Brevet FR2406161A1 — publié le 19790511

L'invention a pour objet un procédé pour le conditionnement thermique d'un habitat, qui est particulierement économique, et fait notamment appel à des capteurs d'énergie solaire, pouvant fonctionner efficacement quelle que soit la température obtenue en sortie de ces capteurs On a désigné dans le titre et on continuera à désigner par la suite, sous la dénomination "conditionnement thermique d'un habitat", non seulement la climatisation et/ou le chauffage d'un habitat, mais aussi la fourniture à cet habitat d'eau chaude à usage sanitaire par exemple, ou encore destinée à l'alimentation d'une piscine. L'invention a egalement pour objet une installation destinée à la mise en oeuvre du procédéselon l'invention cette installation présentant notamment l'avantage de ne produire aucune pollution notable de l'atmosphère et de l'environnement. Le procédé selon l'invention, pour le conditionnement thermique d'un habitat, ce procédé utilisant l'eau pour le transfert de calories, est carac terse en ce qu'on capte, de manière connue, l'énergie solaire au moyen de capteurs et, par échange thermique, stocke au moins une partie de l'énergie captée dans une enceinte formant régulateur de température, l'énergie stockée étant à son tour transmise à l'habitat au moins en partie par l'intermédiaire d'une pompe de chaleur agissant en élévateur de température. Selon ce procédé, dans une enceinte de capacité réduite par rapport à l'enceinte de stockage et disposée entre celle-ci et la pompe de chialeur, on abaisse la température de l'eau entrant dans la pompe de chaleur. Grâce à cet abaissement de température, il est possible d'utiliser, dans une installation réalisée selon l'invention, une pompe de chaleur ayant une température d'entrée d'évaporateur maximale basse. On obtient ainsi un coefficient de performance maximal. Cette installation selon l'invention est caractérisée par un circuit primaire comprenant en série sur une canalisation de circulation d'eau, au moins un capteur d'énergie solaire, une première pompe de circulation et un élement d'échange d'un premier échangeur thermique; un circuit de stockage comprenant en serie sur une seconde canalisation, l'autre élément d'echange dudit premier échangeur thermique, une seconde pompe de circulation et une cuve de stockage de grande capacité, un circuit de pompe de chaleur comprenant une pompe de chaleur dont l'évaporateur d'entrée est relié en série a travers une troisieme pompe de circulation avec un ballon de préparation, lui-même alimenté par ladite cuve de stockage par une quatrième pompe de circulation; des circuits d'utilisation interconnectés au moyen de vannes à plusieurs directions, reliés respectivement au circuit primaire, à la cuve de stockage et au condenseur de sortie de la pompe de chaleur. Selon une caractéristique préférée de l'invention, dans une installation selon l'invention, les circuits d'utilisation comprennent un circuit émetteur de chaleur comportant des émetteurs de chaleur reliés à la cuve de stockage par une canalisation d'alimentation et une canalisation de retour, une cin quiète pompe de circulation étant disposée sur l'une desdites canalisations, un condenseur de sortie de la pompe de chaleur étant branche en parallèle entre les deux canalisations d'alimentation et de retour. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs mieux de la description suivante, donnée seulement à titre d'exemple, en référence à la figure unique des dessins annexés, qui illustre schématiquement les circuits d'une installation de conditionnement thermique selon l'invention. L'installation représentée comporte un circuit primaire comprenant succéssivement en série sur une canalisation 10 de circulation d'eau, des capteurs d'énergie solaire, qui sont ici des capteurs 12 plans, à lame d'eau. une vanne électromécanique à trois voies 13, un élement d'échange 14 d'un premier échangeur thermique 15, et une première pompe de circulation 16. Ce circuit primaire comprend en outre un clapet anti retour 18,'un vase d'expension 20, des purgeurs (non représentés) et