Brevet FR2405443A1 — publié le 19790504

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de régulation d'une installation de chauffage solaire. On sait que les installations de chauffage solaire comportent généralement un ou plusieurs capteurs soumis au rayonnement solaire, traversés par un fluide caloporteur ( généralement eau ou air ) et relies en circuit fermé avec un accumulateur contenant une certaine quantité de fluide caloporteur. La mise en mouvement du fluide caloporteur s'effectue au moyen d'une pompe qui n'est mise en marche que lorsque la température à l'intérieur du capteur est suffisamment élevée, par rapport à celle du fluide caloporteur contenu dans l'accumulateur, pour que les calories captées par le capteur contribuent à llélévation de la température du fluide caloporteur. Généralement lgaccumulateur est pourvu d'un dispositif de chauffage d'appoint ( du type résistance électrique ou échangeur) placé en partie haute, afin de maintenir la température du fluide caloporteur dans cette zone à un niveau suffisamment élevé pour permettre d'obtenir, au moyen d'un échangeur, de l'eau sanitaire ou de chauffage à une température convenable. I1 est donc important, quelles que soient les conditions dtonso leillement du capteur solaire 2 le 1ii caloporteur situé dans la partie haute de l'accumulateur soit toujours maintenu à une température suffisamment élevée, tout en permettant un stockage optimal des calories dans l'accumula~ teur, meme si la température dans le capteur est relativement basse, ce qui est le cas par exemple au lever et au coucher du soleil. La présente invention vise un procédé et un dispositif de rkgu- lation d'une telle installation permettant d'assurer une récupération optimale des calories fournies par le rayonnement solaire. A cet effet ce procédé de régulation d'une installation de chauffage solaire, dans lequel on emmagasine dans un accumulateur les calories produites par le rayonnement scolaire, au moyen d'un liquide caloporteur pouvant etre mis en circulation en circuit fermé entre au moins un capteur solaire et l'accumulateur, est caractérisé en ce qu'on délimite dans l'accumulateur au moins trois étages de stockage du liquide caloporteur à des températures moyennes différentes, à savoir une température relativement basse dans un premier étage, une température intermédiaire dans un deuxième étage et une température relativement haute dans un troisième étage, et on sélectionne à un instant donné le oules étages traversés par le liquide caloporteur et dans lequel ou lesquels on emmagasine les calories, en comparant en permanence la température dans le capteur solaire et des première, deuxième et troisième températures de consigne, respectivement croissantes, des premier, deuxième et troisième étages, de telle façon que si la température dans le capteur est comprise entre les première et deuxième températures de consigne, on fasse circuler le fluide à travers le seul premier étage à basse température, si la température dans le capteur solaire est comprise entre les deuxième et troisième températures de consigne, on fasse circuler le liquide caloporteur à travers les premier et deuxième étages en série, et que, si la température dans le capteur solaire dépasse la troisième température de consigne, on fasse circuler le liquide caloporteur à travers la totalité des trois étages en série. L'invention a également pour objet un dispositif de régulation d'une installation de chauffage solaire comportant un accumulateur de chaleur relié en circuit fermé à au moins un capteur solaire, cet accumulateur contenant un liquide caloporteur pouvant être mis en circulation au moyen d'une pompe, caractérisé en ce qutil comprend, dans l'accumulateur, au moins trois étages reliés en série, de stockage du liquide caloporteur à des températures moyennes différentes, à savoir un premier étage à température relativement basse, un deuxième étage à température intermédiaire et un troisième étage à température relativement haute, des vannes reliées en commun à la sortie du ou des capteurs solaires et connectées respectivement aux entrées des trois étages de l'accumulateur, des sondes pour relever les températures des trois étages de l'accumulateur et la température