Brevet FR2963037A1 — publié le 20120127

L'invention concerne une toiture photovoltaïque avec isolation intégrée. Pour transformer l'énergie solaire en courant électrique il est connu de disposer sur la toiture des panneaux photovoltaïques qui, fournis avec des dimensions propres à chaque fabricants, sont fixés sur la toiture et reliés électriquement en série par groupe de plusieurs, chaque groupe alimentant un boitier électronique spécifique. L'état de la technique fournit plusieurs documents concernant l'installation de tels panneaux sur des toitures existantes, avec charpente en bois ou en métal. Le document FR2465315 vise à assurer l'étanchéité de la couverture en coiffant les bords des panneaux photovoltaïques par des profilés qui coopèrent avec des profilés complémentaires pour former des chicanes empêchant les eaux de pluie de pénétrer sous les panneaux. Cette construction adoptée à l'origine ne comporte pas de moyens améliorant l'isolation de la toiture, comme cela est demandé actuellement. Par ailleurs, en raison de l'étanchéité entre panneaux, chaque pan de toiture forme une unité monolithique qui rend difficile un refroidissement efficace de ces panneaux par une circulation d'air inférieure, apte à éliminer les calories produites par leur fonctionnement et pouvant atteindre de l'ordre de 80°C coté toiture. Il en résulte une baisse du rendement de l'installation et des risques importants d'échauffement. Pour remédier à cela le document FR2921680 décrit un dispositif support composé d'un bac métallique nervuré destiné à être interposé entre au moins un panneau photovoltaïque et son support, ce bac étant disposé de manière que les nervures éloignent le panneau du fond du bac pour former un espace de ventilation communiquant par des passages avec l'extérieur du bac. Un tel dispositif assure les fonctions de ventilation interne des panneaux et d'étanchéité à l'eau de pluie, mais n'assure aucune isolation et surtout ajoute un composant onéreux à la liste de ceux nécessaires à la construction de la toiture. Enfin, on connait par les documents FR2934618, FR2935410 et WO2008/128507 des moyens de soutien et de fixation de panneaux photovoltaïques sur des bacs métalliques ondulés assurant l'étanchéité de la couverture. Ces moyens comprennent des profilés métalliques sur lesquels les panneaux sont posés. Chaque profilé comporte au moins une rainure ou gorge longitudinale permettant le positionnement par coulissement de moyens d'accrochage des moyens de fixation du panneau et pour certains des moyens de fixation du profilé sur la toiture sous jacente. Ce mode de soutien et de fixation par rails ou profils intermédiaires présente l'avantage de rendre la fixation indépendante de la forme et du pas des ondulations des bacs d'étanchéité, mais aussi des dimensions et de la disposition des panneaux photovoltaïques, tout en procurant une standardisation réduisant le temps de pose de ces panneaux. Ce mode de soutien et de fixation est utilisé par de nombreux moyens 10 du commerce se différenciant par la forme du profilé et par celles de ses moyens complémentaires de fixation. L'objet de l'invention est de remédier aux inconvénients des constructions actuelles en fournissant une toiture intégrée qui, non seulement assure l'étanchéité de la couverture et la ventilation de la face inférieure des 15 panneaux photovoltaïques, mais assure aussi l'isolation thermique, tout en limitant les coûts par une utilisation de moyens du commerce déjà éprouvés techniquement. L'invention concerne plus particulièrement les toitures dans lesquelles, d'une part, la charpente est recouverte par des bacs d'étanchéité ondulés et, 20 d'autre part, les panneaux photovoltaïques sont supportés par des profilés intermédiaires liés à eux par des moyens de liaison avec brides d'appui, ces profilés étant eux même liés par des moyens de fixation à la structure sous jacente. La toiture selon l'invention comprend entre, d'une part, les bacs ondulés 25 d'étanchéité reposant sur la charpente et, d'autre part, les panneaux photovoltaïques, et en allant du bas vers le haut : - des pièces d'espacement qui, fixées sur les ondulations des bacs d'étanchéité, supportent des lambourdes en bois et délimitent avec ces dernières un espace d'accueil d'au moins une couche de matériau d'isolation 30 thermique, - et, des bacs nervurés qui, posés avec recouvrement de leurs bords et transversalement aux lambourdes, sont fixés sur celles-ci, portent les moyens de fixation des panneaux photovoltaïques et délimitent verticalement avec ces panneaux un espace de ventilation communiquant avec l'extérieur par les intervalles ménagés entre panneaux et des ouvertures laissées libres en