Brevet FR2385052A1 — publié le 19781020

L'ihvention concerne une installation pour le chauffage d'une habitation et/ou la production d'eau chaude, au moins en partie à partir d'énergie solaire ; elle s'étend à un pannesu-capteur d'énergie solaire destiné notamment à équiper cette installation. La présente invention e pour objectif de fournir une installation perfectionnée gui soit parfaitement adaptée aux caractères spécifiques de l'énergie solaire et soit apte à permettre une exploitation optimale de celle-ci ; en particulier l'invention vise à supprimer ou à réduire les divers inconvénients bien connus dont s'accompagne l'utilisation de cette source d'énergie (variations importantes dans les conditions de réception de l'énergie, neutralisation du système de captage en cas d'enneigement, coût élevé des installations de type connu, etc...). A cet efiet l'installation conforme à l'inven- tion comprend des panneaux capteurs d'énergie solaire, un circuit primaire associé auxdits panneaux capteurs et pourvu d'une électropompe pour amener un liquide primaire à circuler dans ce circuit et à parcourir lesdits panneaux, un échangeur de chaleur inséré dans ce circuit primaire, un réservoir de liquide selon daire auquel est associé cet échangeur en vue de réchauffer ce liquide secondaire, et au moins un circuit secondaire adapte pour prélever le liquide secondaire dans le réssesoir précité, le faire circuler dans des corps de chauffe, ou dens un échangeur de rechauffage d'un ballon d'eau chaude, et le renvoyer dans ledit réservoir. Le réservoir de liquide secondaire dont la caps- cité est ajustée à la puissance de l'installation (de l'ordre de 12.000 litres par exemple pour une habituation du type F4, F5 ou F6) joue le r81e de tampon et permet de stocker l'énergie pour la restituer par la suite ; ce réservoir fait partie du circuit secondaire, ce gui permet de prévoir un circuit primaire de capacité réduite qui peut entre rempli d'un liquide antigel sans dé- pense exagérée et donne toute souplesse pour adapter son régime de circulation aux conditions du moment (régulation, vidange, etc...). Selon une stectéristique de l!invention, l'ins- talletion comprend t d'une part, une sonde de température associé à au moins un des panneaux capteurs en vue de fournir une tempE- rature T caractéristique de celui-ci, d'autre part, une sonde de température disposée dans le circuit primaire en aval des panneaux en vue de fournir la température de sortie 6 du liquide primaire après passage dens les panneaux capteurs, enfin des moyens d'asservissement de l'électropompe du circuit primaire, possédant un seuil de consigne Tc pour la température T des panneaux et un seuil de consigne Oc pour la température G de sortie, ces moyens d'asservissement associés aux sonde de panneau et sonde de sortie sus-évoquées étant adaptés pour commander l'alimentation électrique de la pompe et engendrer, soit son fonctionnement dans les cas où T > Tc et etO > Oc ou T !c et 0 #c. Comme on le comprendra mieux plus loin, ces dispositions permettent de commander la circulation du liquide primaire pour répondre aux impératifs suivants - engendrer la circulation lorsque l'état d'ensoleillement ou d'éclairement est suffisant pour assurer un apport thermique vers le réservoir d'eau secondaire, - couper cette circulstion si l'état d'éclairement n'est plus suffisant, afin d'éviter de refroidir le liquide secondaire du réservoir, - engendrer une circulation provisoire lorsque les conditions de température extérieure déterminent des risques de recouvrement des panneaux par de la neige afin d'assurer le tonte de celle-ci en réchauffant temporairement ces panneaux grSce à le chaleur accumulée dans le réservoir de liquide se con- daire. De la sorte on supprime en hiver tout risque de voir l'installation mise hors d'état de fonctionner au moment où les besoins calorifiques sont précisément les plus grands. Selon une autre caractéristique de l'invention, les panneaux capteurs sont placés en