dans le capteur solaire, et des moyens de commande reliés à ces sondes pour comparer les températures dans les divers étages et la température dans le capteur solaire et pour commander corrélativement les diverses vannes ainsi que la pompe de telle façon que, si la température dans le capteur solaire est comprise entre des première et deuxième températures de consigne respectivement des premier et deuxième étages, seule la première vanne reliée à entrée du premier étage soit ouverte, que si la température dans le capteur solaire est comprise entre des deuxième et troisième températures de consigne respectivement des deuxième et troisième étages, seule la vanne reliée à l'entrée du deuxième étage soit ouverte, et qu'enfin si la température dans le capteur solaire est supérieure à la température de consigne du troisième étage, seule la vanne connectée à l'entrée du troisième étage soit ouverte, les moyens de commande provoquant le fonc tionnement de la pompe lorsque la température dans le capteur solaire est supérieure à la première température de consigne du premier étage. Suivant une forme d'exécution particulière de I'invention, l'accumulateur de chaleur est r6alisé sous la forme d'au moins une cuve isothermique haute cloisonnée horizontalement par des filtres de stratification de manière à définir à l'intérieur de la cuve au moins trois étages superposés dans lesquels le liquide caloporteur se trouve à des températures croissantes de bas en haut. Suivant une autre forme d'exécution de l'invention chaque étage de l'accumulateur peut etre constitué par une cuve indépendante, les trois cuves correspondant aux trois étages étant alors montées en série. Le procédé et le dispositif de régulation suivant l'invention permettent un stockage maximal des calories à l'intérieur de l'accumulateur en fonction de la température du liquide caloporteur à la sortie du ou des capteurs solaires. Ils assurent ainsi un rendement excellent de la conversion de l'énergie solaire en chaleur. On décrira ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, diverses formes d'exécution de la présente invention en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est une vue en coupe verticale schématique d'une installation de chauffage solaire mettant en oeuvre le procédé de régulation suivant l'invention, cette installation comportant une cuve isothermique unique à l'intérieur de laquelle sont délimités les différents étages de stockage des calories. La figure 2 est une vue en coupe partielle dtne installation de chauffage solaire dans laquelle l'accumulateur est constitué par une batterie de cuves adjacentes les unes aux autres. La figure 3 est un schéma d'une variante d'exécution de l'installation de chauffage solaire dans laquelle les divers étages de stockage des calories sont constitués par des cuves indépendantes montées en série. L'installation de chauffage solaire représentés schématiquement sur la figure l comporte un capteur solaire 1 qui est relié en circuit fermé à un accumulateur de chaleur 2. Dans cette forme d'exécution de l'inven- tion l'accumulateur de chaleur 2 est constitué par une cuve isothermique haute. Cette cuve contient une certaine quantité de liquide caloporteur 3, par exemple de l'eau et elle est reliée,3 sa partie basse, à une canalisation 4 d'entrée dans le capteur solaire 1 et sur laquelle est tranchée une pompe 5 de mise en circulation du liquide caloporteur. La canalisation 4 est reliée à la partie basse du capteur solaire 1. A sa partie supérieure ce capteur solaire est connecté à une canalisation 6 de retour à l'accumulateur Z. Suivant l'invention on détermine, à l'intérieur de l'accumula~ teur 2, trois étages I, II, m > dans lesquels le liquide caloporteur a des températures différentes. Le premier étage ou étage inférieur I qui se trouve à la partie inférieure de la cuve, contient du liquide caloporteur à une température relativement basse (par exemple 30il) Cet étage inférieur I est séparé du deuxième étage immédiatement supérieur ll par un filtre de stratification 7 qui est perméable au liquide tout en s'opposant aux échanges thermiques entre les deux étages. Ce deuxième étage intermédiaire II contient du liquide caloporteur à une température intermédiaire qui