Brevet FR2912442A1 — publié le 20080815

/6 DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION: La présente invention porte sur un procédé de capteur thermique solaire incorporé aux toitures et terrasses des bâtiments, destiné à l'exploitation industrielle ou domestique d'énergies renouvelables sans émission de gaz à effets de serre ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE: Le captage des énergies thermique et solaire disponibles sur les toitures des bâtiments, est à ce jour obtenu par ajout de panneaux thermiques solaires ou photovoltaïques rapportés par-dessus les complexes constitutifs des toitures et des terrasses. Ces panneaux sont coûteux, inesthétiques, fragiles, leurs rendements sont tels que leur amortissement est long, leur installation et leur maintenance nécessitent d'importantes ressources financières et techniques, leur destination est spécialisée au regard du type d'énergie à restituer, et leur présence sur le revêtement d'étanchéité de la toiture les rend difficilement compatibles avec les systèmes de rétention et de récupération des eaux pluviales. Quant aux systèmes de captage de types géothermiques basés sur la conversion du gradient thermique infra terrestre, ils imposent un coûteux et important terrassement aux abords des bâtiments. EXPOSE DE L'INVENTION : La présente invention consiste en un dispositif architectural technique de toitures terrasses polyvalentes, mettant en oeuvre un complexe destiné en premier lieu à capter et exploiter l'énergie fournie par le rayonnement solaire et les différences de potentiels thermiques, grâce à des surfaces absorbantes adaptées, couplées aux masses constitutives des toitures, planes ou inclinées, de tous types de bâtiments, neufs ou anciens, en intégrant, directement dans le complexe isolant et étanché de la toiture, un réseau de tuyaux contenant un fluide circulant caloporteur ou frigorigène qui alimente un générateur, thermique et /ou électrique selon la quantité d'énergie emmagasinée par les fluides. Outre la fonction de production d'énergie, l'invention est conçue pour rendre compatible la fonction de rétention temporaire et de régulation des eaux pluviales recueillies par les surfaces des toitures, ainsi que pour faciliter leur déneigement par inversion thermique du réseau. /6 Ce procédé s'inscrit dans une démarche d'amélioration des qualités environnementales, architecturales, et techniques, de l'enveloppe des bâtiments (utilisation et valorisation des énergies renouvelables non polluantes, gestion des eaux pluviales, durabilité et recyclabilité des matériaux utilisés, intégration paysagère, déneigement passif, maintenance). PRESENTATION DES DESSINS EN ANNEXE : la figure 1 illustre le dispositif global de l'invention vue en coupe. La figure 2 illustre le rainurage des panneaux d'isolant vus du ciel et de profil La figure 3 illustre le crochet en crosse vu de coupe. EXPOSE DETAILLE : Le dispositif met en oeuvre en les associant les éléments principaux suivants: a. Le support de la toiture (6) b. Un isolant thermique (3) c. Un circuit de tuyaux incorporés à l'isolant (8) d. Un revêtement d'étanchéité (1) e. Une centrale génératrice, de type pompe à chaleur réversible et/ou turbine électrogène alimentées en fluide par des vannes thermostatiques et pressiostatiques. f. Des circulateurs électromécaniques et thermostatiques (CIRC). g. des émetteurs et accumulateurs restituant cette énergie sous forme de chaleur, de froid, ou d'électricité. La mise en oeuvre de ces différents éléments est développée ci-après : a. Le support de la toiture (6), qui pourra être de nature variée, c'est-à-dire bétons, aciers, bois et dérivés, maçonnerie, et dont la résistance de charges et la stabilité sont compatibles avec la masse et la structure des matériaux du système, pourra être équipé de dispositifs d'évacuation d'eau (9) adaptés aux systèmes de rétention et de régulation des eaux pluviales. b. l'isolant (3) utilisé, étanche à la vapeur