Brevet FR2437587A1 — publié le 19800425

La présente invention concerne une installation servant i chauffer å une température préétablie, au moyen de 1'4nergie solaire, les espaces intérieurs d'une construction, en particulier d'une serre. L'installation selon l'invention permet de chauffer directement l'air a bissa sans utiliser de fluides intermédiaires, de façon entibrement automatique, en utilisant non seulement le flux d'énergie solaire qui agit sur certains éléments de l'installation (collecteurs solaires) mais aussi l'énergie thermique introduite de façon quelconque dans le milieu par l'énergie solaire transmise à la construction et par des sources de chaleur situées dans le milieu lui-mame. L'installation selon l'invention, qui est réalisable pour un prix modéré, ne nécessite qu'un entretien limité et elle est très fiable. De façon connue, le chauffage des espaces intérieurs d'une construction au moyen d'énergie solaire s'effectue à l'aide de collecteurs i l'intérieur de chacun desquels on fait circuler un liquide, habituellement de liteau, que l'on utilise dans une installation appropriée pour transmettre la chaleur, au moyen d'appareils de divers types, å l'air contenu dans les espaces mentionnés. Normalement, aux collecteurs solaires est associé un accumulateur de chaleur conçu pour enmagasiner l'énergie thermique qui n'est pas utilisée directement dans l'installation. Les installations qui fonctionnent selon ce schéma ont de nombreux inconvénients. Tout d'abord, le rendement thermique total de l'ins- tallation est plutat modeste à cause de la double transmission de chaleur, d'abord de l'énergie solaire au fluide intermédiaire et ensuite de ce dernier à l'air; en fait, dans le deuxième échange thermique, le sant de température dont on dispose est plus petit que dans le premier échange thermique de sorte que la totalité de la chaleur disponible n'est pas utilisée rationnellement. En outre, les collecteurs solaires utilisés dans l'installation ont un rendement très modeste parce que l'énergie qu'ils fournissent à l'accumulateur se transmet nor salement à une température assee élevée qui, en tout cas, n'est pas plus appropriée au fonctionnement des collecteurs avec un bon rendement. Zn outre, les collecteurs ont une structure assez complexe et par conséquent conteuse, ils nécessitent un entretien continu et en général, lear fiabilité est assez réduite, vu la possibilité de fuites, de congélation on d'ébullition du fluide intermédiaire. L'un des buts de l'invention est de fournir une installation du type ci-dessus qui soit exeapte des inconvénients susdits. L'invention propose une installation destinée à chauffer à une température préétablie au moyen de l'éner- gie solaire les espaces intérieurs d'une construction conçue pour recevoir aussi une autre énergie thermique provenant de moyens fournisseurs de chaleur, ladite installation étant caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'aspiration capables d'aspirer l'air des espaces intérieurs de la construction et de le transporter le long de l'installation, au moins un collecteur d'énergie solaire conçu pour être parcouru par l'air de manière à le chauffer et poar emmagasiner une certaine quantité de chaleur empruntée à l'air qui le traverse en chauffant des moyens d'accumulation de chaleur ayant une grande capacité thermique, les espaces intérieurs de la construction, les moyens d'aspiration, le collecteur et l'accumulateur étant reliés en série le long d'un conduit qui transporte l'air des espaces vers l'accumulateur, un conduit de retour étant prévu pour ramener l'air de l'accumulateur aux espaces de la construction. L'installation selon l'invention comprend aussi des moyens de réglage permettant de régler la température à laquelle l'air sort du collecteur en direction de l'accu- mutateur, ces moyens étant conçus pour maintenir constu- ment la température de sortie à un niveaa peu supérieur et supérieur dans une mesure préétablie à la température moyenne des moyens d'accumulation de grande capacité thermique de l'accumulateur. L'invention propose encore un collecteur destiné à l'installation et caractérisé en ce qu'il comprend au moins une plaque formée d'une matière noire ayant une faible conductibilité thermique, dont au moins une surface est conçue pour entre baignée par l'air de manière à prendre un très grand gradient de température dans la direction d'écoulement de l'air qui la baigne; avantageusement, la matière mentionnée est une matière non métallique.Le collecteur selon l'invention comporte une enveloppe pratiquement en forme de parallélépipède dans laquelle est disposée la plaque qui a un profil pratiquement rectangulaire, l'enveloppe présentant deux perforations, une pour l'entrez et l'autre pour la sortie de l'air, chacune ayant une forme pratiquement rectangulaire et une largeur pratiquement égale à celle de l'un des petits côtés de la plaque et étant parallèle et adjacente à