Brevet FR2502752A1 — publié le 19821001

La présente invention concerne le stockage d'énergie thermique destiné au chauffage de tout local ou immeuble par le moyen d'une pompe à chaleur en association avec une source d'énergie solaire et assurant le chauffage pendant toute la saison froide sans autre énergie que celle consommée par la pompe à chaleur, ctest-à-dire sans aucune énergie d'appoint. Dans les dispositifs connus de chauffage par pompe à chaleur associée à un stockage solaire, la pompe à chaleur intervient quand ltapport solaire 8 avère insuffisant pour assurer à lui seul le chauffage. Dans ces systemes, l'énergie solaire alimente, soit directement, soit par lsinter- médiaire du stockage, l'évaporateur de la pompe à chaleur et on recueille à haute température au condenseur cette énergie augmentée de celle consommée par la pompe à chaleur. De tels dispositifs se heurtent au problème posé par la faiblesse de l'énergie solaire reçue pendant la saison froide : elle ne représente en effet qu'une très faible fraction des besoins thermiques. Malgré l'apport de la consommation propre de la pompe à chaleur, l'énergie solaire ne parvient pas à assurer la totalité de la demande thermique. De plus le couplage entre les capteurs et l'éva- porateur pose des problèmes délicats de régulation. Une solution apportée dans les réalisations existantes consiste à utiliser une énergie dtappoint. I1 en résulte une complication technique, un encombrement plus important, un investissement supplémentaire et un net désavantage en ce qui concerne le taux d'économie annuelle réalisé. Une autre solution existe qui fait appel à une source supplémentaire de calories à basse température constituée par un stockage de grande capacité dit intersaisonnier. Cette solution présente l'inconvénient d'exiger de grands 2 volumes d'eau (de l'ordre de 2 m3 par m de surface à chauffer) et un calorifugeage très poussé. On se heurte donc à un problème d'encombrement et de coût. Enfin, une autre solution consisterait à augmenter la surface des capteurs solaires. Le calcul montre qu'il faudrait disposer d'une surface considérable, ce qui exclut cette solution de par son cotit et son encombrement. Le procédé de stockage. selon l'invention permet de résoudre ces difficultés cest-à-dire que le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, décrit ci-après - ne nécessite aucune énergie d'appoint. - a besoin d'une surface de capteurs modeste. - utilise un volume deau réduit. - exige pas une surisolation thermique du réservoir d'eau. - supprime les difficultés de couplage entre capteurs et évaporateur. - permet à la pompe à chaleur de fonctionner à tempé rature constante, c'est-à-dire avec un meilleur coefficient de performance. - améliore le fonctionnement des capteurs solaires en les faisant travailler à très basse température. - assure un taux important économie annuelle. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon ltinvention comprend en effet une pompe à chaleur eau-eau ou eau-air et un système de captation de l'énergie solaire. Le procédé est caractérisé par le fait qu'il met en oeuvre la chaleur latente de l'eau contenue dans une réserve, cest-à-dire que non seulement l'évaporateur refroidit l'eau mais en plus la congèle, fabriquant donc de la glace d'une manière continue. Le procédé est également caractérisé en ce qu'une liaison thermique est établie entre la source solaire et la glace, ayant pour conséquence de faire fondre celle-ci. On a donc affaire à un mélange eau-glace, dont le point d'équilibre se déplace au cours de la saison de chauffage. Selon une caractéristique du procédé, la glace est produite sur la face interne d'une paroi métallique refroidie par l'évaporateur de la pompe à chaleur. Cette paroi a la forme d'un tronc de cône à très faible angle au sommet. Sa surface est calculée pour que la glace puisse être produite à la vitesse correspondant à la puissance thermique de la pompe à chaleur. Le fond du cône est fermé par un obturateur gonflable alimenté par un petit compresseur d'air. Dès que la glace a atteint l'épaisseur limite, un détecteur d'épaisseur commande l'arrêt de la pompe à chaleur et ltouverture dtune valve de fuite d'air dégageant ainsi le fond du réservoir. Deux processus sont prévus pour détacher la glace : si les conditions météorologiques le permettent, on laisse agir la température ambiante qui, par réchauffement de la paroi métallique, va décoller le bloc de glace; sinon ce décollement est obtenu par la circulation d'un fluide tiède sur la paroi métallique.La glace est évacuée par gravité dans le réservoir d'eau; à la suite de quoi le cycle est