Brevet FR2431098A1 — publié le 19800208

L'invention concerne un réservoir pour le stockage d'énergie calorifique véhiculée par un fluide circulant dans un premier circuit et pour la restitution de cette énergie à un fluide circulant dans un second circuit. L'invention concerne plus particuliè- rement un réservoir pour l'emmagasinage d'énergie calorifique produite par des capteurs solaires à circulation d'eau et pour la restitution de cette énergie à un circuit de chauffage. Dans la suite de la description, c est à cette application particulière que l'on se référera, sans que cela implique une limitation de l'invention. On sait, en effet, l'importance grandissante des capteurs pour le chauffage de bâtiments ou d'eau à usage sanitaire. Les varia tions d'ensoleillement nécessitent toutefois que la chaleur captée puisse être stockée et l'on utilise le plus souvent dans ce but la chaleur sensible d'un certain volume d'eau contenu dans un réservoir calorifique ou d'une masse de graviers ou de pierres logés dans une cuve équipée d'une circulation d'air. Dans le premier cas, le réservoir est généralement associe à des capteurs dans lesquels le fluide caloporteur est de l'eau, tandis que, dans le second cas, on utilise des capteurs à air. L'invention concerne les réservoirs à eau et vise à remédier à certains inconvénients de la technique connue, qui seront décrits ci-après, en proposant un nouveau type de réservoir qui permette d'enagasiner efficacement, aussi bien pendant de courtes durées que de longues durées, l'énergie thermique véhiculée par l'eau des capteurs solaires à circulation d'eau. Afin de décrire avec plus de précision les inconvénients des réservoirs connus, les buts recherchés par l'invention et certaines formes de réalisation de l'invention, on se référera aux dessins annexés, sur lesquels 2 La figure 1 est un schéma d'un circuit de chauffage classique, comportant un ou plusieurs capteurs solaires, un réservoir pour le stockage de l'énergie calorifique et un corps de chauffe disposé dans un local à chauffer t La figure 2 est une coupe transversale schématique d'un réservoir conforme à l'invention t Les figures 3a, 4a et Sa sont des coupes axiales schématiques du réservoir, illustrant les flux de calories dans le réservoir à différentes périodes de l'année, tandis que les figures 3b, 4b et 5b sont des courbes représentatives de la température régnant dans les différentes parties du réservoir La figure 6 est une vue schématique d'une première forme de réalisation d'un réservoir conforme à l'invention, dont une partie est représentée en coupe verticale sur la figure 7 t La figure 8 est une coupe schématique, analogue à la figure 7, d'une seconde forme de réalisation. On se réfèrera d'abord à la figure 1, où l'on voit une batterie de capteurs solaires 1 à circulation d'eau, dont l'eau alimente un réservoir 2 de stockage d'énergie. L'arrivée d'eau chaude s'effectue à la partie supérieure du réservoir, qui est la zone la plus chaude du réservoir, du fait de la différence de température qui s'établit naturellement dans une enceinte de liquide, tandis que le retour au capteur s'effectue à partir de la partie la plus basse du réservoir, où l'eau est la plus froide. Le réservoir 2 est par ailleurs connecté à des corps de chauffe 3 destinés à chauffer un local 4,1'eauqui les alimente étant prélevée à la partie haute du réservoir, tandis que le retour s'effectue à la partie basse. Il est très important que la fraction d'eau la plus chaude du réservoir ne puisse se mélanger à la fraction la plus froide, du fait des caractéristiques opposées des capteurs et des corps de chauffe. On sait, en effet, que le rendement d'un capteur - défini comme le rapport de l'énergie captée à l'énergie incidente - est meilleur lorsque le capteur fonctionne à faible température que lorsqu'il fonctionne à haute température. Au-delà d'une certaine température, le capteur devient meme complètement inopérant. Au contraire, le coat d'un ensemble de corps de chauffe destiné à fournir une énergie calorifique déterminée diminue lorsque la température moyenne de l'eau d'alimentation augmente, puisque la surface de chauffe à installer est moindre. Pour une surface déterminée des corps de chauffe, la puissance émise par ces derniers augmente avec la température, et celâ plus rapidement qu'elle. Pour les périodes de fonctionnement mixte du chauffage, pendant lesquelles un chauffage complémentaire par énergies traditionnelles fonctionne en même temps que le chauffage solaire proprement dit, il y a un intérêt évident à augmenter au maximum la part du chauffage solaire. Pour ce faire, il faut chercher à alimenter les corps de chauffe à la température la plus élevée possible, l'eau d'alimentation provenant soit direc trient des capteurs, quand ils fonctionnent, soit du stockage. Quand l'eau chaude provient directement des capteurs, il existe une température qui correspond à un maximum d'énergie restituée par les corps de chauffe. Ce maximum résulte de la codbinaison des caractéristiques des capteurs et des corps de chauffe. Il est possible, pour une puissance de