périphérie. Dans cette construction, les moyens portant les panneaux photovoltaïques sont en totalité disposés dans la zone ventilée et peuvent donc être refroidis, en même temps que la face inférieure des panneaux, tandis que la couche d'isolation est confinée entre deux parois métalliques dont les moyens de fixation sur la charpente ne génèrent aucun pont thermique et garantissent la parfaite isolation du local sous jacent à la toiture. Il faut noter que la différence de valeurs entre la température sous les panneaux voltaïques, pouvant aller jusqu'à 80° C et la températue extérieure, bien inférieure, génère en toutes saisons des courants d'air qui, grâce aux intervalles entre panneaux et aux ouvertures périphériques, est à l'origine d'une ventilation permanente naturelle, automatique et permanente. Dans une forme d'exécution de l'invention, les profilés de soutien et de fixation des panneaux photovoltaïques sont portés par des moyens de soutien et de liaison fixés sur des consoles s'étendant transversalement entre deux des sommets des nervures des bacs nervurés sur lesquels elles sont fixées par leurs extrémités, chaque console comportant une platine de réception des moyens de soutien et de fixation des panneaux, traversée par au moins un trou de passage de boulon, la dite platine étant bordée par des retours coudés de rigidification, s'étendant l'un vers le haut et l'autre vers le bas. Ces consoles, comme les bacs ondulés, les bacs nervurés, les profilés et leurs moyens de fixation sont tous du commerce, ce qui contribue à réduire le coût général de la construction et le temps de pose, puisque le personnel n'utilise que des techniques traditionnelles et validées. De préférence, chacune des extrémités des consoles prend appui sur le sommet d'une nervure d'un bac nervuré avec interposition d'une rondelle d'étanchéité, traversée par la vis de fixation de la console sur le bac. Il ressort de ce qui précède que la toiture est composée de deux couches qui, non seulement, remplissent des fonction différentes, mais qui, en plus, sont reliées de manière à ne former entre elles aucun pont thermique pouvant contrarier l'isolation thermique du local assurée par les couches disposées entre les deux nappes de bacs. D'autre caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé, dans lequel : Figure 1 est une vue partielle en perspective avec arrachements partiels d'une forme d'exécution de cette toiture, Figure 2 est une vue de coté en coupe montrant à échelle réduite une forme d'exécution d'une toiture avec dôme d'éclairement ; Figure 3 est une vue partielle en coupe transversale suivant III-III de 10 figure 2 montrant à échelle agrandie la structure de la toiture ; Figure 4 est une vue en perspective éclatée montrant les moyens assurant le soutien et la fixation des panneaux photovoltaïques ; Figure 5 est une vue en perspective à échelle agrandie des moyens de fixation des panneaux aux profilés ; 15 Figure 6 est une vue en perspective, à échelle agrandie et avec coupe partielle, montrant l'ensemble des moyens de fixation entre bac nervuré et panneau. Dans ce dessin, la référence numérique 2 désigne les poutres de la charpente du bâtiment et 3 les bacs ondulés d'étanchéité fixés sur cette dernière 20 par des clous, rivets ou vis 4, selon que les poutres sont en bois ou en acier. 5 désigne les panneaux photovoltaïques, 6 leurs profilés de soutien coopérant avec des moyens 7 et 8 de fixation. Tous ces éléments sont connus dans la construction de couverture de toiture et ne sont détaillés que pour faciliter la compréhension des autres éléments 25 de la structure de l'invention. Ainsi il est connu de disposer les bacs 3 perpendiculairement aux poutres 2 et de manière que l'ondulation de bordure de l'un de leurs deux bords soit chevauchée par celle du bac juxtaposé et que l'ondulation de bordure de l'autre bord chevauche celle d'un autre bac. 30 Comme le montre en détail la figure 4, chaque profilé 6 est obtenu par extrusion d'un alliage d'aluminium avec des parois extérieures 6a, 6b et 6c, et possède une âme 9 en forme générale de croix à quatre branches 9a, 9b, 9c et 9d le divisant en quatre compartiments 10a, 10b, 10c et 10d. Le compartiment 10a est totalement fermé et constitue un caisson de rigidification. Celui 10b débouche en partie supérieure et présente une paroi interne 9a moins haute que sa paroi externe 6a, mais équipée comme elle d'un retour 5 coudé vers l'intérieur, respectivement, 11 et 12. Le compartiment 10c débouche aussi en partie supérieure et est délimité latéralement par la paroi interne 9a et par la paroi externe 6b qui, comme la paroi 6a, est plus haute que la paroi 9a et comporte un retour coudé extrême 