Brevet FR2484063A1 — publié le 19811211

La présente invention se referme aux capteurs de l'énergie thermique ambiante. On connais ce qu'on appelle des capteurs solaires, ctest-a-dire des appareils en forme de panneaux qui reçoivent le rayonnement du soleil et le transforment avec un certain rendement en chaleur à tempe rature relativement basse qu'ils transfèrent à un fluide caloporteur approprie tel que l'eau ou l'air, qu'on utilise ensuite pour le chauffage de locaux, la fourniture d'eau chaude, etc.... L'inconvénient est que le rayonnement solaire est par principe irrégulier du fait de la succession des jours et des nuits et de la présence fréquente de couvertures nuageuses.Pour y remédier on a mis en oeuvre deux ordres de solutions, savoir des accumulateurs de chaleur (réservoirs a eau chaude, par exemple) et des chauffages dits d'appoint soit par chaudière auxiliaire, soit, mieux, à l'aide d'une pompe à chaleur On sait qu'une pompe a chaleur est une machine thermique fonctionnant suivant le cycle de Carnot inverse, c'est-adire en transformant en chaleur une fraction de l'énergie mécanique qui lui est fournie et en utilisant le reste pour prélever des calories à basse température à partir d'une source froide et les transférer à une plus haute température à une source chaude.On dispose ainsi à cette dernière d'une quantité d'énergie thermique supérieure à celle qui résulterait de la simple transformation de l'énergie mécanique, par exemple à l'aide d'un radiateur électrique, le rapport de l'énergie thermique ainsi obtenue à celui de l'énergie mécanique mise en jeu constituant ce qu'on appelle le coefficient de performance de la pompe. Celui-ci est d'autant plus élevé que la différence de température entre la source froide et la source chaude est plus faible. Dans le cas de l'application de la pompe à chaleur comme moyen de chauffage d'appoint dans une installation comportant des capteurs solaires avec accumulateur de chaleur on a utilise comme source froide l'eau de ce dernier lorsqu'elle est tombée à une température telle qu'elle ne peut plus servir au chauffage des locaux. Cette solution est très intéressante car 11 eau en question se trouve encore au début presque tiède (par exemple a 250C), de sorte que le coefficient de performance de la pompe est élevé. Malheureusement cette eau est en quantité limitée et lorsqu'elle s'est refroidie on doit rechercher une autre source froide. On a alors recours soit à de l'eau de source ou de rivière, lorsqu'on peut en disposer, ce qui est assez rare, soit beaucoup plus simplement à l'air atmosphérique extérieur. L'invention a pour objet un capteur qui permet de transférer à un fluide caloporteur tel que l'eau de la chaleur pouvant parvenir non seulement du rayonnement solaire, mais aussi de l'air atmosphérique extérieur, de manière que ce fluide puisse d'une part fournir directement l'énergie thermique désirée (avec ou sans accumulateur de chaleur) lorsque le rayonnement solaire existe et est suffisamment intense (par exemple chauffer une maison du genre dit solaire pendant la mi-saison ou chauffer une piscine durant la période des beaux-jours) et d'autre part servir de source froide à une pompe à chaleur en captant alors les calories de l'air extérieur et celles qui proviennent eventuellement d'un rayonnement solaire trop épisodique pour permettre un chauffage direct.Dans ce mode de fonctionnement, si la maison possède une piscine, les calories doivent transiter par celle-ci. En effet durant 1 'hiver une telle piscine munie d'une couverture isolante peut jouer le rôle de tampon ou accumulateur thermique permettant de passer la période où il nty a ni ensoleillement, ni température de l'air extérieure suffisante pour alimenter correctement la source froide de la pompe à chaleur. Le capteur suivant l'invention comprend à la façon connue une première paroi d'absorption du rayonnement solaire (paroi noire) en avant de laquelle est disposée une seconde paroi transparente à la lumière visible, mais substantiellement opaque à l'infra-rouge, tandis que derriere cette première paroi est prévu un espace de circulation d'un fluide caloporteur approprié propre à recueillir les calories absorbées par elle, ledit espace étant délimité d'autre part par une troisième paroi formant isolant thermique. La caractéristique de ce capteur est qu'il comporte des moyens pour faire circuler de l'air extérieur entre la première et la seconde paroi (paroi d'absorption et paroi transparente) de façon que cet air puisse céder sa chaleur à la première. Pour mieux assurer l'échange de chaleur entre l'air et la première paroi, l'on fait avantageusement comporter à celle-ci des ailettes convenablement orientées. Quant aux moyens propres à réaliser la circulation de l'air, on peut les réaliser sous la forme de ventilateurs auxquels on associe préférablement des clapets chargés qui s' ouvrent lorsque ces ventilateurs marchent, mais se referment quand on arrete ceux-ci, cela afin d'éviter alors toute circulation d'air indésirable. 