Brevet FR2912444A1 — publié le 20080815

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION: La présente invention porte sur un procédé de capteur thermique solaire architectural incorporé au complexe isolé et étanché des toitures-terrasses des bâtiments, destiné à la production industrielle ou domestique de chauffage, d'eau chaude sanitaire, de climatisation, ou d'électricité, sans émission de gaz à effets de serre. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE: Le captage de l'énergie thermique de rayonnement solaire disponible sur les toitures et les terrasses des bâtiments, est à ce jour obtenu par ajout de panneaux thermiques solaires fixés au support en acier, en béton, ou en bois, constitutif de l'enveloppe du bâtiment, par dessus le complexe isolé et étanché de la toiture. Ces panneaux capteurs thermiques à circulation de fluide sont constitués de tubes assemblés en réseau dans un coffrage vitré et isolé. Ces capteurs modulaires sont connectés en série ou en parallèle et sont fixés mécaniquement sur le support des toitures et des terrasses grâce à un châssis orientable. Ces capteurs offrent une importante prise au vent, ont une forte empreinte visuelle sur l'environnement du fait de leur montage en batterie, compliquent les opérations de maintenance sur les toitures, et requièrent l'assemblage de nombreux modules pour satisfaire les besoins des bâtiments industriels ou collectifs. En outre leur présence sur le revêtement d'étanchéité de la toiture les rend difficilement compatibles avec les systèmes de rétention et de régulation des eaux pluviales. Enfin, les capteurs solaires thermiques actuels disposent de tubes de faible diamètre, produisant de faibles volumes d'eau chaude, ce qui les rend peu adaptés aux bâtiments collectifs ou industriels, dont le volume des besoins énergétique est supérieur aux consommations domestiques. EXPOSÉ DE L'INVENTION: La présente invention consiste en un dispositif technique architectural de capteur thermique solaire à circulation de fluide, intégré dans la partie supérieure de panneaux d'isolation en verre cellulaire des toitures planes ou inclinées des bâtiments neufs ou anciens, et utilisant une 2 2912444 membrane d'étanchéité bitumineuse polypropylène noire comme absorbeur. Ce système de captage permet à la membrane d'étanchéité en surface de la toiture d'absorber l'énergie thermique fournie par le rayonnement solaire et de la restituer en sous-face, par conduction et 5 par rayonnement, à un réseau de tuyaux thermo-conducteurs incrustés en surface des panneaux isolants et contenant un fluide circulant caloporteur ou frigorigène. L'énergie accumulée par le fluide est acheminée vers un dispositif d'exploitation pouvant associer pompes à chaleur réversibles ou non, échangeurs, ballons et accumulateurs, 10 turbines à alternateur, et des émetteurs de type radiant ou réfrigérant, ainsi qu'un réseau d'eau chaude sanitaire. Outre la fonction de production d'énergie, l'invention est conçue pour être compatible avec la fonction de rétention temporaire et de régulation des eaux pluviales recueillies par les surfaces des toitures, ainsi que pour faciliter leur 15 dégivrage ou leur déneigement par inversion thermique du réseau capteur qui est alors converti pour remplir cette fonction en réseau émetteur de chaleur. Ce procédé s'inscrit dans une démarche d'amélioration des qualités environnementales, architecturales et techniques de l'enveloppe des 20 bâtiments (utilisation et valorisation des énergies renouvelables non polluantes, gestion des eaux pluviales, durabilité et recyclabilité des matériaux utilisés, intégration paysagère, dégivrage et déneigement passif, facilité de maintenance, coût global, réhabilitation des bâtiments). 