Brevet FR2492955A1 — publié le 19820430

Chauffage central solaire à air d'un bâtiment L'invention porte sur un système complet et cohérent de chauffage d'un bâtiment partiellement par énergie solaire au moyen de capteurs sol -aires à air. Les techniques existantes en matière de chauffage solaire suivent deux branches principales qui utilisent l'une l'eau, l'autre l'air, comme fluide caloporteur. Les avantages de l'eau sont bien connus, et en particulier le confort du chauffage par rayonnement de chaleur. Mais ses inconvénients ne le sont pas moins, notamment le risque de gel, et celui, plus difficile à combattre de la corrosion. Les avantages des systèmes à air sont la robustesse, la faible inertie thermique, et leur coût de construction plus bas. Parmi les techniques employées dans les systèmes à air, on trouve les systèmes passifs qui sont difficiles à contrôler, et les systèmes actifs, plus ou moins sophistiqués dans leur agencement et leur régulation. Ces systèmes comportent souvent un circuit d'air unique servant à la fois au captage et au chauffage. Leur inconvénient est de ne pas pouvoir capter d'énergie par faible ensoleillement et temps froid car la tempéra -ture de l'air à la sortie est trop basse pour que cet air puisse être directement utilisé pour le chauffage. Il s'ensuit des pertes de temps de captage considérables. L'objet de l'invention est de remédier à ces inconvénients, dans le cadre d'une solution complète est cohérente de chauffage solaire à air d'un bâtiment. L'invention porte donc sur l'agencement des différents éléments qui composent le système. L'installation de chauffage est composée, selon l'invention, de deux circuits d'air independants quant à leur fonctionnement, l'un pour la pro -duction d'air chaud par les capteurs, l'autre pour la distribution d'air chaud dans les locaux chauffés du batiment. Ces deux circuits se croisent à l'intèricur de l'accumulateur de chaleur. L'avantage particulier de l'invention est de pouvoir, dans certaines conditions, distribuer de l'air dans les locaux à chauffer, à une tempé -rature supèrieure a celle obtenue a la sortie des capteurs, tout en con -tinuant à produire utilement de l'énergie par les capteurs. Le système comprend - Une batterie de capteurs solaires à air (4), placés sur le bâtiment (1) ou à proximité immédiate, à un niveau supèrieur ou à un niveau infèrieur ou encore en façade du bâtiment. Sur les schémas joints, les capteurs ont été immaginés, à titre d'exemple, sur la toiture. Les capteurs sont orientés de préférence plein sud, avec une tolé -rance de quelques degrés vers l'est ou vers l'ouest. Des conditions particulières de masques ou de micro-climat pourront faire préférer une orientation sud-est ou sud-ouest. L'inclinaison des capteurs la plus favorable par rapport à l'hori -zontale est donnée en degrés par la lattitude du lieu augmentée de 15 environ. Il est cependant possible, en acceptant une baisse des perfor -mances annuellés d'adopter une inclinaison de valeur infèrieure ou supèrieure. - Un accumulateur de chaleur (2) place obligatoirement à un niveau infèrieur des locaux à chauffer (3) ou sous ces locaux. L'accumulateur est, selon l'invention, un local clos et isolé ther -miquement, présentant toutes les garanties nécessaires pour être valable -ment considéré comme pouvant véhiculer l'air ensuite distribué dans des locaux habités, ce qui exclue le simple vide sanitaire sur terre battue. Ce local (2) est divise en trois espaces superposés, qui sont de bas en haut - premièrement, un espace infèrieur (5) de circulation d'air - deuxièmement, un empilement (7) de récipients fermés contenant un liquide accumulateur de chaleur (eau ou matière à forte chaleur latente de fusion et bas point de fusion). Ces récipierts, de forme et de matière quelconque résistante à la température escomptée, laissent des passages d'air à leur périphérie, de façon à permettre les échanges thermiques entre l'air et le contenu des récipients. De nombreux récipients du com -merce sont utilisables, notamment les