Brevet FR2300970A1 — publié le 19760910

La présente invention concerne principalement un dispositif de chauffage automatique destiné à des maisons d'habitation ou analogue, dans lequel on utilise le rayonnement du soleil ainsi que des sources de chaleur électriques. On connatt déjà des accumulateurs de chaleur électriques qui sont utilisés actuellement dans une mesure limitée. Habituellement, ces dispositifs utilisent de l'eau comme agent d'emmagasinage, dans un récipient qui travaille comme un appareil de chauffage central électrique, mais également comme récipient d'emmagasinage. Le récipient consiste en un conteneur en tôle bien isolé. L'eau contenue dans le récipient est chauffée au moyen d'éléments chauffant électriques, de préférence la nuit, pourvu qu'un courant à bon marché soit disponible. On obtient également une bonne économie grâce au fait que lieau à la partie supérieure du récipient présente une température élevée qui est due h un phénomène de stratification.Ceci signifie que la température de sortie sur un dispositif émetteur de chaleur, par exemple une série de radiateurs, ne diminue pas de façon appréciable et que la capacité de réglage du dispositif est excellente. le développement de dispositifs pour l'accumulation de différentes formes d'énergie constitue un domaine technologique relativement nouveau. Une énergie plus conteuse, qui est une conséquence de l'épuisement des gisements de combustible fossiles, a donné naissance à une étude intensive de nouvelles formes d'énergie qui jusqu'8 maintenant ont été utilisées dans une faible mesure, par exemple 1' énergie solaire, l'énergie éolienne, l'énergie des vagues et 1'énergie géothermique, et des possibilités d'emmagasiner ces énergies pour un usage ultérieur. Il est déjà connu d'utiliser l'énergie solaire, par exemple pour le chauffage d'habitations pendant la saison d'hiver, par exem- ple en Suède, mais de l'énergie classique doit être utilisée pour compléter une telle alimentation en énergie. lesexpériences effectuées pour utiliser l'énergie solaire d'une façon économique, en complément de la source d'alimentation nécessaire en énergie, de manière à obtenir un chauffage satisfaisant des habitations, n'ont pas été couronnées de succès jusqu'à présent. On a rencontré des difficultés lorsqu'on tente de faire coopérer le dispositif de chauffage à peu près classique et le dispositif utilisant l'énergie solaire d'une façon fiable optimale et économique. Le but de l'invention est de combiner l'énergie calorifique d' un dispositif de chauffage classique, de préférence un dispositif de chauffage électrique, avec l'énergie calorifique d'un dispositif chauffant, dans lequel l'élergie calorifique est engendrée par le soleil, des dispositifs de transformation de l'énergie éolienne ou analogue, de telle sorte que la distribution de chaleur puisse être facilement réglée automatiquement ou manuellement et être adaptée aux impératifs de chauffage. Ceci doit comprendre l'utilisation de régulateurs de température ou autres, connus par eux-mêmes. Suivant l'invention, un dispositif classique d'emmagasinage de chaleur est combiné avec un dispositif à énergie solaire, éolienne ou autre comportant un agent chauffant mais présentant une dis tribu- tion intermittente de l'énergie calorifique de manière à coopérer de façon fiable et équilibrée dans tous les types de conditions atmosphériques et en fonction des impératifs de chauffage. Le dispositif dé chauffage suivant l'invention est un dispositif intégré automatique d'emmagasinage de chaleur comportant un agent chauffant et comprenant une première source non classique de chaleur et une seconde source de chaleur, classique, et des moyens pour distribuer et emmagasiner l'agent chauffant commun dans le dispositif. le dispositif comprend au moins deux réservoirs d'emmagasinage et au moins deux pompes pour propulser l'agent chauffant, des moyens pour compenser la dilatation thermique de l'agent chauffant dans le dispositif en circuit fermé, des moyens pour vidanger l'agent chauffant provenant de ladite première source de chaleur lorsqu'il existe un risque de gel ou de surchauffe, et des moyens pour améliorer la fiabilité de fonctionnement lors de cette vidange. La première pompe propulse l'agent chauffant