Brevet FR2366521A1 — publié le 19780428

La présente invention a pour objet une installation de chauffage et/ou de refroidissement d'un fluide caloporteur, destinee par exemple au chauffage et/ou à la climatisation de locaux, à la preparation d'eau chaude sanitaire ou à des applications agricoles ou industrielles telles que le séchage. Dans les différents systemes de chauffage utilises jusqu'ici, on a parfois une source de calories irrégulière ou discontinue, et souvent une uti lisation qui est elle-même irrégulière et discontinue en fonctibn des conditions climatiques ou des besoins de l'utilisateur. On est donc amené fréquemment à prévoir un stockage de l'énergie recueillie, ce stockage se faisant généralement à une température voisine de la température d'utilisation. Compte tenu de la différence entre la température d'utilisation et la température ambiante, on a, même pour des réservoirs de stockage convenablement isolés, des pertes thermiques qui peuvent aller de 10 à 20 Z de la consommation d'énergie-pour une période de 24 heures.Les diverses méthodes de stockage utilisent généralement la chaleur sensible de corps divers, liquides ou solides. Dans ce cas, le stockage d'une quantité importante de chaleur n'est possible qu'au prix della mise en oeuvredd'un volume important, dans le cas d'un liquide tel que l'eau, ou d'une masse importante dans le cas d'un solide. Par ailleurs, on a déjà songé à des dispositifs de chauffage et/ou de climatisation faisant appel à la technique de la pompe de chaleur. La source de calories peut être, dans ce cas, soit l'eau d'une rivière, d'un lac ou d'une mer, soit l'ambiance atmosphérique extérieure, comme par exemple dans le système décrit au brevet français nO 1.448.300. De tels systèmes conduisent le plus souvent à l'emploi d'un matériel sopaistique, donc onéreux, avec une régulation compliquée et fragile et un rendement incertain. De plus, il y a dans certaines conditions climatiques, un risque de givrage de l'installation qu'il n'est guère possible d'éliminer totalement. Ainsi dans le systeme décrit au brevet français nO 1.448.300, on constate que, lorsque la différence entre la température de l'ambiance extérieure et la température du local à climatiser augmente, le rendement de l'installation décroit rapidement et il faut prévoir un dispositif de chauffage complémentaire. De plus, le stockage se fait par une structure volumineuse à grande iner tie thermique (volume creux rempli d'eau, briques poreuses) qui ne peut assurer que stockage de durée réduite avec des pertes thermiques importantes. Un but de la présente invention est de permettre d'une part, grâce à un stockage à basse température, généralement inférieure à la température ambiante, de supprimer les pertes thermiques en autorisant ainsi un stockage de très longue durée et, d'autre part, grâce à l'utilisation, pour-stocker les ca lories, de la chaleur latente de fusion d'un corps, de rendre le réservoir de stockage plus compact. Un autre but de l'invention est de permettre l'incorporation, dans une installation de chauffage et/ou de refroidissement, d'une pompe de chaleur fonctionnant de manière permanente au voisinage des conditions optimales, avec un excellent rendement. Un autre but de l'invention est également de pouvoir utiliser une source de calories irrégulière et discontinue, comme par exemple l'énergie so- laire, sans chauffage d'appoint et avec un rendement nettement amélioré par rapport aux installations existantes. Enfin, l'invention permet l'utilisation d'une même installation pour le chauffage et le refroidåssementpar exemple pour le chauffage d'un local en hiver et sa climatisation en été. Selon l'invention, l'installation de chauffage et/ou de refroidissement comprend a) un circuit primaire d'échange de calories entre le milieu extérieur et un fluide caloporteur primaire b) un réservoir de stockage des calories, maintenu à une température pratiquement constante, comprise de préférence entre 50 C et 200 C, grâce à la chaleur latente de fusion d'un corps calostockeur, le réservoir comportant un système d'échange thermique entre le corps