Brevet FR2943122A1 — publié le 20100917

DEMANDE DE BREVET D'INVENTION DISPOSITIF DE CHAUFFAGE ET CLIMATISATION UTILISANT NOTAMMENT L'ENERGIE GEOTHERMIQUE ET SOLAIRE RESUME La présente invention concerne un dispositif de chauffage et climatisation utilisant notamment l'énergie géothermique et solaire en vue de chauffer ou climatiser partiellement ou totalement un local (habitation, tertiaire, atelier ou usine). Elle modifie sensiblement le traditionnel Puits Canadien (appelé parfois aussi Puits Provençal quand la climatisation est son seul but) en augmentant les échanges thermiques par l'utilisation des phénomènes suivants : effet loupe (ou de serre), création de turbulence d'un fluide, augmentation des surfaces d'échanges par tubage, saturation aqueuse d'un volume d'échange, capillarité, vaporisation d'un liquide, énergie géothermique (base du principe du puits canadien), énergie solaire thermique et échangeur air/eau, isolation. Ces diverses améliorations concernent un mode � été � et un mode � hiver � : elles peuvent êtres utilisées une à une ou en deux ensemble (un par mode). La présente invention est constituée d'une prise d'air comportant elle-même un cylindre support rotatif, un toit en � V � renversé avec effet de serre, d'un clapet pivotant alternatif d'admission d'air, d'une grille de protection et d'un système de filtre. Elle comporte également un tuyau tubé enterré passant au travers de bâches étanches, comportant des ailettes de turbulence, un tissu ajouré de captage d'eau par capillarité et de deux dispositifs, l'un de purification de l'air, l'autre d'évacuation des condensas. Enfin, en partie aval du puits et avant l'évacuation, l'adjonction d'un panneau solaire réchauffant un fluide caloporteur passant dans un circuit isolé et dans un échangeur air/eau permet de rendre le puits � géosolaire �. L'évacuation comporte une gaine isolée et un groupe d'aspiration pouvant être celui de la VMC ou de la Centrale de traitement d'air. Cf Figure 1 représentant l'ensemble du processus. PRESENTAT1ON DETAILLEE La prise d'air: (Fig 1 : A) Elle est constituée d'une structure support faisant entrer l'air à au moins 1 mètre de haut pour limiter l'entrée de végétaux et animaux parasites ou indésirables. Elle est constituée de quatre éléments principaux : un cylindre support pivotant, vertical et bicolore un toit incliné en forme de � V � renversé et comportant une face munie d'un double vitrage ' un clapet orientable d'admission d'air une grille de protection et un système de filtres (ceci est classique et connu) Le cylindre support (1): Cette structure pivote de 180° et dispose d'un côté blanc et d'un côté noir (il s'agit d'un même élément cylindrique, vertical qui constitue la partie verticale de la structure. En mode été le côté blanc est disposé au sud et le noir au nord. En mode hiver, c'est l'inverse car le noir attire et emmagasine la chaleur ce qui augment le processus d'échange thermique. Le blanc renvoie la chaleur et maintient une température moindre. On choisira les matériaux en conséquence : le noir, absorbant la chaleur et le blanc la renvoyant. Le toit en � V � renversé avec effet de serre (2): Le toit en � V � renversé est également composé de deux matériaux et offre une face été et une face hiver. En été, la face orientée au sud (orientation moyenne calculée pour être le plus proche possible de 90 ° par rapport aux rayons du soleil d'été, angle a) est en matériaux renvoyant les rayons du soleil et de couleur blanche (ou très claire). En hiver, la face orientée au sud n'a pas le même angle d'orientation (environ 40°par rapport à l'horizontale, angle d) pour optimiser l'efficacité solaire. Elle est constituée d'une surface vitrée double (3) (dont l'une, externe, peut être en verre incassable) qui font effet de serre ou effet loupe. L'air admis dans la prise d'air passe entre cette double surface vitrée et une plaque noire constituée d'un matériau assimilant la chaleur. Un clapet orientable d'admission d'air (4) : Comme son nom l'indique, il permet l'entrée de l'air et est dimensionné en fonction du débit du puits