Brevet FR2443029A1 — publié le 19800627

La présente invention concerne un procédé de mise en exploitation de capteurs solaires pour la production d'eau chaude notamment sanitaire stockée dans des ballons de stockage, ainsi qu'une installation perfectionnée de chauffage d'eau du type utilisant un capteur solaire pour chauffer au moins en partie de l'eau stockée dans un ballon de stockage et comprenant un circuit de circulation forcée d'eau traversant le capteur solaire. On connatt diverses installations de chauffage d'eau comportant des capteurs solaires dans lesquelles lorsque des conditions favorables d'exploitation sont réalisées, c'est-àdire que le capteur solaire reçoit suffisamment d'énergie pour que l'eau ou le fluide d'échange qui y est contenu soit porté à une température supérieure à celle de l'eau de stockage, on établit une circulation de fluide d'échange dans le capteur solaire qui transfère l'énergie reçue à l'eau de stockage. Cette circulation peut se faire automatiquement par thermosiphon ou plus généralement en circulation forcée par l'intermédiaire d'une pompe contrôlée par des thermo-sondes différentielles mesurant et comparant à tout instant la température régnant aux capteurs et celle régnant au stockage. Un inconvénient de telles installations est qu'elles nécessitent la création d'un circuit d'échange thermique indépendant du circuit d'eau chaude produite et protégé contre le gel, compte tenu des températures très basses auxquelles peuvent etre exposés les capteurs notamment par nuits claires. D'autre part du fait de l'indépendance du circuit de chauffage comprenant les capteurs par rapport à 11 eau stockée on ne peut forcément obtenir de l'eau de stockage à température aussi élevée que celle du fluide rejeté à la sortie du capteur solaire. L'invention a pour objet de remédier aux inconvénients mentionnés de l'art àntérieur en assurant une simplification de l'installation, en permettant d'obtenir une température plus élevée de l'eau de stockage et un meilleur rendement de chauffage tout en évitant simultanément tous les problèmes annexes de gel. Ces buts sont atteints selon l'invention en faisant passer directement de l'eau froide pompée par une pompe de circulation dans le ballon de stockage à travers les capteurs et en renvoyant liteau chaude produite à la sortie des capteurs dans le ballon dès que les conditions d'exploitation sont favorables et en arrêtant cette circulation lorsque lesdites conditions font défaut en laissant vidanger 11 eau contenue dans les capteurs vers un réservoir récepteur à l'abri du gel, cette vidange s'effectuant en envoyant dans lesdits capteurs du gaz sous-pression contenu dans un vase d'expansion, ledit gaz étant refoulé vers ledit vase et lesdits capteurs étant remis en eau dès remise en route de la pompe de circulation. De cette façon on comprend qu'on chauffe directement dans les capteurs l'eau de stockage sans passage à travers aucun échangeur de chaleur et que dtautre part on évite tous les problèmes de gel, les capteurs étant vidangés automatiquement dès qu'ils ne reçoivent pas une énergie solaire suffisante au chauffage de l'eau. Une installation perfectionnée permettant la mise en oeuvre du procédé ci-dessus mentionné se caractérise en ce qu'elle comprend - un circuit d'eau traversant le capteur solaire comprenant un conduit de soutirage débouchant dans une partie froide du ballon, une pompe de circulation, le capteur solaire, et à la sortie du capteur un séparateur eu/gaz et un conduit de rejet de l'eau chauffée en liaison avec la partie en phase liquide du séparateur, lequel conduit débouche dans une partie médiane ou haute du ballon, et - en parallèle sur ce circuit un vase d'expansion contenant un gaz sous-pression dont la phase gazeuse communique par un conduit à travers ledit séparateureau/gaz avec la partie haute du capteur. Avantageusement le vase d'expansion contient en partie basse de l'eau et ladite partie basse communique par un conduit en pente avec un point haut du ballon de stockage situé à un niveau plus bas assurant le dégazage automatique de l'eau contenue dans ledit ballon. D'autres