Brevet FR2479954A1 — publié le 19811009

La présente invention concerne une installation de chauffage central et de production d'eau chaude à partir de capteurs solaires et/ou d'une chaudière classique, la commutation d'une source de chaleur à l'autre étant commandée automatiquement en fonction des températures des capteurs, des ballons d'accumulation d'eau chaude et des températures de consigne de l'installation. On connaît déjà des installations de ce type, qui comprennent un ballon d'accumulation d'eau chaude qui peut être chauffé, soit par échange thermique avec le liquide caloporteur circulant dans les capteurs, soit par une source de chaleur classique, qui peut être une résistance électrique montée dans le ballon ou de l'eau chaude provenant d'une chaudière classique à fuel, à gaz, à bois ou utilisant tout autre combustible. L'invention concerne plus particulièrement une installation qui comporte, en plus de la source chaude solaire, une source chaude du type chaudière à combustible. Dans toutes les installations de ce type connues jusqu'à présent, quand la source solaire est chaude, l'eau du ballon d'accumulation sert non seulement à chauffer les radiateurs de chauffage central, mais encore la chaudière, et réciproquement, quand la source solaire est froide, l'eau chaude de la chaudière chauffe non seulement les radiateurs, mais encore le ballon d'accumulation. I1 en résulte, dans les deux cas, une perte de calories qui est loin d'être négligeable. Un objet de la présente invention consiste à prévoir une installation évitant ces inconvénients, donc qui est plus économique en combustible classique. Un autre objet de l'invention consiste à prévoir une installation comportant de plus un second ballon de production d'eau chaude qui peut être chauffé soit par la source solaire, soit par la chaudière. Un autre objet de l'invention consiste à prévoir une installation dans laquelle les chaleurs des deux ballons peuvent être conjuguées. Suivant une caractéristique de l'invention, il est prévu une installation de chauffage central et de production d'eau chaude à partir de capteurs solaires et/ou d'une chaudière classique, dans laquelle l'ensemble des radiateurs de chauffage central peut être alimenté soit par un ballon de chauffage solaire comportant un échangeur de chaleur dans lequel circule le liquide caloporteur d'une batterie de capteurs solaires, soit par la chaudière, une vanne à trois voies étant montée sur la conduite d'alimentation en eau chaude de l'ensemble des radiateurs mettant la sortie d'eau chaude de la chaudière en communication avec ladite conduite d'alimentation en eau chaude, en isolant la sortie d'eau chaude dudit ballon, quand la température dudit ballon est inférieure à une valeur de consigne, et mettant la sortie d'eau chaude dudit ballon en communication avec ladite conduite d'alimentation en eau chaude, en isolant la sortie d'eau chaude de ladite chaudière, quand la température dudit ballon est supérieure à ladite valeur de consigne, la conduite de retour d'eau froide de l'ensemble des radiateurs étant reliée en parallèle aux entrées d'eau froide de la chaudière et du ballon. Suivant une autre caractéristique, un accélérateur est monté à l'entrée d'eau froide du ballon et est mis en marche quand la température dudit ballon est supérieure à ladite valeur de consigne. Suivant une autre caractéristique, ladite vanne à trois voies est associée à un organe de commande qui met le brûleur de la chaudière à l'arrêt dès que la vanne quitte la position où elle relie la sortie d'eau chaude de la chaudière à la conduite d'alimentation en eau chaude. Suivant une autre caractéristique, l'installation comprend un second ballon comportant un second échangeur de chaleur dans lequel circule le liquide caloporteur d'une seconde batterie de capteurs solaires et un troisième échangeur de chaleur dans lequel circule de l'eau provenant de la conduite d'alimentation en eau chaude de l'ensemble des radiateurs et retournant à la conduite de retour d'eau froide, le circuit du troisième échangeur comportant une vanne d'arrêt et un second accélérateur qui sont mis au travail quand la température dudit second ballon est inférieure à une seconde valeur de consigne, et à l'arrêt dans le cas contraire. Suivant une autre caractéristique, les circuits de liquide caloporteur des deux batteries de capteurs comportent des moyens commutables