Brevet FR2979938A1 — publié le 20130315

Elément d'enveloppe d'un bâtiment et ensemble comprenant un tel élément La présente invention concerne un élément d'enveloppe d'un bâtiment, ainsi qu'un ensemble comprenant un tel élément. L'enveloppe d'un bâtiment assure la séparation entre l'intérieur et l'extérieur du bâtiment et remplit plusieurs fonctions, comme par exemple l'isolation phonique, la protection contre le froid, le chaud, la pluie et le vent, et l'éclairage naturel de l'intérieur du bâtiment par les rayonnements solaires. En général, ces fonctions sont réalisées par plusieurs éléments distincts. Ainsi, les bâtiments comportent généralement un mur en briques qui assure l'isolation thermique et phonique du bâtiment, avec une inertie thermique qui restitue la chaleur accumulée. Les bâtiments comportent également des vitrages simples qui permettent l'éclairage naturel du bâtiment mais ne sont pas efficaces pour l'isolation thermique et phonique. Certains éléments d'enveloppe assurent à la fois plusieurs de ces fonctions. Par exemple, les double-vitrages laissent passer la lumière du soleil et apportent, dans une certaine mesure, une isolation thermique et phonique. Les éléments connus d'enveloppe de bâtiment ne permettent pas d'assurer à la fois le clôt du bâtiment, l'isolation thermique et phonique, la captation d'énergie solaire et l'éclairage naturel. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant un élément d'enveloppe de bâtiment isolant, captant l'énergie solaire et ayant une bonne inertie thermique. A cet effet, l'invention a pour objet un élément d'enveloppe d'un bâtiment, destiné à assurer l'interface entre l'intérieur et l'extérieur du bâtiment. Selon l'invention, l'élément comprend : - des briques creuses translucides qui sont remplies avec un matériau à changement de phase et qui constituent ensemble une paroi intérieure qui est prévue pour être installée du côté intérieur du bâtiment, - un vitrage extérieur qui est prévu pour être installé du côté extérieur du bâtiment, - une paroi isolante qui est constituée d'un aérogel de silice granulaire ou d'un xérogel de silice granulaire et qui est interposée entre la paroi intérieure et le vitrage extérieur. Grâce à l'invention, l'aérogel ou le xérogel granulaire de silice assure l'isolation thermique du bâtiment grâce à sa très faible conductivité thermique. L'interaction entre l'aérogel ou le xérogel granulaire de silice et le matériau à changement de phase permet, en été, d'isoler l'intérieur du bâtiment de la chaleur et, en hiver, de capter l'énergie solaire pendant la journée et de la restituer à l'intérieur du bâtiment à la tombée de la nuit, grâce à la bonne inertie thermique du matériau à changement de phase. Ainsi, l'invention permet, en été, de faire des économies d'énergie en ce qui concerne le rafraichissement du bâtiment et, en hiver d'économiser sur le chauffage. L'élément d'enveloppe assure également l'isolation phonique du bâtiment. Par ailleurs, l'élément d'enveloppe de l'invention est esthétique car il est opaque lorsque sa température est basse, par exemple la nuit, et devient translucide lorsqu'il se réchauffe. Selon des aspects avantageux de l'invention mais non obligatoires de l'invention, un tel élément d'enveloppe peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises dans toute combinaison techniquement admissible : - Le matériau à changement de phase est opaque lorsqu'il est à l'état solide et translucide lorsqu'il est à l'état liquide. - La température de fusion du matériau à changement de phase, à pression atmosphérique, est comprise entre 18°C et 36°C, de préférence comprise entre 21°C et 27°C. - Les briques sont en verre. - La paroi intérieure et le vitrage extérieur sont montés dans un cadre. - Une épaisseur de la paroi isolante est comprise entre 5 et 50 mm, de préférence comprise entre 20 et 40 mm. - L'élément comporte