caractéristiques objets et avantages de l'invention apparaitront plus clairement à laide de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés illustrant schématiquement un mode de mise en oeuvre de l'invention. Selon ltexemple illustré l'installation comprend un ballon 1 de stockage alimenté en eau froide de la ville comme indiqué en 2 au travers d'une vanne dearrêt 3 et d'un clapet anti-retour 4 tout ce qutil y a de plus usuels en la matière. L'eau chaude produite qui peut être une"eau chaude sanitaire" est soutirée à la partie haute du ballon par le conduit 5 sous la pression P d'alimentation du ballon. Avantageusement la partie supérieure 6 du ballon de stockage présente une section réduite, par exemple en tronc de cône assurant un chauffage plus rapide de 11 eau soutirée en premier lieu de l'installation. Un chauffage d'appoint 7 par résistance électrique ou par exemple par échangeur d'eau chaude chauffée au gaz ou au fuel peut être prévu et mis en action si besoin est à titre principal ou d'appoint en cas d'insuffisance d'énergie captée par les capteurs solaires par suite par exemple de conditions climatiques défavorables. En 8 on a figuré une soupape de sécurité également classique dans la technique évitant des surpressions au ballon. Le circuit de chauffage par capteurssolair comprend un conduit de soutirage 9 débouchant dans une partie basse, c'est-à-dire la plus froide du ballon 1, une pompe de mise en circulation 10, un conduit de liaison Il reliant la pompe 10 au capteur solaire 12, un séparateur diphasique eau/gaz 13 relié par un conduit 14 à la partie la plus haute de sortie du capteur et un conduit 15 de rejet vers le ballon de stockage 1 de 11 eau chaude chauffée par le capteur 12. On notera que le conduit 15 débouche dans une partie médiane ou relativement haute du ballon 1, avantageusement un peu en-dessous de la partie supérieure 6 et des moyens 7 de complément de chauffage. Sur le conduit 15 est montée une vanne 16 réglable permettant de régler la perte de charge créée entre la sortie 14 du capteur 12 et le débouché 17 du conduit 15 dans le ballon 1. Le séparateur diphasique 13 se compose d'une petite capacité 18 qui communique àsa partie inférieure en 19 avec le conduit 15, dans sa partie médiane en 20 avec le conduit 14 de rejet de l'eau chaude à la sortie du capteur 12 et en sa partie haute en 21 avec un conduit 22 lui-même en liaison avec la partie haute en phase gazeuse sous-pression 23 d'un vase d'expansion 24. Le séparateur comprend également un flotteur tel qu'une bille légère 25 et à sa partie basse une grille 26 ou tout autre moyen destiné à empêcher la bille 25 d'obturer la communication en 19 avec le conduit 15 lorsque la bille tombe au fond du séparateur. Dans l'exemple illustré le vase d'expansion 24 est une capacité maintenue sous-pression contenant dans sa partie basse de l'eau telle qu'illustré en 27. Le vase communique en sa partie basse 28 par un conduit en pente 29 avec un point haut 30 du ballon de stockage 1 situé à un niveau inférieur au vase 24. Tel qu'illustré au dessin le vase 24 est de préférence situé à une hauteur h au-dessus du niveau le plus haut du ballon 1 et est situé à une hauteur H en-dessous du séparateur 13 lui-même situé sensiblement au niveau de la partie la plus hautedelasartie du capteur 12. Le vase 24 est avantageusement équipé de moyens permettant de déterminer le niveau de séparation atteint par la surface 27a de l'eau 27 qui est y est contenue. Ces moyens peuvent être constitués par un manomètre ou par exemple comme illustré par un tube 31 fermé à ses deux extrémités et communiquant par deux peits tuyaux 32, 33 avec la partie haute et la partie basse du vase d'expansion, c'est-à-dire respectivement en phase gazeuse et phase liquide. En outre des moyens tel qu'un entonnoir 34 pourvu d'un robinet d'arrêt 35 permettent l'introduction à la mise en route de l'installation d'un liquide tel que de la paraffine non miscible à l'eau et plus léger qu'elle empêchant tout contact direct entre la phase gazeuse 23 et la phase liquide 27 et par suite toute dissolution de gaz dans l'eau. Ce même entonnoir permet