d'eau, sous forme de plaques, disposera en surface de rainurages en sillons triangles (4 de la figure 2) ou /6 trapézoïdaux (3 de la figure 2), réalisés directement en production ou sur chantier, à l'aide d'un outillage, manuel ou mécanique, afin d'y enchâsser, en retrait de quelques millimètres au plus de la surface de l'isolant, le réseau serpentant de tuyaux de captage. Une fois les tuyaux fixés au fond des gorges (10 ou 11) de l'isolant, pour obtenir une cohésion continue de la masse thermo conductrice bitumineuse, les canaux seront nivelés jusqu'à la surface du panneau par remplissage avec un mastic ou un enduit bitumineux (7), optimisant ainsi la surface de tuyau directement en contact avec les matériaux thermo conducteurs, et l'adhérence pleine et totale de la membrane d'étanchéité (1). c. les tuyaux, thermoplastiques et souples, contiennent un fluide caloporteur ou frigorigène ingélif et non corrosif, et sont reliés à des collecteurs à vannes thermostatiques connectés aux générateurs. La densité, le matériau, et le diamètre de la tuyauterie seront adaptés suivant les facteurs de pente, d'exposition, de situation géographique, ainsi qu'aux différents besoins énergétiques du bâtiment. Les tuyaux seront maintenus mécaniquement en place dans la goulotte par des crochets métalliques (figure 3) en forme de crosse plate fichés dans l'isolant, afin d'une part de compenser leur mémoire de forme avant le remplissage et le surfaçage des canaux, et d'autre part de favoriser une dilatation latérale des tuyaux vers les bords du sillon plutôt que vers sa surface. Compte tenu des longueurs importantes de tuyau, le coefficient de dilatation du matériau utilisé sera considéré pour la mise en oeuvre de réservations suffisantes en sortie inférieure du support de toiture. d. La membrane d'étanchéité (1), à base de bitume, thermo conductrice et résistante aux ultraviolets, en contact avec l'air, et directement exposée à la lumière naturelle, de couleur noire ou foncée, est destinée à absorber et diffuser, par conduction vers le réseau de tubes caloporteurs ou frigorigène en sous-face, le rayonnement solaire, les différentiels thermiques constitués par les cycles diurnes/nocturnes, et les variations instantanées de température. Sa fixation sur l'isolant se fera par collage bord à bord des lés sur toute leur surface. Les joints (12) longitudinaux et transversaux des lés seront recouverts d'une bande de pontage (13) soudée à la flamme. Une armature intégrée assure à la membrane une résistance mécanique à l'écrasement et au poinçonnement, et permet à la toiture d'être accessible aux piétons pour les interventions techniques. Une /6 peinture, noire ou foncée, pourra être appliqué sur la membrane à fin d'esthétique et d'augmentation du pouvoir absorbant. e. La pompe à chaleur, thermodynamique et réversible, est constituée d'un circuit fermé et étanche, dans lequel circule le fluide caloporteur ou frigorigène, à l'état liquide ou gazeux selon les organes qu'il traverse (évaporateur, compresseur, condenseur, détendeur, interverteur). Ce générateur produit ainsi une énergie, en cycle diurne ou nocturne, modulable grâce à un dispositif thermostatique. Ce générateur thermique pourra être couplé à une turbine destinée à une production électrique. f. Des circulateurs électromécaniques (CIRC) assurent le transit des fluides et sont contrôlés par des dispositifs thermostatiques ou électriques, qui pourront être pilotés par une gestion informatique. Ils permettent de contrôler le sens et le débit des fluides, ainsi que de restituer dans le circuit de captage un fluide chaud pour assurer à la membrane une température suffisante au déneigement accéléré de sa surface. g. Les émetteurs restituent l'énergie ainsi générée, sous forme de chauffage, de production d'eau chaude, de climatisation, ou de réfrigération. Ces émetteurs seront, suivant les modes de consommation énergétique, associés à des systèmes thermiquement isolés de stockage de chaleur