calostockeur et le fluide caloporteur primaire c) un circuit d'utilisation d'un second fluide caloporteur d) une pompe de chaleur constituée' de manière connue en soi,d'un compresseur, d'un condenseur, d'un détendeur et d'un évaporateur, formant un circuit fermé rempli d'un fluide de travail aisément liquéfiable, l'évaporateur et le condenseur pouvant être mis en liaison thermique avec le circuit primaire, le réservoir de stockage et/ou le circuit d'utilisation. Le corps calostockeur a, de préférence, une température de fusion de l'ordre de la température ambiante moyenne, comprise entre 50 et 200 C, et une chaleur latente de fusion elevée. On aurait évidemment pu songer à l'eau dont la chaleur latente de fusion est elevée (79 Kcal/kg) mais, avec un stockage à une température de l'ordre de Oc C, il serait difficile d'empêcher un givrage de certaines parties de l'installation à partir de l'humidité atmosphérique, d'ou l'avantage de choisir un corps ayant une température de fusion plus élevée, supérieure à 50 C. Inversement, si la température de fusion est trop élevée, les pertes thermiques augmentent, d'où l'intérêt de se limiter à 200 C.De même, il vaut mieux éviter l'emploi de sels hydratés tels que CaCl2, Na2Co3, Na2S04, Wa2sZ0 dont la chaleur latente de fusion est élevée mais dont la température de fusion dépasse 300. Il est d'ailleurs préférable d'utiliser des corps non hydratés. En effet, la fusion des corps hydratés risque de se faire en passant par des degrés d'hydratation intermédiaires, variables en fonction de la ciné tique thermique, c'est-à-dire des flux de chaleur recueillis et utilisés, ce qui pourrait perturber le fonctionnement de l'installation. Selon l'invention, le corps calostockeur utilisé peut avantageusement appartenir au groupe constitué par l'acide acétique, le dioxanne-1-4, l'acide formique, l'acide acrylique et la glycérine. Les propriétés de ces produits sont mises en évidence par le tableau I. TABLEAU I ti Température Chaleur latente Nasse Chaleur la de fusion de fusion Volumique tente volume; trique C Kcal/Kg g/cm3 Acide acétique 16,7 45,9 1,049 48,2 Dioxanne 1-4 11,0 34,8 1,034 36,0 Acide formique 8,2 66,0 1,220 80,6 Acide acrylique 12,3 37,0 1,051 38,6 Glycérine 18,1 47,9 - 1,262 60,4 On constate que le corps le plus intéressant est l'acide formique d'une part parce que sa température de fusion est suffisamment basse pour que la pompe de chaleur fonctionne dans des conditions optimales et, d'autre part, parce que sa chaleur latente de fusion est élevée et dépasse celle de l'eau à volume équivalent. Enfin, il s'agit d'un produit courant d'un cout raisonnable. Le stockage se faisant au voisinage de la température de fusion du calostockeur, les pertes thermiques dans l'installation, aussi bien pour le réservoir de stockage que pour les canalisations, sont pratiquement nulles, ce qui peut autoriser la suppression de tout calorifugeage. Le fonctionnement de la pompe de chaleur peut se faire dans des conditions optimales, puisque son évaporateur ou, éventuellement son condenseur dans le cas du refroidissement, est maintenu constamment à une température proche de la température de fusion du calostockeur ; dans ces conditions, l'énergie nécessaire au fonctionnement de la pompe de chaleur est toujours nettement inférieure à l'énergie économisée par la diminution des pertes thermiques et l'amélioration du rendement global de l'installation. Le système d'échange thermique du réservoir de stockage entre le corps calostockeur et le fluide primaire est constitué, de-manière avantageuse, d'un empilement de volumes élémentaires de corps calostockeur, isolés dans une enveloppe déformable à faible inertie thermique, laissant subsister entre eux un certain volume de vide pour la circulation du fluide caloporteur primaire. On a ainsi lin rapport surface/volume important et un contact permanent entre le corps calostockeur et le fluide primaire, dû à la capacité de déformation des enveloppes, qui permet de suivre les variations de volume dûes au changement d'état et assure ainsi un bon échange thermique. L'empilement peut être constitué par