Brevet FR2307232A1 — publié le 19761105

L'invention est relative aux installations ou dispositifs de chauffage, notamment de chauffage de locaux, par captage du rayonnement thermique solaire et transfert de la chaleur dégagée. Compte tenu de ce domaine d'application, on convient de désigner dans la description qui suit - par "rayonnement solaire", le rayonnementthermique solaire, - par "capteur solaire", tout organe de production de chaleur par absorption du rayonnement solaire, - par 1chauffage solaire", tout mode de chauffage mettant en oeu tre au moins un capteur du genre précité. Outre l'application déjà citée, qui est la plus immédiate, l'invention peut aussi s'appliquer dans d'autres techniques, telles que le séchage de produits par insufflation d'air chaud à température modérée ou certains traitements industriels tels que le pressage de raisins à chaud. On s'est jusqu'ici préoccupé de réaliser des installations de chauffage solaire de locaux et notamment de locaux d'habitation en s'interdisant de mettre en oeuvre, dans ces installations, une source énergie d'autre nature et en particulier d'énergie électrique. Ce parti-pris impose d'une part de réaliser le chauffage des locaux par chauffage direct de l'air ambiant que l'on fait circuler dans les capteurs solaires et d'autre part la proximité immédiate des capteurs et des locaux. En fait, il est pratiquement nécessaire d'intégrer les capteurs aux locaux, c'est-à-dire que le chauffage solaire n'est réellement efficace que pour des locaux spécialement conçus et ne peut s'appliquer pratiquement qu'à des constructions neuves.On s'est ainsi privé d'utiliser le chauffage solaire comme source d'énergie auxiliaire de chauffage d'une installation de chauffage central pré-existante à air chaud ou à eau chaude. Ces sujétions sont d'autant plus contraignantes que le potentiel de chaleur disponible, c'est-à-dire la température moyenne qu'il est possible d'atteindre dans un capteur solaire est le plus faible lorsqu'il serait nécessaire qu'il fflt le plus élevé, c'est-à-dire par temps gris aux époques de solstice d'hiver. Un premier objet de l'invention est un dispositif de chauffage solaire exempt des inconvénients de l'art antérieur et convenant aux constructions dont la réalisation a été faite sans tenir compte des sujétions imposées par les dispositifs de chauffage solaire du genre complu. Un autre objet de l'invention est une installation de chauf fage central de locaux utilisant des radiateurs à air ou à eau du genre connu et dont la source de chaleur est constituée essentiellement par le rayonnement solaire. Un autre objet de l'invention est un dispositif permettant d'utiliser la chaleur solaire comme source principale ou auxiliaire de chauffage dans une installation de chauffage central déjà réalisée et munie de moyens de chauffage classique. Un autre objet de l'invention est un dispositif de chauffage solaire dans lequel les capteurs solaires peuvent être disposés à distance des locaux à chauffer ou des appareils utilisateurs de chaleur tels que des séchoirs ou des pressoirs de vinification à chaud. Un autre objet de l'invention est un dispositif de chauffage solaire permettant d'obtenir dans un appareil de chauffage une température supérieure à celle obtenue dans le ou les capteurs solaires du dispositif. Un autre objet de l'invention est un capteur solaire que l'on peut disposer à distance des locaux à chauffer et dont l'orientation n'est pas imposée par celle desdits locaux. Un autre objet de l'invention est un capteur solaire utilisable comme élément de construction. Un autre objet de l'invention est un capteur solaire à grand volant thermique. Un autre objet de l'invention est un capteur solaire utilisable comme source de chaleur d'appoint dans une installation de chauffage par pompe à chaleur conçue pour utiliser une autre source de chaleur telle que l'eau d'une prise extérieure. Enfin, un autre objet de l'invention est une installation de chauffage par pompe à chaleur mettant en oeuvre, comme source principale ou auxiliaire d'énergie calorifique, le rayonnement thermique solaire. Le dispositif de chauffage solaire de l'invention, destiné à alimenter en énergie calorifique un appareil thermique, comporte au moins un capteur solnire, c'est-à-dire une enceinte de captage du rayonnement thermique solaire et il