toiture de l'habitation et sont montés en parallèles sur des collecteurs d'arrivée et de départ du liquide primaire. Dans le cas où ces panneaux sont placés sur des pentes de toiture à ensoleillement différent, ils sont groupés par pente, les panneaux de chaque pente possédent leurs propres collecteurs ; les collecteurs d'arrivée correspondant aux différentes pentes sont agencés en parallèles dens le circuit primaire de l'installation, de même que les collecteurs de départ ; chaque ensemble de panneaux et collecteurs correspon dant à une pente est pourvu de sondes de température T et # , de moyens d'asservissement et d'une pompe propre, asservie pour commander la circulation du liquide primaire dans les panneaux de ladite pente. Ainsi la circulation est régulée pour chaque groupe de panneaux en fonction de son état d'éclairement. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'installation comprend, montées sur son circuit primaire, des vanne d'admission et vanne d'évacuation, agencées pour permettre de faire circuler un courant d'eau froide dens ce circuit primaire ; en cas d'ensoleillement intense, on peut ainsi éviter les risques de surchauffe et d'ébullition dans le circuit primaire et dans le réservoir de liquide secondaire. Un groupe de quelques panneaux peut être prévu pour le production d'eau chaude en été ; ces panneaux sont 8sso- ciés à des collecteurs d'arrivée et de départ montés en dérivation par rapport aux collecteurs des autres panneaux ; ces derniers collecteurs sont pourvues de vannes d'isolement et de vannes de vi dange permettant de vider les panneaux correspondants et de les mettre hors circuit l'été. Ainsi pendent la saison ensoleillée, seul le groupe sus-évoqué sert à échauffer le liquide secondaire du réservoir, ce liquide étant utilisé en cette saison uniquement pour la production d'eau chaude, tendis qu'en hiver tous les pan neaux capteurs peuvent être mis en circuit pour assurer à la fois le chauffage de l'habitation et la production d'eau chaude. Selon une sutre caractéristique de l'invention, chaque panneau capteur comprend une paroi frontale formée par une plaque ondulée en un matériau transparent, comportant une portion de recouvrement latérale débordant du panneau sur au moins une ondulation en vue de venir s'imbriquer avec une ou des ondulations du panneau voisin. Les panneaux peuvent ainsi être montés sur les chevrons de le toiture à la manière de tuiles mecaniques à recouvrement qu'ils viennent remplacer. Par silleurs, selon une autre caractéristique de l'invention, l'échangeur associé au réservoir de liquide secon daire est un échangeur tubulaire plongé dans ce réservoir en par tie basse de celui-ci ; chaque circuit secondaire (chauffage et/ ou production d'eau chaude) comporte un conduit de prélèvement de liquide secondaire débouchent dans le réservoir en ortie haute de celui-ci et un conduit de retour débouchant en partie basse dudit réservoir au-dessus de l'échangeur tubulaire. Ces dispositions déterminent une circulation optimale dans le réservoir par courants de convection, sans brassage ni turbulence néfaste. D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention se dégageront de la description qui suit, en regard des dessins snnexés, lesquels sont donnés à titre d'exemples non limitatifs ; sur ces dessins qui font partie intégrante de la description : - le figure 1 est une vue ensemble schématique d'une installation conforme à l'invention, - les figures 2 et 3 sont des coupes, respectivement par un plan longitudinal et par un plan transversal, d'un panneau-ca pteur, - la figure 4 est une coupe partielle d'un élément de cette installation, - la figure 5 est une vue partielle d'une veriante d'installation, - la figure 6 est tne vue partielle d'une sutre veriante, - la figure 7 montre une toiture réalisée au moyen de pannesux-cepteurs dans le cas de cette dernière variante. L'installation représentée schématiquement à titre d'exemple à la figure 1 comprend essentiellement une