l'énergie solaire incidente donnée, de choisir cette température de fonctionnement en réglant le débit de circulation de l'eau dans le capteur. Cependant, il est peu pratique d'adapter en permanence le débit aux conditions particulières de l'instant et, en fait, le débit est réglé à ne valeur moyenne fixe. Quand l'eau chaude d'alimentation des corps de chauffe pro vient du stockage, elle se trouve à la température de la zone supérieure du réservoir de stockage. Son énergie est utilisée pour réchauffer par mélange la masse d'eau du réservoir. Pour plus de clarté et dans un souci de simplification, on supposera qu'à un instant donné le réservoir 2 comporte trois zones distinctes, de températures décroissant de haut en bas, respectivement 2a, 2b et 2c. Des échanges calorifiques s'effectuent de différentes manières entre les trois zones, notamment par convection et par conduction. Les mouvements de convection sont dus aux déperditions calorifiques de la périphérie du réservoir. L'eau se trouvant à la périphérie du réservoir se refroidit par suite des déperditions dues aux échanges thermiques entre les parois du réservoir et l'air ambiant. En fait, cette eau descend le long des parois en continuant à se refroidir, de sorte qu'une partie de l'eau chaude de la partie supérieure descend vers le bas du réservoir, tandis qu'un mouvement d'eau froide s'amorce en sens inverse. On conçoit qu'après un certain temps, les températures des trois zones tendent à devenir égales, ce qui est fort préjudiciable au rendement global du système de chauffage. Il est possible de réduire les -o'wo'ents de oonvectioa n donnant aux volumes de stockage des formes allongées verticaleieftt, par exeaple en utilisant des ballons dont la hauteur est égale à plus de trois fois leur diamètre. I1 a été proposé également, dans le cas de réservoirs de formes plus compactes, d'utiliser des grilles capables de réduire les mouvements naturels de convection. Enfin, la Demanderesse a elle-même proposé de s'opposer complètement aux mouvements de convection en remplaçant l'eau par un gel aqueux.Ce gel ne pouvant circuler, il faut alors obligatoirement utiliser un échangeur de température entre les circuits capteur et corps de chauffe, d'une part, et masse aqueuse stockant les calories, d'autre part. Le second processus d'interaction thermique entre les zones 2a, 2b et 2c du réservoir 2, c'est-à-dire la conductibilité thermique, a également pour effet de rapprocher les températures de ces zones et, à la liwite, de les rendre égales, avec les mêmes effets préjudiciables que précédemment. Enfin, une autre cause d'un rendement médiocre d'un tel ensemble de chauffage réside dans les dimensions de la zone 2a alimentée par l'eau chaude en provenance des capteurs. En effet, il est possible de montrer par un calcul simple, que, pour réduire la différence entre la température de captation et celle de stockage, il faut réduire le volume de la zone 2a, ce qui est contraire aux exigences du stockage, qui doit viser à accumuler assez d'énergie calorifique pour faire face aux périodes sans soleil. Le but de l'invention est de proposer un dispositif d'esaga- sinage de l'énergie calorifique dans lequel la température du réservoir alimenté en eau en provenance des capteurs et alimentant un circuit de chauffage soit maintenue à une valeur aussi favorable que possible à un rendement optimum de l'ensemble. A cet effet, l'invention a pour objet un réservoir pour l'emmagasinage de l'énergie calorifique véhiculée par un fluide circulant dans un premier circuit, notamment le circuit de circula- tion d'eau d'au moins un capteur solaire à eau, et pour la restitution de cette énergie à un fluide circulant dans au moins un second circuit, notanent à l'eau d'un circuit de chauffage, ce réservoir étant caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux zones distinctes en contact thermique mutuel, la première de ces zones étant seule en contact thermique avec lesdits circuits et étant en un matériau à forte conductibilité thermique et, de préférence, à forte masse spécifique, afin de présenter une diffusivité thermique élevée, tandis que la seconde zone est en un matériau dont la diffusivité thermique est au plus égale à celle du matériau de la première zone, mais occupe un volume beaucoup plus important que celui de la première zone. Dans un tel réservoir, la première zone assure donc les échanges thermiques avec le circuit du capteur solaire et avec le circuit de chauffage et constitue une réserve thermique de courte durée. Si le matériau de cette première zone est de l'eau, elle peut être en communication directe avec ces circuits. La seconde zone, en revanche, n'assure des échanges thermiques qu'avec la première zone8 mais a pour fonction essentielle de constituer un volant thermique de longue durée pour le réservoir. Le matériau de la première zone est de préférence homogène, tandis que le matériau de la seconde zone peut être homogène ou hétérogène. La seconde zone peut entourer la première ou lui être simplement contigue. La séparation entre les deux zones peut résulter d'une simple différence de