canadien (nombre de tuyaux et diamètre de ceux-ci ainsi que vitesse de l'air). Quand il ouvre le mode � été �, il ferme le mode � hiver � et réciproquement. L'un des circuits est ouvert, l'autre est fermé. En mode été, le clapet nord est ouvert (il est abrité du soleil par la prise d'air et aspire un air relativement plus frais). En mode hiver, c'est le clapet sud, du côté de la partie exposée au soleil qui est ouvert. Le clapet oriente l'air soit dans la chambre sous verre, soit dans la partie claire orientée au nord. Une grille de protection et un système de filtres (5) : La prise d'air est également munie d'une grille de protection (dite anti-rongeurs et protégeant des insectes et autres animaux) et d'un système de filtres (anti-pollen et protégeant également d'autres particules de petites tailles). Ceci est classique et fait partie des bases même du système de puits canadien. 2943122 La partie géothermique du puits: (Fig 1 : B) Elle comporte six éléments : le tuyau tubé enterré les ailettes de turbulence les bâches étanches - le tissu ajouré et traité de captage d'eau par capillarité - le dispositif de purification - le dispositif d'évacuation des condensas Le tuyau tubé enterré (mode hiver/été)(6) : II s'agit ici d'un tuyau amélioré en ceci qu'il est tubé à l'intérieur et d'un diamètre extérieur supérieur à ce qui se fait d'habitude. En effet, les échanges thermiques sont proportionnels à la surface d'échange, donc plus le diamètre du tuyau est important, plus les échanges sont fructueux. Mais au-delà d'un diamètre intérieur de 220/250 mm, il se forme un cylindre d'air au milieu de celui-ci (comme l'oeil d'un cyclone dans lequel il n'y a pas de turbulence) qui n'est pas en contact avec les parois donc la terre et qui abaisse les performances de l'ensemble. Afin de bénéficier de l'un sans subir l'autre, le tuyau sera tubé intérieurement et le tube intérieur sera fermé aux deux bouts (il a été traité intérieurement contre les bactéries et champignons). Comparé à un tube de diamètre extérieur de 200 mm, un tube de 300 mm offre une surface d'échange de 50% supérieure et un débit 2,25 fois supérieur. En tubant ce tuyau à l'intérieur par un tuyau lisse de diamètre 200 mm extérieur, on continue à bénéficier de 50 % de surface d'échange en plus pour un débit de 25 % supérieur (2,25 moins 1) : on a donc amélioré le débit et les échanges 1 Le diamètre du tuyau sera calculé en fonction du débit souhaité du puits (sa puissance thermique) selon les règles de l'art. II doit être étanche et non poreux. S'il est constitué de.parties fixes qui s'assemblent, les joints doivent être étanches pour éviter les infiltrations. Le diamètre du tuyau, le nombre de tuyaux, la forme du circuit, le matériaux dont il est constitué sont calculés ou choisis en fonction des règles de l'art. Il respectera une pente minimale descendante de 2% (angle b) si la récupération des condensas se fait en fin de tuyau (comme sur la Figure 1 ci-jointe) ou une pente montante de 3 % si celle-ci se trouve avant. On privilégiera les matériaux facilitant l'écoulement des fluides, particulièrement le PE ou le PP, lisse à l'intérieur et annelé (ou lisse) à l'extérieur afin de minimiser la résistance à l'écoulement de l'air (NB ce sera l'inverse pour le tube intérieur qui devra être lisse à l'extérieur, peu important sa forme intérieure). Afin de faire tenir le tube intérieur, on le munira d'étoiles de sustentation : dans ce cas les ailettes de turbulences ne seront pas ajoutées puisque les étoiles créeront naturellement des turbulences. Les branches de l'étoile sont profilées comme les piles d'un pont romain ou la carène d'un bateau pour offrir le meilleur profil aérodynamique. Les ailettes de turbulence (mode hiver/été) : Dans le cas d'un tuyau classique non tubé à l'intérieur, il sera judicieux d'augmenter les échanges thermiques en créant des turbulences qui accroissent l'efficacité du puits. L'ajout d'ailettes de turbulence augmente aussi la résistance de l'air à l'écoulement et demande une plus grande force de ventilation de d'aspiration. C'est pourquoi l'adjonction