Brevet FR2459948A1 — publié le 19810116

La présente invention concerne d'une façon générale les procédés et les appareils de chauffage solaire et plus particulièrement les procédés et appareils de chauffage solaire dans lesquels un fluide caloporteur est chauffé. I1 est bien connu que l'on recherche actuellement des sources d'énergie de remplacement des combustibles non réutilisables tels que le pétrole, le gaz, le charbon etc. L'une des possibilités les plus séduisantes est l'éner- gie solaire du fait que celle-ci est egalement disponible dans tous les pays, qu'elle n'est pas polluante et ne nécessite aucun transport depuis des points éloignés. D'une façon caractéristique le chauffage d'un fluide caloporteur, tel par exemple, que l'eau à des fins domestiques ou industrielles au moyen de l'énergie solaire est effectué en utilisant des panneaux capteurs d'énergie solaire qui comportent des tubes de circulation d'un fluide ou de minces chambres de circulation de fluide, à travers lesquelles le fluide caloporteur est envoyé pour être chauffé par les rayons solaires, ce fluide étant ensuite transporté jusqu 'à un réservoir thermiquement isolé à partir duquel il est distribué aux points d'utilisation désirés. Cependant ces dispositifs classiques n'ont pas atteint une grande diffusion en raison de leur rendement relativement faible qui est habituellement du aux pertes de charge du fluide en circulation lorsque celui-ci s 'écou- le du panneau capteur au réservoir et aussi du réservoir aux conduits de distribution. I1 est en outre bien connu qu'il est souhaitable que les panneaux capteurs soient orientés de manière appropriée pour accroitre au maximum leur temps d'exposition aux rayons solaires et pour cette raison ces panneaux capteurs sont souvent montés mobiles de façon à pouvoir "suivre" le soleil. Toutefois de tels agencements augmentent nécessairement les frais d'installation. D'une façon plus particulière un système typique de chauffage solaire utilisé pour chauffer de l'eau à une une température d'environ 600 C, comporte des panneaux solaires ayant une forme à peu près plane et constitués par une boite rectangulaire dans laquelle est disposée une plaque collectrice. Habituellement de tels panneaux solaires plats sont montés sur une couche sous-jacente d'isolation thermique, comportent un ou plusieurs couvercles transparents et ont une orientation fixe. Les différents systèmes classiques diffèrent la plupart du temps par la géométrie de la plaque collectrice, le fini de la surface de cette plaque, l'isolation thermique utilisée, la nature du couvercle transparent etc. Les appareils de distribution et d'emmagasinage associés aux panneaux solaires sont habituellement conçus de façon à diminuer au maximum les pertes d'énergie lorsque le fluide caloporteur circule à travers ces panneaux et à pouvoir être utilisés dans un bâtiment en ne nécessitant qu'un minimum d'entretien. Presque tous les dispositifs de chauffage solaire actuellement disponibles qui utilisent des panneaux solaires plans sont analogues en ce qu'ils constituent des systèmes statiques ou fixes qui ne sont pas exposés directement à la totalité du rayonnement disponible pendant une période donnée, ces systèmes étant de façon caractéristiques exposés aux rayons de soleil pendant une moyenne annuelle d'environ cinq heures par jour. Bien entendu des conditions atmosphériques penvent diminuer de façon notable le rendement de ces systèmes indépendamment de leur rendement intrinsèque. Par exemple même dans une ville bénéficiant d'environ 3000 heures d'ensoleillement annuel et en supposant que les périodes d'ensoleillement coincident toujours avec les cinq heures quotidiennes pendant lesquelles les rayons du soleil frappent directement les panneaux solaires plans, et qu'il y a environ 300 jours par année durant lesquels le soleil brille pendant au moins cinq heures par jours, un total d'environ 1500 heures d'ensoleillement utile est un maximum. Ainsi dans ces conditions idéales,-un sys tème de chauffage solaire de ce type ne recueille qu'envi ron la moitie du rayonnement direct (même en lui supposant un rendement de 100%). Cependant il est connu que les systèmes clas siques n'ont qu'un rendement de 20% à 30% de sorte que le rendement maximal d'un système de chauffage du tge à panneaux so laires plans, dans le cas ci-dessus, serait seulement d'en viron 10 à 15% du rayonnement reçu pendant la totalité de 1' année. Un autre problème inhérent aux systèmes clas siques de chauffage solaire est posé par la surface relati vement grande nécessaire pour leur installation. Par exem ple des systèmes à panneaux solaires plans comprenant trois 2 panneaux ayant chacun une surface de 2 m nécessitent habi 2 tuellement une surface d'environ 15 m2 (y compris les sur- faces d'ombres projetée) pour fournir en moyenne, environ 200 litres par jour à 