nature de leurs matériaux constitutifs, le matériau de la seconde zone devant, dans ce cas, avoir une diffusivité thermique inférieure à celle du matériau de la première zone. Pour des raisons technologiques de maintien des matériaux, des armatures de renfort pourront éventuellement être prévues dans la surface de séparation. Les deux zones peuvent aussi être séparées par une cloison en un matériau thermiquement semi-isolant, afin de réduire le flux thermique entre zones. Dans ce cas, le matériau de la seconde zone peut avoir une diffusivité thermique soit égale, soit inférieure à celle du matériau de la première zone. Un tel réservoir 5 est représenté schématiquement, en coupe horizontale, sur la figure 2, où l'on voit la première zone 6, dans laquelle plongent des conduits 7 et 8, appartenant respectivement au circuit d'eau du capteur et au circuit de chauffage, tandis que la seconde zone 9 est séparée de la zone 6 par une barrière semi-isolante 10. Le fonctionnement d'un tel réservoir au cours des différentes périodes de l'année va maintenant être décrit en référence aux figures 3a - Sa et 3b - 5b. En été, (figures 3a - 3b) les besoins en chauffage sont nuls ou négligeables et l'énergie reçue par les capteurs est dirigée vers le stockage uniquement ; elle sert à échauffer la zone 6 qui, elle-meme, réchauffe la zone 9. La zone 6 est définie en volume et en nature pour emmagasiner 1'énergie reçue dans une journée, moyennant une élévation de température de quelques dizaines de degrés au maximum. A mesure de l'échauffement de cette zone dans la journée, la chaleur diffuse lentement dans la zone 9 ; pendant la nuit, la chaleur continue de diffuser de la zone 6 vers la zone 9, de sorte que, le lendemain matin, une grande partie de la chaleur reçue la veille par la zone 6 se retrouve dans la zone 9. La nouvelle quantité de chaleur reçue par les capteurs le deuxième jour peut donc être reçue par la zone 6 qui, en 24 heures, transforera de nouveau cette chaleur vers la zone 9. Cette dernière ayant une capacité de stockage beaucoup plus grande, pourra continuer à jouer le même rôle jusqu'au début de la période de chauf àge. Il y a alors répartition entre les besoins de chauffage et les apports partiels au stockage. La période de plus grand froid commençant (figures 4a les apports solaires deviennent insuffisants, la température de la zone 6 diminue jusqu'S se trouver inférieure à celle de la zone 9. La diffusion de chaleur se fait alors en sens inverse de la zone 9 vers la zone 6. Progressivement, le transfert de la chaleur emmagasinée dans la zone 9 abaisse sa température jusqu'à une valeur à laquelle elle n'est plus utilisable Cependant, dès qulune journée ensoleillée parvient à relever la température de la zone 6 à un niveau convenable, cette chaleur pourra autre stockée pour être utilisée au cours de la nuit suivante. Celà constitue un avantage par rapport aux systèmes usuels,où la chaleur recueillie se trouverait diluée dans la masse totale du réservoir et ainsi dégradée à un niveau de température inutilisable. Enfin, au printemps (figures Sa - 5b), les apports solaires augmentantwalors que les besoins en chauffage diminuent, la réserve thermique se reconstitue lentement aans la zone 9 et joue de nouveau son r8le pour les jours sans soleil. Les figures 6 et 7 illustrent une première forme de réalisation de 1' invention, dans laquelle le réservoir 12 est un réservoir en béton de forme parallélépipédique, qui comporte trois zones cylindriques 13 emplies d'eau (premières zones au sens de la demande), entourées d'un mélange 14 de graviers et d'un gel aqueux de polymères de dérivés de l'acide acrylique (seconde zone au sens de la demande). La séparation entre les zones 13 et 14 est constituée par des conduits cylindriques 15 en béton, par exemple du type utilisé pour le gainage des puits. On peut également utiliser des conduits en béton cellulaire, dont le pouvoir semi-isolant est plus élevé. Le conduit d'arrivée d'eau des capteurs est représenté en 16 et le conduit d'alimentation du chauffage en 17.Le conduit 18 représente le retour du circuit de chauffage. I1 est connecté directement à l'alimentation du capteur, mais comporte une dérivation 19 qui plonge au fond de la zone 13. Dans la variante de la figure 8, où les organes déjà décrits en relation avec la figure 7 conservent les mêmes références affectées de l'indice a, la zone l4a est constituée, comme pré cédemment, d'un mélange de graviers et de gel, mais la zone 13a est rempli d'un gel aqueux, dans lequel est noyé un serpentin 20, forant échangeur thermique, qui est alimenté par le conduit 16a connecté aux capteurs et relié au conduit 179 conduisant aa système de chauffage. Les deux conduits 16a et l7a peuvent être reliés directement par une vanne 21.Les conduits de retour aux capteurs et d'évacuation du système de chauffage n'ont pas été représentés sur le dessin t le retour peut s'effectuer directement du corps de chauffe aux capteurs. Les graviers peuvent autre remplacés éventuellement par des fragments de minerai de fer, dont la capacité de stockage thermique est plus élevée