pluralité de pannesux-capteurs tels que 1, un circuit primaire 2 contenant un liquide primaire un échangeur tubulaire 3 inséré dans ce circuit primaire, un réservoir d'eau 4 d'une capacité de l'ordre de 12.0o0 litres, un circuit secondaire de chauf- fage 5 et un circuit secondaire de production d'eau chaude 6. Un pannesu-capteur est représenté en détail en coupes aux figures 2 et 3. I1 comprend un caisson chassis 7 en bois ou analogue, dans lequel sst disposé un berceau en polyuréthane 8 dont la face supérieure est peinte en noir ; ce berceau supporte un circuit d'échange formé par un serpentin 9 en tubulure spéciale (cuivre ou autre) à grand rendement d'échange ; on aperçoit en 9a et 9b les extrémités d'arrivée et de départ de ce serpentin.Au dessus de celui-ci est disposée une plague frontale transparente 10 réalisée en un matériau ondulé, par exemple en polychlorure de vinyle transparent ; les ondulations de cette plaque frontale présentent en particulier une section trspézoSda- le, cette section pouvait avoir une forme différente, sinusoidale, etc... Cette plaque 10 comporte une portion de recouvrement latérale 10a gui déborde du panneau sur deux ondulations. En bout elle comporte également une portion débordante 10b. Ainsi les panneaux-capteurs peuvent être juxtaposés sur les chevrons de toiture et maintenus les uns contre les autres par imbrication des deux ondulations de leur portion de recouvrement avec les deux ondulations du panneau contigu. En outre la portion débordante 10b recouvre le jeu entre panneaux de rangées voisines de sorte que les panneaux ainsi imbriqués assurent une étanchéité comparable à celle conférée par des tuiles qu'ils pourront rempla- cer afin de réaliser une économie sur le cotit de la toiture qui se déduira sur le prix de revient de l'ensemble de l'installation. Une grille de protection est de préférence prévue au dessus des panneaux pour éviter une déterioration de ceux-ci par la grOle0 Comme le montre la figure 1, les panneaux sont montés dans le circuit primaire 2 en parallèles les uns par rapport aux autres sur deux collecteurs 11 et 12. Des vanne d'admission 13 et vanne d'évacuation 14 permettent en cas de surchauffe de faire circuler un courant d'eau froide dans le circuit privei- re. Ce circuit comporte, en outre, un vase d' expan- sion classique 15 et une électropompe 16 pour engendrer la circulation du liquide primaire ; ce liquide peut Outre un mélange d'eau et d'antigel. Le circuit électrique d'alimentation de l'élec- tropompe 16 (symbolisé en 17) comprend deux inverseurs thermostatiques 18 et 19 qui sont montés en va et vient. L'inverseur 18 est associé à une sonde de température 20 qui est placée sur un pannesu-capteur dans l'espace germé situé entre la paroi frontale et le circuit d' échange du panneau en vue de fournir la tempEra- ture T de l'air remplissant cet espace.L'inverseur thermostati- que 18 possède un seuil de consigne Tc et change de position chaque fois que la température passe par cette valeur ; le seuil de consigne Tc est ajusté en fonction du cas envisage et est avantageusement compris sensiblement entre 280G et 32 C, de l'ordre par exemple de 3000. L'inverseur 19 est associé à une sonde de tempé- rature 21 disposée dans le circuit primaire en aval des panneaux en vue de fournir la température O du liquide primaire après passage dans les panneaux. Cet inverseur 19 possède un seuil de consigne 0 c et change de position chaque fois que.la température o passe par cette valeur 5 le seuil Gc est également ajusté en fonction du cas envisagé et est avantageusement compris sensiblement entre 230C et 2700, de l'ordre par exemple de 25 C. Les inverseurs 18 et 19 sont disposés de sorte que l'électropompe 16 soit électriquement alimentée lorsque e > Ec et e. > 0 c ; le liquide du circuit primaire circule alors dens ce dernier, s' échauffe en parcourant les panneaux (puisque T > Tc exprime un éclairement ou ensoleillement suffisaat) et engendre A travers l'échangeur 3 un échauffement