Brevet FR2461897A2 — publié le 19810206

FR 2461897 A2 19810206 FR 7918761 A 19790718 La présente addition a pour objet de décrire un certain nombre de perfectionnements a portés au brevet principal perfectionnements por tant respectivement sur un tracé de canalisations destinées au stockage,et au déstockage de la chaleur dans le sol,tracé particulièrement adapté au petlts et moyens immeubles (revendications 1, 2, 3 et 12 du brevet,notamment); divers aménagements du sous-sol,destinés à optimiser les échanges et le stockage,et à limiter les pertes (revendications 12 2, 3 et 12 du brevet,notamment); la possibilité d'utiliser l'eau sans antigel,même par très grand froid (revendications 7, 10 et 11 du brevet,notamment);; la possibilité de réduire la température de stockage dans le sol, en associant au sol un autre dispositif de stockage saisonnier (reven dictions 1 et 11 du brevet,notamment) ; la possibilité d'améliorer les performances moyennes de la pompe à chaleur en utilisant un appoint stocké on stockable (revendications 9,- 10 et 11 du brevet,notamment). Dans un badinent de petite ou moyenne importance, comportant une zône de stockage dans le sol de faible volume,les pertes risquent d'être,relativement,plus importantes,et un tracé de canalisations créant dans les parties périphériques du sous-sol,à l'intérieur ou à l'exté- rieur du batiment,une température de stockage inférieure à celle qui rt- gne au centre permet de limiter es pertesOUn exemple est décrit par la figure 7 ( Afin d'éviter tout risque de confusion,les figures de la pré sente addition sont numérotées à ia suite de celles du brevet,celles-ci l'étant de 1 à 6). La figure 7 représente un tracé qui pourra être adopté pour un batiment de forme rectangulaire dont les parois et le plancher sont figurés en 30.Le niveau de sol (31) dans le vide sanitaire sera établi afin qu'une intervention reste possible,en cas d'incident sur une cana lisation enfonie.Le fluide calovecteur arrive,lors du stockage,par un tube 32 et un distributeur 34,puis vers les surfaces d'échange 36,symbo- lisées ici par huit tubes symétriques,enfouies dans la partie centrale et s'y refroidit.Les tubes 37 l'acheminent alors vers les surfaces d'é-, change 38 placées de façon à "envelopper" les zones les plus chaudes du sous-sol,par la création d'une région à température de transition.Le fluide, qui circule dans le sens des flèches est ensuite ramené vers le retour 33 par le collecteur 35.En hiver,la reprise-de la chaleur est obtenue en inversant le sens de circulation du fluide dans le réseau, (entrée en 33,sortie en 32), de telle sorte que le fluide de récupération (qui peut provenir de l'évaporateur d'une pompe à chaleur)refroidit la région po'riphérique,éliminant ainsi tout risque ultérieur de pertes cal rifiques,et permettant même,éventuellement,de capter de la chaleur sur |le sol extérieur au stockage,si sa température descend an dessous de 180 le parcours ultérieur du fluide de récupération lui permet de se réchaud fer à nouveau, et d'être utilisé avec ou sans nouveau réchauffage. La figure 8 est une variante de la figure 7,dans laquelle le réseau chaud est implanté à proximité de la surface du sol (en sous-sol3 et le réseau tiède à l'extérieur de l'immeuble,les deux implantations @etant pas necessairement Iiees.ma@s @@insta@@a@@on presente a'au@res caractéristiques particulières. Les tubes du réseau chaud sont noyés dans une "couche de diffusion" 57 rapportée au dessus du sol du vide sanitaire 31 ,et surmontée par un calorifuge efficace 58.L'une des difficultés rencontrées dans le |stockage de chaleur directement dans le sol réside en effet dans le risque de séchage du sol autour des canalisations chaudes,séchage qui peut entrainer le décollement du sol de la canalisation,et,en sus,une diminution sensible du coefficient de transmission calorifique.La couche de diffusion pallie ce risque. Elle pourra être constituée,par exemple,par un produit particulièrement fluide à secXsable notamment) dont le contact avec le sol sera parfait, et dont le contact avec le tube restera satisfaisant.