d'ailettes doit être mesurée en calculant les avantages thermiques et les inconvénients d'écoulement de l'air. Il s'agit de simples ailettes légèrement courbes situées dans le sens du fluide de façon à créer une légère turbulence qui améliore les échanges thermiques. Elles sont déterminées par le calcul à distances régulières en fonction de la vitesse du fluide dans le puits. Elles doivent être dimensionnées pour créer une légère turbulence sans opposer trop de résistance à l'écoulement. Elles sont reliées entre elles par un fil plastique résistant afin de pour voir les sortir et les nettoyer. Les bâches étanches (mode hiver/été) (7) : Tous les sols ne sont pas égaux en termes de capacité à transmettre de l'énergie à un puits canadien. Les sols à limons saturés sont les plus efficaces. Le but de la présente amélioration consiste à rendre le sol saturé quand il ne l'est pas naturellement. La bâche ajoutée (pour des raisons pratiques, on procédera avec plusieurs bâches successives) retient l'eau et améliore les échanges thermiques puisque le tuyau se trouve alors dans un milieu saturé. Dans les cas où le sol est naturellement saturé (zone marécageuse, poche d'argile, nappe phréatique haute) cette amélioration n'a pas lieu d'être. Cette amélioration est valable hiver comme été. Elle permet de bénéficier au mieux de l'apport régénérateur de l'énergie des éléments. Cette bâche étanche est posée horizontalement dans le fond de la tranchée lors de la réalisation du puits, donc sur un lit de sablon compacté et éventuellement un feutre géotextile. Elle est partiellement remplie de sablon et reçoit le tuyau, qui lui respecte une pente de 2 à 4%(angle b). Deux possibilités de réalisation s'offrent : soit le tuyau traverse la bâche à ses deux extrémités (et il faut s'assurer de l'étanchéité des deux joints et donc du compactage du sablon lors de la pose du tuyau), soit celle-ci remonte suffisamment en amont (côté prise d'air) et englobe une portion de la partie verticale du tuyau et il n'y a plus qu'un joint aval à réaliser. Le tissu ajouré et traité de captage d'eau par capillarité (mode été seul) (8) : Quand l'eau s'évapore elle libère de la fraîcheur (le phénomène inverse de la condensation). Le système simple d'un tissu traité (contre les bactéries et les champignons) et ajouré (il doit laisser passer l'air et ne pas opposer trop de résistance à l'écoulement aéraulique de celui-ci) permet de bénéficier de cette fraîcheur de vaporisation qui rafraîchit l'air et abaisse sa température. Afin de ne pas compliquer inutilement le système, l'eau utilisée sera l'eau de condensation (que le contact d'un air chaud (mode été) sur une paroi froide (la peau du tuyau enterré) crée) et elle viendra humecter le tissu par capillarité. Cela oriente donc le choix du tissu vers un matériaux possédant des fibres creuses ayant de bonne capacité de ventilation comme par exemple le lin (et en plus résistant à un flux d'air permanent de 100 à 300 m2lheure à une vitesse de 1 à 3,5 m/s. Ce tissu ne fait pas obstacle à l'écoulement des condensas : il n'y pas d'accumulation d'eau stagnante : il se contente de � pomper � par capillarité ce qu'il est capable d'absorber en fonction de sas caractéristiques physiques. Le dispositif de purification (mode été seul)(9) : Il s'agit d'un dispositif complémentaire du tissu ajouré puisque celui-ci est traité. Son but est de lutter contre les bactéries et les champignons et d'être inoffensif pour la santé. Le dispositif d'évacuation des condensas (10) Permanent, il joue surtout son rôle en été lorsque se forment les condensas. II est situé en point bas et recueille les condensas qu'il évacue par gravitation (puits perdu, réseau d'évacuation munie de vanne anti-retour) soit par pompage en fonction de l'organisation des lieux. II s'agit là aussi d'un dispositif classique prévu par les règles de l'art. La partie solaire du puits (mode hiver seulement) ou puits � géosolaire � (Fig1 :C) Bien que la terre apporte ses calories à l'air circulant dans le puits, celles-ci sont limitées par plusieurs facteurs physiques, dont le plus