exemple de petites sphères en matière plastique enfermant le corps calostockeur. D'autres systèmes d'échange sont possibles, par exemple un échangeur à plaques dont l'un des circuits est scellé sur une charge statique de corps calostockeur. L'installation selon l'invention est particulièrement intéressante lorsqu'on utilise l'énergie solaire. En effet, le stockage à basse température permet de réduire la température de fonctionnement des capteurs et donc d'augmen tende façon substantielle leur rendement. On peut ainsi concevoir des capteurs plus simples et moins coûteux que dans les circuits classiques utilisent l'énergie solaire. En particulier, il peut être avantageux, dans ce cas, d'utiliser des capteurs dont le panneau absorbant le rayonnement solaire et échangeant des ca lories avec le fluide caloporteur primaire, est directement au contact avec oosphère extérieure, sans interposition de vitrage. On aura même un rendement thermique supérieur au rendement optique pour toute température extérieure supé rieure à la température de stockage. De plus, l'utilisation d'une pompe de chaleur associée à l'énergie so laire est intéressante, car il s'agit d'une source d'énergie inépuisable, bien répartie et stockable, alors que l'eau est une source froide mal répartie et sou vent épuisable et que l'air extérieur pris comme source froide pose des problèmes dans le cas de grands froids (givrage par exemple). Enfin, lorsque l'énergie so laire est insuffisante, la pompe de chaleur peut utiliser l'air extérieur comme source de calories, par exemple par temps doux et couvert alors que, par temps froid et sec, elle pourra utiliser l'énergie solaire, ces deux modes de fonction nement utilisant les mêmes capteurs, donc sans complication de l'installation. Les principales caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux par la description détaillée, faite au regard des dessins annexés, d'un mode de réa lisation particulier et non limitatif de l'installation selon l'invention. La figure 1 représente un schéma général d'une enstallation de chauffage. La figure 2 represente un schéma d'ensemble des circuits d'une installa tion mixte chauffage-climatisation munie d'un système distributeur. Les figures 3, 4, 5, 6 et 7 représentent séparément les différents cir cuits de fonctionnement que permet le distributeur en fonction des paramètres de tampérature, pour une installation fonctionnant en chauffage (hiver). Les figures 8 et 9 représentent respectivement les circuits de fonc tionnement de jour et de nuit en climatisation estivale. L'installation de chauffage schématisée à la figure 1 comporte un cir cuit de captage de l'énergie solaire constitué d'un ou plusieurs capteurs (1) dans lesquels le flux solaire est absorbé par une surface absorbante qui transmet ses calories à un fluide caloporteur par tout système d'échange approprié. Le fluide caloporteur primaire, qui peut être par exemple de l'eau additionnée d'un antigel, est relié par une canalisation (2) au réservoir de stockage (3) et retourne au capteur par la canalisation (4). Une pompe (5) assure la circulation du fluide caloporteur primaire dans le circuit. La température dans le réservoir de stockage étant assez basse, le circuit primaire de captage reste toujours à une température modérée et, par conséquent, les pertes par rayonnement ou convection restent faibles. Il n'est donc pas nécessaire de prévoir un double vitrage et on peut même concevoir des capteurs sans vitrage si la température de fonctionnement se maintient à un niveau assez bas, ce qui permet un abaissement du prix de revient des capteurs. Le réservoir de stockage (3) est constitué d'un ballon cylindrique vertical contenant un empilement de petites sphères en matière plastique, par exemple en polypropylène, remplies d'acide formique. Avec des sphères de diamètre extérieur 20 mm et d'épaisseur 1 mm et un empilement hexagonal compact, on a un taux de vides de 25,6 Z. Compte tenu de l'épaisseur des parois des spheres, des défauts d'empilement dûs aux effets de paroi et à la présence éventuelle des échangeurs, on a en fait un taux de remplissage