ce coté. Pour faciliter la comprdhension de l'invention, on décrira maintenant en détail l'installation et le collecteur selon l'invention, à titre d'exemple non limitatif, à propos des dessins annexés sur lesquels La figure 1 est une vue schématique des élément s qui forment l'installation selon l'invention et montrant la façon dont ils sont reliés La figure 2 est une vue en perspective partielle arrachée du collecteur selon l'invention, utilisé dans 1 'installation; La figure 3 est une vue schématique par l'arrière des canaux servant à relier certains collecteurs utilisés dans l'invention Les figures 4 à 7 sont des graphiques montrant les résultats d'expériences effectuées avec l'installation selon l'invention. L'installation selon l'invention est destinée à chauffer à une température préétablie les espaces intérieurs d'une construction quelconque, par exemple d'un bâtiment d'habitation, d'un bâtiment industriel ou d'un bâtiment destiné à un autre usage; en particulier, l'ins tallation selon l'invention convient spécialement au chauffage des espaces intérieurs d'une serre.Les espaces intérieurs de la construction, indiqués par la référence 1 sur la figure 1, sont susceptibles de recevoir de l'énergie thermique non seulement de l'air qui y est introduit par les conduits de l'installation qui seront décrits plus loin, mais aussi directement de l'extérieur de la construction (par exemple des rayons solaires incidents) ou de toute autre source de chaleur disposée 9 l'intérieur de ces espaces,cette source pouvant Autre formée de toute machine ou de tout appareil. En particulier, si la construction 1 est une serre, l'énergie venant de l'extérieur est l'énergie solaire introduite dans la serre par les rayons solaires. L'instaLlation selon l'invention comprend des moyens d1 aspiration indiqués par la référence 2 et formés par exemple d'une pompe aspirante quelconque, un ou plusieurs collecteurs solaires (dont un seul, indiqué par la r rence 3, est représenté sur la vue schématique de la figure 1), un accumulateur de chaleur 4 et un échangeur thermique air-eau 3. Les éléments de l'installation sont reliés en série à la construction 1 par un conduit d'alimentation comprenant des tronçons 6a, 6b, 6c 6d conçus pour relierscomme le montre la figure 1,la construction, les moyens d'aspiration, le collecteur, llaccu- mulateur et l'échangeur thermique. Le collecteur 3 peut être n'importe quel collecteur à air, c'est-à-dire un collecteur conçu pour être parcouru par nn courant d'air qui y est chauffé; avantqeu- sement, ce collecteur est du type décrit ci-aprbs et qui fait partie de l'invention; l'accumulateur de chaleur 4 est un accumulateur comprenant des moyens d'accumulation de grande capacité thermique conçus pour être chauffés à une température-préétablie lorsqu'ils sont baignés par l'air qui les traverse; cet accumulateur de chaleur peut être par exemple d?un type classique dans lequel les moyens d'accumulation sont formés par des plaques de pierre ou de toute autre matière de grande capacité ther mique. L'échangeur thermique 5, qui est avantageusement mais non nécessairement inséré dans l'installation, est du type air-liquide, c'est-à-dire conçu pour être parcouru par l'air et pour transmettre l'énergie thermique de celui-ci à un liquide, habituellement l'eau, que l'on fait circuler dans un circuit séparé (non représenté) relié à n'importe quel appareil utilisateur, par exemple un échangeur thermique qui peut servir aussi bien dans la construction 1 que dans n' importe quelle autre construction. Comme on le voit clairement par la figure 1, l'échangeur thermique 3 est relié par un conduit de retour 7 aux espaces intérieurs de la structure 1. Avantageusement des tronçons de conduit 8, 9 peuvent relier les moyens d'aspiration 2 respectivement à l'échangeur 4 et au conduit de retour 7; des organes d'interception appropriés sont disposés le long de ces tronçons de manière à établir un parcours désiré pour l'air qui traverse l'installation. Le collecteur 3, représenté en perspective sur la figure 2, comprend essentiellement une enveloppe 10 pratiquement en forme de parallélépipède, munie d'une paroi de fond 11 et de deux paires de parois latérales opposées 12, 13 qui définissent avec la paroi de fond une cavité pratiquement en forme de parallélépipède. Avanta gensement, l'enveloppe est formée d'une matière de faible conductibilité thermique, de préférence une matière plastique, par exemple le polynrbthane; dans ce dernier cas, on fait en sorte que la matière ait une plus grande masse volumique dans la partie centrale qu'au voisinage des surfaces; ainsi, on obtient une grande résistance mécanique de l'enveloppe en paume temps qu'un faible coefficient de transmission thermique de l'intérieur à 11 extérieur de l'enveloppe. A l'intérieur de l'enveloppe est disposée une plaque de matière noire, de préférence ondulée, indiquée par la référence 14 sur la figure 2; elle est formée