bouteilles en verre et certaines bouteilles en platique, et les récipients utilisés dans le transport du vin, de l'huile, ou de tout autre fluide.Le volume des récipients n'excè -dera pas 50 litres afin que I'échange de chaleur puisse se faire avec l'air, mais il sera avantageusement d'un ordre de grandeur de 5 à 10 litres. - troisièmement un espace supèrieur (6) de circulation d'air. Une des caractéristiques de l'invention est que cet espace supèrieur (6) est divisé en deux parties par une cloison verticale (8) munie dans sa surface d'un passage d'air équipé d'un volet motorisé (9) de contrôle de débit d'air. Ce volet peut être complètement ouvert ou complètement fermé ou en toute position intermédiaire. - Une ou plusieurs gaines (11) de circulation d'air qui relient l'espace infèrieur (S) de l'accumulateur à l'entrée (27) des capteurs. Un filtre anti-poussière, non représenté sur les schémas, équipe cette gaine (11) pour protéger les capteurs. - Un ventilateur (12), turbine, ou autre dispositif de circulation forcée de l'air, est placé dans cette gaine (11). Son débit est modulable et asservi à la régulation. - Une prise d'air extérieur (22), branchée sur la gaine (ii) par l'inter -médiaire d'un volet sélecteur motorisé (23) situé entre le ventilateur (12) et l'entrée (27) des capteurs. Cette prise d'air permet d'assurer la ventilation naturelle des capteurs en dehors de leur période d'utilisation ceci afin d'éviter les condensations à l'intèrieur des capteurs lorsqu' elle peut etre nuisible. - Une gaine (10), ou plusieurs gaines, qui relie la sortie (28) des capteurs à l'espace supèrieur (6) de l'accumulateur. - Une gaine (24) d'évacuation de ventilation des capteurs, branchée sur la gaine (10) à proximité de la sortie (28) des capteurs, par l'intermé -diaire d'un volet séleCteur motorisé (25). - Un gaine (13) d'éjection d'air chaud, branchée sur la gaine (10), entre le volet (25) et l'espace supèrieur (6) de l'accumulateur, par l'intermé -diaire dtun volet sélecteur (14) motorisé. Cette gaine est destinée à l'usage d'été. - Une gaine de distribution (15) d'air dans les locaux (3) à chauffer, de dimension suffisante pour un fonctionnement en thermosiphon de cette distribution, branchée sur l'espace supèrieur (6) de l'accumulateur. Cette gaine peut être divisée en plusieurs branches suivant les besoins de l'architecture du bâtiment, Elle reçoit des bouches de diffusion d'air (16) équipées de volets motorisés de controle de débit. A l'intèriour de cette gaine (15) et dans sa partie basse se situe l'échangeur de chaleur (19) d'un dispositif de chauffage complémentaire, qui est constitué par un ou plusieurs convecteurs électriques, ou un échangeur de- chaleur eau-air alimenté par une chaudière ou une cheminée, ou encore le condenseur d'une pompe à chaleur. La gaine (15) est équipée d'un filtre anti-poussière non représenté sur les schémas. Une caractéristique importante de l'invention est que la gaine (15) de distribution d'air et la gaine (10) de production d'air chaud des capteurs, sont branchées à l'espace supèrieur (6) de l'accumulateur de chaleur de part et d'autre de la cloison (8) qui sépare en deux le dit espace supèrieur (6) de l'accumulateur. - Un ou plusieurs circuits de reprise d'air (17) dans les locaux chauffés. Ces circuits utilisent au maximum les circulations naturelles du bâtiment, couloirs, escaliers, etc., ou à défaut des gaines de circulation d'air qui leur sont réservées et qui captent l'air dans les parties infèrieures des locaux chauffés. - Des sondes de températures (30), (31) > (33); (34), (35), (36), (37) (38), (39), telles qu'indiquées au schéma I et à la légende des schémas, qui sont placées aux points de contrôle et connectés à la régulation. - Un appareil de télémesure de débit d'air (32), placé à la sortie (28) des capteurs et raceordé à la régulation. En effet, le débit d'air chaud intervient dans le traitement des informations par la régulation pour la modulation du débit d'air du ventilateur (12). - Un coffret de régulation, non