peut etre par exemple de l'ordre de 40-C. En haut de la cuve se trouve le troisième et dernier étage m ou étage supérieur, qui est séparé de l'étage intermédiaire par un filtre de stratification 8. Dans ce troisième étage supérieur III le liquide caloporteur est à une température relativement élevée, par exemple de l'ordre de 50-C. Dans le troisième étage se trouve un dispositif de chauffage d'appoint 9 (par exemple une résistance électrique ou un échangeur de chaleur), et il en est de même deux échangeur 11 prévu pour l'eau sanitaire ou l'eau d'un système de chauffage central, pour laquelle on a besoin de la température maximale. L'accumulateur 2 est pourvu, dans l'une de ses parois, en l'occurrence la paroi droite sur la figure 1, d'orifices d'entrée respectifs 12, 13, 14 dans les étages I, II, III. A ces orifices d'entrée 12, 13, 13 sont connectées des canalisations d'entrée respectives 15,16,17 reliées en commun à la canalisation 6 de retour du capteur 1 et sur lesquelles sont respectivement branchées des électrovannes 18, 19, 21. Dans ltautre paroi opposée de l'accumulateur 2, ctest-à-dire la paroi gauche de la figure 1 sont montées des sondes 22, 23, 24 qui détectent respectivement les températures dans les étages I,II,III et qui sont connectées à un dispositif de commande électronique 25. A ce dispositif est également reliée une sonde 26 qui mesure la température à l'intérieur du capteur. Le dispositif de commande électronique 25 est par ailleurs relié à la pompe 5 et aux trois dlectrovsannes 18, 19, au pour commander le fonctionnement de celles-ci. On décrira maintenant le fonctionnement du dispositif de régulation suivant l'invention en considérant ce qui se passe au cours d'une journée. On supposera tout d'abord que l'on se trouve à la levée du jour et qu'il va se produire une montée en température du capteur solaire 1 par suite du soleil levant. On supposera également qu'au lever du soleil les températures dans les trois étages de stratification sont les suivantes premier étage I 300C, deuxième étage II 400C et troisième étage III 50-C. Dans ces conditions la pompe 5 est à l'armet et les trois électrovannes 18, 19, 21 sont fermées. Le rayonnement solaire tombant sur le capteur 1 et dont l'intensité va en croissant progressivement, entrasse une montée progressive de la température dans le capteur 1, température qui est détectée par la sonde 26. Dès que la température dans le capteur dépasse, par exemple, de deux à trois degrés la température du premier étage I le plus froid, température qui est relevée par la sonde 22, ctest-à--dire dès que la température dans le capteur atteint 32 à 33"C ( température de consigne haute réglable de 1 à 6iC) le dispositif de commande électronique 25 qui effectue une comparaison permanente entre les températures relevées par les diverses sondes2 met en marche la pompe 5 et commande l'ouverture de la première électrovanne. 18;. Ce cas est celui qui est illustré sur la figure l.Le liquide caloporteur qui se trouve dans le premier étage à une température de 30il, est alors refoulé par la pompe 5 vers le capteur 1, il traverse ce dernier en s'échauffant et retourne ensuite au premier étage de l'accumulateur 2, à travers l'électro- vanne 18 ouverte. Dès cet instant la température du capteur 1 va monter plus vite pour deux raisons à savoir que d'une part le soleil devient de plus en plus chaud et que d'autre part le liquide pompé à partir du premier étage I est aussi de plus en plus chaud. La température du liquide caloporteur dans le premier étage I continue à monter jusqu'au moment où la température à la sortie du capteur 1 va atteindre la température de consigne du deuxième étage Il qui peut etre par exemple de deux à trois degrés supérieure à la température initiale de 400C, ctest-à-dire de 42 à 43 C. Par conséquent, lorsque la température à la sortie du capteur 1 dépasse 43ex, le dispositif de commande électronique 25 commande l'ouverture de l'électrovanne 19 associée au deuxième étage Il et simultanément la fermeture de l'électrovanne 18 associée au premier étage L Le deuxième étage II se charge alors et son liquide caloporteur à 4O0C est refoulé vers le premier étage inférieur I et de là il est refoulé par la pompe 5 vers le capteur 