d'une matière de faible conductibilité thermique qui peut être toute matière non métallique capable d'empêcher la transmission par conduction de quantités appréciables de chaleur dans la direction de 1' axe longitudinal de la plaque et d'établir ainsi le long de cet axe et de la façon expliquée plus loin un grand gradient thermique. Sur les parois 12 et 13 de ltenveloppe est formé un épaulement 19 sur lequel repose une plaque protectrice transparente, avantageusement en verre, bloquée contre l'épaulement au moyen d'un cadre 16 comme on peut le voir sur la figure 2; au d essus de ce cadre est disposé un joint 17 formé par exemple de matière plastique, de caoutchouc etc..0 et dont la surface supérieure 18 est maintenue au niveau, ou légèrement au desssusb de la surface 19 qui définit la partie supérieure de l'envelop- pe 10.Par suite de cette particularité de construction, le collecteur 3 est capable de reposer contre une plaque transparente plane, par exemple une plaque de verre de n'importe quelle structure, en particulier sur la construction 1 dont les espaces intérieurs doivent être chauffés par l'installation. L'enveloppe 10 est munie de deux perforations 20,21 destinées respectivement à l'entrée et à la sortie de l'air; le profil de chacune de ces perforations est un rectangle dont le grand côté est pratiquement parallèle à l'une des parois 13 de l'enveloppe à une petite distance de celle-ci. Avantageusement, la liaison entre les collecteurs disposés côte à côte, comme le montre la figure 3, est obtenue à l'aide de deux canaux 22 23 dont le premier est disposé de manière à relier les perforations 20 entre elles et le deuxième est disposé de manière à relier les perforationsde sortie 21, selon le schéma de la figure 3. Les canaux 22 et 23 sont reliés respective- ment aux tronçons de conduit 6b et 6c de la figure 1 de façon que l'air s'écoule en des sens opposés dans ces canaux. Chacun de ces canaux peut avantageusement être muni d'un rebord 24 de forme pratiquement rectangulaire, conçu pour être accouplé à une perforation correspondante 20, 21 d'un collecteur L'installation comprend des moyens de réglage (non représentés) conçus pour régler la température de l'air qui sort du collecteur 3 et se rend à l'accumulateur 4; ces moyens sont conçus pour maintenir constamment la température de sortie à un niveau légèrement supérieur à la température des moyens d' accumulation d'air prévus à l'intérieur de l'accumulateur 4.Avantageusement, les moyens de réglage comprennent des moyens permettant de faire varier le débit d'air traversant le collecteur 3 et en conséquence, ils peuvent influencer simplement le débit de la pompe 2, en ce sens qu'une variation de la température moyenne à l'intérieur de l'accumulateur de chaleur 4 donne lieu, de façon correspondante, à une variation du débit de la pompe. Pour les raisons que l'on expliquera plus loin, ce réglage s'effectue dans le sens d'une augmentation ou d'une diminution du débit, lorsque la température de l'air sortant du collecteur 3 et se rendent à l'accumulateur 4 doit être respectivement abaissée ou élevée. L'installation et le collecteur décrits ci-dessus fonctionnent comme suit t On considérera d'abord le fonctionnement du collecteur 3. L'air que l'on fait circuler à I1 intérieur du collecteur et qui entre par la perforation 20 et sort par la perforation 21 baigne la plaque 14 dont la température est assez élevée parce qu'elle est exposée à 11 énergie solaire incidente. L'air qui se meut dans la direction de l'axe longitudinal de la plaque, de la perforation 20 vers la perforation 21, a une température qui s'élève graduellement à cause de la quan tité de chaleur qu'il reçoit sur son parcours; ainsi, il s'établit le long de celui-ci un certain gradient de température en ce sens qu'il règne des températures plus dlevées à la perforation de sortie 21 et des températures plns basses à la perforation opposée et qu'il se produit une élévation pratiquement graduelle de la température pendant le passage de la deuxième à la première perforation. Par suite du faible coefficient de conductibilité thermique de la plaque 14, la transmission de chaleur par conduction le long de la plaque, de la région proche de la perforation 21 (où la temperature de l'air est élevée) vers les régions situées près de la perforation 20 (où la température est plus basse) est presque nAgli- geable; ainsi, la température de l'air sortant de la perforation 21 peut être particulièrement élevée et très supérieure à celle que l'on obtiendrait si l'élément noir qui reçoit la chaleur des rayons solaires et la transmet à l'air (plaque 14) avait une grande conductibilité thermique. On considerera maintenant le fonctionnement de l'installation' on supposera qu'à l'intérieur de la structure 1, il règne une température assez basse, inférieure à la température préétablie qu'il est désirable d'obtenir dans les conditions normales de fonctionnement. Donc, la