une bouteille anti-gel à résistance électrique 22. Des dispositifs de régulation sur lesquels on reviendra ci-apres sont- associés à ce circuit et agissent notamment sur la vanne 13 et sur la pompe 16. L'eau utilisée dans l'installation comme fluide caloporteur est de préférence de l'eau additionnée d'un liquide antigel de qualité alimentaire par exemple, dont le pourcentage d'addition est fonction des conditions climatiques extrèmes du site de construction de l'habitat considéré. L'installation décrite comporte également un circuit de stockage associé au précédent et comprenant le second seulement d'echange 24 de l'échangeur 15 précédent, en série avec une seconde pompe de circulation 25 disposée sur une canalisation 26 d'alimentation d'une cuve de stockage 27, de volume important et calculé selon le lieu et le type d'habitat, une canalisation de retour 28 reliant également cette cuve a l'élément d'échange 24 par l'intermédiaire d'une vanne manuelle à trois voies 29. De cette vanne trois voies 29, part également une canalisation 30 directement raccordée à la canalisation d'alimentation 26 et shuntant ainsi l'échangeur 24 pour une position appropriée de ladite vanne. Le circuit de stockage est également sous la dépendance d'un dispositif de régulation decrit ci-après. L'installation représentée à la figure unique comporte en outre un circuit de pompe de chaleur. Ce dernier circuit comprend un ballon de préparation 40, de volume plus réduit que la cuve 27, relié à cette dernière cuve par une canalisation d'alimentation 41 sur laquelle est disposee une troisième pompe 42, et par une canalisation de retour 43. Ce ballon de preparation 40 est relie par une canalisation 44 à travers une vanne électromécanique à trois voies 45 et une quatrieme pompe 46à1'entréedel'évaporateur47 d'une pompe de chaleur 48 à double condenseur, une canalisation de retour reliant la sortie de cet évaporateur au ballon 40. A la vanne 45 arrive une canalisation 50 qui, à travers un ballon 51 de faible contenance, équipe d'une résistance électrique de secours, est directement raccordée à la canalisation de retour 49. Des dispositifs de régulation qui, eux aussi, seront décrits plus loin, agissent sur les pompes 42, 46 et 48 et sur la vanne 45. L'installation selon l'invention, dans la forme de realisation décrite comprend en outre divers circuits d'utilisation qui sont interconnectes au moyen de vannes à plusieurs directions et sont reliés directement au circuit primaire, à la cuve de stockage et aux condenseurs de la pompe de chaleur. Parmi ces circuits d'utilisation, l'installation comprend un circuit émetteur de chaleur compose d'une canalisation 60 partant de la cuve 40, sur laquelle sont disposés successivement une vanne trois voies 61 et une vanne trois voies 62, une cinquième pompe de circulation 63, des émetteurs de chaleur 64, par exemple du type ventilo-convecteurs et un vase d'expansion 65, cette canalisation 60 revenant à la cuve 40. De la vanne 61, une canalisation 66 est raccordée à la canalisation 60, en aval des émetteurs 64, à travers un condenseur 70 de la pompe 48, tandis que de la vanne 62, une autre canalisation 67 est directement raccordée cette même canalisation 60, egalement en aval des émetteurs 64. Une régulation des vannes 61, 62 sera décrite ci-apres. On verra de même ci-après que les éléments du circuit de stockage et du circuit d'emetteurs de chaleur peuvent être utilisés de manière à assurer la climatisation de l'habitat, en été. L'installation selon l'invention comprend encore un circuit de chauffage de l'eau sanitaire formé d'une canalisation 72 partant de la vanne trois voies 13 du circuit primaire et arrivant à la canalisation 10. du circuit primaire, entre l'échangeur 14 et la vanne 13, portant des éléments chauffants 73, 74. respectivement de ballons de chauffage 75, 76 reliés l'un a l'autre, et une vanne 77. Ce circuit d'eau chaude sanitaire comprend en outre une canalisation 80 partant de la sortie du second condensateur 81 de la pompe de chaleur traversant une sixième pompe de circulation 82 et aboutissant à l'entrée d'un élément