Brevet FR2486216A1 — publié le 19820108

La présente invention concerne un dispositif échange dechaleuF courbe pour le chauffage et la climatisation de locaux et la production d'eau chaude et froide sanitaire. Les diverses installations de chauffage notamment de locaux d'habitation par capteurs solaires ou de chauffe-eau pour la production de 11 eau chaude sanitaire, sont en général prévues pour les régions ayant un climat relativement tempéré. Parmi les solutions existantes, il y a notamment les capteursplans, travaillant généralement par effet de serre. Un tel capteur-plan est constitué-par une surface de captation, contenue dans un bottier parallélipipédique rectangle, isolé sur tous ses côtés à ltexcept-ion de la face avant, transparente, qui laisse pénétrer le rayonnement solair. La surface de captation est constituée en général par une plaque portant un serpentin de circulation du fluide caloporteur, qui prend la chaleur emmagasinée dans la plaque. Une telle installation est relativement satisfaisante sur le plan du bilan thermique, car elle est isolée thermiquement sur tous ses côtés, à l'exception de la face avant par laquelle pénètre le rayonnement. Dans ces conditions, sché matiquement, la surface échange de chaleur de ltextérieur vers l'intérieur (le jour) et celle de l'intérieur vers I'exté- rieur (lorsque le capteur est éclairé par le soleil, soit par rayonnement directs soit par rayonnement diffus, par ciel couvert), (la nuit), sont pratiquement identiques. Or, un tel capteur présente relativement peu dtintérêt pour les pays chauds, à fort ensoleillement, car le problème de chauffage des locaux ne présente pas la même importance que dans les pays tempérés ou la période de chauffage est relativement longue. Dans les pays chauds, la période de chauffage des habitations est relativement courte et le plus important serait de disposer d'une installation de climatisation pour la production de froid. Or, bien qutil soit possible d'envisager de combiner un capteur solaire-plan à une installation frigorifique travaillant suivant le principe de l'absorptionS en pratique une telle installation n'est que difficilement réalisable à grande échelle ou elle présente de multiples inconvénients La surface de captation devrait être très importante.De plus, l'installation serait relativement comateuse et surtout d'un entretien assez délicat. A celà stajoutent les inconvénients propres aux capteurs-plans lorsqutils sont utilisés dans les pays chauds : les vents de sable détériorent très rapidement la surface transparente des capteurs. Enfin, les problèmes de transport et de montage sont relativement délicats et coûteux. La présente invention a pour but de créer un dispositif échangeur de chaleur susceptible de fonctionner tant en capteur de chaleur (récepteur) que comme échangeur de chaleur avec ltextérieur (émetteur), pour permettre un fonctionnement alterné de production de calories et de production de frigories. A cet effet, l'invention concerne un échangeur de chaleur caractérisé par l'enceinte intérieure constituant le volume de stockage du fluide caloporteur primaire; - une enveloppe dtisolation entourant le volume de stockage, - une surface dtéchange de chaleur formée au moins en grande partie par le circuit du fluide caloporteur primaire, cette surface échange entourant l'enveloppe dtisolation. Comme ltéchangeur de chaleur a une structure à enveloppes successives et que nécessairement la surface d,échange, c,est-à-dire la surface qui est exposée au rayonne- ment solaire ou qui assure échange de la chaleur avec ltexté- rieur, est répartie suivant une surface enveloppante, il en résulte que la surface apparente pour le soleil est toujours inférieure à la surface réelle (surface utile pour ltémission). Dans ces conditions, que la surface d'échange soit en forme de sphère, dtellipsoide ou d'une surface analogue ou encore en forme de cylindre, de cube, etc ... la surface apparente pour le soleil est constante ou variable suivant une loi prédéterminée au cours de la journée, ou au cours de l'année ; cette surface est toujours inférieure à la surface réelle qui sert à échange de chaleur vers l'extôrieur c'est-à-dire lorsque la surface échange fonctionne comme émetteur. La forme du volume formé par la surface échange est choisie en fonction de la quantité dcénergie à échanger ou à recevoir. Cela permet d'utiliser avantageusement un tel dispositif dtéchange dans une installation de chauffage et de cli matisation, le dispositif échangeur fonctionnant alternativement comme émetteur de chaleur, pendant la nuit, pour donner des frigories, stockées dans un volume de stockage dans lequel l'installation de climatisation puise les frigories pendant la journée, alors que le dispositif échangeur fonctionne comme capteur de chaleur pendant la journée pour fournir de l'eau chaude sanitaire. Pendant la période dthiver, un tel capteur peut fonctionner comme capteur de chaleur pour l'installation de chauffage. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aidé des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une coupe dtun dispositif échangeur selon l'invention ; - la figure 2 est un schéma de couplage de deux dispositifs selon l'invention pour un fonctionnement combiné. Selon la figure 1, le dispositif échangeur de chaleur selon l'invention, se compose d'une enveloppe intérieure 1 constituant un volume de stockage. Dans le cas le plus simple, l'entrée de liteau dtalimentation venant de réseau se fait directement dans le volume de stockage, et l'eau utilisée est puisée dans ce même volume de stockage. Dans un autre cas, lorsqu'il faut, pour des raisons d'hygiène ou autres, séparer le fluide caloporteur et liteau à réchauffer ou à refroidir, le circuit. primaire comporte un échangeur logé dans le-volume de stockage du circuit secondaire. Cette enveloppe intérieure 1 est entourée par une enveloppe dtisolation 2 d'épaisseur appropriée. L'enveloppe d'isolation 2 est elle-meme entourée par une enveloppe 3 constituant la surface échange. Cette surface dtéchange 3 est formée par un tube 31 en boucles jointives. Le tube 31 est relié à l'enceinte 1 par une tubulure d'entre 32 et une tubulure de sortie 33. On a ainsi un circuit de-circulation du fluide caloporteur primaire, composé de ltenceinte 1, du tube 31 et des raccords 32, 33. La circulation du fluide caloporteur primaire peut se faire soit par thermosiphon, soit de façon forcée par une pompe non représentée. Enfin, le dispositif échangeur peut porter un vitrage ou autre, constituant une enveloppe extérieure 40 transparente aux rayonnements. Dans le cas d'un dispositif équipé d'un vitrage, il faut que celui-ci soit escamotable si le dispositif doit fonctionner en émetteur pendant la nuit. Le volume supérieur 5 entre les spires ou parties supérieures du tube 31, et qui laissé libre par le tube 31, ne constitue pas à proprement parler un inconvénient de perte de surface. Ce volume 5 peut avantageusement Gtre utilisé pour y loger le circuit électronique de commande de l'installation (palpeur de température, commutateur de circulation de fluide etc). Le dispositif échangeur décrit ci-dessus qui se caractérise par une succession d'enveloppes, peut avoir des formes très différentes. Géométriquement, la forme la plus simple est une sphère, dont la coupe verticale suivant un grand cercle correspond à la figure 1. Toutefois, on peut également envisager des formes géométriques plus complexes telles que des ellipsoides, et plus généralement une forme telle que la surface apparente de ltéchangeur 3, pour le soleil évolue en cours de journée-et/ou d'année suivant une loi prédéterminée. Il est également possible de réaliser le dispositif échangeur sous la forme dun cylindre couché ou débout. Dans ce cas, le tube 31 de l'échangeur peut & re disposé en spirale, comme cela apparatt à la figure 1 (réalisation qui est la plus simple pour la sphère) ou encore par une succession de tubes horizontaux-ou verticaux, réunis aux deux bouts par un collecteur d'entrée et un collecteur de sortie. Suivant un mode de réalisation préférentiel, le circuit du fluide caloporteur primaire est constitué par des éléments en matière plastique. La matière constituant le tube 31 de ltôchangeur est de préférence chargée en carbone pour résister mieux aux rayons ultra-violets auxquels elle est exposée. Cette exigence nsest pas aussi importante pour ltenveloppe 1 qui est protégée du rayonnement, par ltéchangeur 3 et par l'isolant 2. La matière plastique et notamment un caoutchouc synthétique offrent un certain nombre d'avantages liés à sa souplesse. En effet, dans le cas d'un circuit primaire fermé, réalisé en caoutchouc synthétique, il ntest pas nécessaire de prévoir de vase dtexpansion. On évite également une réduction de l'échange thermique par un dépit de calcaire ou autre, sur les parois du tube 31. En effet, étant donné la forte dilatation de la matière plastique suivant les variations de température entre la nuit et le jour, les éventuelles particules qui se forment jusqu'à ce que le fluide caloporteur soit à l'équilibre, ne peuvent se déposer sur les parois du tube 31. L'élasticité d'une matière synthétique souple évite également l'éclatement de