Brevet FR2389839A1 — publié le 19781201

î La présente invention concerne une installation de collecteur thermique comprenant un collecteur thermique qui prélève de la chaleur de rayonnement à -l'ambiance, contient un fluide qui transmet de la chaleur et dont la sortie est rel.iëe à une pompe à chaleur. 5 On connaît la mise en oeuvre de collecteurs solaires, en liaison avec des pompes à chaleur, pour transformer l'énergie de radiation du soleil en chaleur utilisable (Revue "Elektrizitatsverwertung" = valorisation de l'électricité n° 3/1975). Le collecteur thermique peut être constitué de cuves, qui sont posées sur une toîture et dans lesquelles circule le fluide. 10 Le fluide est de préférence de l'eau ou de la saumure. Après avoir quitté le collecteur il est conduit à la pompe à chaleur qui lui prélève sa chaleur. Les installations connues de collecteurs reçoivent de l'énergie de rayonnement, mais d'un autre côté, par convection, rendent de la chaleur, à l'ambiance, leur température étant supérieure à là température de l'ambiance. 15 L'objet de l'invention est de créer une installation de collecteur thermique qui non seulement absorbe l'énergie de rayonnement mais reçoit en outre de l'énergie par un effet d'échange thermique. Pour atteindre cet objet, il est, selon l'invention, prévu que le collecteur thermique, pour pouvoir en plus recevoir de la chaleur de 20 convection, est conçu sous forme d'un convecteur qui assure une bonne conduction thermique entre l'air ambiant et le fluide qui se trouve à l'intérieur du collecteur et que, dans la conduite d'arrivée au collecteur, est installé un dispositif de refroidissement qui est dimensionné et commandé de façon que le fluide que l'on amène au collecteur thermique soit refroidi en-dessous 25 de la température de l'air ambiant. L'invention part de l'idée de placer assez bas le niveau inférieur de la température que prend le.fluide en entrant dans le collecteur pour qu'il existe unè différence de température entre l'air ambiant et le fluide. Si la température extérieure est plus basse, de façon appropriée, on 30 refroidit moins fort et on remplace,la différence de température par une augmentation de la vitesse de passage dans le collecteur. Ceci résulte de l'équation ; £ T . Débit volumique = Energie où à T représente la différence de température entre l'entrée et la sortie 35 du fluide du collecteur. Le fluide ou le collecteur ne rayonne pas de chaleur en direction de l'ambiance, mais reçoit encore davantage de chaleur en provenance de l'ambiance. Cette énergie supplémentaire qui est amenée, dépasse de loin, et de façon étonnante, l'énergie supplémentaire nécessaire à la pompe à chaleur pour surmonter la plus grande différence de température. Pour 2 2 3 8 y c 3 9 recevoir une quantité de chaleur qui soit la plus importante possible, soit on maintient intentionnellement, basse la température du fluide introduit dans le collecteur, soit on augmente la vitesse de passage du fluide dans le collecteur. Le dispositif de refroidissement peut se composer d'un ëchangeur thermique de la pompe à chaleur. La pompe S chaleur augmente la température du milieu à chauffer et prélève de la chaleur au fluide. Selon l'invention, le refroidissement du fluide qui lui est lié est suffisant pour que ce fluide soit refroidi jusque en-dessous de la température ambiante c'est-à-dire au-dessous de la température de l'air extérieur. Pendant qu'ensuite le fluide parcourt à nouveau le collecteur thermique, il se réchauffe à la fois par la combinaison du rayonnement thermique et de la conduction thermique par l'énergie solaire et l'air ambiant, La quantité de chaleur à basse température est d'autant plus importante que le fluide entre à une température plus basse dans le collecteur thermique, et donc respectivement que la différence de température entre l'air extérieur et le fluide introduit est plus forte. Quand la température du collecteur est inférieure à celle de l'air ambiant, il peut se produire;à la surface du collecteur de l'eau condensée. La température du fluide s'augmente encore de la chaleur de condensation. Aussitôt après leur apparition, il faut évacuer les gouttelettes d'eau condensée, pour qu'elles