Brevet FR2404181A1 — publié le 19790420

La présente invention concerne les installations de chauffage à capteur solaire, et a plus particulièrement pour objet une installation de ce type, comprenant au moins un capteur solaire couplé par un circuit de fluide caloporteur à un échangeur dans lequel le fluide caloporteur chauffe le fluide dtun circuit d'utilisation, ainsi que les moyens propres à assurer une régulation d'une telle installation. Il est déjà connu des installations de ce type, dans lesquelles ltéchangeur constitue un réservoir d'un volume donné de fluide d'utilisation, tel que de l'eau, chauffée par le fluide caloporteur et disponible pour être utilisée comme eau chaude sanitaire. Dans le cas d'un chauffage insuffisant par le fluide caloporteur, ces installations permettent un chauffage d'appoint du fluide d'utilisation au moyen, par exemple, de résistances électriques disposées dans le réservoir. Ces installations connues présentent divers inconvénients, dont les plus notoires sont quren cas de fort ensoleillement, on obtiendra l'élévation à une température trop élevée d'un volume limité de fluide d'utilisation, dont la température, à l'utilisation pourra être rapidement décroissante, la reconstitution d'une réserve de fluide d'utilisation chaud étant longue ou supposant une intervention conséquente de la source calorifique d'appoint. Enfin, les calories fournies par la source calorifique d'appoint étant délivrées dans l'échangeurréservoir, il se peut que le transfert calorifique s'effectue dans le mauvais sens, le fluide d'utilisation transférant au fluide caloporteur des calories d'appoint, qui seront rejetées vers l'extérieur par le capteur solaire. La présente invention se propose de supprimer ces inconvénients et, d'une manière générale, de permettre une bonne régulation du fonctionnement d'une installation de chauffage à capteur solaire. L'installation selon l'invention se caractérise en ce que le circuit d'utilisation comprend une conduite d'alimentation débouchant, en amont de l'échangeur, dans une boucle couplant 11 échangeur à un réservoir séparé de fluide d'utilisation chaud, lequel fluide peut recevoir un complément de chauffage par une chaudière d'appoint disposée sur une sortie du réservoir vers l'utilisation. De plus, selon l'invention, le réservoir est constitué par un ballon à volume changeant, dans lequel est disposée une première sonde de température commandant, selon que la température du fluide contenu dans le ballon tend à devenir supérieure ou inférieure à un premier seuil, respectivement l'ouverture ou la fermeture d'une vanne disposée sur la conduite d'alimentation du circuit d'utilisation, de sorte qu'en régime de croisière, le ballon renferme un volume changeant de fluide d'utilisation à une température non inférieure au premier seuil. Compte tenu de la nature du ballon, ce dernier renferme également une première sonde de pression commandant, lorsque la pression règnant dans le ballon atteint une valeur limite supérieure, la fermeture de la vanne d'ali- mentation du circuit d'utilisation. Cette meme sonde de pression est susceptible de commander, dans toutes les conditions de température, l'ouverture de la vanne d'alimentation, si la pression dans le ballon atteint une valeur limite inférieure. Pour réguler l'alimentation du réservoir en fluide d'utilisation, on dispose, sur la boucle du circuit d'utilisation couplant réservoir et échangeur, une première vanne trois-voies & basculement, dont l'unique sortie est reliée à l'entrée de l'échangeur, dont une entrée est reliée à la sortie du réservoir et dont l'autre entrée est reliée à la sortie de ltéchangeur, le basculement de ladite première vanne trois-voies étant commandé par un premier intégrateur, effectuant la comparaison de la température du fluide du circuit d'utilisation dans l'échangeur, donnée par une seconde sonde de température, avec celle de ce même fluide dans le réservoir, donnée par la première sonde de température, de telle sorte que le réservoir ne soit alimenté que si la température du fluide d'utilisation dans l'échangeur est supérieure à celle de ce fluide dans le réservoir. De préférence, le premier intégrateur effectue, simultanément, la comparaison de la température du fluide d'utilisation dans le réservoir, donnée par la première sonde de température, avec un second seuil de température, afin de commander le basculement de la première vanne trois voies, de sorte que le réservoir ne soit plus alimenté en fluide d'utilisation si la température de ce dernier atteint le second seuil de température. En complément, une seconde sonde de pression, disposée dans l'échangeur, commande la fermeture de la vanne d'alimentation du circuit d'utilisation, lorsque la pression règnant dans l'échangeur atteint une valeur limite, et l'ou- verture de cette vanne, dès que la pression dans l'échangeur devient inférieure à cette valeur limite. De façon analogue, pour réguler l'alimentation de