prêt à recommencer. Selon une première variante, le réservoir d'eau est enterré et il contient une quantité d'eau calculée pour qu'il reste toujours de l'eau à l'état liquide pendant toute la durée de la période de chauffage. C'est le fonctionnement dit à eau recyclée. Selon une deuxième variante, le réservoir est à l'air libre - par exemple : bassin servant de piscine en été La quantité d'eau peut être inférieure à la valeur théorique : on fait alors appel à liteau du réseau de distribution. On y fait également appel quand, par suite de gel prolonge, il n'y a plus d'eau à l'état liquide. Un tropplein évacue l'excès dteau à l'égout. Ctest le fonctionnement dit à eau perdue. Le procédé suivant l'invention permet en définitive de couvrir la totalité des besoins thermiques annuels de la façon schématique suivante Les capteurs solaires assurent directement le chauffage principalement en automne et au printemps, ce qui correspond à la couverture d'environ 40 qO des besoins. Les 60 * restants sont couverts - à proportion de 18 96 par l'apport solaire hivernal (et éventuellement toute autre source thermique). C'est l'énergie utilisée pour fondre la glace. - à proportion de 22 96 par l'énergie emmagasinée sous forme de glace à arrêt de la période de chauffage. - à proportion de 20 96 par la consommation propre de la pompe à chaleur (consommation du compresseur dans le cas d'une pompe à chaleur à compression). On voit donc que, compte non tenu de la consommation des auxiliaires, le taux d'économie annuelle ressort à 80 ss. Les dessins annexés représentent Fig. 1 : le schéma d'ensemble du dispositif dans le cas drune pompe à chaleur eau-eau et réservoir enterré. Fig. 2 : une vue en coupe du cône de production de glace. Tel qu1il est représenté schématiquement à la Fig. 1, le dispositif de stockage solaire comporte une pompe à chaleur & compression (1) dont le condenseur (2) alimente un réservoir d'eau de faible capacité (3) appelé stockage journalier. Ce réservoir, qui est calorifug6, est également alimenté par un ensemble de capteurs solaires (4r par lwintermédiaire de l'échangeur (5). L'eau de ce réservoir est maintenue aux alentours de 35 degrés par le fonctionnement du système; elle sert à alimenter un circuit de chauffage (6) du type basse température, tel que chauffage par le sol.Un réservoir d'eau de grande capacité (7) est disposé dans le sol en-dessous du cône de production de glace (8), qui est alimenté périodiquement en eau du réservoir principal (7) par le moyen de la canalisation (9). L'eau du stockage principal (7) peut circuler dans les capteurs solaires (4) par le Jeu des 2vannes 3 voies (10) et de la pompe (11). Accessoirement, elle peut aussi circuler dans l'échangeur (5). La pompe (12) sert à faire circuler l'eau des capteurs (4) dans l'échangeur (5). Le générateur de glace est représenté à la Fig. 2. I1 est constitué d'une paroi métallique (13) en forme de tronc de cane à faible angle au sommet de manière à permettre un démoulage facile de la glace. Sur cette paroi sont soudés d'une part le serpentin (14) constituant l'évaporateur de la pompe à chaleur (serpentin de refroidissement) et d'autre part le serpentin (15) ou serpentin de réchauffement. Ce serpentin, dans lequel circule de l'eau glycolée, est relié au stockage journalier par l'intermédiaire d'un échangeur et d'une petite pompe de circulation l'ensemble n'ayant pas été représenté à la Fig. 1 afin de ne pas surcharger le schéma. Cette paroi munie de 2 serpentins est revêtue extérieurement d'un calorifugeage (16) destiné à empêcher la formation de givre.Dans l'axe du c8ne est disposé un volume intérieur creux (17) en matière plastique destiné à limiter la masse d'eau (18) contenue dans le réservoir conique. Ce volume supporte dans sa partie inférieure un obturateur gonflable en élastomère (19) en forme de tore alimenté par un compresseur d'air (20) disposé à linté- rieur. Cet obturateur, représenté sous pression, ferme le fond du réservoir conique. La sonde de niveau (21) détermine lBarrêt du remplissage d'eau et la sonde d'épaisseur de glace (22) commande ltarr8t de la pompe à chaleur, la mise à lratmosphère de l'obturateur et, le cas échéant, la mise en route de la pompe du serpentin de réchauffe- ment (15). Le dispositif dans son ensemble fonctionne comme suit Quand l'ensoleillement est suffisant, les capteurs solaires alimentent directement le stockage journalier (3). Dès que la demande de chauffage devient supérieure à la fourniture solaire, la température de l'eau du stockage journalier ne peut plus & re maintenue aux alentours de 35 degrés. La pompe à chaleur est alors mise en route