Brevet FR2279038A1 — publié le 19760213

La présente invention a pour objets un procédé et une installation pour le chauffage ou le préchauffage d'un fluide, par transfert audit fluide de colo- ries provenant de l'énergie solaire. Le fluide en question peut etre, par exemple, de l'eau utilisée comme eau sanitaire ou comme eau comprise dans un circuit de chauffage central, ce qui permet d'utiliser l'énergie solaire en appoint d'un générateur thermique c lasslque ou vice-verso. Plus précisément, le procédé selon l'invention comprend le chauffage d'un milieu d'échange thermique ayant une grande capacité d'absorption des calories. On a déjà songé à chauffer un tel milieu d'échange thermique - I'eau d'un grand réservoir, par exemple - à l'aide de l'énergie solaire, en vue, notam ment, de la production d'eau chaude sanitaire. L'eau chaude du réservoir est soutirée au fur et à mesure des besoins et remplacée par un volume égal d'eau froide. Ce genre d'installation présenterait un réel intérêt si la consommation attei gnait son apogée quand l'ensoleillement est lui-meme maximal. Malheureusement, tel n'est pas le cas. En effet, sur le plan domestique, c'est précisément aux moments (matin et soir) où l'ensoleillement est faible que la consommation atteint sa valeur de pointe. A plus forte raison, ceci est également valable, lorsque l'eau doit servir d chauffer des locaux, puisque les besoins en chauffage varient, en général, en sens inverse de l'ensoleillement. La présente invention a pour but de remédier à ce défaut d'efficacité des installations connues en utilisant le milieu d'échange thermique comme milieu tampon. Plus précisément, selon l'invention, le milieu d'échange thermique emmaga sine des calories, lorsque le rayonnement solaire est susceptible de lui en fournir, et rétrocède lesdites calories pour utilisation, lorsque l'énergie fournie directement par ledit rayonnement solaire est inférieure aux besoins du moment. On comprend donc que, de cette manière, lorsque le rayonnement solaire est suffisant, les calories recueillies sont non seulement dirigées vers un poste d'utilisation - si, à ce moment, il existe une demande en calories mais aussi, stockées, en prévision de la période où le rayonnement deviendo inefficace. Lors de cette période, le milieu tampon rétrocédera les calories qu'il a emmagasinées précédemment et palliera l'insuffisonce ou l'absence du rayonnement solaire. En pratique, le milieu d'échange thermique n'emmagasine des calories que lorsque les calories fournies par le rayonnement solaire excède les besoins du moment. Comme il est dit plus haut, l'invention a également pour objet une installation pour la mise en oeuvre du procédé proposé. II s'agit d'une installation comprenant un circuit de fluide d'échange thermique et un capteur d'énergie solaire fournissant des calories audit fluide, ladite installation étant caractérisée en ce qu'elle inclut un accumulateur de calories renfermant un milieu tampon susceptible d'etre en relation d'échange thermique avec le fluide précité et des moyens de régulation commandant, d'une part, la mise en ou hors service du capteur et, d'autre part, le mode de fonctionnement - stockage ou déstockage - de l'accumulateur Les moyens de régulation agissent en fonction, d'une part, de la comparaison de la température Tr du fluide mesurée immédiatement en amont de la zone d'échange thermique avec le capteur et de la température Ts dite "température" d'ensoleillement mesurée dans ledit capteur, et d'autre part, de la comparaison de ladite tempéralure Ts avec une température de consigne haute Tc+ choisie pour ledit fluide, en un point déterminé situé en amont de la zone d'utilisation. II est bien entendu que dans la présente description et dans les revendications, on doit apprécier les positions "amont" et "aval" par rapport au sens de circulation du fluide d'échange thermique. On comprend que, ce faisant, les moyens de régulation commandent la mise en service du capteur lorsque la température Ts d'ensoleillement est supérieure à la température Tr du fluide