un rideau ou un volet monté sur le cadre du côté du vitrage extérieur. - La paroi isolante est en contact avec la paroi intérieure. - Une lame d'air s'étend entre la paroi intérieure et la paroi isolante. - La lame d'air est délimitée d'un côté par la paroi intérieure et de l'autre par un vitrage intermédiaire disposé entre la paroi intérieure et le vitrage extérieur. L'invention concerne également un ensemble d'enveloppe d'un bâtiment, qui comprend un élément d'enveloppe conforme à l'invention et un système de ventilation qui permet de ventiler la lame d'air, soit en boucle fermée avec l'air intérieur du bâtiment, soit en boucle ouverte à partir d'air frais extérieur au bâtiment ou de toute autre source froide. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un élément et d'un ensemble d'enveloppe d'un bâtiment, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins dans lesquels : - la figure 1 est une vue de face d'un élément d'enveloppe conforme à l'invention ; - la figure 2 est une coupe selon la ligne II-II à la figure 1 ; et - la figure 3 est une vue à plus grande échelle du détail III à la figure 2 ; - la figure 4 est une vue analogue à la figure 3 d'un élément d'enveloppe conforme à un deuxième mode de réalisation de l'invention. Les figures 1 à 3 montrent un élément d'enveloppe 1 d'un bâtiment non représenté. L'élément 1 assure l'interface entre l'intérieur et l'extérieur du bâtiment. Il peut être intégré à une façade d'un bâtiment d'habitation ou d'un bâtiment tertiaire, que ce soit pour une construction neuve ou en rénovation. L'élément 1 comprend une paroi intérieure 2 et un vitrage extérieur 3 parallèles qui sont entourés d'un cadre 4. En configuration installée, le vitrage 3 est à l'extérieur du bâtiment et la paroi 2 est à l'intérieur du bâtiment. La figure 1 montre la face intérieure de l'élément 1. La paroi 2 est plane et comprend plusieurs briques 22 en verre. Les briques 22 sont de forme parallélépipédique et sont agencées les unes contre les autres pour former plusieurs lignes et plusieurs colonnes. Les briques 22 ont une section carrée et mesurent 190 mm de côté et 50 mm d'épaisseur. Les briques 22 peuvent être assemblées directement entre elles, par exemple au moyen de joints en silicone. En alternative, on peut utiliser des profilés placés entre les briques 22 et assemblés aux briques 22, par exemple avec une colle à base de silicone. Les briques 22 situées sur le pourtour de la paroi 2 sont assemblées au cadre 4. Chaque brique 22 est creuse et est remplie avec un matériau à changement de phase 24. Par exemple, le matériau à changement de phase 24 est un corps organique tel qu'une paraffine ou un acide gras, ou un mélange de paraffines ou d'acides gras ou encore un sel hydraté. On définit un axe géométrique Xl. Le vitrage 3 et la paroi 2 sont perpendiculaires à l'axe X1. Des bords 32 du vitrage 3 sont logés chacun dans une rainure 42 réalisée dans le cadre 4. Le vitrage 3 a une épaisseur d'environ 6 mm. On note dl une distance mesurée le long de l'axe Xl, entre la paroi 2 et le vitrage 3. La distance dl est comprise entre 5 et 50 mm, de préférence comprise entre 20 et 40 mm. Ainsi, un espace El est défini entre la paroi 2 et le vitrage 3. L'espace El est rempli avec un xérogel granulaire de silice 5. Le xérogel granulaire 5 constitue une paroi isolante d'épaisseur d1, interposée, selon l'axe Xl, entre la paroi 2 et le vitrage 3. Un gel comporte une structure continue tridimensionnelle constituée de particules de silices formant des pores. On distingue alors, selon la nature du liquide présent dans les pores du gel, les hydrogels, les alcogels et les organogels. Lorsque la phase liquide est éliminée du gel en laissant sa structure poreuse intacte, on peut obtenir un matériau intéressant du fait de sa faible densité et de sa faible conductivité thermique. Le terme « xérogel » est généralement