par commande thermostatique, l'eau du stockage principal (7) est mise en circulation dans les capteurs solaires (ceci, bien entendu, à condition que la température de sortie des capteurs soit supérieure à celle du stockage), l'obtura- teur gonflable (19) est mis sous pression et la canalisation (9) remplit le réservoir conique (8-13).Quand la couche de glace qui prend naissance sur la paroi froide a atteint une épaisseur telle que sa résistance thermique ne permet plus le passage du flux calorifique nominal de la pompe à chaleur, la sonde (22) arrête la pompe à chaleur, vide le réservoir conique de son eau et commande le réchauffement par le serpentin (15). La fusion dtune mince pellicule de glace au contact de la paroi métallique fait chuter le bloc de glace dans le réservoir principal (7).Le cycle est alors prêt à recommencer, ceci en fonction, bien entendu, de la régulation thermostatique gérant le chauffage. I1 est à observer que énergie nécessaire au démoulage est faible : en effet, si Q est la quantité de chaleur utilisée pour la fusion d'une mince pellicule de glace et COP le coefficient de performance de la pompe à chaleur, la dépense n'est que Q/Cor. Il y a donc production permanente de blocs de glace, à un rythme plus ou moins rapide, qui arrivent dans le réservoir principal. Une simulation faite en prenant un exemple numérique mettant en jeu dtune part les besoins thermiques du volume à chauffer et d'autre part les apports solaires montre que, au début de la période de fonctionnement de,la pompe à chaleur, toute la glace produite est fondue. Mais, les 3 phénomènes suivants agissant simultanément, à savoir : baisse continue de la température de l'eau du stockage principal, diminution progressive de rapport solaire et augmentation correspondante de la demande thermique, il va de soi qu'il arrive un moment où la glace ne fond plus : le réservoir est en état d'qui libre eau-glace. Au fur et à mesure que l'on avance dans la saison froide, cet équilibre se déplace dans le sens d'une augmentation de la quantité de glace. Puis le rythme de croissance de la glace commence à se ralentir du fait que, d'une part, l'apport solaire devient plus important et, d'autre part, les besoins thermiques deviennent moindres. La simulation montre que le maximum de glace est atteint début Avril. Après quoi la quantité de glace va en diminuant, la fonte de la glace va en s'accélérant et la totalité de la glace a complètement disparu dans le premier tiers de llété. Le réchauffement se poursuivant, la température de l'eau du stockage principal remonte et celui-ci est prêt à nouveau à jouer son rale pour la prochaine saison froide. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention permet d'assurer le chauffage pendant la totalité de la durée de la saison froide sans énergie d'appoint. L'énergie solaire est à la base de son fonctionnement mais le dispositif est également adapté à l'utilisation de toute autre source de calories à bas niveau, gratuite ou perdue, telle que, par exemple, la chaleur contenue dans les eaux usées domestiques. Le taux d'économie annuelle est très important, il croit quand le coefficient de performance de la pompe à chaleur augmente et se rapproche donc de l'autonomie complète. Comme tel, le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé objet de l'invention est donc utilisable pour le chauffage de toute habitation à caractère individuel ou collectif et de tout local, bâtiment ou immeuble privé ou public, y compris ceux à caractère industriel et commercial, chaque fois que lton veut réaliser dimportantes économies d'exploitation et se libérer des contraintes attachées aux chauffages traditionnels utilisant les hydrocarbures dtim- portation. La capacité réduite du volume de stockage de même que la surface modeste de capteurs nécessaire le rendent apte à s'intégrer à la grande majorité des configurations. I1 est particulièrement adapté à l'industrie, où l'on dispose souvent de rejets calorifiques à basse température généralement inutilisés. Le dispositif selon l'invention est également applicable à la production d'eau chaude à température moyenne pour l'industrie, l'artisanat, les cultures sous serres, l'aquaculture etc. ainsi qu'au préchauffage de l'eau chaude sanitaire dans les locaux habités. REVENDICATIONS 1 - Procédé de stockage intersaisonnier associant une réserve d'eau à une source d'énergie solaire destiné à réaliser un chauffage annuel sans aucune énergie dlap- point, caractérisé en ce qutil met en oeuvre, en plus de énergie solaire directe, la chaleur latente de l'eau et comportant de ce fait un moyen de congélation de l'eau