pompe 2 est mise en action et l'air est amené à circuler à travers le collecteur 3 par les conduits 6a, 6b, 6c 9 et 7. Quand la température à l'intérieur de la structure atteint le niveau préétabli, par une action sur des éléments d'interception appropriés, le passage par le conduit 9 se ferme et le passage reliant le tronçon 6c à 1'accumulateur de chaleur 4 s'ouvre, de manière à emmagasiner dans celui-ci l'énergie thermique appliquée à l'air par les collecteurs 3 et qui n'est pas utilisée à l'intérieur de la construction 1.La quantité de chaleur ainsi emmagasinée peut être utilisée à nouveau à tout moment à l'intérieur de la construction, ou par 1' échangeur thermique 5 qui le transmet à tout autre usager. Selon l'invention, pendant les échanges thermiques entre le collecteur 3 et l'accumulateur 4, les moyens de réglage décrits plus haut sont mis en action de manière à régler la température de l'air sortant du collecteur 3 pour qu'elle soit légèrement supérieure à la température moyenne à l'intérieur de l'accumulateur 4g avec ce sant de température, qui est préétabli et en tout cas très réduit, il est possible de faire fonctionner le collecteur 3 avec un rendement thermique très élevé. Cela ap parafera clairement d'auprès les résultats expérimentaux que l'on va décrire.Pour effectuer le réglage, on exerce une action essentiellement sur l'écoulement de l'air par le collecteur; en augmentant cet écoulement, on obtient en fait un abaissement de la température de l'air sortant du collecteur et la possibilité de l'adapter à celle de l'accumulateur 4t à cet effet, il peut être suffisant par exemple de faire varier le débit de la pompe 2. Le comportement de l'ensemble de collecteur et d'accumula- teur, tel qu'on vieat de le décrire, est indiqué clairement par les résultats expérimentaux représentés par les figures 4 & 7, relatives à des essais exécutés avec l'installation selon l'invention. Autre part, les résultats concordent avec les résultats analytiques des calculs généraux exécutés sur l'installation elle-même. Sur chacun de ces graphiques, on a porté en abscis ses les rendements thermiques X du collecteur et en ordonnées, le sant de température T de 1'air traversant le collecteur. Chaque point de fonctionnement de l'installation est donné par l'intersection des droites en trait plein et des droites en tirette; les première indiquent les conditions de fonctionnement à une température extérieure préétablie (0.0 et 20-C) et les secondes indiquent les conditions de fonctionnement A un débit d'air préétabli traversant le collecteurZ chacun de ces graphiques concerne un flux spécifique bien défini F d' énergie solaire agissant sur le collecteur et qui, dans les quatre cas indiqués, est égal respectivement à 400, 700, 550 et 800 W/=2. Ainsi, par ces graphiques, on peut voir clairement que le rendement du collecteur est plus grand dans le cas où l'air sortant du collecteur a une basse température. On peut voir aussi que pour une température extérieure préétablie, on ne peut obtenir une basse température de sortie ni par conséquent un grand rendement du collecteur qu'avec de grands débits. Ainsi, ces résultats justifient le réglage prévu par l'invention et décrit plus haut, qui consiste à régler la température de l'air sortant du collecteur de manière à la rendre légèrement plus élevée que celle de l'accumulateur (le saut de température entre le collecteur et l'accumulateur est ce qui permet l'accu relation d'énergie dans ce dernier), un saut de tempEra- ture faible et prédéterminé permet d'obtenir une plus basse température de sortie du collecteur et par conséquent, un fonctionnement avec un rendement beaucoup plus grand du collecteur lui-même. En outre, on obtient une utilisation rationnelle et complète de l'énergie thermique avec l'installation selon l'invention parce que l'énergie thermique engendrée à l'intérieur de la construction 1 ou transmise à celleci de façon quelconque (par exemple par l'énergie solaire quand la construction est une serre) peut être amenée à l'accumulateur 4 par les tronçons de conduit 6a, 6b,6c. La liaison entre plusieurs collecteurs disposés côte à côte, au moyen des canaux 22 et 23, selon le schéma représenté par la figure 3, avec des écoulements en sens opposé, permet une symétrie parfaite de l'écoule- ment dans chaque collecteur comme on peut le voir clairement sur cette figure t cette condition permet d'obtenir la distribution la plus uniforme possible entre les divers collecteurs. Il est évident que l'on peut apporter des modifications à l'installation décrite ci-dessus et aux parties qui la forment, en particulier au collecteur 3, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATI0NS 1.