permettant de diriger, en plus du liquide caloporteur de la première batterie, celui de la seconde vers le premier échangeur de chaleur du premier ballon, quand la température de celui-ci est inférieure à ladite première température de consigne. Suivant une autre caractristique, sur le circuit retour du troisième échangeur, est prévue une second vanne à trois voies qui, quand la température du second ballon est inférieure à la seconde valeur de consigne et que simultanément la température du premier ballon est supérieure à la première valeur de consigne, met, par une liaison bypass, en relation ledit circuit retour directement avec l'entrée d'eau froide dudit premier ballon. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels: la Fig. 1 est un schéma hydraulique de l'installation, suivant l'invention, et la Fig. 2 est un schéma électrique du circuit de commande de l'installation de la Fig. 1. L'installation de la Fig. 1 comprend une première batterie de capteurs solaires 1 dont la sortie de liquide chaud est reliée à l'entrée d'un échangeur de chaleur liquide-liquide 2, par une conduite 3, et dont l'entrée de liquide froid est reliée à la sortie de l'échangeur 2, par une conduite 4. L'échangeur 2 est immergé dans un premier ballon d'accumulation 5 dont il sert à chauffer l'eau. L'installation comprend encore une seconde batterie de capteurs solaires 6 dont la sortie de liquide chaud est reliée à l'entrée d'un échangeur de chaleur liquide-liquide 7, par une conduite 8, et dont l'entrée d'eau froide est reliée à la sortie de l'échangeur 7, par une conduite 9. L'échangeur 7 est immergé dans un second ballon d'accumulation 10 dont il sert à chauffer l'eau. Dans les batteries 1 et 6, les capteurs solaires sont reliés en série. Sur la conduite 8, est montée une vanne à trois voies 11 comportant une entrée reliée à la sortie de 6, une sortie reliée à l'entrée de 7 et une sortie reliée à la conduite 3, par une conduite 12. La vanne 11 permet de relier, en position de repos, la sortie de 6 à l'entrée de 7 et, en position de travail, la sortie de 6 à la conduite 12. Par ailleurs la conduite 4 est reliée à la conduite 9, par une conduite 13. Quand la vanne 11 est au repos, comme indiqué à la Fig. 1, le liquide chaud de 6 est directement envoyé dans l'échangeur 7, d'où il ressort plus froid pour être renvoyé aux capteurs 6, par la conduite 9. Quand la vanne 11 est au travail, c'est à dire tournée d'un quart de tour dans le sens des aiguilles d'une montre en regardant la Fig. 1, le liquide chaud de 6 est envoyé, par 12, à l'entrée de l'échangeur 2, en parallèle avec le liquide chaud de 1, et le liquide plus froid sortant de l'échangeur 2 est distribué par 4 aux capteurs 1 et, par 13, vers les capteurs 6. Donc, dans un cas, ils débitent en parallèle dans l'échangeur 2 qui seul est chauffé. On verra dans la suite les conditions de cette commutation. La sortie d'eau chaude du ballon 5 est reliée à une entrée d'une vanne à trois voies 14, par une conduite 15. La vanne 14 a une seconde entrée reliée, par une conduite 16, à la sortie d'eau chaude d'une chaudière 17. La sortie de la vanne 14 est reliée, par une conduite 18, à une entrée d'une vanne à quatre voies 19. La vanne 19 a une sortie reliée aux entrées d'eau chaude des radiateurs 20 de chauffage central de l'installation, par l'intermédiaire d'une conduite 21 et d'un accélérateur 22. Une seconde entrée de la vanne 19 est reliée aux sorties des radiateurs 20 par une conduite 23. Une seconde sortie de la vanne 19 est reliée, par une conduite 24, à l'entrée d'eau froide de-la chaudière 17. Sur la conduite 24, sont montés classiquement en dérivation un vase d'expansion 25 et un tuyau de vidange 26.En pratique, la vanne 19 est une vanne mélangeuse classique à quatre voies laquelle a une structure plus complexe que celle qui est schématiquement représentée par deux branches à la Fig. 1. Tant que la vanne 19 est ouverte, l'accélérateur 22 fonctionne, il est à l'arrêt quand la vanne 19 est complétement fermée. Sur la conduite 24, est également montée en dérivation une conduite 27 qui aboutit à l'entrée d'eau froide du ballon 5. Sur la conduite 27, est montée en série un accélérateur 28. Par ailleurs, sur la conduite 18, est montée en dérivation une conduite 29 sur laquelle est montée une vanne d'arrêt à deux voies 30, la conduite 29 étant reliée à l'entrée d'eau chaude d'un échangeur thermique