Brevet FR2478803A1 — publié le 19810925

La présente invention a pour objet un dispositif destiné à protéger contre le gel des installations de capteurs solaires, et notamment de capteurs plans dans lesquels circule de l'eau, qui constitue le fluide calovecteur assurant le transfert des calories récupérées vers des éléments de chauffage ou de stockage. Un tel dispositif a évidemment pour intérAt d'éviter les risques de détérioration de certains éléments du circuit, et tout particulièrement l'insolateur et les conduits et collecteurs destinés à véhiculer le fluide de transfert thermique, lorsque celui-ci,compte tenu de sa nature et de la température ambiante,risque de geler, ce qui est bien entendu le cas de l'eau essentiellement, selon les climats. Il existe déjà des procédés pour protéger un tel circuit d'eau des risques de gel. Ce problème est résolu, le plus fréquemment, par l'adjonction d'un produit antigel, mélangé à l'eau, en particulier le " glycol ".Bien que d'une efficacité réelle, ce procédé connu n"en présente pas moins un certain nombre d'inconvénients, à savoir -Son court enlevé, qui constitue un handicap lorsque l'on 'utilise pas d'échangeur, et qu'un grand volume de stockage est souhaité. -le risque de dégradation dans le temps : certaines installations dont les canaux sont souvent de faible section (dans le but d'abaisser au maximum l'inertie du système de captage) se voient localement obstruées,après deux ou trois ans de fonctionnement, par des " bouchons " formés de produit antigel et de tartre; l'apparition de ce ph6- noumène se trouve facilitée par l'échauffement important qu'engendre la difficulté de circulation du mélange.la destruction des insolateurs est alors rapide par le gel de l'eau stagnant dans les canaux de circulatiellsDe plus, l'homogénéité du mélange eau-antigel n'est pas parfaite- ment assurée dans le temps. -Risque de pollution de l'eau à usage sanitaire lorsque la préparation de celle-ci se fait par échange thermique avec le fluide calovecteur des capteurs solaires,ce qui est un cas extrêipement fréquent, existe ce risque de pollution provoqué, comme cela se comprend, par une fuite au niveau de l'échangeur. -Enfin,en cas de fuite, en un point bas de l'installation plus particulièrement, la vidange de l'installation exige des précautions spéciales et est onéreuse,car l'eau glycolée ne doit être rejetée ni dans l'égout,ni dans le sol. D'autres procédés destinés à éviter le gel sont aussi couramment employés,actuellement. Les uns utilisent le principe de réchauffage, par circulation d'eau chaude dans les insolateurs, ou au moyen de résistances électriques montées sur les mêmes insolateurs,ces moyens étant mis en action dès que le gel menace. Ce genre de procédé, consistant à fournir de l'énergie aux capteurs,alors que le rôle premier du chauffage solaire est de récupérer des calories "gratuites ", ne semble pas guidé par un véritable intérêt économique. Un autre procédé, également appliqué,consiste à vidanger le circuit du capteur,par l'ouverture d'une électrovanne, dès que se présente un risque de gel, l'eau étant envoyée à l'égout, ce qui peut avoir lieu plusieurs fois par 24 heures,en hiver. Quoique très efficace,ce procédé présente l'inconvénient de consommer une quantité d'eau non négligeable et,surtout, l'introduction d'un nouveau volume a d'eau après chaque vidange apporte,selon les régions, et en l'absence d'adoucisseur, sa part de calcaire, d'où un dépôt de tartre dans les insolateurs (éléments les plus chauds d'une installation de chauffage solaire)qui est extrêmement préjudiciable au rendement du captage . Il convient d'éviter tout renouvellement de l'eau d'une installation solaire. La présente invention vise à remédier à l'ensemble des inconvenients précités, en fournissant un système de mise hors gel économique, permettant d'utiliser de l'eau sans additif, sans nécessité de renouvellement et sans échangeur, évitant toute dégradation et ne nécessitant pas d'autres précautions que celles qui sont habituelles et parfaitement