du liquide secondaire contenu dans le réservoir 4 (puisque 9 > 9 c exprime que le liquide primaire est à une température suffisante pour assurer cet échauffement). Si l'éclairement des panneaux devient insuffi- sant, l'une des températures T ou e (selon les conditions régnant à l'extérieur) devient inférieure au seuil de consigne Tc ou 9 c et l'alimentation de l'électropompe est coupée 3 18 cir culation est arrêtée dans le circuit primaire et on évite de refroidir inutilement l'eau du réservoir 4. Au terme d'une certaine période dépendant des conditions extérieures (température, éclairement), l'autre sonde peut détecter une température e ou T devenant à son tour inférieure au seuil de consigne # c ou Tc et le pompe est alors remise en merche ; elle amine l'eau du circuit primaire à traverser les panneaux après s'être réchauffée dans le réservoir 4 : les panneaux sont ainsi réchauffés, ce qui entraine,le cas échéant, la fonte de la neige qui peut les recouvrir. Cette circulstion dure jusqu'à ce qu'une des températures T ou # (en général # ) devienne à nouveau supérieure à son seuil de consigne Tc ou # c, auquel cas la pompe est à nouveau arrêtée. Ces cycles de circulation temporaire qui se déroulent surtout pendant la nuit, se reproduisent ainsi de temps à autre Jusqu'à ce que l'éclairement devienne à nouveau suffisant pour que > Tc et O 6 c ; dans ce cas la pompe est remise en marche tant que durent ces conditions favorables. Par ailleurs l'installation représentée à la figure I comprend un circuit secondaire 5 pour le chauffage de l'habitstion et un circuit secondaire 6 pour la production d'eau chaude. Ces circuits comportent tous les équipements classiques appropriés : corps de chauffe 22, électropompe 23 commandée par un thermostat d'ambiance 24, vase d'expansion 25, ballon d'eau chaude 26 réchauffé par le circuit 6 avec résistance de chauffa ge d'appoint 27, électropompe 28 du circuit de production d'eau chaude commandée par une sonde de température 29 plongée dans le ballon 26, etc...Notons que le circuit de chauffage 5 peut être associé à un circuit de chauffage d'appoint, en particulier un circuit de récupération de la chaleur d'un feu de ehewinée. L'échangeur 3 représenté en coupe à la figure 4 est formé par une pluralité de tubes 3a disposés entre deux collecteurs tels que 3b dans lesguels débouchent l'entrée et la sortie du circuit primaire. Cet échangeur est placé en partie basse du réservoir 4 ; les conduits de prélèvement 5a et 6a des circuits de chauffage 5 et de production d'eau chaude 6 débouchent en par tie haute de ce réservoi à l'opposé l'un de l'autre, cependant que les conduits de retour 5b et 6b de ces circuits débouchent à l'opposé l'un de l'autre en partie basse dudit réservoir au dessus de 11 échangeur 3. Ainsi l'veau refroidie est rejetée par les conduits 5b et 6b au dessus de l'échangeur au voisinage de celui-ci et descend, sous lteffet de se densité plus élevée, se réchauffer au contact de celui-ci. L'eau chaude remonte dans le réservoir et est prélevée en partie haute. Ces courants de convection se produisent en l'absence de tout brassage néfaste et permettent d'assurer à l'intérieur du réservoir le déroulement du cycle continu suivant, dans les meflieures conditions : rejet d'eau refroidie, échauffement par l'échangeur, prélèvement de l'eau réchauffée. La figure 5 présente une variante d'installation dans laquelle un groupe de quelques panneaux 30 (par exemple une douzaine de panneaux) est séparé des autres panneaux 31 pour assurer la production d'eau chaude en été. Ces panneaux 30 sont associés à des collecteurs 30a et 30b montés en dérivation dans le circuit primaire par rapport aux collecteurs -31a et 31b des autres pan neaux. Ces collecteurs 31 a et 31b sont pourvus de vannes d'isolement 32 et 33 et de vennes de vidange 34 et 35 qui permet- tent d'isoler et de vidanger l'ensemble des panneaux 31 pendant l'été pour ne laisser en fonctionnement que les panneaux 30 ; comme précédemment une vanne