Brevet FR2505990A1 — publié le 19821119

L'invention est relative aux système. de chauffage pov: locaux, notamment pour locaux d'habitation individuels ou collec- tifs. L'invention s'applique également aux systèmes de chauffage pour bureaux. Elle a pour but de fournir un système de chauffage ds r pe nouveau qui utilise au maximum les énergies naturelles, soit instantanément, soit après accumulation, tout en permettant un chauffage régulier et sur quand ces énergies sont insuffisantes, notamment en période froide. Le système selon l'invention est caractérisé par le fait qutil comporte : un réservoir d'eau chaude de chauffage alimentant en eau un circuit de chauffage avec pompe de circulation; au moins un capteur d'énergie solaire alimentant un premier circuit qui comporte un premier échangeur de ré chauffage du réservoir; une pompe et une vanne montées sur ce premier circuit solaire; une pompe à chaleur alimentant un circuit qui comporte un deuxième échangeur de réchauffage du réservoir; une pompe montée sur ce circuit de sortie de la pompe à chaleur; un capteur d'éénergie géothermique alimentant un circuit d'entrée de la pompe à chaleur; une pompe et au moins deux vannes sur ce circuit géothermique; un deuxième cuit solaire en dérivation sur le premier échangeur et sur l'entrée de la pompe à chaleur; une vanne montée sur ce circuit en dérivation; un troisième échangeur dans le réservoir, alimenté par une source d'énergie d'appoint; et des moyens détecteurs de température et de commande pour lesdites pompes et vannes, a d a p t 6 s pour chauffer le réservoir en donnant la priorité successivement au chauffage solaire soit par le premier échangeur, soit par la pompe à chaleur et le deuxième échangeur, seul ou en association avec le circuit géothermique, au circuit géothermique par la pompe à chaleur et le deuxième échangeur, enfin à la source d'énergie d'appoint par le troisième échangeur et aussi de préférence mettre en communication les circuits solaire et géothermique de manière à emmagasiner dans celuici l'énergie solaire non utilisée. Le système de chauffage ci-dessus est avantageusement complété par un dispositif de fourniture d'eau chaude sanitaire qui comprend : un ballon d'eau chaude sanitaire alimentant un circuit d'utilisation; un troisième circuit solaire monté en dérivation sur le premier circuit solaire et comportant une pompe et un quatrième échangeur de rrcllau^-age du ballon; un cinquième échangeur de chaleur de réchauffage du ballon, monté sur un circuit coia-portart une pompe et en dérivation sur la sortie de la pompe à chaleur; un sixième échangeur dans le ballon1 alimenté par une source d'énergie d'appoint; et des moyens détecteurs de températures et de commande desdites pompes pour chauffer i'eau du ballon en donnant la priorité au troisième circuit solaire, puis à la pompe à chaleur, puis à la source d'énergie d'appoint. On comprendra bien 1'invention à la lecture de la description qui va suivre d'un mode ae réalisation préféré de l'invention, faite en référence au dessin annexé qui fait partie de la description et qui montre le schéma général du système, complété par un dispositif de fourniture d'eau chaude sanitaire. On décrira tout d'abord la partie du système selon l'invention qui, selon son aspect le plus simple, ne concerne que le chauffage. Le système comporte un réservoir de chauffage 1, du genre ballon, sur lequel sont montées la canalisation de départ 2 et la canalisation de retour 3. Ces deux canalisations sont couplées par une vanne trois-voies 4. Une pompe 5 assure la circulation de l'eau pour l'alimentation des corps de chauffe schématisés en 6 (radiateurs, convecteurs, chauffage par le sol, etc..). Une sonde thermique t1 mesure la température de l'eau sur le départ 2, en aval de la vanne trois-voies 4. L'eau du réservoir 1 est réchauffée à partir de trois sources possibles. Un premier échangeur thermique 7, dans le réservoir, est branché sur des conduites 8, 9 aboutissant à au moins un capteur solaire 10. Sur la conduite 8 sont montées successivement, à partir du capteur 10 dont elles constituent le départ, une pompe Il et une vanne 12. Une sonde thermique t2 mesure la température de l'eau à l'extrémité aval du capteur 10. Une sonde thermique t3 mesure la température extérieure. Un deuxième échangeur thermique 13, dans le réservoir 1, est branché sur