60"C. De tels besoins d'espace limi tent de façon importante l'intérêt des systèmes de chauffage solaire disponibles actuellement. Ainsi des systèmes bien qu'étant utiles dans les résidences particulières, les hotels etc.,ne se sont pas révélés utiles pour le chauffage de l'eau destinée à être distribuée dans les immeubles d'habitation par appartements ou analogues. Un autre problème encore inhérent aux sys tèmes de chauffage solaire classiques est la difficulté d'adaptation des bâtiments classiques en vue de l'installation ultérieure de ces systèmes de chauffage solaire. Ces systèmes de chauffage solaire classiques sont général en ment relativement lourds, et obligent à prévoir des renforcements importants dans la zône dans laquelle le système doit être monté. I1 est en outre connu que les systèmes de chauffage solaire doivent satisfaire aux réglements en vigueur et ne doivent pas provoquer la formation de dépôts, par exemple de calcaire dans le circuit de fluide. L'invention a en conséquence pour buts de fournir un procédé et un appareil nouveaux et perfection nés de chauffage solaire ayant un rendement accru par rapport aux systèmes de chauffage solaire classiques, une construction et un fonctionnement simples et économiques; et un faible encombrement et susceptible d'être adapté pour être utilisé dans des bâtiments existants, y compris dans les immeubles d'habitation par appartements. Suivant l'invention, ces buts sont atteints grâce à un appareil comportant un réservoir d'accumulation destiné à recevoir un fluide à chauffer et délimité par au moins deux parois latérales qui s'étendent vers le haut et convergent l'un vers l'autre de façon à se rencontrer en un sommet et par une paroi inférieure ou fond qui avec les parois latérales forme un volume interne. Le fond peut avoir toutes formes classiques, par exemple circulaire ou polygonale. Une entrée de fluide qui communique avec un circuit d'alimentation en fluide introduit le fluide à chauffer dans une région inférieure du volume intérieur du réservoir jusqu'à ce que ce fluide remplisse à peu près complètement ce dernier.Une sortie de fluide est prévue de telle sorte que le fluide contenu dans la zône supérieure du réservoir puisse être soutiré de cette dernière et dirigé-vers le circuit de distribution. La sortie de fluide est de préférence constituée par un tuyau qui traverse le fond du réservoir, verticalement de telle sorte que son extrémité est située dans la région du sommet du réservoir. Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, le réservoir est soutenu par un support qui est formé d'un matériau thermiquement isolant dont la périphérie se trouve au-delà de la périphérie externe du réservoir de manière à former un épaulement de support pour au moins un dôme transparent qui entoure le réservoir et est espacé de ce dernier de façon à délimiter une chambre hermétiquement fermée pouvant être mise sous vide. Les rayons solaires frappent les parois latérales du réservoir à travers la chambre à vide et chauffent la couche de fluide contigue à ces parois latérales de telle sorte qu'il s'établit un courant thermique dans la masse de liquide contenue dans le réservoir, qui se déplace de la zône inférieure vers la zône supérieure de ce dernier et tend ainsi à rendre à peu près uniforme la température du fluide de sorte que le fluide porte la température la plus élevée tend à s'accumuler dans la région supérieure du volume intérieur du réservoir. Bien entendu le réservoir peut comporter des détecteurs classiques pour indiquer la température du fluide afin de commander les différents appareillages classiques de circulation. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront plus clairement au cours de la description qui va suivre d'un mode de réalisation donné uniquement à titre d'exemple et représenté sur la figure du dessin annexé qui montre un appareil suivant l'invention en élé- vation latérale et en coupe. Comme le montre ce dessin un réservoir d'accumulation 1 est délimité par au moins deux parois qui s'étendent vers le haut et convergent l'une vers l'autre de façon à se rejoindre suivant une crête ou angle au sommet 2. Un fond 3 qui peut présenter toutes configurations classiques telles que, par exemple, une forme circulaire ou polygonale, coopère avec les parois latérales pour délimiter le réservoir 1. On comprend que les angles particuliers suivant lesquels les parois latérales se dirigent vers le haut sont déterminés par l'emplacement particulier où l'appareil doit être monté et en outre par la période d'utilisation suivant que le système de chauffage doit être utilisé de façon prédominante pendant les mois d'été ou pendant les mois d'hiver. Le réservoir 1 comporte une entrée inférieure de fluide 4 qui est adaptée pour être reliée à un circuit d'alimentation en fluide et, suivant l'invention, le fluide est