à travers la première source de chaleur lorsque cette source produit suffisamment d' énergie calorifique, ce qui est contrôlé automatiquement. Autrement, ladite pompe est arrêtée. L'agent chauffant s'écoule à partir de ladite première source de chaleur dans un radiateur, la seconde pompe propulse l'agent chauffant à travers le radiateur. Après avoir tra versé ce radiateur ou plusieurs radiateurs, l'agent chauffant peut être dérivé jusqu'à l'entrée du radiateur ou peut être propulsé par ladite première pompe à travers ladite première source de chaleur pour continuer un processus d'absorption de chaleur. La première source de chaleur peut engendrer des quantités relativement importantes d'énergie calorifiques de façon intermittente. Des collecteurs d'énergie solaire peuvent développer ou produire plus d'énergie calorifique lors des jours ensoleillés, que le radiateur ne peut en émettre. L'énergie calorifique résiduelle est emmagasinée dans la partie supérieure du premier récipient d'emmagasinage en y introduisant de l'agent chauffant, chauffé par l'énergie solaire à la partie supérieure du réservoir et en évacuant simultanément une quantité corrssspondante de l'agent chauffant ayant une trpraturefé re de la partie inférieure du récipient et on fait circuler cette quantité à travers la première source de chaleur à l'aide de la première pompe.L'agent chauffant chaud peut alors être refoulé automatiquement de la partie supérieure du récipient lorsqu'une alimentation supplémentaire en énergie calorifique est nécessaire, pour le radiateur. lorsqu'il existe un risque de surchauffe et d'ébullition de l'agent chauffant, sous un soleil intense, la première pompe est arrêtée et la première source de chaleur est vidangée. Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, ladite seconde source de chaleur classique, est disposée dans un second récipient d'emmagasinage. La température de 1' agent chauffant b la partie supérieure du récipient peut toujours entre réglée jusqu'à une valeur désirée au moyen de cette source classique de chaleur. De 1' agent chauffant chaud est évacué de la partie supérieure du récipient en fonction des impératifs de l'alimentation en énergie calorifique du radiateur, avec de l'agent chauffant provenant de la première source de chaleur et/ou ensemble avec de l'agent chauffant en provenance de la partie supérieure du premier récipient. En même temps, de l'agent chauffant refroidi s'écoule dans le fond du second récipient, en quantité correspondant à la quantité qui est fournie à partir de la partie supérieure dudit récipient. Cet agent chauffant refroidi est alors distribué à partir de la sortie du radiateur. La seconde pompe fonctionne de façon constante et propulse de l'agent chauffant à travers le radiateur, également, lorsqu'il ne se produit aucune émission d'énergie calorifique dans le dispositif et indé pendamment des conditions de fonctionnement de la première pompe. La quantité d'agent chauffant s'écoulant à partir de la premiè re source de chaleur et vers ou en provenance de la partie supérieu re du premier récipient est contrée automatiquement au moyen d'un régulateur de température. Ceci s'applique également à la quantité d'agent chauffant provenant de la partie supérieure du second ré ci- pient. En outre, les récipients d'emmagasinage contiennent un certain volume de gaz au-dessus de la surface de l'agent chauffant, Ce gaz compressible est utilisé pour compenser la dilatation thermique de l'agent chauffant dans le dispositif en circuit fermé. Ge gaz facilite également la vidange de la première source de chaleur. par exm- ple des collecteurs d'énergie solaire qui, lorsqu'il existe des ris ques de gel ou de surchauffe, et il empêche les pertes d'énergie calorifique lorsque la première pompe est arrêtée. le gaz doit être inerte, par exemple de l'azote, pour éviter la corrosion dans le dim- positif. Si la température de la première source de chaleur toabe audessous de la température de l'agent chauffant qui traverse la première pompe, ou si la température extérieure tombe au-dessous d'une certaine température minimale, par exemple + 50 C, ou si la température de la première source de chaleur excède une certaine températare maximale, par exemple + 950 C lorsque l'agent