Brevet FR3108130A1 — publié le 20210917

L’invention concerne un mur trombe présentant une paroi (1) de stockage thermique et une couverture transparente (3) définissant entre elles un espace de circulation d’air et d’échange thermique, ledit espace présentant dans sa partie basse une ouverture (7) débouchant à l’intérieur du bâtiment et dans sa zone haute une ouverture (8) et débouchant à l’intérieur du bâtiment. La surface de ladite paroi (1) de stockage thermique faisant face à ladite couverture transparente (3) présente au moins un moyen de perturbation de la couche limite thermique et aéraulique. Figure 1 MUR TROMBE PRESENTANT UNE PAROI DE STOCKAGE THERMIQUE ET UNE COUVERTURE TRANSPARENTE Domaine de l’invention La présente invention concerne le domaine de l’architecture bioclimatique et plus particulièrement de la thermorégulation passive des bâtiments utilisant le principe du «mur Trombe». Un mur Trombe est composé d’un vitrage extérieur placé devant un mur sombre pour provoquer un effet de serre qui chauffe la lame d'air située entre les deux éléments. Des ouvertures en parties basses et hautes du mur assurent ensuite, à la demande, une circulation d'air par thermosiphon entre la lame d'air et l'intérieur des locaux à chauffer. En régulant le système, les calories sont stockées dans le mur et restituées de façon déphasée dans le bâtiment. L’air chauffé dans la lame d’air pénètre par les ouvertures supérieures dans les locaux. En chauffant la pièce, il se refroidit au contact de l’air du local et, une fois rafraîchi, revient par les ouvertures inférieures dans la lame d’air pour se réchauffer à nouveau. Les deux tiers environ de l'énergie sont restitués en transmission directe. Le tiers restant est, lui, restitué en déphasé grâce à l’inertie du mur. En l'absence de rayonnement solaire, le flux convectif s'inverse, ce qui peut provoquer un refroidissement accéléré de la pièce. Des clapets à fermeture manuelle ou automatique sont disposés au niveau des ouvertures. Ces clapets contrôlant le passage d’air par les ouvertures permettent d'éviter le refroidissement du local en l'absence d'ensoleillement suffisant et/ou d’assurer un refroidissement du local pendant les périodes de grandes chaleurs. État de la technique Le mur Trombe (ou encore Trombe-Michel) a été imaginé par Edward Morse en 1881 et décrit dans le brevet américain US246626A. De nombreuses évolutions ont été proposées, comme par exemple : les murs intégrant un matériau à changement de phase (MCP), les murs en zigzag, les murs à eau, les murs hybrides, les murs trans-solaires, les murs composites, les murs fluidisés, les murs avec photovoltaïque, les murs avec un système d’air forcé,etc.. A titre d’exemple, le brevet FR3070753 décrit un système de ventilation naturelle avec stockage d'énergie thermique pour le chauffage et/ou le rafraîchissement d'un bâtiment, caractérisé en ce qu'il comporte : des ventelles, ou encore lamelles ou volets, mobiles, pivotantes autour d'axes parallèles, depuis une position « ouverte » permettant l'écoulement d'air jusqu'à une position « fermée » dans laquelle les ventelles se rejoignent pour empêcher tout écoulement d'air, l'actionnement des ventelles permettant la mise en service ou l'arrêt de la ventilation naturelle, un ou plusieurs dispositifs d'échange thermique air/médium caloporteur, recevant l'air de ventilation en provenance des ventelles, et comportant un medium caloporteur apte à permettre le stockage d'énergie thermique, un ou plusieurs émetteurs thermiques capables de restituer l'énergie thermique stockée en fonction des besoins temporel et géographique en chauffage et/ou rafraîchissement du bâtiment. On connaît aussi la thèse soutenue le 5 décembre 2018 par Martin Thebault à Lyon en cotutelle avec l'University of New South Wales , dans le cadre de École Doctorale Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique (MEGA) (Villeurbanne) , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de CETHIL - Centre d'Énergétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône) (laboratoire) intitulée «Structure cohérentes et impact de la stratification extérieure dans un écoulement de convection naturelle en canal vertical» . Cette thèse présente l’étude d’une méthode, basée sur la Proper Orthogonal Decomposition (POD), a aussi été utilisée