connues, ce système étant mis en oeuvre par des moyens technologiques simples et sûrs, notamment vis-à-vis des problèmes d'étanchéité,donc un système fiable et n'affectant pas le rendement de l'installation. A cet effet, l'invention a essentiellement pour objet un dispositif de mise hors gel pour capteur solaire,plus particulièrement pour capteur solaire parcouru par de l'eau et appartenant à une installation comprenant une conduite d'amenée avec pompes de circulation, une conduite de retour, un circuit de chauffage et/ou de stockage, et un vase d'expansion communiquant avec l'air libre, le capteur se trouvant à une altitude supérieure à celle de l'utilisation, dispositif dans lequel le vase d'expansion est dimensionné de manière à pouvoir absorber intégralement le volume d'eau correspondant à la portion de circuit située au-dessus de lui, une prise d'air étant prévue à la partie la plus haute du circuit, et des moyens de détection étant prévus, sur le capteur ou à proximité, pour provoquer l'arrat de la pompe,située , situé au-dessous du vase d'expansions, si la température correspond à un risque a gel, de manière à transféré lJeau de la portion supérieure du circuit; incluant le capteur, dans le vase à expansion. L'invention permet ainsi, sans complication de l'installation mais par une disposition judicieuse de ses composants,d'éviter les détériorations dues au gel,tout en utilisant de l'eau de ville sans traitement partie lier. utilisation de l'eau non traitée, indépendamment des considérations relatives à la corrosion des matériaux en présence, évite le recours à un échangeur, d'où un coOt diminué et un rendement amélioré de l'installation; ; ces avantages sont encore amplifiés par le FELit que l'eau, par rapport aux autres fluides, possède une chaleur spécifique plus élevée, une très faible viscosité meme à basse température, et un prix basl notamment dans le cas où l'o:n-réalise un stockage important (ceci étant en rapport avec la chaleur spécifique élevée de l'eau) ou une distribution directe de l'eau chauffée dans le capteur. La mise en oeuvre de l'invention implique aussi un fonctionnement à basse pression, compte tenu des communications nécessaires avec l'air libre, ce qui permet, en outre, l'usage de capteurs meilleur marché, puisque non destinés à subir la pression habituelle de plusieurs bars d'un réseau urbain de distribution d'eau. Un intéret supplémentaire du choix de l'eau, comme fluide calovecteur, réside dans le fait que, même en cas de température extérieure inférieure à OOC, l'eau véhiculée peut récupérer des calories à un niveau thermique nettement supérieur à OOC. En effet, les moyens de détection relèvent la température de l'insolateur soumis à l'effet da serre, et non pas la température extérieure, et seules les calories à un niveau thermique inférieur à, ou voisin de OOC ne peuvent être véhiculées par ce système (alors que, même pour être utilisées par une pompe à chaleur, de telles calories ne seraient pas économiquement intéressantes). Selon un iode de réalisation simple de ce dispositif de mise hors gel, les moyens permettant de vider d'eau la portion du circuit au-dessus du vase d'expansion sont constitués par une sonde thermique qui, de manière connue en soi, contrôle la mise en route ou l'arrAt de l'installation,notamment de sa pompe,par l'intermédiaire d'un thermostat.Les moyensen question pourront aussi être constitués, dans le cas où le fonctionnement de la pompe est commandé par une horloge ou un dispositif optique, par une sonde thermique placée sur le capteur et commandant la fermeture ou l'ouser- ture du circuit électrique de la poupe, ceci de telle sorte que la pompe fonctionne seulement si deux conditions sont remplies simultanément une premiere condition étant l'autorisation donnée par l'horloge (ou le dispositif optique), l'autre condition étant l'aux torisation donnée par la sonde thermique. Dans tous les cas, l'installation utilise, pour son fonctionne- ment normal et pour sa mise hors gel, une pompe de circulation qui