1. En fonction du volume de l'accumulation au moment du changement d'étage, le premier étage I peut ne pas etre forcément chargé complè tement : la température du liquide caloporteur qu'il contient peut etre par exemple de 350C. Comme la température du capteur solaire 1 continue à monter, cette température peut dépasser, à un moment donné, celle du liquide caloporteur dans le troisième étage m, de deux à trois degrés, c'est-à-dire qu'elle peut atteindre 52 à 53iC.A ce moment le dispositif de commande électronique 25 commande la fermeture de l'électrovanne 19 d'entrée dans le deuxième étage Il et simultanément l'ouverture de l'électrovanne 21 commandant l'entrée dans le troisième étage supérieur m. Le troisième étage m se charge alors, et il refoule son liquide vers le bas à travers le deuxième étage II, puis à travers le premier étage I et de là vers le capteur 1. On voit donc que la charge (empilage des calories) est effective et qu'elle suit à tout moment la montée en température du capteur 1, en respectant la stratification qui s 'est établie et qui se maintient naturellement. Quand le fonctionnement se fait sur le troisième étage m, le deuxième étage Il et le premier étage I se chargent graduellement par apport de calories à partir des zones chaudes supérieures, et refoulement des parties froides vers le bas. On supposera maintenant que le soleil ne monte plus (soleil couchant ou nuages), si bien que la température à la sortie du capteur 1 s'abaisse et devient égale à la température de consigne basse réglable du troisième étage m. A ce moment les sondes 23 du deuxième étage Il et 22 du premier étage I donnent des indications de température de ces étages. Si le liquide caloporteur dans le deuxième étage Il est plus froid que le liquide à la sortie du capteur 1, le dispositif de commande électronique 25 provoque l'ouverture de la vanne 19 d'entrée dans le deuxième étage 11. Toutefois Si la température du liquide caloporteur à la sortie du capteur 1 est légèrement supérieure ou égale à la température du liquide dans le deuxième étage Il, le dispositif de commande électronique 25 provoque alors l'ouverture de la vanne 18 du premier étage I. Enfin si la température du liquide à la sortie du capteur 1 est inférieure ou égale à la température de consigne basse réglable du premier étage 1, le dispositif de commande électronique 25 provoque I'arr8t de la pompe de circulation 5 et la fermeture de ltélectrovanne 18 du premier étage I, Si bien que la circulation du liquide caloporteur est interrompue. L'arret de la circulation dans le capteur 1 lors du soleil couchant provoque une montée en température et le système fonctionnera par intermittence sur le premier étage I chaque fois que la températureà la sortie du capteur 1 sera supérieure de deux à trois degrés à celle du premier étage I. La figure 2 4hzstre une variante d'etécution de l'invention dans laquelle l'installation de chauffage comporte un accumulateur constitué par une batterie de cuves individuelles adjaeentes, cette batterie est constituée de cuves Za, 2b, 2c, 2d, pourvues chacune de filtres de stratification internes 7, 8.Les diverses cuves sont percées à des hauteurs appropriées d'orifices de communication situés au meme niveau.Ces orifices assurent une communication entre tous les premiers étages inférieurs I,tous les deuxièmes étages intermédiaires II et tous les troisièmes étages supérieurs Ul. Les électrovannes d'entrée 18, 19, 21 sont raccordées à des orifices d'entrée respectifs 12, 13, 14 prévus dans les parties hautes des étages respectifs I, Il, m de la cuve 2d située à l'extr8me droite dans la batterie de cuves. Ces orifices sont ménagés dans la paroi verticale droite de cette cuve. A l'autre extrémité de la batterie de cuves sont disposées les sondes 22, 23, 24 relevant respectivement les températures dans les étages I, II, III, ces sondes étant montées à travers la paroi verticale gauche de la cuve 2a située à l'extreme gauche de la batterie de cuves. La canalisation 4 d'entrée dans le capteur 1 sur laquelle est branchée la pompe de circulation 5, est reliée à un orifice situé à la partie inférieure de la paroi verticale gauche de la cuve extrme gauche 2a. Du fait que la canalisation 4 d'entrée dans le