d'sdmission 36 et une vanne d'éva- cuation 37 donnent, en cas de surchauffe, la posssibilitE de faire circuler un courant d'eau froide dens ces panneaux 30. Par tailleurs les figures 6 et 7 présentent une variante d'installation dans laquelle les panneaux sont disposés en toiture sur deux pentes 38 et 39 ayant des ensoleillements différents ; l'une peut entre orientée à l'est et recevoir les rayons solaires le matin et l'autre à l'ouest et les recevoir le soir. Chaque pente peut notamment comporter trois rangées de 12 panneaux chacune. Les panneaux de chaque pente 38 ou 39 possèdent leurs propres collecteurs 38a, 38b ou 39a, 39b, leur propre électropompe 38c ou 39c et leurs propres moyens d'asservissement 38d et 39d avec sondes T et z . Les collecteurs 38a, 38b et 39a, 39b sont montés en parallèles dans le circuit primaire. Ainsi pour chaque pente, la circulation de liquide primaire est régulée en fonction de l'ensoleillement de celle-ci, ce qui permet d'exploiter l'énergie solaire reçue de façon plus sare et plus efficace. Bien entendu les deux variantes ci-dessus évoguées peuvent être combinées pour fournir une installation de grande souplesse, l'invention n'étant évidemment pas limitée aux termes de la description qui précède. Notons que certains accessoires classiques des circuits n'ont pas été mentionnés pour simplifier la description (clapets entithermosiphons, etc...) REVENDICATIONS 1/ - Installation pour le chauffage d'une habitation et/ou la production d'eau chaude, au moins en partie à partir d'énergie solaire, caractérisée en ce qutelle comprend des panneaux capteurs d'énergie solaire, un circuit primaire associé auxdits panneaux capteurs et pourvu d'une électropompe pour ame- ner un liquide primaire à circuler dans ce circuit et à parcourir lesdits panneaux, un échangeur de chaleur inséré dans ce circuit primaire, un réservoir de liquide secondaire auquel est associé cet échangeur en vue de réchauffer ce liquide secondaire, et au moins un circuit secondaire adapté pour prélever le liquide secondaire dens le réservoir précité, le faire circuler dans des corps de chauffe, ou dans un échangeur de rechauffe d'un ballon d'eau chaude, et le renvoyer dans ledit réservoir. 2/ - Installation selon la revendication 1, ca ractérisée en ce qu'elle comprend, d'une part, une sonde de tempéreture associée à au moins un des panneaux capteurs en vue de fournir une température T caractéristique de celui-ci, d'autre part, une sonde de température disposée dans le circuit primaire en avel des panneaux en vue de fournir la température de sortie e du liquide primaire après passage dans les panneaux capteurs, enfin des moyens d'asservissement de l'électropompe du circuit primaire, possédant un seuil de consigne Tc pour la température T des panneaux et un seuil de consigne 0c pour la température O de sortie, ces moyens d'asservissement associés aux sonde de panneau et sonde de sortie sus-évoquées étant adaptés pour commander l'a limentation électrique de la pompe et engendrer, soit son fonc tionnement dans les cas où T > Tc et # > #c ou T #c, soit l'arrêt de celle-ci dans les cas où T > Tc et O 4 O c ou # > Oc. 3/ - Installation selon la revendication 2,dans laquelle chaque panneau comprend une paroi frontale transparente et un circuit d'échange situé sous cette paroi et relié au circuit primsire, ladite installation étant caractérisée en ce que la son de de température associée à au moins un des panneaux est placée dans l'espace fermé situé entre la paroi frontale et le circuit d'échange du panneau en vue de fournir le température T de l'air remplissant cet espace, le seuil de consigne Tc correspondant à cette température étant sensiblement compris entre 280C et 32oC, cependant que le seuil de consigne O c correspondant à la tempOra- ture O de sortie est sensiblement compris entre 230C et 270G-. 