Brevet FR2933479A1 — publié le 20100108

PROCÉDÉ ET DISPOSITIF DE REGULATION DE LA TEMPÉRATURE ET DE L'HYGROMÉTRIE A L'INTERIEUR D'UN BATIMENT L'invention concerne un procédé et un dispositif de régulation de la température et de l'hygrométrie à l'intérieur d'un bâtiment. Pour réduire la consommation d'énergie du chauffage et de la climatisation d'un bâtiment, on a cherché jusqu'à présent à limiter les pertes thermiques à travers le toit, les murs et les planchers du bâtiment, en combinaison avec l'utilisation de moyens de chauffage à énergie solaire, de pompes à chaleur et/ou d'autres types de moyens de chauffage ou de refroidissement économiques et/ou à énergie renouvelable. On a en particulier proposé un nouveau type de bâtiment dont les murs extérieurs sont à double paroi, comprenant une paroi interne porteuse et une paroi externe thermiquement isolante qui sont séparées par un espace intermédiaire dans lequel on peut faire circuler de l'air prélevé à l'extérieur du bâtiment pour, à certains moments de la journée ou de la nuit, chauffer ou refroidir la paroi interne en fonction des besoins, en tenant également compte de l'orientation et de l'ensoleillement des murs concernés. La présente invention a notamment pour objet un procédé et un dispositif de régulation de la température pour un bâtiment de ce type, permettant d'augmenter encore les économies d'énergie en matière de chauffage et de refroidissement du bâtiment et permettant également de réguler l'hygrométrie à l'intérieur du bâtiment. Elle propose à cet effet un procédé de régulation de la température à l'intérieur d'un bâtiment dont les murs extérieurs comprennent deux parois séparées par un espace interne dans lequel on peut faire circuler de l'air prélevé à l'extérieur du bâtiment, caractérisé en ce que, la paroi interne des murs extérieurs étant microporeuse et leur paroi externe étant thermiquement isolante, il consiste : - à mesurer ou estimer la température de l'air extérieur et son humidité, ainsi que leurs variations pendant la journée et pendant la nuit au cours des saisons ; - et à déterminer les périodes du jour et de la nuit pendant lesquelles la circulation d'air extérieur entre les deux parois d'un mur peut au mieux refroidir ou réchauffer la paroi intérieure du mur en fonction des besoins, en tenant compte de l'humidité de l'air extérieur, de l'humidité de l'air au contact de la paroi poreuse à l'intérieur du bâtiment et des variations de température et d'humidité de la paroi poreuse. Le procédé selon l'invention permet de réguler la température dans le bâtiment en tenant compte, non seulement de la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur du bâtiment, mais aussi de l'humidité de l'air à l'intérieur du bâtiment et de l'humidité de l'air à l'extérieur du bâtiment, en utilisant les chaleurs latentes de vaporisation et de condensation de l'humidité de l'air extérieur et de l'humidité contenue dans la paroi poreuse des murs, l'invention permettant également de réguler l'humidité de l'air à l'intérieur du bâtiment pour améliorer la sensation de confort du bâtiment, aussi bien en été qu'en hiver et cela tout en réduisant la consommation d'énergie nécessitée par le chauffage ou le refroidissement du bâtiment. Le procédé selon l'invention consiste également à sélectionner le ou les murs extérieurs dans lesquels on fait circuler de l'air extérieur, en fonction de leur orientation et de leur ensoleillement. De façon plus précise, le procédé selon l'invention consiste, en été ou par temps chaud et sec, à faire circuler de l'air extérieur à humidité relativement faible dans l'espace entre les deux parois d'un mur pour refroidir la paroi interne poreuse du mur par évaporation de son humidité, refroidir l'air dans le bâtiment qui est au contact de cette paroi poreuse et diminuer l'humidité de cet air dans le bâtiment. On peut ainsi maintenir la température et l'humidité de l'air à l'intérieur du bâtiment à des valeurs optimales de confort, tout en consommant moins d'énergie que dans la technique antérieure. Le procédé selon l'invention consiste également, en hiver ou par temps froid et humide, à faire circuler de l'air extérieur froid dans l'espace entre les deux parois d'un mur dans des conditions assurant un réchauffement de la paroi interne poreuse du mur et une augmentation de l'humidité de l'air dans le bâtiment en contact de cette paroi poreuse, par condensation et absorption d'une partie de l'humidité de l'air externe. De façon générale, le gain apporté par l'invention sur la consommation d'énergie pour le