CA1106251A

CA1106251A - Structure de toiture solaire et ses applications

Info

Publication number: CA1106251A
Application number: CA299,187A
Authority: CA
Inventors: Michel Ronc
Original assignee: Elf France SA
Current assignee: Elf Antar France
Priority date: 1977-03-18
Filing date: 1978-03-17
Publication date: 1981-08-04
Also published as: US4201193A; DE2811829A1; FR2384215B1; GB1596342A; FR2384215A1; NL7802886A; BE864951A

Abstract

Structure de toiture solaire alliant les fonctions de revêtement et d'étanchéité d'une toiture classique aux fonctions de capteur solaire caractérisée en ce qu'elle comporte : - un support en bois, métal ou béton - une épaisseur d'isolant - un revêtement d'étanchéité présentant une surface extérieure recouverte de granulés minéraux - des canaux de circulation de liquide en contact intime avec la couche d'étanchéité et situés entre cette couche et l'isolant. Réalisation particulière dans laquelle les canalisations d'eau sont des circuits tubulaires intégrés dans une tôle d'aluminium laminée en contact intime avec la couche d'étanchéité. Applications au chauffage ou à la climatisation des locaux et à la production d'eau sanitaire chaude.

Description

6Z~

L'application de l'énergie solaire à la production d'eau chaude sanitaire, au chauffage de l'eau des piscines commence à être rentable grâce au développement de la technologie des capteurs plans modulaires. L'application de l'énergie solaire au chauffage domestique pose encore des problèmes considérables, dûs notamment, au coût élevé de l'équipement nécessaire et de son installation, ainsi qu'aux difficultés de son intégration architecturale.
La présente invention a pour objet un dispositif perfectionné de toiture "solaire" alliant les fonctions de revêtement et d'étanchéité d'une toiture classique, aux fonctions de capteurs solaires utilisables pour le chauffage ; ou la climatisation du local ou de l'habitation et/ou le chauffage de l'eau sanitaire.
En hiver, notamment aux mois de Janvier et Eévrier l'énergie solaire arrivant sur une toiture inclinée à 45 et orientée vers le sud est en moyenne de 3 à 4 kWh/m2 par jour, dans le centre de la France. Ce sont là des valeurs moyennes, en fait, entre les journées ensoleillées et les journées à-ciel couvert, ou pluvieuses, les di~érences sont très impor~tantes. De plus, au cours des nombreuses journées à ciel variable, le flux solaire peut subir des variations très importantes, et souvent tres rapides. La toiture solaire doit donc avoir une inertie thermique faible de fa~on à pouvoir recupérer au maximum la chaleur produite par l'ensoleillement chaque fois que le flux dépasse, compte tenu des conditions atmosphériques, le seuil énergétique où il peut etre converti en chaleur utile transférable par le fluide caloporteur. Pour l'èau par exemple, la température minimum pour une utilisation directe en chauffage est d'environ 35C.
La toiture solaire objet de l'invention a pour but :

- En hiver de récupérer une partie de la chaleur produite au ' .

~6~

cours de l'insolation de la toiture et de la véhiculer par fluide caloporteur liquide pour le chauffage des locaux ou éventuellement de l'eau sanitaire.
- En éte, 8ventuellement, de refroidir la toiture en 8vacuant, à l'aide du fluide caloporteur la chaleur produite par insolation de la toiture et d'en utiliser une partie pour les besoins domestiques d'eau chaude.
Pour obtenir cet effet de climatisation et de récupe-ration de la chaleur, on dispose, conformement à l'invention, en contact direct avec le revêtement d'étanchéité des canaux de circulation de liquide.
Conformément à ce qui precède, l'invention revendiquée ici est une structure de toiture solaire alliant les fonctions de revetement et d'etanchéité d'une toiture ~lassique aux fonc-tions de capteur solaire utilisable pour le chauffage ou la climatisation des locaux qu'elle recouvre, caractérisee en ce que cette structure comporte: un support interne rigide;
; une couche d'isolant thermique disposée sur ledit support interne;
; un circuit de canaux de circulation d'un liquide caloporteur, ce circuit étant disposé à la surface externe de la couche isolante, et un revêtement externe d'étanchéité thermiquement absorbant disposé en contact intime avec la surface externe dudit circuit de canalisation de liquide caloporteur et le recouvrant completement.
L'invention sera mieux comprise par la description suivante de réalisations particulières et les figures qui `, l'illustrent.
- La figure 1 représente une coupe longitudinale suivant la pente de toiture solaire.
- La figure 2 repr8sente une coupe transversale de toiture ` solaire à canau~ de circulation d'eau, constitues de tubes profilés à section rectangulaire.

