Brevet FR2349109A1 — publié le 19771118

La présente invention se rapporte à une installation de chauffage conçue pour l'utilisation de l'énergie solaire et de la chaleur du sol, avec des collecteurs solaires qui sont reliés a une piscine servant d'accumulateur de chaleur et à une pompe de chaleur située entre l'accumulateur de chaleur et le circuit de consommation, une telle installation de chauffage étant prévue en premier lieu pour une maison familiale à un ou deux appartements. Ces derniers temps, l'énergie solaire a été de plus en plus utilisée dans des buts de chauffage, specialement lors de la construction de maisons familiales à un ou deux appartements. En règle generale, les collecteurs solaires sont installés sur le toSt et le fluide qui les traverse, généralement de l'eau, est en liaison avec le circuit de consommation. Afin d'utiliser en plein l'énergie 50- laire sous nos latitudes, il est indispensable d'utiliser un accumulateur de chaleur, ce dernier pouvant être la chaudière de chauffage habituelle.Par contre, si l'on veut utiliser la quantité de chaleur obtenue à partir de l'énergie solaire pour le chauffage et la production d'eau chaude lorsque il y a manque de soleil, comme en automne ou en hiver, il devient nécessaire d'utiliser un accumulateur de chaleur plus grand et on a déjà proposé dans ce but l'utilisation de piscines privées. Lors de l'utilisation d'une piscine comme accumulateur de chaleur, il est necessaire de prevoir une pompe de chaleur entre la piscine et le circuit de consommation. On connaît déjà des dispositifs pour l'échauffement de l'eau de la piscine par l'énergie solaire, tels que celui faisant l'objet du brevet autrichien n0 273 440, dans lequel le dispositif n'est pas raccordé a une installation de chauffage pour une maison. Ce dispositif est constitue principalement de collecteurs solaires disposés comme construction faitière sur la piscine, l'eau de celle-ci circulant sur un toit métallique au moyen d'une pompe de circulation. On connaît aussi des installations de chauffage dans lesquelles la chaleur dn sol est utilisée, en disposant des tubes de cuivre dans le sol et en faisant passer dans ceux-ci un liquide qui transmet la chaleur à une pompe à chaleur. Lors de l'utilisation d'une piscine comme accumulateur de chaleur, certains problèmes peuvent apparaître. D'une part, des pertes par rayonnement de la chaleur se produisent pendant la nuit ou pendant les jours pour lesquels la température extérieure est plus basse que la températuru--de l'eau, et d'autre part, la température de l'eau dans la piscine peut baisser tellement en hiver qu'il n'est plus possible, au moyen des pompes de chaleur du commerce, de retirer suffisanullerlt de chaleur de la piscine. Le but de l'invention est de réaliser une installation de chauffage qui utilise aussi bien ltenersgie solaire que la chaleur du sol, dans laquelle aucune conduite ni pompe de circulation est utilisée entre le collecteur solaire ou le sol et l'accumulateur de chaleur, la piscine est protéyée du rayonnement et des salissures dans les périodes ou elle n'est pas utilisée pour nager et où de la chaleur peut encore être retirée de l'accumulateur de chaleur même aux températures basses de l'eau. Les collecteurs solaires peuvent être disposés de plusieurs manières différentes. Dans une variante d'exécution, les collecteurs-solaires sont conçus comme une couverture flottante, cette couverture étant formée de deux feuilles en plastique entre lesquelles se trouve un corps creux, alors que dans un exemple préférré d'exécution, le corps creux est constitué par une grille en matière synthétique.Dans un autre exemple d'exécution, les collecteurs solaires constituent une toiture formée d'unités qui sontsuspendues dans une grille porteuse chaque unité étant munie d'un absorbeur de chaleur forme de lamelles orientables, ladite toiture étant recouverte d'une feuille transparente en matière synthétique et pouvant être retirée de la surface de l'eau par une action sur la grille porteuse, de manière à servir de tort pendant les périodes de bain. L'invention va être expliquée