Brevet FR2398980A1 — publié le 19790223

L'invention concerne un dispositif de chauffage utilisant le rayonnement solaire et la chaleur atmosphérique et permettant donc des économies d'énerg e. Divers dispositifs sont connus pour permettre de telles économies tout en assurant un chauffage efficace. On connaît des capteurs solaires plans éventuellement à faible concentration lumineuse qui captent lténergie lumineuse sur une face d'absorption et assurent ltextraction d'une énergie thermique la production dteau chaude, utilisable pour e chauffage et la climatisation des locaux ainsi que pour la production d'énergie mécanique ou électrique. On sait d'autre part qu'on peut extraire de la chaleur de l'air atmosphérique et ltutiliser notamment pour le chauffage des locaux au moyen dtéchangeurs de chaleur sur l'air atmosphérique et de pompes à chaleur relevant le niveau de température de la chaleur transmise. Ces dispositifs connus sont 'tous deux couteux, notamment parce qu'ils utilisent de grandes surfaces au contact du fluide caloporteur soit pour absorber le rayonnement solaire, soit pour rechange thermique avec ltair atmosphérique, et le besoin se fait depuis longtemps sentir d'obtenir à faible prix un dispositif qui permette de chauffer notamment des locaux d'habitation avec la dépense d'énergie la plus faible possible aussi bien en l'absence qu'en présence du soleil. La présente invention a pour but la réalisation d'un dispositif de chauffage utilisant le rayonnement solaire et la chaleur atmosphérique et permettantn Elle a pour objet un dispositif de chauffage utilisant le rayonnement solaire et la chaleur atmosphérique comportant - une enceinte munie dtune fenêtre supérieure eA dtun fond, - un panneau comportant au moins une canalisation et disposé dans cette enceinte à distance de ce couvercle de manière à recevoir sur sa face supérieure le rayonnement solaire ayant traversé cette fenêtre et à absorber ce rayonnement, - et des tubulures de raccordement pour permettre de faire'circuler un fluide caloporteur dans ce panneau de manière à faire réchauffer ce fluide par le rayonnement reçu par ce panneau caractérisé par le fait qu'il comporte en outre - des moyens pour faire circuler de l'air atmosphérique entre le fond de enceinte et la face inférieure du panneau, - cette face arrière étant thermiquement conductrice de manière à permettre de réchauffer le fluide caloporteur par contact thermique avec cet air circulant. Une pompe à chaleur sera de préférence associée à ce dispositif. A l'aide des figures schématiques 1 à 7 ci-jointes, on va décrire ci-après, à titre non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. Les éléments qui se correspondent sur plusieurs de ces figures y sont désignés par les mêmes signes de référence. Ces éléments du dispositif selon l'invention constituent donc à la fois un capteur solaire et un convecteur réalisant un échange de chaleur avec l'air atmosphérique. Leur ensemble peut être appe lé 'r capteur-convecteurt' " et peut fonctionner tantôt comme capteur, tantôt comme convecteur, tantot comme les deux à la fois. Ce type d'appareil est très économique puisqu'il fonctionne 24 heures sur 24 et permet ainsi, par unité de surface et pour une saison de chauffage, de capter environ deux fois plus d'énergie gratuite d'origine solaire qu'un capteur plan classique fonctionnant sur le seul rayonnement du soleil. La figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'un premier capteur-convecteur selon l'invention. Les figures 2 et 3 représentent deux vues en coupe transversale de deux modes de réalisation du capteur de la figure 1. La figure 4 représente une vue en coupe longitudinale dtun deuxième capteur-convecteur selon ltinvention. La figure 5 représente un détail de la figure 4. La figure 6 représente une vue du capteur de la figure 4 en coupe par un plan parallèle à la fenêtre du capteur. La figure 7 représente l'ensemble d'un circuit de chauffage domestique comportant le premier ou le deuxième capteur-convecteur selon l'invention La figure 1 représente un capteur-convecteur selon l'invention dont le captage de lténergie lumineuse s'effectue sans concentration . Ce capteur-convecteur comprend, comme les capteurs solaires plans classiques, une fenêtre d'entrée de la lumière 1 > un panneau 2 absorbant la lumière par sa face supérieure et permettant une circulation interne d'un fluide caloporteur tel que de l'eau avec du glycol, un caisson'3 assurant l'isolation thermique du capteur et de l'enceinte qu'il définit avec la fenêtre d'entrée. T. t appareil comporte en outre - des canaux longitudinaux de circulation d'air atmosphérique 4 entre le fond du caisson 3 et