-Le pro duit sera choisi en tenant compte de son coefficient de conduction,aussi élevé que possible.La couche pourra, au contraire,être réalisée à l'aide 1d1un produit dont le contact. intime avec le tube soit assuré et fiable, (béton vibré enrobant le tube).Le cnotact avec le sol devra alors être optimisé,grace à la forme ou à la fragmentation de la couche de diffu tsion.Bien que la figure ne l'indique pas,le réseau "tiède" pourra être également traité de cette façon. Par ailleurs,l'installation représentée figure 8 pourra être améliorée par la mise en place directe,dans le sol,de sachets de pro- duits spéciaux dont les changements de phase sont obtenus à température fixe,et modérée,avec absorption (ou dégagement) d'une importante quanti- té de chaleur (chlorure de Calcium hexahydraté,par exemple dont le changement de phase se situe à 27 / 280).La localisation de ce produit,figu- rée par le nombre 59,devra faire l'obJet d'une étude spécifique à chaque cas,tenant compte,notamment,de sa température caractéristique. Le circuit décrit dans le brevet (figure implique une interpénétration de ses divers éléments qui oblige à l'emploi d'un fluide unique,dont le volume global sera nécessairement important,notamment à cause du réservoir.Or en hiver,ce fluide circulera dans les capteurs solaires et devra être alors protégé contre les risques de gel.Les solutions sont connues.Dans le cas présent,elles seraient conteuses et compliquées.Le risque de gel peut être supprimé en utilisant la chaleur con tenue dans l'air extrait du batiment pour réchauffer l'eau du circuit alors de son passage dans les capteurs solaires,en hiver,et cela, suivant diverses méthodes,dont trois sont décrites ci-dessous. La figure 9 montre la possibilité de réchauffer directement |l'eau avant son entrée dans les capteurs. L'eau arrive par un tube 39 dans une batterie de réchauffage 40 @@ @@ @emperature est re@evee,par @@empre,ue @@ @@, @@@ @@@@@@ du batiment arrive par une gaine 42 et est rejeté à l'extétrieur après a- voir été refroidi,par exemple,de 20 à 8 .t sa sortie de la batterie,une canalisation 41 conduit l'eau aux capteurs solaires; Ce Ce dispositif,s'il est conservé en permanence,occasionne quelques pertes de chaleur,pendant les périodes où,simultanément,le rayonnement solaire est nul,et la température extérieure inférieure à 70 (dans l'exemple).En revanche,tout système d'adjonction d'antigel,ou de vidange automatique est éliminé;;en outre l'installation est toujours en régi- me et le moindre rayonnement est capté dès son apparition.I1 sera enfin 1facile de réguler la température de l'eau dans les capteurs au plus bas niveau compatible avec la sécurité,soit en agissant sur le débit de l'air dans la batterie,soit en ne réchauffant qu'une partie de l'eau. Dans la variante de la figure 10,l'eau est réchauffée pendant son passage dans les capteurs.Ceux-ci comportent,entre l'élément collecteur 44 et le calorifuge 45 un espace vide 46 constituant plenum,dans le quel circule l-'air (42) extrait du batiment.Cet air y parvient par une une gaine 47 et des raccordements 48 et en sort par les évacuations 49 ;collectées par une gaine 50 qui le reste à l'extérieur.Le plenum 46 est conçu de telle sorte que l'échange soit optimal,et que l'air rejeté soit aussi complètement refroidi que possible.Ce plenum peut d'ailleurs etre iremplacé par des surfaces d'échange de forme quelconcue,et notamment par de simples gaines rondes.Il est en outre possible d'assurer le parfait refroidissement de l'air en utilisant une batterie