, ~625~L

- La figure 3 représente une coupe transversale de toiture à
circuit d'eau intégré dans une plaque métallique (aluminium lamin~) par exemple.
- La fi~ure 4 représente une variante de la figure 3, ou la plaque métallique et les canaux de circulation font partie du profilé (d'aluminium par exemple).
- La figure 5 représente une variante de la figure 3 avec une fibre sur la surface extérieure.
- La figure 6 représente une variante de la figure 3 avec la couche d'étanchéité revêtue de gravier ou de grains de verre ou de céramique.
- La figure 7 représente une variante de la figure 3 dans laquelle la conductibilité de la couche d'étanchéité est augmentée par des charges conductrices en poudre ou en fibres métalliques.
- La figure 8 représente un exemple de mise en oeuvre dans une maison, et - La figure 9 illustre un ensemble de courbes illustrant le rendement de captation d'une toiture solaire selon l'invention.
Selon la figure 1 et en allant de l'extérieur vers l'intérieur on distingue une structure d'étanchéité 1, en con- ;
tact avec une plaque métallique 2, une circulation de liquide caloporteur intégrée ou non 4, un isolant 3 et le support 5.
La structure d'étanchéité 1 est:en un matériau choisi dans le groupe des élastomeres ou du bitume. Cette surface étanche doit être thermiquement absorbante et présenter un , aspect esthétique. Cela est obtenu avec les granulés minéraux qui recouvrent habituelle~ent les bardeaux bitumineux et les couleurs ocre, brun, rouge, vert, qui, si elles sont assez fon-cées ont généralement un pouvoir absorbant satisfaisant.

Les canaux 4 de circulation du liquide (eau) peuvent être des tubes ou profilés ~flgure 23. De préférence ces ~ .

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5~

canaux sont solidaires d'une plaque ou feuille métallique 2 (figure 3). Sous les tubes et la feuille métallique une couche isolante 3, assure l'isolation thermique. Le matériau d'isola-tion thermique est choisi dans le groupe des fibres, mousses, plaques, perles ou laines minérales ou organiques.
Les canaux 4, sont de preference paralleles a la ligne de plus grande pente du toit pour permettre une circulation par convec~ion naturelle.
Des collecteurs de section plus importante placée aux extrémites des canaux de circulation permettent l'arrivée et l'extraction du fluide caloporteur.
Pour assurer une faible inertie thermique de l'ensem-ble, facteur d'efficacité de la toiture, le volume des tubes de circulation est le plus faible possible. On~cherche à avoir un grand nombre de canalisations de petite section, le facteur limitatif étant la perte de charge.

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~6;~5~ ~:

Pour la réalisation pratique des canaux solidaires d'une feuille métallique l'on peut utiliser la technique permettant d'obtenir par laminage de l'aluminium, des circuits hydrauliques intégrés dans une tôle de 2 à 3 millimètres d'epaisseur (figure 3).
Le filage de l'aluminium constitue un autre procédé
bien adaptë. La plaque et les canaux de circulation font partie de la même pièce profilée.
Une structure porteuse ou charpente, 5, peut être en bois, acier, béton dont l'inclinaison répond aux critères -architecturaux, de même qu'au souci d'optimiser la récupération ~;
de chaleur produite par l'insolation en hiver (la récupération optimum est obtenue, en hiver, sous nos latitudes avec une toiture exposée au sud et inclinée à 50 ou 60 environ).
Une telle toiture solaire ne possède évidemment pas l'efficacité d'un capteur solaire utilisant l'effet de serre.
Par contre, le fait de pouvoir recouvrir des toits complets, de réaliser d'une façon générale de grandes surfaces à un moindre surcoût permet de compenser largement les pertes de rendement. Ce dispositif de base met en jeu au maximum des matériaux couramment utilisés pour les toitures et revêtements d'étanchéité, il peut être amélioré dans sa fonction de capteur solaire en agissant en particulier sur : la protection contre le vent, l'état de surface de la couverture extérieure, la résistance au transfert thermique entre la surface extérieure et le fluide caloporteur.
Pour atténuer l'effet considérable et néfaste du vent, on peut recouvrir la toiture d'un tapis fibreux, 6, tel que fibre non tissée en polyester, nylon etc... Cette fibre, assez lâche pour permettre une bonne pénétration des rayons solaires, évitera que le vent vienne lécher la surface absorbante, ce qui est une source très importante de fuite thermique par -:

:

ZS~ -convection~ Cette variante est illustrée figure 5.
Pour éviter le vieillissement du bitume souvent utilisé comme couche étanche, il est d'usage de recouvrir les bardeaux de granulés minéraux (granulés d'ardoise ou granulés dits céramiques, figures 3 et 6). Ces granulés 7 permettent également de faire varier les couleurs et l'aspect de la toiture.
En remplaçant ces granulés par des débris de verre, dont le diamètre des grains est de quelques millimètres, on crée un effet de serre car le verre transmet le rayonnement solaire visible et proche infra-rouge à 85% environ e-t est opaque aux rayons infra-rouges lointains émis par la surface absorbante chaude située dans ce cas sous les granulés. Cet effet de serre, certes moins efficace que celui réalisé dans les capteurs solaires classiques, en particulier du fait de l'absence de la lame d'air, est cependant très appréciable.
Pour augmenter le coefficient de transfert thermique ~ entre la surface extérieure et le fluide caloporteur, on peut ; agir sur la conductivité de la structure d'étanchéité en chargeant le bitume, ou, l'élastomère de carbone, poudre métallique ou toute substance capable d'augmenter la conductivi-té de la couche d'étanchéité. On peut également noyer dans la couche d'étanchéité une fibre métallique (figure 7).
Comme on peut le voir sur la figure 8 le système de chàuffage associé à une toiture solaire 10 comprend principale-ment:
- un stokage 12 pour assurer une inertie thermique au système - et suppléer aux "pannes de soleil". Ce stockage peut être - une simple cuve à eau.
- des émetteurs thermiques 14 qui sont de préférence des - 30 radiateurs de grande surface émissive, des convecteurs basse température et par des planchers chauffants.
- des circulateurs 15 - un système de régulation sur le circuit de distrlbution, à

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l'aide d'une vanne 3 voies 16 par exemple.
- un système de régulation sur circuit solaire mettant en route la circulation lorsque la température à la sortie du capteur-toit est supérieure à la température dans le stockage et arrêtant le circulateur dans le cas con-traire.
- de préférence le système comprend une pompe de chaleur entre le stockage et le circuit de distribution. Cette pompe de chaleur 13 en permettant au capteur solaire de fonctionner à basse température 10 à 30C assure à l'ensemble du système un rendement par rapport à l'énergie solaire incidente suffisant pour couvrir la totalité des besoins de chauffage sous nos latitudes, Un système de régulation permettra de bipasser la pompe de chaleur en mi-saison lorsque les conditions climatiques .
sont suffisamment favorables 17.
En été le système sert à chauffer l'eau chaude sani-taire 18 avec un chauffage d'appoint classique 19.
La pompe de chaleur n'est plus en service et les 10 kWh par jour environ nécessaires sont apportés par le ca~teur-toit.
; L'excès de surface est compensée par une élévationsensible de la température de fonctionnement qui fait chuter de façon spectaculaire le rendement de captation, comme le montrent le tableau-II et la figure 9.
Dans certains cas, la toiture solaire peut également jouer un rôle intéressant de climatisation en été en évitant la surchauffe de la toiture. Il suffit pour cela diéliminer les calories récupérées dans un aérorefrigérant 18. Cette application de la toiture solaire conforme à l'invention ~-présente un grand intérêt principalement pour la climatisation ~

de locaux industriels et d'aires de stockage. Cette application ~-.
peut être avantageusement couplée avec la production d'eauchaude sanitaire ou industrielle.

