Brevet FR2422119A1 — publié le 19791102

La présente invention a pour objet des dispositifs de chauffage par énergie solaire et de climatisation d'un local. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des installations de chauffage et de climatisation des locaux. On connait déjà des installations de chauffage et de climatisation de locaux comportant une pompe a chaleur à cycle réversible et un réservoir de stockage de calories en hiver ou de frigories en été. On connaît également des installations de chauffage de locaux par de l'énergie solaire et on sait que l'une des difficultés inhérentes à de telles installations est celle du stockage des calories captées pendant les heures d'ensoleillement afin de pouvoir utiliser celles-ci pendant les heures plus froides de la nuit ou pendant les périodes sans soleil. Une solution intéressante est d'accumuler ces calories dans des stockages isothermes sous forme de chaleur latente du changement d'état fusion-solidification d'un sel hydraté ou d'un hydrate ayant une température de fusion de l'ordre de 300C, ce qui permet de capter de lténergie solaire pendant la journée et d'obtenir la nuit un niveau de température suffisant pour chauffer un local. On sait que l'une des difficultés qui freinent le développement des stockages isothermes de calories par chaleur latente de fusion-solidificatione est la precipitation de cristaux sous-hydrate-s ou anhydres qui sédimentent dans la solution de saumure Une autre difficulté est la possibilité de surfusion de la saumure. Pour échapper à ces difficultés, on a déjà proposé de réaliser des stockages tournants ou de mélanger à la saumure des agents épaississants par exemple des boues. Ces solutions sont relativement complexes. On connaît plusieurs hydrates ou sels hydratés qui ne donnent naissance à aucun précipité de cristaux sous-hydraté ou anhydres. Un de ces hydrates est constitué par les cristaux d'hydrate de soude NaOH, 3,5 1120 (dihydroxyde de sodium hepta hydrate) qui ont une température de fusion de l'ordre de 15"C et une chaleur latente de fusion de l'ordre de 70 1u/m3. Un autre SelShydratesest constitué par le tétrahydrate de nitrate de calcium, de formule Ca (N03)2, 4H20, qui a une température de fusion de 42"C et une chaleur latente de fusion de 11 ordre de 70 KWH/m3. Mais la température de fusion des cristaux d'hydrate de soude est trop basse pour permettre de chauffer un fluide caloporteur destiné au chauffage d'un local et la température de fusion du tétrahydrate de nitrate de calcium est trop élevée pour pouvoir obtenir une bonne récupération d'énergie solaire. L'objectif de la présente invention est de procurer des disposi tifs pouvant servir alternativement pour chauffer ou pour refroidir un local à partir de l'énergie solaire, avec un tres bon rendement, en utili sant deux stockages isothermes. Cet objectif est atteint au moyen d'un dispositif de chauffage par ltenergie solaire et de climatisation d'un local qui comporte ; - un premier réservoir de stockage isotherme de calories conte nant un premier corps dont la température de fusion est comprise entre -50C et 200C; - un deuxième réservoir de stockage isotherme de calories conte nant un deuxième corps dont la température de fusion est comprise entre 250C et 500C; - une pompe à chaleur dont l'évaporateur sert d'échangeur de cha leur avec le premier corps et dont le condenseur sert d'échangeur de chaleur avec le deuxième corps, de sorte que ladite pompe peut transférer des calories du premier réservoir vers le deuxième. - un capteur d'énergie solaire; - et des moyens pour faire circuler un fluide caloporteur dans ledit capteur et dans le premier réservoir, De préférence, le corps contenu dans le premier réservoir est de l'hydrate de soude : Na OP, 3,5 Il28. De préférence, le corps contenu dans le deuxième réservoir est du tétrahydrate de nitrate de calcium Ca (N03)2, 4 H20, Chacun des deux réservoirs de stockage isotherme comporte une petite enceinte, ayant une extrémité ouverte qui débouche dans ledit réservoir et qui contient un agent nucléant du corps contenu dans ledit réser voir et un bouchon perméable au liquide, qui obture ladite extrémité