mesurée immédiatement en amont de la zone d'échange thermique avec le capteur, puisque dans ce cas, le capteur est capable d'éléver la température dudit fluide, et la mise hors service dudit capteur lorsque la température Ts est inférieure à la température Tr, puisque dans ce cas il en est incapable, et qu'au contraire il est susceptible de dissiper des calories. Les moyens de régulation commandent, simultanément, à l'accumulateur de calories d'assumer sa fonction de stockage lorsque la température Ts d'ensoleil lement est supérieure à la température de consigne haute Tc+, et sa fonction de déstockage dans le cas contraire. Le mode de fonctionnement de l'accumulateur de calories est donc fonction de la comparaison entre la quantité de calories susceptibles d'être fournies par le rayonnement solaire à un moment donné et le maximum de calories acceptables, par le fluide au voisinage de sa zone d'utilisation, maximum qui est fixé par la température de consigne haute Tc+. En pratique, le fluide d'échange thermique circule dans l'accumulateur en cédant ses calories excédentaires au milieu tampon renfermé dans ledit accumulateur, lorsque celui-ci fonctionne en stockage, et en recevant les calorie que lui rétrocède ledit milieu tampon, lorsque l'accumulateur fonctionne en déstockage. On peut donc envisager trois situations différentes - les calories solaires susceptibles d'être captées sont supérieures aux besoins auquel cas le capteur est mis en service, l'accumulateur assumant sa fonc tion de stockage. - les calories solaires susceptibles d'être captées sont inférieures aux besoins mais existent néanmoins, auquel cas le capteur est mis en service et l'accu mulateur assume sa fonction de déstockage en palliant, au moins partielle ment, l'insuffisance du capteur, - les calories solaires susceptibles d'être captées sont inexistantes, auquel cas le capteur est mis hors service et l'accumulateur assume sa fonction de déstockage, assumant à lui seul, dans la mesure de ses capacités, le chauffage du fluide. En variante, L'échange thermique entre le fluide chauffé par le capteur et le milieu tampon peut se faire indirectement, par l'intermédiaire d'un circuit auxiliaire. De préférence, l'accumulateur est pourvu d'une pompe à chaleur qui élève la température du milieu tampon. Cette pompe à chaleur reçoit ou les calories excédentaires du fluide d'échange thermique après son passage dans le capteur, ou, directement, la totalité des calories captées. Dans l'un et l'autre cas, la pompe à chaleur cède au milieu tampon les calories extraites du fluide, majorées de l'équivalent calorifique de l'énergie motrice du compresseur, et- ce, à un niveau de température supérieur à celui dudit fluide. On peut ainsi porter ledit milieu tampon à une température de plusieurs dizaines de degrés supérieure à ce qu'elle serait sans l'utilisation de ladite pompe à chaleur. Le circuit de la pompe à chaleur peut être le circuit auxiliaire auquel il est fait allusion plus haut. Pour éviter qu'en cas d'ensoleillement très intense et de besoins réduits, la température du milieu tampon s'élève anormalement, il est prévu que les moyens de régulation commandent une réduction ou une interruption du stockage des calories par l'accumulateur lorsque la température Ts d'ensoleillement est supérieure à une température maximum Tm pour laquelle l'accumulateur est thermiquement saturé. Cette température Tm est choisie de telle manière que la température du milieu tampon n'excède pas une température limite Tm' prédéterminée et qui peut être, par exemple, de quelques degrés inférieure au point d'ébullition dudit milieu, s'il s'agit d'un liquide. Si l'échange thermique entre le milieu tampon et le fluide d'échange thermique se fait directement, on aura Tm=Tm'. Si,par contre, cet échange se fait par l'intermédiaire d'une pompe à chaleur, Tm sera déterminé par les caractéristiques de cette pompe à chaleur (Tm vTm') La réduction du stockage des calories peut s'accomplir de différentes manières. Par exemple, on peut supprimer ou simplement réduire