ne se vaporisent pas en prélevant de la chaleur à la surface du collecteur. Dans ce but, la surface extérieure du collecteur thermique comporte avantageusement une couche d'un matériau qui accroît la tension superficielle de la gouttelette d'eau qui se forme, de sorte que cette gouttelette d'eau s'évacue facilement en roulant. De façon appropriée la régulation de la pompe à chaleur se fait par un dispositif de régulation qui règle la différence de température entre l'air ambiant et la température froide du fluide. Par exemple cette différence de température peut être maintenue constante indépendamment de la température de l'air ambiant ou elle peut être réduire si la température de l'air ambiant monte plus haut, du fait que lorsque l'air ambiant est plus chaud, en général, on a besoin de moins de puissance thermique. Si le fluide est préchauffé lors de son introduction dans la pompe à chaleur, on peut exploiter cette pompe à chaleur avec un rendement plus favorable. Tandis que/en cas de fort rayonnement solaire, l'énergie de rayonnement suffit déjà éventuellement, pour produire la quantité de chaleur nécessaire, si le ciel se couvre ou par lumière diffuse, on a besoin de l'emploi supplémentaire de la convection thermique. Dans ce but le collecteur thermique peut comprendre deux chambres superposées, dont la chambre 3 2389839 inférieure est conçue pour absorber le rayonnement, tandis que la chambre supérieure présente une surface bonne conductrice de la chaleur, Dans le cas ou le rayonnement solaire direct suffit pour l'alimentation du récepteur thermique, c'est simplement la chambre inférieure - qui absorbe le rayonnement -que parcourt le fluide. Dans ce type d'exploitation la chambre supérieure est remplie d'une couche d'air isolante pour maintenir le plus bas possible les pertes thermiques par convection et par rayonnement thermique. Lorsque le rayonnement solaire direct ne suffit pas pour alimenter le récepteur thermique, le fluide parcourt également la chambre supérieure. Dans cette variante de circuit, le convecteur à double chambre sert d'échangeur thermique pour l'air ambiant et le rayonnement solaire. Le rayonnement thermique traverse la chambre supérieure et est absorbé dans le liquide dè la chambre inférieure ou dans les parois de la chambre inférieure. Par contre, la chambre supérieure présente une surface à bonne conductibilité thermique, qui peut aussi éventuellement être ondulée ou être augmentée par une autre structure conforme. Pour amener contre la surface le plus possible d'air ambiant, on peut prévoir des ventilateurs particuliers et/ou des déflecteurs. La chambre supérieure du collecteur agit alors principalement en échangeur thermique tandis que sa chambre inférieure agit principalement comme corps absorbant. Selon l'invention, les deux chambres d'un collecteur à double chambre peuvent être séparées l'une de l'autre par une couche d'air isolante et faire partie de circuits distincts de fluide. Dans ce type de collecteur la chambre supérieure transparente et en permanence remplie de fluide, effectue l'échange thermique avec l'ambiance du fait que son débit de fluide est relié au compresseur d'une pompe à chaleur. La chambre inférieure, comportant une couche absorbante pour rayonnement thermique, fait partie d'un débit de fluide distinct, relié au récepteur thermique soit directement soit par l'intermédiaire d'un échangeur thermique. Dans le cas où l'offre d'énergie en provenance de la chaleur rayonnante suffit, le 30 débit de fluide de la chambre supérieure n'est pas transformé. C'est uniquement le débit de fluide de la chambre inférieure, qui est mis en mouvement. En cas d'offre insuffisante en énergie de rayonnement, ou en cas de besoin important d'énergie, le débit de fluide de la chambre supérieure est également mis en circuit et amené au compresseur d'une pompe à chaleur soit 35 directement soit, au choix, seulement après passage dans 1'échangeur thermique du débit de fluide de la chambre inférieure. Ce mode d'exploitation permet le chauffage postérieur du débit de fluide en provenance de la chambre supérieure par celui de la chambre inférieure, qui est plus chaud, dans lé cas d'une offre suffisante d'énergie rayonnante. 