Brevet FR2312741A1 — publié le 19761224

L'invention se rapporte à un dispositif de production d'eau chaude à partir de l'énergie solaire, du genre où l'eau à chauffer circule en circuit fermé entre un faisceau de tubes noyé dans un capteur exposé au rayonnement solaire et un réservoir accumulateur calorifugé. On connaît des dispositifs de production d'eau chaude dans lesquels le capteur solaire muni d'une vitre pour obtenir un effet de serre et comportant un faisceau de tubes pour la circulation d'un fluide caloporteur, est utilisé conjointement avec un réservoir accumulateur dans lequel un échangeur est parcouru par le fluide caloporteur, tandis que l'eau à chauffer entoure cet échangeur. Le fluide caloporteur circule entre le capteur et l'échangeur par effet de thermosiphon. Ces dispositifs sont rustiques mais ont un rendement de transmission d'énergie depuis le flux solaire reçu jusqu'à l'eau à chauffer assez faible. Ces dispositifs ont été perfectionnés en utilisant un réservoir accumulateur double avec deux compartiments superposés, le compartiment supérieur comportant l'échangeur en relation avec le capteur, tandis que le compartiment inférieur comporte un moyen de chauffage électrique d'appoint avec un thermostat. La circulation de fluide caloporteur entre le capteur et l'échangeur est assurée par une pompe dite "accélérateur" et mise en service par un moyen thermométrique différentiel comportant un senseur dans le capteur et un senseur dans le compartiment supérieur de l'accumulateur. Ce moyen thermométrique fait fonctionner l'accélérateur lorsque la température perçue par le senseur disposé dans le compartiment supérieur de l'accumulateur est inférieure à la température perçue par le senseur disposé dans le capteur.Ce dispositif est un perfectionnement des dispositifs précités qui,permet d'une part d'éviter que l'énergie emmagasinée dans l'accumulateur soit rayonnée par le capteur lorsque les conditions d'ensoleillement sont défavorables, tandis que le chauffage électrique d'appoint permet de suppléer à une absence prolongée d'ensoleillement. Toutefois ces dispositifs n'ont guère un rendement supérieur au dispositif précédent, le faible débit de circulation de fluide caloporteur dans la boucle constituée par l'échangeur et le capteur ne se prêtant pas à des transmissions de flux d'énergie importantes. L'invention a pour objet un dispositif de production d'eau chaude à partir de l'énergie solaire dans lequel les échanges d'énergie entre le flux solaire et l'eau à chauffer sont très améliorés. A cet effet l'invention propose un dispositif de production d'eau chaude à partir de l'énergie solaire du genre où l'eau à chauffer circule en circuit fermé entre un faisceau de tubes noyé dans un capteur exposé au rayonnement solaire et capable d'absorber un flux d'énergie solaire déterminé sous un ensoleillement moyen, et un réservoir accumulateur calorifugé sous l'impulsion d'un moyen de circulation, un moyen de vanne étant adapté à interrompre la circulation dans ledit capteur en réponse à un signal issu d'un moyen thermométrique différentiel avec un premier senseur dans le réservoir accumulateur et un second senseur sur le capteur, lorsque le premier senseur est à une température supérieure à celle du deuxième senseur, dispositif caractérisé par une pompe constituant ledit moyen de circulation et adapté à faire circuler l'eau dans ledit circuit fermé avec un débit tel que le quotient dudit flux d'énergie solaire par la masse calorifique dudit débit d'eau soit inférieur à 1 C, par une canalisation en parallèle sur ledit capteur avec une vanne à deux directions adaptée à décharger ledit débit de la pompe dans ladite canalisation en parallèle en réponse audit signal issu dudit moyen thermométrique, et par un capteur solaire auxiliaire isolé thermiquement de l'ambiance et portant ledit second senseur. Les échanges d'énergie entre le flux solaire reçu par le capteur et l'eau à chauffer sont très améliorés, et par la suppression de l'échangeur dans le réservoir accumulateur et par le fait que 1 eau circulant dans le capteur ne subit pas dans un passage un échauffement supérieur à 10C favorisant ainsi la transmission de l'énergie absorbée par le capteur à l'eau de circulation. En raison du débit important de la pompe, la décharge du débit de cette pompe à travers la canalisation en parallèle ne risque pas de créer des coups de bélier sur la circulation.Enfin la disposition du second senseur dans un capteur solaire auxiliaire permet l'utilisation efficace du capteur solaire principal dans lequel circule l'eau à