des conduites 14, 15 aboutissant à la source chaude, ou sortie, d'une pompe à chaleur 16. Sur le circuit 14, 15 est montée une pompe de circulation 25. La pompe à chaleur 1o est connue de l'homme de l'art; elle ne sera donc pas décrite ici en détail; il suffit d'indiquer qu'elle permet, à l'aide d'un fluide intermédiaire soumis à évaporation, compression et condensation, d'obtenir en sortie ulule température supérieure à celle d'entrée. La source froide1 ou entrée, de la pompe à chaleur 16 est constituée par deux circuits en dérivation. Un premier circuit comporte un capteur d'énergie géothermique enterré, schématisé en 17, qui est branché sur deux canalisations 18, 19 sur l'une, 18, de ces canalisations sont montées en série une vanne 20 et une pompe 21. Ce capteur est lui-aussi connu en lui même; il suffit d'indiquer qu'il est constitué par un long tuyau enterré, l'eau qu'il contient prélevant dans le sol l'énergie thermique la mettant à la même température que celui-ci. Une sonde thermique t4 mesure la température de l'eau du capteur 17, à l'extré- mité aval de celui-ci. Le second circuit de formation de la source froide de la pompe à chaleur 16 est du type solaire. Entre la pompe Il et la vanne 12 est branchée une canalisation 22 qui porte une vanne 23 et qui aboutit à une entrée de la pompe à chaleur. Une canalisation 24 est branchée sur la canalisation 9 et aboutit directement à l'autre entrée de la pompe à chaleur. Une vanne 26 est montée à l'entrée de la pompe à chaleur, entre celle-ci et la jonction des canalisations 19 et 22. Un troisième échangeur thermique 27, dans le réservoir 1, est destiné à apporterAcel-ci une. énergie thermique d'appoint lorsque la puissance fournie par le capteur solaire 10 et/ou le capteur géothermique 17 n'est pas en permanence suffisante; c'est le cas notamment à la saison froide ou le cas échéant en demi-saison, en général de nuit. Cette énergie additionnelle est fournie par. une source d'appoint schématisée en 28 qui peut être du type électrique ou à combustible, La température de l'eau dans le réservoir 1 est mesurée par une sonde thermique t5. Les pompes 5, 11, 21 et 25 sont activées à partir d'une unité de commande centralisée 29. La pompe 5 tourne en permanence en période de chauffage (mi-saison et hiver). Par contre, les pompes 11, 21 et 25 ne tournent, en période de chauffage, que lorsque les circuits auxquels elles sont associées circuit du capteur solaire 10, circuit géothermique et sortie de la pompe à chaleur vers le réser- voir) doivent être utilisés. L'unité 29 commande également ies vannes À, 12, 20, 2) et 26 assurant des fonctions diverses: la vanne trois-voies 4 a -our rôle, sous la coninande de la sonde t1 et de la température de consigne 81 affectée à l'eau de chauffage à la sotie de la pompe de circulation 5, d'incorporer de l'eau de retour sur le départ 2 pour maintenir t1 (température mesurée par la sonde t Les vannes 12, 23 sont soit fermées ensemble, soit ouvertes alternativement. La pompe 11 ne tourne que si l'une des vannes 12, 23 est ouverte. La pompe 21 ne tourne que si la vanne 20 est ouverte. La pompe 25 ne tourne que si la vanne 26 est ouverte. L'unité de commande centralisée 29 reçoit ses informations des sondes t1 à t5, ces informations étant significatives des températures mesurées. Les moyens de traitement des données dans l'unité 29 et les moyens de commande des pompes et des vannes ne seront pas décrits en détail car ils sont à la portée de l'homme de l'art, compte tenu des données de fonctionnement indiquées ci-après. Si le chauffage n'est pas nécessaire, la pompe 5 est à l'arrdt et, normalement, les pompes 11, 21, 25 et les vannes 12, 20, 23, et 26 sont fermées. En période de chauffage (mi-saison ou hiver), la pompe 5 tourne en permanence, tandis que les pompes 11, 21, 25, les vannes 4, 12, 20, 23, 26 et la source 28 sont commandées sélectivement en fonction de paramètres instantanés mesurés (t1-t5), de ltheure (dans le cas d'un chauffage sélectif jour/nuit) et de paramètres de consigne (#1, température de sécurité dans le réservoir, etc..) La température de consigne 81 est programmée soit en fonction de t3 et de ltheure, soit indépendamment de t3, en fonction par exemple seulement de l'heure; dans ce dernier cas, la sonde t3 n'est pas nécessaire. Initialement, la source d'appoint 2 > est hors service, la