Brevet FR2394025A1 — publié le 19790105

La présente invention concerne les installations de chauffage de locaux et de production d'eau chaude sanitaire, et a plus particulièrement pour objet les installations de ce type utilisant, à titre de source principale de chauffage, diverses sources de calories de récupération, éven- tuellement à basse température, associées, par l'intermédiaire d'une thermopompe, à une installation classique de chauffage de locaux et de production d'eau chaude sanitaire, dont la ou les sources de chaleur à consommation de combustible seront utilisées comme sources d'appoint. Les installations classiques de chauffage de locaux et de production d'eau chaude sanitaire comportent, pour le circuit de chauffage des locaux, un circuit fermé, comprenant essentiellement une chaudière, consommant un combustible pour chauffer de l'eau, des radiateurs, situés dans les locaux à chauffer, une pompe de circulation ou accélérateur, ainsi qu'un vase d'expansion, et, pour le circuit de production d'eau chaude sanitaire, un chauffe-eau, consommant un combustible pour chauffer de l'eau provenant du réseau de distribution, et débitant dans un réseau d'utilisation. Dans les installations modernes de ce type, la chaudière et le chauffe-eau sont constitués sous la forme d'une seule et même source de chaleur à consommation de combustible, chauffant simultanément l'eau des deux circuits distincts.Par source de chaleur à consommation de combustible, il faut entendre non seulement les sources de chaleur consommant sur place un combustible tel que charbon, gaz, fuel, mazout, alcool, etc., mais également les sources de chaleur utilisant une énergie telle que énergie électrique, produite dans une centrale énergétique de type thermique ou nucléaire, donc par consommation d'un combustible, et considérée, par extension, comme étant située en amont dans l'installation. Compte tenu des coûts sans cesse croîssants des combustibles utilisés, et de ltépuisement prévisible des gisements de certains d'entre-eux, parmi les plus couramment utilisés de nos jours, il est apparu important d'en limiter la consommation par la substitution d'énergies dites "nouvelles", telle que 11 énergie solaire, et le recyclage des énergies actuellement gaspillées. Le problème à la base de la présente invention est de concevoir une installation de chauffage de locaux et de production d'eau chaude sanitaire d'un fonctionnement économique, sur le plan des combustibles consommés, et susceptible d'etre facilement réalisée à partir des installations de ce type existantes. A cet effet, l'installation selon la présente invention se caractérise en ce qu'elle comprend une pluralité de sources de calories de récupération, reliées par un circuit hydraulique bouclé sur un réservoir de fluide, dans lequel est noyé l'évaporateur d'une thermopompe dont le fluide frigorigène, après avoir traversé le compresseur, se refroidit successivement dans un premier échangeur, ou désurchauffeur, noyé dans un réservoir d'eau sanitaire, puis dans un second échangeur, ou condenseur, noyé dans un réservoir d'eau du circuit de chauffage, en échauffant respectivement l'eau sanitaire et l'eau du circuit de chauffage en amont de la source de chaleur à consommation de combustible, avant de traverser le détendeur puis retourner à l'évaporateur, où il se vaporise en absorbant les calories en excès véhiculées par le fluide du circuit hydraulique reliant les sources de calories de récupération, la source de chaleur à consommation de combustible assurant, en cas de besoin, un chauffage d'appoint de l'eau du circuit de chauffage et de l'eau sanitaire respectivement avant passage dans les radiateurs et avant utilisation. De préférence, la pluralité de sources de calories de récupération comprend un réseau capteur d'énergie solaire, un échangeur-récupérateur, disposé dans une veine d'extraction d'air vicié des locaux, ainsi qu'un échangeursurrécupérateur, disposé dans une conduite d'évacuation des gaz et fumées de combustion provenant de la source de chaleur à consommation de combustible. Dans une forme de réalisation particulièrement intéressante, le réseau capteur est constitué sous la forme d'une toiture captrice de l'énergie solaire Afin de tirer le meilleur parti des sources de calories de récupération, des vannes trois-voies thermostatiques seront disposées sur le circuit hydraulique reliant les différentes sources de calories de récupération, chaque vanne étant pilotée par comparaision