la face inférieure du panneau 2, - une surface d'échange thermique 5 aménagee sur la face inférieure du panneau 2, - un canal transversal de distribution 6 de l'air dans le capteur, - des moyens d'étanchéité 7 séparant les volumes d'air situés au-dessus et au-dessous du panneau 2, et situés entre ce dernier et le caisson 3 sur trois de leurs côtés, - une gaine d'alimentation 8 en air atmosphérique comportant une prise d'air 9 située par exemple en façade ou sur le toit de llha- bitation, un ventilateur de circulation 10 et un registre dZobtu- ration 11, - une fente d'extraction 12 de l'air atmosphérique épuisé. Le canal de distribution 6 est caractérisé par le fait qu'il présente une faible perte de charge (inférieure à 1 mm de colonne d'eau pour un débit de l'ordre de 1000 m3/h, et qu'il est réalisé en empreinte dans le caisson 3, par exemple au moulage de ce dernier stil est en mousse de polyuréthane expansé. Les canaux de circulation 4, perpendiculaires au canal de dis tribution 6, peuvent également être réalisés en empreinte dans le caisson en réservant entre eux des arrêtes d'appui du capteur 2 la surface d'échange 5 étant plane (figure 2). Ils peuvent également être aménagés entre des ailettes ou emboutis d'échange thermique éventuels de la surface 5, ces reliefs assurant par ailleurs l'appui du capteur 2 sur le fond plan du caisson (figure 3). L'é- paisseur de ces canaux est de un à plusieurs centimètres de manière à assurer les échanges thermiques adéquats en convection forcée avec une perte de charge d'air dans les canaux limitée à quelques millimètres d'eau. A titre d'exemple, dans le cas d'une surface à ailettes de 5 mm d'épaisseur, les canaux peuvent mesurer 1,5 cm en largeur et 4 cm en hauteur. Les moyens d'étanchéité 7 doivent être juste suffisants pour ne pas engendrer de convection dans le volume d'air supérieur séparant le panneau 2 de la fenêtre 12 soit naturelle en fonctionnement sur lumière solaire ce qui accroiterait les pertes thermiques du capteur, soit forcée en fonctionnement sur air atmosphérique ce qui pourrait amener une pollution de la surface d'absorption de la lumière solaire. Cette étanchéité peut être réalisée au moyen d'une bande de mousse expansée serrée sur trois côtés entre le panneau 2 et un épaulement du caisson 3,par coins, verrous ou vis, ou, suivant l'inclinaison du panneau, par le simple poids de ce dernier.Cette étanchéité est interrompue sur le côté infé rieur 13 du capteur de façon à permettre l'équilibrage de la pression du volume d'air mort situé au-dessus du panneau avec la pression atmosphérique, sans accroître la convection naturelle entre fenêtre et panneau dans cet espace clos. La prise d'air 9 peut, avantageusement, comporter un filtre grossier nettoyable, en feutre par exemple, éliminant la majeure partie des suies et autres impuretés atmosphériques, mais ne presentant pas une perte de charge importante. Le registre d'obturation rouvre et se ferme en même temps que les mises en route et arrêts du ventilateur 10 qui sont commandés automatiquement respectivement aux arrêts et mises en route du fonctionnement du capteur sur lumière solaire. Cette commande peut provenir d'une cellule photo-électrique ou d'un capteur de température situé sur le fluide sortant du capteur. L'étanchéité de ce registre doit être suffisante pour couper toute convection naturelle susceptible de s'amorcer entre la prise dtair 9 et la fente d'extraction 12 de l'air atmosphérique pendant le fonctionnement sur lumière solaire. La gaine d'alimentation de l'air atmosphérique peut soit être attachée individuellement à un capteur-convecteur, soit desservir, avec prise d'air, ventilateur et registre uniques, une batterie de capteurs-convecteurs. La figure 4 représente un capteur solaire plan à faible concentration lumineuse obtenue au moyen d'un dispositif optique 14 de type connu. Dans ce cas l'échange thermique steffectue avec le panneau 2 constitué de tubulures transversales 20 connectées en série et disposées aux foyers du dispositif 14, la surface d'échange 5 étant développée au moyen d'ailettes 21- (fig. 5) ; le panneau 2 peut alors avantageusement être obtenu par extrusion, filage ou par tôlerie soudée sur un serpentin. La pompe à chaleur associée au capteur-convecteur peut être thermodynamique ou à thermo-éléments suivant le niveau de température d'utilisation désirée de l'énergie extraite du capteur. Dans le cas d'une pompe à thermo-éléments, cette dernière, de petit volume, peut être intégrée au capteur-convecteur avec ses raccordements fluidiques au panneau 2 par exemple dans un alvéole aménagée dans le caisson 3. On dispose alors d'un appareil monobloc, d'installation