Brevet FR2516639A1 — publié le 19830520

La présente invention concerne les installations de climatisation et de fourniture d'eau chaude sanitaire des locaux. Le terme de climatisation est pris au sens large car cette invention, fruit d'une approche globale des besoins, intègre la fourniture d'eau chaude sanitaire, la régulation de température (chauffage et réfrigération), l'apport d'air neuf, ltextraction sélective de l'air vicié et la possibilité d'utilisation du système en maintien hors gel. De plus, cette installation par l'utilisation d'une gaine unique d'injection (G1) et d'une gaine unique d'extraction (G3), permet d'assurer aux débits d'air injecté et extrait des locaux tous les traitements susceptibles d'être nécessaires (filtration, neutralisation chimique, désinfection, ionisation, irradiation, humidification, dessication, ...). Pour le chauffage et la fourniture d'eau chaude sanitaire, la principale source d'énergie utilisée est l'énergie solaire. Le complément nécessaire en période de pénurie d'apport solaire pLut être fourni par toute source d'énergie (combustibles solides, liquides ou gazeux, électricité, chauffage urbain, ... > . L'énergie électrique est utilisée pour assurer les débits des différents fluides, l'entratnement de la pompe à chaleur et la régulation de l'ensemble. Les installations antérieures de chauffage solaire et de production d'cau chaude sanitaire utilisent souvent des capteurs plans à air ou à liquide dont les rendements sont particulièrement faibles ou nuls par rayonnements diffus ou à faible incidence et / ou par des températures extérieures basses Or, en hiver, les rayonnements diffus fournissent habituellement près de 50 % de l'apport solaire et les basses températures sont à l'origine de nos besoins énergétiques. Des approches antérieures proposent soit d'utiliser des capteurs complexes et coûteux, soit d'utiliser le capteur ou le fluide caloporteur comme source froide d'une pompe à chaleur. Aucune de ces solutions n'est suffisamment performante pour être aujourd'hui incontestablement économique.L'utilisation des pompes à chaleur trouvant leur source froide dans l'air ambiant ou dans l'apport solaire, procure un gain certain en KWH, malheureusement, à une économie d'énergie thermique est associée une dépense d'énergie électrique. De plus, aucun de ces systèmes n'est capable d'assurer de façon simple tous les besoins de climatisation et leur intégration à des locaux déjà existants fait souvent problème. A cet effet, l'installation selon la présente invention se caractérise par son architecture particulièrement simple et performante, par l'utilisation d'une surface captrice à structure originale, par une boucle hydraulique utilisant deux débits différents, par le contrôle de trois débits d'air de nature différente (apport d'aIr neuf, recirculation et extraction d'air vicie) et par l'intégration d'une pompe à chaleur entre débits de recirculation et d'extraction d'air. Voir planches 1 et 2 cijointes. Capteur : La surface captrice d'énergie solaire utilise comme fluides caloporteurs séparément ou simultanément, un liquide à forte capacité thermique et l'air extérieur. L'absorbeur à circulation de liquide est ventilé par un débit d'air extérieur prélevé suivant la section inférieure du capteur. Le débit liquide assure l'accumulation d'énergie solaire, le débit gazeux assure l'apport d'air neuf.Dans une forme de réalisation particulièrement intéressante, le capteur fait office de pan toiture et est constitue de la façon suivante, en partant de l'intérieur des locaux : une charpente au caissonnage convenablement isolé ; couverte d'une feuille d'aluminium poli recouverte elle-même d'une pellicule transparente de plastique afin d'éviter son oxydation ; des profilés entretoises pour permettre la ventilation inférieure de l'absorbeur et son maintien ; l'absorbeur à circulation de liquide face absorbante coté ciel, face réfléchissante côté charpente ; des profilés entretoises pour permettre la ventilation supérieure de l'absorbeur et le maintien du vitrage. Une sonde de température Ti commande l'établissement ou l'arrêt du débit liquide en fonction de la température T2 de l'accumulateur de façon à assurer un rendement toujours positif.En période de pénurie d'énergie solaire, tout l'apport d'air neuf est prélevé à travers le capteur, en période d'abondance, le débit d'air capteur variera suivant les besoins entre la valeur nominale du débit d'air neuf et zéro. Par fonctionnement nocturne le débit d'air capteur sera également annulé pour ne pas obtenir de rendement négatif. Boucle hydraulique : A partir d'un accumulateur, la circulation du fluide est assurée par une ou deux pompes à