25 PRÉSENTATION DES DESSINS EN ANNEXE: la figure 1 illustre en vue aérienne le dispositif global sous la membrane d'étanchéité, avec nourrice et collecteur centrés. la figure 2 illustre en vue aérienne le dispositif global sous la membrane 30 d'étanchéité, avec nourrice et collecteur en périphérie. La figure 3 illustre en vue aérienne un panneau d'isolant rainuré pour les parties communes. La figure 4 illustre en vue aérienne un panneau d'isolant rainuré pour les retours ou virages de boucles. La figure 5 illustre une vue de coupe du dispositif en partie commune, circonscrite à un panneau d'isolant, . La figure 6 illustre une vue de coupe du dispositif d'abergement centré de la nourrice et du collecteur. EXPOSÉ DÉTAILLÉ: Le dispositif met en oeuvre en les associant les éléments principaux suivants: 10 a. Le support de toiture en béton, acier, bois, ou maçonnerie b. L'isolant thermique en verre cellulaire c. La tuyauterie thermo-conductrice incorporée à l'isolant d. Le fluide caloporteur ou frigorigène e. Une nourrice et un collecteur raccordés à la tuyauterie 15 f. Un abergement destiné à protéger la nourrice et le collecteur g. La membrane d'étanchéité en bitume polypropylène noir h. Un système d'exploitation, de transfert et de diffusion de l'énergie thermique accumulée par le fluide (émetteurs, planchers solaires directs, chaudière, turbines, échangeurs, pompes à chaleur, ballons, 20 circulateurs, etc.). La mise en oeuvre de ces différents éléments est développée ci-après: a. Le support de toiture (8), de nature variée, c'est-à-dire béton, acier, 25 bois et dérivés, ou maçonnerie, comprend les dispositifs réglementaires d'évacuation d'eau (6) adaptables aux règles de retenue temporaire et de régulation des eaux pluviales en vigueur. Un système rapporté de sécurisation périphérique par garde-corps pourra être mis en oeuvre, servant alors de support à des panneaux 30 déflecteurs translucides destinés à limiter les effets de convection laminaire du vent tout en autorisant le passage du rayonnement solaire. b. l'isolant utilisé, en verre cellulaire étanche à la vapeur d'eau, sous 35 forme de plaques rectangulaires ou carrées (1, fig. 3, fig. 4), dispose5 en surface d'un rainurage (10) à pas régulier en sillons elliptiques ou trapézoïdaux, réalisé en usine ou sur chantier à l'aide d'un outillage manuel ou mécanique, afin d'y enchâsser, en retrait de quelques millimètres au plus de sa surface, le réseau de tuyaux de captage (fig. 1, fig. 2). Le rainurage de l'isolant se fait exclusivement au droit des tuyaux du réseau de captage mis en oeuvre, afin de ne pas dégrader la cohésion mécanique et thermique de l'isolant. Les panneaux hébergeant les retours de boucles disposent d'un rainurage supplémentaire (fig. 4) perpendiculaire à celui destiné aux parties communes (fig. 3). L'épaisseur minimale des panneaux sera adaptable en épaisseur aux réglementations thermiques en vigueur sur le site d'exécution. Le schéma de rainurage prend en compte les valeurs de dilatation linéaire des tuyaux afin de prévoir les réservations nécessaires. Ces panneaux d'isolant seront jointifs et répartis sur le support, afin d'y être fixés à plat et à joints décalés, chimiquement à l'aide d'un liant (7) ou par assemblage au bitume à chaud. c. Les tuyaux (2) en métal thermoconducteur, idéalement en cuivre ou en alliage, seront raccordés, sur place ou en atelier, par sertissage à l'aide de manchons disposant de part et d'autre d'une gorge intégrant un joint torique en EPDM, ce type de raccords supportant des pressions élevées. Les segments de tuyaux seront découpés et assemblés suivant le schéma de rainurage du ou des capteurs (fig. 1 et fig. 2). La densité de la tuyauterie et le diamètre des tubes seront adaptés à la pente et à l'exposition de la toiture, ainsi qu'à la situation géographique et aux divers besoins énergétiques du bâtiment. Les tuyaux (2) sont déposés et maintenus au fond du rainurage de l'isolant avant leur fixation définitive. La cohésion continue de la masse thermo-conductrice est obtenue par remplissage des rainurages (10) contenant la tuyauterie, avec un liant (7) mis en oeuvre à chaud ou à froid, jusqu'à atteindre la surface du panneau afin d'éviter tout vide entre la surface des tuyaux et la sous-face de la membrane d'étanchéité thermo-conductrice (9). Ce renflouage permet ainsi une totale adhérence de la membrane d'étanchéité à l'isolant. Ce réseau capteur peut représenter toute ou partie de la surface totale de la toiture ou de la terrasse, et sera, selon la typologie