ou de froid. Les émetteurs électriques seront, le cas échéant, alimentés par la turbine, qui sera capable de restituer le surplus de production électrique au réseau public. APPLICATIONS INDUSTRIELLES Cette invention est destinée à tous types de toitures et terrasses des bâtiments individuels ou collectifs, industriels, agricoles ou tertiaires, sportifs ou médicaux, en neuf comme en rénovation, et en tout point géographique du globe. Sa mise en oeuvre requiert les compétences conjuguées d'industriels et d'entreprises d'isolation et d'étanchéité, de génie climatique et électrique. REVENDICATIONS 1) Réalisation d'un capteur architectural thermique solaire à circulation de fluide (figure 1), pouvant représenter la surface totale d'une toiture ou d'une terrasse, par assemblage cohésif d'une membrane de bitume (1) de forte conductivité thermique, de couleur noire ou foncée, résistante aux UV, fixée à un isolant (3) étanche à la vapeur d'eau et structuré en surface par un rainurage de gorges (figure 2) destinées à l'intégration d'un réseau affleurant de tuyaux thermoplastiques (8), noyés dans une masse thermo conductrice (7) constituée de mastic ou d'enduit bitumineux, et transportant un fluide caloporteur (8) ou frigorigène. Ce capteur alimentant un ou plusieurs générateurs et convertisseurs d'énergie. 2) Association à la revendication 1) d'une combinaison de générateurs thermiques et de turboalternateurs, alimentés par le même réseau de captage, dont le fonctionnement mixte est rendu possible par la nature et la dimension du capteur, ainsi que par le fort potentiel thermique généré par la technique de la revendication 1), et permettant la synchronisation et la complémentarité des deux types de production énergétique du système. 3) Dispositif selon la revendication 1) caractérisé en ce que l'isolant est rainuré de sillons triangulaires (4 de la figure 2 ) ou trapézoïdaux ( 3 de la figure 2 ), exclusivement au droit des tuyaux mis en oeuvre, afin de ne pas dégrader la cohésion mécanique et thermique de l'isolant aux endroits où le circuit ne chemine pas. Les panneaux d'isolant, lorsqu'ils sont produits industriellement, se déclineront en deux références selon les deux motifs de rainurage suivants : un motif destiné aux parties rectilignes du réseau (1 de la figure 2 ), et un motif destiné à la réalisation de courbes (2 de la figure 2 ). Ces deux types de panneaux facilitent et fiabilisent la reconstitution du puzzle reproduisant le réseau de tubes en serpentin. Ce profilage comme cette trame spécifiques permettent d'obtenir une grande précision de conception et de pose, et une localisation par instruments de mesure des éléments du réseau devenus invisibles après leur recouvrement./6 4) dispositif de crochets plats (figure 3) en forme de crosse, en métal thermo conducteur à faible inertie thermique, destiné à maintenir en place le tubage, par placage au fond du sillon de l'isolant d'une longueur suffisante du tube, afin d'annuler l'effet de torsion due à la mémoire de forme des rouleaux de tube thermoplastique, et de compenser latéralement plutôt que verticalement les dilatations, le temps que les canaux soient scellés de mastic ou d'enduit bitume. La nature du matériau utilisé par le dispositif 4) trouve son application dans une conduction plus rapide, utile lorsque le circuit est en phase de déneigement, ainsi que par son affleurement sur l'isolant, permettant ainsi la localisation des tuyaux par instrument de mesure magnétique une fois la membrane fixée. 5) dispositif de réversibilité, par inversement du différentiel thermique du fluide à l'aide de circulateurs, afin de porter la membrane à la température nécessaire à la fonte de la neige, et de justifier par cette fonction l'un des aspects polyvalents autant qu'inédits des applications techniques de la revendication 1). Le déneigement rapide et autonome de la toiture permet au complexe supportisolant-étanchéité de retrouver sa fonction de capteur thermique.20