représenté sur les schémas, qui prend en compte les paramètres de température et de débit d'air, et les consignes de température et de programmation horaire des températures des locaux chauffés, pour gérer la production d'air chaud, le stockage de chaleur dans l'accumulateur, et la distrilution d'air chaud. Elle agit sur le ventilateur (12), les volets motorisés (9), (14), (23), (25), les bouches de diffusion d'air à volets motorisés (16), et le chauffage complémentaire (19). Elle permet également le déneigement automatique des coapteurs. La description de l'agencement du système étant terminée, les diffé -rentes phases de son fonctionnement sont a considérer, suivant l'ensoleil- -lement, la température moyenne de l'accumulatear de chaleur, la tempéra- -ture des locaux à chauffer, et la saison En hiver, par temps ensoleillé, il y a captage d'énergie solaire et simultanément chauffage des locaux; le fonctionnement du système se fait alors selon le schéma 1 Les volets sélecteurs (14), (23), et (25) sont positionnés comme l'indique le schéma 1 et autorisent ainsi une circulation d'air dans tout le circuit de production de chaleur, depuis l'espace infèrieur (5) de l'accumulateur par la gaine (11), les capteurs (4) ,et la gaine (10), jusqu'à l'espace supèrieur (6) de l'accumulateur. Le ventilateur (12), dont le fonctionnement est autorisé et modulé par la régulation fait circuler l'air dans le circuit de production d'air chaud. L'air frais provenant de l'espace infèrieur (5) de l'accumulateur est réchauffé par les capteurs (4) et l'air chaud ainsi produit est envoyé à l'espace supèrieur (6) de l'accumulateur; l'air chaud traverse la partie active de l'accumulateur constituée par l'empilement (7) de récipients, et grâce à l'échange thermique sur les parois des récipients, échauffe leur contenu, avant d'atteindre l'espace infèrieur (5) de l'accumulateur, et de repartir par la gaine (11) dans le circuit de production d'air chaud. La distribution d'air chaud dans les locaux (3) à chauffer se fait par la gaine (15) de distribution, en thermosiphon, à partir de l'espace supèrieur (6) de l'accumulateur de chaleur. Les bouches de diffusion d'air (16) distribuent dans chaque local la quantité nécessaire et suffisante d'air chaud grâce à leurs volets de contrôle commandés par la régulation. L'air froid des locaux (3) est repris dans leur partie infèrieure, par thermosiphon dans le circuit (17) de reprise d'air, pour revenir à l'espace infèrieur (5) de l'accumulateur. Il est important, selon l'invention, qu'en fonction de la température de l'air chaud produit par les capteurs et mesurée par la sonde (33), en fonction de la température des récipients supèrieurs de l'empilement (7) mesuré par la sonde (36) et en fonction de la température de l'air dans l'espace supérieur (6) de l!accumulateur mesuré par la sonde (34), la régulation commande l'ouverture ou la fermeture du volet (9) de contrôle de débit. C'est la un des avantages de l'ìnvention, qui permet, en ouvrant le volet (9) de bénéficier directement pour le chauffage d'un air suffisament chauffé par les capteurs (4), et en fermant le volet (9) de profiter d'une température élevée des récipients supèrieurs de l'accumulateur malgré unr température infèrieure de sortie des capteurs. 11 est à noter que cette combinaison permet les situations transitoires, telles que le démarrage de l'installation de captage le matin, sans l'inconvénient d'une purge d'air froid par le circuit de distribution d'air dans les locaux chauffés, et donc sans déstabiliser la régulation du système. Quelle que soit la température de l'air dans l'espace supèrieur de l'accumulateur, et donc quelles que soient les conditions de captage d'énergie solaire et de niveau de remplissage en énergie de l'accumulateur (7), le chauffage complémentaire (19) assure un maintien à la température voulue de l'air distribué par la gaine (15), grâce aux sondes de tempéra -ture (34) et (35) situées en amont et en aval du chauffage complémentaire dans la gaine (15), et à la sonde (39) de