comporte en outre un circuit de transfert de chaleur par fluide calorifère à changement d'état; ce circuit comporte au moins un évaporateur disposé dans l'enceinte de captage, au moins un condensaur disposé dans l'appareil thermique et des moyens pour transporter le fluide calorifère en phase liquide du condenseur vers l'évaporateur et, en phase gazeuse, de l'évaporateur vers le condenseur. Le fluide calorifère peut être un fluide du genre utilisé dans les installations frigorifiques ou dans les pompes de chaleur, tel que le fréon 12 (difluoro-dichloro-méthane). Les moyens de transport du fluide peuvent & re constitués par au soins un caloduc. Nais ils peuvent autre avantageusement constitués par une pompe à chaleur, ctest-à-dire comporter un compresseur disposé sur le trajet de la phase vapeur et un organe de laminage disposé sur le trajet de la phase liquide; il devient ainsi possible de disposer dans l'appareil thermique d'une température sensiblement supérieure à celle régnant dans le ou les capteurs solaires. Le dispositif de l'invention peut donc être avantageusement utilisé seul ou complété par des dispositifs du genre connu pour la production de la chaleur dans une installation de chauffage central à air chaud ou à. eau chaude ou dans un séchoir à linge, à grains, etc ... ou encore dans un appareil de production d'eau chaude sanitaire et culinaire. Le dispositif de l'invention met en oeuvre au moins un capteur solaire à enceinte de captage contenant une multiplicité de tubes utilisés comme évaporateurs de fluide calorifère. Avantageusement, la face de captage dudit capteur est une paroi métallique en accordéon, c'est-à-dire formée d'une multiplicité de dièdres à arêtes verticales et enceinte de captage est emplie d'eau pour augmenter le volant thermique. Les pertes par rayonnement sont ainsi sensiblement réduites et la surface d'échange avec l'eau sensiblement augmentée. L'invention prévoit en outre des moyens pour alimenter l'enceinte en eau à partir d'une prise extérieure, le dispositif pouvant ainsi fonctionner en pompe à chaleur du genre connu lorsque le rendement du chauffage solaire devient trop faible. Le capteur solaire de l'invention est avantageusement muni d'un vitrage extérieur disposé à distance de la paroi de captage pour élever la température par effet de serre. Les parois autres que la face de captage peuvent être réalisées en béton, ce qui donne la possibilité d'utiliser le capteur comme élément de construction d'usage fonctionnel ou décoratif. D'autres dispositions et avantages de l'invention apparattront dans la description qui suit d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans l-esquels - la figure 1 est un schéma d'une première forme de réalisa tion du dispositif de chauffage solaire de l'invention, - la figure 2 est un schéma d'une deuxième forme de réalisation, - la figure 3 est un ensemble de vues d'un capteur solaire selon l'invention, - la figure 4 est un schéma d'une installation de chauffage central à eau chaude comportant le dispositif de l'invention. Certains composants ou dispositions dont la mention n'est pas nécessaire à la description des exemples, tels que des vannes de purge ou d'arrêt, des gaines calorifuges, etc ... ne sont pas représentés dans lesdites figures. Ou-considère d'abord la figure 1. Le capteur solaire 10 est en forme de caisson; sa face de captage 11 est un vitrage dirigé vers le rayonnement solaire symbolisé par des flèches à triple empennage et les autres parois 12 sont en un matériau rigide et thermiquement isolant, tel qu'un béton intérieurement revêtu d'un plastique cellulaire. Dans l'enceinte ainsi constituée est disposé l'évaporateur 13 en métal bon conducteur de la chaleur, tel qu'un alliage léger. Il comporte dans un corps cylindrique 131 à ailettes verticales 132 une chemise 133. L'appareil thermique 14 dans lequel la chaleur stockée par le capteur 10 doit Titre transférée est en fait un échangeur contenant, dans une enceinte 15, le condenseur 16 également en métal bon conducteur de la chaleur.Dans l'exemple considéré, le condenseur 16 est constitué comme l'évaporateur 13, c'est-à-dire qu'il comporte dans un corps cylindrique 161 à ailettes verticales 162 une chemise 163. Le fluide à réchauffer pénètre à la partie inférieure de l'enceinte 15 par une tubulure 151 et en ressort à la partie