de la température de la source de calories de récupération immédiatement située en aval avec la température du fluide du circuit mesurée immédiatement en amont, de sorte que les sources de calories de récupération puissent être utilisées successivement ou alternativement. De même, des vannes trois-voies thermostatiques seront disposées sur les circuits de chauffage et de production d'eau chaude sanitaire, en amont de la source de chaleur à- consommation de combustible, afin de moduler le débit d'eau de chauffage ou d'eau sanitaire devant recevoir un appoint de chauffage de la part de la source de chaleur à consommation de combustible, en fonction de la température de l'eau de chauffage et de l'eau chaude sanitaire respectivement après passage dans les radiateurs et avant utilisation. Enfin, lorsque les besoins de chauffage sont inexistants, c'est-à-dire essentiellement en été, le fonctionnement de la thermopompe peut être interrompu, un circuit simplifié intervenant pour assurer directement le chauffage ou préchauffage de l'eau sanitaire. Un tel circuit simplifié comprendra essentiellement le réseau capteur d'énergie solaire couplé à un échangeur supplémentaire, noyé dans le réservoir d'eau sanitaire, afin de permettre l'échauffement de cette dernière. Un mode de réalisation sera décrit ciaprès, à titre d'exemple non limitatif, avec référence à la figure unique en annexe, représentant, sous forme schématique, une installation selon l'invention. L'installation comporte un circuit de chauffage qui, de façon classique, comprend une conduite 1 d'arrivée d'eau du réseau de distribution, débouchant dans un circuit fermé composé des conduites 2 et 3, de l'échangeur 4, disposé dans une chaudière à gaz 5, constituant la source de chaleur à consommation de combustible, et de la conduite 6 menant l'eau réchauffée aux radiateurs 7 disposés dans les locaux à chauffer. Ce circuit de chauffage comprend, également de façon classique, un vase d'expansion 8, un robinet de vidange 9 ainsi, qu'une pompe de circulation ou accélérateur 10. L'installation comporte également un circuit de production d'eau chaude sanitaire qui comprend, de façon classique, une conduite 17 d'arrivée d'eau du réseau de distribution, une conduite 12 d'amenée à un échangeur 13, disposé dans un chauffeeau, constitué ici par la chaudière à gaz 5, et la conduite d'utilisation 14 débouchant dans un circuit d'utilisation (non représenté) de l'eau chaude sanitaire. L'installation comporte, de plus, une thermopompe 15 qui est destinée à assurer le chauffage ou, du moins, le préchauffage de l'eau sanitaire, ainsi que l'essentiel, sinon la totalité, du chauffage de l'eau du circuit de chauffage. Cette pompe a' chaleur 15 comprend un compresseur 16, qui amène un fluide frigorigène, en phase vapeur et à une température de l'ordre de 80 à 900C, dans un premier échangeur 17, ou désurchauffeur, noyé dans un réservoir 18 d'eau sanitaire, laquelle est chauffée par le fluide frigorigène, qui atteint sa température de condensation, aux environs de 50 C, et vient se liquéfier dans un second échangeur 19, ou condenseur, noyé dans un réservoir 20 d'eau du circuit de chauffage, qu'il échauffe à son tour. Après s'etre successivement refroidi dans le désurchauffeur 17 et le condenseur 19, le fluide frigorigène traverse un détendeur 21 puis s'évapore à une température d'environ OOC dans un évaporateur 22, avant de retourner au compresseur 16 pour recommencer le cycle. L'évaporateur 22 est noyé dans un réservoir 23 de fluide d'un circuit hydraulique, reliant une pluralité de sources de calories de récupération, qui constitue la source chaude de la thermopompe les calories en excès, véhiculées par le fluide du circuit hydraulique, qui sera, par exemple, constitué par un mélange d'eau etd'antigel, seront absorbées lors de la vaporisation du fluide frigorigène de la thermopompe 15.La pluralité de sources de calories de récupération, reliées par le circuit hydraulique bouclé sur le réservoir 23, comprend avantageusement un réseau capteur 24 d'énergie solaire, qui constitue en fait la toiture elle-même des locaux concernés, un échangeurrécupérateur 25 placé dans une veine 26 d'extraction d'air vicié des locaux, ainsi qu'un échangeur-surrécupérateur 27, placé dans une hotte 28 d'évacuation des gaz et fumées provenant du fonctionnement de la chaudière à gaz 5. Le mélange d'eau et d'antigel quittant le réservoir 23 à une température basse, par exemple 5 c, se réchauffera par passage dans la