chauffer tant que cette eau n'a pas atteint la température maximale à laquelle peut parvenir le capteur principal, température qui est celle du capteur auxiliaire isolé thermiquement. Avantageusement la vanne à deux directions est adaptée à laisser subsister un débit d'eau résiduel dans le capteur solaire lorsqu'elle commande la décharge dans la canalisation en parallèle. Ainsi lorsque la température ambiante du capteur est inférieure à OOC ce capteur est protégé contre le gel. De préférence le réservoir accumulateur est équipé d'un moyen de chauffage électrique d'appoint mis en service par un thermostat immerge dans ledit réservoir accumulateur. I1 est ainsi possible d'obtenir de l'eau chaude meme lorsque l'ensoleillement est insuffisant. Suivant un premier aspect de l'invention, un dispositif de production d'eau chaude destiné à la production d'eau chaude sanitaire, alimenté en eau froide à partir d'un réseau de distribution et comportant une canalisation de puisage débouchant du réservoir accumulateur, comporte une liaison au réseau de distribution constituée par un piquage sur le circuit fermé en amont du capteur. L'eau froide qui pénètre dans le dispositif en remplacement de l'eau chaude puisée traverse le capteur et peut prélever sur celui-ci de l'énergie méme lorsque la température de l'eau dans le circuit fermé est supérieure à la température du capteur auxiliaire. Suivant un autre aspect de l'invention, un dispositif de production d'eau chaude destiné à servir de source chaude à une installation de chauffage équipée de radiateurs à eau chaude, comporte un réseau d'alimentation de ces radiateurs constitué par une boucle de circulation partant et aboutissant au réservoir accumulateur. Le circuit fermé, capteur - accumulateur, fonctionne comme précédemment, avec un bon rendement de transfert d'énergie entre le rayonnement solaire et l'eau à chauffer, tandis que la boucle de circulation alimentant les radiateurs est le siège d'une circulation dont le débit peut être adapté indépendamment du débit du circuit fermé et assurer ainsi un fonctionnement correct des radiateurs. Avantageusement, le réservoir accumulateur comporte une masse interne à grande capacité calorifique. Cette masse interne à grande capacité calorifique permet d'accumuler une plus grande quantité d'énergie aux périodes d'ensoleillement favorables, cette énergie étant restituée aux radiateurs entre ces périodes d'ensoleillement. En variante les radiateurs comportent des masses internes à grande capacité calorifique, De préférence la masse à grande capacité calorifique est un récipient clos rempli d'une solution saturée de sulfate de sodium en équilibre avec des cristaux de sulfate de sodium décahydraté. On sait que la cristallisation du sulfate de sodium décahydraté ou sel de "Glauber", est très fortement exothermique, et que sa solubilité croit avec la température, en sorte que ce sel constitue un excellent accumulateur d'énergie thermique. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une représentation schématique d'un disposé tif selon l'invention destiné à la production d'eau chaude sanitaire la figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif selon l'invention, appliqué au chauffage de locaux. Selon la forme de réalisation choisie et représentée figure 1, le dispositif destiné à la production d'eau chaude sanitaire comprend un capteur ou panneau solaire 1 comportant un faisceau de tubes 10 noyé dans une masse adaptée à l'absorption du rayonnement solaire et un réservoir accumulateur 2 dans son ensemble comportant une enveloppe calorifuge 20, une tubulure de sortie 21 et une tubulure d'entrée 22 qui est reliée à la sortie du faisceau 10 dans le capteur 1. La tubulure de sortie 21 est reliée à l'aspiration d'une pompe 3 qui débite dans une vanne à deux directions 4 avec une entrée 41, une première sortie 42 vers le faisceau 10 du capteur 1 et une seconde sortie 43 qui constitue une canalisation en parallèle sur le faisceau 10 en rejoignant la tubulure d'entrée 22 de l'accumulateur 2.La vanne à deux directions 4 comprend un volet déflecteur 44 manoeuvré par une bobine 45, en sorte que l'excitation de la bobine place ce volet dans la position 44 représentée en traits pleins, tandis que le volet prend la position 44' représentée en pointillés lorsque la bobine 45 n'est pas excitée. L'excitation de cette bobine 45 est assurée par un moyen thermométrique différentiel 46 avec un senseur ou sonde 12 noyé dans un petit capteur solaire auxiliaire 11, isolé thermiquement de l'ambiance, et avec un senseur 23 plongé dans le réservoir