constitué par une pompe à chaleur produisant de la glace à la vitesse correspondant à sa puissance nominale; en ce que la glace est fondue au fur et à mesure de sa production par l'apport de toutes sources thermiques à disposition dont en premier lieu l'énergie solaire sous quelque forme que ce soit, la glace étant mise en contact avec l'eau de la réserve par un moyen de démoulage et de transfert entièrement automatiques; en ce que les paramètres de dimensionnement sont choisis de telle sorte qu'une certaine quantité d' énergie se trouve stockée sous forme de glace à arrêt de la période de chauffage, ledit stock étant fondu par les calories estivales qui par ailleurs font remonter la température de la réserve d'veau la rendant ainsi prête pour la nouvelle saison froide; et enfin en ce que, par ce moyen, la fonction de stockage intersaisonnier est effectivement réalisée par la réserve d'eau et ce, à laide dtun volume d'eau très nettement inférieur à celui d'un stockage utilisant uniquement la chaleur sensible de l'eau. 2 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'appareil de production de glace est un cône placé au-dessus du réservoir d'eau. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, d'une part le démoulage de la glace est commandé automatiquement par une sonde détectant l'épaisseur de glace et effectué soit par simple réchauffement à l'air ambiant soit par circulation d'un fluide tiède prenant sa chaleur sur le circuit de chauffage et, d'autre part, le transfert de la glace se fait par gravité, les deux opérations de décollement et de transfert de la glace ne nécessitant aucun mécanisme complexe et se faisant avec le minimum de dépense d'énergie. 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le fonctionnement est à eau recyclée, le réservoir étant à labri du gel et contenant la quantité dteau nécessaire et suffisante à la marche de la pompe à chaleur pendant toute la durée de la saison froide et par le fait qutil ntest pas nécessaire de calorifuger fortement le réservoir du fait que priorité n'est pas donnée à la conservation des calories de l'été passé, ce qui diminue d'autant les investissements car stocker des calories coûte cher tandis que stocker de la glace ne coûte rien. 5 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le fonctionnement est à eau perdue, le réservoir étant à l'air libre et de ce fait n'étant pas à l'abri du gel et par le fait que la contenance du réservoir peut être inférieure à la valeur requise pour la totalité de la durée de la saison froide, la différence étant fournie par le réseau de distribution et évacuée à l'égout. 6 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comporte, outre le générateur de glace (8-13), une pompe à chaleur (1), une réserve d'eau ou stockage principal (7), un réservoir d'eau calorifugé de plus faible capacité ou stockage journalier (3) et un captage solaire (4); par le fait que le stockage journalier comporte 2 échangeurs, le premier, (5) étant relié aux panneaux solaires (4) et le second (2) étant l'évaporateur de la pompe à chaleur; par le fait qu'un circuit de canalisations relie le réservoir principal (7) aux panneaux de captation solaire (4) par l'intermédiaire de 2 vannes 3 voies (10), de telle sorte que le réservoir principal (7) est en parallèle avec le stockage journalier (3) et par le fait que le circuit des capteurs solaires comprend en outre une pompe de circulation (12) et le circuit du réservoir principal une pompe de circulation (11). 7 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le cône de production de glace comprend une paroi extérieure métallique (13) en forme de tronc de cône à faible angle au sommet revêtue d'un calorifugeage (16) et munie d'un serpentin évaporateur (14) et d'un serpentin réchauffeur (15), un volume intérieur (17) supportant à sa base un obturateur gonflable (19) et contenant un compresseur pneumatique (20), une sonde de niveau d'eau (21) et une sonde d'épaisseur de glace (22). 8 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé défini à la revendication 1, caractérisé par le fait que la réserve d'eau est constituée par un réservoir enterré et qu'il contient la quantité d'eau nécessaire et suffisante pour qu'il reste toujours de l'eau à l'état liquide. 9 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé défini à la revendication 1, caractérisé par le fait que la réserve d'eau est un bassin à l'air libre, qu'il contient une, quantité d'eau inférieure à celle requise pour avoir toujours de 1 t eau à l'état liquide, qu'il est relie au réseau de distribution d'eau et qu'il est muni d'un trop-plein relié à l'égout.