l'installation en cas de gel, ce qui inversement, permet de faire l'économie de liquide anti-gel. Comme la surface apparente de l'échangeur du dispositif échangeur selon l'invention est constante dans le cas d'une sphère, ou encore varie suivant une loi prédéterminée, un tel dispositif échangeur ne constitue aucune servitude d'orientation ou dtarchitecture du bâtiment. Bien plus, une forme de boule, de lentille etc ... permet une intégration facile et esthétique de ce dispositif de captage dans l'archi- tecture dlun bbtiment, contrairement aux difficultés qui existent pour les capteurs-plans, notamment l'obligation d'une orientation déterminée. Enfin, lorsque le rayonnement du soleil est diffus, c'est-à-dire lorsque le ciel est voilé par des nuages, le capteur reçoit cette lumière diffuse sur toute la surface réelle de ltéchangeur 3. Or, contrairement au cas d'un échangeur-plan, cette surface est toujours supérieure à la surface apparente, (quatre fois pour une sphère) ctest-à-dire la surface vue par le soleil en éclairage direct (non diffus. Au plan de la fabrication et du transport, un dispositif échangeur selon l'invention présente de multiples avantages. Ce dispositif échangeur peut se réaliser en usine, sous la forme d'un ensemble dont le montage sur le lieu de l'utilisation est extrêmement simple. En effet, il suffit alors de brancher le circuit secondaire sur lsenceinte de stockage 1. Le dispositif selon l'invention s'intégré facilement dans un immeuble. I1 peut mtme constituer l'immeuble par exemple dans le cas d'un immeuble dthabitation en forme de sphère ou de lentille, le centre peut être occupé par un volume approprié permettant le stockage de l'eau chaude ou froide pour le chauffage et la climatisation. Toutefois suivant les-besoins de l'aménagement intérieur, le volume de stockage peut etre décentré à l'intérieur de ltenveloppe fermée par la surface de capteur. Dans le cas d'un immeuble en forme de tour, certains niveaux techniques séparants des groupes de-niveaux d'habitation ou de bureaux peuvent être constitués par des dispositifs échangeurs selon ltinvention. Ces dispositifs assureront la continuité architecturale avec les autres niveaux. L'invention permet diverses variantes. Ainsi, bien que la réalisation décrite ci-dessus consiste à faire une enveloppe d'échangeur à l'aide des tubes jointifs il peut être intéressant de réaliser des plaques garnies d'un serpentin pour la circulation du fluide primaire. Les dispositifs échangeurs peuvent être complétés par des miroirs fixes ou mobiles à mouvements asservis ; ces miroirs peuvent tre solidaires ou non du capteur pour réfléchir le rayonnement sur la partie du capteur qui est à sombre ou concentrer le rayonnement sur une partie de la surface de captation, de préférence sur la partie précédant le stockage. De façon générale, les surfaces enveloppes du dispositif peuvent tre constituées soit par des surfaces continues (dans le cas de volumes petits ou moyens) soit par des surfaces discontinues constituées par l'assemblage d'éléments plans ou courbes (facettes) formant les diverses enveloppes (dans le cas de dispositifs de dimensions importantes, d'immeubles etc) Dans les pays chauds, il est souvent nécessaire d'avoir à la fois de liteau chaude et de l'eau froide. L'eau chaude sert à des usages sanitaires ou au chauffage pendant une période de la journée et liteau froide sert à des usages sanitaires, à la consommation, à la climatisation etc car dans certains pays chauds comme l'eau du réseau de distribution est souvent tiède voire chaude, elle est peu agréable à consommer. Toutefois en procédant de la sorte, la surface de captation de l'installation fournissant de l'eau chaude est perdue pendant la nuit et inversement la surface de captation de l'installation de production d'eau froide est perdue pendant la journée. Or en combinant deux installations comme cela sera décrit ci-après à l'aide de la figure 2, il est possible d'utiliser pendant la journée non seulement la surface de captation de l'installation dite de production d'eau chaude mais également la surface de captation de l'installation dite de production d'eau froide. Inversement, pendant la nuit, la surface de captation de l'installation de production dteau chaude sert à la production d'eau froide en parallèle à la surface de captation de l'installation de production d'eau froide. Le schéma de la figure 2 montre deux dispositifs 10, ll ayant la mdme structure. Ces dispositifs se composent chacun d'une surface d'échange E1, E2 d'un volume de stockage S1' S2 et d'une conduite de liaison CL1, CL2 reliant la surface