ci-dessous à l'aide d'un dessin qui montre des exemples d'exécution, et dans lequel La figure 1 montre schématiquement un exemple d'exécution de l'installation de chauffage selon l'invention. La figure 2 montre, dans une coupe détaillée, l'échangeur de chaleur et la pompe de chaleur. La figure 3 montre schentatiquement le flux de température entre l'accumulateur de chaleur et le sol. Les figures 4, 5 et 6 montrent des détails des collecteurs flottants. La figure 7 montre une couverture formée des collecteurs solaires. La figure 8 montre, dans une autre variante d'exécution, une toiture levable formée de collecteurs solaires. -, La figure est une partie agrandie de la figure 8. Les figures 10 et il montrent différents détails de la toiture à collecteurs solaires selon figure 8. La figure 1 représente une installation de chauffage développée à partir d'une installation conventionnelle existante, comprenant un chauffe eau électrique et une chaudière de chauffage. Ces deux éléments de chauffage ont été maintenus en tant qu'éléments d'apport ou de dépannage. On reconnait la piscine 1 et, sur celle-ci, les collecteurs solaires 2. Le circuit 3 d'eau de la piscine est entraîné par une pompe à filtre 4 et il traverse une installation de filtrage 5, et une combinaison 6 comprenant un échangeur de chaleur et une pompe de chaleur; le circuit 3 comprend aussi les éléments usuels, connus en soi,tels que soupapes et éléments de commande.Un circuit de liaison 7 est raccordé au circuit 3 dans le but d'amener l'eau réchauffée de la pompe de chaleur dans une installation de distribution qui, à l'aide dréléments de commande déjà connus, délivre l'eau soit à une chaudière de chauffage 8, soit à un chauffe-eau 9, ou directement dans un circuit de consommation 10 auquel les radiateurs et les utilisateurs d'eau sont raccordés. Pour une maison familiale, la puissance de la chaudière de chauffage 8 peut s'élever par exemple jusqu'à 40 000 koal, tandis que la capacité du chauffe-eau peutêtre par exemple d'une valeur type de 200 litres. Dans la figure 2, on a mis en évidence le circuit d'eau de la piscine et le mécanisme d'échange de chaleur, tandis que la piscine elle-même a été représentée en réduction. On reconnatt la piscine 1, sur laquelle se trouvent les collecteurs solaires 2 d'une surface d'environ 40 m2-, la capacité de la piscine étant d'environ 60 000 litres dans cet exemple. On reconnaît aussi le circuit 3 d'eau de la piscine avec la pompe à filtre 4 et l'installation de filtrage 5. L'installation 6 de pompe et d'échange de chaleur est représentée ici en version éclatée. On voit que le circuit 3 d'eau de la piscine traverse l'échangeur de chaleur Il. Celui-ci est dimensionne pour une puissance d'environ 40 000 koal, en supposant que l'eau de la piscine traverse l'échangeur de-chaleur a raison de 500 litres par minute environ. Le deuxième circuit dans l'échangeur de chaleur est le circuit d'antigel 12, qui est mis en circulation par une poise de circulation 13, l'antigel traversant l'échangeur de chaleur à raison de 100 litres par minute environ. Par antigel, on comprend ici n'importe quel agent propre à éviter le gel. L'antigel traverse l'évaporateur de liquide frigorifique 14 de la pompe de chaleur 15. Entre l'évaporateur 14 et le condenseur 16 de liquide frigorifique se trouve le circuit 17 de liquide frigorifique avec le compresseur frigorifique 18. Le circuit 7 -de liaison est raccordé au condenseur 16. Ce circuit 7 relie la chau dière de chauffage, le chauffe-eau et le circuit de consommation. On peut alors voir facilement que, par l'introduction du circuit d'antigel, il est possible ae retirer de la chaleur de la piscine même à de très basses températures, c'est à dire a des températures inférieures à 50 C, ce qui est particulièrement important en hiver. Un exemple de calcul rapide montre qu'une grande quantite de chaleur peut être retirée de la piscine, cette quantité de chaleur étant compensée par l'énergie solaire ou la chaleur du sol. Selon l'exemple indiqué ci-dessus, 6 000 litres d'antigel traversent à chaque heure l'échangeur de chaleur et