que celle des graviers. Dans cette forme de réalisation comportant un échangeur thermique 20, la température du stockage est inférieure de quelques degrés à celle de l'eau en provenance du capteur solaire et la température de restitution est également inférieure de quelques degrés a celle du stockage. Cette réalisation présente toutefois de l'intérêt dans le cas où l'eau du capteur doit entre protégée contre le gel par addition d'un antigel, car la quantité de liquide en circulation est beaucoup plus faible, puisqu'elle ne comprend pas le volume de la zone l3a. Dans les dispositifs connus pour le stockage à longue durée d'énergie calorifique qui utilisent une masse d'eau importante, un inconvénient sérieux réside dans le fait que tout apport de calories est innédiatement réparti dans toute la masse de stockage, qui se trouve à une température plus faible. Cc-ne, ainsi qu'il a été rappelé ci-dessus, les rendements des capteurs et des corps de chauffe varient en sens inverse en fonction de leur température, toutebaisse de niveau thermique est préjudiciable å l'efficacité globale du système de chauffage.Le réservoir d deux étages conforme & l'invention évite cet inconvénient et, par là mêmeS permet d'obtenir des rendements de captation et de restitution plus élevés. Il en résulte une économie d'énergie plus importante pour une meme surface de capteurs et pour une meme surface de corps de chauffe. De plus, le volume total occupé par le réservoir peut être moindre et il en résulte une possibilité d'application de ce réservoir au chauffage de maisons individuelles. On notera que les dispositifs de stockage qui viennent entre décrits trouvent également une application pour le stockage d'énergie calorifique A moyenne durée, par exemple dans les régions & conditions météorologiques variables, comprenant par exemple deux jours ensoleillés par semaine. Enfin, les réservoirs conformes à l'invention peuvent servir également au stockage et à la restitution d'énergie thermique provenant d'autres sources de chaleur que les capteurs solaires, par exemple de rejets intermittents d'eaux chaudes industrielles et d'utilisations intermittentes d'eau chaude en provenance d'une source constante de puissance très inférieure & celle de la demande. REVENDICATIONS 1.- Réservoir pour l'emmagasinage de l'énergie calorifique véhiculée par un fluide circulant dans un premier circuit, notamment le circuit de circulation d'eau d'au moins un capteur solaire à eau, et pour la restitution de cette énergie à un fluide circulant dans au moins un second circuit, notamment à l'eau d'un circuit de chauffage, ce réservoir étant caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux zones distinctes en contact thermique mutuel, la première de ces zones étant seule en contact thermique avec lesdits circuits et étant en un matériau à forte conductibilité thermique et, de préférence, à forte masse spécifique, afin de présenter une diffusivité thermique élevée, tandis que la seconde zone est en un matériau dont la diffusivité thermique est au plus égale à celle du matériau de la première zone, mais occupe un volume beaucoup plus important que celui de la première zone. 2.- Réservoir selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde zone entoure la première zone. 3.- Réservoir selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde zone est contiguë à la première zone. 4.- Réservoir selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la séparation entre la première et la deuxième zones résulte seulement d'une différence de nature entre leurs matériaux constitutifs, et en ce que le matériau de la seconde zone a une diffusivité thermique inférieure à celle du matériau de la première zone. 5.- Réservoir selon la revendication 4, caractérisé en ce que des armatures de renfort sont prévues dans la surface de séparation. 6.- Réservoir selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la première et la deuxième zones sont séparées par une barrière en un matériau thermiquement semi-isolant. 7.- Réservoir selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le matériau de la première zone est un matériau homogène. 8.- Réservoir selon la revendication 7, caractérisé en ce que le matériau de la première zone est un fluide identique au fluide circulant dans lesdits circuits, notamment de l'eau, et en ce que ladite première zone communique avec lesdits circuits. 9.- Réservoir selon la revendication 8, caractérisé en ce que le matériau de la première zone est un gel aqueux et en ce que lesdits circuits sont en contact thermique avec ledit gel pour au moins un serpentin formant échangeur thermique noyé dans ledit gel. 10.- Réservoir selon la revendication 9, caractérisé en ce que les deux circuits communiquent entre eux par l'intermédiaire dudit serpentin. 11.- Réservoir selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le matériau de ladite deuxième zone est un matériau hétérogène. 12.- Réservoir selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit matériau hétérogène comprend des graviers ou des fragments de minerai de fer noyés dans un gel aqueux.