de la toiture, constitué d'un seul réseau, ou de l'agrégation en série d'un groupe de réseaux. Tous les raccordements de tuyaux aux nourrices (3) et collecteurs (4), ou des modules entre eux, seront réalisés selon le principe de la boucle de Tickelman (5) afin d'obtenir une répartition homogène des pertes de charges. d. Les tuyaux (2) contiennent le fluide circulant caloporteur, ou frigorigène à basse température d'ébullition, et sont reliés par sertissage en entrée froide à la nourrice (3), et en sortie chaude au collecteur (4). Le fluide caloporteur est obtenu par un mélange d'eau et d'antigel. Dans le cas de l'utilisation du propylène glycol comme antigel, la concentration la plus basse sera de 7%, autorisant ainsi le gel du circuit sans que la dilatation du liquide entraîne une surpression des tuyaux. La version frigorigénée trouve ses applications dans les parties les plus chaudes du globe, permettant la production de froid ou d'électricité par l'utilisation d'une turbine à alternateur. e. Le raccordement des tuyaux à la nourrice et au collecteur se fait directement par raccord de plomberie, ou par l'intermédiaire d'un sertissage de raccords en tube souple (12) d'inox annelé ou spiralé. La nourrice (3) et le collecteur (4), perpendiculaires aux extrémités des tuyaux de captage, sont constitués de tubes métalliques de différents diamètres assemblés par sertissage, afin de réaliser une réduction successive du diamètre sur leur longueur pour compenser les pertes de charges linéiques du fluide. Des manchons de raccordement souples, en inox annelé ou spiralé, pourront être intégrés à la nourrice et au collecteur afin de compenser les variations dimensionnelles dues à la dilatation des tubes. La nourrice formera une épingle de deux segments en boucle (5), tandis que le collecteur sera constitué d'un seul segment (4). Ce module de raccordement, périphérique ou central à la zone de captage solaire, reconstitue, avec les tuyaux connectés, le principe de la boucle de Tickelman destinée à équilibrer la pression en tout point du circuit. Des purgeurs d'air et des débitmètres pourront être connectés aux extrémités de la nourrice et du collecteur. f. L'ensemble nourrice-collecteur repose en sailli de la surface de la toiture (fig. 6) à l'intérieur d'un abergement longitudinal formant deux butes trapézoïdales constituées du même complexe isolant et étanché que les parties courantes de la toiture. Cette double digue en vis-à-vis que constituent les butes est coiffée d'une couvertine démontable (13) métallique ou thermo-formée maintenue par fixations mécaniques (14) en débordement de l'abergement, afin de pouvoir y accéder pour la maintenance. Une couche d'isolant (11), protégée par la couvertine, recouvre la nourrice et le collecteur sur toute leur longueur, afin de limiter les déperditions thermiques. g. La membrane d'étanchéité (9), à base de feuilles de bitume polypropylène atactique résistante aux rayons ultra-violets, thermo-conductrice et résistante dans sa masse aux ultraviolets, directement exposée aux rayonnements solaires, de couleur noire ou foncée, est destinée à absorber et diffuser, par conduction et rayonnement vers le réseau de tubes caloporteurs ou frigorigène en sous-face, l'énergie thermique accumulée grâce à sa capacité thermique massique élevée. Sa fixation à la surface de l'isolant se fera en adhérence totale, par collage ou soudage en plein des lés. Une peinture sélective, noire ou foncée, pourra être appliquée sur la membrane afin d'augmenter son coefficient d'absorption du rayonnement solaire ou de le régénérer dans le temps. h. Le système d'exploitation de l'énergie collectée est constitué 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 (échangeur, pompe à chaleur, évaporateur, compresseur, condenseur, détendeur, interverter). L'énergie disponible est utilisable de jour comme de nuit grâce à un dispositif thermostatique et peut être couplée à une turbine destinée à une production électrique selon le principe de la cogénération. Le fonctionnement mixte est rendu possible selon la nature et la dimension du capteur, ainsi que par le fort potentiel