également de régler à la mise en route de l'installation le niveau de contre-pression que lson désire obtenir au vase d'expansion. Avantageusement le vase d'expansion 24 aura une capacité supérieure, par exemple sensiblement double du volume d'eau pouvant être contenu dans le capteur 12 le séparateur 13 et les différents conduits 15, 14, 11. On expliquera maintenant le fonctionnement de lginstallation. A la première mise en marche on commencera par mettre en eau l'installation. A cet effet on ouvre la vanne 3 d'admission d'eau de ville dans l'installation. L'eau commence à remplir le ballon 1 puis monte ensuite progressivement dans les conduits 11, 29. La purge de l'air chassé se fait par exemple par ouverture du robinet 35 équipant la partie supérieure du vase d'expansion 24. L'opération est arrêtée par exemple lorsque l'eau s'est élevée sensiblementàqu e de hauteur dans le vase d'expansion 24. A ce moment on ferme la vanne d'arrêt 3 et l'onintroduit par l'entonnoir 34 une petite quantité de liquide non miscible à l'eau devant isoler dans le vase d'expansion la phase liquide 27 de la phase gazeuse 23 constituée essentiellement par de l'air. Ce liquide peut être par exemple de la paraffine légère. On ferme alors le robinet 35 et l'on rouvre la vanne 3 mettant l'installation sous la pression P d'alimentation d'eau froide dans le ballon. Le niveau se stabilise dans l'installation, c'est-à-dire dans le vase d'expansion 24 et dans le conduit 11J par exemple à mi-hauteur dans le vase 24. Le vase d'expansion 24 étant avantageusement situé à une hauteur h au-dessus du niveau le plus haut du ballon 1 auquel il est relié par le conduit en pente 29 il y a purge automatique de toute quantité d'air éventuellement dissoute dans leau du ballon I et qui aurait pu s'y dégager, le vase d'expansion 24 jouant également le rôle de purgeur. En l'absence de fonctionnement de la pompe 10, le capteur solaire 12 étant situé à un niveau H au-dessus du vase d'expansion 24 il ne contient actuellement pas dteau, le niveau sistabilisant au niveau de la ligne horizontale s atteint dans le vase d'expansion 24. Il y a lieu de noter que dans cette position le flotteur 25 est dans la position illustrée en pointillé en 25' sur la grille 26 du séparateur 13, la phase gazeuse 23 étant donc en communication avec le capteur 12 et les parties supérieures des conduits Il et 15 qui sont de ce fait vidangés par simple gravité. Si on mesure la pression d'eau en hauteur manométrique de colonnes d'eau, la relation d'équilibre s'écrit P-= P + h, g en appelant P la pression d'eau régnant à la sortie du ballon 1 et mesurée en centimètres d'eau, P la pression de g la phase gazeuse régnant dans le vase 24 et mesurée en centimètres d'eau, et h la hauteur en centimètres telle que repérée à la figure séparant la partie supérieure du ballon 1 du niveau s de stabilisation. Si l'on suppose que le capteur solaire 12 reçoit une énergie solaire suffisante à le chauffer, ceci est détecté par la sonde thermique 37. Celle-ci quieG avErltageusement associée à une sonde thermique 38 prévue dans la partie basse du ballon 1 donne, par l'intermédiaire d'un boîtier de commande (non représenté) de tout type en soit connu l'ordre à la pompe 10 de se mettre en route dès que la température détectée par la sonde 37 est supérieure d'un certain nombre de degrés à la température détectée par la sonde 38. La pompe P se mettant en marche refoule sous la pression Pr l'eau prélevée par le conduit 9 dans la partie froide du ballon 1 vers le capteur solaire 12. Il suffit pour cela que la pression de refoulement Pr soit supérieure à la pression manomètrique de la colonne d'eau de hauteur H surmontant le niveau de stabilisation s. L'air contenu dans la partie supérieure du conduit 11 au-dessus du niveau s et dans le capteur 12 est refoulé à travers le séparateur 13 dans le vase d'expansion 24. Par contre l'air contenu dans la majeure partie du conduit 15 est refoulé dans le ballon 1 vers le vase 24. Lorsque l'eau ayant rempli le capteur 12 remplit la capacité 18 du séparateur 13, le flotteur 25 s'élève et vient obturer dans la position illustrée