vanne 4 est en passage direct, les pompes 1,, 21, 25 sont à l'arrêt et les vannes 12, 20, 23, 2 sont lennnes. Si t1 est supérieure à par exemple 61 +1 C la vanne À s'ouvre dans le sens d'une incorporation d'une partie de l'eau de retour de la canalisation 3 dans la canalisation 2. La van- ne 4 se remet en passage direct quand t1 descend à environ 61 - 1 C. On maintient ainsi dans les corps de chauffe 6 une température voisine de la température de consigne #1. Cette in- corporation d'une partie de l'eau de retour n'est effectuée que lorsque la vanne 12 est ouverte, c'est-à-dire pendant le seul chauffage solaire à travers l'échangeur 7, qui fournit une énergie instantanée et gratuite. Si t2 est/ou devient inférieure à 61 le capteur solaire 10 est incapable de fournir l'énergie nécessaire; la vanne 12 est donc fermée. Si t2 est aussi inférieure à t4, l'énergie solaire ne doit pas être stockée; la vanne 23 est elle aussi fermée, et la pompe 11 est arrêtée. Le chauffage solaire est ainsi mis hors circuit au profit du chauffage géothermique : les vannes 20, 26 ont ouvertes et les pompes 21, 25 tournent. Si après une période prédéterminée suivant le démarrage de la pompe 25, et avec répétition par périodes égales, par exemple 10 mn, t1 est inférieure à par exemple 81-30C, ce qui signifie que l'énergie géothermique est insuffisante, la source d'appoint 28 est activée et le reste jusqu'à ce que t1 atteigne par exemple 91 + 10C. Le cycle se poursuit, avec des mesures de t1 espacées dans le temps, pour mettre sélectivement en oeuvre la source d'appoint pour la ramener à une valeur maximale (#@ + 1 C) 28 quand t1 atteint une valeur minimale (#1-3 C),/de coupure de la source. En variantes, la mesure de t1 peut se faire en continu et/ou l'activation de la source d'appoint 28 peut provoquer la mise hors service du chauffage géothermique. Si t est cependant supérieure à t4, l'énergie solaire peut être utilisée conjointement avec l'énergie géothermique; les vannes 20, 23, 26 sont ouvertes et les pompes 11, 21, 25 tournent. Comme dans le cas précédent, la mesure de t1 (en continu ou à intervalles séparés) commande la mise en oeuvre de la source d'appoint 28 si la puissance combinée du chauffage solaire et du chauffage géothermique est insuffisante. Si t2 est supérieure ou égale à 61 (par exemple par temps de soleil en mi-saison ou en hiver), le chauffage solaire est mis en oeuvre, soit directement par l'échangeur 7, soit indirecteme71t par la pompe @ chaleur 16. La vanne 12 s'ouvre et la pompe p? tourne. Dans cet tat, t1 est mesurée à intervalles de trips prédéterminés : si t1 est supérieure ou égale à par exem?7e 61 + 1cC, il y a mélange par la vanne trois-voies 4, celleci étant remise en sens direct quand t1 devient inférieure à par exemple #1-1 C. Quand la vanne 12 est ouverte, t5 est mesu- rée z intervalles de temps prédéterminées : si t5 reste supérieure ou égale à 81, la vanne 12 reste ouverte, le chauffage solaire par l'échangeur 7 étant donc suffisant; si t5 devient inférieure à #1, la vanne 12 se ferme tandis que les vannes 23 et 26 s'ouvrent et que la pompe 25 tourne. Il y a donc chauffage du réservoir 1 indirectement par l'énergie solaire, à travers la pompe à chaleur. Quand la pompe 25 tourne, t5 est mesurée à intervalles de temps prédéterminées : si t5 devient supérieure ou égale à par exemple e1 + 1 C, les vannes 23, 26 se ferment, la pompe 25 s'arrête et la vanne 12 s'ouvre pour un nouveau cycle de régulation par la mesure de t5; si t5 devient inférieure '5 à e1, le chauffage solaire par la pompe à chaleur est insuf- fisant : si t2 est inférieur à t4, le chauffage géothermique est mis en oeuvre par activation de la pompe 21 et de la vanne 20, la pompe à chaleur étant alimentée par le circuit solaire et le circuit géothermique en parallèle; en variante, la pompe à chaleur peut n'être alimentée que par le circuit géothermique; si, par contre t2 est supérieure à t4, le chauffage géothermique sera a fortiori insuffisant. La poursuite de la mesure de t5, après l'activation de la pompe 25, suivie ou non de celle de la pompe 21, commande l'activation de la source d'appoint 28: si t5 devient supérieure ou égale à 61 + 1 C, la source 28 est coupée; si t5 rete compris entre e1 + 1 C, la source 28 est maintenue en service; la source 28 est de préférence calculée de manière à pouvoir maintenir à elle seule la température t à au moins # C, îo, quelle que soit la valeur de #1. 