d'échange E1, E2 au volume de stockage S1, S2 respectif. Le circuit de fluide primaire se compose ainsi des éléments E1,2 CL1,2, 51,2 Le dispositif 10 est destiné à fournir de l'eau chaude par exemple de l'eau chaude sanitaire ou de chauffage ECS a partir de l'eau de ville EV. Cette eau de ville passe dans le volume de stockage S qui constitue ainsi une réserve et un échangeur de chaleur. Le dispositif 11 est branché de façon analogue. Le volume de stockage S2 reçoit de 1-' eau de ville et fournit de l'eau froide sanitaire ou de climatisation ERS. Les circuits CL1, CL2 comportent chacun un clapet anti-retour D1, D2 (schématisés par le symbole des diodes) ou tout autre dispositif équivalent de façon que l'eau ne puisse circuler que dans un sens par exemple par effet de thermosiphon. Ainsi dans le circuit CL1, le oouplage des dispositifs 10 et ll par les conduites C1, C2 permet d'avoir deux réserves, l'une pour l'eau chaude, l'autre S2 pour liteau froide en utilisant simultanément pour la fabrication de cette eau chaude et de cette eau froide, les enveloppes Eî et E2. La circulation des fluides caloporteurs primaires dans les circuits CL1, CL2 pendant le jour (production d'eau chaude) et pendant la nuit (production d'eau fratche) est schématisée par les flèches et les symboles J (jour) et N (nuit). Dans le cas d'une installation fonctionnant en thermosiphon, les clapets anti-retour D1 et D2 assurent la commande de la circulation des fluides caloporteurs primaires, circulant dans le sens des flèches. Par contre si l'installation ne peut pas fonction ner en thermosiphon, des vannes d'arrêt, télécommandées peuvent remplacer les clapets anti-retour D1, D2, le fonctionnement étant par ailleurs le même. Le schéma de la figure 2 montre des surfaces de captation E1, E2 distinctes des enveloppes S1, S2 et ne les entourant pas. En fait, il stagit lâ d'une schématisation, les réalisations pratiques étant faites selon les principes de l'invention ctest-à-dire les surfaces de captation E1, E2 entourant les volumes de stockage S1, S REVENDICATIONS 10) Dispositif échangeur de chaleur courbe pour le chauffage et la climatisation solaires, de locaux et la production d'eau chaude et froide sanitaire comportant un échangeur et un volume de stockage, caractérisé par ltenceinte intérieure(l) constituant le volume de stockage du fluide caloporteur primaire, - une enveloppe d'isolation entourant le volume de stockage (1), - une surface d'échange de chaleur (3) formée au moins en grande partie par le circuit (31) du fluide caloporteur primaire, cette surface d'échange entourant l'enveloppe d'isolation (2). 20) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une enveloppe extérieure (4) transparente. 30) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les enveloppes ont une forme choisie dans le groupe constitué par les surfaces sphériques, les surfaces assimilées à des sphères, les ellipsoPdes, les cylindres couchés, les cylindres debout, la section circulaire ou polygonale, les paralléli pipèdes. 40) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les enveloppes sont constituées par un assemblage de facettes. 50) Dispositif selon la revendication 10 caractérisé en ce qutil comporte un circuit de commande électronique intégré à la surface de 11 échangeur et alimenté par une pile solaire. 60) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ltenveloppe de stockage et le circuit de fluide caloporteur sont réalisés en matière synthétique notamment en caoutchouc synthétique. 70) Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le circuit du fluide caloporteur primaire est constitué par les spires d'un même tube ou les parties de tubes réunies à des collecteurs. 80) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface d'échange est constituée par une surface portant un serpentin constituant le circuit du fluide caloporteur primaire. 90) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte des miroirs de concentration ou de réflexion. 100) Installation forméee de dispositifs selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, destinés à fournir des calories et des frigories, caractérisée en ce qu'elle est composée de deux dispositifs échangeurs dont les circuits primaires (CL1, CL2) sont munis chacun d'un dispositif anti- retour (D1, D2) définissant un sens de circulation de fluide caloporteur dans ce circuit et de deux conduites de liaison (C1, C2) reliant les deux circuits pour brancher alternativement les deux capteurs (E1, E2) sur l'un ou l'autre des volumes de stockage (S1, S2) en fonction du sens de circulation du fluide (J, N)