utilisé lorsqu'on se réfère à un gel de silice qui a été séché par l'évaporation du solvant. Un xérogel de silice granulaire obtenu selon le procédé décrit dans le document FR 2 873 677 peut être utilisé dans le cadre de l'invention. En contraste, le terme « aérogel » se rapporte à un gel de silice séché dans des conditions supercritiques. De manière connue en soi, il est possible de caractériser une zone de confort dans laquelle un individu n'est pas indisposé par la température du milieu où il se trouve. La zone de confort varie d'un individu à l'autre et évolue en fonction de l'activité de l'individu. La notion de zone de confort est définie, par exemple, dans le « Mémento technique du bâtiment » du CERTU (centre d'études sur les réseaux, les transports, l'urbanisme et les constructions publiques). La zone de confort se caractérise notamment par une plage de température, comprise entre une température minimale et une température maximale, dans laquelle l'individu n'a ni trop chaud ni trop froid. Par exemple, la température minimale est égale à 18° et la température maximale à 36°. La zone de confort peut aussi intégrer l'humidité de l'air ambiant. Le matériau à changement de phase 24 a une température de fusion Tf proche de celle du milieu de la zone de confort d'un individu moyen, à l'intérieur du bâtiment. La température de fusion Tf est considérée à pression atmosphérique. Par exemple, la température de fusion Tf est de l'ordre de 21,5 °C. De préférence, la température de fusion Tf est comprise entre 18°C et 36°C, de préférence encore comprise entre 21°C et 27°C. Le matériau à changement de phase 24 a un taux de transmission du rayonnement solaire qui varie en fonction de son état : il est opaque lorsqu'il est à l'état solide et transparent lorsqu'il est à l'état liquide. Par conséquent, lorsque la température est inférieure à la température de fusion Tf, le matériau à changement de phase 24 est solide et opaque et lorsque la température est supérieure à la température de fusion Tf, le matériau à changement de phase 24 est liquide et translucide. La conductivité thermique du xérogel granulaire 5 est de l'ordre de 0,02 W/m.K et son taux de transmission énergétique est d'environ 40 % pour une épaisseur dl de 4 cm. Ainsi, le xérogel granulaire 5 est un très bon isolant thermique. L'élément 1 comprend un rideau déroulant 10 facultatif, qui s'enroule autour d'un tambour monté libre en rotation dans un caisson 12 fixé au cadre 4. Le rideau 10 s'étend du côté du vitrage extérieur 3, à l'extérieur de l'élément 1, et peut couvrir ou découvrir le vitrage extérieur 3. Le rideau 10 permet d'isoler visuellement le bâtiment. Il joue également un rôle dans l'isolation thermique du bâtiment, car il fait obstacle aux rayonnements solaires entre l'intérieur et l'extérieur du bâtiment. Par exemple, en été, pendant la journée, l'opérateur peut baisser le rideau 10 pour protéger l'intérieur du bâtiment du rayonnement solaire. En hiver, l'élément 1 capte l'énergie solaire et le matériau à changement de phase 24 emmagasine la chaleur captée. Le matin, l'élément 1 est soumis aux rayonnements solaires. Le matériau à changement de phase 24 se réchauffe, fond et devient translucide et liquide. Les briques 22 et le matériau à changement de phase 24 stockent la chaleur captée. Puis, en fin de journée, lorsque la température extérieure chute, le matériau à changement de phase 24 restitue la chaleur accumulée. Cette chaleur restituée est canalisée à l'intérieur du bâtiment car le xérogel granulaire 5, qui est un bon isolant thermique, empêche le flux thermique de s'échapper vers l'extérieur du bâtiment. Ainsi, l'intérieur du bâtiment se réchauffe, ce qui permet de faire des économies d'énergie en diminuant les apports en énergie auxiliaire pour le chauffage du bâtiment, par exemple au moyen de radiateurs électriques ou d'un plancher chauffant. La chaleur