ouverte. Ce bouchon est, par exemple, un tampon en feutre, en fibres ou en un matériau cellulaire ou une membrane perméable au liquide. L'invention a pour résultat la possibilité de chauffer ou de climatiser un local avec une même installation et sans consommation d'énergie importante, le chauffage étant obtenu principalement à partir de l'énergie solaire. Un premier avantage des installations selon l'invention est que le rendement énergétique de la captation d'énergie solaire est très bon. En effet, on utilise un premier réservoir isotherme à une température relati vement basse et qui reste constante, par exemple à une température de 150C dans le cas où le premier réservoir contient des cristaux d'hydrate de soude en équilibre avec la phase liquide. Il en résulte que l'efficacité du capteur solaire est très bonne et que la durée de captation journalière est évidemment plus élevée que dans le cas de capteurs qui échangent des calories avec un réservoir isotherme à une température de l'ordre de 30"C. Un autre avantage important des capteurs selon l'invention est que l'on peut faire fonctionner une pompe à chaleur entraînée par un moteur électrique uniquement en heures creuses -pour transférer les calories du réservoir froid vers le réservoir chaud avec les avantages de cout réduit pour l'usager et de meilleur équilibrage des consommations d'électricité. Le rendement énergétique de la pompe à chaleur, c' est-a-dire le rapport entre la quantité de calories transférées et la quantité de calories que l'on obtiendrait par effet joule en consommant la même quantité d'élec- tricité est très bon de l'ordre de 3 à 5 car la différence de température entre le réservoir froid et le réservoir chaud est peu élevée. De plus, le fonctionnement de la pompe à chaleur est très régulier puisque les réservoirs sont isothermes et il n'est pas nécessaire d'installer une régulation ce qui réduit les frais d'installation. Une installation selon l'invention utilisant des stockages de calories isothermes qui permettent d'accumuler des quantités de calories relativement importantes, de l'ordre de 70 KWH/m3, présente l'avantage que les dimensions des réservoirs peuvent être relativement réduites, de l'ordre de quelques mètres cubes pour un logement individuel. Une installation selon l'invention, comme toutes les installations de chauffage par pompe à chaleur, permet d'utiliser la pompe pour climatiser les locaux en été.Grâce aux deux réservoirs de stockage, on peut encore faire tourner la pompe à chaleur uniquement en heures creuses pendant les périodes de climatisation. Le choix des cristaux d'hydrate de soude (NaOH, 3,5 H20) et des 2 cristaux de tétrahydrate de nitrate de calcium Ca(N03)2, 4 H20 pour réaliser les stockages isothermes est particulièrement avantageuse et constitue une caractéristique de l'invention. En effet, les chaleurs de fusion de deux corps, l50Cet 420C, présentent l'avantage de permettre à la fois une bonne captation d'énergie solaire pendant la journée, un bon rendement énergétique de la pompe à chaleur, une température supérieure (420) qui convient bien pour le chauffage des locaux et une température inférieure (150) qui convient bien pour la climatisation des locaux. De plus, ces deux corps présentent également l'avantage, lorsqu'ils fondent, de ne pas donner naissance à des précipités de cristaux moins hydratés ou de cristaux anhydres, ce qui réduirait la capacité d'échange thermique. Il suffit donc de supprimer les risques de surfusion pour obtenir un fonctionnement satisfaisant des stockages pendant un très grand nombre de cycles de fusion solidification. Le dispositif particulier constitué par une petite enceinte fermée par un bouchon perméable au liquide au fond de laquelle on place un fragment d'un agent nucléant de l'hydrate de soude ou du tétrahydrate de nitrate de calcium permet d'éviter la surfusion. L'utilisation d'un tel dispositif dans des stockages tournants a déjà été proposée dans une demande antérieure. Depuis lors, on a constaté qu'un tel dispositif, placé à coté d'une paroi froide, permettait d'éviter la surfusion même dans un stockage statique grâce à la propagation très rapide de la cristallisation le long de la paroi froide. La présente invention constitue une application nouvelle d'un tel dispositif pour des réservoirs isothermes statiques. Ce dispositif permet d'éviter l'adjonction d'agents épaississants dans le stockage isotherme ainsi que les stockages tournants. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention. La figure 1 est un schéma d'ensemble d'une installation selon l'invention. La figure 2 est un schéma représentant le fonctionnement pendant les périodes de chauffage. La figure 3 est un schéma représentant le fonctionnement pendant les périodes de climatisation. L'installation représentée sur les figures 1 à 3 sert à chauffer ou à climatiser un ou plusieurs locaux I équipés d'appareils de chauffage et de climatisation 2, 3, 4 qui sont des ventilo-convecteurs comportant chacun un échangeur 2a, 3a, 4a, par exemple une batterie de tubes à ailettes, et un ventilateur 2b, 3b, 4b.., qui souffle de l'air dans le local à travers la batterie correspondante, de sorte que l'air est réchauffé en hiver et qu'il est rafraîchi en été. L'installation comporte un premier réservoir 5, appelé réservoir àbasse température, qui est un réservoir isotherme contenant des cristaux d'hydrate de soude (NaOH, 3,5 H20) en équilibre avec la phase liquide. La température du mélange en équilibre est égale à la température de fusion qui est de lS0Csous la pression atmosphérique. La chaleur de fusion est de 70 KWH/m3. Le réservoir 5 est calo rifugé ou enterré. L'isolation thermique peut être réduite du fait que la température dans le réservoir est très voisine de la température ambiante. L'installation comporte un deuxième réservoir 6, appelé réservoir à température moyenne, qui est un réservoir isotherme contenant des cristaux de tétrahydrate de nitrate de calcium : Ca (N03)2, 4 H20 en équilibre avec la phase liquide. La température du mélange en équilibre est la température de fusion qui est de 420C sous la pression atmosphérique. La chaleur de fusion est de 70 KWH/m3. Le réservoir 6 est calorifugé. L'installation comporte, en outre, une pompe à chaleur 7 qui fait circuler un fluide caloporteur entre un condenseur 8 et un évaporateur 9. Le réservoir 5 comporte un échangeur 5a, par exemple un serpentin ou un faisceau de tubes qui est noyé dans le mélange liquide-solide. Cet échangeur fait partie d'un circuit fermé 10 comportant une pompe de circulation 11 et un échangeur 12 auquel appartient l'évaporateur 9. Le circuit 10 permet de transférer des calories du réservoir 5 vers l'évaporateur 9. Les calories prélevées dans le réservoir 5 sont de la chaleur latente de solidification des cristaux d'hydrate de soude et les calories transférées dans l'évaporateur sont de la chaleur latente de vaporisation du fluide caloporteur contenu dans le circuit de la pompe à chaleur. L'installation comporte des capteurs solaires 13 de tout type connu, par exemple des insolateurs plans et fixes qui sont connectés sur le circuit 10 par une pompe à trois voies 14, qui est par exemple une électrovanne commandée par un thermostat d'ambiance 14a. Dès que la température externe dépasse un seuil légèrement supérieur à la température constante du réservoir 5, par exemple dès que la température ambiante dépasse 18 , la vanne 14 est placée sur la position qui insère les capteurs 13 dans le circuit 10 et l'énergie solaire captée est transférée vers le réservoir 5.Dès que la température au soleil s'élève1 l'ef- ficacité des capteurs est très bonne puisqu'il reçoit de l'eau a une température constante comprise entre 15 et 20 . On peut donc utiliser des capteurs 13 relativement rudimentaires donc d'un prix relativement bas. Dès que la température ambiante redescend au-dessous du seuil de consigne, la vanne 14 passe sur la deuxième position où les capteurs 13 sont mis hors circuit pour éviter de perdre des calories rayonnées par les capteurs. Bien entendu, en variante, le capteur peut être incorporé dans un circuit fermé, indépendant du circuit 10, qui comporterait une pompe de circulation et un échangeur plongé dans le mélange contenu dans le réservoir 5. Cependant, la solution selon la figure 1 est préférentielle, car