et a permis une très nette séparation spatio-temporelle des modes les plus énergétiques de l’écoulement en fonction des fréquences précédemment identifiées. Il devient donc possible d’étudier la contribution de ces modes à l’écoulement. Une analyse POD des champs de vitesses expérimentaux permet l’identification de similarités avec les structures observées numériquement. Les variations du gradient de température extérieur au canal, ont été identifiées comme l’une des sources de ces différences et ont fait l’objet d’études expérimentales et numériques. La thèse soutenue Sébastien PINARD au sein du Laboratoire Optimisation de la Conception et Ingénierie de l'Environnement«Étude d'une paroi ventilée multifonctionnelle adaptée à la rénovation thermique des bâtiments par l'intérieur le « 13/12/2012 », porte également sur l’étude des turbulences produite lors de la convection naturelle dans un canal vertical (façades double peau, mur Trombe etc.). Inconvénients de l’art antérieur Les solutions de l’art antérieur présentent un comportement aéraulique qui peut être amélioré comme le montre les thèses portant sur l’étude de la convection entre les parois d’un mur Trombe. Le profil de vitesse et de température varie dans l’épaisseur du canal vertical formé entre les deux parois, ce qui conduit à des disparités entre les échanges entre l’air circulant et le mur capteur. Solution apportée par l’invention Afin de remédier à cet inconvénient, la présente invention concerne selon son acception la plus générale unmur trombe présentant une paroi de stockage thermique et une couverture transparente définissant entre elles un espace de circulation d’air et d’échange thermique, ledit espace présentant dans sa partie basse une ouverture débouchant à l’intérieur du bâtiment et dans sa zone haute une ouverture débouchant à l’intérieur du bâtiment caractérisé en ce que la surface de ladite paroi de stockage thermique faisant face à ladite couverture transparente présente au moins un moyen de perturbation de la couche limite thermique et aéraulique. Avantageusement, ladite paroi de stockage thermique faisant face à ladite couverture transparente présente une pluralité de moyens de perturbation de la couche limite thermique et aéraulique répartis latéralement et verticalement. Selon un premier mode de réalisation, ledit ou lesdits moyens de perturbation de la couche limite thermique et aéraulique sont constitués par des rouleaux transversaux motorisés affleurant à la surface de ladite paroi de stockage thermique d’une épaisseur comprise entre 10 et 100 millimètres. Selon un deuxième mode de réalisation, ledit ou lesdits moyens de perturbation de la couche limite thermique et aéraulique sont constitués par des rouleaux transversaux motorisés affleurant à la surface de ladite paroi de stockage thermique d’une épaisseur correspondant à 0,2 à 2 fois l’épaisseur de ladite couche limite. Selon une première variante, lesdits rouleaux sont lisses. Selon une deuxième variante, lesdits rouleaux présentent des nervures longitudinales. Ces nervures longitudinales s’étendent dans des plans radiaux, ou présentent des ondulations ou au moins un tortillon. Selon, un troisième mode de réalisation, ledit ou lesdits moyens de perturbation de la couche limite thermique et aéraulique sont constitués par des protubérances d’une épaisseur comprise entre 10 et 100 millimètres réparties sur la surface de ladite paroi de stockage thermique. Selon, un quatrième mode de réalisation, ledit ou lesdits moyens de perturbation de la couche limite thermique et aéraulique sont constitués par des surfaces vibrantes. Selon, un cinquième mode de réalisation, ledit ou lesdits moyens de perturbation de la couche limite thermique et aéraulique sont constitués par des électrodes formant un système de décharge à barrière diélectrique. Avantageusement, ladite ou lesdites électrodes sont constitués par deux lames conductrices planes adjacentes et disposées de part et d’autre d’un film isolant. Description détaillé e d’exemple non limitatifs de réalisation L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre d'exemples de réalisation de mur Trombe selon l’invention donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 représente une vue en coupe d’un premier exemple de réalisation de l’invention; la figure 2 