thermique généré par le système. Ceci permet la synchronisation des deux types de production énergétiques du système. Des circulateurs programmables permettent de contrôler la polarité et le débit des fluides. L'injection dans le circuit de captage du fluide chauffé depuis l'intérieur permet la montée en température du complexe en surface afin d'amorcer le dégivrage de la toiture et de permettre au complexe support-isolant-tuyaux-étanchéité de retrouver rapidement sa fonction de capteur thermique. Dans le cas d'utilisation de pompes, ballons et échangeurs, l'énergie disponible sera stockée dans des accumulateurs pour pouvoir être restituée sous forme de chauffage, de production d'eau chaude, de climatisation ou de réfrigération. Le cas échéant, l'énergie disponible convertie en électricité par la turbine sera reversée dans le réseau électrique public ou utilisée pour les besoins propres du bâtiment. APPLICATIONS INDUSTRIELLES: Cette invention est destinée à produire de l'énergie thermique ou électrique pour tous types de toitures et de terrasses des bâtiments individuels ou collectifs, industriels, militaires, agricoles ou tertiaires, d'enseignements, 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) capteur thermique solaire architectural à circulation de fluide, intégré aux toitures planes ou inclinées des bâtiments neufs ou anciens, caractérisé en ce qu'une membrane d'étanchéité noire en bitume polypropylène résistante aux rayons ultra-violets est destinée à absorber, en surface des toitures, l'énergie thermique fournie par le rayonnement solaire, pour la restituer en sous-face, par conduction et par rayonnement, à un réseau de tuyaux thermo-conducteurs. Ces tuyaux, incrustés dans la partie supérieure des panneaux isolants rainurés en verre cellulaire, contiennent un fluide circulant, caloporteur ou frigorigène, qui transporte la chaleur accumulée vers un dispositif d'exploitation et de répartition de l'énergie. 2) dispositif selon la revendication 1) caractérisé en ce que les panneaux isolants en verre cellulaire, sous forme de plaques rectangulaires ou carrées, disposent en surface d'un rainurage à pas régulier en forme de sillons elliptiques ou trapézoïdaux réalisés en usine ou sur chantier à l'aide d'un outillage, afin d'y enchâsser, en retrait de quelques millimètres au plus de leur surface, le réseau de tuyaux de captage. Ce rainurage ainsi garni du réseau de tuyaux est rempli jusqu'à saturation d'un liant, mis en oeuvre à chaud ou à froid, assurant une conduction optimale et une cohésion continue des composants du présent capteur. 3) dispositif selon la revendication 1) caractérisé en ce qu'un abergement longitudinal formant deux butes trapézoïdales constituées du même complexe isolant et étanché que les parties courantes de la toiture est réalisé en saillie de la surface de la toiture, afin d'y héberger la nourrice et le collecteur recouverts d'une couche isolante, et en ce que cette double digue en vis-à-vis que constituent les butes est coiffée d'une couvertine étanche démontable métallique ou thermo-formée maintenue mécaniquement en débordement de l'abergement. 4) Système de cogénération énergétique incluant le capteur de la revendication 1), caractérisé en ce qu'une combinaison de générateursthermiques et de turbo-alternateurs, alimentés par le même réseau de captage, permet la synchronisation et la complémentarité des deux types de production énergétique du système, thermique et électrique, grâce à l'utilisation d'un fluide à basse température d'ébullition. 5) procédé de dégivrage et de déneigement de la surface de la membrane d'étanchéité incluant le capteur de la revendication 1) et le dispositif de la revendication 2), caractérisé en ce que des circulateurs programmables destinés à contrôler la polarité et le débit des fluides commandent l'injection, dans le circuit de captage, du fluide chauffé depuis l'intérieur, entraînant la montée en température du capteur de la revendication 1), afin d'amorcer le dégivrage de la toiture et de permettre au complexe support-isolant-tuyaux-étanchéité de retrouver rapidement la fonction de capteur thermique.