10 15 20 4 2383039 L'invention offre de nombreuses possibilités de réalisation. C'est ainsi que le collecteur thermique qui habituellement peut être disposé sur une toîture, peut recevoir en outre et capter les pertes thermiques du bâtiment. On sait que dans les bâtiments des quantités importantes 5 de chaleur sont évacuées a l'air libre par les installations de ventilation et de chauffage. Le collecteur thermique selon l'invention peut par exemple être disposé, en liaison avec une conduite d'évacuation ou une cheminée de façon telle que les gaz qui s'échappent, viennent le lécher sur sa longueur et provoquent donc un réchauffement du fluide. On peut de cette façon récu- . 10 pérer une partie importante de l'énergie thermique qui serait autrement perdue. En été l'installation de collecteur thermique peut également s'utiliser pour le refroidissement. Si le collecteur thermique est installé sur la couverture, il provoque la nuit un refroidissement, c'est-à-dire qu'il abandonne de la chaleur à l'air ambiant. Il est donc possible de stocker la 15 nuit du froid dans le collecteur thermique et de restituer ce froid dans le courant de la journée en le dosant. Inversement, le jour, on peut recevoir de l'énergie thermique dont on peut disposer dans le bâtiment pendant les heures de soirée ou de nuit. Un autre avantage réside en le fait que l'on peut emmaga-20 siner l'énergie dans le collecteur thermique, si, par moments, on ne prélève pas la totalité de l'énergie. Selon les circonstances on peut encore accroître l'effet du collecteur thermique en disposant au voisinage du collecteur des miroirs obliques qui réfléchissent sur le collecteur le rayonnement solaire incident 25 et peuvent en outre agir comme déflecteurs. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés,' sur lesquels : La Figure 1 représente le schéma d'une première forme d'exécution de 30 l'installation de collecteur thermique selon l'invention La Figure 2 représente deux possibilités constructives de réalisation d'une couverture pour le collecteur thermique selon l'invention Les Figures 3 et 4 représentent le raccordement d'un collecteur à double chambre dans deux cas différents d'exploitation et 35 La Figure 5 représente le schéma d'un collecteur à double chambre où les deux chambres sont séparées l'une de l'autre par une couche iiolante transparente au rayonnement. Selon la Figure 1, le collecteur thermique 10 comprend tm réservoir plat rempli du fluide, par exemple d'eau ou de saumure. 5 2383839 Il peut également s'agir de cuves ou de tuyaux souples, qui sont disposés de façon conforme dans un plan exposé au rayonnement solaire. La conduite de départ 11 du collecteur thermique est reliée à une pompe à chaleur 12 dans laquelle *se refroidit le fluide qui quitte le collecteur thermique, pour être conduit à nouveau à ce collecteur thermique, en passant par la conduite d'arrivée 13, à une température qui se situe en-dessous de celle de l'air de l'ambiance qui entoure le collecteur thermique. Le raccordement de la conduite d'arrivée 13 se trouve du côté du collecteur thermique qui est opposé au raccordement de la conduite de départ 11, ce qui fait que le fluide doit parcourir la totalité du collecteur thermique. L'entraînement se fait par l'intermédiaire d'une pompé de circulation 14 installée dans la conduite. La pompe à chaleur 12 comporte deux échangeurs thermiques 15 et 16, qui sont reliés l'un à l'autre par un circuit frigorigène fermé 17. Le fluide frigorigène, sous forme gazeuse, qui quitte le serpentin froid de 1'échangeur thermique 15 est comprimé dans un compresseur 16' et s'y réchauffe. Il parvient dans le serpentin chaud de 1'échangeur thermique 16 au circuit secondaire 18 duquel est relié le récepteur thermique 19. Après avoir quitté le serpentin chaud, le fluide frigorigène.parvient dans la tuyère de détente 20 où il se détend et se refroidit. De cette façon 1'échangeur thermique 15 est refroidi par le fluide frigorigène et 1'échangeur thermique 16, réchauffé. La valeur du refroidissement ou du réchauffement dépend essentiellement du rapport de compression du compresseur 16, On choisit ce rapport de façon que le refroidissement du