chauffant est de l' eau, la première pompe est arretée et l'agent chauffant de la première source de chaleur est vidangé et renplacé par le gaz contenu dans les récipients. On évite ainsi le refroidissement, le gel et la surchauffe respectivement de l'agent chauffant. Cependant, lorsque la première pompe est démarrée, le mélange de gaz et d'agent chauffant peut facilement être transfos au radiateur, où le gaz forme des poches de gaz qui provoquent un sauvais échange thermique. Pour éviter l'inconvénient suivant lequel le gaz est transféré au dispositif d'échange thermique ou radiateur, un tube de séparation de gaz est intercalé dans un premier tuyau entre la première source de chaleur et les deux récipients d'emmagasinage. Le tube de séparation de gaz communique avec les récipients d'emmagasinage, c'est-à-dire que les niveaux de fluide dans les trois récipients sont à peu près identiques. le tube de séparation est de préférence un tube s'étendant verticalement ayant un grand diamètre. ledit premier tuyau conduit à la partie supérieure du tube de séparation de gaz.L'agent chauffant peut s'écouler à travers un second tuyau depuis la partie inférieure du tube de séparation jusqu'an récipient d'emmmagasinage. Par l'intermédiaire d'un troisième tuyau provenant de la partie supérieure du tube de séparation, le gaz peut s'écouler depuis les récipients jusqu' la vidange de la première source de chaleur et en revenir dans les récipients au démarrage de la première pompe. A la vidange de la première source de chaleur, l'agent chauffant est renvoyé à travers ladite première pompe. Ainsi, le gaz contenu dans la partie supérieure des récipients peut monter dans ledit premier tuyau et remplir la première source de chaleur. lorsque la première pompe est démarrée de nouveau, le gaz est chassé de la première source de chaleur et le mélange de gaz et d' agent chauffant avance à travers ledit premier tuyau jusqu'à la partie supérieure du tube de séparation. Du fait que le diamètre de ce tube est considérablement plus grand que le diamètre dudit premier tuyau, le gaz est séparé du mélange et est envoyé sous pression au récipient d'emmagasinage par l'intermédiaire du troisième tuyau. le second récipient d'emmagasinage est de préférence alimenté avec un ou plusieurs appareils de chauffage électrique d'un type déjà connu, qui sont de préférence prévus à la partie supérieure du récipient. Ceci constitue la principale source d'énergie du dispositif de chauffage qui doit être prévu avec des dimensions en conséquencè. le premier récipient d'emmagasinage peut également être pourvu d'éléments chauffants électriques. lorsque le temps est froid et qu' une grande quantité de chaleur est nécessaire, ce récipient fonctionne de la même façon que le second récipient d'emmagasinage, et en parallèle avec celui-ci. L'agent chauffant contenu dans les deux récipients est alors chassé au moyen de la seconde pompe seulement jusqu'au radiateur, échangeur thermique de sol ou autre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparai- tront au cours de la description qui va suivre faite en se référant aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemples et dans lesquels la Fig. I est une vue schématique simplifiée d'un dispositif de chauffage à fonctionnement essentiellement automatique utilisant des sources d'énergie solaire et électrique et destiné à une maison d'habitation, de sorte que l'on peut utiliser des connecteurs d'énergie solaire pouvant être vidangés; la Fig. 2 est une vue d'un second mode de réalisation de l'invention. Le récipient d'emmagasinage 1 est normalement utilisé pour emmagasiner de l'énergie solaire et présente une température comprise entre + 300 C et + 600 C. . Le récipient d'emmagasinage 2 est normale- ment utilisé pour emmagasiner de 1'énergie électrique et présente une température comprise entre + 700 C et + 900 C. Dans des conditions atmosphériques très froides avec de faibles quantités d'énergie solaire, le récipient 1 et le récipient 2 doivent fonctionner avec un chauffage électrique jusqu'à une température de + 900 C afin d'assurer l'alimentation nécessaire en chaleur de la maison. Pendant la saison d'été les deux récipients 1 et 2 doivent fonctionner avec l'emmagasinage d'énergie solaire