montée sur l'air,en série ou en parallèle avec les capteurs. La figure 11 présente une autre forme de réalisation,dans le cas d'un capteur monté par composants,dans un comble,par exemple.Ce comble (51), fermé par une torture 52,comporte,sur le versent Sud,une ouverture vitrée 53 à travers laquelle le rayonnement solaire frappe un capteur 54 non vitré.L'air extrait est alors utilisé afin de r-chauffer le comble, et particulièrement la zone 55 comprise entre la vitre et le capteur. L'air (42) arrive par une gaine 56,qui le répartit au dessus de l'ensemble des captelrs,et ressort par le bas,soit pour être directement rejeté à l'extérieur, soit pour rentre dissipé dans le comble avant expulsion. Le risque de condensations,sur la vitre 53 en particulier,doit être analysé dent chaque cas,et est lié à la température extérieure mais aussi à la configuration du comble et du batiment. L'abaissement de la température de stockage dans le sol peut s'imposer,dans certains cas,par suite de la configuration des batiments et de l'importance relative des besoins de chaleur .La surface de capteurs nécessaire est fonction directe des besoins d'hiver, et est limitée au strict minimum par le cott élevé.Elle peut alors s'avérer insuffisante,en été,pour réaliser l'apport de chaleur nécessaire dans le sol en hiver,si les pertes sont trop importantes c'est-à-dire si la température de stockage est trop élevée.Il faut aussi tenir compte du fait qu'une temperature de stockage élevée réduit, soit le rendement des capteurs soit le rendement 'change dans le sol. Mais l'abaissement de la température de stockage conduit à l'emploi de pompes a chaleur, et le coefficient de performance de celles ci est lié à la température-d'évaporation.Toute action sur celle-ci é~; tant difficile,il est souhaitable de travailler à l'abaissement de la température de condensation.Ce résultat peut être obtenu par l'emploi d'un réservoir de stockage étroitement associé au stockage dans le sol, réservoir dans lequel la température serait égale à la température maximale exigée-au départ du chauffage (figure 4 du brevet).Nais il est égale ment possible d'utiliser de façon plus élaborée le réservoir 16 de la figure 6 du brevet. tes explications données ci-après tiennent compte de températures extérieures de référence,et de températures de fonctionnement du chauffage qu'il est utile de préciser au préalable.Il a été admisspour un climat détersiné,aue la température extérieure de référence était de -40,et que la température de fonctionnement du chauffage était alors de 360 au départ,pour 200 au retour.Pour une température de +40,les tempé- retures de chauffage seraient de 30 et 20 .Si un stockage accessoire permet de faire face à l'excédent des besoins entre -4 et +40,11 est possible de régler la pompe à chaleur à 30 à la condensation et de limi ter sa puissance au niveau correspondant.Lorsque la température extérieu re l'exigera,la tempérsture de réglage du condenseur passer@ à 36 ,mais la température d'alimentation de ce condenseur étant augmentée d'autant, la puissance existante suffira,et lenergie absorbée par le compresseur ne sera accrue que faiblement (par suite de la diminution du coefficient de performance).Le rendement moyen de l'installation restera excellent. La figure 12 montre la possibilité d'utiliser le réservoir 16, successivement,comme stockage journalier de régularisation,et comme stockage saisonnier.Cette dernière utilisation entraine l'augmentation de sa capacité,afin qu'elle réponde à l'augmentation des besoins,quand la température extérieure sera inférieure à +4 . En période normale (stockage de régularisation), la pompe 21 aspire l'eau par la tuyauterie 60,la vanne 61 étant fer@ée,et la vanne trois voies 62 bloquée dans la position correspondante.L'eau est réchauf fée dans le