l'échangeur en fluide caloporteur, on dispose, sur le circuit de fluide caloporteur, une seconde vanne troisvoies à basculement, dont l'unique entrée est reliée à la sortie du capteur solaire, dont une sortie est reliée à l'entrée de lléchangeur et dont l'autre sortie est reliée à l'entrée du capteur solaire, le basculement de ladite seconde vanne trois-voies étant commandé par un second intégrateur, effectuant la comparaison de la température du fluide caloporteur à la sortie du capteur solaire, donnée par une troisième sonde de température, avec celle du fluide du circuit d'utilisation dans ltéchangeur, donnée par la seconde sonde de température, de sorte que l'échangeur ne soit traversé par le fluide caloporteur que si la température de ce dernier en sortie du capteur solaire est supérieure à celle du fluide d'utilisation dans l'échangeur. Un mode de réalisation particulier d'une installation selon l'invention sera décrit ci-après en référence à la figure unique annexée. L'installation comprend essentiellement un circuit de fluide caloporteur 1 et un circuit de fluide d'utilisation 2. Le circuit de fluide caloporteur 1 assure le bouclage cl'un capteur solaire 3 et d'un échangeur 4, et le fluide caloporteur, qui peut être de l'eau glycolée, est entraîné par la pompe de circulation ou accélérateur 5 et le clapet antiretour 6 à traverser successivement le capteur solaire 3, dans lequel il s'échauffe en refroidissant le capteur 3, puis l'échangeur 4, dans lequel il se refroidit en réchauffant le fluide du circuit d'utilisation qui s'y trouve admis.Le circuit de fluide caloporteur 1 comprend également une vanne trois-voies à basculement 7, dont l'unique entrée est reliée à la sortie du capteur solaire 3, dont une sortie est reliée à l'entrée de échangeur 4 et dont l'autre sortie est reliée & la conduite de retour de ltéchangeur 4 vers le capteur 3. Les basculements de la vanne 7 sont commandés par un intégrateur 8, qui compare les indications reçues d'une sonde de température 9, détectant la température Tî du fluide caloporteur à la sortie du capteur 3, avec celles reçues d'une sonde de température 10, disposée dans l'échangeur 4 et détectant la température T2 du fluide du circuit d'utilisation dans cet échangeur 4, de sorte que l'échangeur 4 ne soit alimenté en fluide caloporteur que si la température T1 est supérieure à T2.Le circuit de fluide d'utilisation 2 comprend une conduite d'alimentation 11, qui peut etre reliée au réseau de distribution d'eau, si on utilise cette dernière comme fluide d'utilisation, comme cela est le cas dans les installations de chauffage d'eau sanitaire, ainsi qu'une boucle 12, assurant le couplage de l'échangeur 4 avec un réservoir 13, et une conduite d'utilisation 14, menant le fluide d'utilisation chaud vers des robinets de distribution par exemple. A la sortie du réservoir 13 vers l'utilisation 4, une chaudière d'appoint 13 permet, en cas de besoin, d'apporter un complément de chauffage au fluide d'utilisation tiré du réservoir 13, lequel est constitué par un ballon souple et déformable, susceptible de contenir un volume changeant de fluide d'utilisation. Sur la boucle 12 du circuit d'utilisation 2, on a disposé une vanne trois-voies à basculement 16, dont l'unique sortie est reliée à l'entrée de l'échangeur 4, dont une entrée est reliée à la sortie du réservoir 13 et dont l'autre entrée est reliée à la conduite de retour de l'échangeur 4 vers le réservoir 13. Les basculements de la vanne 16 sont commandés par un intégrateur 17 assurant, d'une part, la comparaison de la température T du fluide d'utilisation dans l'échangeur 4, donnée par la sonde de température 10, avec la température T de ce même fluide dans le réservoir à volume changeant 13, -donnée par une sonde de température 18, d'autre part, et simultanément, la comparaison de la température T avec une valeur de seuil supérieur S1 préalablement choisie, correspondant, soit à la température limite supportée par le réservoir souple et déformable, par exemple 600C, si ce dernier est constitué par un réservoir réalisé en matière plastique, soit à la température limite à ne pas dépasser pour l'utilisation, de sorte que le réservoir 13 ne soit alimenté par l'échangeur 4 que si la température T3 est simultanément inférieure à la température T2 et à la valeur de seuil supérieur S1. Une vanne d'alimentation 19 se trouve disposée sur la conduite d'alimentation 11, et ses mouvements de fermeture ou d'ouverture sont commandés par un comparateur 20 effectuant simultanément la comparaison de la température T3 avec une valeur de seuil inférieur S2, par exemple 400C, correspondant à la température minimale souhaitable du fluide d'utilisation, et la comparaison de la pression règnant à l'intérieur du ballon 13, donnée par une sonde de pression 21, avec, d'une part, une valeur de seuil supérieur de pression Ps et, d'autre part, une valeur de seuil inférieur de pression Pi.Le seuil supérieur Ps correspond à la pression