chauffage et le refroidissement d'un bâtiment est d'environ 20 à 30 %, toutes autres conditions étant égales par ailleurs, ce gain étant dû à la condensation et l'absorption par la paroi poreuse d'une partie de l'humidité de l'air extérieur qui circule sur cette paroi poreuse, (cas du chauffage) ou à l'évaporation d'une partie de l'humidité de la paroi poreuse (cas du refroidissement). L'invention propose également un dispositif de régulation de la température à l'intérieur d'un bâtiment qui comprend des murs extérieurs à double paroi et des moyens de circulation d'air prélevé à l'extérieur dans l'espace séparant ces deux parois, caractérisé en ce que, la paroi interne des murs extérieurs étant une paroi poreuse et leur paroi externe étant une paroi thermiquement isolante, ce dispositif comprend des moyens pour mesurer ou estimer la température et l'humidité de l'air extérieur au bâtiment ainsi que leurs variations pendant la journée et pendant la nuit au cours des saisons, des moyens de calcul pour déterminer, en fonction des et hygrométrie réelles et souhaitées à l'intérieur du bâtiment et de la capillarité de la paroi poreuse, la ou les périodes du jour ou de la nuit où l'on fera circuler de l'air extérieur entre les deux parois des murs et la durée de cette ou de ces périodes pour obtenir la température et l'hygrométrie souhaitées dans le bâtiment, les moyens de calcul étant conçus pour piloter des moyens de commande de la circulation d'air extérieur entre les deux parois des murs extérieurs du bâtiment. Les moyens de calcul précités comprennent également des moyens d'estimation d'une éventuelle énergie additionnelle à fournir pour obtenir la température souhaitée dans le bâtiment, ces moyens de calcul étant conçus pour piloter des moyens correspondants de chauffage ou de refroidissement dans le bâtiment. Dans ce dispositif, les moyens de circulation d'air sont commandés en été ou par temps chaud et sec, pour faire passer de l'air extérieur chaud entre les deux parois d'un mur extérieur dans des conditions provoquant une évaporation de l'humidité de la paroi poreuse du mur, un refroidissement de cette paroi et une absorption de l'humidité de l'air dans le bâtiment qui est au contact de cette paroi poreuse. Les moyens de circulation d'air sont également commandés, en hiver ou par temps froid et humide, pour faire passer de l'air extérieur froid entre les deux parois d'un mur extérieur dans des conditions provoquant un réchauffement de la paroi poreuse, une augmentation de l'humidité de cette paroi et une augmentation de l'humidité de l'air qui est dans le bâtiment au contact de cette paroi poreuse. La présence de la paroi poreuse dans les murs extérieurs d'un bâtiment, combinée à la présence d'une lame d'air entre cette paroi poreuse et une paroi externe thermiquement isolante, permet de réduire d'environ 75 % la consommation d'énergie nécessitée par le chauffage et le refroidissement du bâtiment par rapport à la technique antérieure, ce chauffage et ce refroidissement pouvant même être effectués sans consommer d'énergie lorsqu'on se trouve dans les conditions les plus favorables de température et d'humidité extérieures. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un bâtiment selon l'invention ; - la figure 2 représente schématiquement un dispositif de régulation de température selon l'invention ; - la figure 3 est un diagramme de VÉRON de l'air humide permettant d'illustrer le fonctionnement de l'invention. On se réfère d'abord à la figure 1 dans laquelle on a représenté très schématiquement un bâtiment selon l'invention, comprenant des murs extérieurs 10, une toiture 12 et un ou des planchers 14. De façon très générale, dans la technique antérieure, les murs 10, la toiture 12 et les planchers 14 sont conçus pour réduire autant que possible les pertes thermiques qui représentent toutefois au moins 70 % de l'énergie consommée pour la chauffage ou le refroidissement du bâtiment. L'invention a essentiellement pour but de réduire cette consommation d'énergie d'au moins 70 %, grâce aux moyens qui vont être décrits ci-dessous. Selon un premier aspect de l'invention, les murs extérieurs 10 du bâtiment ont une structure à double paroi, comprenant une paroi interne 16 microporeuse, une paroi externe 18 thermiquement isolante et une lame d'air 20 séparant les deux parois 16 et 18. La paroi interne microporeuse 16 peut également être porteuse, de même que la paroi externe isolante 18. Dans un exemple non limitatif de réalisation de l'invention, la paroi interne 16 peut avoir une épaisseur d'environ 