condenseur de 20 à 30 (par exemple)et revient par les tuyauteries 63 et 64,vanne 65 ouverte et vanne 66 fermée.Le réservoir est maintenue à température constante;;le chauffage des locaux est classique, avec régulation par la Vanne trois voies 15,elle-même asservie à un système de référence.En période de grand froid,les besoins excédant la puis sance de la pompe à chaleur,le schéma est différent.La vanne 15 est bloquée sur l'arrivée d'eau chaude,la vanne 69 étant fermée.La vanne 71 est fermée et la vanne 66 ouverte.La vanne trois voies 62 est mise en service et asservie au système de référence choisi.La vanne 61 est ouverte et la vanne 65 fermée.Le chauffage est directement alienté par la pompe à chaleur,celle-ci étant alors alimentée non plus en eau à 200 comme précédement (bas du réservoir),mais en eau réchauffée grace à un mélange entre le bas et le haut du réservoir,mélange dont la température est modulée par la vanne 62 en fonction des besoins du chauffage.La pompe à chaleur, sans augmentation sensible de puissance,passe de la plage de températures 20/30 à une plage maximale 26/360,et peut répondre aux besoins jusqu'à -4 .Son coefficient de performance s'abaisse alors un peu, mais il reste excellent,en moyenne,sur l'ensemble de l'hiver La figure 13 est une variante de la prêcédente.Le réservoir 16 est dissocié en deux réservoirs distincts: 151 journalier,de faible volume,et 16 saisonnier,de capacité adaptée au: besoins. a La régulation du chauffage reste,en permanence,assurée par la vanne trois voies 15.La température du réservoir 161 reste en permanen ce,en partie haute,égale à la température de consigne de la pompe à chaleur.Celle-ci sera,comme précédement,de 30 ju@qu'à +4 extérieurs,puis relevée en fonction des bsoins au dessous de +4 . Dans le premier cas,la vanne trois voies 72 est blouée,l'eau ne pouvant provenir que de 161.Dans le second ces,elle est mise n service et asservie afin de maintenir,en haut du réservoir 161 la température de consigne de la pompe à chaleur.La vanne 74 est ouverte,la vanne 76 restant fermée.La réalimentation du réservoir 162 est réalisée normalement grace au retour de l'installetion de chauffage.La température dans le réservoir 162 étant nettement supérieure à 20 ,la chaleur prélevée sur le réservoir saisonnier vient s'ajouter à celle qui continue à etre fournie par la pompe à chaleur. Le stockage dans le réservoir saisonnier pourra être efficace ment réalisé en utilisant la chaleur latente d'un produit tel que celui qui a déja étC mentionné,stocké en sachets ou tubes étanches et autour duquel circulera l'eau.La conservation en sera facile,les changements d'état annuels étant peu nombreux. La reconstitution du stock de chaleur sera assurée en été,ou même en période de radoucissement de la température :vanne trois voies 72 bloquée en direction de la vanne 74,elle-même ouverte,ainsi que la vanne 76,1a vanne 75 étant fermée,pendant cette opération. L'utilisation d'une énergie auxilliaire,de préférene stockable,est souvent préconisée en chauffage solaire.Elle permet,comme les solutions précéientes,de réduire la puissance de l'installation proprement solaire.La figure 14 schématise l'emploi d'une source de chaleur particulière,dans cette optique. La plupart des logements, et plus spécialement les maisons individuelles,disposent d'une cheminée à feu ouvert,généralement alimentée au bois.Il existe,dans le commerce,des dispositifs permettant d'associer un chauffage central à une cheminée à feu ouver,celle-ci rempla çant une chaudière.Ce matériel ne connait que peu de succès,ls servitudes d'alimentation en bois d'un feu ouvert étant peu compatibles avec la notion actuelle de chauffage central,et le confort qu'elle implique. Un tel dispositif,au demeurant peu onéreux,s'adapte,au contraire de façon remarquable,en vue