l'évaporateur de liquide frigorifique de la pompe de chaleur. Celle-ci, d'une puissance de 3 ch, est arrangée de telle manière que la température du circuit d'antigel 12 soit abaissée de 1,50 C, ce qui produit environ 8'500 kcal par heure. Par rapport à l'accumulateur de chaleur d'un contenu d'environ 60 000 litres, ceci correspond à une baisse de température de 0,150 C seulement.Comme une maison familiale de moyenne grandeur a besoin d'un apport de chaleur de 200 000 kcal pour les jours les plus froids, on voit d'après le calcul ci-dessus, que le système peut subvenir aux besoins de la maison, sans chauffage supplémentaire. Dans la figure 1, le chauffage à l'électricité pour le chauffe-eau et le chauffage au mazout pour la chaudière de chauffage ne sont indiqués que comme des moyens de secours, pour le cas où l'un des éléments du système aurait une panne, ou si l'eau-de la piscine était momentanément gelée lors de journées extrêmement froides. I1 est bien entendu aussi possible d'utiliser comme moyen de secours une chaudière électrique en lieu et place d'une chaudière à mazouts La chaleur retirée de la piscine doit lui etre fournie a nouveau.Pendant la journée, ceci est accompli en règle générale par les collecteurs solaires qui sont en liaison avec la piscine, et-pendant les journées de pluie, ou celles où la couche de nuages est particulièrement épaisse, par le sol entourant la piscine, pour autant que la température de ce sol soit plus élevée que celle de l'eau de la piscine. La fiqure 3 indique schématiquement l'ecoule- ment de la chaleur.Les flèches 19 indiquent le rayonnement solaire et les flèches 20, en tirets, dirigées à l'intérieur du sol, le flux de chaleur lorsque l'on retire une quantité de chaleur dans un but de chauffage au-dessus du point critique, c'est à dire lorsque la température de l'veau est plus élevée que celle du sol, et les flèches 21 en pointillé, dirigées vers la piscine, le fîùx de chaleur lorsque l'on retire une quantité de chaleur dans un but de chauffage, au-dessous de la température critique. Il est nécessaire, pour le bon fonctionnement de ce système, qu'une bonne transmission de la chaleur soit garantie entre la piscine et lesol. Lorsque la température de l'eau de la piscine est supérieure a celle du sol, de la chaleur s 'écoule de la piscine dans le sol, ce qui constitue une possibilité d'accumulation de chaleur supplémentaire. Lorsque l'on retire de la chaleur de la piscine, spécialement la nuit, lorsque la pompe de chaleur fonctionne avantageusement avec le courant de nuit, bon marché, il se peut que ta température de l'eau de la piscine tombe en-dessous de celle du sol, de sorte que le sens de l'écoulement de la chaleur s'inverse et que la chaleur emmagasinée dans le sol s'écoule de celui-ci dans la piscine. En conséquence de la présence d'un circuit d'antigel entre l'échangeur de chaleur et l'évaporateur de liquide frigorifique de la pompe de chaleur, il est possible d'abaisser la température à cet endroit critique et de retirer encore de la chaleur de la piscine, même à une température très basse, inférieure a. 0o C, de l'eau de la piscine. Afin que la piscine puisse être utilisée toute l'année, par ticulièrement la nuit et dans les saisons froides, comme un accumulateur de chaleur suffisant pour les besoins d'une maison familiale, il faut d'une part que les collecteurs solaires aient un bon rendement et que les pertes le long des conduites soient aussi réduites que possible, et d'autre part qu'aussi peu que possible de chaleur soit rayonnée par a piscine pendant les périodes où celle-ci n'est pas utilisée pour le bain.Dans l'installation selon l'invention, ces problèmes sont résolus par le fait que, pendant toute période ad la piscine n'est pas utilisée pour le bain, les collecteurs solaires, qui sont agencés comme une couverture flottante, reposent sur l'eau de la piscine et empêchent ainsi le rayonnement vers l'ex térieur de la chaleur contenue dans l'eau du bassin. Afin d'utiliser le bassin comme piscine pour le bain, il est nécessaire d'éloigner les collecteurs solaires et deux exemples d'exécution de