température extèrieure, l'ensem- -ble des informations étant traitées par la régulation. Le chauffage de l'eau chaude sanitaire se fait au moyen de ltéchan -geur de chaleur air-eau (20) placé dans la gaine (10). L'échangeur est raccordé au ballon de stockage (26) d'eau chaude sanitaire, par un circuit fonctionnant en thermosiphon selon le schéma 1, mais pouvant être muni d'un circulateur électrique, non représenté, suivant la possibilité ou non de pouvoir placer le ballon (26) au dessus de l'échangeur (20). il est bien évident que l'installation comporte en oûtre tous les organes nécessaires et bien connus de toute production d'eau chaude, vase d'expansion, groupe de sécurité, vidange, etc.. Un chauffage complémentaire de liteau chaude sanitaire produite par cette installation à énergie solaire est fourni en série à la sortie du ballon solaire (26) de façon à maintenir la température de l'eau 'a l'uti -lisation à un point de consigne choisi. Il est important que ce complé -ment de chauffage soit bien instantané, sans réserve importante d'eau chaude. L'énergie complémentaire peut être l'électricité, ou le gaz, ou tout type de chaudière, notamment celle qui pourrait alimenter ltéchangeur (19) du chauffage complémentaire des locaux (3). En hiver, et en l'absence de soleil, ou plus généralement lorsque la production d'air chaud par les capteurs descend au dessous d'un seuil de quantité d'énergie, et/ou d'un seuil de température, consignés dans la régulation ou calculés par elle en fonction des différentes températures mesurées par les sondes, le processus de captage est interrompu. Le ven -tilateur (12) est stoppé et les volets sélecteurs (23) et (25) coupent le circuit de production d'air chaud, en amont et en aval des capteurs, selon le schéma 2. L'air chaud ou tiède de l'accumulateur se trouve ainsi piégé à l'in -tèrieur du bâtiment, et les capteurs se ventilent naturellement comme une toiture ordinaire. A noter que cette ventilation peut dans certains cas etre facultative si l'on ne craint pas les effets de la condensation, et notamment lorsque les capteurs sont conçus dans le but dans le but de supporter et de col -lecter les eaux de condensation, ou sont disposés en talus sous le bâtiment, sans risque de dommage pour l'isolation thermique du capteur, ni pour les éléments se trouvant au dessous. La distribution de l'air chaud dans les locaux (3) à chauffer, dans le cas de ce schéma 2, ou l'ensoleillement est insuffisant ou nul, se fait de la meme façon que dans le cas du schéma 1, où il y a captage et chauffage simultanément. Dans les deux cas, schéma 1 et schéma 2, l'introduction d'air neuf de ventilation se fait avantageusement dans espace infèrieur (5) de l'aecumulateur, au moyen de la gaine (29) raccordée à une V.M.C. double flux à récupération de chaleur (21), ou, dans le cas d'une V.M.C. sans récupération de chaleur, au moyen dtune prise d'air extèrieure (18). En été, où l'on souhaite interrompre durablement le chauffage du bâtiment, et ne pas stocker d'énergie dans l'accumulateur, une action volontaire sur un commutateur du coffret de régulation place les volets sélecteurs (14), (23), et (25) dans les dispositions du schéma 3, et le ventilateur 12 est arrenté. L'échauffement diurne des capteurs génère par thermosiphon une circulation d'air selon le schéma 3, étant bien entendu que la sortie de la gaine (13) sur ltextèrieur doit être situee au dessus du niveau bas des capteurs. L'air s'introduit dans le bâtiment par les portes et fenetres, et eventuellement par l'entrée d'air neuf (18), et abandonne à l'eau du ballon (26) par l'intermédiaire de l'échangeur (20), la chaleur prise dans les capteurs (4). L'air chaud devenu ensuite inutile, est éjecté par la gaine (13). A noter une intéressante possibilité de réchauffer l'eau d'une pis -cine, dans un échangeur air-eau (non représenté sur les schémas), placé dans les memes conditions que l'échangeur (20) produisant l'eau chaude sanitaire. Le système ainsi décrit dans sa constitution et son fonctionnement peut être