13, tourné vers l'intérieur et situé au même niveau que celui 12 qui lui fait vis-à-vis. 10 La paroi 6b comporte aussi, sous le retour 13, une nervure 14 délimitant avec ce retour un espace d'accueil 15 dont l'utilité sera indiquée plus loin. Le compartiment 10d débouche latéralement en partie inférieure et à l'opposé du compartiment 10a. Il comprend, en saillie de sa paroi interne 9b, des nervures 16 avec retour coudé 17 et, en saillie de sa paroi inférieure 6c, des 15 nervures 18 et 19. Ce compartiment est destiné à coopérer avec un crochet 20 faisant partie des moyens de fixation 7 et ménagé d'un coté d'un talon 22. Ce dernier est monté libre en rotation à l'extrémité d'une tige filetée 23 se vissant dans un équerre 24. Quand le moyen de fixation 7 est assemblé au profilé, sa partie en 20 forme de crochet 20 se loge entre la branche 9b de la croix centrale et la nervure 16 et vient coiffer la nervure 17, tandis que son talon vertical 22, s'encastre entre les nervures 18 et 19. L'ensemble du crochet peut coulisser longitudinalement dans le profilé pour adapter sa position sans perdre de sa faculté de serrage. Il en est de même pour les logements 10a et 10b qui permettent le 25 réglage longitudinal des moyens 8 assurant la fixation avec un panneau 5. Dans la forme de réalisation montrée à la figure 5 ces moyens comprennent une bride 26, un crochet 27 et une vis 28 montée libre en rotation dans la bride et se vissant dans le talon 29 du crochet. Comme le montre la figure 6, quand ce moyen de fixation est assemblé 30 avec le profilé 6, le talon 29 s'insère dans l'espace d'accueil 15, son crochet 27 pénètre dans le compartiment 10b et vient coiffer le retour coudé 12 de la paroi 9a. Le serrage d'un panneau 5 est assuré par la bride 26 qui, comme le montre la figure 6, vient prendre appui sur le bord de ce panneau 5 tandis que son corps s'insère dans l'intervalle entre deux panneaux 5. Le profilé 6 et les moyens de fixation 7 et 8 qui viennent d'être décrits sont ceux commercialisés par la société Allemande CONERGY, mais il est évident que cet équipement peut être remplacé par tout autre moyen équivalent comportant un profilé extrudé rigide et des moyens de fixation permettant de soutenir et fixer en toiture des panneaux photovoltaïques, quelles que soient l'orientation des panneaux par rapport aux éléments de couvertures sous jacents. La toiture à isolation intégrée, selon l'invention, comprend, en plus des moyens qui viennent d'être décrits, des pièces d'espacement 30 qui, fixées sur les sommets des ondulations des bacs ondulés 3, sont espacées longitudinalement les unes des autres et supportent des lambourdes 32. Dans cette forme d'exécution, chaque pièce 30 est constituée par une tôle d'acier galvanisée pliée pour former un profilé rigide ayant une section transversale en oméga et dont les ailes coudées 30a sont fixées par des vis 33 sur les ondes des bacs 3. La paroi sommitale 30b de chaque pièce 30 est liée par des clous 34 à la face inférieure de la lambourde 32, comme montré à la figure 3. Les différentes lambourdes sont disposées perpendiculairement à la pente du toit et de manière que leur face supérieure forme un plan d'accueil pour des bacs nervurés 35 posés avec recouvrement de leurs bords. Dans cette réalisation chaque bac 35 présente, en saillie vers le haut, des grandes nervures 35a entre lesquelles sont disposées plusieurs petites nervures 35b. Les figures 1 à 3 montrent bien que l'intervalle compris entre les deux séries de bacs forme un espace E d'accueil de matériaux d'isolation, tels que deux 25 couches croisées 36 et 37 de laine de verre. Cet espace est confiné et protégé par les bacs nervurés 35 qui sont liés aux lambourdes d'une part, par des clous 39 et, d'autre part, par des tirants 40 de fixation des consoles 42, ces clous et tirants étant disposés au sommet des grandes nervures 35a des bacs. 30 Dans la forme de réalisation montrée en détail aux figures 4 et 6, chaque console 42 comprend une platine 42a rigidifiée par des nervures et bordée par deux retours coudés 42b et 42c, dirigés l'un vers le haut et l'autre vers le bas. La platine 42a a une longueur permettant à ses extrémités de venir reposer sur deux grandes nervures juxtaposées 35a d'un bac 35, pour y être fixées par les tirants 40, traversant des trous 43 ménagés dans ces extrémités. La figure 4 montre que chaque platine 42 comporte aussi des trous traversant 44 servant à la fixation des équerres 24 des moyens 7, supportant le profilé 6 et de construire la structure de soutien et de fixation des panneaux 3. Ce mode construction forme au dessus de l'espace d'isolation E et entre les bacs nervurés 35 et les panneaux photovoltaïques 5, un