d'assurer la réponse aux pointes,dans le cas d'un chauffage solaire.Dans le cas du climat déja évoqué, le chauffage est-normalement calculé pour +160 (200 en tenant compte des chaleurs dites gratuites) par -4 soit un écart de 200.I1 serait possible de calculer le chauffage solaire par +4O ou par 00,soit avec un écart de 16 ou même 120 suivant le cas.L'éonomie de puissance est alors de 20 ou 40 % et il devient possible de choisir les matériels,et not@m@ent @@ pompe à chaleur, dan@une sône de puissance telle qu'il@ fonctionnent avec un ren- dement maximal.Avec une base de 0 (économie de 20 %)il ne ser@ théoriquement nécessaire de faire appel à l'@ppoint qu'un jour en @oyenne par an,ce qui est mieux qu'acceptable,et les périodes de froid durable en dessous de 0 ne se manifestent que très rarement (un hiver sur dix,par exempel)et seront franchies au prix d'un effert de quelques jours.Si la base adoptée est de +40,ce cui entraine une puissance minore de 40 %,et peut permettre de rélaiser des installations impensables autrement,il sera nécessaire de faire fonctionner le feu de bois pendent sept à huit jours par an, ce qui reste encore très acceptable.L'association "solaire + bois" peut donc constituer une solution remarquables La figure 14 montre un montage en série,avec by-pass. Le corps de chauffe 77 est figuré au dessus du foyer.Il pourra tout aussi bien constituer une plaque de cheminée ou de chenets.Il sera obligatoire de prévoir un dispositif de sécurité interdisant la fermeture de la vanne de by-pass lors du fonctionnement du feu de bois. te montage en série n'est pas une nécessité,mais permet de bénéficier au mieux des avantages du système,puisque le feu de bois fournit non seulement la chaleur,mais la température de départ de l'eau du chauffage.Un montage en dérivation est poesible,mais présenterait l'inconvénient de réduire le volume d'eau passant dans le corps 77 et d'augmenter le risques d'usure due au feu. L'installation d'un feu de bois est d'une façon générale. con- sidérée,en elle-même,comme un facteur de confort.Le dispositif décrit peut par conséquent s'appliquer dans toutes les petites ou moyennes ins tallations où un appoint au gaz ou au fuel entrainerait une installation trop complexe,et où un appoint à l'électricité entrainerait un risque pour l'avenir,les jours de froid étant pour E.D.F. des jours de pointe, l'utilisation de l'électricité en effet Joule tant à proscrire,en tout état de cause. REVENDICATIONS 10- Dispositif conforme aux revendications 1, 2, 3 et 12 du brevet, dans lequel les surfaces d'échange sont-conctituées par deu@ réseaux successifs,montés en série,avec ou sanscollecteur(s) intercalé(s) entre les deux réseaux, l'un des réseaux étant implanté dans la zône centrale du sous-sol ou du vide sanitaire des batiments chauffés,l'autre réseau, dans lequel l'eau,comme le scl environnant, est à température plus basse, étant implanté à la périphérie des batime@ts,à l'intérieur ou à l'extérieur de ceux-ci,et/ou pertiellement en dessous du premier réseau et utilise ain de créer un écran aux pertes de chaleur de la ône la plus chaude. 20 - Dispositif conforme à la revendication 1 ci-dessus,dans lequel les tuyauteries ou éléments constituant les surfaces d'échange sont noyés dans une couche spéciale destinée à la diffusion de la chaleur,cette couche étant réalisée à l'aide de matériaux ayant une bonne conductibi lité thermique et permettant d'améliorer la liaison thermique entre les surfaces d'échange et le sol. 3 - Dispositif conforme aux revendications 1,et 2-ci-dessus,dans lequel le matériau constituant la couche de diffusion est choisi pour sa plasticité (sable,par exemple) qui garantit la permanence des con tacts entre la couche de diffusion,les surfaces d'échange,et le sol. 4 - Dispositif conforme aux revendications 1 et 2 ci-dessus,dans le quel le produit constituant la couche de diffusion est choisi pour la qualité et la fiabilité de ses liaisons thermiques avec les surfaces d'échange(béton de ciment,vibré,enrobant des tuyauteries,par exem ple)et pour ses qualités propres de conductibilité. 