travers l'absorbeur puis à travers un échangeur de fourniture d'eau chaude sanitaire avant de retourner à l'accumulateur. En période de pénurie calorique, détectée par une température T2 faible, le débit utilisé est élevé, afin de limiter la température de l'absorbeur et d'améliorer ainsi le rendement. En période d'abondance calorique, détectée par une température T2 élevée, le débit est faible ce qui permet d'avoir une température sortie capteur élevée. La fourniture d'eau chaude sanitaire est mieux assurée, la consommation pompe est réduite, la dégradation du rendement étant alors sans conséquence. La protection contre le gel peut être assurée soit par vidange du capteur à l'arrêt pompe, soit par l'utilisation d'un fluide caloporteur à bas point de congélation. Dans une réalisation particulièrement performante et qui est celle représentée dans les planches 1 et 2 cijointes, l'accumulateur est une cuve d'eau, calorifugée, partiellement enterrée dans le sous-sol des locaux et la protection contre le gel est assurée par la vidange du capteur à l'arrêt pompe (électro-vanne H). Débit d'air neuf : En période de besoin d'apport solaire, l'air aspiré à la base du capteur par le ventilateur V1, traverse la vanne C, traverse un échangeur intégré dans l'accumulateur, traverse la vanne de mélange D, est éventuellement réchauffé par le système de chauffage d'appoint puis est traité (F) avant d'être injecté dans les locaux. La vanne C a pour fonction d'éviter d'utiliser le capteur en redement négatif. En fonctionnement nocturne, par ciel limpide, les pertes peuvent dépasser le gain assuré par la récupération des déperditions toiture. Pour un seuil donné, température ambiante extérieure moins température absorbeur (TO - Tel), la vanne C bascule, annule le débit d'air capteur et l'apport d'air se fait alors à température ambiante TO.Lorsque les apports solaires sont surabondants le débit d'air en amont accumulateur est limité par la vanne de mélange D au profit d'un apport d'air extérieur à température ambiante TO. L'apport d'air neuf est alors assuré à débit constant mais à uĕ température régulée entre la température aval accumulateur et la température ambiante TO. Débit de recirculation d'air (G2) : Lors d'une demande importante de puissance de chauffe le débit d'air neuf déterminé en fonction des caractéristiques des locaux et de leur utilisation, peut ne pas être suffisant pour fournir à une température modérée la puissance de chauffe nécessaire. Un débit d'air est alors recirculé grâce à l'ouverture des vannes A ou B et au changement de régime du ventilateur Vi. La vanne A est utilisée si la température accumulateur T2 est suffisante pour assurer un apport d'énergie, dans le cas contraire, c'est la vanne B qui s'ouvre, le ventilateur Vi assurant dans chacun de ces cas un débit égal au débit d'air neuf augmenté du débit de recirculation. En amont le débit de recirculation s'est échauffé en traversant le condenseur de la pompe à chaleur. Comme pour le débit d'air neuf l'appoint est fourni en aval suivant les besoins. Lors d'un dépassement de la température de consigne TC dû à une température extérieure élevée et / ou à un rayonnement solaire important, l'apport d'air neuf est alors assuré par la vanne de mélange D qui annule le débit dlair en amont de l'accumulateur et admet exclusivement un débit d'air extérieur à la température ambiante TO. Si la réfrigération est nécessaire la vanne B est ouverte et le débit d'air recirculé, après avoir traversé l'évaporateur de la pompe à chaleur, se superpose au débit d'air neuf pour rafraichir les locaux. Comme pour le chauffage, à l'ouverture de la vanne B, est associée un changement de régime du ventilateur V1 qui assure alors le débit d'air neuf plus le débit de recirculation. Débit d'extraction d'air vicié (G3) : Au débit permanent d'apport d'air neuf est associé un débit permanent d'extraction d'air vicié assuré par le ventilateur V2. Suivant la destination des locaux on peut moduler ces deux débits de façon à entretenir dans les locaux, par rapport à la pression atmosphérique, une faible dépression, une pression différentielle nulle ou une légère surpression. En période de pénurie d'apport solaire le débit d'extraction céde ses calories à l'évaporateur de la pompe à chaleur. Lors d'un besoin de réfrigération le débit d'extraction prélèvera des calories au condenseur de la pompe à chaleur. Tout l'air extrait n'utilisant qu'unie seule gaine (G3) son traitement éventuel (F) avant rejet est aisé. Pompe à chaleur : Elle travaille entre les débits d'extraction (G3) et de recirculation (G2) dont les températures sont approximativement égales et constantes ce qui lui permet une disponibilité