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 Fig. I est une vue en plan d'un panneau capteur suivant l'invention avec arrachements de la première et de la seconde paroi. Fig. 2 et 3 en sont des coupes partielles à plus grande échelle suivant II-II et III-III (fig. 1). Le capteur suivant l'invention, ou capteur aéro-solaire, se présente sous la forme d'un panneau dans lequel on peut distinguer - une première paroi 1 (fig. 2 et 3) comportant sur sa face avant des ailettes la réalisées de toute manière appropriée - une seconde paroi 2 disposée en avant de l'ensemble de la premiers et de ses ailettes la en délimitant avec cet ensemble un premier espace 3 - et une troisième paroi ou paroi arrière 4, convenablement nervurée de manière à déterminer avec la face arrière de la première paroi 1 un espace se présentant sous la forme de canaux étroits 5, 6, 7 et 8 (fig. 1). ta première paroi 1 est faite en une matière bonne conductrice ae la chaleur, par exemple cuivre, laiton, aluminium. Dans 1 'exemple représenté elle est faite d'une succession de bandes dont les bords relevés sont soudés entre eux pour constituer les ailettes la. Mais on pourrait également réaliser celles-ci par repliage en V de zones longitudinales successives d'une plaque unique, avec écrasement des plis et soudure de leurs faces en contact. Il serait également possible de rapporter sur une plaque des ailettes séparées en les y fixant par soudure ou autrement. La face avant de la plaque 1 et les ailettes la sont convenablement noircies à la façon usuelle de manière à absorber le rayonnement solaire. La seconde paroi 2 est faite en une matière transparente à la lumière visible, mais opaque à l'infra-rouge, par exemple en polycarbonate. Quant à la troisième paroi 4, elle est faite de trois épaisseurs élémentaires, savoir une feuille avant 9 en matiere plastique rigide comportant une série de nervures 9a, 9b, 9c qui y délimitent les divers canaux 5, 6, 7, 8, une feuille plastique arrière plane 10 à bords relevés venant se souder à ceux de la feuille 9, et une couche intermédiaire 11 relativement épaisse réalisée en une matière à fort coefficient d'isolement thermique, telle par exemple que du polyuréthane cellulaire. Les nervures 9a, 9b, 9c de la feuille 9 sont appliquées de façon étanche contre la face arrière de la paroi 1 par l'intermédiaire de joints -collés 12. Par ailleurs le long des grands cotés ou côtés longitudinaux du panneau les trois parois sont assemblées par des vis ou boulons 13 qui traversent les bords relevés des feuilles 9 et 10, celui de la paroi ou feuille métallique 1 et le bord rabattu de la paroi avant 2. Par contre, et comme on le verra ci-après, sur les côtés transversaux l'espace 3 entre les parois 1 et 2 reste ouvert, des entretoises, non figurées, pouvant être éventuellement prévues pour éviter des déformations exagérées des diverses parois les unes par rapport aux autres. Fig. 1 montre clairement l'agencement des canaux 5, 6, 7 et 8. Le premier 5, relativement profond, part d'une tubulure latérale d'entrée 14 (fig. 2) prévue vers un angle dans la paroi arrière 4 et faite par exemple en matière plastique, ce qui permet de la souder à la feuille 9 pour assurer l'étanchéité. il s'étend le long du côté longitudinal adjacent jusqu'au côté transversal opposé où il se raccorde avec le canal 6, lequel s'étend quant à lui à profondeur décroissante jusqu'au côté longitudinal opposé ou il s'arrête. Les canaux longitudinaux 7, prévus à profondeur réduite, partent en parallèle de ce canal transversal 6 pour aboutir au canal 8, orienté transversalement le long de l'autre côté transversal du panneau. Ce canal 8 communique avec une tubulure latérale de sortie 15 (fig. 3) exactement symétrique de celle d'entrée 14. On comprend qu'un fluide caloporteur tel que de l'eau, entrant par la tubulure 14, lèche ainsi régulièrement la face arrière de la paroi 1 pour ressortir par la tubulure 15. Bien entendu les rôles des tubulures 14 et 15 peuvent être échangés. A l'une des extrémités de l'espace 3 est fixée une tuyère d'entrée 16 (fig. 3) qui présente en section longitudinale un profil convergent venant se raccorder à celui dudit espace. L'extrémité à grande hauteur de cette tuyère est équipée d'un dispositif de ventilateurs 17 (fig. 1). Ce dispositif, dont la largeur est considérablement plus grande que la hauteur, peut en pratique être constitué par une série de cellules comprenant chacune un ventilateur unique.A l'intérieur de la tuyère 16 on a prévu en vis-à-vis deux volets 18 articulés en 19 et que des ressorts légers, non figurés, maintiennent au repos à la position fermée (définie par des talons 18a, par exemple), mais en leur permettant de s'ouvrir à plein dès que les ventilateurs soufflent. La hauteur de l'espace 3 va préférablement en diminuant quelque peu à partir de la tuyère 16 jusqu'à l'extrémité opposée où l'on retrouve un volet à ressort 20, articulé en 21 et avec talon 20a, qui fonctionne exactement comme les volets 18 sus-décrits. A cette extrémité est fixé un déflecteur 22. Bien entendu les ailettes la sont profilées longitudinalement de manière que leur bord libre se trouve toujours à une faible distance de la paroi transparente 2 en dépit de la légère inclinaison de cette dernière. Le fonctionnement est le suivant En service le panneau est incliné à la