accumulateur 2.Ce moyen thermométrique différentiel 46 est agencé en comparateur, en sorte que lorsque la température perçue par le senseur 12 dans le capteur auxiliaire 11 est supérieure à la température perçue par le senseur 23, le moyen thermométrique différentiel 46 n'excite pas la bobine 45 ; par contre lorsque a température perçue par le senseur 12 est inférieure à la température perçue par le senseur 23, le moyen thermométrique différentiel 46 excite la bobine 45. L'accumulateur 2 possède une canalisation de puisage 24 prévue pour la distribution de l'eau chauffée. Un moyen de chauffage électrique constitué par une résistance chauffante 25 avec un thermostat 26 est prévu en appoint. L'arrivée d'eau froide est faite à partir d'un réseau de distribution d'eau courante 5 avec un groupe de sécurité 51 et une vanne d'arrêt 52 ; cette arrivée débouche dans le circuit fermé du faisceau 10 et de l'accumulateur 2 par un piquage 53 disposé en amont du faisceau 10 et en aval de la sortie 42 de la vanne à deux directions 4. Le fonctionnement du dispositif de production d'eau chaude de la figure 1 peut se décrire comme suit : au départ la canalisation de puisage 24 est fermée et le circuit de circulation formé par le réservoir accumulateur 2, la pompe 3, la vanne à deux directions 4 et le faisceau de tubes 10 du capteur 1 sont remplis d'eau. La pompe 3 est en fonctionnement et l'eau en circulation étant froide la température perçue par le senseur 23 est inférieure à la température du capteur auxiliàire Il perçue par le senseur 12, ce capteur 11 étant comme le capteur 1 soumis au rayonnement solaire le moyen thermométrique différentiel 46 n'excite pas la bobine 45, si bien que le volet de la vanne à deux directions 4 est dans la position 44'.L'eau refoulée par la pompe 3 dans la vanne 4 est défléchie par le volet en position 44' vers la sortie 42 et traverse le faisceau 10 du capteur 1 pour retourner à l'accumulateur 2 par la tubulure d'entrée 22. Le débit d'eau dû à la pompe 3 est tel que le quotient du flux d'énergie solaire absorbé par le capteur 1 (en ensoleillement moyen) par la masse calorifique du débit d'eau dans le faisceau 10, soit inférieur à 10C. Ceci signifie qu'en ensoleillement moyen l'eau sortant du faisceau 10 est à une température supérieure de moins de 1 C à la température de l'eau entrante.Le capteur 1 est donc sensiblement à la température de l'eau circulante, si bien que les pertes thermiques du capteur 1 vers l'atmosphère ambiante sont réduites au minimum puisque ces pertes sont sensiblement proportionnelles à la différence de température entre le capteur et l'atmosphère ambiante ; ainsi l'énergie transférée à l'eau en circulation est aussi élevée qu'il est possible, compte tenu de la température actuelle de l'eau circulante et de la température maximale possible du capteur 1 recevant un certain flux d'énergie solaire, température qui est celle prise par le capteur auxiliaire 11 et perçue par le senseur 12. Cette température maximale ou température critique est la température à laquelle l'énergie reçue du rayonnement solaire et l'énergie dissipée dans l'atmosphère ambiante sont égales. L'ensemble de l'eau contenue dans l'accumulateur 2, le faisceau 10 et les canalisations qui les relient va donc s'échauffer progressivement jusqu a ce qu'elle atteigne la température maximale indiquée par le senseur 12 (cette température est évidemment variable avec l'ensoleillement et notamment diminue en fin de journée). Dans ces conditions d'égalité de température, le moyen thermométrique différentiel 46 va exciter la bobine 45 et le volet de la pompe 4 prend la position 44. L'eau refoulée par la pompe 3 dans la vanne 4 va étre défléchie par le volet 44 dans la sortie 43, en sorte que le courant principal va titre déchargé dans cette canalisation 43 vers la tubulure d'entrée 22 de l'accumulateur 2, en court-circuitant le faisceau 10.Dans ces conditions l'énergie thermique accumulée dans l'eau contenue dans l'accumulateur 2 ne peut étre dissipée vers l'ambiance par le capteur 1 fonctionnant en radiateur. I1 faut toutefois remarquer qu'une faible partie du débit de la pompe (environ 2 %) continue à circuler dans le faisceau 10 en raison de fuites volontaires de la vanne, si bien que, si la température de l'atmosphère ambiante autour du capteur s'abaisse en dessous de OOC, la circulation résiduelle d'eau chaude dans le faisceau 10 protège celui-ci contre les dangers du gel. Lorsqu'on effectue un puisage d'eau chaude par ouverture de la canalisation de puisage 24, de l'eau froide pénètre en remplacement