fluide atteigne une température qui se situe en-dessous de la température du collecteur thermique. Côté départ du collecteur thermique se trouve une sonde thermique 21 et coté arrivée 13 une autre 22. Les valeurs mesurées à ces sondes thermiques peuvent être utilisées pour la régulation de la température d'arrivée du fluide ou pour la régulation du compresseur 16. Le collecteur 10, qui ne comporte qu'une seule couche de fluide, opère le réchauffement du fluide par absorption du rayonnement solaire incident et par convection le long de la surface extérieure du collecteur. Le collecteur peut par exemple être installé sur une couverture et y absorber les pertes thermiques de la couverture. Pour accroître la capacité d'absorption de rayonnement, le. fluide peut comporter des additifs colorés ou autres semblables. La face supérieure du collecteur thermique doit être bonne conductrice de la chaleur. Les Figures 2a et 2b représentent le collecteur 10 respectivement avec un capotage. Selon la Figure 2a ce capotage est constitué d'une plaque 9, transparente au rayonnement, disposée parallèlement et à 6 2380039 une certaine distance au-dessus du collecteur 10 et aux bords de laquelle sont disposés, de façon articulée, des volets basculants 8. Lorsque ces volets basculants 8 sont basculés vers le bas, le collecteur 10 n'est réchauf fë que par le rayonnement solaire, et non par la chaleur ambiante. Lorsque ces volets basculants 8 sont basculés vers le haut, de l'air chaud peut par contre circuler entre le collecteur 10 et la plaque 9 et réchauffer encore davantage le collecteur par convection. Dans l'exemple d'exécution de la Figure 2b, c'est un capotage en volet roulant 7 qui est disposé au-dessus du collecteur 10 à une certaine distance et que l'on peut tirer de façon connue. Entre le collecteur 10 et le capotage en volet roulant 7, apparaît un matelas d'air 6. Le collecteur thermique 30 selon les Figures 3 et 4 comprend deux chambres 31, 32, plates et disposées l'une au-dessus de l'autre séparées l'une de l'autre par une paroi de séparation 33. La chambre inférieure absorbe le rayonnement solaire qui provient de par-dessus et traverse la chambre supérieure 31, tandis que le contenu de la chambre supérieure 31 est essentiellement réchauffé par conduction thermique à travers la face supérieure de la chambre supérieure. Dans les conduites d'arrivée et de départ des chambres se trouvent différents robinets V et V'. Dans le mode d'exploitation représenté sur la Figure 3, le robinet V est ouvert tandis que le robinet V est fermé, tandis que dans le mode d'exploitation sur la Figure 4, c'est le robinet V qui est ouvert et le robinet V' fermé. Dans l'exploitation à faible charge représentée sur la Figure 3, la pompe 34 transporte le fluide, en passant par le robinet V'î, vers le récepteur thermique 35 où il se refroidit. Le fluide continue à circuler à travers les robinets d'arrêt, ouverts, 36 et V'2, dans la chambre inférieure 32 du collecteur thermique. La chambre supérieure 31, dont la paroi est transparente, ne contient pas de fluide, mais est remplie d'air. Le fluide qui se trouve dans la chambre inférieure 32 se réchauffe par absorption du rayonnement incident et quitte la chambre par la conduite 37, pour rejoindre la pompe 34 en passant par le robinet V'3. Dans ce mode d'exploitation, on ne récupère que la chaleur de rayonnement mais non la chaleur d'ambiance en provenance de l'air. La chambre inférieure 32 du collecteur thermique est recouverte d'une couche absorbante pour accroître l'absorption par rayonnement. Pour remplir et vider les chambres 31 et 32, on dispose d'un réservoir d'eau 38 dont une pompe 39 peut pomper l'eau dans chacune des chambres par l'intermédiaire d'une conduite de remplissage et de vidange 7 2383839 40,.La vidange des chambres se fait également par l'intermédiaire de la conduite 40. Pour vider et remplir les chambres, on ouvre un robinet de mise à l'atmosphère 41. On peut également utiliser le réservoir d'eau 3.8 comme stockage de chaleur en excédent. 