important est la température de cette même terre en hiver. En effet, la température augmente quand on descend mais il serait économiquement inefficace (et écologiquement plus que douteux) de vouloir creuser un puits à 10, 20 ou 50 m car le terrassement serait à lui seul plus coûteux que quelques dizaines d'années de consommation énergétique. II existe en revanche une énergie disponible capable de fournir des températures bien supérieures aux 8 à 10 °C qu'offre la terre au milieu de l'hiver à 2m ou 2,5 m de profondeur: le soleil. Un système de réchauffage thermique de l'air à l'aide de panneaux solaires et d'un échangeur sera donc ajouté en fin de parcours de l'air de notre puits. (NB : il ne s'agit pas de panneau photovoltaïques dont l'objectif est de faire de l'électricité mais bien de panneaux solaires thermiques comme pour les chauffe-eau solaires). Cette partie du puits est constituée d'un panneau solaire orienté, d'un circuit isolé comportant un fluide caloporteur, d'un échangeur air/eau lui aussi isolé. Le panneau solaire orienté (11) : Il s'agit d'un panneau solaire thermique orienté au sud selon un angle optimisé en fonction de l'orientation des rayons solaires d'hiver (environ 40 °, cf. prise d'air mode hiver, angle c). Il doit être positionné de façon à recevoir les rayons du soleil (donc éviter les lieux abrités, ombragés etc.).Ce panneau est supporté par une structure composée de matériaux absorbant la chaleur de couleur noire ou sombre. Dans ce panneau solaire circule un fluide caloporteur résistant naturellement au gel ou étant additionné d'antigel (exemple eau glycolée). En fonction des calculs de puissance réalisés, on peut mettre en série plusieurs panneaux. Le circuit de fluide caloporteur (12) : Ce circuit est conçu pour faire circuler le fluide caloporteur en utilisant les différences de températures de ce fluide réchauffé dans le panneau solaire (il n'y a donc pas de pompe ni de circulateur). Le fluide passe dans le panneau solaire, se réchauffe puis redescend, dans une gaine isolée en direction de l'échangeur. De même, en sortie d'échangeur le circuit transporte le fluide, dans une gaine isolée, en direction du panneau solaire afin de le recharger thermiquement. La quantité de fluide, le circuit, l'échangeur constitue une masse qui se réchauffe en journée et cède ses calories lors de la nuit : l'apport de calories décroît durant la nuit et le cycle recommence dès les premiers rayons du soleil. L'échangeur air/eau (13) : Situé dans le tuyau, il oppose une résistance à l'écoulement du fluide (qui doit être vaincue par le moteur de la VMC ùVentilation Mécanique Contrôlée ù ou par le ventilateur situé en sortie du puits). L'échangeur, dans lequel passe le circuit comportant le fluide caloporteur, réchauffe l'air- qui circule dans la gaine (le tuyau) du puits. Il doit être calculé pour optimiser l'échange thermique et l'aéraulique d'écoulement. Terminaison et aval du puits (Fig1 :D) Cette dernière partie de notre puits géosolaire traite de l'entrée dans le local à chauffer et sa liaison avec les modes aval de traitement de l'air. II peut être raccordé à une VMV, une Centrale de traitement d'air ou des gaines d'insufflation dans le local. Elle comprend la gaine d'évacuation, le bypass et le groupe d'aspiration La gaine d'évacuation avale isolée(14) : Celle-ci, en prolongation du tuyau du puits et après l'échangeur est orientée vers le local pour lequel le puits a été conçu et calculé. Elle respecte une pente de 2% (angle b) pour l'évacuation des condensas par gravitation et écoulement naturel. Elle est isolée par une gaine composées de matériaux adaptés (polyuréthane si on est en partie enterrée, ou (moins bien polystyrène) ou laine de lin, chanvre ou bois si on est hors d'eau dans un local technique non chauffé par exemple. Il s'agit de ne pas perdre les calories dont s'est chargé l'air dans son périple dans le puits. Le by-pass hiver été/demies saisons (15) : Il est nécessaire de pouvoir désolidariser la VMC ou centrale de traitement d'air du puits canadien. C'est l'objet du by-pass. Il permet de shunter