l'insolation, par mise à l'ombre du ou des capteurs, s'il y en a plusieurs, au moyen de rideaux ou de brise soleil, ou évacuer les calories captées excédentaires, par augmentation de la ventilation des locaux ou refroidissement extérieur du circuit chauffé. Si, comme on vient de le voir, la température du milieu tampon peut, dans des conditions particulières d'ensoleillement, atteindre une valeur critique qui nécessite l'évacuation des calories excédentaires, il est beaucoup plus fréquent que cette même température soit ou devienne trop faible pour permettre à l'accumulateur de remplacer totalement le capteur dans sa fonction de chauffage ou de compenser entièrement l'insuffisance dudit capteur, surtout si le fluide d'échange thermique alimente une installation de chauffage central. Pour cette raison, I'installation selon l'invention comprend, avantageusement, un générateur thermique traditionnel dont le fonctionnement est soumis au moyens de régulation, qui en commondent la mise en service lorsque la température Te du fluide d'échange thermique immédiatement en amont dudit générateur est inférieure à une température de consigne basse Tc-, choisie pour ledit fluide au niveau où la mesure de la température Te est effectuée, et la mise hors service, dans le cas contraire. Lonque l'installation comprend un tel générateur thermique traditionnel, la température de consigne haute Tc+ évoquée plus haut est également choisie pour le fluide au niveau où est effectuée la mesure de la température Te. Le générateur thermique traditionnel peut etre constitué par tout moyen de chauffage connu (chaudière à combustible liquide ou gazeux, chaudière électrique, etc...), et la mise en ou hors service s'occomplit de la manière habituelle. On comprend que les moyens de régulation commandent la mise en service du générateur lorsque le capteur et l'accumulateur n'ont pas fourni assez de calories au fluide d'échange thermique, et sa mise hors service lorsque ledit fluide est suffisamment chauffé. L'invention est décrite en détail, ci-après, par référence au dessin annexé dans lequel la figure unique représente schématiquement une installation de chauffage central régulée selon l'invention. Si l'on se réfère au dessin, on voit un circuit de chauffage central comprenant, d'une part, une conduite d'alimentation la et une conduite de retour lb, sur lesquelles sont montés deux radiateurs 3, et d'autre part, une conduis intermédiaire 2. Il est prévu un robinet 4, qui peut être un robinet thermostatique, sur chacune des tuyauteries alimentant lesdits radiateurs 3. La por- tion de circuit sur laquelle sont montés les radiateurs 3 comprend une pompe de circulation P et est réunie, d'une manière connue en soi, à une vanne mélangeuse 5. Il est prévu, sur la conduite 2 une dérivation 6 qui traverse sous forme d'un serpentin 7, un capteur solaire 8 d'un modèle quelconque. Une vanne 9 permet d'isoler cette dérivation 6. La conduite de retour de la dérivation 6 comprend un serpentin 29 en relation d'échange thermique avec un autre serpentin 30 inclus dans une conduite 31, alimentée en eau froide et isolable par une vanne 32. La conduite 2 présente une autre dérivation 10, en aval de la précédente, et qui peut être jsolée par une vanne 11. La dériyation 10 oemporte une partie en serpentin 12 traversant un milieu tampon 13 que renferme un accumulateur de calories 14. La conduite 2 présente, entre les deux points de rattachement de la dérivation 10, un serpentin 15 inclus dans le carter 16 d'une pompe à chaleur désignée, dans son ensembie, par 17.Cette pompe à chaleur 17 comprend, essentiellement un évaporateur 18 coopérant avec le serpentin 15, un compresseur 19, et un condenseur 20 en relation d'échange thermique avec le milieu tampon 13, ainsi que les habituels équipements annexes (pompe de circulation, détendeur, etc...) Un circuit 21 de fluide secondaire, qui peut être un circuit d'eau chaude sanitaire, isolable par une vanne 22, comprend un serpentin 23 également en relation d'échange thermique avec le milieu tampon 13. En aval de la dérivaiion 