elle permet d'économiser une pompe de circulation et un échangeur. D'autre part, l'eau qui rentre dans le capteur 13 sort de l'échangeur 12 et sa température, qui est celle de l'évaporateur, est inférieure à la température dans le réservoir 5, ce qui améliore le rendement du capteur. Le circuit fermé 10 peut également comporter un échangeur récupérateur 22b à travers lequel circule l'air usé extrait du local 1 par un ventilateur 22a, ce qui permet de récupérer une partie des calories véhiculées par cet air usé avant de rejeter celui-ci à l'atmosphère, cette récupération se faisant avec un très bon rendement grâce à la température relativement basse (15 à 18") du liquide qui circule dans le circuit 10. Le réservoir 6 comporte également un circuit fermé 15 dans lequel circule un liquide caloporteur. Le circuit 15 comporte un échangeur 6a noyé dans le réservoir 6, une pompe de circulation 17, un échangeur 18 auquel appartient le condenseur 8 et une vanne à trois voies 19. Le circuit 15 peut comporter un appareil de chauffage d'appoint 20, par exemple un échangeur chauffé par une chaudière ou par une résistance électrique laquelle peut également être noyée dans le réservoir 6.Le fluide caloporteur qui circule dans le circuit 15 prélève dans le condenseur la chaleur latente de condensation du fluide caloporteur qui circule dans la pompe à chaleur et il transfère celle-ci vers le réservoir 6 où ces calories servent à fondre une partie des cristaux de nitrate de calcium en fournissant la chaleur latente de fusion de ceux-ci, Bien entendu, le fluide qui circule dans la pompe à chaleur 7 et les conditions de pression dans le circuit de celle-ci sont choisies de telle sorte que la température d'évaporation soit inférieure à 150C et que la température de condensation soit supérieure à 420C. Finalement, la pompe à chaleur sert à transférer des calories entre le réservoir 5 et le réservoir 6 qui restent tous deux à température constante. Le circuit 21, qui alimente les ventilo-convecteurs 2, 3 et 4 montés en parallèle, est connecté au circuit 15 par l'intermédiaire d'une vanne de régulation 19 à trois voies qui est par exemple une électrovanne asservie à un thermostat 19a placé dans le local 1 et qui règle le débit de liquide chaud alimentant les ventilo-convecteurs. La figure 2 représente le fonctionnement pendant la saison froide pour le chauffage du local 1 à partir de l'énergie solaire. Pendant les heures ensoleillées de la journée, les calories captées par le capteur 13 et les calories récupérées éventuellement par l'échangeur 22 sont stockées dans le réservoir 5 où elles produisent la fusion d'une partie des cristaux de soude. La pompe à chaleur est alors arrêtée, Pendant les heures creuses de la nuit, on met en route la pompe à chaleur 7 qui transfère des calories du réservoir 5 vers le réservoir 6. La vanne de régulation 19 asservie au thermostat d'ambiance 19a, règle le débit de liquide chaud qui circule dans les ventilo-convecteurs. En cas de besoin, par exemple après une période de plusieurs jours sans soleil ou en cas de grand froid, on met en route le chauffage d'appoint 20. L'autonomie énergétique dépend du volume total des deux réservoirs de stockage 5 et 6. La figure 3 représente le fonctionnement de l'installation pendant l'été pour climatiser le local 1. Les ventilo-convecteurs 2, 3 et 4 sont connectés en parallèle sur le circuit fermé 21 comportant: une vanne à trois voies 22 dont la troisième voie est montée en dérivation; l'évaporateur 12; la pompe de circulation 11 et l'échangeur 5a. La vanne à trois voies 14 isole les capteurs solaires 13. On a représenté sur la figure 1 les vannes d'isolement 22, 23, 24 et 25 qui permettent de passer du schéma de la figure 2 à celui de la figure 3. Pendant l'été, l'eau qui circule dans l'échangeur 5a sort de celui-ci à une température légèrement supérieure à 150C. Elle alimente les ventilo-convecteurs à travers lesquels passe de l'air qui rafraîchit les locaux. Les calories extraites des locaux retournent au réservoir 5 où elles fondent les cristaux d'hydrate de soude. Afin de maintenir dans le réservoir 5 un stock de frigories suffisant, on fait