ceux-ci sont décrits ci-après. Les figures 4 à 7 décrivent une première variante d'exécution dans laquelle les collecteurs solaires sont agencés comme une couverture 23 roulable flottante (fig. 7), cette couverture comprenant plusieurs éléments collecteurs 24 soudés ensemble. Dans les figures 5 et 6 on voit le principe de construction d'un tel elément collecteur. Un élément 24 se compose d'une feuille 25 supérieure, transparente, en matière synthétique, d'une feuille inférieure 26 en matière synthétique, feuilles entre lesquelles est disposé un corps creux 27. Comme indiqué dans la figure 6, ce corps en matière synthétique a la forme d'une grille à losanges.Les feuilles de matière synthétique sont soudées tout le long de leur pourtour, tandis que la grille n'est soudée qu'en certains points avec les feuilles et que les éléments individuels 24 peuvent être reliés le long des joints de soudure 28. Alors que la feuille supérieure est toujours transparente, il existe différentes possibilités de combinaisons pour la feuille inférieure et la grille. C'est ainsi que la grille peut être faite en matière synthétique transparente ou qu'elle peut être noircie, tandis que la feuille inférieure 26 peut être noircie,par exemple,ou supporter un revêtement pour l'absorption sélective. Par des essais, on a trouvé que la combinaison feuille transparente, grille transparente et feuille noircie donne les meilleurs résultats en ce qui concerne la rentabilité. Différents avantages sont obtenus par le fait que les collecteurs trempent directement dans l'eau: rendement élevé car pas de pertes dans les conduites et pas de déperdition de chaleur au collecteur, réduction, due à la couverture, non seulement du rayonnement de la chaleur mais aussi de l'évaporation et diminution de la décomposition des agents chimiques dans l'eau de la piscine. L'effet d'isolation peut encore être passablement augmenté par la création d'un vide dans la couverture. Alors que l'enroulement et le déroulement de petites couvertures flottantes ne pose pas de problème, il est indique, pour les qrande couvertures flottantes, comme dans l'exemple précédent, de prendre des mesures afin de faciliter l'enroulement et le déroulement de celles-ci et de protéger la piscine. Dans la figure 7, on voit que les collecteurs ont une partie avant 29 avec des oeillets 30 et une extrémité libre 31, ces deux parties étant représentées dans les figures 4 et 5. La figure 4 montre que la partie avant 29 se compose d'une feuille supérieure 32 en matière synthétique d'environ 2 mm d'épaisseur et d'une feuille inférieure 33 en matiere synthétique d'environ I mm d'épaisseur, entre lesquelles se trouve un matériau de remplissage 34, flottant.Celui-ci constitue un patin-guide 35 qui, lors de l'enroulement ou du déroulement, empeche que la couverture plonge dans l'eau et, en plus, sert a aligner cette couverture dans la piscine. A l'extrémité, à gauche sur la figure 4, les deux feuilles sont soudées ensemble et portent les oeillets 30. La couverture peut être fixée par ces oeillets, de sorte que cette partie avant offre une sécurité intégrale. L'extrémité arrière de la feuille inférieure se termine par une grille 36 à mailles serrées et très flexible qui, avec la partie libre 37 de la feuille supérieure, forme un filtre 36 pour la saleté, ce filtre captant par exemple des feuilles ou des debris se trouvant à la surface de l'eau, lors de l'enroulement de la couverture. Comme indiqué dans la figure 5, le filtre de saleté 36 est soudé & la couverture 23. On voit également, dans 1a même figure, que la feuille 26 de la couverture 23 se termine par l'extrémité libre 31, cette extrémité libre pouvant aussi être noircie ou munie d'un revêtement sélectif. Cette extrémité sert essentiellement å faciliter l'enroulement de la couverture. D'après ce qui précède, il ressort que la couverture se nettoie elle-meme lors de son enroulement ou de son déroulement, mais il est bien entendu possible, si nFces- saire, de prévoir une installation de giclage pour la couverture lors de l'enroulement de celle-ci.Comme la couverture de collecteurs solaires