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~6~:5~ :

Le tableau I donne les caractéristiques d'un proto-type de toiture solaire conforme à l'invention constituée comme sur la figure 8 par un pan de toit. Les dimensions ainsi que les caracteristiques géométriques et thermiques du capteur-toit sont précisées.
Le tableau II donne les performances obtenues à mi-journée avec cette toiture en fonction de la température d'entrée de l'eau, du débit d'eau et des conditions météorolo-. . .
giques (flux solaire et angle d'incidence des rayons solaires, température extérieure et vitesse du vent) TABLEAU I ~ ~ -CARACTERISTIQUES D'UNE TOITURE SOLAIRE REALISEE

CONFORMEMENT A L'INVENTION

Surface absorbante: ~

. Longueur : 6 mètres . largeur : 20 mètres ..inclinaison : 45 degrés . orientation : SUD

. surface extérieure constituée de billes de.

hilles de verre mélangées à des granulés de céramiques brune donnant un aspect gris brun ~

la.toiture. .

. coefficient d'absorption ~ 0,9 :~ -. émissivité~dans l'infra-rouge : 0,9 ~

;: Couche d'étanchéité: . -:"'-:.
~ bitume élastomère d'une épaisseur de 8 millimètres .. ~- conductivité thermique : 0,15 W/(m2CC) Canalisations:

` ~ : intégrées dans tôle d'aluminlum lamlnée comme -.~

dans la figure 3 : -- épaisseur de la tôle : 1,5 mm .

- section des canaux 2 mm x 10 mm - 7 ~
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6Z~ -- distance entre les canaux 30mm - épaisseur tôle des canaux 1 mm Fluide caloporteur : . :
eau chaleur spécifique Cp = 1 kcal/(kgC) masse volumique ~ = 1000 kg/m3 : ' , . ' ., .:

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62S~L -Les résultats du tableau III son-t rassemblés dans la figure 9 sous la forme de courbes donnant le rendement de captation (%) d'une toiture solaire selon l'invention en fonction d'une variable ~ m p ~ ext exprimant 3 des principales variables à savoir : la temp~rature moyenne de l'eau dans le capteur ~ m = ~e 2 ~ s ( 6 e = température d'entrée et s = température de sortie en C), la température extérieure 6 ext. (C) et le flux solaire incident P (W/m2). A titre comparatif sur cette même figure sont portées les courbes correspondant à un capteur solaire classlque avec et sans vitrage. .~ :
- La courbe 1 : correspond au rendement d'un capteur solaire . .
classique à 1 vitre, par vent nul.
- La courbe 2 : correspond au rendement du même capteur par : .
- vent de 5m/s.
- La courbe 3 : correspond au rendement d'un capteur solaire sans vitre par vent de 1 m/s.
- La courbe ~ : donne le rendement d'une toiture solalre conforme à l'invention par vent nul.
- La courbe 5 : donne le rendement de la même toiture par vent de 1 m/s - La courbe 6 : donne le rendement de la même toiture conforme : :
à l'invention par vent de 5 m/s. . . ~-:
Des courbes de la figure 9 établies à partir de résultats expérimentaux l'on peut conclure que :
- la toiture solaire selon l'invention a certes un rendement de captation nettement inferieur à ceux des capteurs solaires plans classiques utillsant l'effet de serre, mais cela est ~ : largement compensé par la possibilité d'avoir sans probleme d'intégration et sans surcoût important de grandes surfaces de captation.
- la sensibilité du rendement en fonction de la température .
-- 10 -- ., : ., : . ~
- ., . .. : : ~