4/ - Installation selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que les moyens d'asservissement de due la pompe comprennent deux inverseurs thermostatiques, l'un associé à la sonde de panneaux, l'autre à la sonde de sortie, ces inverseurs étant montés en va et vient sur le circuit d'alimentation électrique de la pompe. 5/ - Installation selon l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisée en ce qu'elle comprend, montées sur son circuit primaire, des vanne d'admission et vanne d'évacuation sgencées pour permettre de faire circuler un courant d'eau froide dans ce circuit primaire. 6/ - Installation selon l'une des revendications 2, 3 ou 4, dans laquelle les panneaux capteurs sont placés en toiture de l'habitation sur au moins deux pentes de toiture à ensoleillement différent, l'installation étant caractérisée en ce que les panneaux-capteurs de cheque pente sont montés en esrallè- les sur des collecteurs d'arrivée et de départ de liquide primaire, les collecteurs d'arrivée correspondant aux différentes pentes étant agencés enparallèles dans le circuit primaire, de même que les collecteurs de départ, chaque ensemble de panneaux et collecteurs correspondant à une pente étant pourvu de sondes de température T et O , de moyens d'asservissement et d'une pompe propre,asservie par ces moyens et commandant la circulation du liquide primaire dans les panneaux de ladite pente. 7/ - Installation selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisée en ce qu'elle comprend un groupe de panneaux pour la production d'eau chaude en été, associés à des collecteurs d'arrivée et de dépsrt montés en dérivation par rapport aux collecteurs des autres panneaux, les collecteurs d'srrivée et de départ de ces autres panneaux étant pourvus de vennes d'isolement et de vannes de vidange permettant de vider les panneaux correspondant et de les mettre hors circuit en été. 8/ - Installation selon l'une des revendications 1,2, 3, 4, 5, 6 ou 7, dens laquelle chaque panneau comprend une paroi frontale transparente et un circuit d'échange situé sous cette paroi et relié au circuit primaire, caractérisée en ce que la paroi frontale de chaque pannes upne plaque ondulée en maté- riau transparent comportant une portion de recouvrement latérale débordant du panneau sur au moins une ondulstion en vue de venir s'imbriquer avec une ou des ondulations du panneau voisin. 9/ - Installation selon l'une des revendicstions 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, caractérisée en ce que l'échangeur associé au réservoir de liquide secondaire est un échangeur tubu laire plongé dans ce réservoir en partie basse de celui-ci, cha- que circuit secondaire comportant un conduit de prélèvement de liquide secondaire débouchant dans le réservoir en partie haute de celui-ci, et un conduit de retour débouchant en partie basse dudit réservoir au-dessus de l'échangeur tubulaire. 10/ - Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comprend deux circuits secondaires, l'un pour le chauffage de l'habitation, l'autre pour la production d'eau chaude, les conduits de prélèvement de ces circuits débouchant en partie haute du réservoir de liquide secondaire à l'op- posé l'un de l'autre, cependant que leurs conduits de retour débouchent en partie basse dudit réservoir à l'opposé l'un de 1t8U- tre. 11/ - Panneau capteur solaire destiné en particulier a équiper une installation conforme à l'une des revendica- tions 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10, ce panneau étant caractérisé en ce qu'il comprend un caisson-chassis, un berceau en un matériau thermiquement isolant disposé dens ledit caisson-chassis, un serpentin a' grand rendement d'échange thermique porté par ledit berceau, et une plaque frontale transparente ondulée, situe su-dessus dudit serpentin et comportant une portion de recouvre- ment latérale débordant du panneau sur au moins une ondulation. 12/ - Panneau capteur solaire selon la revendication 11, caractérisé en ce que les ondulations de la plaque frontale présentent une section trapezordale, la portion de recouvrement latérale débordant du panneau sur deux ondulations.