10, la conduite 2 aboutit à un générateur thermique traditionnel 24 pourvu d'un bruleur 24a.Il est prévu, en outre, une unité de régulation 25 pourvu de moyens 26, 27, et 28 susceptibles de mesurer respectivement la température immédiatement en amont du générateur 24 (tempéraure d'entrée Te), immédiatement en amont du capteur 8 (tempérdure de retour Tr) et dans le capteur 8, au voisinage de la sortie de la dérivation 6 etempéroture Ts). Le dispositif de régulation a en mémoire une température de consigne haute Tc+ et une température de consigne - basse Tc- pour le fluide au point où est mesurée la température Te, ainsi qu'une température maximum Tm corresponctrt à la saturation thermique de l'accumulateur de calories 14. Le signe -:figurant dans l'unité de régulation 25 symbolise des moyens de comparaison. L'unité de régulation transmet des ordres de commande aux différents organes, soit par des moyens mécaniques, soit par des impulsions électriques ou électroniques. Les vannes 9 et 11, commandées par ladite unité de régulation, peuvent être des vannes à trois voies motorisées ou des groupes de deux électrovannes associées. Chacun des moyens de comparaison entre les températures est réuni à un organe entrant dans la composition du circuit et susceptible d'agir sur ledit organe, comme suit - les moyens comparant Ts à Tr sur la vanne 9, - les moyens comparant Ts à Tc+ sur la vanne 11, et sur le compresseur 19 de la pompe à chaleur, - les moyens comparant Ts à Tm sur ce même compresseur 19 et sur la vanne 32, et - les moyens comparant Te à Tc- sur le brûleur 24a. Le fonctionnement de l'installation est décrit ci-après. Pour en montrer les diverses possibilités, on en étudiera les différentes phases au cours d'une journée normale, avec ensoleillement maximum en début d'après-midi. En début d'après-midi, au temps tl, où le soleil est très intense, les moyens de régulation 25 constatent que la température Ts d'ensoleillement est supérieure à la tempérautre Tr de l'eau immédiatement en amont du capteur 8, qui est susceptible de réchauffer l'eau et, pour ce faire, manoeuvrent la vanne 9 de façon que toute l'eau emprunte la dérivaiion 6. Au cours de la traversée du capteur 8, la température de l'eau s'élève en tendant vers Ts. Les moyens de régulation 25 comparent ensuite la température Ts d'ensoleillement à la température de consigne haute Tc+ fixée pour le fluide à son entrée dans le générateur traditionnel 24. Ce faisant, ils constatent que Ts est supérieure à Tc+ et commandent le stockage des calories excédentaires dans l'accumulateur 14. A cette fin, ils mettent en service la pompe à chaleur 17 en enclenchant le moteur actionnant le compresseur 19 et maniez vesnt la vanne 1 1 de manière que toute l'eau passe par le serpentin 15, en échange thermique avec l'évaporateur 18 qui absorbe les calories à lui cédées par le serpentin 15, tondis que le condenseur 20 de la pompe à chaleur 17 les restitue au milieu tampon 13 à un niveau de température plus élevé .Un tel dispositif permet ainsi d'élever par exemple à 80 ou 900C ledit milieu tampon 13 qui, dans les mêmes conditions, ne serait porté qu'à 600C. II va sans dire que le fonctionnement de la pompe à chaleur 17 se traduit par un certain refroidissement de l'eau circulant dans le serpentin 15. L'énergie mécanique ou électrique nécessaire audit fonctionnement est, cependant, six fois moindre que l'énergie calorifique accumulée. Le milieu tampon peut être tout simplement de l'eau. On notera qu'au dessous de 350C, I'eau de l'accumulateur n'est pas utilisable d'une manière convenable. Les moyens de régulation comparent également la température Ts d'ensoleillement et la température Tm de saturation thermique de l'accumulateur 14. Au moment considéré de la journée, lesdits moyens de régulation constatent que Ts est supérieure à Tm et qu'il y a des calories excédentaires non stockables. Les moyens de régulation arrêtent alors le moteur du compresseur 19 de la pompe à chaleur 17 et émettent un signal provoquant par réponse manuelle ou automatique l'ouverture