introduit par cette entrée 4 dans la région inférieure du volume intérieur du réservoir 1. Dans ce but l'entrée de fluide 4 est constituée par un tuyau dont une extrémité est située dans la région inférieure du volume intérieur du réservoir. Une sortie de fluide, adaptée pour communiquer avec un circuit de distribution de fluide est prévu pour guider le fluide contenu à l'intérieur du réservoir 1 d'une région supérieure de ce dernier jusque dans le circuit de distribution. La sortie du fluide, dans le mode de réalisation préféré de l'invention, est constituée par un tuyau 5 qui s'étend à l'intérieur du réservoir 1 de telle sorte que son extrémité est située dans la région du sommet 2 du réservoir 1. Des orifices 6 sont percés dans l'extrémité du tuyau 5 et le fluide caloporteur pénètre dans le tuyau par ces orifices. Des instruments classiques tels que des sondes thermiques 7 sont montés à l'intérieur du réservoir 1 afin de déterminer la température du fluide 8 qui remplit ce dernier. Le fond 3 du réservoir 1 repose sur un support 9 formé d'un matériau thermiquement isolant de sorte que ce support 9 porte le réservoir 1. Le support 9 comporte un bord périphérique qui s'étend au-delà de la zône périphérique du fond 3 du réservoir 1 de telle sorte que ce bord en saillie constitue un épaulement 10. Une chambre étanche 12 est formée à l'extérieur, des parois latérales du réservoir mais est adjacente à ces parois. La chambre 12 est délimitée par eu moins un aômell (trois domes étant représentés) formé par des parois transparentes disposées à l'extérieur des parois latérales du réservoir et espacées de ces dernières. Les parois transparentes présentent de préférence une forme analogue à celle des parois latérales du réservoir 1. Le dome 11 est soutenu par l'épaulement 10 délimité par le bord périphérique du support 9. Une conduite 13 pénètre dans la chambre 12 et est adaptée pour être reliée à une source de dépression de telle sorte que la chambre 12 peut être mise sous vide. La totalité de l'appareil est portée par un socle 14 de configuration classique. Le foncticnnement de l'appareil suivant l'invention décrit ci-dessus est le suivant. Des rayons solaires frappent les parois transparentes 11, traversent la chambre 12 qui joue le rôle d'une chambre isolante et atteignent la surface externe d'au moins l'une des parois latérales du réservoir 1 pratiquement sans aucune perte d'énergie du fait qu'ils traversent la chambre 12. En raison de la configuration du réservoir 1, les rayons solaires atteignent toujours au moins l'une des parois latérales de ce réservoir quelle que soit la position du soleil de sorte que l'utilisation de l'appareil est maximale grâce à la forme convergente des parois du réservoir.Une zône relativement étendue de la surface de la paroi latérale est chauffée et par conséquent les couches de fluide caloportour qui sont contigües à la paroi chauffée s'échauffe rapidement. Ce chauffage provoque dans le liquide 8, l'etablis- sement d'un courant thermique, qui circule de la région inférieure à la région supérieure du volume interne du réservoir et à rendre sensiblement uniforme la température du fluide à l'intérieur de ce réservoir. En outre le fluide ayant la température la plus élevée tend à s'accumuler dans la région supérieure du volume intérieur du réservoir. On comprend que les pertes dues au frottement dans les tuyaux qui se produisent nécessairement dans les systèmes classique de chauffage solaire sont supprimées du fait que dans l'appareil suivant l'invention aucun tuyau de distribution n'est utilisé. On comprend également qu'au contraire des capteurs classiques d'énergie solaire, l'appareil suivant l'invention ne comporte aucun tuyaux intermédiaires entre le capteur et le réservoir de stockage du fait que le liquide est chauffée directement dans le réservoir comme décrit plus haut. La chambre sous vide 12 améliore encore le rendement de l'appareil suivant l'invention car elle assure une protection efficace contre les pertes de chaleur du liquide chauffé se trouvant dans le réservoir. Lorsqu'on désire fournir de l'eau chaude, celle-ci passe par les orifices 6 prévus dans le tuyau 5, tandis que le liquide supplémentaire est envoyé dans le réservoir par le tuyau d'entrée 4. Le liquide qui quitte le réservoir par les orifices 6 et le tuyau 5 se trouve à la température la plus haute comme décrit ci-dessus en raison de la tendance du liquide le plus chaud à monter à la partie supérieure du réservoir. En outre du fait que les orifices de sortie 6 sont situés à la partie supérieure du réservoir, ils peuvent être utilisés pour purger automatiquement l'air se trouvant dans ce réservoir. I1 résulte de ce qui précède que le procédé et l'appareil suivant l'invention assurent un rendement extraordinaire tout en permettant la réalisation d'un appareil de construction simple