en acide formique de l'ordre de 64 Z. Ce taux pourrait, d'ailleurs, être augmenté en utilisant des sphères de diamètres différents. La ballon (3) comporte un piquage supérieur pour l'arrivée de la canalisation (2) et un piquage inférieur pour le retour vers le capteur par la canalisation 4). Il contient enfin un échangeur constituant l'évaporateur de la pompe de chaleur. La déformabilité des sphères en matière plastique permet d'absorber les variations de volume dûes au changement d'état et l'empilement de ces sphères permet d'obtenir un rapport surface/volume élevé, ce qui assure un bon échange thermique entre le fluide caloporteur primaire, l'acide formique et le fluide de travail de la pompe de chaleur, tout en séparant ces éléments. On peut éventuellement remplacer le réservoir de stockage à sphères par un réservoir contenant un échangeur à plaques dont l'un des circuits serait scellé sur une charge statique d'acide formique, un autre circuit assurant la circulation du fluide caloporteur primaire et un troisième circuit étant relié à l'évaporateur de la pompe de chaleur. Le réservoir de stockage (3) n'a pas besoin, compte tenu de sa température, d'être calorifugé et il peut se présenter sous la forme d'une cuve enterrée dans un endroit sec. Le circuit pompe de chaleur comporte, de manière classique, un comp resseur (6), un condenseur (7), un détendeur (8) et un évaporateur (9), l'en- semble constituant un circuit scellé rempli d'un fluide de travail facilement liquéfiable. L'évaporateur (9), constitué par exemple d'un serpentin, se trouve soit dans le réservoir de stockage (3) rempli d'acide formique, soit à l'ex- térieur de celui-ci, mais en liaison thermique avec lui, par exemple par le fluide caloporteur primaire, et est donc maintenu à une température constante, de l'ordre de 80 C, ce qui permet de simplifier la conception de la pompe de chaleur et écarte le risque de givrage de cet évaporateur. Le condenseur (7) se trouve dans le circuit d'utilisation et assure échange thermique avec le fluide caloporteur de ce circuit.Ce fluide caloporteur peut être l'air, dans le cas de chauffage par air pulsé, ou de l'eau dans le cas du chauffage central par eau ou de la production d'eau chaude sanitaire. Le chauffage des locaux peut être assuré de manière classique par des radiateurs, des convecteurs ou des planchers chauffants, cette dernière solution étant particulièrement intéressante puisqu'elle ne nécessite, lorsqu'elle est correctement mise en oeuvrez qu'une température d'eau de chauffage très modérée. L'installation est, bien entendu, munie des accessoires classiques de remplissage, de purge et de vidange, usuels dans les installations conventionnelles. Elle peut être avantageusement complétée par un dispositif distributeur, dont un exemple de realisation est donné au schéma de la figure 2. Ce dispositif distributeur est constitué d'un jeu de vannes couplées et d'un système de régulation qui assure la répartition optimale entre le fluide caloporteur primaire, l'utilisation et le stockage, en fonction des écarts de tempétature entre les divers organes. Le fonctionnement de ce dispositif sera expliqué en se référant aux circuits séparés, schématisés aux figures 3 à 9, qui correspondent chacune à une phase de fonctionnement de l'installation. Lorsque la température de sortie du capteur est insuffisante c'est-à-dire, dans le cas particulier, inférieure à 80 C, ce qui se produit par temps froid et couvert - la totalité du fluide caloporteur primaire est renvoyé par un by-pass, vers le capteur (1), comme indiqué à la figure 3. Pendant ce temps, les besoins de l'utilisation sont prélevés sur le réservoir de stockage (3) par l'intermédiaire de la pompe de chaleur. Quand la température de sortie du capteur augmente et dépasse 80 C (voir figure 4) le fluide caloporteur primaire est envoyé progressivement, grâce à la vanne réglable (10) vers l'utilisation et le prélèvement sur le stockage est réduit d'autant. Quand énergie captée devient suffisante, le prélèvement sur le stockage est alors totalement arrêté, comme indiqué à la figure 5. La transmission de