restituée par l'élément 1 provient uniquement des rayonnements solaires et contribue au chauffage du bâtiment. Au fur et à mesure que la température extérieure diminue, le matériau à changement de phase refroidit et se solidifie, devenant opaque. En été, pendant la journée, le xérogel granulaire 5 isole l'intérieur du bâtiment de l'ambiance extérieure, ce qui évite que l'intérieur du bâtiment ne se réchauffe. Le matériau à changement de phase 24 reste à température constante et absorbe de la chaleur pendant sa fusion, ce qui permet de diminuer le flux d'énergie thermique qui entre dans le bâtiment durant les heures les plus chaudes. Le changement d'aspect du matériau à changement de phase 24 assure une fonction de décoration en isolant visuellement l'intérieur du bâtiment, uniquement la nuit lorsque la température est basse. Au contraire, pendant la journée, lorsque le matériau à changement de phase est liquide et translucide, les occupants du bâtiment peuvent entrevoir la luminosité extérieure. Quelle que soit la saison, l'élément 1 se comporte comme une paroi chaude lorsque le matériau à changement de phase 24 restitue l'énergie thermique, et comme une source de lumière naturelle d'intensité variable au cours de la journée. L'élément 1 assure ainsi quatre fonctions : l'isolation thermique grâce au xérogel granulaire 5, le stockage d'énergie thermique avec une très haute densité d'énergie grâce au matériau à changement de phase 24, la transmission de la lumière naturelle car l'élément 1 laisse passer la lumière extérieure, et la décoration grâce au changement d'aspect du matériau à changement de phase 24. L'élément 1 présente une grande modularité. Il peut être fabriqué en usine et livré prêt à être scellé à des éléments structuraux du bâtiment. En outre, les briques 22 apportent une fonction esthétique à l'élément 1. Les dimensions de l'élément 1 peuvent être modulées facilement en modifiant la taille des briques 22 ou leur nombre. Ainsi, l'élément 1 peut s'adapter à tous les bâtiments. La figure 4 montre un élément d'enveloppe 101 conforme à un deuxième mode de réalisation, dans lequel les éléments analogues à ceux des figures 1 à portent les mêmes références numériques, augmentées de 100. Ainsi, l'élément 101 comprend une paroi 102 en briques 122, un vitrage extérieur 103 et un cadre 104. Dans la suite, on décrit uniquement ce qui distingue le deuxième mode de réalisation du premier. L'élément 101 comprend, en plus du vitrage extérieur 103, un vitrage intermédiaire 106 disposé à l'intérieur de l'élément 101, entre le vitrage 103 et la paroi 102. La fixation du vitrage intermédiaire 106 au cadre 104 est analogue à celle du vitrage extérieur 103. Les vitrages 103 et 106 et la paroi 102 sont parallèles. On définit un axe X101 perpendiculaire aux vitrages 103 et 106 et à la paroi 102. Un premier espace E101 est défini, le long de l'axe X101, entre les vitrages 103 et 106. Selon l'axe X101, le vitrage intermédiaire 106 est interposé entre la paroi 102 et le vitrage extérieur 103. Un aérogel de silice granulaire 105 est confiné dans l'espace E101 et forme une paroi isolante. Un second espace libre E102, à l'intérieur duquel s'étend une lame d'air 107, est défini le long de l'axe X101 entre la paroi 102 et le vitrage intermédiaire 106. La lame d'air 107 permet d'améliorer l'isolation thermique et phonique de l'élément 101. On note d101 une distance entre la paroi 102 et le vitrage intermédiaire 106, mesurée le long de l'axe X101. L'épaisseur de la lame d'air 107 est égale à la distance d101. La distance d101 est comprise entre 5 et 100 mm, de préférence comprise entre 10 et 30 mm . En ce qui concerne les économies d'énergie, l'élément 101 est plus efficace que l'élément 1 lors des périodes hivernales car la lame d'air 107 améliore l'isolation du bâtiment et le protège du froid. L'élément 101 peut également comporter un rideau