10 à 30 centimètres, la lame d'air intermédiaire 20 a une épaisseur comprise entre 2 et 5 centimètres et la paroi externe isolante 18 a une épaisseur de 5 à 10 centimètres environ. La paroi interne 16 a une structure microporeuse perméable à capillaires ouverts ayant de façon générale, dans le cadre de l'invention, des dimensions comprises entre 0,01 et 10 dam environ. La répartition des diamètres des capillaires permet la condensation et l'absorption d'humidité par les capillaires de faibles diamètres, tandis que les capillaires les plus gros permettent la diffusion de l'humidité dans la paroi microporeuse. Cette paroi peut être réalisée en de nombreux matériaux, notamment en plâtre ou en terre cuite (briques). L'espace entre les parois 16 et 18 qui constitue la lame d'air est un espace fermé, dans lequel on peut faire circuler de l'air extérieur, soit par convection naturelle, soit en circulation forcée au moyen de ventilateurs, et est équipé de moyens d'entrée et de sortie d'air comportant des clapets ou analogues qui sont pilotés par le dispositif de régulation selon l'invention. L'air extérieur circule dans l'espace 20 par convection naturelle ascendante quand sa température est inférieure à celle de la paroi poreuse ou descendante quand sa température est supérieure à celle de la paroi poreuse. La paroi extérieure 18 est thermiquement isolante et est réalisée en tout matériau approprié. Le dispositif de régulation de température selon l'invention est schématiquement représenté en figure 2 et comprend essentiellement des moyens 22 de traitement de l'information à microprocesseur 24 et à mémoires 26 qui sont conçus pour piloter d'une part des moyens 28 de chauffage et de refroidissement du bâtiment, tels par exemple qu'une pompe à chaleur réversible, et d'autre part des moyens 30 de commande de moyens 32 de circulation d'air extérieur dans les espaces intermédiaires 20 séparant les parois 16 et 18 des murs extérieurs du bâtiment. Des capteurs d'un type approprié permettent de mesurer la température Ti et l'hygrométrie ci à l'intérieur du bâtiment et d'appliquer un signal correspondant ainsi qu'une consigne de température Tc et d'hygrométrie ec aux moyens 22 de traitement de l'information, qui reçoivent également des signaux représentant la température Te de l'air à l'extérieur du bâtiment et l'humidité relative ce de cet air extérieur. Des données correspondant aux variations diurnes et nocturnes de la température et de l'humidité de l'air extérieur et à leurs variations saisonnières sont enregistrées dans les mémoires 26 des moyens de traitement 22, ainsi qu'un algorithme de calcul permettant de sélectionner, en fonction des besoins et des conditions climatiques extérieures, le ou les murs extérieurs 10 du bâtiment dans lesquels on fera circuler de l'air extérieur et les périodes du jour et de la nuit pendant lesquelles cette circulation d'air extérieur aura lieu de façon à minimiser la consommation d'énergie de chauffage et de refroidissement dans le bâtiment, notamment en tenant compte de l'orientation des murs extérieurs et de leur ensoleillement. On peut par exemple faire circuler de l'air extérieur pendant les heures les plus chaudes de la journée pour chauffer le bâtiment et pendant les heures les plus froides de la nuit pour refroidir le bâtiment, en fonction des transferts thermique et hydrique. L'air extérieur qui circule dans l'espace intermédiaire 20 au contact de la paroi poreuse 16 est naturellement chargé d'humidité. La paroi poreuse 16 contient également de l'humidité sous forme d'eau libre qui remplit la majeure partie des capillaires de la paroi 16, d'eau condensée qui est retenue dans la paroi poreuse par les forces d'origine capillaire dans des capillaires ayant des diamètres inférieurs au diamètre de condensation, de vapeur d'eau mélangée à de l'air sec qui occupe les espaces vides non remplis d'eau liquide de la paroi poreuse, et d'eau liée qui est adsorbée par les constituants aux propriétés hydrophiles de la paroi poreuse. Les échanges thermiques entre l'air extérieur humide, la paroi poreuse 16 et l'air à l'intérieur du bâtiment ainsi que les variations correspondantes d'humidité peuvent être déterminées au moyen du diagramme d'air humide de VÉRON représenté en figure 3. Dans ce diagramme, l'axe des abscisses représente la température ts de l'air sec, l'axe des ordonnées à droite représente l'humidité absolue de l'air, en kg d'eau/kg d'air sec, la courbe C est la courbe de rosée ou courbe de saturation de l'air humide, correspondant à une humidité relative de 