chauffant 83 du ballon de chauffage 75, distinct de l'élément 73, une canalisation 84 sortant de cet élement 83 pour aboutir à travers un clapet anti-retour 86 et un vase d'expansion 87 a l'entrée du second condensateur 81. L'eau froide pénètre en 88 dans le ballon de préchauffage 76, l'eau chaude sanitaire sort en 89 du ballon de chauffage 75. La pompe 82 et la vanne 77 sont commandées par des dispositifs de régulation décrits plus loin. L'installation selon l'invention peut être équipée d'un circuit d'utilisation propre à assurer le chauffage d'une piscine. Ce circuit comprend un échangeur thermique 90 disposé entre deux vannes 91 et 92 en dérivation sur la canalisation 26 du circuit de stockage, de part et d'autre d'une vanne 93 placée sur ladite canalisation entre la cuve 27 et la pompe 25, l'alimentation 94 en eau de la piscine se faisant à travers cet échangeur 90. Une régulation commande la pompe 25. Pour la compréhension du fonctionnement de l'installation selon l'in Invention, on va maintenant décrire les dispositifs de régulation associes aux divers circuits. Un premier dispositif Ri comprend un thermostat différentiel relié respectivement à une sonde Si mesurant la température de l'eau dans le ballon de chauffage 75 de l'eau sanitaire et à une sonde S2 mesurant la température de l'eau en sortie descapteurs 12, et commande les vannes 13 et 77. Si la température en S1 est inférieure à la température en S2, le régu lateur agit de manière à ouvrir la vanne 77 et à disposer de la vanne 13 de telle sorte que l'eau quittant les capteurs 12 traverse les éléments chauffants 73 et 74 des ballons d'eau sanitaire, cette eau traversant ensuite normalement l'échangeur 15 pour revenir en partie basse des capteurs. Si au contraire la température en Si est supérieure à la température en S2, la vanne 13 coupe l'accès vers ces éléments chauffants, la vanne 77 est fermée et l'eau accede directement à l'échangeur 15. Le circuit primaire est également sous la dépendance d'un second dispo sitif de régulation R2 recevant ses informations d'une sonde S'2 (analogue à la sonde S2 quant à son emplacement) et d'une sonde S'4 située sur la cuve de stockage 27. Lorsque la température mesuree par S'2 est supérieure a celle indiquee par S'4, le circuit primaire fonctionne de la manière indiquée ci-dessus. Par contre, si la température en S'2 est inférieure à celle en S'4, le circuit primaire fonctionne selon le mode indiqué en dernier lieu, c'est-à-dire qu'il y a passage direct dans l'échangeur 15, et le régulateur R2 est agencé pour agir sur un variateur de vitesse V1 associé à la pompe 16 et permettant, gracie à celle-ci, de modifier le débit de l'eau dans les capteurs 12 pour atteindre, par augmentation des échanges de chaleur, une température en S'2 supérieure a celle en S'4 et ainsi de stocker le maximum de chaleur. Si, en dépit de cette modification de débit, cette condition ne peut être atteinte, la pompe 16 est arrêtée jusqu'à obtention des conditions satisfaisantes. La regulation R2 > sous l'action d'une sonde S112 (voisine de S2 et S'2) agit egalement sur la résistance électrique de la bouteille antigel 22. Un dispositif de régulation R3 agit essentiellement sur la pompe 25 du circuit de stockage et est sous la dépendance d'une sonde S3 indiquant la température de l'échangeur 15 et d'une sonde S4 (voisine de la sonde S'4) sur la cuve de stockage. Le dispositif R3 est tel que lorsque la température en S4 est inférieure. à la température en S3 > la pompe 25 est mise en fonctionnement, assurant ainsi la circulation de l'eau et un apport de calories dans la cuve de stockage. Si, au contraire, la température en Sq est supérieure à celle en Ss, la pompe est arrêtée et cela jusqu'à obtention des conditions précedentes, lesquelles peuvent résulter des conditions rencontrées dans le circuit primaire: Quant au circuit de la pompe de chialeur, il est sous la dependance des dispositifs de régulation R4 et R5. Le dispositif R5 assure la préparation de l'eau du ballon 46, de maniere que la température de l'eau dans ce ballon soit inférieure au seuil maximal