supérieure par une tubulure 152. Il est entraîné par un circulateur 153. Ce fluide peut être de l'eau pour l'alimentation d'une installation de chauffage central ou pour des besoins sanitaires ou bien de l'air de chauffage ou de séchage. Le circuit de transfert de chaleur est constitué par au moins un caloduc 17 du genre connu empli d'un fluide frigorifique sous une pression convenable et comportant un passage central 171 pour la circulation de la phase vapeur et un passage annulaire 172 en matériau poreux ou à conduits capillaires pour la circulation de la phase liquide.Celle-ci pénètre dans la chemise 133 et se vaporise par chauffage dans l'intervalle annulaire ménagé entre la chemise 133 et le corps 131. La phase vapeur est conduite par le passage central 171 du caloduc dans la chemise 163 du condenseur 16 et se condense dans le passage annulaire délimité par la chemise 163 et le corps 161 en cédant de la chaleur au fluide à réchauffer. Le condensat retourne à l'évaporateur 13 par le passage annulaire 172 du caloduc. Les sens de circulation de la phase liquide sont indiqués par des flèches en traites pleins et ceux de la phase vapeur par des flèches en traits interrompus. La figure 2 montre une autre forme de réalisation de l'invention mettant à profit les propriétés des systèmes à compression et détentes dits "pompes à chaleur" pour obtenir dans le condenseur des températures très sensiblement supérieures à celles de l'évaporateur. Les composants déjà représentés dans la figure 1 portent les mêmes repères dans les deux figures. L'évaporateur 13 et le condenseur 16 ne comportent pas de chemise interne. Ils sont reliés à leur sommet par un circuit 21 de transport de la phase vapeur comportant un compresseur 22 et à leur base par un circuit 23 de transfert de la phase liquide comportant une vanne de laminage 24. La position d'ouverture de la vanne 24 peut être commandée automatiquement, à la manière connue, par un capteur de température disposé en aval de la vanne. Cette forme de réalisation fera l'objet plus loin d'une description plus détaillée en référence à la figure 4 relative à une installation de chauffage central selon l'invention. On se réfère maintenant à la figure 3 qui montre trois vues d'un exemple de réalisation d'un capteur solaire selon l'invention. La vue 3.a est une vue de face en position opératoire, la vue 3b une section selon le plan b-b de la vue 3a et la vue 3c une section selon le plan c-c de la vue 3a. Le bloc de béton 31 est évidé pour former le corps ou boitier de l'enceinte de captage. Sa face ouverte orientée vers le soleil est close par un vitrage double ou triple 32. L'intérieur de enceinte est séparé en deux espaces par une paroi métallique mince 33 présentant des pliures en accordéon formant des dièdres alternativement entrants et sortants à arêtes verticales. Le vitrage 32 est supposé enlevé dans la vue 3a ainsi que la paroi 33 dans la moitié droite de ladite vue. L'espace compris entre le vitrage 32 et la paroi 33 est empli d'air sec et l'espace compris entre la paroi 13 et le revêtement 34 empli d'eau. Le fluide calorifère, par exemple du fréon 12, délivré par l'intermédiaire de la tubulure 39 reliée au circuit de pompage de chaleur que l'on décrira plus loin, circule dans le collecteur 38, les tubes 35 et le collecteur 36 et retour ne au circuit de pompage de chaleur par la tubulure 37. Le vitrage 32 étant orienté vers le soleil, la paroi 33 s'échauffe par effet de serre et réchauffe par convection l'eau entourant les tubes 35. Le fluide calorifère étant admis dans la tubulure 39 sous une pression telle qu'il est à l'état liquide se vaporise dans les tubes 35 et ressort à l'état gazeux par la tubulure 37. L'ensemble des tubes 35 joue ainsi le rôle d'évaporateur du circuit de transfert ou de pompage de chaleur. Le vitrage 32 n'est pas absolument indispensable pour que le capteur fonctionne mais se révèle particulièrement avantageux lorsque le ciel est voilé. L'élévation de densité de l'eau refroidie par le contact avec les tubes 35 provoque un courant descendant dans la zone voisine des tubes favorable à l'échange de chaleur puisque le fluide calorifère a un mouvement ascendant, tandis que, par convection, l'eau au contact de la paroi 33 adopte un mouvement ascendant. Le dessin des ailettes des tubes 35 et des dièdres de la paroi 