eau-eau 31 qui est immergé dans le ballon 10. La sortie d'eau plus froide de l'échangeur 31 est reliée, par une conduite 32, à l'entrée d'un accélérateur 33 dont la sortie est reliée à l'entrée d'une vanne à trois voies 34. Une première sortie de la vanne 34 est reliée à la conduite 24, par une conduite 35, tandis que sa seconde sortie est reliée à la conduite 27, en aval de l'accélérateur 28, par une conduite 36. Enfin, le ballon 10 comporte une sortie d'eau chaude 37 et une entrée d'eau froide 38. La vanne 14 permet de relier, en position de repos, la sortie d'eau chaude du ballon 5 aux entrées d'eau chaude des radiateurs 20, par des conduites 15, 18, une branche de la vanne 19, la conduite 21 et l'accélérateur 22. L'entrée d'eau froide du ballon 5 est alors reliée à la sortie des radiateurs 20, par la conduite 23, la seconde branche de la vanne 19, la conduite 24, l'accélérateur 28 et la conduite 27. En position de travail, quand elle a été tournée d'un quart de tour, dans le sens contraire des aiguilles d'une montre, en regardant la Fig. 1, la vanne 14 relie la sortie d'eau chaude de la chaudière 17, par la conduite 16, à la conduite 18 vers les radiateurs 20, la position de la vanne 19 étant considérée comme inchangée. L'accélérateur 28 est en marche quand la vanne 14 est au repos; il est à l'arrêt dans le cas contraire. A ndter que la vanne 14 est, dans l'exemple de réalisation décrit, une vanne motorisée qui comporte un contact électrique de fin de course 39, qui n'est fermé que quand la vanne a complétement atteint sa position de travail. La fermeture du contact électrique 39 permet l'alimentation électrique du bruleur 40 de la chaudière. La vanne à quatre voies 19 peut prendre deux positions: une position de repos dans laquelle elle réunit, d'une part, les conduites 18 et 21, et, d'autre part, les conduites 23 et 24, et une position de travail dans laquelle elle isole les conduites 21 et 23 respectivement des conduites 18 et 24. Quand la vanne 19 est au repos, l'accélerateur 22 est en marche, tandis que, quand elle est au travail, l'accélérateur 22 est au repos. La vanne 34 permet de relier, en position de repos, la sortie de l'échangeur 31 à la conduite 24, par l'intermédiaire de la conduite 32, de l'accélérateur 33 et de la conduite 35, et, en position de travail, elle relie la sortie de l'échangeur 31 à la conduite 27, par l'intermédiaire de la conduite 32,de l'accélérateur 33 et de la conduite 36. Le passage de l'état de repos, indiqué à la Fig. 1, à l'état de travail est réalisé en faisant tourner la vanne 34 d'un quart de tour dans le sens des aiguilles d'une nontre, en regardant la Fig. 1. La vanne à deux voies 30, en position de repos, isole la conduite 29 de l'entrée de l'échangeur 31, tandis qu'en position de travail, elle relie la conduite 18 à l'entrée de 31, par 29. Quand la vanne 30 est au repos, l'accélérateur 33 est au repos tandis que, quand elle est au travail, il est en marche. On va supposer, dans un premier cas de fonctionnement, que les vannes 11, 14, 19, 30 et 34 sont toutes au repos, comme l'indique la Fig. 1. Les circuits de liquides primaires des capteurs 1 et 6 sont séparés. Le ballon d'eau chaude sanitaire 10 est chauffé uniquement par l'échangeur 31, lui-même chauffé par le liquide caloporteur chauffé dans les capteurs 6. L'eau chaude est disponible en 37. La vanne 30 interdit toute circulation vers l'échangeur 7 et l'accélérateur 33 ne tourne pas. Par ailleurs, la vanne 14 interdit tout passage d'eau dans la chaudière 17 et le contact 39 est ouvert interdisant tout fonctionnement du brûleur 40.Par ailleurs, le ballon d'eau de chauffage 5 est chauffé par l'échangeur 2, lui-même chauffé par le liquide caloporteur chauffé par les capteurs 1. -L'eau chaude du ballon 5 circule par la conduite 15, la vanne 14 au repos, la conduite 18, une branche de la vanne 19, la conduite 21, l'accélérateur 21 en marche, les radiateurs 20 d'où ressort de l'eau refroidie qui circule par la conduite 23, la seconde branche de la vanne 19, la conduite 24, l'accélérateur 28 en marche et la conduite 27 vers l'entrée d'eau froide du ballon 5. Donc, dans le cas de toutes les vannes au repos, le chauffage des radiateurs 20 est assuré par l'eau chaude du ballon 2, c'est à dire par l'énergie solaire, tandis que le chauffage de l'eau sanitaire est assuré par l'échangeur 7, c'est à dire aussi par l'énergie solaire. On notera que