toiture captrice d'énergie solaire 24 et dans les échangeurs récupérateur et surrécupérateur 25 et 27. Une première vanne trois-voies thermostatique 29, disposée sur la conduite 30 du circuit hydraulique, à la sortie du réservoir 23, et pilotée par une sonde de température 31, disposée sur la toiture captrice d'énergie solaire 24, permet de diriger le mélange eau-antigel, soit par la conduite 32 à l'entrée de la toiture captrice 24, dont la sortie est reliée à ltéchangeur-récupérateur 25 par la conduite 33, soit directement par la conduite 34, à l'entrée des échangeurs récupérateur 25 et surrécupérateur 27, disposés en série par la conduite 35, selon que la sonde 31 détecte une température respectivement supérieure ou inférieure à la température du mélange eau-antigel à la sortie du réservoir 23, c'est-à-dire environ 5 c, le retour au réservoir 23 s'effectuant par la conduite 36.De la sorte, en l'absence de soleil et si l'air extérieur est trop froid, la toiture captrice 24 est mise horscircuit par la vanne 29. Par contre, si la température atmosphérique reste supérieure, par exemple à 7 ou 80C, comme cela peut être le cas dans la journée, en l'absence de soleil, voire même la nuit, la toiture captrice 24 continue d'absorber, par convection, des calories à basse température.Une seconde vanne trois-voies thermostatique 37, disposée sur la conduite 33 et pilotée par-une sonde de température 38, détectant la température du mélange eau-antigel à la sortie de la toiture captrice 24, ainsi que par une sonde de température 39, détectant la température de l'air vicié extrait des locaux par la veine 26, permet de diriger le mélange réchauffé dans la toiture gaptrice, soit vers les échangeurs récupérateur 25 et surrécupérateur 27, soit directement vers le réservoir 23 par la conduite 40, selon que la température dans la veine d'extraction 26 est respectivement supérieure ou inférieure à la température du mélange eau-antigel à la sortie de la toiture captrice 24. Un circuit simplifié, mis en oeuvre lorsque la thermopompe 15 ne fonctionne pasy c'est-à-dire, par exemple, lorsque les besoins de chauffage sont inexistants, l'eau du réservoir 20 du circuit de chauffage n'étant pas chauffée, et destiné à fonctionner en été, par fort ensoleillement, peut comprendre une vanne trois-voies 41 supplémentaire, disposée sur la conduite 33 à la sortie de la toiture captrice 24 et commandée, par exemple à partir du compresseur 16 ou de son moteur, par un détecteur 42, de façon à permettre, lors d'un arrêt du fonctionnement du compresseur 16, de diriger, par la conduite 43, le mélange eau-antigel réchauffé directement dans un échangeur 44 supplémentaire, noyé dans le réservoir 18 d'eau sanitaire, afin d'assurer le chauffage de cette dernière, le retour vers la toiture captrice 24 s'effectuant par la conduite 45 débouchant dans la conduite 30, en amont d'une pompe de circulation 46. Dans tous les cas de fonctionnement, il est clair que des besoins supérieurs, tant en chauffage qu'en production d'eau chaude sanitaire, seront satisfaits par un appoint ou complément de chauffage fourni par passage de l'eau dans les échangeurs.4 et 13 disposés dans la chaudière à gaz 5. Sur la conduite 3 du circuit de chauffage, à la sortie du réservoir 20, une troisième vanne trois-voies thermostatique 47, pilotée par une, sonde 48 détectant la température de l'eau à la sortie des radiateurs 7, permet de moduler le débit d'eau devant éventuellement recevoir un chauffage d'appoint dans la chaudière 5, le'débit complémentaire étant dirigé directement dans la conduite 6, vers l'entrée des radiateurs 7. De façon analogue, une quatrième vanne trois-voies thermostatique 49, disposée à la sortie du réservoir 18 d'eau chaude sanitaire, et pilotée par une sonde 50 détectant la température de l'eau chaude sanitaire dans la conduite d'utilisation 14, permet de moduler le débit d'eau sanitaire devant éventuellement recevoir un chauffage d'appoint dans la chaudière 5, le débit complémentaire étant dirigé directement dans la-conduite d'utilisation 14. Dans une forme de réalisation plus automatisée, mais permettant de réaliser des économies plus conséquentes de combustible, les sondes 48 et 50 commandent également l'alumeur 51 de la chaudière 5. Dans le cas d'un chauffage suffisant de l'eau dans les réservoirs 18 et 20, pour satisfaire aux besoins de chauffage comme aux besoins d'eau chaude sanitaire, la chaudière 5 est maintenue en veilleuse, aucun débit ne traversant les