33 favorise les échanges de chaleur non seulement par l'augmentation de surface qui en résulte mais aussi en guidant les mouvements de convection de la masse liquide. La configuration "en accordéon" de la paroi 33 présente d'ailleurs d'autres avantages; la paroi a une bonne tenue mécanique tout en conservant la souplesse nécessaire pour absorber les déformations différentielles d'origine thermique ou dues à un gel éventuel de l'eau; en outre, les pertes par rayonnement de la face externe de ladite paroi sont sensiblement atténuées du fait qu'une grande partie du rayonnement émis par une face d'un dièdre est réabsorbée par l'autre face. On remarque dans la vue 3b que les tubes 35 sont cambrés; ils peuvent ainsi se prêter aux déformations différentielles d'origine thermique sans risque de rupture. Par juxtaposition de plusieurs capteurs solaires du genre décrit ci-dessus auxquels on confère des dimensions standardisées (correspondant par exemple à une surface de vitrage de 2m de hauteur et 1m de base), on peut réaliser de véritables murs solaires à grande surface de captage et dont la face "inactive", c'éstà-dire celle opposée à la face de captage peut jouer des rôles divers, tels que ceux de surface décorative, clôtures de jardins, frontons, écrans anti-bruits le long des autoroutes ou encore parois de construction; dans ce dernier cas, le mur solaire peut assurer en été le rôle d'un mur d'eau de climatisation au moyen d'une circulation d'air établie en débouchant des orifices supérieurs et inférieurs tels que les orifices 311 et 312 des vues 3a et 3c , l'orifice 311 étant raccoudé à l'appartement acclimatisé et lsorifice 312 à un conduit vertical faissant office de cheminée. Dans le figure 3, les tubulures 39 et 37 d'admission et d'évacuation du fluide calorifère sont représentées débouchant par la face arrière du capteur. Elles peuvent évidemment être insérées dans tout autre emplacement convenable, par exemple dans les parois latérales pour assurer la jonction avec les collecteurs d'autres capteurs. On se réfère maintenant à la figure 4 qui représente une installation de chauffage central d'un local L par circulation d'eau chaude dans laquelle le chauffage de l'eau est assuré au moyen d'un circuit de pompage de chaleur dont la source de chaleur est constituée par au moins un capteur solaire 30 selon l'invention du genre déjà décrit en référence à la figure 3. On retrouve donc comme composants du capteur 30 le caisson 31, le vitrage 32, la cloison métallique 33 et les tubes, collecteurs et tubulures 35 à 39. L'installation dé chauffage central comprend le ballon d'eau chaude 41 disposé par exemplé dans un sous-sol S, les radiateurs symbolisés par un appareil 42, la tuyauterie 43 de départ d'eau chaude dans laquelle est inséré un circulateur 45 et la tuyauterie 44 de retour d'eau refroidie. Le circuit de pompage de chaleur comporte, outre les tubes évaporateurs 35 du capteur 30, la conduite 51 de circulation de phase vapeur branchée sur le collecteur supérieur 36 par la tubulure 37 et dans laquelle est inséré le compregseur 52 qui est par exemple un petit compresseur centrifuge.La vapeur du fluide calorifère est admise par la conduite 51 à la partie supérieure d'un serpentin 53 disposé dans le ballon 41, se condense en échauffant l'eau du ballon et retourne au capteur 30 par la conduite 54 de circulation de phase liquide dans laquelle est insérée une vanne de laminage 55 du genre connu et dont le rôle, comme on l'a déjà indiqué, est de régler le débit de fluide en fonction de la température de la phase liquide. On remarque que le fluide calorifère du serpentin 53 et l'eau du ballon 41 circulent dans des sens opposés ce qui favorise l'rechange de chaleur.Quant à la régulation de température de l'eau des radiateurs 42 elle est assurée par exemple, au moyen d'une vanne à troies voies 47 à commande thermo-statique qui établit la communication entre la tuyauterie 44 et le ballon 41 lorsque la température de l'eau est inférieure à une valeur de consigne et isole le ballon 41 par la canalisation de by-pass 46 lorsque ladite température dépasse une autre valeur de consigne. L'installation de la figure 4 peut en outre être utilisée pour obtenir de l'eau chaude à usage culinaire ou sanitaire. Le ballon 61, disposé à l'intérieur des spires du serpentin 53, est alimenté par une