calories se fait directement du circuit de captage à l'utilisation par la pompe de chaleur. Dès que l'énergie captée est supérieure aux besoins, les calories sont envoyées au stockage (figure 6) et un thermostat (11) placé dans les locaux d'utilisation déclenche l'arrêt de la pompe de chaleur. Au lieu du fonctionnement en parallèle décrit ci-dessus, on peut avoir également un schéma en série tel que représente à la figure 7 où le fluide primaire provenant du capteur passe obligatoirement par le stockage, qui ne peut être mis hors circuit. Là encore, il est possible de déclencher l'arrêt du compresseur de la pompe de chaleur grâce au thermostat d'ambiance (11). Dans tous les cas ou le fluide caloporteur primaire passe par le stockage, la température de sortie du capteur ne s'éloigne guère de 80 C, ce qui assure au capteur un excellent rendement. L'installation de chauffage du type décrit ci-dessus peut également fnnctionner en climatisation estivale de la manière suivante On envoie directement (voir figure 8) dans le circuit d'utilisation le fluide caloporteur se trouvant dans le réservoir de stockage (3) qui est donc utilisé comme source de frigories, sans utilisation de la pompe de chaleur, le circuit primaire n'étant plus relié au stockage. Pour éliminer les calories du stocker, il suffit de faire fonctionner, la nuit, la pompe de chaleur entre le réservoir de stockage (3) et le circuit primaire, comme indiqué à la figure 9. Le circuit prinaireétant alors relié au condenseur (7) de la pompe de chaleur) disperse dans l'atmosphère extérieure nocturne les calories accumulées au cours de la journée. Un tel fonctionnement est possible quelle que soit la nature du circuit primaire. Dans le cas où, comme dans l'exemple décrit, le circuit primaire est un circuit de captage de l'énergie solaire, la dispersion des calories dans l'atmosphère peut se faire par un capteur sans vitrage, dont la surface absorbante est conçue de manière à être réceptrice du flux solaire le Jour et émetteur de calories la nuit. L'installation selon l'invention permet ainsi une grande souplesse dans le choix d'une source d'énergie d'appoint à l'énergie solaire, que.certai- nes conditions climatiques ou à'utilisation peuvent rendre rutile. Il est possible, en effet, d'utiliser la source la plus économique, même si son niveau de temperature est assez bas. Or, ces sources d'énergie à basse température sont presque toujours les plus économiques et elles ne sont généralement pas utilisées parce que leurs flux thermiques sont faibles ; mais cet inconvénient n'existe pas dans l'installation de l'invention puisque ces flux interviennent en amont du stockage. Les avantages de l'invention seront encore illustrés par l'exemple suivant donnant le bilan thermique d'une installation. EXEMPLEi La consommation quotidienne d'une famille de 4 personnes en eau chaude peut être assurée par un ballon d'eau chaude à accumulation de 300 1 à 600 C ce qui représente la consommation moyenne. Ceci représente, à partir d'eau froide à 129, une consommation d'énergie de 17 KWH et, avec les pertes thermiques, 20 KWH environ. On peut obtenir le même résultat avec une installation selon l'invention comprenant un capteur d'énergie solaire, un ballon de stockage de 250 1 contenant 250 x 0,64 = 160 1 d'acide formique et pouvant stocker environ 15 KWH. Pour limiter la puissance de la pompe de chaleur qui serait nécessaire pour assurer un débit instantané, il est avantageux de prévoir un petit ballon d'eau chaude de 100 1 à 450 C permettant d'assurer le soutirage unique maximal correspondant par exemple à un bain. En admettant que ce ballon doive reprendre sa température d'équilibre en 1 heure, et en admettant un coefficient de performance de la pompe de chaleur de 4,5, on a besoin d'un compresseur d'une puissance de 1,25 KW et le même service que précédemment est obtenu avec une consommation d'énergie du compresseur de 4,5 KWH. En ajoutant l'énergie consommée par le circulateur, on obtient une dépense totale d'énergie de 5 KWH. De plus, les pertes thermiques sont beaucoup plus faibles puisqu'elles ne portent que sur