représente une vue en coupe d’un deuxième exemple de réalisation de l’invention. Présentation d’un premier mode de réalisation La figure 1 représente une première version d’un mur Trombe selon l’invention. Il est constitué par un mur formé par une paroi (1) de stockage thermique, par exemple un mur de béton d’une épaisseur de 40 centimètres ou un mur de parpaing, ou d’une paroi de 45 centimètres en terre banchée. La face arrière (à l’intérieur du bâtiment) est recouverte par un isolant (2). Il comprend une paroi transparente (3), par exemple une feuille de polycarbonate ou un vitrage définissant une lame d’air (11) fermée par des traverses (4, 5) assurant la fixation de la vitre (3) sur la paroi (1). Optionnellement, la paroi (1) de stockage thermique peut renfermer un matériau à changement de phase augmentant la capacité de stockage thermique. Elle est traversée par une série d’évents (7) alignés dans la partie basse de la paroi (1), et une série d’évents (6) alignés dans la partie haute de la paroi (1). Ces évents (6, 7) débouchent respectivement près du sol et près du plafond de l’intérieur du bâtiment. L’air circule par convection entre la partie inférieure et la partie supérieure de l’espace formé entre la paroi (1) et la vitre (3), pour se réchauffer au contact de la paroi (1) et déboucher dans le bâtiment par les évents supérieurs (6). L’air se refroidit dans le bâtiment et l’air froid est évacué par les évents (7) de la partie inférieure pour revenir dans l’espace formé entre la paroi (1) et la vitre (3). Éventuellement, des volets commandent l’ouverture ou la fermeture des évents inférieurs (7) et/ou supérieurs (6). Selon une variante, des évents sont également prévus pour communiquer avec l’extérieur du bâtiment. De la même façon, des volets peuvent commander l’ouverture ou la fermeture des évents de communication avec l’extérieur du bâtiment. Dans la version illustrée par la figure 1, la paroi (1) intègre des rouleaux transversaux (8, 9, 10) s’étendant sur la largeur de la paroi (1). Ils sont intégrés dans des rainures formées dans la paroi (1) et dépassent de la surface extérieure de la paroi (1), orientée vers le vitrage (3), de quelques dizaines de millimètres, typiquement de 10 à 100 millimètres. Ces rouleaux transversaux (8, 9, 10) sont entraînés par des moteurs électriques et présentent une surface lisse ou revêtue de nervures ou de filets ondulés. Selon une variante particulière, les rouleaux transversaux (8, 9, 10) forment le rotor d’un moteur électrique comprenant en outre un stator bobiné fixe. Les rouleaux transversaux (8, 9, 10) sont formés dans ce cas en un matériau ferromagnétique constituant une culasse contre laquelle sont collées des aimants permanents. Ces rouleaux transversaux (8, 9, 10) ont pour effet de perturber la couche limite du flux aéraulique se formant à la surface de la paroi (1) en créant des turbulences assurant un brassage de la lame d’air circulant entre le vitrage (3) et la paroi de stockage thermique (1), de façon à augmenter les échanges thermiques pendant la circulation entre la zone basse et la zone haute du mur Trombe. Variante de réalisation La figure 2 représente une variante de réalisation de l’invention, où la perturbation de la couche limite est produite par un système de décharge à barrière diélectrique. A cet effet, la paroi (1) présente à sa surface, régulièrement répartis, des électrodes formées de deux lames conductrices (12, 13) adjacentes, séparées par un film diélectrique (14). L’une des électrodes (12) est placée sur le film diélectrique (14) et est décalée latéralement par rapport à l’autre électrode (13) disposée sur la face opposée du film diélectrique (14). Les lames conductrices (12, 13) sont alimentées par des décharges avec une tension alternative de 3 à 10 kV d’une fréquence de quelques Khz. Lorsque la tension appliquée sur le gap gazeux devient égale à la tension d’amorçage (définie par la courbe de Paschen), on observe la formation d’un canal conducteur. Compte tenu du faible libre parcours moyen à pression atmosphérique, ce canal de micro-décharge présente un rayon typiquement de l’ordre de la centaine de µm. Le diélectrique en vis-à-vis de la micro-décharge se comporte alors comme l’isolant d’un condensateur dont les armatures sont constituées par les lames conductrices (12, 