Brevet FR2384214A1 — publié le 19781013

La pressente invention concerne les procédés de chauffage des locaux et de production d'eau chaude sanitaire faisant appel aux techniques permettant l'utilisation de l'énergie solaire sous forme thermique. Les principaux dispositifs existant actuellement utilisent les techniques suivantes - capteurs solaires plans à effet de serre, ou capteurs à concentration et utilisation directe de fluide calo porteur (eau) pour le transfert de l'énergie calorifique vers l'utilisation, avec stockage intermédiaire. Le rendement de ces capteurs est lié à l'écart de tempé rature entre flair ambiant extérieur et le fluide calo porteur circulant dans le capteur. Il décroit lorsque L'écart de température augmente, ce qui a pour effet de perdre une grande partie de l'énergie solaire récupé rable lorsque la température extérieure est basse, et donc quand les besoins sont les plus importants. Le stockage qui permet de pallier, dans une certaine mesure, l'absence d'ensoleillement est obligatoirement a une température supérieure à la température de chauf rage des locaux. De ce fait, il existe un seuil de température au-dessous duquel il n'est pas possible de récupérer l'énergie solaire au niveau des capteurs. De plus, le stockage doit avoir un volume important, isolé thermiquement, immobilisant ainsi une place importante et étant générateur de déperditions. - capteurs solaires plans à effet de serre, réchauffant directement l'air ambiant des locaux. Les inconvénients relatifs à ltécart de température entre le fluide caloporteur et l'air extérieur sont les mêmes que ci-dessus. Ils permettent difficilement un stockage thermique, et sont générateurs de surchauffe des locaux peu maitri sables. Ils ne permettent pas le chauffage de l'eau sanitaire. - capteurs solaires utilisés comme évaporateurs d'un fluide frigorigène, le transfert thermique étant assuré par une pompe à chaleur. Le stockage est réalisé à température élevée, les in convénients sont ceux décrits en a/. D'autre part le régime de fonctionnement de la pompe à chaleur manque de stabilité puisqu'il est directement lié à l'inten sité du flux solaire à chaque instant. Il existe d'autres systèmes qui sont en fait des compositions de ceux décrits ci-dessus, et en présentent les inconvé nients.- D'une manière générale, tous les systèmes de chauffage solaire nécessitent d'être complétés par un appoint calorifintue couvrant les besoins pour les jours les plus froids, en absence prolongée d'ensoleillement. La puissance mise en jeu pour cet appoint est donc égale à la puissance maximale installée pour une installation traditionnelle de chauffage, ce qui a pour conséquence un sur-équipement de l'installation de chauffage. Le dispositif suivant l'invention permet d'éviter ces inconvénients. En effet, celui-ci rend possible - le captage de l'énergie solaire à basse température, et la récupération supplémentaire de chaleur de l'air ambiant extérieur (donc un bilan global moyen sans déperditions et un rendemement optimal), - le stockage de l'énergie,captée à basse température au niveau des capteurs, ne nécessitant pas un volume supplémentaire et libérant ainsi une place au sol importante, - l'abaissement du seuil de température du captage solaire à des valeurs proches des températures minimales exté rieures, indépendamment de la température des locaux à chauffer, - la diminution, à quantité d'énergie récupérée égale, de la surface de capteurs par suite du meilleur rende ment moyen, - la suppression de la puissance nominale installée en appoint par utilisation de la pompe à chaleur, pendant les périodes de non ensoleillerneijt prolongé, en récu pération de calories sur une source annexe, par exemple : air extérieur; eau de rivière, de nappe phréatique, de rivière ou du réseau de distribution. La puissance totale installée est de ce fait le rapport entre la puissance nominale de base (déperditions cal culées pour la température extérieure de base) et le coefficient de performance de la pompe à chaleur (approximativement : 3) 3). - l'utilisation des capteurs autoportants comme éléments de construction : murs rideaux, murs de clature, murs anti-bruits, etc..., - la suppression de vitrages sur les capteurs, rendant ainsi leur coat de construction plus faible, leur longévité plus grande et leur aspect esthétique beaucoup plus compatible avec l'architecture traditionnelle. Le système, objet de l'invention comporte les dispositifs suivants - circuit capteurs, composé de - une quantité adaptée de capteurs solaires (1) modu laires, formant réservoir de liquide et réalisés en matériau conducteur de la chaleur et étanche (tôle d'acier par exemple). La face avant de ces capteurs est nervurée vertica lement pour assurer une bonne rigidité, augmenter la surface d'échange avec l'air ambiant extérieur et améliorer l'esthétique. Chaque module est équipé de deux orifices d'entrée et de sortie d'eau, - un échangeur sous refroidisseur du liquide frigori gène (2), - une pompe de circulation (3), d'un débit adapté à la puissance dont le fonctionnement est asservi au compresseur, - un échangeur évaporateur (4) du fluide frigorigène assurant le prélèvement de la chaleur au circuit des capteurs, alimenté par un organe de détente thermostatique (5), - un vase d'expansion (15) avec soupape de saleté (16), - le remplissage du circuit est assuré par un fluide caloporteur incongelable dans les limites des tempé ratures extérieures possibles (eau additionnée d'éthylène glycol , par exemple) - circuit appoint, composé de - un échangeur évaporateur (8) du fluide frigorigène assurant le prélèvement de la chaleur du circuit appoint, qui peut être de l'eau de nappe phréatique, de rivière, de puits ou du réseau d'eau de ville (comme figuré sur le schéma : EV - eau de ville, EU - eau usée) ou bien encore de l'air extérieur ou d'extraction des locaux. Cet évaporateur est