le petit ballon de 100 1 à 450 au lieu de 300 1 à 600 C. En admettant que les pertes sont réduites à 1 KWH, la consommation d'énergie est donc inférieure au tiers de celle nécessitée par un chauffe-eau électrique. REVENDICATIONS ID/ - Installation de chauffage et/où de refroidissement d'un fluide caloporteur, notamment installation de chauffage et/ou de climatisation de locaux, de production d'eau sanitaire, de séchage agricole-ou industriel etc..., caractérisée en ce qu'elle comprend a) un circuit primaire d'échange de calories entre le milieu extérieur et un fluide caloporteur primaire, b) un réservoir de stockage des calories maintenu à une température pratiquement constante, comprise de préférence entre 50 et 200 C, grâce à la chaleur latente de fusion d'un corps calostockeur, le réservoir comportant un système d'échange thermique entre le corps calostockeur et le fluide caloporteur primaire c) un circuit d'utilisation d'un second fluide caloporteur, d) ;;une pompe de chaleur constituée, de manière connue en soi, d'un compresseur, d'un condenseur, d'un détendeur et d'un évaporateur, formant un circuit fermé rempli d'un fluide de travail aisément liquéfiable, l'évaporateur et le condenseur pouvant être mis en liaison thermique avec le circuit primaire, le réservoir de stockage et/ou le circuit d'utilisation. 20/ - Installation selon revendication 1, caractérisée en ce que le corps calostockeur appartient au groupe constitué par I1 acide acétique, l'acide formique, le dioxanne 1-4, l'acide acrylique et la glycérine. 30/ - Installation selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le réservoir de stockage est rempli d'un empilement de volumes élémentaires de corps calostockeur, isolés dans une enveloppe déformable à faible inertie thermique, laissant subsister entre eux un certain volume de vide pour la circulation du fluide caloporteur primaire. 40/ - Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que le réservoir de stockage est rempli d'un empilement de petites sphères en ma tière plastique enfermant le corps calostockeur. 50/ - Installation selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le réservoir de stockage contient un échangeur à plaques dont l'un des circuits est scellé sur une charge statique de corps ca lostoc & ur. 60/ - Installation selon l'une quelconque des revendicatinns 1 à 5, caractérisée en ce que le circuit primaire est un circuit de captage de l'énergie solaire comportant au moins un panneau absorbant le rayonnement so- laire, échangeant des calories avec le fluide caloporteur primaire. 70/ - Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que le panneau absorbant est directement au contact de l'atmosphère exterleure. 80/ - Installation selon l'une quelconque des revendications I à 7, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif distributeur constitué d'un jeu de vannes couplées et d'un système de régulation assurant, en fonction des écarts de température entre les divers organes, une répartition optimale du fluide caloporteur primaire entre le circuit primaire, le stockage et le cricuit d'utilisation. 90/ - Installation de chauffage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que l'évaporateur et le condenseur de la pompe de chaleur sont respectivement mis en liaison thermique avec le réservoir de stockage et le circuit d'utilisation. 100 - Installation de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que, pendant la journée, le fluide caloporteur du réservoir de stockage est envoyé directement dans le circuit d'utilisation pour refroidir, la pompe de chaleur étant arrêtée et le circuit primaire n'étant plus relié au stockage et que, la nuit, la pompe de chaleur fonctionne entre le réservoir de stockage et le circuit primaire, son condenseur étant relié thermiquement au circuit primaire, de manière à disperser des calories dans l'etmosphère extérieure. 110/ - Installation de refroidissement selon la revendication 10, caractérisée en ce que la surface absorbante du capteur dwénergie solaire est conçue de manière à pouvoir émettre des calories dans l'aatmosphere pendant la nuit.