dans le circuit par le piquage 53 et traverse le faisceau 10 avant de pénétrer dans l'accumulateur 2, ceci que le volet de la vanne 4 soit en position 44 ou en position 44'. L'eau froide qui pénètre par le piquage 53 est généralement à une température inférieure à la température du capteur 1, en sorte que son passage dans le faisceau 10 correspond à une absorption d'énergie thermique du capteur par l'eau froide, et celle-ci est donc préchauffée avant de pénétrer dans l'accumulateur 2. Le moyen de chauffage d'appoint constitué par la résistance électrique 25 mise en service par le thermostat 26 peut titre utilisé lorsque l'ensoleillement est insuffisant pour porter l'eau dans l'accumulateur 2 à une température suffisante. Par exemple il peut titre utile de brancher ce chauffage d'appoint à la tombée de la nuit de manière à ce que, si l'eau dans l'accumulateur 2 n'a pas été portée pendant la journée à une température suffisante, le chauffage électrique permette d'obtenir cette température voulue, après quoi le thermostat 26 mettra ce chauffage hors service. La mise en service à la tombée de la nuit peut Btre faite de façon classique à l'aide d'une horloge à contact pour profiter des tarifs d'heures creuses. Le dispositif de chauffage représenté figure 2 est destiné à servir de source chaude à un réseau de chauffage avec des radiateurs à eau chaude. Le dispositif comporte un circuit de circulation fermé analogue à celui décrit en référence à la figure 1 et qui comprend un réservoir accumulateur 2, un capteur solaire 1 avec un faisceau de tubes noyé 10, une pompe 3 et une vanne à deux directions 4 commandée par un moyen thermométr ique différentiel 46 avec un senseur 12 dans un capteur auxiliaire 11, et un senseur 23 dans l'accumulateur 2.L'eau puisée par la pompe 3 dans l'accumulateur 2 à travers la tubulure de sortie 21 est refoulée soit par la sortie 42 de la vanne 4 vers le faisceau 10 du capteur 1, soit par la sortie 43 en parallèle sur le faisceau 10 directement vers la tubulure d'entrée 22 de l'accumulateur 2, selon l'orientation du volet de la vanne 4 commandée par le moyen ther mométtique différentiel 46. A l'intérieur du réservoir accumulateur 2 est disposé un récipient clos 27 rempli d'une solution 28 de sulfate de sodium saturé en équilibre avec des cristaux de sulfate de sodium décahydraté ou sel de Glauber. Le récipient 27 est muni d'ailettes 27a pour faciliter les échanges thermiques à travers la paroi du récipient 27. De la sortie 21 du réservoir accumulateur 2 part une dérivation 60 vers un réseau de circulation de chauffage à eau chaude, réseau comprenant un circulateur 61, une canalisation d'alimentation 62 aboutissant à un vase d'expansion 64 et alimentant des radiateurs 63 et 63'. Les retours des radiateurs 63 et 63' sont branchés sur une canalisation de retour 65 aboutissant à l'accumulateur 2 par l'ajutage 66. Bien entendu le nombre de radiateurs n'est pas limité à deux, ce nombre n'étant choisi que pour la clarté de la description. Le processus de mise en température de l'eau contenue dans l'accumulateur 2 est semblable au processus décrit en référence à la figure 1. La pompe 3 met en circulation à grande vitesse l'eau dans le circuit fermé constitué par l'accumulateur 2, le faisceau 10 du capteur 1 et les canalisations 42, 43 et 22 qui les réunis sent. Le moyen thermométrique différentiel 46 commande le passage de l'eau sous l'action de la pompe 3 soit dans le faisceau 10, soit dans la canalisation 43, suivant le sens de l'écart des températures perçues par les senseurs 12 et 23, en orientant le volet déflecteur de la vanne 4. La circulation à grande vitesse permet de prélever sur le capteur 1 le maximum d'énergie disponible. Le récipient clos 27 avec la solution contenue 28 constitue une masse à grande capacité calorifique, du fait que le sel de Glauber passe progressivement en solution lorsque la température de la solution 28 croit, cette dissolution s'accompagnant d'une absorption d'énergie thermique importante. Ceci permet, tout en utilisant qu'une quantité limitée d'eau dans le dispositif, de disposer d'un grand volant thermique, et d'accumuler de ce fait pendant les périodes d'ensoleillement favorables une grande quantité d'énergie thermique. Le réseau de circulation d'eau chaude vers les radiateurs 63 et 63' fonctionne indépendamment du circuit fermé vers le capteur 1. Le circulateur 61 propulse l'eau puisée dans l'accumulateur 2 de la dérivation 60 avec un débit ajusté à un fonctionnement normal des radiateurs 63 et 63', et l'eau refroidie par échange entre l'atmosphère des locaux