5 Pour refroidir le fluide qui sort du récepteur thermique 35 en-dèssous de la température ambiante du collecteur thermique 30, on peut l'amener à un serpentin froid-42 disposé dans le réservoir d'eau 38 en ouvrant le robinet 43 et en fermant le robinet 36. Après avoir quitté le serpentin froid 42 le fluide parvient, en passant par le robinet V'2, dans 10 la chambre inférieure 32. Dans l'état d'exploitation représenté sur la Figure 4, le fluide traverse les deux chambres 31 et 32 du collecteur thermique 30. Il parvient, en passant par le robinet ouvert VI, dans la chambre supérieure 31 avec une température qui se situe en-dessous de la température ambiante, 15 se réchauffe principalement par convection et quitte la chambre supérieure par la conduite 44 qui est en liaison avec la conduite 37 d'entrée dans la chambre inférieure 32. Les sens de circulation dans les chambres sont indiqués par des flèches. Le fluide quitte la chambre inférieure par la conduite 45 et le robinet ouvert V2 et parvient à la pompe 34. De là, le fluide est 20 amené, en passant par le robinet ouvert V3, au compresseur 46 de la pompe à chaleur où il se refroidit, pour être à nouveau ramené ensuite dans la chambre supérieure en passant par le robinet VI. Le condensateur 47 de la pompe à chaleur est directement relié au récepteur thermique 35. 25 Tandis que dans l'exemple d'exécution représenté sur la Figure 4 les deux chambres 31 et 32 sont parcourues, comme l'indiquent les flèches par le fluide en sens opposé, il peut également être approprié de disposer les entrées et sorties des chambres de façon que les deux chambres soient parcourues dans le mène sens. Ceci présente l'avantage que c'est 30 le coté de la chambre 31 où le fluide a la température la plus haute qui est voisine du côté de la chambre 32 où le fluide de cette chambre a également la plus haute température. La Figure 5 représente une troisième variante de l'installation de collecteur thermique selon l'invention. Ici le collecteur 35 thermique se compose d'une chambre inférieure 51 munie d'une couche absorbante pour le rayonnement thermique et d'une chambre supérieure 52 transparente. Les deux chambres sont séparées l'une de' l'autre par une couche de gaz isolant 53. Ce gaz peut être de l'air ou un gaz rare comme de l'argon ou du krypton. 8 238.9639 Lorsque l'offre d'énergie en provenance de la chaleur rayonnante est suffisante, on ne transforme pas le débit «3e fluide qui se trouve dans la chambre supérieure. Le fluide qui s'est réchauffé dans la chambre inférieure par rayonnement thermique est dirigé vers 1'échangeur 5 thermique 54 et le traverse, puis revient dans la chambre inférieure 51 par la pompe 55. Les conduites secondaires 56 de 1'échangeur thermique 54 peuvent être reliées à un récepteur thermique. Si le besoin en énergie est supérieur à l'offre d'énergie rayonnante, on met en service un deuxième circuit de fluide à travers la 10 chambre supérieure 52. Une pompe 57 fait circuler le fluide à travers la chambre supérieure puis, par un robinet 58, â travers le compresseur 59 de la pompe thermique 60 avec retour du côté entrée de la pompe. Le condenseur 63 de la ponçe à chaleur est relié au récepteur 62. Cette vcridnte .cfe circuit offre la possibilité de céder la 15 chaleur des chambres inférieures et supérieures séparément à plusieurs récepteurs ou à un seul récepteur. Ceci peut se faire avantageusement pour les réchauffeurs d'air frais où le réchauffage du débit d'air frais se fait par une cascade de réchauffeur. On cède alors l'énergie thermique de la chambre inférieure- à un registre qui se trouve dans le débit d'air frais. 20 Grâce à un registre installé en aval et alimenté par la chaleur basse température, valorisée par la pompe à chaleur 60, du circuit supérieur du collecteur, on peut obtenir le réchauffement final du débit d'air lorsque c'est nécessaire. Grâce â la séparation des débits de fluide des deux 25 chambres 51, 52, on a également la possibilité d'emmagasiner la chaleur en provenance de la chambre inférieure dans un réservoir thermique, par exemple pour la nuit ou pour la phase matinale de réchauffement d'un bâtiment et de couvrir le besoin d'énergie diurne, généralement plus faible, par le débit de fluide de la chambre supérieure. 