en trait plein la communication avec le conduit 22. L'eau circule donc tant que la pompe marche dans le conduit 11 en traversant le capteur 12 qu'elle quitte par le conduit de rejet 14 pour atteindre par le conduit 15 après réchauffement dans le capteur le ballon de stockage 1. En agissant sur la vanne de réglage 16 on ajuste à la valeur désirée la perte de charge sur le circuit de la pompe 10 de façon à obtenir le débit de circulation désiré sans créer trop de perturbations dans l'installation. On notera que toute quantité d2air éventuellement entrat- né notamment au démarrage de l'installation dans le conduit 15 åusqutau ballon 1 sera automatiquement purgé vers le vase d'expansion par le conduit en pente 29 relié en 30 à la partie supérieure du ballon 1. On notera d'autre part qu'avantageusement la sortie d'eau chaude 5 débouche à l'intérieur du ballon de stockage en 36 un peu en-dessous du niveau du point 30 de façon à permettre une purge complète du ballon de stockage 1. En fait l'oxygène de l'air qui se dissout dans l'eau sera rapidement éliminé de l'installation, la phase gazeuse 23 n'étant plus rapidement consituée que par de l'azote. Ainsi l'installation se trouvera automatiquement protégée au milieu gazeux neutre contre toute corrosion. Comme illustré on prévoit avantageusement une autre sonde thermique telle que 39 placée en partie médiane ou plus ou moins haute du ballon. Cette sonde 39 pourra commander en cas d'insuffisance de température dans la partie supérieure 6 du ballon la mise en route du moyen de chauffage d'appoint 7. Elle pourra également commander en cas de température excessive atteinte dans le ballon, par exemple par suite d'une exposition solaire très forte, l'arrêt de la pompe 10. L'arr8t de la pompe 10 est également commandée automatiquement lorsque la température détectée par la sonde 37 devient inférieure ou pas suffisamment supérieure à la température détectée par la sonde 38. Il apparaît que dès l'arrêt de la pompe 10, que ce soit du fait d'une insuffisance du chauffage solaire ou du fait d'une sur-température au ballon 1, la pressionde refoulement Pr s'annulant,le le capteur 12 et les parties supérieures des conduits Il et 15 se vidangent automatiquement par gravité, le gaz contenu dans le vase d'expansion 24 passant par le conduit 22 et le séparateur 13 permettant cette vidange. Le niveau dans l'installation se restabilise alors au niveau s dans les conditions indiquées plus haut. De ce fait l'installation est automatiquement protégée contre les surchauffesduesà une sur-exposition solaire et contre tout risaue de gel notamment des capteurs lorsqu'il y a défaut d'exposition solaire. Bien entendu, de nombreuses variantes peuvent être apportées au mode de mise en oeuvre décrit. C'est ainsi en particulier que le vase d'expansion 24 n'est pas obligatoirement en liaison avec le ballon 1. Le conduit 29 peut être supprimé et l'on prévoit alors avantageusement en haut du ballon 1 un purgeur d'air classique automatique. Dans de telles conditions le vase dtexpansion 24 peut être constitué par une capacité telle qu'unie sphère contenant seulement un gaz sous-pression, par exemple de l'azote. La pression Pg dans la sphère doit être seulement suffisante pour assurer la relation d'équilibre ci-dessus mentionnée: P = P + h, g en assurant la vidange des capteurs jusqu'au niveau h désiré au-dessus du ballon 1. La relation P = P g + h peut également s'écrire P g = P-h. Ceci signifie que la pression de la phase gazeuse contenue dans la capacité 24 doit être d'autant plus élevée que la hauteur h est faible, c'est-à-dire que le vase d'expansion est placé plus bas. Il apparaît même que dans de telles conditions il est possible d'assurer la purge sous-pression de la phase gazeuse Pg du vase d'expansion 24 automatique lors de l'arrêt de la pompe 10 par refoulement dans le ballon 1 même si le capteur 12 est situé à un niveau inférieur à celui du ballon. Ceci peut être intéressant par exemple si les capteurs solaires sont disposés au sol, le ballon de stockage pouvant être situé à un étage d'une maison. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation illustré et décrit qui n'a été donné qutà titre d'exemple, l'invention comprenant les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-sont réalisées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Procédé de mise en exploitation de capteurs solaires pour la production d'eau chaude notamment sanitaire stockée dans des ballons de stockage, caractérisé en ce qu'en vue de simplifier l'installation, accroître son rendement et éviter tous problèmes annexes de gel et de corrosion, on fait passer directement de l'eau froide pompée par une pompe de circulation dans le ballon de stockage à travers les capteurs et l'on renvoie l'eau chaude produite à la sortie descapteurs dans le ballon dès que les conditions d'exploitation sont favorables, et l'on arrête cette circulation lorsque lesdites conditions font défaut en laissant vidanger l'eau contenue dans les capteurs vers un réservoir récepteur à l'abri du gel, cette vidange 5 s'effectuant en envoyant dans lesdits capteurs du gaz sous pression contenu dans un vase d'expansion, ledit gaz étant refoulé vers ledit vase, et lesdits capteurs étant remis en eau, dès remise en route de la pompe de circulation. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on place ledit réservoir récepteur à un niveau inférieur à celui des capteurs et l'on établit une communication entre le stockage d'eau et ledit vase d'expansion effectuant de ce fait la vidange des capteurs par gravité. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'on laisse vidanger les capteurs vers ledit ballon de stockage à travers la pompe de circulation arrêtée. 4. Installation perfectionnée de chauffage d'eau du type utilisant un capteur solaire pour chauffer au moins en partie de l'eau stockée dans un ballon de stockage et comprenant un circuit de circulation forcéed'eau traversant le capteur solaire, lequel circuit est mis en action par des moyens de contrôle selon les conditions régnant dans le stockage, ladite installation étant caractérisée en ce qu'en vue de simplifier l'installatinn, accroître son rendement et éviter tous problèmes annexes de gel et de corrosion, ladite installation comprend - un circuit d'eau traversant le capteur solaire comprenant un conduit de soutirage débouchant dans une partie froide du ballon, une pompe de circulation, un capteur solaire, et à la sortie du capteur un séparateur eau/gaz et un conduit de rejet de l'eau chauffée en liaison avec la partie en phase liquide du séparateur, lequel conduit débouche dans une partie médiane ou haute du ballon - en parallèle sur ce circuit un vase d'expansion contenant un gaz sous pression dont la phase gazeuse communique par un conduit à travers ledit séparateur eau/gaz avec la partie haute du capteur. 5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit vase d'expansion est situé en dessous dudit capteur. 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que le vase d'expansion contient en partie basse de l'eau et ladite partie basse communique par un conduit en pente avec un point haut du ballon de stockage, situé à un niveau plus bas que le vase, assurant le dégazage automatique de l'eau contenue dans ledit ballon. 7. Installation selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que le séparateur eau/gaz est formé d'un clapet à flotteur qui obture la communication avec la phase gazeuse dudit vase d'expansion lorsque la pompe étant en fonctionnement ledit séparateur reçoit l'eau ayant traversé le capteur et qui ouvre cette communication lorsque ledit séparateur se vide à la suite de l'arrêt du fonctionnement de la pompe. 8. Installation selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisée en ce qu'une vanne de réglage créant une perte de charge réglable est montée entre le séparateur et le ballon de stockage sur ledit conduit de rejet. 9. Installation selon l'une des revendications 4 à 8, caractériséeen ce que le ballon de stockage a une section réduite dans sa partie haute. 10. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que des moyens de chauffage d'appoint tels par exemple que des résistances électriques, sont situés en partie haute du ballon.