100 % (l'humidité relative étant le rapport de la pression partielle de la vapeur d'eau dans l'air humide et de la pression de saturation de la vapeur d'eau à la même température) et les courbes en pointillé sensiblement homothétiques à la courbe C correspondent à des courbes d'équilibre pour des humidités relatives de 90 %, 80 %, 70 %, 60 %, etc., comme indiqué. Dans ce diagramme, un refroidissement à pression de vapeur constante est représenté par un segment de droite parallèle à l'axe des abscisses et dirigé vers la courbe de rosée C. Un réchauffement à pression de vapeur constante est de même représenté par un segment de droite parallèle à l'axe des abscisses et orienté dans une direction opposée à la courbe C. L'air prélevé à l'extérieur du bâtiment peut, en été ou par temps chaud et sec, avoir une température de 30° C (température sèche) et une humidité relative de 50 %, ce qui correspond au point A dans le diagramme de la figure 3 et à une humidité absolue d'environ 0,0135 kg d'eau /kg d'air sec. Si la paroi poreuse 16 a une température d'environ 20°C et une humidité relative de 60 %, ce qui correspond au point B sur le diagramme de la figure 3 et à une humidité absolue de 0,009 kg d'eau/kg d'air sec, elle pourra rejeter 0,0135 - 0,009 = 0,0045 kg d'eau/kg d'air sec, cette eau migrant par capillarité vers la face de la paroi 16 balayée par l'air extérieur et s'évaporant en refroidissant la face extérieure de cette paroi à une température voisine de la température humide de l'air extérieur (soit environ 22°C pour une température d'air sec de 30°C). La paroi interne poreuse 16 est ainsi maintenue à une température d'environ 20°C avec une humidité absolue de 0,009 kg d'eau/kg d'air sec, cette humidité absolue étant aussi celle de l'air à l'intérieur du bâtiment en contact avec la paroi poreuse 16. Dans ces conditions, la circulation d'air extérieur dans l'espace 20 entre les parois 16 et 18 permet de réduire la température et l'humidité de l'air à l'intérieur du bâtiment et d'assurer un bon confort dans le bâtiment. En hiver ou par temps froid et humide, l'air prélevé à l'extérieur du bâtiment peut être à une température d'air sec de 5°C avec une humidité relative de 80 %, ce qui correspond dans le diagramme de la figure 3 au point D pour lequel l'humidité absolue est égale à 0,004 kg d'eau/kg d'air sec. Lorsque cet air extérieur circule dans l'espace intermédiaire 20 au contact de la paroi poreuse 16 dont la température est d'environ 20°C avec une humidité relative de 60 % (point B dans le diagramme de la figure 3), la paroi poreuse 16 va absorber une quantité d'eau égale à 0,009 -0,004 = 0,005 kg d'eau/kg d'air sec, par condensation de l'humidité de l'air extérieur, cette eau migrant par capillarité vers la face interne de la paroi 16 pour humidifier l'air à l'intérieur du bâtiment qui est au contact de cette paroi, en assurant ainsi un bon confort à l'intérieur du bâtiment. On peut donc, en fonction des caractéristiques de température et d'humidité de l'air externe, faire circuler celui-ci dans l'espace intermédiaire 20 pour chauffer ou refroidir le bâtiment tout en régulant l'humidité relative de l'air dans le bâtiment. Si l'humidité relative de l'air extérieur est faible, la paroi poreuse 16 se refroidira à la température humide de l'air extérieur, qui est inférieure d'environ 10° C à la température d'air sec de cet air extérieur, tout en absorbant une partie de l'humidité de l'air à l'intérieur du bâtiment. Inversement, quand la température de l'air extérieur est plus basse et que son humidité relative est plus importante, il sera possible de réchauffer la paroi poreuse 16 par condensation et absorption d'une partie de l'humidité de l'air extérieur, et d'augmenter le degré d'humidité dans le bâtiment, pour un meilleur confort. Cela permet entre autres d'utiliser l'alternance jour/nuit pour réguler la température et l'humidité dans un bâtiment en consommant un minimum d'énergie, voire sans consommer d'énergie lorsque les conditions les plus favorables de température et d'humidité sont réunies, en fonction des saisons. On peut aussi réaliser les murs internes porteurs du bâtiment ou murs de refend comme les murs externes et faire circuler de l'air extérieur dans leur espace intermédiaire dans les mêmes conditions que dans les murs externes, pour augmenter le chauffage ou le refroidissement et la régulation de l'hygrométrie dans le bâtiment. REVENDICATIONS1. Procédé de régulation de la température à l'intérieur d'un bâtiment dont les murs extérieurs (10) comprennent deux parois (16, 