage temporel par modification de l'hygrométrie du sol 4 - Procédé selon la revendication I caractérisé en ce que l'on pulvérise de l'eau soit entre les 2 surfaces soit dans le volume utile pour controier l'hygrométrie et améliorer les échanges thermiques par des changements d'état ( vaporisation, condensation) réalisés par la circulation d'air entre ce volume et les drains en sol, et que cette régulation est commandée par le système de régulation.- - Dispositif de climatisation, de chauffage, de régulation et traitement hygrothermique des constructions du type comportant: - une unité de stockage de l'énergie ( 2) - des conduits d'air ( 3) assurant le transfert d'énergie entre un uolume utile (I0) et l'unité de stockage (2) page1.. page 12g 2621385 Caractérisé en ce que l'unité de stockage (2) comporte un volume de sol (4) naturel en place au sein duquel sont placés des drains (5) destinés à réaliser un échange thermique entre l'air qui y circule et le sol (4). 6 - Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que le volume de sol (4) de l'unité de stockage (2) est isolé de son environnement par une enceinte de confinement(8). 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 et 6 caractérisé en ce que l'on stocke l'énergie à une profondeur telle que le temps necessaire à sa progression par conduction correspond au déphasage temporel entre le moment de stockage et le moment de restitution souhaité. 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7 caractérisé en ce que les parois verticales de l'enceinte de confinement (8) comportent une succession de cylindres (II) verticaux; chaque cylindre étant constitué d'une poche étanche remplie d'un melange constitué d'argile foisonné, naturellement désséché puis complémentairement désséché et stabilisé par de la chaux vive. 9 - Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce que les parois verticales de l'enceinte de confinement ( 8) sont réalisées par une succession de cylindres (II) en quinconce. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 a 9 caractérisé en ce qu il comporte: - une I" surface en fonction des valeurs fournies par les sondes (15). Il - Dispositif selon la revendication I0 caractérisé en ce que la 2" surface (13) comporte un ou plusieurs films dont certains étanches à l'air et partiellement transparents ou opaques, partiellement reflecteur et ou modifiant la répartition spectrale des rayonnements 12 - Construction caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à II page j3 262 1 385 13 - Construction selon la-revendication 12 caractériséeen ce que l'enceinte de confinement placée sous la construction constitue une partie au moins des fondations. 14 - Procédé de réalisation de la construction selon la revendication 13 caractérisé en ce que pour réaliser l'enceinte de confinement,on fore des trous approximativement cylindriques régulièrement répartis sur le pourtour de la construction et on introduit une poche étanche remplie d'argile foisonnée naturellement 'desséchée, et ou complémentairement desséchée par de la chaux vive qui stabilise et durcit le mél1ange.