de la vanne 32. De l'eau froide circule alors dans la conduite 31 en recueillant au passage les calories excédentaiis que lui cède le serpentin 29. L'eau froide ainsi réchauffée est évacuée à l'égout. En variante on pourrait ne pas prévoir de circuit d'eau froide 31 et se débarrasser des calories excédentaires en ventilant les locaux chauffés, ou de toute autre manière. plusieurs modes d'évacuation pourraient être combines. Les moyens de régulation comparent enfin la température Te du fluide à son entrée dans le générateur traditionnel 23 à I a température de consigne basse Tc- et constatent que Te est supérieure à Tc-. Ils commandent donc l'arrêt du brûleur 24a dudit générateur. Au temps t2, la température d'ensoleillement a légèrement faibli. Les moyens de régulation constatent toujours que Ts > Tr Ts 2 Tc+ Te - Tccomme précédemment, mais que Ts C'est alors que cesse l'évacuation des calories (fermeture de la vanne 32) et que reprend la fonction stockage de l'accumulateur (remise en fonction du moteur du compresseur 19 de la pompe à chaleur), les manoeuvres correspondantes étant commandées par les moyens de régulation 25. Au temps t3, la température d'ensoleillement s'est encore abaissée. Les moyens de régulation 25 constatent encore que TsTr mais que Ts Dans ce cas, I'ensoleillement ne permet plus de stocker des calories et le moment est venu, au contraire, de compléter le chauffage de l'eau en puisant dans les calories précédemment stockées. Les moyens de régulation manoeuvrent alors la vanne 1 1 de manière que toute l'eau passe dans le serpentin et se réchauffe par échange thermique avec le milieu tampon 13. Enfin, au temps t4, I'ensoleillement est devenu inefficace puisque TsCTr Les moyens de régulation commandent alors le by-pass du capteur 8, en manoeuvrant la vanne 9 de telle sorte que l'eau n'emprunte plus la dérivation 6, et la poursuite du déstockage des calories précédemment emmagasinées par l'accumulateur 14. Au temps t3, et au temps t4, le fonctionnement du bru I eur varie en fonction du résultat de la comparaison des températures Te et Tc-. Si les moyens de régulation constatent que Te est supérieuleà Tc-, ils maintiennent le bruleur à l'arrêt. Si, au contraire, i1 s'avère que le circuit fonctionnant grâce à énergie solaire - capteur et accumulateur - n'a pas réchauffé suffisamment l'eau, auquel cas Te est inférieure à Tc-, les moyens de régulation commandenf la mise en marche du brûleur. Comme il ressort de la description qui précède le fonctionnement de l'instol- lotion selon l'invention s'ajuste en permanence sur les conditions d'ensoleillement et met à profit, grâce à l'accumulateur tampon de calories, l'énergie solaire excédentaire captée aux heures d'ensoleillement maximum. II est bien entendu que diverses modifications peuvent être apportées à la forme d'exécution particulière décrite et représentée. En particulier, I'accumulation de calories pourrait être réalisée sous forme de chaleur de fusion d'un milieu tampon dont le point de fusion se situerait entre 600C et 1200C environ. L e corps en question serait amené a son point de fusion, soit par circulation directe d'eau chaude, soit grâce à la pompe à chaleur décrite plus haut. L'intérêt de cette pompe à chaleur est, comme on l'a dit, d'élever le niveau de la température du milieu tampon en utilisant les calories fournies à basse température par le capteur,( Par ailleurs, alors que, dans l'installation représentée, le même fluide circule dans l'ensemble de l'installation (capteur 8, serpentin 12 de l'accumulateur, générateur 24 et radiateurs 3), on pourrait également réaliser des installations comprenant un double circuit et dans lesquelles le circuit du capteur serait indépendant du circuit accumulateur - générateur - radiateurs, les échanges thermiques entre les deux circuits se faisant alors par le biais de la pompe à chaleur. On doit noter l'intérêt qu'il y a à fixer les températures de consigne à des valeurs aussi basse; que possible, compatibles avec les besoins de chauffage de t'installation de façon à tirer le