Brevet FR2466719A1 — publié le 19810410

La présente invention se réfère aux installations de production d'eau chaude par utilisation de la chaleur solaire. On sait que les installations du genre en question comprennent en principe un ou plusieurs capteurs dans lesquels on fait circuler un fluide caloporteur qui vient chauffer un ballon jouant le rôle d'accumulateur d'eau chaude. Le fluide caloporteur peut être constitué par l'eau meme qu'on désire chauffer, mais cela comporte divers inconvénients et l'on préfère donc utiliser à cet effet un fluide particulier (qui peut d'ailleurs être de l'eau ou une solution aqueuse) en prévoyant un échangeur intermédiaire, tel par exemple qu'un serpentin disposé à l'intérieur du ballon. Les installations connues posent toute une série de problèmes qui n'ont-pu etre résolus jusqu'ici de façon satisfaisante. Le premier de ceux-ci est constitué par le risque de gel. Certes on peut utiliser comme fluide caloporteur un liquide ne se congelant pas aux plus basses températures susceptibles d'être rencontrées, voire un gaz tel que l'air atmosphérique, mais cela complique l'installation. On préfère en général prévoir un système de vidange automatique par temps froid non ensoleillé* Cette solution exige toutefois que lorsque le soleil brille à nouveau l'installation soit remise en état de marche. Un autre problème mal résolu jusqu'à ce jour est celui du rendement instantané des capteurs, c'est-à-dire du rapport entre la quantité de chaleur recueillie par le fluide caloporteur dans le capteur considéré et celle que celui-ci reçoit du soleil. On constate dans la pratique que ce rapport baisse à mesure que la température d'entrée de ce fluide s'élève. Le chauffage de l'eau du ballon ralentit donc, ce qui oblige à prévoir des capteurs exagérément puissants, toutes conditions égales d'ailleurs. Le troisième problème réside dans le fait que lorsque le soleil commence à briller, notamment le matin, il faut attendre un certain temps avant qu'on ne puisse prélever de l'eau chaude à partir du ballon. En effet si dès que le serpentin d'échange est chauffé, des filets d'eau tendent à s'élever dans le ballon pour créer une zone chaude dans le haut de celui-ci, là ou s'ouvre la canalisation de sortie, au début ces filets se refroidissent beaucoup en s'élevant et il faut donc que toute l'eau du ballon ait commencé à s'échauffer de façon notable avant que la zone précitée puisse se former de façon suffisante. Suivant une première caractéristique de l'invention, dans une installation solaire de production d'eau chaude comprenant un ballon, un circuit séparé d'eau jouant le rôle de fluide caloporteur, un échangeur entre ledit circuit et le ballon, (par exemple un serpentin disposé dans ce dernier) et une pompe de circulation ne constituant pas fermeture étanche à l'arrêt (par exemple une pompe centrifuge), on prévoit d'interposer sur le parcours de l'eau caloporteuse entre le capteur et l'échangeur un réservoir intermédiaire renfermant un matelas de gaz, préférablement d'azote, de manière que lorsque la pompe s'arrête, l'eau du circuit caloporteur vienne s'amasser dans ledit réservoir, tandis que le gaz remonte dans le capteur dont la vidange est ainsi assurée.On comprend que dans ces conditions un simple détecteur de température suffise à éviter tout risque de gel dans le capteur et les canalisations qui lui sont as sociées, étant admis que le réservoir et le ballon sont disposés dans un local où ce risque n'existe pas. On utilise avantageusement en guise de détecteur un appareil sensible à la différence entre la température du capteur et celle du ballon, cet appareil agissant ainsi pour ne mettre le premier en action que lorsqu'il est susceptible de fournir de la chaleur au second. Suivant une autre caractéristique de l'invention l'on prévoit un premier échangeur de chaleur auxiliaire interposé entre l'eau froide d'alimentation du ballon (eau de la distribution locale, par exemple) et l'eau du circuit caloporteur qui retourne au capteur en sortant de 1' échangeur principal (serpentin) prévu entre ce circuit et le ballon. Par conséquent lorsqu'on prélève de l'eau chaude à partir du ballon, l'eau froide que celui-ci reçoit en échange refroidit l'eau du circuit caloporteur revenant au capteur dont le rendement instantané' se trouve ainsi augmenté. Enfin, suivant une troisième caractéristique de l'invention l'on prévoit un second échangeur de chaleur auxiliaire entre l'eau du circuit caloporteur qui sort du capteur pour aller à l'échangeur principal ou serpentin et l'eau prélevée à partir du ballon. On comprend qu'ainsi lorsque le capteur fonctionne, mais que l'eau du ballon n'est pas encore à la température voulue, ce second échangeur assure son réchauffage, ce qui permet d'utiliser l'installation dès que le soleil commence à briller, sans avoir à attendre que le ba-llon se soit échauffé. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer La figure unique de ce dessin montre sous forme schématisée une installation de chauffage suivant l'invention. L'installation représentée comprend un capteur 1, qu'on a supposé réalisé sous la forme usuelle d'un panneau plat convenablement incliné, comportant une paroi arrière noire la et une glace avant lb qui ménagent entre elles un espace 1c dans lequel on fait circuler l'eau du circuit caloporteur entre une canalisation inférieure d'entrée 2 et une canalisation supérieure de sortie 3. On a d'autre part représenté en 4 le ballon destiné à renfermer l'eau échauffée par ledit circuit. Ce ballon renferme un serpentin 5 formant échangeur principal. Son extrémité inférieure Sa est reliée par une canalisation 6 à une pompe de circulation 7, du type centrifuge, dont la canalisation de sortie 8 aboutit X un premier échangeur auxiliaire 9 à partir duquel part la canalisation d'entrée 2 précitée. Quant à la canalisation de sortie 3, elle aboutit à un second échangeur auxiliaire 10 qu'une canalisation 11 relie à un réservoir 12. Le bas de ce dernier est relié par une canalisation 13 à l'extrémité supérieure 5b du serpentin 5. Les échangeurs auxiliaires 9 et 10 peuvent être de type quelconque. Pour la clarté du dessin on les a représentés comme comprenant deux éléments plats au contact l'un de l'autre, mais ceci simplement à titre symbolique. Le second élément de l'échangeur 9 re çoit par une canalisation 14 l'eau froide destinée à alimenter le ballon 4, par exemple l'eau d'une distribution locale (eau de ville) et à cet effet il est relié au bas de ce ballon par une canalisation 15. Quant au second élément de l'échangeur 10, il est relié d'une part au haut du ballon 4 par une canalisation 16, d'autre part à la distribution d'eau chaude par une canalisation 17. Du haut du réservoir 12 part une canalisation 18 qui aboutit à l'entrée de la canalisation de sortie 3 à travers un clapet antiretour 19 orienté de façon à bloquer l'écoulement en direction du réservoir 12. Ce dernier renferme un matelas d'azote qui, mime lors des plus grands froids, se trouve à une pression supérieure à celle de l'atmosphère afin d'éviter toute rentrée d'air. Les canalisations 2, 3 et 18 présentent une pente assurant l'écoulement du liquide à partir du capteur quand rien ne s'y oppose. D'autre part toute l'installation, sauf le capteur 1 et une partie des canalisations 2, 3 et 18, se trouve à l'intérieur d'un bâtiment qu'on supposera maintenu à une température supérieure à OOC. On a schématisé en 20 le mur de ce bâtiment que traversent les canalisations 2, 3 et 18. Deux sondes thermométriques 21 et 22 sont disposées dans le haut du capteur 1 et du ballon 4, ces deux sondes étant reliées par des lignes électriques 23 et 24 à un comparateur 25 qui commande la mise en marche et l'arrêt du moteur 26 de la pompe 7. Lors du montage de l'installation l'on a rempli d'eau le réservoir 12 jusqu'à un niveau A-A situé dans sa partie haute en ménageant un espace suffisant, comme on le comprendra plus loin. Cette eau, destinée à jouer le rôle de fluide caloporteur, remplit.bien entendu le serpentin 5, la pompe 8, l'élément correspondant du premier échangeur auxiliaire 9 avec les canalisations 13, 6 et 8. Elle s'élève jusqu'au niveau A-A dans les canalisations d'entrée et de sortie 2 et 3. Le reste de ces dernières ainsi que le capteur 1 lui-même sont remplis d'azote. Dès que la première sonde 21 décèle une température supérieure à celle de la seconde 22, le comparateur 25 met en marche le moteur 26 et par conséquent la pompe 7. L'eau circule alors dans le circuit caloporteur 8-9-2-1-3-10-12-13-5-6, l'azote étant refoulé par la canalisation 3 dans le réservoir 12 à l'intérieur duquel le niveau s'abaisse jusqu'en B-B. Le serpentin 5 est alimenté en eau caloporteuse chaude et il échauffe l'eau de consommation renfermée par le ballon 4. Si le capteur 1 est capable de donner une température supérieure à 1000C, on évite le risque d'ébullition en envoyant le signal de la première sonde 21 à un comparateur de niveau 27, convenablement taré, qui arrête le moteur 26par exemple vers 900C. Lorsqu'on tire de l'eau du ballon 4 pendant le fonctionnement de la pompe 7, cette eau traverse le second échangeur auxiliaire 10 et par conséquent si elle n'est pas à une température assez élevée, elle s'échauffe en présence de l'eau caloporteuse très chaude qui sort du capteur 1. Ainsi, le matin, même si le ballon 4 ne renferme plus d'eau à une température suffisante, on peut obtenir de l'eau chaude dès que le soleil a commencé à briller, sans avoir à attendre un échauffement général du ballon. L'eau qu'on prélève ainsi du ballon 4 est évidemment remplacée par de l'eau froide provenant de la canalisation 14. Cette eau traverse le premier échangeur auxiliaire 9 et elle s'échauffe en refroidissant l'eau caloporteùse encore plus ou moins chaude ou tiède refoulée par la pompe 7. Le capteur 1 reçoit donc de l'eau relativement froide et son rendement instantané s'en trouve relevé. Le chauffage du ballon 4 est par conséquent plus rapide et la chaleur solaire se trouve mieux utilisée. Lorsque la température de la première sonde 21 devient inférieure à celle de la seconde 22, le moteur 26 s'arrête. L'eau du circuit caloporteur retourne donc au réservoir 12 à travers la canalisation 2, le premier échangeur 9, la canalisation 8, la pompe 7 alors à l'arrêt, la