~6~S~iL

d'utilisation est très grande, plus grande qu'avec les capteurs solaires classiques, d'où l'intérêt de travailler ~ basse température (avec pompe de chaleur).
- la sensibilité au vent est également très importante, nettement plus importante qu'avec les capteurs solaires classiques ' d'où l'intérêt d'abriter la toiture et de protéger sa surface de l'effet du vent.
Comme on peut le voir sur la figure 8, une maison , de 4/5 pièces, équipée d'une toiture solaire avec un revêtement constitué de bardeaux ou "shingles" (technologie déjà couramment ;
utilisée et d'un aspect attrayant) peut disposer d'un demi-toit capteur 10, d'environ 120m2, en supposant ce pan de toit exposé , au sud et incliné à 45. -~,-A part1r des données du tableau II on constate que, fonctionnant à basse température (environ 15 ou 20C) avec une pompe de chaleur, le rendement moyen de captation peut, durant une journée ensoleillée d'hiver se situer entre 15 %
et 30 % de l'énergie récupérable selon les conditions météo-rologiques (température extérieure et vent surtou-t).
Pour une maison située dans le midi méditerraneen une telle toiture fournit durant l'hiver (Octobre à Avril) entre 12.000 kWh et 25.000 kWh pour les besoins de chauffage.
A ces valeurs il faut ajouter les kWh électriques apportés par la pompe de chaleur, ce qul permet de couvrir aisément les , besoins qui pour une telle maison sont d'environ 15.000 à
` 20.000 kWh.
On constate que :
Le procédé décrit ci-dessus permet des rendements moyens de captation de l'énergie solaire de l'ordre de 15 à 30 %.
Le rendement étant défini par le rapport entre l'énergie calori-fique récupérée en Watts/m2 et l'énergi,e solaire incidente en ; Watts/m2.
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Les systèmes de toiture solaire à circulation de liquide permettent donc de couvrir une grande partie, sinon la totalité des besoins de chauffage, sans modifier l'aspect architectural de l'habitation et avec un surcoût bien inférieur à celui des installations solaires classiques.
Ces systèmes de chauffage solaire peuvent être appliqués aux habitations indifiduelles et d'une facon gén~rale aux immeubles résidentiels.
Ils peuvent également être utilisés pour la produc-tion d'eau chaude sanitaire d'immeubles collectifs ou lechauffage des locaux, tels que hangars, entrepôts, usines, qui utilisent déjà largement les couvertures-étanchéités en bardeaux bitumineux.
Un autre domaine d'application réside dans le chauffage et le conditionne~ent des caravanes et maisons mobiles ou baraques de chantiers. Dans toutes ces applications, de fluide caloporteur étant de l'eau, le chauffage de l'eau sanitaire est envisageable.
Enfin, une utilisation importante du dispositif - 20 décrit ci-dessus est de permettre la climatisation en evitant la surchauffe des toitures et comhles, surtout pour les ~ -entrepôts et les usines.
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Claims

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Structure de toiture solaire alliant les fonc-tions de revêtement et d'étanchéité d'une toiture classique aux fonctions de capteur solaire utilisable pour le chauffage ou la climatisation des locaux qu'elle recouvre, caractérisée en ce que cette structure comporte:
- un support interne rigide;
- une couche d'isolant thermique disposée sur ledit support interne;
- un circuit de canaux de circulation d'un liquide caloporteur, ce circuit étant disposé à la surface externe de la couche isolante, et - un revêtement externe d'étanchéité thermiquement absorbant disposé en contact intime avec la surface externe dudit circuit de canalisation de liquide caloporteur et le recouvrant complètement.

2. La structure selon la revendication 1, caractéri-sée en ce que ledit revêtement externe présente une surface extérieure recouverte de granulés minéraux.

3. La structure selon la revendication 1, caractéri-sée en ce que les canaux dudit circuit sont solidaires d'une feuille ou tôle métallique qui les réunit pour constituer ledit circuit.

4. La structure selon la revendication 1, caractéri-sée en ce que les canaux dudit circuit sont des tubes intégrés dans une feuille ou tôle métallique.

5. Structure selon les revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que la feuille ou tôle métallique est en aluminium laminé.

6. Structure selon les revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que les canaux dudit circuit forment avec la feuille ou tôle une seule et même pièce obtenue par filage.

7. Structure selon les revendications 1, 3 ou 4, caractérisée en ce que le revêtement externe présente une sur-face externe recouverte de débris de verre pour en améliorer l'effet capteur.

8. Structure selon les revendications 1, 3 ou 4, caractérisée en ce que le revêtement externe présente une sur-face externe recouverte d'une charge en fibre ou en poudre choisie dans le groupe de matériaux tels que fibres de carbone, fibres ou poudre métalliques, pour en améliorer la conductivité.

9. Structure selon les revendications 1, 3 ou 4, caractérisée en ce que l'effet du vent est atténué par un revête-ment de fibres plastiques disposé sur la surface externe du revêtement externe.