alimenté par un détendeur ther mostatique (lu), la pression d'évaporation étant contrôlée par un robinet barostatique (7), - circuit distribution, composé de - un échangeur condenseur (12) du fluide frigorigène assurant la cession des calories au circuit dis tribution, - une capacité (11) formant volant d'inertie thermique, - une- pompe de circulation (t3), - une vanne trois voies (14) d'inversion été/hiver, permettant, à partir d'une commande manuelle- ou auto matique, le fonctionnement de llinstallation soit en chauffage et production dteau chaude sanitaire, soit en production d'eau chaude sanitaire uniquement, - un échangeur (17) assurant le transfert de la chaleur à l'eau sanitaire. La ctistribution effectuée vers l'utilisation (cf. schéma) DCH : départ chauffage RCH : retour chauffage ECS : eau chaude sanitaire est raccordée aux organes de distribution de chaleur classiques. Le fluide caloporteur du circuit de distribution est de l'eau dans le système représenté sur le schéma. Dans un schéma légèrement différent, le condenseur (12) pourrait céder les calories à de-l'air directement en circulation dans les locaux à chauffer. circuit de transfert thermodynamique. Outre les évaporateurs et condenseur déjà décrits, ce circuit comprend - un organe (6) assurant le transfert thermique par élévation de température et pression du fluide fri gorigène en circulation. Cet organe peut être soit un compreseur volumétrique, un compresseur centri fuge ou à vis entrainé par un moteur utilisant l'énergie électrique ou tout autre forme thermique, soit un thermo-compresseur, (cycle à absorption) utilisant toute forme d'énergie thermique. REVENDICATIONS 1 - Elément capteur de conception modulaire permettant la transformation de l'énergie solaire rayonnante en énergie calorifique sous forme d'élévation de température d'une nasse de fluide statique ou en circulationcaractérisé par le fait qu'il constitue un réservoir étanche d'épaisseur variable mais relativement faible par rapport à sa surface frontale, et permettant de contenir un volume liquide, notamment de l'eau additionnée d'éthylène glycol. 2 - Elément capteur selon la revendication n l, caractérisé par le fait que la paroi frontale métallique réceptrice du rayonnement solaire, est nervurée verticalement, la section de celle-ci faisant apparattre une juxtaposition de triangles ou de trapèzes. 3 - Elément capteur selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que sa surface captrice n'est pas recouverte d'un vitrage mais est en contact direct avec l'air extérieur, sa surface développée étant supérieure à sa surface projetée. 4 - glément capteur selon la revendication n01, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins deux orifices d'admis- sion et d'évacuation d'eau. 5 - élément capteur, selon l'une quelconque des revendications 1 à o, caractérisé Dar le fait que sa construction auto portante permet ltempilement d'autres éléments à lui iden tiques, offrant la possibilité de construire un mur pouvant 'intégrer dans une construction à usage résidentiel, tertiaire ou industriel, ou encore à usage de mur de clôture ou mur anti-bruit. t > - Construction caractérisée en ce qu'elle comporte au moins umi élément de construction constitué par un élément capteur Solon la revendication nO 5. 7 - Dispositif de production de chaleur par transfert thermo dynamique au moyen d'un fluide frigorigène à changement d'état, comportant un évaporateur à la source froide, un condenseur à la source chaude et des moyens pour transporter e fluide frigorigène en phase liquide du condenseur vers l'évaporateur et en phase vapeur de !'évaporateur vers le condenseur, caractérisé par le fait que l'évaporateur puise les calories dans la source froide constituée par le stocka ge liquide des capteurs selon l'une quelconque des revendi ovations I à 6. d - Dispositif de production de chaleur selon la revendication 7 caractérisé par le fait que les moyens de transport du fluide frigorigène comprennent un compresseur entrainé par un moteur. 9 - Dispositif de production de chaleur, selon la revendication n07, caractérisé par le fait que les moyens de transport du fluide frigorigène comprennent un dispositif de thermo compression alimenté par une source de chaleur quelconque, le cycle étant du type à absorption. 10 - Dispositif de production de chialeur, selon la revendica tion 7 et l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé par le fait qu'il comporte un évaporateur nuxiliaire absorbant des calories dans une source froide quelconque telle que : air extérieur, eau de puits, de rivière, de nappe phréatique, air extrait, eau usée, etc... 11 - Dispositif de production de chaleur selon la revendication nO 10, caractérisé par le fait qu'il comporte un organe de régulation agissant sur le fluide frigorigène en phase vapeur pour limiter la pression d'évaporation de l'évapo rateur auxiliaire à une valeur limite basse. 12 - Dispositif de production de chaleur selon ltune quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé par le fait qu'il comporte un échangeur entre le fluide frigorigène en phase liquide et le liquide en circulation contenu dans les capteurs. 13 - Installation de chauffage de locaux par circulation d'air chaud, caractérisée par le fait qu'elle comprend un dispo sitif de production de chaleur selon l'une quelconque des evendications 7 à Il dans lequel l'appareil thermique est en réchauffeur d'air. 14 - Installation de chauffage de locaux par circulation d'eau chaude, caractérisée par le fait qu'elle comprend un dis positif de production de chaleur, selon l'une quelconque es revendications 7 à 11 et dans lequel L'appareiL thermi -ue est un réchauffeur d'eau. 15 - Installation de chauffage de locaux, selon la revendication 14, caractérisée par le fait qu'elle comporte un échangeur permettant le réchauffage de l'eau à usage ménager, sani taire ou industriel.