canalisation 6, le serpentin 5 et la canalisation 13. Le niveau dans le réservoir 12 remonte en A-A. Le clapet 19 empêche toute rentrée d'eau intempestive dans la canalisation 18 qui reste ainsi réservée à l'azote pour lui permettre de remplir le capteur lors de la vidange du capteur. On comprend que dans ces conditions lorsque le capteur 1 ne reçoit pas le rayonnement solaire, il ne risque nullement le gel, non plus d'ailleurs que les parties extérieures des canalisations 2 et 3, puisque la seconde sonde 22 est toujours à une température supérieure à OOC et que la vidange de l'eau du circuit caloporteur s'effectue dès que celle du capteur s'abaisse au-dessous de cette limite. L'invention a donc bien permis de résoudre de façon très simple tout l'ensemble des problèmes énoncés plus haut. Bien entendu le réservoir 12 doit être de capacité suffisante pour que lors de la mise en marche de la pompe et du remplissage du capteur 1 avec les parties des canalisations 2 et. B situées audessus du niveau A-A, il reste encore une quantité d'eau appréciable dans sa partie basse (c'est- -dire pour que le niveau B-B se situe nettement au-dessus de son fond). 'En outre il convient de tenir compte de la dilatation de l'eau caloporteuse entre la température la plus basse du bâtiment et celle maximale du capteur et du ballon en fin de chauffage, cette dilatation tendant à élever les niveaux A-A et B-B.Le volume du matelas d'azote doit d'autre part être assez -important pour que ces dilatations soient sans influence notable sur sa pression, laquelle est alors uniquement fonction de la température propre du gaz et peut donc être prévue. I1 doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n' a été donnée qu' titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. On comprend tout d'abord que le liquide utilisé pour le circuit caloporteur pourrait être autre que de l'eau pure. On pourrait utiliser des solutions aqueuses de substances minérales ou organiques, des hydrocarbures à bas point de congélation, etc... Le gaz formant le matelas gazeux pourrait être autre que l'azote. C'est ainsi que l'air peut convenir quand il n'y a pas de problèmes d'oxydation. Le type de capteur peut être quelconque. Etant donné que le réservoir 12 renferme en service de l'eau caloporteuse chaude, on pourrait en certains cas le disposer à l'intérieur du ballon 4 pour qu'il contribue à chauffer l'eau de consommation renfermée par celuici. Enfin il va sans dire que l'installation peut comporter des moyens auxiliaires de chauffage en cas d'insuffisance de l'énergie solaire, tels par exemple que des résistances électriques incorporées au ballon 4 et commandées par des détecteurs appropriés. Enfin, bien qu'on ait plus ou moins implicitement supposé au cours de la présente description que l'eau chaude emmagasinée dans le ballon était destinée à être envoyée à des robinets distributeurs pour des salles d'eau, cuisines, etc..., il est bien évident qu'on pourrait également l'utiliser pour une installation de chauffage central en prévoyant un volume suffisant pour le ballon qui deviendrait alors un véritable réservoir. R E V E N D I C A T I O- N S 1. Installation de production d'eau chaude par utilisation de chaleur solaire, du genre comprenant au moins un capteur de rayonnement, un ballon accumulateur d'eau chaude, un circuit à liquide caloporteur transférant la chaleur du capteur au ballon par l'intermédiaire d'un échangeur principal, tel qu'un serpentin disposé à l'intérieur dudit ballon, une pompe de circulation montée dans ce circuit, cette pompe, par exemple du type centrifuge, ne formant pas fermeture étanche à l'arrêt, et des moyens détecteurs de température commandant la mise en marche de l'arrêt de l'installation, caractérisée en ce que sur le circuit du liquide caloporteur, entre le capteur et l'échangeur principal associé au ballon est interposé un réservoir intermédiaire renfermant un matelas gazeux et situé à un niveau inférieur à celui du capteur, de manière que lorsque la pompe s'arrete, le liquide du circuit vienne s' amasser dans ce réservoir, tandis que le gaz remonte dans le capteur dont la vidange est ainsi assurée. 2. Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le réservoir est disposé dans un local ne comportant pas de risque de gel. 3. Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens détecteurs répondent à la différence de température entre le ballon et le capteur de manière à arrêter la pompe quand le capteur est plus froid que le ballon et à la remettre en marche dans le cas inverse. 4. Installation suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le matelas gazeux est constitué par de l'azote. 5. Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un échangeur auxiliaire que traversent d'une part l'eau froide de consommation entrant dans le ballon et d'autre part le liquide caloporteur retournant de l'échangeur principal au capteur. 6. Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un second échangeur auxiliaire que traversent d'une part l'eau chaude de consommation sortant du ballon, d'autre part le liquide caloporteur allant du capteur à l'échangeur principal.