18) séparées par un espace intermédiaire (20) dans lequel on peut faire circuler de l'air prélevé à l'extérieur du bâtiment, caractérisé en ce que, la paroi intérieure (16) des murs extérieurs (10) étant microporeuse et leur paroi extérieure (18) étant thermiquement isolante, il consiste : - à mesurer ou estimer la température de l'air extérieur et son humidité, ainsi que leurs variations pendant la journée et pendant la nuit au cours des saisons ; - et à déterminer les périodes du jour et de la nuit pendant lesquelles la circulation d'air extérieur entre les deux parois (16, 18) d'un mur (10) peut au mieux refroidir ou réchauffer la paroi interne (16) du mur, en fonction des besoins, en tenant compte de l'humidité de l'air extérieur et de celle de l'air dans le bâtiment au contact de la paroi microporeuse (16) et des variations de température et d'humidité de la paroi microporeuse. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste également à sélectionner le ou les murs extérieurs (10) dans lesquels on fait circuler l'air extérieur, en fonction de leur orientation et de leur ensoleillement. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste, en été ou par temps chaud et sec, à faire circuler de l'air extérieur chaud à humidité relativement faible dans l'espace (20) entre les deux parois (16, 18) pour refroidir la paroi microporeuse (16) par évaporation de son humidité, refroidir l'air dans le bâtiment qui est au contact de cette paroi poreuse et diminuer l'humidité de cet air dans le bâtiment. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste, en hiver ou par temps froid et humide, àfaire circuler de l'air extérieur froid dans l'espace (20) entre les deux parois (16, 18) dans des conditions assurant un réchauffement de la paroi microporeuse (16) et une augmentation de l'humidité de l'air dans le bâtiment qui est au contact de cette paroi microporeuse, par condensation et absorption d'une partie de l'humidité de l'air extérieur. 5. Dispositif de régulation de la température à l'intérieur d'un bâtiment comprenant des murs externes à double paroi (16, 18) et des moyens de circulation d'air extérieur entre les deux parois de ces murs, caractérisé en ce que la paroi interne (16) des murs extérieurs (10) est une paroi microporeuse et la paroi externe (18) une paroi thermiquement isolante et en ce que le dispositif de régulation comprend des moyens pour mesurer ou estimer la température de l'air extérieur et son humidité ainsi que leurs variations pendant la journée et la nuit au cours des saisons, et des moyens (22) de calcul pour déterminer, en fonction des températures et de l'hygrométrie réelles et souhaitées à l'intérieur du bâtiment et de la capillarité de la paroi microporeuse, la ou les périodes du jour ou de la nuit où l'on fera circuler de l'air extérieur entre les deux parois (16, 18) des murs extérieurs et la durée de cette ou de ces périodes pour obtenir la température et l'hygrométrie souhaitées dans le bâtiment, et des moyens (30) de commande des moyens (32) de circulation d'air dans les murs extérieurs, ces moyens de commande étant pilotés par les moyens de calcul (22). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend aussi des moyens de sélection des murs dans lesquels on fera circuler l'air extérieur, en fonction de leur orientation et de leur exposition au soleil. 7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les moyens de calcul comprennent des moyens d'estimation d'une éventuelle énergie additionnelle à fournir pour obtenir la température souhaitée dans le bâtiment, et des moyens (28) de chauffage ou de refroidissement pilotés par les moyens de calcul. 8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les moyens de circulation d'air (32) sont commandés pour faire passer de l'air extérieur chaud entre les deux parois (16, 18) d'un mur extérieur dans des conditions provoquant une évaporation de l'humidité de la paroi microporeuse (16), un refroidissement de cette paroi et une absorption de l'humidité de l'air dans le bâtiment qui est au contact de la paroi microporeuse (16). 9. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que les moyens (32) de circulation d'air sont commandés pour faire passer de l'air extérieur froid entre les deux parois (16, 18) d'un mur (18) dans des conditions provoquant un réchauffement de la paroi microporeuse (16), par condensation et absorption par cette paroi d'une partie de l'humidité de l'air extérieur, et une augmentation de l'humidité de l'air dans le bâtiment qui est au contact de la paroi microporeuse (16).15