l'arrivée par le puits et de lui préférer une entrée d'air directe (par exemple au printemps ou en automne quand l'apport thermique du puits n'est pas nécessaire ou insuffisant pour compenser l'énergie mécanique consacrée au groupe d'aspiration. Le groupe d'aspiration (16) : Pour assurer au puits le débit pour lequel il a été calculé, il est nécessaire d'installer un groupe d'aspiration : simple ventilateur bien ajusté et correctement dimensionné, groupe de centrale de traitement d'air ou ventilation mécanique contrôlée, si possible double flux pour un rendement optimisé. En général, ces centrales et VMC comprennent un système de filtration de l'air : une réflexion s'impose donc pour éviter les doublons, en tenant compte du fait qu'il est absolument nécessaire de filtrer en entrée du puits. Les différentes pertes de charges rencontrées lors du parcours du puits (filtration à l'entrée, ailettes de turbulence, tissu de captage d'eau et surtout échangeur air/eau, rendent nécessaire un moyen mécanique d'aspiration de l'air. On peut suggérer ici qu'un échange thermique entre l'air en sortie du puits et le moteur du ventilateur (qui génère de la chaleur comme tous les moteurs et a besoin de se refroidir) permet d'améliorer encore l'efficacité du système (valable en mode hiver car il s'agit de réchauffer l'air). 7 SCHEMAS Figure 1 : schéma d'ensemble A La prise d'air (1) Cylindre pivotant (2) Toit en � V � inversé (3) Double vitre (4) Clapet orientable d'admission d'air (5) Grille de protection et système de filtration B Partie géothermique du puits (6) Tuyau tubé enterré (7) Bâches étanches (8)Tissu ajouré de captage d'eau par capillarité (9) Solution antiseptique (10) Evacuation des condensas C Partie solaire du puits (11) Panneau solaire thermique (12) Circuit de fluide caloporteur (13) Echangeur thermique air/eau D Terminaison et aval du puits (14) Gaine d'évacuation avale isolée (15) Bypass été hiver/demies saisons (16) Groupe d'aspiration Figure 2 : coupe du tuyau tubé (17) Tube intérieur (18) Tuyau extérieur (19) Etoile de sustentation Figure 3 : Détail branche de l'étoile de sustentation (20) Détail d'une branche REVENDICATIONS1) Dispositif de chauffage et de climatisation caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de prise d'air différencié été/hiver muni d'un cylindre pivotant composé de matériaux différenciés selon leurs performances thermiques d'absorption ou de renvoi de la chaleur, d'un toit été hiver aux inclinaisons différenciées selon l'orientation et la saison, comportant un système de vitre à effet de serre (pour l'hiver) et un clapet orientable d'admission de l'air. 2) Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif souterrain composé d'un tuyau tubé maintenu au centre du premier par un dispositif simple afin de maximiser la surface d'échange en évitant la zone � oeil du cyclone � dépourvue de contact avec la terre. 3) Dispositif,selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'ailettes recourbées créant dans un tuyau géothermique des turbulences qui améliorent les échanges thermiques avec la terre 4) Dispositif, selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif souterrain de réalisation de zones saturées d'eau par rétention à l'aide de bâches étanches successives transformant le milieu de l'échange thermique en zone saturée dont les performances thermiques sont accrues. Le tuyau du puits passe au milieu de ces zones. 5) Dispositif, selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif simple composé d'un tissu ajouré et traité (antibactérien et antifongique), absorbant par capillarité l'eau de condensation du puits et permettant sa vaporisation qui crée une cession de calories et rafraîchit l'air du puits (mode été) complété par un dispositif de traitement antibactérien. 6) Dispositif, selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif solaire thermique permettant de réchauffer un fluide caloporteur, de le transporter par circulation naturelle due aux différences de températures vers un échangeur air/eau afin qu'il cède ses calories à l'air circulant dans le puits. 4