également pour la fourniture d'eau chaude au robinet qui est chauffée au moyen dtun échange thermique. L'alimentation des radiateurs 7 du dispositif d'échange thermique en eau chauffée par de l'énergie solaire et/ou de l'énergie électrique est alors coupée. Cependant, de l'eau froide ou tiède peut s'écouler à partir de la partie inférieure du récipient 1 et/ou du récipient 2 jusqu'à la pompe 5 pour être envoyée au collecteur 6 d'énergie solaire pour être chauffée. La pompe 5 fait circuler de l'eau provenant du récipient 1 à travers les collecteurs 6 d'énergie solaire aussitôt que celle-ci fournit une température plus élevée t5 à la sortie des collecteurs d'énergie solaire par comparaison avec la température t1 à la sortie de l'eau provenant de la partie inférieure du récipient 1. Si t5 est inférieur à t1 l'électro-vanne 7 se ferme de telle sorte que l'eau se trouvant dans le récipient 1 ne peut être transférée aux collecteurs 6 d'énergie solaire et refroidie par ceux-ci. Si t5 est inférieur à t1, c'est-à-dire la température à la pompe 5, cette pompe 5 s'arrête et l'électro-vanne 7 s'ouvre pour permettre l'évacuation de l'eau à la partie supérieure du récipient 1. Si ts est inférieur à par exemple + 5 C ou supérieure à + 950 C, cette pompe est arrêtée. Lors de cet arrêt, l'eau provenant des collecteurs 6 d'énergie solaire et du tuyau de retour 15 est vidangée essentiellement en dérivation par rapport à la pompe 5. Une partie du gaz contenue dans les récipients 1 et 2, qui peut être de l'azote, peut s'écouler à travers le troisième tuyau t7 jusqu'au tube 14 de séparation de gaz et plus loin à travers le tuyau de retour 15 pour remplir les col lecteurs 6 d'énergie solaire et empêcher l'agent chauffant d'être refroidi, gelé ou surchauffé. Lorsque les collecteurs 6 présentent de nouveau une température acceptable, la pompe 5 est démarrée et fait circuler un mélange de gaz chauffé par l'énergie solaire et d' eau à travers les collecteurs 6 et le tuyau de retour 15 jusqu'au tube 14 de séparation de gaz.Dans ce tube, le gaz est séparé de 1' eau chaude de sorte que de l'eau essentiellement dépourvue de gaz peut s'écouler à travers le tuyau 16 dans les récipients d'emmagasinage 1 et 2 et jusqu'au dispositif 3 d'échange thermique ou radiateur. la pompe 8 fait circuler de l'eau chauffée à travers le radiateur 3 et chasse l'eau chaude provenant des récipients 1 et 2 d'emmagasinage thermique et, si la pompe 5 fonctionne, elle chasse l'eau des collecteurs 6 énergie solaire mais également l'eau recyclée en provenance du radiateur. Si la capacité de sortie de la pompe 8 (mg) est supérieure à la capacité de la pompe 5 (mu), la pompe 8 peut aspirer de l'eau chaude du récipient 1 même quand la pompe 5 travaille. Cependant, si m5 est supérieur à m8, ceci n'est pas possible. Des robinets 10 et 11 de réglage sont nécessaires pour régler la capacité de sortie proprement dite m5 et m8 des pompes 5 et 8 respectivement. le robinet 10 peut avoir deux positions de réglage différentes, l'une pour la saison d'hiver et l'autre pour la saison d'été, en raison du chauffage de l'eau chaude courante pendant la saison d'été. Pendant cette saison d'été, m5 doit être d'environ la moitié de sa valeur en saison d'hiver. Des robinets supplémentaires (non représentés au dessin) sont nécessaires pour diriger et commander l'eau du dispositif pour obtenir une capacité et des économies optimales. Des éléments chauffants électriques 12 chauffant l'eau des récipients 1-et 2 sont actionnés au moyen d'un ou de plusieurs régulateurs de température (non reprdsentés) dans chaque récipient ou à l'extérieur de chacun de ceux-ci et au moyen de minuteries (non représentées) réglées de façon à être mis en service de préférence pendant la nuit. les éléments chauffants électriques 12 peuvent également être actionnés manuellement indépendamment des impulsions provenant des régulateurs de température et des minuteries. Les éléments chauffants électriques 12 du récipient 1 ne doivent norma- lement pas être utilisés et les éléments chauffants du récipient 2 sont habituellement déconnectés pendant la saison d'été.Des cavités 15 destinées à recevoir des capteurs (non représentés) des régula- teurs de température sont prévues à différents niveaux entre la partie