facile, délivrant presque continuellement de l'eau chaude utilisable pour le chauffage ou la fourniture de l'eau chaude sanitaire. Les dispositifs décrits peuvent s'intégrer dans une façade d'immeuble en murs-rideaux. Dans ce cas la fenêtre 1 et le caisson 3 peuvent être également les éléments constitutifs de l'isolation thermique normale de 1timmeuble. La figure 7 représente le schéma d'un dispositif de chauffage dlimsreuble comportant non seulement un capteur-convecteur 1, 2, 3, 5 tel que précédemment décrits mais encore une pompe à chaleur P de type classique consommant de l'énergie électrique pour prélever de la chaleur sur une source froide PF et la transmettre à une source chaude PC, et deux pompes à eau 30 et 32 pour faire circuler le fluide caloporteur. Lletév le capteur-convecteur fonctionne comme capteur solaire et contribue uniquement à la fourniture d'eau chaude sanitaire. Une vanne V1 dirige la totalité du débit dans une boucle A B C comportant le primaire de ltêchangeur dlun chauffe-eau 34. Dès que l'on a besoin de chauffage, le capteur-convecteur peut soit capter de lténergie solaire, soit récupérer de l'énergie sur l'air atmosphérique suivant qu'il fait soleil ou non. - quand il y a du soleil, le capteur-convecteur alimente directement en outre , à 30/350C, des échangeurs 36 disposés dans les planchers et plafonds chauffants. Les circuits A Il C (avec le chauffe-eau 34) et A D F G H C (avec les échangeurs 36) sont se- parés l'un de l'autre par la vanne VI. Deux vannes V2 et V3 isolent respectivement les branches D E C et H F qui comprennent les sources froide et chaude de la pompe à chaleur P. Quand il n'y a pas assez de soleil, le capteur-convecteur fonctionne en convecteur. La chaleur récupérée sur flair atmosphérique est transmise par la pompe à chaleur aux échangeurs 36 des planchers et plafonds chauffants au niveau de température convenable. La branche A B C est mise hors circuit par la vanne Vî tandis que la vanne V2 envoie la totalité du débit du capteur-convec- teur d'abord dans un échangeur 33 récupérant la chaleur transportée par l'air vicié, puis dans la source froide PF de la pompe à cha leur ; les vannes V2 et V3 séparent les boucles froide A D &commat; E C comportant la source froide PF, et chaude H F G comportant la source chaude PC, le fluide circulant dans la première cédantsa a chaleur/la seconde par l'intermédiaire de la pompe à chaleur P. S'il y a un peu de soleil, son rayonnement contribue à réchauffer le fluide caloporteur circulant dans la boucle froide et permet de diminuer l'énergie électrique consommée par la pompe à chaleur P. REVENDICATIONS 1/ Dispositif de chauffage utilisant le rayonnement solaire et la chaleur atmosphériques comportant - une enceinte munie d'une fenêtre supérieure et d'un fond, - un panneau comportant au moins une canalisation et disposé dans cette enceinte à distance de ce couvercle de manière à recevoir sur sa face supérieure le rayonnement solaire ayant traversé cette fenêtre et à absorber ce rayonnement, - et des tubulures de raccordement pour permettre de faire circuler un fluide caloporteur dans ce panneau de manière à faire réchauffer ce fluide par le rayonnement reçu par ce panneau caractérisé par le fait qu'il comporte en outre - des moyens pour faire circuler de l'air atmosphérique entre le fond de l'enceinte et la face inférieure du panneau, - cette face arrière étant thermiquement conductrice de manière à permettre de réchauffer le fluide caloporteur par contact thermique avec cet air circulant. 2/ - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le fond de enceinte est thermiquement isolant, lesdits moyens pour faire circuler de l'air étant des moyens commandes de manière à permettre d'arrêter la circulation de l'air lorsque cet air est plus froid que le fluide caloporteur. 3/ Dispositif selon la revendication 2 caractérisé par le fait outil comporte en outre - une pompe à chaleur pour transporter de la chaleur d'une source froide à une source chaude7 - au moins un échangeur thermique parcouru par un fluide caloporteur chaud pour chauffer une zone qui doit 1'être, - et des moyens de raccordement commandables pour permettre tantôt de faire circuler le luide caloporteur dans une boucle unique comportant en série ledit panneau recevant le rayonnement solaire et ledit échangeur, et tantôt de faire circuler le fluide caloporteur simultanément dans deux boucles séparées qui sont une boucle chaude comportant en série la source chaude de la pompe à chaleur et ledit échangeur, et une boucle froide comportant en série la source froide de la pompe à chaleur et ledit panneau réchauffé par contact thermique avec Irair circulant.