5 - Dispositif conforme aux revendications 1, 2 et 3 du brevet,dans lequel le sol destiné au stockage de la chaleur est garni de masses de produit chi@ique à forte chaleur latente par changement de phase,ces masses étant disposées de façon à freiner la diffusion de la chaleur vers la périphérie des batiments,et à augmenter l'inertie thermique du sol,notamment au cours des intersaisons. 6 - Dispositif conforme aux revendications 10 et 11 du brevet,dans leouel le risque de gel dans les capteurs solaires est évité,au cours de l'hiverfgrace à l'utilisation de la chaleur contenue dans l'air extrait des batiments chauffés. -/ 7 - Dispositif conforme à la revendication 6 ci-dessus,dans lequel l'eau destinée à parcourir les capteurs traverse,au préalable,en totali té ou partiellement,une batterie réchauffée grace au passage de l'air extrait,dans sa totalité ou en partie,avec possibilité d'asservissement du niveau de réchauffage à la température de l'eau dans ou à la sortie de capteurs. 8 - Dispositif conforme à la revendication 6 ci-dessus,dans lequel l'air extrait réchauffe,à l'aide de surfaces d'échange appropriées,la face arrière des capteurs,qui deviennent ainsi utilisables pour capter à la fois la chaleur solaire et celle de l'air extrait,avec possibilité de limiter ou d'interrompre le passage de l'air,le calorifuge arrière des capteurs,derrière le passage de l'air,pouvant être maintenu,réduit, ou mê7ne supprime. 9 - Dispositif conforme à la revendicatin 6 ci-dessus dans lequel l'air extrait est utilisé afin de réchauffer le local où sont disposés les capteurs solaires,avec possibilité de réglage du débit d'air. 10 - Dispositif conforme au: revendications 6 et 9 ci-dessus,dans lequel le capteur proprement dit étant désolidarisé du vitrage,qui sépare le local de l'extérieur,le flux d'air extrait est dirigé entre le capteur et le vitrage.de haut es bas. 11 - Dispositif conforme aux revendications 10 et 11 du brevet,dans leqtiel le réservoir de chaleur est utilisé,successivement,soit normalement comme réservoir de régularisation journalière,soit comme réservoir saisonnier,un ensemble de robinetteries permettant alors d'écarter le réservoir du circuit d'alimentation du chauffage e de le vider plus ou moins complètement de le chaleur disponible qu'il contient,ce montage permettant de @ diminuer la puissance de l'installation de base,et d'ase- liorer le rendement moyen de l'installation. 120- Dispositif conforme aux revendications 10 et 11 du brevet,dans lequel le réservoir de chaleur décrit dans le brevet est complété par un réservoir de chaleur saisonnier(chaleur sensible ou latente) destiné à faire face aux besoins de chaleur excédentaires des journées très froides oracle à l'utilisation modulée de la chaleur stockée et de son niveau de température,ce montage permettant de diminuer la puissance de l'installation et d'améliorer -insi son rendement moyen. 13 - Dispositif conforme à la revendication 11 du brevet,dans lequel un système de réchauffage de l'eau,obtenu à l'aide de surfaces d'échange adéquates placées dans l'enceinte d'une cheminée à feu ouvert,alimentée en bois ou combustibles similaires,permet,par son association avec unchauffage à base solaire,de réduire la puissance installée de celui-ci, d'en diminuer le coût,d'en améliorer le rendement moyen, l'utilisation de l'installation réalisée dans la cheminée (ou dans un dispositif simi- laire adéquat) permettant de passer les pointes de froid grace à-l'ap- point de chaleur et l'augmentation de température apportés.