13). Le passage du courant induit une accumulation de charge sur la surface du diélectrique solide en vis-à-vis du canal de décharge qui conduit à une augmentation de la tension. Si l’augmentation de cette tension au fur et à mesure du développement de la décharge est plus rapide que l’augmentation de la tension appliquée à l’endroit où s’est initiée la micro-décharge, elle entraîne une chute de la tension appliquée sur le gaz, ce qui conduit à l’extinction de la décharge. Ainsi, la micro-décharge est bloquée bien avant d’avoir atteint un degré d’ionisation suffisant pour transiter en régime d’arc. Si la tension appliquée sur les électrodes continue d’augmenter, des micro-décharges s’initient à de nouvelles positions car la présence de charges résiduelles en surface du diélectrique diminue le champ électrique vu par le gaz aux positions où les micro-décharges se sont déjà développées. A l’inversion de polarité, les charges précédemment déposées sur le diélectrique permettent un claquage du gaz sous un champ électrique plus faible que lors de la première alternance. La différence de potentiel entre deux lames métalliques (12, 13) pour établir une décharge électrique conduit au régime d'arc, qui est localisé et entraîne une très forte élévation de température produisant temporairement un plasma perturbant la couche limite. La source d’énergie peut être constituée par des cellules photovoltaïques formant par exemple une bande sur le vitrage (3) et assurant l’alimentation d’un circuit électronique du système de décharge à barrière diélectrique (DBD). Mur trombe présentant une paroi (1) de stockage thermique et une couverture transparente (3) définissant entre elles un espace de circulation d’air et d’échange thermique, ledit espace présentant dans sa partie basse une ouverture (7) débouchant à l’intérieur du bâtiment et dans sa zone haute une ouverture (8) et débouchant à l’intérieur du bâtiment caractérisé en ce que la surface de ladite paroi (1) de stockage thermique faisant face à ladite couverture transparente (3) présente au moins un moyen de perturbation de la couche limite thermique et aéraulique. Mur trombe selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite paroi de stockage thermique (1) faisant face à ladite couverture transparente présente une pluralité de moyens de perturbation de la couche limite thermique et aéraulique répartis latéralement et verticalement. Mur trombe selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que ledit ou lesdits moyens de perturbation de la couche limite thermique et aéraulique sont constitués par des rouleaux transversaux (8, 9, 10) motorisés affleurant à la surface de ladite paroi (1) de stockage thermique d’une épaisseur comprise entre 10 et 100 millimètres. Mur trombe selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que ledit ou lesdits moyens de perturbation de la couche limite thermique et aéraulique sont constitués par des rouleaux (8 à 10) transversaux motorisés affleurant à la surface de ladite paroi de stockage thermique d’une épaisseur correspondant à 0,2 à 2 fois l’épaisseur de ladite couche limite. Mur trombe selon la revendication 3 ou 4 caractérisé en ce que lesdits rouleaux (8 à 10) sont lisses. Mur trombe selon la revendication 3 ou 4 caractérisé en ce que lesdits rouleaux (8 à 10) présentent des nervures longitudinales. Mur trombe selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que ledit ou lesdits moyens de perturbation de la couche limite thermique et aéraulique sont constitués par des protubérances d’une épaisseur comprise entre 10 et 100 millimètres réparties sur la surface de ladite paroi de stockage thermique. Mur trombe selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que ledit ou lesdits moyens de perturbation de la couche limite thermique et aéraulique sont constitués par des surfaces vibrantes. Mur trombe selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que ledit ou lesdits moyens de perturbation de la couche limite thermique et aéraulique sont constitués par des électrodes formant un système de décharge à barrière diélectrique. Mur trombe selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite ou lesdites électrodes sont constituées par deux lames (12, 13) conductrices planes adjacentes et disposées de part et d’autre d’un film isolant (14).