limite que le ballon 13 peut supporters de sorte que la vanne 19 est ouverte si la température T3 est égale ou supérieure au seuil inférieur S2,et que la vanne 19 est fermée si la pression dans le ballon 13 atteint le seuil de pression admissible Ps, ou si T devient inférieure à T2.Du fluide d'utilisation froid ayant été initialement introduit dans le circuit d'utilisation 2, en quantité suffisante pour que la circulation dans la boucle 12 puisse être amorcée par la pompe de circulation 22 et le clapet antiretour 23, l'ensoleillement du capteur 3 provoquera un échauffement du fluide caloporteur à une température T1 à la sortie du capteur supérieure à celle du fluide d'utilisation froid, lequel récupèrera donc des calories solaires dans l'échangeur 4, oU il aura une température T2, intermédiaire entre T1 et sa température T3 dans le ballon 13 La quantité de fluide d'utilisation initialement introduite dans le circuit 2 s'échauffera donc progressivement tant que ces conditions de température seront respectées.Si l'ensoleil- lement est suffisant, la température T atteindra la valeur de 3 seuil inférieur S2 (soit 400C), ce qui provoquera l'ouverture de la vanne 19 et l'introduction, dans le circuit d'utilisation, de fluide d'utilisation froid. Â la suite de cette introduction defluide d'utilisation froid, il est possible que la température T2 du fluide d'utilisation dans l'échangeur 4 devienne inférieure à celle T3 de ce fluide dans le ballon 13, ce qui provoque le basculement de la vanne 16. Le ballon 13 n'est plus alimenté par l'échangeur 4, dans lequel la pression monte jusqu'à atteindre une valeur limite admissible Pl détectée par une seconde sonde de pression 27, disposée dans l'échangeur 4, cette sonde de pression 27 étant reliée au comparateur 20 pour commander le fermeture de la vanne 19. Le fluide d'utilisation contenu dans l'échan- geur 4 et la boucle 12 continuera à s'échauffer, et lorsque sa température T2 redeviendra supérieure à T3, la vanne 16 basculera à nouveau pour autoriser une alimentation du ballon 13 en fluide chaud, la vanne 19 étant à nouveau susceptible d'être ouverte selon les conditions de température et de pression dans le ballon 13 puisque la pression dans l'échangeur 4 aura diminué à la suite du passage dans le ballon 13 d'un certain volume de fluide chaud.L'installation assurera donc le chauffage et le stockage dans le ballon déformable 13 d'un volume plus important de fluide d'utilisation, dont la température sera maintenue sensiblement égale à la valeur de seuil inférieur S2 (soit 400C). L'installation fonctionnera de cette façon jusqu'à ce que la pression dans le ballon 13 ait atteint le seuil de pression Ps, ce qui provoquera la fermeture de la vanne 19. Si la température T1 reste supérieure à T2, elle-meme restant supérieure & à T3, un volume maximal de fluide d'utilisation sera réchauffé jusqu'à ce que T3 atteigne la valeur de seuil supérieur (soit 600C). Ceci déclenchera le basculement de la vanne 16 et le réservoir 13 ne sera plus alimenté par l'échangeur 4. Dans cette configuration, toutes les calories supplémentaires d'origine solaire seront évacuées par le fluide caloporteur qui franchira la vanne de sécurité 24 et se détendra dans le vase d'expansion 25, ce qui procure une régulation de la pression dans le circuit de fluide caloporteur 1. Quand la pression dans le circuit 1 sera insuffisante, un apport de fluide caloporteur sera effectué par le robinet de vidange et de remplissage 26 de l'installation. Pour éviter que le ballon 13 ne soit entièrement vidé à l'utilisation, alors que, pour certaines conditions de température et/ou de pression dans ce ballon 13 ou dans l'échangeur 4, la vanne 19 est fermée, le comparateur 20 commande l'ouverture de cette vanne 19 dès que la pression dans le ballon 13, détectée par la sonde 21 atteint la valeur de seuil inférieur Pi.Ceci évite de désamorcer l'installation par suite d'une trop grande consommation de fluide d'utilisation. Dans une forme simplifiée de réalisation du circuit de fluide caloporteur 1, on peut supprimer la vanne trois-voies 7 et commander la mise en fonctionnement ou l'arrêt de la pompe de circulation 3, par l'intégrateur 8, afin que l'échangeur ne soit pas alimenté en fluide caloporteur si la température de ce dernier, à la sortie du capteur 3, est inférieure à la température T2 du fluide d'utilisation dans l'échangeur 4. Les avantages propres à l'installation selon l'invention sont que les calories d'appoint fournies par la chaudière 15 ne peuvent plus être évacuées vers l'extérieur par le capteur 3. D'autre part, le réservoir souple et déformable 13 à volume changeant permet une régulation de la quantité de fluide d'utilisation que l'on chauffera et empêche toute oxydation de ce fluide d'utilisation qui n'est jamais en contact avec l'air, ce qui est important dans le cas du chauffage d'eau sanitaire. Enfin, le réservoir déformable étant disposé sous les toits, ou en un point haut par