fonctionner la pompe à chaleur pendant les heures fraîches de la nuit qui sont également les heures creuses de la consommation. La pompe à chaleur transfère des calories du réservoir 5 vers le réservoir 6, ce qui provoque la cristallisation d'une partie de l'hydrate de soude contenu dans le réservoir 5 et la fusion d'une partie du nitrate de calcium contenu dans le réservoir 6. Les calories contenues dans le réservoir 6 peuvent être utilisées pour préchauffer de l'eau sanitaire dans un chauffe-eau 26. Afin de dissiper l'excédent de calories, on fait passer pendant la nuit de l'eau chaude circulant dans le circuit 15 à travers un aéro-réfrigérant 27 équipé d'un ventilateur 28.La température nocturne étant nettement inférieure à 42 , on obtient ainsi une dissipation suffisante de calories pour produire la solidification du nitrate de calcium du réservoir 6 pendant la nuit, de sorte qu'au matin on se retrouve avec une réserve de frigo ries égale à la chaleur latente de fusion de l'hydrate de coude contenu dans le réservoir 5 et du nitrate de calcium contenu dans le réservoir 6. On notera que Iton n'inverse pas le cycle de la pompe à chaleur comme on le fait habituellement dans les installations comportant un groupe frigorifique de climatisation qui est utilisé en pompe à chaleur pendant l'hiver. En effet, les deux réservoirs 5 et 6 ne sont pas interchangeables. Le réservoir 5 doit rester le réservoir à basse température relié à l'évaporateur et le réservoir 6 doit rester relié au condenseur. Le cycle de la pompe à chaleur reste le même hiver comme été et on commute les ventilo-convecteurs du circuit relié au réservoir 6 pendant l'hiver au circuit relié au réservoir 5 pendant l'été Les deux réservoirs 5 et 6 contiennent chacun une petite enceinte 31a, 31b, ayant une extrémité ouverte obturée par un bouchon 32a, 32b qui est perméable à la phase liquide contenue respectivement dans le réservoir 5 ou 6. Les bouchons 32a, 32b sont par exemple des tampons en fibres, en un matériau cellulaire, en feutre ou des membranes poreuses. Dans le fond de chacune des enceintes sont placés des fragments 33a, 33b d'un agent nucléant des cristaux contenus dans le réservoir correspondant, c'est-à-dire des agents qui ont une température de fusion plus élevée que celle des cristaux et un réseau cristallin très voisin de sorte outils évitent la surfusion par un phénomène de croissance épitaxique. Le liquide qui pénètre dans les enceintes 31a et 31b vient au contact des cristaux 33a et 33b et il cristallise dès que la température atteint la température de solidification. A partir de ce germe, on a constaté que les cristaux se propagent très rapidement de procheen procheen suivant les parois froides, par exemple la paroi des échangeurs 5a ou 6a, dans la phase d'échange ou ceux-ci refroidissent la saumure contenue dans les réservoirs 5a et 6a. On place les fragments 33a et 33b d'agent nucléant à l'intérieur d'une enceinte 31a ou 3Ib pour éviter la dissolution de ceux-ci dans la saumure, ce qui obligerait à en utiliser une quantité beaucoup plus importante pour saturer la saumure. En variante, on a constaté que les enceintes 31a et 31b n'étaient pas indispensables et qu'on pouvait arriver à éviter la surfusion en plaçant un petit fragment d'agent nucleant à l'intérieur d'un tampon de feutre ou de fibres qui suffit à éviter la dissolution de la totalité de l'agent nucléant et qui permet la propagation des cristaux. On utilise conne agent nucléant de l'hydrate de soude (NaOII, 3,5 H,O) du chromate de sodium et comme agent -nucléant du de deXcatcium,du tétrahydrate te de nitrate de cadmium. il est précisé que la description qui précède concerne uniquement un mode de réalisation préférentiel. L'hydrate de soude NaOH, 3,5 H20 peut etre remplacé par un autre hydrate ou un autre corps ayant une température de fusion comprise entre-50Cet 200 C. La limite supérieure de cette plage 200C est imposée par l'utilisation du réservoir 5 à basse température comme réserve de frigories pour la climatisation des locaux pendant l'été. La limite inférieure -50C ne doit pas être trop basse pour ne pas trop dégrader l'énergie solaire captée par les capteurs 13. De meme, le tétrahydrate de nitrate de calcium peut être remplacé par un autre hydrate ou un autre corps ayant une température de fusion comprise entre 250 et 50qu. La limite inférieure 250C est imposée par l'utilisation du réservoir 6 comme réserve de calories destinées au chauffage des locaux. La limite supérieure SOC est celle au delà de laquelle le rendement de la pompe à chaleur devient mauvais et il ne sert à rien pour le chauffage de disposer d'une température plus élevée. Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, les divers éléments constitutifs de l'exemple de réalisation qui vient prêtre décrit pourront être remplacés par des éléments équivalents remplissant les mêmes fonctions. Ainsi, il peut etre intéressant de remplacer NaOH, 3,5 H20 par de l'eau en utilisant la transformation eau/glace à OOC. La chaleur latente de fusion- de ce nouveau système est de l'ordre de 92 KWH/m3. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Dispositif de chauffage par énergie solaire et de climatisation dwun local comportant - un premier réservoir de stockage de calories à basse température; - un deuxième réservoir de stockage isotherme de calories contenant un deuxième corps dont la température de fusion est comprise entre 250C et 500C; - une pompe à chaleur dont l'evaporateur sert d'échangeur de chaleur avec le premier corps et dont le condenseur sert d'échangeur de chaleur avec le deuxième corps; - un capteur d'énergie solaire;; - et des ventilo-convecteurs situés dans ledit local, caractérisé en ce que ledit premier réservoir est un réservoir de stockage isotherme de calories contenant un premier corps dont la température de fusion est comprise entre - 5"C et 2O0C, qui accumule de la chaleur latente de fusion à basse température. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier corps est de hydrate de soude de formule : NaOH, 3,5 H20. 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier corps est de l'eau. 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le deuxième corps est du tétrahydrate de nitrate de calcium de formule : Ca (N03)2, 4H20. 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chacun desdits réservoirs de stockage isotherme comporte un petit fragment d'un agent nucléant des cristaux du corps contenu dans ledit réservoir, lequel fragment est séparé de la saumure par un écran perméable à ladite saumure et est placé à proximité d'une paroi froide. 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit écran perméable est un tampon de feutre, de fibres ou d'un matériau cellulaire et ledit fragment est placé au sein dudit tampon. 7 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit fragment est placé dans le fond d'une petite enceinte ayant une extrémité ouverte q'idébouche dans ledit réservoir, à proximité d'une paroi froide, laquel le extrémité est obturée par un bouchon perméable à la saumure. 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les fragments d'agents nucléant de l'hydrate de soude NaOH 3,5 H20 contenu dans le premier réservoir isotherme sont des fragments de cristaux de chromate de sodium. 9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caracté risé en ce que les fragments d'agent nueléant du tétrahydrate de nitrate de calcium contenus dans le deuxième réservoir isotherme sont des fragments de cristaux de nitrate de cadmium tétrahydraté. 10 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit local est équipé d'un circuit alimentant lesdits ventilo-convecteurs en un liquide caloporteur autre que le corps contenu dans le premier réservoir de stockage et le dispositif comporte des moyens permettant de conneeter ledit circuit, pendant les périodes de chauffage, sur un échangeur situé dans le deuxième réservoir et pendant les périodes de climatisation sur un autre échangeur situé dans le premier réservoir. il - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit capteur d'énergie solaire est placé dans une dérivation qui est connec tée par une vanne de régulation à trois voies sur un circuit fermé comportant une pompe de circulation, un échangeur noyé dans le premier réservoir et l'évaporateur de ladite pompe à chaleur.