capteur et la canalisation 6 de retour du capteur sont raccordées aux extrémités opposées de la batterie de cuves,la circulation du liquide caloporteur et la stratification se font correctement. Dans le cas où l'on utilise une batterie de cuves, on n'uti lise qu'un seul dispositif de régulation du fait que tous les étages des cuves individuelles sont reliés entre eux étage par étage. La figure 3 illustre une variante d'exécution de l'invention dans laquelle on obtient un système de stratification et de charge similaire en remplissant à tour de roule des cuves distinctes 27, 28, 29 définissant respectivement les trois étages I, II, III de la stratification. Dans la cuve 29 correspondant au troisième étage III, c'est-à-dire à celui où la température du liquide caloporteur est la plus élevée, se trouve logé le dispositif de chauffage d'appoint 9 et l'échangeur 1 1 pour l'eau sanitaire ou le chauffage. Les électrovannes 18, 19, 21 d'entrée dans les trois étages sont raccordées respective ment aux parties supérieures des trois cuves 27, 28, 29.Par ailleurs ces cuves sont montées en séries : la partie inférieure de la cuve 29 du troisième étage III est reliée à la partie supérieure de la cuve 28 du deuxième étage U, par une canalisation 31,et la partie inférieure de la cuve 28 est connectée à la partie supérieure de la cuve 27 du premier étage I par une canalisation 32. La canalisation d'entrée 4 dans le capteur 1 est raccordée à la partie inférieure de la cuve 27 du premier étage I. Bien que, dans ce qui précède, on ait décrit des applications de l'invention à une installation comportant un seul capteur solaire, il va de soi quelle peut s'appliquer au cas où l'installation comporte plusieurs capteurs orientés différemment les uns des autres, pour recueillir le maximum de rayonnement solaire quelle que soit la position du soleil. Dans ce cas le procédé et le dispositif de régulation permettent d'effectuer cette régulation capteur par capteur, en fonction des températures de ceux-ci à tout instant. Autrement dit, à un instant donné, on peut concevoir que plusieurs étages différents soient "chargés" en parallèle par des capteurs à des températures différentes. Suivant une variante d'exécution on peut prévoir, dans le premier étage 1, un échangeur de pré chauffage relié à l'échangeur de chaleur principal 11 logé dans le troisième étage m,afin d'abaisser au maximum la tempéra ture du premier étage et d'utiliser ainsi au maximum l'énergie solaire. REVENDICATIONS 1.- Procédé de régulation d'une installation de chauffage solaire, dans lequel on emmagasine dans un accumulateur les calories produites par le rayonnement solaire, au moyen d'un liquide caloporteur pouvant etre mis en circulation en circuit fermé entre au moins un capteur solaire et l'accumulateur, caractérisé en ce qu'on délimite dans l'accumulateur au moins trois étages de stockage du liquide caloporteur à des températures moyennes différentes, à savoir une température relativement basse dans un premier étage, une température intermédiaire dans un deuxième étage et une température relativement haute dans un troisième étage, et on sélectionne à un instant donné le ou les étages traversés par le liquide caloporteur et dans lequel ou lesquels on emmagasine les calories, en comparant en permanence la température dans le capteur solaire et des première, deuxième et troisième températures de consigne, respectivement croissantes, des premier, deuxième et troisième étages, de telle façon que, si la tempé rature dans le. capteur est comprise entre les première et deuxième températures de consigne, onfasse circuler le liquide à travers le seul premier étage à basse température, si la température dans le capteur solaire est comprise entre les deuxième et troisième températures de consigne, on fasse circuler le liquide caloporteur à travers les premier et deuxième étages en série, et que, si la température dans le capteur solaire dépasse la troisième température de consigne, on fasse circuler le liquide caloporteur à travers la totalité des trois étages en série. 