rapport au réseau d'utilisation, ce dernier se trouvera en charge sans que l'on ait besoin de pompe supplémentaire. R E V E N D I C Â T I O N S 1/ Installation de chauffage à capteur solaire, du type comprenant au moins un capteur solaire couplé, par un circuit de fluide caloporteur, à un échangeur dans lequel le fluide caloporteur chauffe le fluide d'un circuit d'utilisation, comprenant un réservoir séparé de fluide d'utilisation chaud ainsi qu'une boucle couplant l'échangeur au réservoir séparé et une conduite- d'alimentation, le fluide d'utilisation pouvant recevoir un complément de chauffage par une chaudière d'appoint disposée sur une sortie du réservoir vers l'utilisation, caractérisée en ce que le réservoir est constitué par un ballon à volume changeant, dans lequel est disposée une première sonde de température commandant, selon que la température du fluide contenu dans le ballon tend à devenir supérieure ou inférieure à un premier seuil, respectivement l'ouverture ou la fermeture d'une vanne disposée sur la conduite dfalimenta- tion du circuit d'utilisation, débouchant, en amont de l'échan- geur, sur la boucle couplant ce dernier au réservoir, de sorte qu'en régime de croisière, le ballon renferme un volume changeant de fluide d'utilisation à une température non inférieure au premier seuil. 2/ Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le ballon renferme, de plus, une première sonde de pression commandant, lorsque la pression régnant dans le ballon atteint une valeur limite supérieure, la fermeture de la vanne d'alimentation du circuit d'utilisation. 3/ Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que la première sonde de pression commande l'ouverture de la vanne d'alimentation du circuit d'utilisation lorsque la pression régnant dans le ballon tombe à une valeur limite inférieure. 4/ Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que, sur la boucle du circuit d'utilisation couplant le réservoir et l'échangeur, est disposée une première vanne trois-voies à basculement, dont l'unique sortie est reliée à l'entrée de l'échangeur, dont une entrée est reliée à la sortie du réservoir et dont l'autre entrée est reliée à la sortie de l'échangeur, le basculement de ladite première vanne trois-voies étant commandé par un premier intégrateur, effectuant la comparaison de la température du fluide du circuit d'utilisation dans l'échangeur, donnée par une seconde sonde de température, avec celle de ce même fluide dans le réservoir, donnée par la première sonde de température, de telle sorte que le réservoir ne soit alimenté que si la température du fluide d'utilisation dans l'échangeur est supérieure à celle de ce fluide dans le réservoir. 5/ Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que le premier intégrateur effectue, simultanément, la comparaison de la température du fluide d'utilisation dans le réservoir, donnée par la première sonde de température, avec un second seuil de température, afin de commander le basculement de la première vanne trois-voies, de sorte que le réservoir ne soit plus alimenté en fluide d'utilisation si la température de ce dernier atteint le second seuil de température. 6/ Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une seconde sonde de pression, disposée dans l'échangeur, commande la fermeture de la vanne d'alimentation du circuit d'utilisation, lorsque la pression régnant dans l'échangeur atteint une valeur limite, correspondant à la pression maximale admissible dans l'échangeur. 7/ Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'un second intégrateur, effectuant la comparaison de la température du fluide caloporteur à la sortie du capteur solaire, donnée par une troisième sonde de température, avec celle du fluide du circuit d'utilisation dans l'échangeur, donnée par la seconde sonde de température, commande la mise en fonctionnement ou l'arrêt d'une pompe de circulation, disposée sur le circuit de fluide caloporteur, de sorte que l'échangeur ne soit traversé par le fluide caloporteur que si la température de ce dernier en sortie du capteur solaire est supérieure à celle du fluide d'utilisation dans l'échangeur. 8/ Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que, sur le circuit de fluide caloporteur, est disposée une seconde vanne trois-voies à basculement, dont l'unique entrée est reliée à la sortie du capteur solaire, dont une sortie est reliée à l'entrée de l'échangeur et dont l'autre sortie est reliée à l'entrée du capteur solaire, le basculement de ladite seconde vanne troisvoies étant commandé par le second intégrateur, de sorte que l'échangeur ne soit traversé par le fluide caloporteur que si la température de ce dernier en sortie du capteur solaire est supérieure a celle du fluide d'utilisation dans l'échangeur. 9/ Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une pompe de circulation et un clapet antiretour sont disposés sur la bouclé du circuit d'utilisation couplant l'échangeur au réservoir.