adapté à tout type de bâtiment, et tout type d'architecture. En cas d'habitation collective, ou d'habitat groupé, il est important de ne pas mélanger les circuits d'air des différentes habitations, mais il peut être avantageux de grouper géographiquement les capteurs pour des raison d'architecture, ou les accumulateurs pour éviter la multiplication des pertes calorifiques. A noter qu'en cas d'emploi d'un condenseur de pompe à chaleur comme chauffage complémentaire (19), il est intéressant de placer l'évaporateur entre la sortie (28) des capteurs et le volet sélecteur (25) de sortie de ventilation des capteurs. On profite ainsi du réchauffement, même minime, de l'air dans les capteurs (4), pour améliorer le coefficient de perfor -mance de la pompe à chaleur. L'invention ainsi décrite s'applique également à des schémas simpli -fiés du système, qui resterait équivalents, et il est notamment possible de supprimer certains accessoires des circuits et/ou des moyens de contrôle et de régulation, en conservant les principes fondamentaux d'agencement des éléments du système, qui constituent la caractéristique de l'invention. LéGENDE DES SCHEMAS circuit de production d'air chaud circuit de chauffage du bâtiment extraction d'air vicié dans les pièces humides introduction de l'air neuf circuit de ventilation des capteurs hors utilisation circuit de ventilation estivale du bâtiment et des capteurs (i) - bâtiment (2) - local accumulateur de chaleur (3) - locaux chauffés (4) - capteurs solaires a' air (5) - espace infèrieur de l'accumulateur de chaleur (6) - espace supèrieur de l'accumulateur de chaleur (7) - empilement de récipients (8) - cloison de division de l'espace supèrieur de l'accumulateur (9) - volet motorisé de contrôle de passage d'air (10) - gaine reliant la sortie des capteurs à l'espace supèrieur de l'accumulateur (11) - gaine reliant l'espace infèrieur de l'accumulateur à l'entrée des capteurs (12) - ventilateur ou turbine de circulation forcée de 11 air (13) - gaine d'éjection d'air chaud (14) - volet sélecteur de l'éjection d'air chaud (15) - gaine de distribution d1air dans les locaux à chauffer (16) - bouches de diffusion d'air (17) - conduit de reprise d'air dans les locaux chauffés (18) - pénétration d'air neuf (19) - dispositif de chauffage complémentaire (20) - échangeur air-eau de production d'eau chaude sanitaire (21) - installation d'extraction d'air vicié ( V.M.C. ) (22) - prise d'air extèrieur de ventilation des capteurs (23) - volet sélecteur motorisé pour la prise de ventilation 22 (24) - sortie d'air de ventilation des capteurs (25) - volet sélecteur motorisé pour la sortie de ventilation 24 (26) - ballon de stockage de l'eau chaude sanitaire (27) - entrée de l'air dans les capteurs (28) - sortie de l'air des capteurs (29) - gaine d'introduction d'air neuf en provenance de la V.M.C. double flux (30) - sonde de température à l'entrée des capteurs (31) - sonde de température d'air à la sortie des capteurs (32) - appareil de télémesure du débit d'air à la sortie des capteurs (33) - sonde de température de l'air arrivant des capteurs dans l'accumulateur de chaleur (34) - sonde de température de l'air distribué, en amont du chauffage complémentaire (35) - sonde de température de l'air distribué, en aval du chauffage complémentaire (36) - sonde de température des récipients supèrieurs de l'accumulateur (37) - sonde de température des récipients infèrieurs de l'accumulateur (38) - sondes de températures d'ambiance des locaux chauffés (39) - sonde de température extèrieure Revendications 1. Chauffage central solaire à air d'un bâtiment, caractérisé par le fait qu'il comprend - un accumulateur de chaleur (2) disposé en partie basse des locaux (3) chauffés, ou sous les dits locaux; - un circuit de production d'air chaud par capteurs solaires à air (4), qui traverse de haut en bas l'accumulateur de chaleur; - un circuit de distribution d'air chaud par thermosiphon dans les locaux à chauffer qui traverse l'accumulateur de chaleur de bas en haut; - un système de régulation de l'ensemble du dispositif. 