5 I1 ressort de ce qui précède qu'avec le système selon l'invention, la priorité est donnée successivement : au chauffage soleire par l'échangeur 7, au chauffage solaire à travers la pompe à chaleur, au chauffage géothermique, avec ou sans le chauffage solaire suivant la capacité de celui-ci, et enfin au chauffage d'appoint. Le système est avantageusement complèté par un dispositif de fourniture d'eau chaude sanitaire. Un ballon d'eau chaude sanitaire 30 est alimenté en eau froide du réseau par une canalisation. Le circuit d'eau chaude sanitaire comprend, sur le départ 32, une vanne trois-voies 33, une pompe de circulation 34, des-postes d'utilisation, schérati- sés en 35, qui sont montés sur canalisation de bouclage 3G aboutissant au retour 37. La vanne 33 est également branchée sur l'alimentation en eau froide 31. Le circuit d'eau chaude sanitaire est donc du type fermé. L'eau y circule en permanence, par le trajet 30, 32, 36, 37, sous l'action de la pompe 34 qui tourne en continu. Une sonde thermique t6 en aval de la vanne 33, mesure la température de l'eau disponible aux postes 35 et agit sur la vanne 33 pour incorporer éventuellement dans le circuit de l'eau froide provenant de l'alimentation 31. Une sonde thermique t7 mesure la température de l'eau dans le ballon 30. Comme le réservoir 1, le ballon 30 est réchauffé de trois manières ( solaire, pompe à chaleur, source d'appoint). Un premier échangeur est monté aux extrémités de canalisations 39, 40 qui sont branchées en parallèle sur le capteur solaire 10, une pompe de circulation 41 étant montée sur ce circuit. Un deuxième échangeur 42 est monté aux extrémités de canalisations 43, 44 branché en parallèle sur la sortie de la pompe à chaleur 16, une pompe de circulation 45 étant montée sur ce circuit. Un troisième échangeur 46 est destiné à apporter de la chaleur d'appoint, à partir d'une source 47 du même type que la source 28. La pompe 34 fonctionne en permanence, tandis que la vanne 33, les pompes 41, 45 et la source 47 sont activées à partir de l'unité de commande centralisée 29. Quelles que soient les autres conditions de fonctionnement, et notamment la température extérieure t3 et la température t7 du ballon, la température t6 mesurée commande la vanne 33 pour que t6 ne soit pas supérieure à une température de consigne #6, en général 55 C. Si t6 dépasse #6, la vanne 33 est commandée dans le sens du mélange, pour être ramenée dans le sens direct quand t6 descend à par exemple 66 - 10C. On affecte à t7 une valeur de consigne 437, par exemple 60"C. La comparaison de t7 et de e7 commande la coupure des trois sources thermiques ou, au contraire, leur mise en oeuvre suivant les mêmes priorités quc pour le chauffage. Au départ, la pompe 34 tourne, la vanne 33 est asservie à t; et les les pompes 41, 45 sont à l'arr8t et la source 47 est coupée. Si t7 devient ou est supérieure à 07, les éléments 41, 45, 47 sont hors service. Si t7 devient inférieure à, par exemple #7-1 C, le chauffage du ballon est nécessaire : si t2 est supérieure ou égale à e7, la pompe 41 est mise en marche, pour être arrêtée si t2 est ou devient inférieure à (37-1 C; si t2 est inférieure à 87-1 C, le chauffage solaire par l'échangeur 38 est insuffisant, la pompe 41 est arrêtée, la pompe 45 est mise en marche et la vanne 26 est ouverte; si t2 est supérieure à t4, la pompe 11 est mise en marche et la vanne 23 est ouverte : le ballon 30 est chauffé par l'énergie solaire à travers la pompe à chaleur 16; si t2 est inférieure ou égale à t4, la pompe 11 est arrêtée, la vanne 23 est fermée, tandis que la pompe 21 est mise en marche et la vanne 20 est ouverte: le ballon 30 est chauffé par l'énergie géothermique à travers la pompe à chaleur; en variante, on peut alimenter la pompe à chaleur par les deux circuits en parallèle. Si le chauffage par la pompe à chaleur est insuffisant (par exemple t7##7-2 C), la source d'appoint 47 est mise en service jusqu'à ce que t? = 07. On voit donc que l'eau chaude sanitaire reçoit sa chaleur suivant les mêmes priorités que le chauffage. De nombreuses modifications, compléments et adaptations sont possibles sans sortir du cadre de l'invention; c'est ainsi quton pourra incorporer toutes sécurités voulues, toutes constantes de temps dans les mesures de température, toute accumulation d'énergie solaire dans le capteur géothermique quand lténergie solaire (représentée par t2) est importante, notamment dans les phases de non réchauffement du réservoir 1 et du ballon 30, et toute priorité de la production d'eau chaude sanitaire sur le chauffage. REVENDICATIONS 1.