meilleur parti possible du capteur . Ce réglage peut se faire avantageusement avec une sonde atmosphérique. L'installation selon l'invention est applicable au chauffage de bcaux domestiques et industriels, ainsi que d'installations spDrtives, telles que piscine. L'invention ayant maintenant été exposée et son intérêt justifié sur des exemples détailles, la demanderesse s'en réserve l'exclusivité, pendant toute la durée du brevet sans limitation autre que celle des termes des revendications ci-après. - REVENDICATIONS 1- Procédé pour le chauffage ou le préchauffage d'un fluide par transfert audit fluide de calories provenant de énergie solaire qui comprend le chauffage d'un milieu d'échange thermique ayant une grande capacité d'absorption des calories, caractérisé en ce que le milieu d'échange thermique emmagasine des calories, lorsque le rayonnemant solaire est susceptible de lui en fournir, et rétrocède lesdites calories pour utilisation, lorsque l'énergie fournie directement par ledit rayonnement solaire est inférieure aux besoins du moment. 2- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu d'échange thermique n'emmagasine des calories que lorsque les calories fournies par leguy- onnement solaire excède les besoins du moment. 3- Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 ou 2, comprenant un circuit de fluide d'échange thermique et un capteur d'énergie salaire fournissant des calories audit fluide, caractérisée en ce qu'elle inclut un accumulateur de calories renfermant un milieu tampon susceptible d'être en relation d'échange thermique avec le fluide précité et des moyens de régulation commandant, d'une part, la mise en ou hors service du capteur et, d'autre part,le mode de fonctionnement -stockage ou déstockage - de l'accumulateur. 4- Installation selon la revendication 3, caractériséeen ce que les moyens de régulation agissent en fonction, d'une part, de la comparaison de la température Tr du fluide mesurée ;mmédiatement en amont de la zone d'échange thermique avec le capteur et de la température Ts dite "d'ensoleillement", mesurée dans ledit capteur, et, d'autre part, de la comparaison de ladite température Ts avec une température de consigne haute Tc+ choisie pour ledit fluide, en un point déterminé situé en amont de la zone d'utilisation. 5- Installation selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que les moyens de régulation commandent la mise en service du capteur lorsque la température Ts d'ensoleillement est supérieure à la température Tr du fluide mesurée immédiatemeNnt en amont de la zone d'échange thermique avec le capteur et la mise hors service dudit capteur lorsque la température Ts est inférieure à la température Tr. 6- Installation selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que les moyens de régulation commandent à l'accumulateur de calories d'assumer sa fonction de stockage lorsque la température Ts d'ensoleillement est supérieure à la température de consigne haute Tc+, et sa fonction de destockage dans le cas contraire. 7- Installation- selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisée en ce que l'accumulateur est pourvu d'une pompe à chaleur qui élève la température du milieu tampon. 8- Installation selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisée en ce que les moyens de régulation commandent une réduction ou une interruption du stockage des calories par l'accumulateur lorsque la température Ts d'ensoleillement est supérieure à une température maximum Tm pour laquelle l'accumulateur est thermiquement saturé. 9- Installation selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisée en ce qu elle comprend un générateur thermique traditionnel dont le fonctionnement est soumis aux moyens de régulation, qui en commandent la mise en service lorsque la température Te du fluide d'échange thermique immédiatement en amont dudit générateur est inférieure à une température de consigne basse Tc-, choisie pour ledit fluide au niveau où la mesure de la température Te est effectuée, et la mise hors service, dans le cas contraire.