est légère, elle pourra, en règle générale, être enroulée ou déroulée à la main par une personne. I1 est pourtant pensable, dans le cas de grandes couvertures, d'incorporer un mécanisme d'enroulement ou de déroulement mécanique de celles-ci. Dans cette version de collecteurs solaires, d'autres variantes d'exécution sont pensable. C'est ainsi que le corps creux, au lieu d'avoir la firme d'une grille en losanges, peut prendre celle d'une grille en nid d'abeilles. Bien que le plastique soit un matériau particulière- ment avantageux pour cette application, il est pensable de réaliser au moins certaines parties des corps creux en tôle d'aluminium dans le but de donner une plus grande-rigidité à la couverture. Les figures 8 à 11 montrent un deuxième exemple d'exécution pour les collecteurs solaires dans laquelle ceux-ci forment une toiture 38 rigide reposant sur le bord de la piscine ou directement dans l'eau de celle-ci. Cette toiture 38 peut être remontée lors de l'utilisation de la piscine, comme indiqueé dans la figure 8. La Suspension de la toiture est constituée par exemple par quatre montants 39, notamment en bois, qui sont reliés par paires par des poutres 40 également en bois. Le mécanisme de remontée, qui peut être à commande manuelle ou mécanique, n'est pas représenté. La toiture 38 est constituée dans le cas présent par une grille porteuse 41, en bois ou en métal léger, qui peut être composée d'éléments individuels 42. Les lamelles 43 servant de collecteurs solaires sont logées dans la grille 41.Ces lamelles 43 sont de preference en métal léger ou en matière synthétique et elles sont noircies ou porteuses d'une couche pour l'absorption selective du rayonnement calorifique solaire. I1 est particulièrement avantageux d'équiper le côté inférieur des lamelles d'une isolation 52 qui constitue un écran thermique excellent lorsque les lamelles sont en position horizontale. La figure 10, représentant une coupe a l'échelle agrandie de la grille porteuse 41, montre que les éléments 42 de la grille sont des porteurs en double T. Ces porteurs sont assembles de manière connue par soudage, rivetage ou par des moyens similaires. Les éléments parallèles 42 supportent sur leur face in férieure une fixation en U,44,comportant sur chaque côte des ouvertures 45.Dans ces ouvertures 45 sont accrochées les unités 46 de lamelles. Chaque unité de lamelles comprend deux listes 47 dans lesquelles les lamelles 43 sont montées de manière a pourvoir tourner sur les axes 48 et, dans un plan perpendiculaire, deux listes a crochets 49 pour la suspension des unités dans les ouvertures 45. Le montage permettant la rotation des lamelles.permet d'une part de diriger celles-ci en fonction. de la position du so leil et d'autre part de donner de Ponbre lorsque la toiture est en position remontez. -- Pour I.ernettre un asseltlbldge modulaire des unités de lamelles on peut coupler les axes tournants 48 au moyen d'écrous-chapeaux 50 et d'un pas de vis 51, de telle Inanière que les lamelles puissent être orientes par rangées A l'extrémité supérieure de la grille se trouve une feuille 53 de plastique transparente, fixée aux porteurs, qui d'une part diminue le rayonnement de chaleur et d'autre part protèye les lamelles de la saleté. Dans ce but, une pièce de bois 54, de section rectangulaire ou carrée est forcée dans le porteur 42 et il faut veiller a ce que la feuille soit montée de manière étanche sur le porteur. La réalisation des collecteurs solaires sous forme de toiture soulevable peut se faire de différentes manières. Ainsi, en particulier, la grille porteuse avec la feuille de couverture peut être formée de modules facilement assemblables avec des unités de lamelles déjà montées, par exemple, de sorte que toute la toiture de collecteurs solaires puisse être assemblée sous forme modulaire. La grille porteuse elle-même, ou les modules, peuvent être réalisés et assemblés par les méthodes les plus diverses en soi connues. I1 faut cependant veiller à ce que l'eau de pluie puisse s'écouler, en montant les unités sous un certain angle ou en donnant une faible inclinaison à toute