permis par la température d'entree de l'évaporateur 51 de la pompe de chaleur 48. De préférence, la pompe choisie dans l'installation selon l'invention est du type eau-eau à température d'entrée d'évaporateur maximale basse. On notera que cette utilisation d'une pompe de chaleur à basse température d'eau, au niveau de l'evaporateur, permet qu'elle que soit la température de l'eau en sortie de capteur, de chauffer l'habitat. Ainsi, même si l'ensoleillement est faible, le rayonnement diffus rechauffe l'eau du capteur et cette dernière, sortant à basse température et inutilisable en circuit direct permet, par l'intermédiaire de la pompe de chialeur, de chauffer l'habitat. De cette manière, non seulement le seuil d'utilisation est abaissé, mais la fourchette des températures d'utilisation de l'eau en sortie de capteur se trouve augmentée et les capteurs sont utilisés pendant de plus longues périodes, leur amortissement étant réduit. Pour la préparation en température de cette eau, le dispositif R5 utilise comme elément de comparaison des sondes Ss sur la cuve de stockage, S'5 en partie haute du ballon de préparation et S5 en partie basse de ce même ballon. Ce dispositif R5 agit sur le débit fourni par la pompe 42 par l'intermédiaire d'un variateur V2. Le dispositif R4 assure le fonctionnement de la pompe de chaleur, sous la dépendance d'une sonde S6 située sur le haut de la cuve de stockage 27, et agit sur cette pompe de chaleur et sur la vanne 61. Lorsque la température de stockage atteint ou dépasse une valeur seuil déterminée, par exemple 60"C, la sonde S8 informe la régulation R4 qui agit sur la vanne 61 pour mettre les émetteurs 64 directement en communication avec le stockage, sans intervention de la pompe de chaleur. Si, par contre, la température indiquée par la sonde S6 est inférieure à 600C, la régulation R4 met la pompe de chaleur en route, et agit sur la vanne 61 pour mettre le condenseur 70 dans le circuit émetteur de chaleur. La pompe de chaleur assure donc le chauffage et, simultanément, met en route la pompe 46, assurant le transport de l'eau du ballon de préparation 40 vers l'évapo- rateur 47 de la pompe de chaleur. La chaleur absorbée est fournie aux condenseurs, non seulement vers le circuit de chauffage, mais vers le circuit d'eau chaude sanitaire. On notera que le dispositif R, agit également sur ce circuit d'eau chaude sanitaire, en fonction des donnees de la sonde Si, par mise en fonctionnement de la pompe 82, celle-ci fournissant alors de l'eau froide au condensateur 81 de la pompe de chaleur. Quand la température de stockage atteint une limite basse définie, il en est de même pour la température dans le ballon de préparation; la sécurité de la pompe de chaleur agit sur la vanne 45 qui interrompt la relation avec le ballon 40 et met en circuit le ballon de secours 51, en même temps que la résistance électrique de ce dernier entre en fonctionnement. En outre, une régulation Ra, agissant selon les indications d'une sonde de depart S7, en amont des émetteurs 64 sur la canalisation 60, et d'une sonde extérieure Se, agit sur la vanne 62 fonctionnant en vanne mitigeuse. Pour le circuit piscine, on met en action une régulation R7 agissant sur la pompe 25. Lorsque la température de l'eau dans la piscine est inférieure à une valeur choisie, la pompe 25 s'enclenche et assure le débit dans l'échangeur piscine, les vannes 91 et 92 etant ouvertes et la vanne 93 fermée. Par ailleurs, les éléments du circuit pompe de chaleur précédemment énumérés assurent la climatisation de l'habitat I'eté, cette pompe de chaleur etant re- versible et pouvant être employée en circuit froid par l'intermédiaire d'un jeu de vannes monté dans le corps de ladite pompe. Dans ce cas, on opère une inversion de régulation de la pompe de chaleur et la pompe 42 fonctionne alors en assurant le rechauffage du ballon de prepa- ration. Ce fonctionnement de la pompe 42 est permis par un nouvel affichage des temperatures des sondes S5, S15 et S"5, correspondant aux températures de condenseur de la pompe de chaleur. Le fluide ainsi réchauffe est stocke dans la cuve 27, cette dernière pouvant servir au chauffage de la piscine. Bien entendu, la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple non limitatif; en particulier, les dispositifs de régulation indiqués peuvent faire l'objet d'agencements différents, ou se trouver intégres à des programneurs plus ou moins. complexes. REVENDICAT IONS 1.