et les radiateurs qui s'y trouvent revient par l'ajutage 66 à l'accumulateur 2. On conçoit que le circulateur 61 peut etre mis en service, de façon indépendante du moyen thermométrique 46 lorsque le chauffage des locaux est souhaitable. Ceci peut etre obtenu par exemple par un dispositif classique de thermostat. Etant donné que les exigences de chauffage de locaux par les radiateurs 63 et 63' décroissent normalement quand l'ensoleillement croit, en période d'ensoleillement, le dispositif emmagasine une grande quantité d'énergie thermique et n'en transmet que peu aux radiateurs 63 et 63', tandis qurentre ces périodes d'ensoleillement l'énergie emmagasinée est restituée aux radiateurs. On peut prévoir, pour augmenter la capacité d'emmagasinage d'énergie thermique du dispositif selon l'invention, que les radiateurs 63 et 63' comportent une masse à grande capacité calorifique constituée par exemple par des récipients clos analogues au récipient 27 et contenant du sel de Glauber en équilibre avec une solution saturée de sulfate de sodium. Les capteurs d'énergie solaire utilisés dans les dispositifs de production d'eau chaude selon l'invention peuvent etre d'un type quelconque. Cependant on préférera souvent utiliser des capteurs d'énergie solaire du genre décrit dans la demande de brevet français NO 75 01392 du 17 janvier 1975, en raison de leur bon rendement d'absorption d'énergie, et de l'adaptation des sections de faisceaux de tubes à une circulation à grand débit avec des pertes de charge réduites. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et bien des variantes pourraient cotre réalisées sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de production d'eau chaude à partir de l'énergie solaire, du genre où l'eau à chauffer circule en circuit fermé entre un faisceau de tubes noyé dans un capteur exposé au rayonnement solaire et capable d'absorber un flux d'énergie solaire déterminé sous un ensoleillement moyen, et un réservoir accumulateur calorifugé sous l'impulsion d'un moyen de circulation, un moyen de vanne étant adapté à interrompre la circulation dans ledit capteur en réponse à un signal issu d'un moyen thermométrique différentiel avec un premier senseur dans le réservoir accumulateur et un second senseur sur le capteur lorsque le premier senseur est à une température supérieure à celle du deuxième senseur, dispositif caractérisé par une pompe constituant ledit moyen de circulation et adaptée à faire circuler l'eau dans ledit circuit fermé avec un débit tel que le quotient dudit flux d'énergie solaire par la masse calorifique dudit débit d'eau soit inférieur à 1 C, par une canalisation en parallèle sur ledit capteur avec une vanne à deux directions adaptée à décharger ledit débit de la pompe dans ladite canalisation en parallèle en réponse audit signal issu dudit moyen thermométrique, et par un capteur solaire auxiliaire isolé thermiquement de l'ambiance et portant ledit second senseur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite vanne à deux directions est adaptée à laisser subsister un débit d'eau résiduel dans ledit capteur solaire lorsqu'elle comdande la décharge dans ladite canalisation en parallèle. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit réservoir accumulateur est équipé d'un moyen de chauffage électrique d'appoint mis en service par un thermostat immergé dans ledit réservoir accumulateur. 4. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 3, destiné à la production d'eau chaude sanitaire, alimenté en eau froide à partir d'un réseau de distribution et comportant une canalisation de puisage débouchant dudit réservoir accumulateur, caractérisé par une liaison audit réseau de distribution par un piquage sur ledit circuit:fermé en amont dudit capteur. 5. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 3, et destiné à servir de source chaude à une installation de chauffage équipée de radiateurs à eau chaude, caractérisé par un ré seau d'alimentation desdits radiateurs constitué par une boucle de circulation partant et aboutissant audit réservoir accumulateur. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit réservoir accumulateur comporte une masse interne à grande capacité calorifique. 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits radiateurs comportent des masses internes à grande capacité calorifique. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que ladite masse à grande capacité calorifique est un récipient clos rempli d'une solution saturée de sulfate de sodium en équilibre avec des cristaux de sulfate de sodium décahydraté.