échangeurs 4 et 13. Par contre, dès qu'un besoin de chauffage complémentaire est détecté par l'une des sondes 48 et 50, la chaudière est mise en fonctionnement pour procurer l'appoint de chauffage à l'eau circulant dans les échangeurs 4 et/ou 13. Enfin, des bacs 52 et 53 sont respectivement disposés dans la veine 26 et dans la hotte 28 pour récupérer les condensats et les évacuer vers l'égout. Dans une forme de réalisation simplifiée sur le plan de la régulation, la vanne trois-voies 41 peut être remplacée par une simple vanne à basculement commandée manuellement. De même, la vanne trois-voies thermostatique 49 disposée sur le circuit d'eau chaude sanitaire peut être remplacée par une vanne à commande manuelle. Avantageusement, la toiture captrice d'énergie solaire, qui constitue simultanément le réseau capteur de calories et la toiture elle-même, est réalisée sous la forme d'une association de deux tôles d'aluminium, par exemple solidarisées par soudage ou collage sur leurs bords sauf en deux passages, ainsi que par leurs surfaces, selon un trajet en chicane, une surpression appliquée entre les deux tôles provoquant un bombement définissant un réseau de canalisation intégré, qui peut être parcouru par le mélange eau antigel, ce réseau étant doublé d'une protection isolante 54 du côté des locaux.Une circulation de ce mélange dans une telle toiture captrice permet d'obtenir un bon rendement de saptation solairey sans utiliser des capteurs à effet de serre, qui, outre leur cout élevé, nécessitent un entretien important, tel que le nettoyage des vitres de ces capteurs. On remarquera encore qu'une telle toiture captrice permet, en l'absence de rayonnement solaire, une captation de calories à basse température, contenues dans l'air extérieur jusqu'au givrage de ce dernier. Dans l'exemple décrit ci-dessus, le choix du gaz comme combustible de la source de chauffage d'appoint se Justifie par son coût actuel et le bon rendement d'une chaudière à gaz. Mais il est bien évident que tout autre combustible pourrait être brûlé dans une chaudière adaptée. Tel pourrait être le cas de l'alcool, fruit de la distillation de la betterave produite sur le sol nàtional.-Dans le cas d'un chauffage d'appoint électrique, on remarquera que la pompe à chaleur, par son coefficient de performance, permet de compenser le mauvais rendement des centrales de production d'électricité, et d'améliorer le rendement global que l'on peut définir comme étant le rapport des calories utiles aux calories importées consommées. Ce rendement global est, de plus, augmenté par l'apport de calories de récupération gratuites, dues au soleil. Enfin, en cas de déficience de l'une des sources calorifiques, un chauffage minimal pourra être maintenu tant pour le chauffage que pour l'eau sanitaire. REVENDICATIONS 1/ Installation de chauffage de locaux et de production d'eau chaude sanitaire, comprenant une source de chaleur à consommation de combustible, assurant, en cas de besoin, un chauffage d'appoint de l'eau d'un circuit de chauffage et de l'eau sanitaire, respectivement avant passage dans des radiateurs et avant utilisation, le chauffage principal étant assuré par une pluralité de sources de calories de récupération, comprenant notamment une toiture captrice de lténer- gie solaire et un changeur-récupérateur, disposé dans une veine d'extraction d'air vicié des locaux, l'installation comprenant, de plus, une thermopompe dont le fluide frigorigène échauffe l'eau sanitaire et l'eau de chauffage avant de retourner à un évaporateur où il absorbe des calories en excès provenant des sources de récupération, caractérisée en ce que ces dernières, qui comprennent également un changeur-surrEcu- pérateur, disposé dans une conduite d'évacuation des gaz et fumées de combustion provenant de la source de chaleur à consom mation de combustible, sont toutes reliées en série par un unique circuit hydraulique bouclé sur un réservoir, dans lequel est noyé l'évaporateur de la thermopompe, dont le fluide fri grigne se refroidit successivement dans un premier échangeur, ou désurchauffeur, noyé dans un réservoir d'eau sanitaire, puis dans un second échangeur, ou condenseur, noyé dans un réservoir d'eau do chauffage, les réservoirs d'eau sanitaire et d'eau de chauffage étant disposés en amont de la source de chaleur à consommation de combustible, par rapport respectivement à l'utilisation et aux radiateurs. 