la toiture. L'orientation des lamelles se fera en règle générale manuellement mais il est pensable d'avoir un mécanisme permettant à celles-ci de s'orienter automatiquement sur la position du soleil. I1 peut également être indiqué d'utiliser des axes traversant ou de souder ceux-ci entre eux au lieu de les coupler. Ceci donne la possibilité de suspendre directement au moyen de crochets les unités de lamelles à la grille porteuse et non à des ouvertures dans les porteurs. I1 est toutefois essentiel, dans toutes les Variantes d'exécution, que les collecteurs solaires soient, lors de leur utilisation, directement en contact avec l'eau du bassin. REVENDICATIONS 1. Installation de chauffage conçue pour l'utilisation de ienergie solaire et de la chaleur du sol, avec des collecteurs solaires qui sont reliées à une piscine servant d'accumulateur de chaleur et à une pompe de chaleur située entre l'accumulateur de chaleur et le circuit de consommation, caractérisée en ce que - les collecteurs solaires sont en contact avec l'eau de la piscine, sauf pendant les periodes où celle-ci est utilisée pour le bain, - la piscine est en échanye thermique avec le sol environnant, - un échangeur de chaleur est prévue entre la piscine utilisée comme accumulateur de chaleur et la pompe de chaleur et que - le circuit entre l'échangeur de chaleur et l'évaporateur de liquide frigorifique de la pompe de chaleur contient un agent antigel afin de permettre de retirer de la chaleur de l'accumulateur de chaleur, même à basse température de l'eau. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les collecteurs solaires constituent une couverture (23) flottante et enroulable, ladite couverture comprenant une feuille supe- rieure (25) transparente, en matière synthétique et une feuille in férieure (26) en matière synthétique, entre lesquelles est disposé un corps creux. 3. Installation selon la revendication 1, caractérisée en oe que les collecteurs solaires constituent une toiture (38) formée d'unités (46) qui sont suspendues dans une grille porteuse (41), chaque unité étant munie d'un absorbeur de chaleur formé de lamelles orientables (43), ladite toiture étant recouverte d'une feuille transparente (53) en matière synthétique et pouvant être retirée de la surface de l'eau par une action sur la grille porteuse, de manière à servir de toit pendant les périodes de bain. 4. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que le corps creux (27) est constitué d'une grille en matière synthétique. 5. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que la feuille inférieure en matière synthétique est noircie. 6. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que la feuille inférieure en matière synthétique est munie d'un revêtement pour l'absorbtion sélective du rayonnement calorifique. 7. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que la grille en matière synthétique est transparente. 8. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que la grille en matière synthétique est noircie. 9. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que la couverture (23) présente une partie avant (29) avec des oeillets (30y,1adite partie avant constituant un patin-guide (35) et un filtre de saleté (36, 37), le patin-guide comprenant deux feuilles (32, 33) en matière synthétique avec un matériau de remplissage (34) entre les deux et le filtre de saleté comprenant l'extrémité libre (37) de lrune des feuilles (39) et une grille (36) à mailles serrées. 10. Installation selon l'une quelconque des revendications 2,4 et 9, caractérisée en ce que la couverture flottante (23) est vide d'air. 11. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que chaque unité de lamelles (46) est formée de deux listes (47) dans lesquelles les lamelles (43), pivotantes sur les axes (48), sont montées et en ce que les listes (47) sont munies de crochets (49) pour leur suspension dans les ouvertures (45) des fixations en U (44) de la grille porteuse (41). 12. Installation selon les revendications 3 ou 11, caractérisée en ce que le côté inférieur des lamelles est muni d'une isolation (52).