- Système de chauffage pour locaux, notamment pour locau d'habitation, caractérisé par le ait qu'il comporte : un voir (1) d'eau exaude de chauffage alimentant en eau im circuit de chauffage (2, 3) avec pompe de circulation (5); au moins un capteur d'énergie solaire (10) alimentant un premier circuit (8, 9) qui comporte un premier échangeur (7) de réchauffage du réservoir (1); une pompe (11) et une vanne (12) montées sur ce premier circuit solaire (8, 9); une pompe à chaleur (16) alimentant un circuit (14, 15) qui comporte un deuxième échangeur (15) de réchauffage du réservoir (1); une pompe (25) montée sur ce circuit (14, 15) de sortie de la pompe à chaleur (16); un capteur d'énergie géothermique (17) alimentant un circuit d'entrée (18, 19) de la pompe à chaleur (16); une pompe (21) et au moins deux vannes (20, 26) sur ce circuit géothermique (18, 19); un deuxième circuit solaire (22, 24) en dérivation sur le premier échangeur (7) et sur entrée de la pompe à chaleur (10); une vanne (23) montée sur ce circuit en dérivation (22, 24); un troisième échangeur (27) dans le réservoir, alimenté par une source (28) d'énergie d'appoint et des moyens détecteurs de températures (t1-t5) et de commande (29) pour lesdites pompes et vannes, a d a p t é S pour chauffer le réservoir (1) en donnant la priorité successivement au chauffage solaire soit par le premier échangeur (7), soit par la pom- pe à chaleur (16), et le deuxième échangeur (13), seul ou en association avec le circuit géothermique, au circuit géothermique par la pompe à chaleur (16) et le deuxième échangeur (15), enfin la source d'énergie d'appoint (28) par le troisième é changeur (27). 2.- Système selon la revendication 1, caractérise par le fait que le circuit de chauffage (2, 4) comporte une vanne mélan- geuse (4) pour incorporer une partie de l'eau de retour dans le départ de chauffage, dans le cas du chauffage solaire u- @ravers le premier échangeur (7), quand la température instantanée (t1) dans le circuit de chauffage dépasse une saleur prédétermin e. 3.- Systene selon llune des revendications 1 et C, carac- térisé par le fait qu'une vanne (26) est montée entre l'une des entrées de la pompe à chaleur et a jonction associée des circuits solaire de dérivation (22, 24) et géothermique (1@, @@@ Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractéris@ par le fait qu'il est complété par un dispositif de fournit@re d'eau chaude sanitaire qui comprend : un ballon (30) d'eau chaude sanitaire ali@entant un circuit d'utilisation (31, 32); un troisième circuit solaire (39, 40) monté en dérivation sur le pre@ier circuit solaire (8, 9) et comportant une pompe (41) et un quatrième échangeur (38) de réchauffage du ballon; un cinquième échangeur de chaleur (42) de réchauffage du ballon (30), monté sur un circuit (43, 44) comportant une pompe (45) et en dérivaion sur la sortie de la pompe à chaleur (16); un sixième échan- geur (46) dans le ballon (30), alimenté par une source d'énergie d'appoint (47); et des moyens détecteurs de températures (t6, t7) et de commande (29) desdites pompes pour chauffer l'eau du ballon (30) en donnant la priorité au troisième circuit solaire (39, @0), puis à la pompe à chaleur (16), puis à la source d'énergie d'appoint (47). 5.- Système selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le circuit d'utilisation (31, 32) est du type bouclé et comporte une pompe de circulation (4). 6.- Système selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé par le fait que le circuit d'utilisation (31, 32) comporte une vanne mélangeuse (33) pour incorporer sur la canalisation de départ (32) une partie d'eau froide, sous la commande d'une température de consigne et de la température (t6) de l'eau disponible aux postes d'utilisation (35). 7. Système selon l'une des revendications l à 6, caracté@isé par le fait que les moyens détecteurs de températures (tl-t5) et de commande (29) sont adaptés pour mettre en communication les circuits solaire et géothermique de manière a emmagasiner dans celui-ci l'énergie solaire non utilisée.