l'eau du ballon 2 ne réchauffe pas la chaudière 17. On va supposer, dans un second cas de fonctionnement, que la vanne 14 est passée à l'état de travail, les autres vannes 11, 19 et 34 restant à l'état de repos. I1 résulte du changement d'état de la vanne 14 que le contact 39 est fermé ce qui permet la mise en marche du brûleur 40, et que l'accélérateur 28 ne tourne pas. Le ballon 10 est chauffé comme dans le premier cas de fonctionnement. L'eau chaude de la chaudière circule par la conduite 16, la vanne 14 au travail, la conduite 18, la première branche de la vanne 19, la conduite 21, l'accélérateur 21 en marche et les radiateurs 20 d'où sort l'eau refroidie qui circule par la conduite 23, la seconde branche de la vanne 19 et la conduite 24 vers l'entrée d'eau froide de la chaudière 17. La vanne 14 au travail et l'accélérateur 28 au repos empêchent toute circulation de l'eau de la chaudière vers le ballon 5. Donc, le ballon 5 n'est pas réchauffé par la chaudière. On va supposer dans un troisième cas de fonctionnement que les vannes 14 et 30 sont au travail, les autres vannes 11, 19 et 34 étant au repos. L'accélérateur 28 est au repos et l'accélérateur 33 est en marche. Comme dans le second cas de fonctionnement, le brûleur 40 peut marcher et les radiateurs 20 sont chauffés par la chaudière. Mais, de plus, l'eau chaude circulant dans la-conduite 18 est dérivée par la conduite 29 et la vanne 30 vers l'échangeur 31 d'où l'eau refroidie qui sort circule par la conduite 32, l'accélérateur 33 en marche, la vanne 34 au repos et la conduite 35 vers la conduite 24 de retour d'eau froide vers la chaudière 17. Donc, dans ce troisième cas, la chaudière assure, en plus du chauffage des radiateurs 20, le chauffage du ballon d'eau sanitaire 10, le ballon 5 restant toujours isolé. Les ballons 5 et 10 sont respectivement munis de thermomètres ou aquastats 41 et 42. Quand l'aquastat 41 mesure une température inférieure à une température de consigne T1, la vanne 11 est mise en état de travail. Comme on l'a dit plus haut, les deux batteries de capteurs solaires 1 et 6 débitent alors en parallèle dans l'échangeur 2. Ce fonctionnement, ci-après désigné par le quatrième fonctionnement, correspond à donner, au passage temps nuageux à soleil, la priorité au chauffage du ballon 5. La chaudière 17 assure alors éventuellement le chauffage du ballon 10 et des radiateurs.Quand la température T1 de consigne est atteinte dans le ballon 5, la vanne 14 est mise au travail ainsi que la vanne 11, il en résulte deux conséquences: le chauffage des radiateurs est assuré par le ballon 5, ainsi que celui de l'échangeur 31, par la mise au travail de la vanne 34, et, par ailleurs, l'échangeur 7 du ballon 10 est chauffé par le liquide caloporteur des capteurs 6. Donc, le ballon 10 se trouve chauffé par ses deux échangeurs. Cet état persiste tant que la température de consigne T2 de l'aquastat 42 n'est pas dépassé. Quand cette température T2 est atteinte, la vanne 30 et l'accélérateur 33 sont mis au repos, la vanne 34 restant au travail tant que la température T1 est dépassée dans le ballon 5. Le schéma électrique de la Fig. 2 est celui du circuit de commande des différents composants commutables de la Fig. 1, à l'exception de la vanne 19 que l'on suppoe commandée d'une manière classique et indépendante par des moyens de régulation classiques existants, à cet effet, dans les installations de chauffage central classiques. Pour simplifier le schéma de la Fig. 2, on a représenté chaque bobine de relais alimenté par un seul fil, bien qu'en pratique on utilise des relais à courant alternatif. Le circuit d'alimentation de la bobine du relais A comprend le contact de repos d'un inverseur 41.1 de l'aquastat tandis que le circuit d'alimentation de la bobine d'un relais B comprend le contact de travail de l'inverseur 41.1. Quand la température de l'eau du ballon 5 est inférieure à T1, l'inverseur 41.1 ferme l'alimentation de A tandis que, quand cette température T1 est dépassée, il ferme l'alimentation de B. Le circuit d'alimentation de la bobine d'un relais C comprend un contact de repos 42.1 commandé par l'aquastat 42. Le contact 42.1 est au repos quand la température du ballon 10 est inférieure à T2; il est au travail dans le cas contraire. Le relais A comprend un contact de repos al dans-le circuit d'alimentation de l'électrovanne 11 et un contact de travail a2 dans le circuit