20 - Dispositif de régulation d'une installation de chauffage solaire comportant un accumulateur de chaleur relié en circuit fermé à au moins un capteur solaire, cet accumulateur contenant un liquide caloporteur pouvant être mis en circulation au moyen d'une pompe, caractérisé en ce qu'il comprend, dans l'accumulateur 2, au moins trois étages,reliés en série, de stockage du liquide caloporteur à des températures moyennes différentes, à savoir un premier étage I à température relativement basse, un deuxième étage II à température intermédiaire et un troisième étage m à température relativement haute, des électrovannes 18, 19, 21 reliées en commun à la sortie du ou des capteurs solaires 1 et connectées respectivement aux entrées des trois étages de l'accumulateur, des sondes 22, 23, 24, 26 pour relever les températures des trois étages de l'accumulateur et la température dans le capteur solaire, et des moyens de commande 25 reliés à ces sondes pour comparer les températures dans les divers étages et la température dans le capteur solaire et pour commander corrélativement les diverses électrovannes ainsi que la pompe 5 de telle façon que, si la température dans le capteur solaire est comprise entre des première et deuxième températures de consigne respectivement des premier et deuxième étages, seule la première électrovanne 18 reliée à entrée du premier étage I soit ouverte, que si la température dans le capteur solaire est comprise entre des deuxième et troisième températures de consigne respectivement des deuxième et troisième étages, seule l'électrovanne 19 reliée à l'entrée du deuxième étage II soit ouverte, et qu'enfin si la température dans le capteur solaire est supérieure à la température de consigne du troisième étage, seule ltélectrovanne 21 connectée à entrée du troisième étage m soit ouverte, les moyens de commande 25 provoquant le fonctionnement de la pompe 4 lorsque la température dans le capteur solaire est supérieure à la première température de consigne du premier étage I. 3 Dispositif suivant la revendication 2 caractérisé en ce que ltaccumnlateur de chaleur 2 est réalisé sous la forme d'au moins une cuve isothermique haute, cloisonnée horizontalement par des filtres de stratification 7, 8 de manière à définir à l'intérieur de la cuve au moins trois étages I, , III superposés dans lesquels le liquide caloporteur se trouve à des températures croissantes de bas en haut. 40 - Dispositif suivant la revendication 3 caractérisé en ce que l'accumulateur est constitué par une batterie de cuves 2a, 2b, 2c, 2d adjacentes, dont les parois verticales de séparation des cuves sont percées d'orifices assurant une communication entre les divers étages des cuves situés à un meme niveau. 5 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 3 et 4 caractérisé en ce que la canalisation 4 d'entrée dans le ou les capteurs 1, sur laquelle est montée la pompe 5 de circulation du liquide caloporteur, est raccordée à la partie basse de l'accumulateur, d'un cté de celui-ci, tandis que les canalisations 15, 16, 17 d'entrée dans les divers étages IX m de l'accumulateur et sur lesquelles sont branchées respectivement les électrovannes d'entrée 18, 19, 21, sont raccordées au c & opposé de l'accumulateur. 6X- Dispositif suivant la revendication 2 caractérisé en ce que l'accumulateur comporte au moins trois cuves indépendantes 27, 28, 29 constituant respectivement les trois étages I, Il, m de stockage et montées en série, les trois électrovannes 18, 19, 21 étant raccordées respectivement aux parties hautes des trois cuves tandis que la partie basse de la première cuve 18, correspondant au premier etage I, est reliée à la canalisation 4 d'entrée dans le ou les capteurs et sa partie haute est reliée à la partie basse de la deuxième cuve dont la partie haute communique avec la partie basse de la troisième cuve. 70 - Dispositif suivant les revendications 3 à 6 caractérisé en ce qu'un dispositif de chauffage d'appoint 9 et un échangeur de chaleur 11 pour l'eau sanitaire et/ou de chauffage sont logés dans le troisième étage m de l'accumulateur. 89- Dispositif suivant la revendication 7 caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur 11 pour l'eau sanitaire et/ou de chauffage est précédé d'un échangeur de préchauffage situé dans le premier étage et qui a pour r81e d'abaisser au maximum la température du premier étage pour utiliser au maximum l'énergie solaire.