et d'utilisation économique. La surface nécessaire pour l'appareil est inférieure d'environ deux tiers à celle nécessaire pour les systèmes comparables qui utilisent des panneaux solaires plans, ce qui permet de monter cet appareil dans les immeubles d'habitations par appartement existants. Le prix de revient de l'appareil suivant l'invention est inférieur d'environ 30% à 40% à celui des appareils comparables utilisant des panneaux solaires plans. REVENDICATIONS 1. Appareil de chauffage solaire caractérisé en ce qu'il comporte un réservoir d'accumulation (1) destiné à recevoir un fluide à chauffer, et délimité par au moins deux parois latérales qui se dirigent vers le haut et convergent l'une vers l'autre de façon à se rencontrer à leurs extrémités supérieures en formant une crête ou angle au sommet (2), et par un fond (3), qui délimite avec les parois latérales un volume fermé, une entrée de fluide (4) adaptée pour communiquer avec un circuit d'alimentation en fluide à chauffer afin d'introduire ce fluide dans une zone inférieure du volume du réservoir de telle sorte que le fluide remplisse à peu près ce volume, et une sortie de fluide (5) adaptée pour communiquer avec un circuit de distribution de fluide afin d'envoyer le fluide contenu dans le réservoir (1), depuis une région supérieure de celui-ci dans un circuit de distribution, de telle sorte que lorsque du fluide a été amené dans la région inférieure du réservoir par l'entrée (4) afin de remplir à peu près complètement celui-ci, les couches de fluide qui sont contigues à une paroi latérale du réservoir frappée par les rayons solaires sont chauffées directement et provoque l'établissement dans la masse de fluide (8) contenue dans le réservoir d'un courant thermique qui circule des régions inférieures vers les régions supérieures de celuici, et tend à uniformiser la température de la masse de fluide, de sorte que le fluide ayant la température la plus elevée tend à s'accumuler dans la zone supérieure du réservoir. 2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens transparents (11) pour délimiter une chambre (12) hermétiquement étanche, adjacente aux parois latérales du réservoir, mais à l'exté- rieur de celles-ci, et adaptée pour être reliée à une source de vide. 3. Appareil suivant la revendication 2, caractérisée, ce que les moyens délimitant la chambre (12) comprennent au moins un dome (11) formé par des parois transparentes disposées à l'extérieur des parois délimitant le réservoir et espacées de celles-ci, l'intervalle entre les parois transparentes et les parois du réservoir constituant la chambre (12) étanche. 4. Appareil suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend un support (9) formé d'une matière thermiquement isolante, qui supporte le fond du réservoir et dont, le bord périphérique s'étendant au-delà du bord périphérique de ce fond du réservoir de façon à former un épaulement de support (10), les parois transparentes formant le dome (11) étant soutenues par cet épaulement de support (10). 5. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la sortie du fluide est constituée par un tuyau (5) pénétrant à l'intérieur du réservoir (1) et ayant une extrémité située dans la région supérieure du réservoir à l'intérieur de celui-ci, l'extrémité de ce tuyau étant percée d'orifices (6) par lesquels le fluide (8) situé dans la région supérieure du réservoir peut pénétrer dans le tuyau. 6. Appareil suivant la revendication 5, caractérisé en ce que l'extrémité percée du tuyau est située dans la région de la crête ou sommet (2) formé par la réunion des parois latérales du réservoir. 7. Procédé de chauffage solaire utilisant un réservoir d'accumulation délimité par au moins deux parois latérales qui s'étendent vers le haut et convergent l'une vers l'autre pour se rejoindre à leurs extrémités supérieures, et former une crête ou sommet et par un fond, qui délimite avec les parois latérales un volume interne fermé, carac térisé en ce qu'on envoie un fluide caloporteur provenant d'un circuit d'alimentation dans une région inférieure du réservoir jusqu'à ce que ce fluide remplisse à peu près le réservoir, on expose au moins'l'une des parois du réservoir à l'action des rayons solaires de sorte que les couches de fluide qui sont contigues aux parois latérales du réservoir sur lesquelles frappent les rayons du soleil sont directement chauffées et provoquent l'établissement dans la masse de liquide contenue dans le réservoir d'un courant thermique, ce qui circule de la région inférieure à la région supérieure de ce réservoir et tend à uniformiser à peu près la température de la masse de fluide de telle sorte que le fluide présentant la température la plus élevée tend à s'accumuler dans la région supérieure du réservoir, et l'on envoie le fluide de la région supérieure du réservoir dans un circuit de distribution.