présente ltavantageX par rapport au système de thermo-syphon, de pouvoir récupérer une plus grande quantité d'énergie par mise en route rapide de la circulation dès que l'échauffement est suffisants et par une vitesse plus grande du fluide, garante din rendement meilleur.Par ailleurs, le système of- fre un degré élevé de sécurité : dans l'éventualité d'une panne d'alimentation électrique, on n'a pas à craindre le non-fonctionnement d'un composant élec- trique ou électronique quelconque o la pompe s'arrAte tout simplement, et l'installation revient d'ellewm8me en situation de mise hors gel,par le principe des vases communicants ", qui fait descendre instantanément l'eau de toute la portion supérieure du circuit vers le vase d'expansion, prévu pour la recevoir. La prise d'air, prévue à la partie la plus haute du circuit, peut être constituée par un purgeur d'air automatique à grand débit, ou encore par un simple tuyau raccordé en " pied de biche " au circuit principal. Quant au vase d'expansion, dont on rappelle qu'il est dimensionné de manière à pouvoir absorber le volume d'eau correspondant à la portion de circuit située audessus de lui, il peut être raccordé soit en amont du capteur et de la pompe, soit en aval du capteur,de préférence par un piquage en " pied de biche ". Quels que soient les branchements, il convient bien entendu, pour l'obtention du résultat recherché, de disposer le vase d'expansion et la portion inférieure du circuit en un lieu où n'existe pas le risque de gel, ou de calorifuger convenablement ces parties de l'installation. Pour définir l'invention de manière assez succincte, il a été question jusqu'ici d'un capteur solaire,mais il va de soi que le présent dispositif de mise hors gel peut être commun à plusieurs capteurs solaires,appartenant à une même installation de chauffage. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence à l'unique figure du dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple non limitatif, une installation de capteur solaire équipée de ce dispositif de mise hors gel. Sur cette figure, la retérence 1 désigne un capteur solaire, ou un groupe de capteurs solaires réunis entre eux par des collecteurs haut 2 et bas 3. il s'agit de capteurs plans à effet de serre, d'un type bien connu, incliné par rapport à l'horizontale d'un angle oc compris entre quelques degrés et 900. Suivant une disposition classique, l'installation comprend -une conduite d'amenée de fluide 4, aboutissant au collecteur bas 3, -une conduite de retour de fluide 5,partant du collecteur haut 2, - une pompe de circulation 6, intercalée sur la conduite d'amenée 4, - un circuit 7 de chauffage et/ou de stockage,non représenté dans le détail,permettant d'utiliser le potentiel thermique du fluide, - un vase d'expansion 8 permettant d'absorber les dila- tations du fluide dans toute l'installation, ce vase d'expansion étant à l'air libre et se trouvant en commu nication soit avec la conduite d'amenée 45 4, en amont de la pompe 6, soit avec la conduite de retour 5(cette seconde possibilité étant représentée en traits mixtes). il est à noter que le tuyau 9,partant de la partie inférieure du vase d'expansion 8, est raccordé à la conduite 4 ou 5 par un piquage 10 en " pied de biche ", pour bénéficier du phénomène de Venturi lorsque la circulation du fluide se fait dans le sens vase 8 - > pompe 6 et capteur 1. Le vase d'expansion 8 est dimensionné, selon l'inven tison, pour permettre non seulement l'absorption des phénomènes de dilatation, mais encore la récupération intégrale du volume correspondant à la portion du circuit située au-dessus de ce vase 8. Une arrivée deean du réseau 11 aboutit au vase d'expansion 8, et nn robinet flotteur, représenté très schématiquement en 12 mais d'un type bien connu utilisé dans les chasses d'eau traditionnelles, assure le main- tien d'un niveau minimal. Ceci permet de compenser les pertes, en principe minimesrésultant de l'évaporation. Au point le plus haut du circuit, soit au départ de la conduite de retour 5, est implanté un