2/ Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la toiture captrice de l'énergie solaire est constituée de deux tôles métalliques définissant un réseau intégré de canalisations par la solidarisatien de leurs bords, sauf en deux passages, ainsi que sur leurs surfaces, selon un trajet en chicane, ce réseau de canalisation, susceptible d'être parcouru par le fluide du circuit hydraulique reliant toutes les sources de calories de récupération, étant doublé du côté des locaux par une protection isolante. 3/ Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que le fluide du circuit hydraulique reliant les sources de calories de récupération est constitué par un mélange d?eau et d'antigel. 4/ Installation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'une première vanne trois-voies thermostatique, disposée à la sortie du réservoir de fluide du circuit hydraulique reliant les sources de calories de récupération, et pilotée par une sonde de température, disposée en surface de la toiture captrice d'énergie solaire, permet de diriger le fluide, soit à l'entrée de la toiture captrice d'énergie solaire, soit directement à l'entrée des échangeurs récupérateur et surrécupérateur disposés en série, selon quela première sonde détecte une température respectivement supérieure ou inférieure à la température du fluide dans le réservoir du circuit hydraulique reliant les sources de calories de récupération. 5/ Installation selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'une seconde vanne trois-voies thermostatique, disposée sur le circuit hydraulique reliant les sources de calories de récupération, entre la sortie de la toiture captrice d'énergie solaire et l'entrée des échangeurs récupérateur et surrécupérateur, et pilotée par des sondes de température disposées, d'une part, sur la sortie de la toiture captrice, et, d'autre parut, dans la veine d'extraction d'air vicié, permet de diriger le fluide quittant la toiture captrice, soit à l'entrée des échangeurs récupérateur et surrécupérateur, soit directement à l'entrée du réservoir du circuit hydraulique, reliant les sources de calories de récupération, selon que la température dans la veine d'extraction est respectivement supérieure ou inférieure à la température du fluide à la sortie de la toiture captrice de l'entrée scolaire. 6/ Installation selon l'une des revendications 7 à 5, caractérisée en ce qu'une troisième vanne trois-voies thermostatique, disposée sur le circuit de chauffage, entre le réservoir d'eau du circuit de chauffage et la source de chaleur à consommation de combustible, et pilotée par une sonde détectant la température de l'eau du circuit de chauffage à la sortie des radiateurs, permet de moduler le débit d'eau recevant un chauffage d'appoint de la part de la source de chaleur à consommation de combustible, et de diriger le débit complé- mentaire directement sur l'entrée des radiateurs. 7/ Installation selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'une quatrième vanne trois-voies thermostatique, disposée sur le circuit de production d'eau' chaude sanitaire, entre le réservoir d'eau sanitaire et la source de chaleur à consommation de combustible, et pilotée par une sonde détectant la température de l'eau sanitaire avant utilisation, permet de moduler le débit d'eau sanitaire recevant un chauffage d'appoint de la part de la source de chaleur à consommation de combustible et de diriger le débit complémentaire directement sur le circuit d'utilisation. 8/ Installation selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisée en ce que la sonde détectant la tepEra- ture de l'eau du circuit de chauffage à la sortie des radiateurs et/ou la sonde détectant la température de l'eau sanitaire avant utilisation commandent également la mise en fonctionnement de la source de chaleur à consommation de combustible. 9/ Installation selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'une vanne trois-voies supplEmen- taire, disposée sur le circuit hydraulique reliant les source de calories de récupération, à la sortie de la toiture captrice d'énergie solaire, et pilotée à-partir du compresseur, permet, en cas d1arrêt du fonctionnement de ce dernier, de diriger le fluide du circuit hydraulique dans un échangeur supplémentaire, noyé dans le réservoir d'eau sanitaire, afin de chauffer cette dernière, d'où il retourne à ltentrée de la toiture captrice d'énergie solaire. 10/ Installation selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la source de chaleur à consommation de combustible est susceptible de consommer de l'alcool.