inférieure et la partie supérieure des récipients pour permettre de sélectionner leur niveau le plus approprié. Le niveau de réglage de la température peut être choisi entre + 300 C et + 900 C. Lorsque les collecteurs 6 d'énergie solaire sont vidangés, ils sont remplis de gaz. Ce gaz peut présenter une certaine surpression qui est égale à la pression des récipients 1 et 2. Cependant, il peut se créer facilement de petits passages de fuites dans les collecteurs d'énergie solaire, par lesquelles l'agent chauffant ne peut fuir, mais par ou le gaz peut fuir et diminuer ainsi la pression positive du dispositif de chauffage. De tels problèmes concernant les fuites peuvent également se produire au voisinage des récipients 1 et 2. Cet inconvénient est surmonté dans le second mode de réalisation de l'invention représenté à la Fig. 2, en enfermant le gaz inerte, par exemple de l'azote, dans un conteneur séparé 18 de gaz, qui est intercalé dans le premier tuyau 15 à une hauteur appropriée. Le conteneur 18 contient un agent chauffant, dont le volume ne doit pas tomber au-dessous d'une valeur prédéterminze, et un gaz enfermé audesaus de la surface de l'agent chauffant. la position du conteneur 18 de gaz est choisie de telle sorte que lorsque les collecteurs d' énergie solaire 6 sont vidangés, le dispositif et les tuyaux d'alimentation et de refoulement qui sont exposés aux risques de gel et de surchauffe sont remplis de gaz. Dans ce mode de réalisation, le gaz peut être maintenu sous une pression qui ne diffère pas notablement de la pression atmosphérique. Ainsi, les risques de fuite de gaz sont réduits. Dans ce second mode de réalisation, le tube 14 de séparation de gaz est superflu et les deux récipients 1 et 2 sont remplis d'agent chauffant. il est également possible de réaliser un tuyau de dérivation court-circuitant le conteneur 18. Le tuyau de dérivation peut être mis en service au moyen d'un robinet lorsque les conditions sont stables. Be dispositif de chauffage doit toujours être relié à la partie inférieure du conteneur de gaz, ce qui implique que ce conteneur agisse comme un ressort pneumatique lorsqu'il se produit une dilatation thermique dans le dispositif de chauffage. Revend ic at ions 1 - Dispositif automatique d'emmagasinage de chaleur du type comportant au moins deux sources de chaleur entièrement séparées, un dispositif émetteur de chaleur, un agent chauffant commun pour la totalité du dispositif et adapté pour écouler à travers les deux sources de chaleur et le dispositif émetteur de chaleur, et des moyens pour distribuer et emmagasiner l'agent chauffant dans le dispositif, ce dispositif de chauffage étant caractérisé en ce qu'il comprend une première source de chaleur (6), une première pompe (5) faisant circuler l'agent chauffant à travers ladite première source de chaleur (6), un dispositif (3) émetteur de chaleur, une seconde pompe (8) faisant circuler l'agent chauffant à travers le dispositif émetteur de chaleur (3), une première partie de l'agent chauffant refroidi provenant de la sortie du dispositif émetteur de chaleur (3) étant ramenée en dérivation jusqu'à l'admission de la seconde pompe (8) du dispositif émetteur de chaleur (3), et une seconde partie de l'agent chauffant refroidi étant envoyée par ladite première pompe (5) à travers ladite première source de chaleur (6), un premier récipient (1) d'emmagasinage contenant l'agent chauffant et un volume prédéterminé de gaz enfermé au-dessus de la surface de l'agent chauffant, cet agent chauffant provenant de la première source de chaleur (6) étant envoyé à la partie supérieure du premier récipient, et un volume correspondant d'agent chauffant étant simultanément évacué de la partie inférieure du premier récipient, et étant renvoyé par la première pompe (5) par l'intermédiaire de ladite première source de chaleur (6), aussitôt que la température de l'agent chauffant à la sortie de la première source de chaleur (6) a atteint une valeur prédéterminée, de l'agent chauffant étant chassé de la partie supérieure du premier récipient et étant envoyé à travers le dispositif émetteur de chaleur (3) aussitôt que cela est nécessaire, un second récipient (2) d'emmagasinage de chaleur, contenant l'agent chauffant et un volume prédéterminé de gaz enfermé au-dessus de la surface de l'agent chauffant, une seconde source de chaleur (12) maintenant la température de la partie supérieure dudit second récipient (2) à une valeur élevée, l'agent chauffant étant évacué de la partie supérieure dudit second récipient et étant chassé par l'in termédiaire da disppesitif émetteur de chaleur (3), et de l'agent chauffant refroidi et provenant de la sortie du dispositif émetteur de chaleur (3) étant simultanément envoyé à la partie inférieure dudit second récipient, aussitôt que cela est nécessaire. 