- Installation destinée à chauffer à une température préétablie au moyen de l'énergie solaire les espaces intérieurs d'une construction conçue pour recevoir aussi une autre énergie thermique provenant de moyens fournisseurs de chaleur, ladite installation etant caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'aspiration capables d'aspirer l'air des espaces intérieurs de la construction et de le transporter le long de l'installation, au moins un collecteur d'énergie solaire conçu pour être parcouru par l'air de manière à le chauffer et pour emmagasiner une certaine quantité de chaleur em pruntée & å air qui le traverse en chauffant des moyens d'accumulation de chaleur ayant une grande capacité thermique, les espaces intérieurs de la construction, les moyens d'aspiration, le collecteur et l'accumulateur étant reliés en série le long d'un conduit qui transporte l'air des espaces vers 1'accumulateur, un conduit de retour étant prévu pour ramener l'air de l'accumulateur aux espaces de la construction. 2.- Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le long du conduit d'alimentation et en aval du collecteur est prévu au moins un échangeur thermique air-liquide conçu pour transmettre au liquide circulant à l'intérieur une certaine quantité de chaleur empruntée à l'air qui passe par les conduits. 3.- Installation selon l'une des revendications 1 et 2, caractErisée en ce que la construction est une serre et en ce que les espaces mentionnés sont formés d'espaces intérieurs de cette serre. 4.- Installation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens d'amenée de chaleur utilisent l'énergie solaire incidente reçue par la construction. 5.- Installation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens d'amenée de chalear sont formés de sources de chaleur disposées à l'intrieur des espaces. 6.- Installation selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de réglage permettant de régler la température à laquelle l'air sort du collecteur en direction de l'aconxulateur, ces moyens étant conçus pour maintenir constamment la température de sortie à un niveau peu supérieur et supérieur dans une mesure préétablie à la température moyenne des moyens d'accumulation de grande capacité thermique de l'accumulateur. 7.- Installation selon la revendication 6, caract4- risée en ce que les moyens de réglage comprennent des moyens permettant de faire varier le débit d'air traversant le collecteur et causent une augmentation ou une diminution de ce débit, lorsqut faut respectivement abaisser ou élever la température à la sortie du collecteur. 8.- Installation selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le collecteur comprend au moins une plaque formée d'une matière noire ayant une faible conductibilité thermique, dont au moins une surface est conçue pour autre baignée par l'air de manière à prendre Bn très grand gradient de température dans la direction d'écoulement de l'air qui la baigne. 9.- Installation selon la revendication 8, caracté- risée en ce que la matière est une matière non métallique 10.- Installation selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisée en ce que la plaque est ondulée. 11.- Installation selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisée en ce que le collecteur comporte une enveloppe pratiquement en forme de paralleldpipbde dans laquelle est disposée la plaque qui a un profil pratiquement rectangulaire, l'enveloppe présentant deux perforations, une pour l'entrée et l'autre pour la sortie de 1'air, chacune ayant une forme pratiquement rectangulaire et une largeur pratiquement égale à celle de l'un des petits côtés de la plaque et étant parallèle et adjacente à ce coté. 12.- Installation selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisée en ce que l'enveloppe est formée de polyuréthane à alvéoles ouverts. 13.- Installation selon la revendication 12, caractérisée en ce que la masse volumique de la matière de l'enveloppe est plus grande à la surface et plus petite vers la partie centrale. 14.- Installation selon l'une des revendications 8 à 12 caractérisée en ce que l'enveloppe comprend une paroi de fond présentant les perforations et deux paires de paroi latérales munies d'épaulements destines å une glace de fermeture du collecteur. 15.- Installation selon la revendication 14, carac tersée en ce qutau-dessus de la glace et le long du profil est disposé un élément de joint pratiquement ali gn sur la surface supérieure des parois latérales ou dépassant légèrement oelles-ciçde sorte que l'élément de joint peut former un joint entre le collecteur et une plaque de verre contre laquelle le collecteur est amené à s'appuyer. 16.- Installation selon l'une des revendications 1 à 15, comprenant plusieurs collecteurs et caractérisée en ce que les collecteurs sont disposés côte à côtes qu'un canal pratiquement rectiligne est prévu pour relier les perforations de sortie respectives et qu'un canal pratiquement rectiligne est prévu pour relier les perforations d'entrée respectives, les canaux étant reliés au conduit d'alimentation de l'installation de manière à assurer dans les deux canaux des écoulements d'air parallèles et de sens opposés.