d'alimentation du moteur de la vanne 14, ce moteur tournant dans le sens contraire des aiguilles d'une montre quand a2 est au travail. Le relais B comprend un contact de travail bl dans le circuit d'alimentation du moteur de la vanne 14, ce moteur tournant dans le sens des aiguilles d'une montre quand bl est au travail, un contact de travail b2 dans le circuit d'alimentation de l'accélérateur 28, et un contact de travail b3 en série avec un contact de travail cl dans le circuit d'alimentation de l'électrovanne 34. Par ailleurs, le contact de fin de course 39 est dans le circuit d'alimentation du brûleur 40. Le relais C comprend le contact cl, déjà cité, un contact c2 dans le circuit -d'alimentation-de l'électrovanne 30 et un contact c3 dans le circuit d'alimentation de l'accélérateur 33. Quand les contacts 41.1 et 42.1 sont au repos, 11 et 14 passent au travail, puis 40, ainsi que 30 et 33. Quand le contact 41.1 passe au travail et que le contact 41.1 reste au repos, 11 et 14 passent au repos, 28 et 34 passent au travail. Quand les contacts 41.1 et 42.1 sont au travail, 11, 14, 30, 33 et 34 sont au repos et 28 reste au travail. REVENDICATIONS 1) Installation de chauffage central et de production d'eau chaude à partir de capteurs solaires et/ou d'une chaudière classique, dans laquelle l'ensemble des radiateurs de chauffage central peut être all- menté soit par un ballon de chauffage solaire comportant un échangeur de chaleur dans lequel circule le liquide caloporteur d'une batterie de capteurs solaires, soit par la chaudière, caractérisée en ce qu'une vanne à trois voies est montée sur la conduite d'alimentation en eau chaude de l'ensemble des radiateurs mettant la sortie d'eau chaude de la chaudière en communication avec ladite conduite d'alimentation en eau chaude, en isolant la sortie d'eau chaude dudit ballon, quand la température dudit ballon est inférieure à une valeur de consigne, et mettant la sortie d'eau chaude dudit ballon en communication avec ladite conduite d'alimentation en eau chaude, en isolant la sortie d'eau chaude de.ladite chaudière, quand la température dudit ballon est supérieure à ladite valeur de consigne, la conduite de retour d'eau froide de l'ensemble des radiateurs étant reliée en parallèle aux entrées d'eau froide de la chaudière et du ballon. 2) Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'un accélérateur est monté à l'entrée d'eau froide du ballon et est mis en marche quand la température dudit ballon est supérieure à ladite valeur de consigne. 3) Installation suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ladite vanne à trois voies est associée à un organe de commande qui met le brûleur de la chaudière à l'arrêt dès que la vanne quitte la position où elle relie la sortie d'eau chaude de la chaudière à la conduite d'alimentation en eau chaude. 4) Installation suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend encore un second ballon comportant un second échangeur de chaleur dans lequel circule le liquide caloporteur d'une seconde batterie de capteurs solaires et un troisième échangeur de chaleur dans lequel circule de l'eau provenant de la conduite d'alimentation en eau chaude de l'ensemble des radiateurs et retournant à la conduite de retour d'eau froide, le circuit du troisième échangeur comportant une vanne d'arrêt et un second accélérateur qui sont mis au travail quand la température dudit second ballon est inférieure à une seconde valeur de consigne, et à l'arrêt dans le cas contraire. 5) Installation suivant la revendication 4, caractérisée en ce que les circuits de liquide caloporteur des deux batteries de capteurs comportent des moyens commutables permettant de diriger, en plus du liquide caloporteur de la première batterie, celui de la seconde vers le premier échangeur de chaleur du premier ballon, quand la température de celui-ci est inférieure à ladite première température de consigne. 6) Installation suivant la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que, sur le circuit retour du troisième échangeur, est prévue une second vanne à trois voies qui, quand la température du second ballon est inférieure à la seconde valeur de consigne et que simultanément la température du premier ballon est supérieure à la première valeur de consigne, met, par une liaison by-pass, en relation ledit circuit retour directement avec l'entrée d'eau froide dudit premier ballon.