2 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque la température (ts) de l'agent chauffant à la sortie de ladite première source de chaleur (6) tombe au-dessous de la température (t8) de l'agent chauffant à ladite première pompe ou lorsque la température extérieure tombe au-dessous d'une valeur minimale prédéterminée, par exemple + 50 C, ou lorsque la température de 1' agent chauffant à la sortie de ladite première source de chaleur (6) excède une valeur maximale prédéterminée par exemple + 950 C, la première pompe (5) est arrêtée et l'agent chauffant de ladite première source (6) de chaleur est vidangé et remplacé, par le gaz enfermé bans les récipients (1,2) afin d'empêcher le refroidissement, le gel ou la surchauffe de l'agent chauffant. 3 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'un tube (14) de séparation de gaz est intercalé entre ladite première source de chaleur (6) et lesdits récipients (1,2), le tube (14) de séparation de gaz étant constitué par un récipient disposé verticalement et communiquant avec lesdits récipients (1,2) et ayant un diamètre plus grand par rapport aux diamètres d'un premier tuyau (15) reliant ladite première source de chaleur (6) à la partie supérieure du tube (14), par un second tuyau (16) reliant la partie inférieure du tube (14) aux récipients (1,2) et par un troisième tuyau (17) reliant la partie supérieure dudit tube (14) aux parties supérieures desdits récipients (1,2) pour une alimentation en gaz vers le tube (14) et en provenance de ce dernier, ce tube (14) permettant la séparation du gaz du mélange de gaz et d'agent chauffant au démarrage de la première pompe (5) et empêchant le transfert de gaz avec l'agent chauffant dans le dispositif (3) émetteur de chaleur. 4 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les proportions d'agent chauffant provenant de la première source (6) de chaleur, de l'agent chauffant provenant de la partie supérieure du premier récipient (1) et de 1' agent chauffant provenant de la partie supérieure du second récipient (2) sont réglées par des robinets (4,7) pour faire circuler l'agent chauffant à travers le dispositif émetteur de chaleur (3), au moyen de la seconde pompe (8). 5 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lorsque la température de l'agent chauffant à la sortie de la première source de chaleur (6) tombe au-dessous de la température de l'agent chauffant à la partie inférieure du premier récipient (1), un robinet (7) empêche l'écoulement de l'agent chauffant en provenance de ladite première source (6) de chaleur vers la partie supérieure du premier récipient (1). 6 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la première source de chaleur (6) est constituée par une série de collecteurs d'énergie solaire, et la seconde source de chaleur est une source de chaleur électrique (12). 7 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le premier récipient (1) for.ctionne de la même façon que le second récipient (2) pendant la saison d'hiver, lorsqu'il est nécessaire de disposer d'une quantité importante de chaleur. 8 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le second récipient (2) fonctionne de la même façon que le premier récipient pendant la saison d'été, lorsqu'il est seulement nécessaire d'obtenir de l'eau chaude courante. 9 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les deux récipients (1,2) d'emmagasinage de chaleur sont entièrement remplis d'agent chauffant, un conteneur (18) de gaz étant intercalé dans le premier tuyau (15), ce conteneur de gaz contenant de l'agent chauffant dont le volume ne doit pas tomber au-dessous d'une valeur prédéterminée, et un gaz enfermé au-dessus de la surface de l'agent chauffant.