30 Le circuit de la Figure 5 est particulièrement avantageux du point de vue de l'économie d'énergie, du fait que par suite de l'utilisation directe de la chaleur contenue dans le débit de fluide de la chambre inférieure, chaleur qui se trouve au moins pendant la phase d'ensoleillement, à un niveau de température plus élevé que celle de la chambre supérieure, 35 on évite que de la chaleur de haute valeur ne se convertisse par mélange en chaleur de moindre valeur. Une influence des deux circuits peut s'obtenir en fermant le robinet 58 et en ouvrant le robinet 63. Le fluide qui quitte la chambre supérieure 52 ne parvient alors pas directement dans le compresseur 59 de 9 2389839 la pompe à chaleur mais traverse tout d'abord l'échangeur thermique 54 puis arrive au compresseur par la conduite 64, Dans 1'échangeur thermique 54 il se produit un préchauffage du fluide avant que celui-ci ne soit amené à la pompe à chaleur, ce qui permet d'exploiter la pompe à chaleur avec un ren-5 dement plus favorable. Lorsque le fluide quitte à nouveau la pompe à chaleur 59 et parvient dans la chambre supérieure 52, sa température se situe pourtant encore en-dessous de la température ambiante qui entoure le collecteur. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs qui viennent d'être décrits, uniquement 10 à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. 10 2383839 REVENDICATIONS 1. Installation de collecteur thermique comportant un collecteur thermique qui prélève la chaleur rayonnante de l'ambiance et contient un fluide de transmission de la chaleur et dont la sortie est reliée à une pompe à chaleur, caractérisée en ce que le collecteur thermique est conçu, 5 pour recevoir en outre la chaleur par convection, sous forme d'un convecteur qui assure une bonne conduction thermique entre l'air ambiant et le fluide contenu dans le convecteur et en ce que, dans la conduite d'arrivée au collecteur, est installé un dispositif de refroidissement, dimensionné et commandé de façon que le fluide qui doit parvenir au collecteur thermique 10 soit refroidi en-dessous de la température de l'air ambiant. 2. Installation de collecteur thermique selon revendication 1, caractérisée-en ce que le dispositif de refroidissement est constitué d'un échangeur thermique de la pompe à chaleur. 3. Installation de collecteur thermique selon l'une quelconque 15 des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'il est prévu un dispositif de régulation qui règle la différence de température entre la température de l'air ambiant et la température froide. 4. Installation de collecteur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le collecteur thermique 20 comprend deux chambres superposées, dont la chambre inférieure est conçue comme chambre absorbant le rayonnement tandis que la chambre supérieure est transparente et présente une surface bonne conductrice de la chaleur. 5. Installation de collecteur thermique selon revendication 4, caractérisée en ce que la chambre inférieure du collecteur thermique peut 25 être couplée en série au récepteur thermique par l'intermédiaire des robinets d'arrêt, tandis que les robinets d'arrivée et de départ de la chambre inférieure sont fermés. 6. Installation de collecteur thermique selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisée en ce que les deux chambres peuvent 30 être disposées en série par une conduite de liaison correspondante et être reliées â une pompe à chaleur, 7. Installation de collecteur thermique selon revendication 4, 'caractérisée en ce que les deux chambres sont séparées l'une de l'autre par une couche isolante de gaz et sont installées dans des circuits distincts de 35 fluide. 8. Installation de collecteur thermique selon revendication 7, caractérisée en ce que la chambre supérieure est reliée à une pompe à chaleur 11 2389839 qui alimente un récepteur thermique et en ce que la chambre inférieure est reliée à un échangeur thermique. 9. Installation de collecteur thermique selon revendication 8, caractérisée en ce que la conduite de sortie de la chambre supérieure est 5 reliée, par l'intermédiaire d'un robinet d'arrêt, à 1'échangeur thermique réchauffé par le fluide de la chambre inférieure et en ce que le fluide de cette chambre supérieure est amené à la pompe à chaleur à l'état préchauffé.