façon connue de manière à se présenter en face du soleil. On s'arrange préférablement pour que la tuyère 16 se trouve dans le bas et le déflecteur 22 dans le haut. En cas d'ensoleillement suffisant le panneau fonctionne enmode capteur solaire. Les ventilateurs 17 sont arrêtés, les volets 18 et 20 sont fermés de sorte que l'espace 3 renferme une masse d'air immobile. Le rayonnement solaire échauffe la plaque 1 et les ailettes la. ta chaleur est transmise au fluide (eau par exemple) qui circule dans les canaux 7 sous l'effet d'une pompe appropriée. L'eau ainsi échauffée et s'écoulant dans des canalisations adéquates peut soit effectuer un chauffage direct (par exemple celui d'une maison à l'inter-saison ou celui d'une piscine), soit réchauffer un accumulateur thermique (lequel peut être la piscine elle-même convenablement pourvue d'une couverture isolante), cet accumulateur pouvant alors servir de source froide à la pompe à chaleur. Des que le chauffage solaire direct n'est plus possible (début de la période d'hiver ou fin de celle d'utilisation de la piscine), le panneau peut soit fournir des calories à la pompe à chaleur par l'intermédiaire de l'accumulateur, soit fonctionner en capteur classique comme décrit précedem ment quand cela est possible. Toutefois lorsque l'ensoleillement est insufissant, ce panneau peut encore fonctionner en mode échangeur. Quand la température du fluide caloporteur (eau) s'est abaissée à un niveau inférieur à celui de l'air extérieur de (5 à 6" C), on fait à nouveau circuler ce fluide ou eau dans les canaux 7, mais en mettant en marche les ventilateurs 17. I1 y a alors échange de chaleur entre l'air extérieur et l'eau de l'installation, de sorte que tout se passe comme si la pompe à chaleur utilisait comme source froide un évaporateur placé dans un courant d'air, mais avec cet avantage important que ce mode de fonctionnement n'est obtenu qu'avec un faible supplément de coût d 'investissement par rapport à une installation deO panneaux solaires classiques, compte tenu des résultats attendus du panneau suivant l'invention quand il fonctionne en mode capteur solaire. On notera encore que la disposition suivant l'invention annule les effets de givrage bien connus dans diverses applications de la pompe à chaleur et permet d'assurer l'autonomie complète du chauffage en augmentant considérablement le rendement de l'installation à l'inter-saison du fait que la température de la source froide s'élève notablement dès que le temps est plus doux ou plus ensoleillé. On conçoit aisément que les diverses phases opératoires qu'on vient de décrire peuvent être déclenchées automatiquement par des détecteurs de température appropriés moyennant\iiaison à un micro-processeur ou unité logique du type électronique ou à relais. On peut encore remarquer que le courant d'air déterminé par les ventilateurs 17 peut s'utiliser avec avantage pour faire disparaitre les condensations qui auraient pu se déposer sur la face intérieure de la paroi transparente 1 au début d'une période d'ensoleillement. I1 doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qutà titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d' exécu- tion décrits par tous autres équivalents. REVENDICATIONS 1. Panneau capteur solaire du genre comprenant une premiere paroi, faite par exemple en métal et comportant une face noirciede façon à absorber le rayonnement solaire, une seconde paroi transparente à la lumière visible mais relativement opaque à l'infra-rouge, disposée en avant de la précédente, et une troisième paroi thermiquement isolante située en arrière de la première de façon à déterminer avec celle-ci un espace de circulation d'un fluide caloporteur, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (17) pour faire circuler de l'air extérieur dans l'espace (3) situé entre la premiere et la seconde paroi (1, 2) en vue notamment de permettre au fluide caloporteur de jouer le rôle de source froide pour une pompe à chaleur de chauffage auxiliaire lorsque la température de cet air est intéressante à cet égard. 2. Panneau suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la première paroi comporte des ailettes (la) disposées dans l'espace (3) qu'elle délimite avec la seconde paroi (2), ces ailettes étant substantiellement orientées parallelement à la direction du courant d'air. 3. Panneau suivant la revendication 1, caractérisé en ce qui est prévu à l'entre et/ou à la sortie du courant d'air dans et/ou à partir de l'espace (3) compris entre la premiere et la seconde paroi (1, 2) des volets chargés (18, 20) normalement fermés, mais qui s'ouvrent quand le courant d'air apparat. 4. Panneau suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la troisième paroi (4) comporte des nervures (9a, 9b, 9c) en contact étanche avec la première paroi (1) et qui déterminent avec celle-ci des canaux (5, 6, 7, 8) pour la circulation du fluide caloporteur. 5. Panneau suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la hauteur de l'espace (3) situé entre la premiere et la seconde paroi (1, 2), ainsi que celle des ailettes (la) associées à cette première paroi vont en diminuant entre l'entrée et la sortie dudit espace.