- Procedé pour le conditionnement thermique d'un habitat, utilisant l'eau pour le transfert des calories, selon lequel on capte de manière connue l'énergie solaire au moyen de capteurs et, par échange thermique, stocke au moins une partie de l'énergie captee dans une enceinte formant régulateur de température, 1 'énergie ainsi stockée étant à son tour transmise à l'habitat au moins en partie par l'intermédiaire d'une pompedechaleur agissant en élévateur de température. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans une enceinte de capacité réduite par rapport à l'enceinte de stockage et disposée entre celle-ci et la pompede chaleur, on abaisse la température de l'eau entrant dans la pompe de chaleur 3.- Installation pour le conditionnement thermique d'un habitat, des tinée à la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications ci-dessus, caractérisée par un circuit primaire comprenant en série sur une canalisation de circulation d'eau, au moins un capteur d'énergie solaire, une premiere pompe de circulation et un élément d'echange d'un premier échangeur thermique, un circuit de stockage comprenant en série sur une seconde canalisation, l'autre élément d'échange dudit premier échangeur thermique, une seconde pompe de circulation et une cuve de stockage de grande capacité, un circuit de pompe de chaleur comprenant une pompe de chaleur dont l'évaporateur d'entrée est relié en serie à travers une troisième pompe de circulation avec un ballon de preparation, lui-me-me alimenté par ladite cuve de stockage par une quatrième pompe de circulation; des circuits d'utilisation interconnectés au moyen de vannes à plusieurs directions, reliés respectivement au circuit primaire, à la cuve de stockage et au condenseur de sortie de la pompe de chaleur. 4.- Installation selon la revendication 3, caractérisé en ce que les circuits d'utilisation comprennent un circuit émetteur de chaleur comportant des émetteurs de chaleur relies à la cuve de stockage par une canalisation d'alimentation et une canalisation de retour, une cinquième pompe de circulation étant disposée sur l'une desdites canalisations, un condenseur de sortie de la pompede chaleur étant branche en parallèle entre les deux canalisations d'alimentation et de retour. 5.- Installation selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractériséeen ce que les circuits d'utilisation comprennent un circuit de chauffage d'eau sanitaire partant d'une vanne trois voies disposée sur le circuit primaire entre le capteur d'énergie et l'élément d'echange de l'echangeur thermique, en amont de ce dernier, d'élements chauffants de ballon de préchauffage et de chauffage d'eau sanitaire et revenant audit circuit primaire à travers une vanne entre ladite vanne trois voies et ledit élé- ment d'échange. 6.- Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que le circuit de chauffage d'eau sanitaire comprend également une boucle formée par une canalisation reliant un élément chauffant au condenseur de la pompe de chialeur, cette canalisation portant une pompe de circulation et un clapet anti-retour. 7.- Installation selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisée en ce que les circuits d'utilisation comprennent un circuit de chauffage de piscine composé d'un échangeur thermique disposé en paral lèle sur le circuit de stockage, à partir de la cuve de stockage, la canalisation d'alimentation de la piscine traversant ledit échangeur. 8.- Installation selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, ca racterisee par des dispositifs de régulation commandés par des sondes thermiques associes respectivement aux éléments de chaque circuit et agissant sur les vannes et pompes desdits circuits associés en fonction des indications de ces sondes.