monté sur le cadre 104, du côté du vitrage extérieur 103 et analogue au rideau 10 du premier mode de réalisation. En variante non représentée, un système assure la ventilation de la lame d'air 107 de manière à éviter sa surchauffe ou de permettre le couplage entre le stockage d'énergie thermique du matériau à changement de phase 124 et une source froide en période estivale, par exemple l'ambiance extérieure la nuit. Ainsi, le matériau à changement de phase 124 se solidifie plus facilement. Dans ce cas, on peut prévoir dans le cadre 104 des orifices d'entrée et de sortie d'air pour la circulation et le renouvellement de l'air de la lame d'air 107, dans l'espace libre E102. La ventilation peut s'effectuer soit en boucle fermée avec l'air intérieur du bâtiment, soit en boucle ouverte à partir d'air frais extérieur au bâtiment ou de toute autre source froide. Dans le cadre de l'invention, les caractéristiques des modes de réalisation et des variantes de l'invention peuvent être combinées entre elles, totalement ou partiellement. En particulier, on peut utiliser un aérogel ou un xérogel de silice granulaire dans chacun des modes de réalisation. REVENDICATIONS1.- Elément (1 ; 101) d'enveloppe d'un bâtiment, destiné à assurer l'interface entre l'intérieur et l'extérieur du bâtiment, caractérisé en ce qu'il comprend : - des briques (22 ; 122) creuses translucides qui sont remplies avec un matériau à changement de phase (24 ; 124) et qui constituent ensemble une paroi intérieure (2 ; 102) qui est prévue pour être installée du côté intérieur du bâtiment, - un vitrage extérieur (3 ; 103) qui est prévu pour être installé du côté extérieur du bâtiment, - une paroi isolante (5 ; 105) qui est constituée d'un aérogel de silice granulaire ou d'un xérogel de silice granulaire et qui est interposée entre la paroi intérieure (2 ; 102) et le vitrage extérieur (3 ; 103). 2.- Elément (1 ; 101) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau à changement de phase (24 ; 124) est opaque lorsqu'il est à l'état solide et translucide lorsqu'il est à l'état liquide. 3.- Elément (1 ; 101) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température de fusion (Tf) du matériau à changement de phase (24 ; 124), à pression atmosphérique, est comprise entre 18°C et 36°C, de préférence comprise entre 21°C et 27°C. 4.- Elément (1 ; 101) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les briques (22 ; 122) sont en verre. 5.- Elément (1 ; 101) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi intérieure (2 ; 102) et le vitrage extérieur (3 ; 103) sont montés dans un cadre (4 ; 104). 6.- Elément (1 ; 101) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une épaisseur (dl ; d101) de la paroi isolante (5 ; 105) est comprise entre 5 et 50 mm, de préférence comprise entre 20 et 40 mm. 7.- Elément (1 ; 101) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un rideau ou un volet (10) monté sur le cadre (4 ; 104) du côté du vitrage extérieur (3 ; 103). 8.- Elément (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi isolante (5) est en contact avec la paroi intérieure (2). 9.- Elément (101) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une lame d'air (107) s'étend entre la paroi intérieure (102) et la paroi isolante (105). 10.- Elément (101) selon la revendication 9, caractérisé en ce que la lame d'air (107) est délimitée d'un côté par la paroi intérieure (102) et de l'autre par un vitrage intermédiaire (106) disposé entre la paroi intérieure (102) et le vitrage extérieur (103). 10 11.- Ensemble d'enveloppe d'un bâtiment, caractérisé en ce qu'il comprend un élément (101) selon l'une des revendications 9 et 10 et un système de ventilation qui permet de ventiler la lame d'air (107), soit en boucle fermée avec l'air intérieur du bâtiment, soit en boucle ouverte à partir d'air frais extérieur au bâtiment ou de toute autre 15 source froide.