purgeur d'air automatique à grand débit 13, ou, en variante, un tuyau de mise à l'air libre 14, raccordé en " pied de biche" sur la conduite 5 en vue de l'obtention d'un phénomène de Venturi. Une sonde thermique 15, existant déjà dans la plupart des installations,détecte la température en un point judicieux du ou des capteurs I. La sonde 15 commande, par l'intermédiaire d'un thermostat différentiel,la mise en route de l'installation, ou l'ouverture d'une vanne (non représentée) assurant la récupération des calories collectées, ceci lorsque la température détectée par cette sonde 15 est supérieure à une température de référence, par exemple à la température du stockage. Toute la portion de l'installation située au-dessous d'un " n veau au repos " 16, qui sera précisé plus loin, doit être placée dans un local dont la température ambiante ne risque pas de descendre au-dessous de OOC. Sinon, les composants décrits devront être calorifugés. Il est à noter à ce sujet que, dans le cas de la disposition du vase d'expansion 8 suivant le tracé en traits continus, la pompe 6 peut être située à plusieurs mètres en-dessous de ce vase 8, par exemple dans une chaufferie installée au sous-sol de la maison ou de l'immeuble équipé du ou des capteurs solaires 1. Le fonctionnement de l'installation,et plus particulièrement de son dispositif de mise hors gel,est le suivant Si la température du ou des capteurs solaires 1 est insuffisante, la sonde 15 ne déclenche pas la mise en route de l'installation. Par application du principe des vases communicants,le niveau d'eau s'égalise dans les conduites 4 et 5 et dans le vase d'expansion 8, en atteignant le " niveau au repos " 16 déjà mentionné précédemment. Si la température relevée par la sonde 15 au niveau du ou des capteurs solaires 1 est suffisante,la pompe 6 ( qui reste toujours immergée) est mise en marche; l'eau sous pression à la sortie de cette pompe 6 s'élève dans la conduite d'amenée 4, remplit le collecteur bas 3, irrigue les insolateurs du ou des capteurs 1, et atteint le c-ollecteur haut 2. La purge d'air se faisant par le purgeur 13 ou le tuyau 14, l'eau pénètre dans la conduite de retour 5 et descend dans celui-ci, de sorte que le circuit hydraulique est rapidement fermé. Bien entendu, compte tenu de ce que le volume de l'installation, précédemment situé au-dessus du " niveau de repos " 16 et contenant de l'air, se remplit alors d'eau puisée dans le vase d'expansion 8, ce dernier voit son niveau baisser, du fait de l'aspira- tion de la pompe 6,jusqu 'a un 't niveau en cours de fonctionnement " 17. Si la température détectée par la sonde 15 est basse et que le gel est à craindrez le circuit électrique qui alimente la pompe 6 est automatiquement ouvert, et cette pompe s arrAete. eau du circuit est alors soumise en tout point à la pression atmosphérique, grâce à la prise d'air 17 ou 14 de la partie haute du circuit, et grecs à celle 18 du vase d'expansion 8 (cette dernièreetprise d'air " pouvant être une communication avec un égout). Tout naturellement, en quelques instants, le volume d'eau se stabilise de nouveau au " niveau de repos" 16, et tou- te la portion de l'installation exposée au gel est vide d'eau. Le dispositif décrit trouve son application dans les cas ou les capteurs solaires 1 fonctionnent sans être soumis à la pression directe du réseau d'eau,donc s'applique lorsque l'eau se trouve en expansion libre à la pression atmosphérique,les capteurs se trouvant à une altitude supérieure à celle de l'utilisation(chauffage direct et/ou stockage). Ceci exclut le cas de certains chauffe-eau solaires dans lesquels l'eau de ville circule, sous pression, directement dans les insolateurs avant d'hêtre dirigée vers les points de puisage : robinet d'évier, lavabo, baignoire, etc..Pour les mêmes raisons, le domaine d'application de l'invention exclut le cas d'une installation en thermo-syphon,dans laquelle le réservoir ou l'utilisation est situé obligatoirement audessus des capteurs. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas à la seule forme d'exécution de ce dispositif de mise hors gel qui a été décrite ci-dessus à titre d'exemple; elle en embrasse,au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application conçues suivant le même principe. C'est ainsi, notamment, que les prises d'air peuvent être réalisées suivant toutes formes, et que le système de mise en marche de la pompe peut être différent :une variante consisterait à assurer la mise en route de la pompe 6 à partir d'un- dispositif connu optiaue ou d'une horloge, la sonde 15 commandant alors, en cas de risque de gel, l'ôuverture du circuit électrique par l'intermédiaire d'un interrupteur monté en série avec celui commandé par l'horloge ou le dispositif optique sur le circuit d'alimentation de la pompe. Suivant une autre variante, la pompe peut être installée sur la conduite 5, en dessous du piquage en pied de biche 10; dans ce cas, le vase d'expansion communiquant avec l'air libre se trouvera disposé comme représenté en traits mixtes. Dans le même ordre d'idées, l'alimentation en eau de l'installation, représentée comme étant contrée automatiquement par un robinet à flotteur 12, peut être supprimée,notamment dans le cas d'une installation modeste (chauffe-eau par exemple); l'appoint sera dans ce cas effectué manuellement, par une trappe située en partie haute du vase d'expansion. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mise hors gel pour capteur solaire, plus particulièrement pour capteur solaire(1) parcouru par de l'eau et appartenant à une installation comprenant une conduite d'amenée (4) avec pompe de circulation (6), une conduite de retour (5), un circuit (7) de chauffas ge et/ou de stockage, et un vase d'expansion (8) communiquant avec l'air libre, le capteur (1) se trouvant à une altitude supérieure à celle de l'utilisation,caractérisé en ce que le vase d'expansion (8) est dimensionné de manière à pouvoir absorber intégralement le volume d'eau correspondant à la portion de circuit située au-dessus de lui, une prise d'air (13 ou 14) étant prévue à la partie la plus haute du circuit, et des moyens de détection (15) étant prévus, sur le capteur (1) ou à proximité,pour provoquer l'arrêt de la pompe (6),située au dessous du vase d'expansion (8), si la température correspond à un risque de gel, de manière à transférer l'eau de la portion supérieure du circuit, incluant le capteur (1),dans le vase d'expansion (8) 2.- Dispositif de mise hors gel pour capteur solaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de détection préités,permettant de vider d'eau la portion du circuit au-dessus du vase d'expansion (8), sont constitués par une sonde thermique (15) qui, de manière connue en soi, contrôle la mise en route ou l'arrêt de l'installation, notamment de sa pompe C6), par l'intermédiaire un thermos 3.- Dispositif de mise hors gel pour capteur solaire selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la prise d'air, prévue à la partie la plus haute du circuit, est constituée par un purgeur deair automatique (13) à grand débit. 4.- Dispositif de mise hors gel pour capteur solaire selon la revendication 1 ou 2,caractérisé en ce que la prise d'air, prévue à la partie la plus haute du circuit, est constituée par un tuyau (14),raccordé en ' pied de biche " au circuit principal. 5.- Dispositif de mise hors gel pour capteur solaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,caractérisé en ce que le vase d'expansion (8), dimensionné de manière à pouvoir absorber le volume d'eau correspondant à la portion de circuit située au-dessus de lui, est raccordé audit circuit en amont du capteur (1) et de la pompe (6), par un piquage (10) en " pied de biche ". 6.- Dispositif de mise hors gel pour capteur solaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,caractérisé en ce que le vase d'expansion (8) , dimensionné de manière à pouvoir absorber le volume d'eau correspondant à la portion de circuit située au-dessus de lui, est raccordé audit circuit en aval du capteur (1)par un piquage (10) en " pied de biche ".