espace ventilé V permettant d'abaisser la température de la face inférieure des panneaux 5 et d'en augmenter le rendement. La figure 2 montre que la ventilation s'effectue naturellement : - horizontalement, par les ouvertures 46 laissées en périphérie de chaque pan de toiture, et - verticalement par les intervalles 47 laissés entre panneaux 35. Les deux espaces, respectivement, d'isolation E et de ventilation V sont totalement indépendants, sans aucune possibilité d'interaction l'un sur l'autre, d'autant plus que l'appui de chaque console 42 sur les nervures 35a d'un bac 35 s'effectue avec interposition d'une rondelle d'étanchéité 45, disposée dans la zone de serrage des tirants 40. Enfin et comme montré à la figure 2, lorsque une toiture en pente comporte des lanterneaux d'éclairage 50, ceux-ci ne sont pas disposés de manière traditionnelle entre les rangées de panneaux photovoltaïques 5 et en toutes zones de la couverture, mais à la partie inférieure des pans de toiture et au dessous des rangées de panneaux 5 pour limiter l'occultation de ces panneaux par l'ombre des lanterneaux. Cet aménagement des lanterneaux peut être réalisé même lors de l'installation de panneaux 5 sur une toiture existante, puisque cette opération implique de démonter l'existant jusqu'à la charpente pour permettre la mise en place des composants de l'isolation, avant pose des panneaux photovoltaïques. REVENDICATIONS1.) Toiture photovoltaïque avec isolation intégrée dans laquelle la charpente est recouverte par des bacs ondulés d'étanchéité (3) et les panneaux photovoltaïques (5) sont supportés par des profilés intermédiaires (6) liés à eux par des moyens de liaison (8) avec brides (26) venant en appui sur les panneaux (5), ces profilés (6) étant eux mêmes liés par des moyens de fixation (7) à la structure sous jacente, caractérisée en ce qu'elle comprend entre, d'une part, les bacs ondulés d'étanchéité (3) reposant sur la charpente (2) et, d'autre part, les panneaux 10 photovoltaïques (5), et en allant du bas vers le haut : - des pièces d'espacement (30) qui, fixées sur les ondulations des bacs (3), supportent des lambourdes en bois (32) et délimitent avec ces dernières un espace E d'accueil d'au moins une couche (36) de matériau d'isolation thermique, 15 - des bacs nervurés (35) qui, posés avec recouvrement de leurs bords et transversalement aux lambourdes (32), sont fixés sur celles-ci, portent les moyens de fixation (7) des panneaux photovoltaïques (5) et délimitent avec ces panneaux un espace V de ventilation communiquant avec l'extérieur par les intervalles (47) ménagés entre panneaux et des ouvertures (46) laissées 20 libres en périphérie. 2.) Toiture photovoltaïque avec isolation intégrée selon la revendication 1 caractérisé en ce que chaque pièce d'espacement (30) est constituée par une tôle d'acier galvanisée pliée pour présenter un profil rigide en Oméga dont les ailes (30a) sont fixées sur les sommets des ondulations des bacs d'étanchéité (3) 25 et dont le sommet (30b) est fixé à une lambourde (32). 3.) Toiture photovoltaïque avec isolation intégrée selon les revendications 1 et 2 prises ensemble caractérisé en ce que l'espace d'accueil E de matériaux d'isolation, contient deux couches croisées (36, 37) de laine de verre. 30 4.) Toiture photovoltaïque avec isolation intégrée selon la revendication 1 caractérisé en ce que les profilés (6) de soutien et de fixation des panneaux photovoltaïques (5) sont portés par des moyens (7) de soutien et de liaison fixés sur des consoles (42) s'étendant transversalement entre deux dessommets des nervures (35a) des bacs nervurés (35) sur lesquels elles sont fixées par leurs extrémités, chaque console comportant une platine (42a) de réception des moyens (7) de soutien et de fixation des panneaux (5), traversée par au moins un trou (44) de passage de boulon, la dite platine (42a) étant bordée par des retours coudés (42b et 42c) de rigidification, s'étendant l'un vers le haut et l'autre vers le bas. 5.) Toiture photovoltaïque avec isolation intégrée selon les revendications 1 et 4 prises ensemble, caractérisé en ce que chacune des extrémités des consoles (42) prend appui sur le sommet d'une nervure (35a) d'un bac nervuré (35) avec interposition d'une rondelle d'étanchéité (45) traversable par le tirant (40) de fixation de la console sur le bac (35). 6.) Toiture photovoltaïque avec isolation intégrée selon la revendication 1 caractérisé en ce que, dans une charpente pentue équipée de lanterneau (50) d'éclairage, ces lanterneaux sont disposés dans la partie inférieure des pans de toiture au dessous des panneaux photovoltaïques (5), pour limiter l'occultation de ces panneaux par l'ombre des lanterneaux.