canalisation 63 d'eau extérieure (de ville ou de captage) et alimente la robinetterie symbolisée par un unique robinet 62. Enfin, en cas de défaillance du dispositif de chauffage solaire, les ballons 41 et 61 peuvent être alimentés en eau chaude par une chaudière de chauffage central du genre connu et que l'on a jugé inutile de représenter. On remarquera que le dispositif de l'invention permet d'uti- liser l'eau contenue dans le ou les capteurs 30 même si elle est au voisinage de OC en raison de l'importante chaleur de solidification disponible qui procure un volant thermique important. Si l'on désire exploiter cette ressource, il peut être opportun, pour pallier les conséquences néfastes de l'éxpansion de l'eau durant la prise en glace de disposer dans l'enceinte contenant les évaporateurs 35 des ballonnets ou cylindres gonflés que l'on n'a pas représentés. Mais l'invention permet en outre, si l'eau des capteurs solaires 30 devient réellement trop froide pour donner une température de chauffage suffisante, d'utiliser une autre de chaleur telle que l'eau de ville ou de captage ou tout simplement les eaux usées après filtrage. On a représenté à cet effet dans la figure 4 un piquage 65 établissant la communication entre la partie inférieure du réservoir d'eau du capteur 3C et la conduite d'amenée 63. Une vanne à commande thermostatique 66 est insérée dans le piquage 65 et est par exemple réglée pour s'ouvrir lorsque la température de l'eau du capteur s'abaisse vers OC. L'au contenue dans le capteur est alors évacuée par une tubulure 67 disposée au-dessus du collecteur 36. La figure 4, pour illustrer l'un des avantages majeurs de l'invention, montre un capteur 30 disposé à distance du local L. L'invention donne ainsi la possibilité, comme on l'a déjà indiqué dès le début de la présente description, d'orienter le ou les capteurs solaires de la façon la plus convenable indépenda ent de l'orientation de la construction à chauffer. Dans ce cas, les capteurs peuvent être utilisés comme éléments de construction de cletures, de murs décoratifs,d'erans anti-bruits le long des autoroutes, etc ... et même de chateaux d'eau ou comme réserves d'eau de lutte contre l'incendie. Mais il est évident que lesdits capteurs peuvent être aussi intégrées dans la construction comme éléments de mur-rideau.Quelle que soit la situation des capteurs, une installation de chauffage solaire selon l'invention utilisant une pompe à chaleur permet, d'une façon paradoxale, de réaliser des économies d'énergie d'origine non solaire sensiblement plus importantes que celles obtenues au moyen d'installations de chauffage solaire du genre connu. On sait qu'il est admis que, dans un pavillon équipé d'un chauffage solaire fonctionnant par un procédé connu, la consommation calorifique moyenne au cours d'une année est satisfaite pour 2/3 par le chauffage solaire et pour le 1/3 restant par des moyens de chauffage annexes, par exemple par effet Joule.Dans les réalisations selon l'invention mettant en oeuvre un dispositif de pompage de chaleur, si l'on admet que le coefficient de performance de la pompe à chaleur est de 3, la consommation électrique est réduite des 2/3 c'est-à-dire que la part du chauffage solaire est de 6/7. En outre, comme on l'a vu dans les exemples qui précèdent, un avantage majeur du dispositif selon l'invention est qu'il permet de multiples combinaisons avec d'autres dispositifs de chauffage chauffage central à chaudière du genre connu et chauffage par pompage de la chaleur de l'eau extérieure ou de l'atmosphère. L'invention permet ainsi d'obtenir des températures élevées, par exemple pour de petites installations industrielles de séchage ou de traitement tvinification, etc..) ou des débits calorifiques importants pour le chauffage de grands locaux. Il est en effet possible d'utiliser deux dispositifs de pompage de chaleur en série, le premier mettant en oeuvre comme source de chaleur la chaleur solaire et le seconddel'air atmosphérique ou de l'eau de chauffage préchauffés par le premier. R r V E N D I C A T I O N S 1. Dispositif de production de chaleur par absorption du rayonnement thermique solaire et de transfert dans un appareil thermique de la chaleur produite, ledit dispositif comportant au moins une enceinte de captage de rayonnement solaire et étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit de transfert de chaleur par fluide calorifère à changement d'état, ledit circuit comprenant au moins un évaporateur disposé dans l'enceinte de captage, au moins un condensateur disposé dans l'appareil thermique et des moyens pour transporter le fluide calorifère en phase liquide du condensateur vers l'évaporateur et en phase gazeuse de l'évaporateur vers le condenseur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de transport du fluide calorifère en phase liquide et en phase vapeur comprennent au moins un caloduc. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de transport du fluide calorifère en phase vapeur comportent un compresseur et les moyens de transport du fluide calorifère en phase liquide comportent un organe de laminage, le circuit de transfert de chaleur étant ainsi du genre dit "pompe à chaleur". 4. Installation de chauffage central de locaux par circulation d'air chaud caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de production et de transfert de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 et un réchauffeur d'air dans lequel est disposé le condenseur. 5, Installation de séchage par air chaud caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de production et de transfert de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 et un réchauffeur d'air dans lequel est disposé le condenseur. 6. Installation de chauffage central de locaux par circulation d'eau chaude, caractrisée en ce qu'elle comporte un dispositif de production et de transfert de chaleur selon l'une quel conne des revendications 1 à 3 et un premier ballon de chauffage de l'eau dans lequel est disposé le condenseur. 7. Installation de chauffage central de locaux selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre, pour la production d'eau chaude ménagère ou sanitaire, un second ballon de chauffage disposé dans le premier ballon. 8. Capteur solaire, notamment pour un dispositif ou une installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte de captage dont la face de captage est une paroi métallique mince, ladite enceinte contenant une multiplicité de tubes métalliques verticaux joints à leurs extrémités inférieures et supérieures par des collecteurs et constituant l'évaporateur. 9. Capteur solaire selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'enceinte est en béton. 10. Capteur solaire selon la revendication 8 ou la revendication 9, caractérisé en ce que la paroi métallique mince est conformée en juxtaposition de dièdres à arêtes verticales. 11. Capteur solaire selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que les tubes sont munis d'ailettes externes orientées longitudinalement. 12. Capteur solaire selon l'une quelconque des revendications 8 à il, caractérisé en ce que les tubes sont courbés longitudinalement. 13. Capteur solaire selon l'une quelconque des revendications 8 à-12, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, à l'extérieur de l'enceinte et à distance de la paroi métallique, un vitrage à rôle de serre. 14. Capteur solaire selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, caractérisé en ce que la circulation de fluide dans les tubes s'effectue du collecteur inférieur vers le collecteur supérieur. 15. Capteur solaire selon l'une quelconque des revendications 8 à 14, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour admettre dans l'enceinte lXeau d'une prise d'eau extérieure lorsque la température de l'eau de l'enceinte devient inférieure à une limite prédéterininée. 16. Capteur solaire selon l'une quelconque des revendications 8 à 15, caractérisé en ce que les parois de enceinte de captage autres que la face de captage sont en béton, ledit capteur pouvant ainsi constituer un élément de construction. 17. Installation de chauffage par pompe à chaleur, caractérisée en ce que la source de chaleur unique ou auxiliaire est constituée par au moins un capteur selon l'une quelconque des revendi cations 8 à 16. 18. Installation de chauffage, caractérisée en ce qu'elle comprend un premier dispositif de pompage de chaleur dont la source de chaleur est constituée par l'eau chaude délivrée par au moins un capteur selon l'une quelconque des revendications 8 à 16 et un second dispositif de pompage de chaleur dont la source de chaleur est un fluide préchauffé au moyen du premier dispositif.