2. Chauffage central solaire à air d'un bâtiment, selon la revendi -cation 1, caractérisé par le fait que l'accumulateur de chaleur (2) est un volume divisé en trois tranches superposées, qui sont, de bas en haut - un espace infèrieur (5) de circulation d'air; - un empilement (7) de récipients fermés contenant un liquide ou un solide et autorisant une circulation d'air entre les récipients; - un espace supèrieur (6) de circulation d'air divisé en deux par une cloison (8) équipée n volet motorisé (9) de contrôle du passage d'air. 3. Chauffage central solaire à air d'un bâtiment, selon les reven -dications 1 et 2, caractérisé par le fait que le circuit de production d'air chaud comporte - une batterie de capteurs solaires à air (4) ; - une ou plusieurs gaines (10) de circulation d'air qui relient la sortie (28) des capteurs solaires à l'espace supèrieur (6) de l'accumulateur - une ou plusieurs gaines (il) de circulation d'air qui relient l'espace infèrieur (5) de l'accumulateur à l'entrée (27) des capteurs - un moyen (12) de circulation forcée de l'air ;; une gaine d'éjection (13) de l'air chaud sur l'extèrieur, munie d'un volet sélecteur motorisé (14) à son branchement sur la gaine (10) - une prise d'air extèrieur (22) avec volet sélecteur motorisé (23) à son branchement sur la gaine (11) près de l'entrée (27) des capteurs - une sortie d'air (24) de ventilation des coapteurs, avec volet sélecteur motorisé (25) a' son branchement sur la gaine (10) près de la sortie (28) des capteurs. 4. Chauffage central solaire à air d'un bâtiment, selon les reven -dications 1 et 2, caractérisé par le fait que le circuit de distribution dtair chaud comporte : - une ou plusieurs gaines (i5) de distribution d'air par thermosiphon, reliant l'espace supèrieur (6) de l'accumulateur, aux bouches (16) de diffusion d'air dans les locaux (3) à chauffer ; - un ou plusieurs circuits (17) de reprise d'air reliant les parties infè -rieures des locaux (3) à chauffer, à ltespaee infèrieur (5) de l'accumu -lateur - une amenée d'air neuf de ventilation à espace infèrieur (-5) de 1' accumulateur. 5. Chauffage central solaire à air d'un bâtiment, selon les revendi -cations 1, 2, et 4, caractérisé par le fait qu'un dispositif (19) fournit un chauffage complémentaire en partie basse de la gaine (15) de distribu -tion d'air dans les locaux (3). 6. Chauffage central solaire à air d'un bâtiment, selon l'ensemble des revendications 1,2,3,et 4,caractérisé par le fait que les raccordements à l'espace supèrieur (6) de l'accumulateur, dune part du circuit de produc -tion d'air chaud, et d'autre part du circuit de distribution d'air dans les locaux à chauffer, se font de part et d'autre de la cloison (8) qui sépare en deux l'espace supèrieur (6) de l'accumulateur de chaleur. 7. Chauffage central solaire à air d'un batiment, selon l'ensemble des revendications 1,2,3,4, et 6, caractérisé par un ou pirtisieurs échangeurs air-eau (20) destinés à produire de l'eau chaude sanitaire et/ou réchauf -fer l'eau d'une piscine, placés dans la gaine (10) qui relie la sortie (28) des capteurs à l'espace supèrieur (6) de l'aceumulateur, entre le volet sélecteur (25) de sortie de ventilation des capteurs et le volet sélecteur (14) de l'éjection d'air chaud. 8. Chauffage central solaire à air d'un bâtiment, selon les revendi -cations 1 et 4, caractérisé par le fait que les bouches de diffusion (16) d'air dans les locaux chauffés sont équipées de volets motorisés de con -trôle de débit d'air. 9. Chauffage central solaire à air d'un bâtiment, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par une régulation centralisée électronique de l'ensemble du système, qui prend en compte des paramètres de température et de débit d'air, ainsi que des consignes de seuils et de processus, et qui agit sur les volets motorisés, sur la marche et le débit du dispositif (12) de circulation forcée de l'air dans le circuit de production de chaleur, et sur la marche et l'allure de marche du chauffage complèmentaire.