permanente et un bon coefficient de performance. Par commutation des gaines d'extraction et de recirculation au niveau des échangeurs ou par commutation des conduits échangeurs ou par inversion du cycle thermodynamique, la pompe à chaleur permet la réfrigération. Fonctionnement en maintien hors gel : La boucle hydraulique, la pompe à chaleur, l'appoint d'eau chaude et de chauffage ainsi que le ventilateur d'extraction V2 sont désactivés. Les vannes A et B sont fermées, la vanne D est en position plein air accumulateur et seuls restent actifs l'amplificateur de régulation, la vanne C et le ventilateur V1 en régime d'apport d'air neuf. L'apport du capteur utilisé comme simple capteur à air associé à ltéchangeur intégré dans l'accumulateur suffit à assurer lue maintien hors gel tout en renouvelant l'air des locaux. Appoint de chauffage et d'eau chaude sanitaire : Deux installations sont représentées, la première utilise une unité centralisée d'appoint thermique (PL 1/3), la secdnde (PL 2/3) dissocie l'appoint de chauffage et la fourniture d'eau chaude sanitaire. Dans ces deux installations, pour l'énergie d'appoint de chauffage, le gaz a été choisi pour son faible coût et la facilité à réguler son utilisation. Dans la seconde installation l'énergie d'appoint d'eau chaude sanitaire est l'électricité pour sa facilité de mise e oeuvre et sa très grande sécurité d'emploi. Il est clair que, pour ces deux installations, toute autre source d'énergie d'appoint peut être utilisée par simple adaptation. PL 1/3 : Cette installation regroupe en une seule réserve d'eau chaude, soigneusement calorifugée, le système d'appoint de chauffage et d'eau chaude sanitaire. Le débit de gaz est régulé par un clapet de façon à maintenir constante la température T3 du ballon. L'eau chaude sanitaire est disponible en permanence. Le branchement d'arrivée d'eau de l'échangeur chaudière se fait à hauteur médiane afin de privilégier l'apport solaire par l'échangeur associé à la boucle hydraulique capteur. Cet échangeur d'apport solaire fonctionne par thermosyphonnage, son branchement d'arrivée d'eau se fait à la partie inférieure de la réserve afin de travailler à la température la plus faible possible, ceci est conforté par des cloisons de stratification intégrées dans la réserve. Appoint en chauffage est réalisé par l'échangeur air / eau immergé dans la partie supérieure de la réserve ; le débit d'air neuf, éventuellement renforcé par le débit de recirculation est réchauffé suivant les besoins par dérivation plus ou moins importante commandée par la vanne régulatrice E. Cette vanne est asservie par l'amplificateur de régulation en fonction de la température de consigne des locaux (TC) et de la température qui y régne (T4). La température extérieure (TO) intervient seulement dans la boucle d'asservissement pour l'anticipation et l'amortissement. PL 2/3 : Cette installation conserve l'appoint électrique pour la Fourniture d'eau chaude sanitaire. Le maintien en température du ballon (T5) est eonventionnel. L'échangeur d'apport solaire fonctionne par ther wosyphonllage son branchement se fait à la partie inférieure de la cuve afin de travailler à la température la plus faible possible ; ceci est conforté par des cloisons de stratification intégrées dans le ballon. Pour l'appoint de chauffage le débit d'air neuf, éventuellement renforcé par le débit de recirculation est réchauffé suivant les besoins par un générateur d'air chaud dont le débit de gaz commandé par le clapet R est asservi à l'amplificateur de régulation en fonction de la température de consigne des locaux (TC) et de la température qui y régne (T4). La température extérieure TO intervient seulement dans la boucle d'asservissement pour l'anticipation et l'amortissement. Régulation de l'ensemble : voir PL 3/3 - Un amplificateur de régulation gére tout le système à partir de l'affichage de la température de consigne (TC) et des informations de température fournies par les sondes TO, Ti, T2 et T4. Dans l'installation suivant la PL l/3 le système de maintien en température de T3 est indépendant ainsi que dans l'installation suivant la PL 2/3 pour le maintien de T5e Il est clair que suivant les besoins du moment sont utilisés dans l'ordre, l'apport solaire, la pompe à chaleur puis l'appoint de chauffage. Réciproquement, ce n'est qu'auprès avoir positionné la vanne de mélange D en plein air extérieur à température ambiante que la pompe à chaleur fonctionne suivant les besoins en réfrigération. Une commutation manuelle sélectionne les différents régimes de fonctionnement soit réfrigération, ventilation, hors gel et chauffage. R E V E N D I C A T I O N S 10 - Installation de climatisation de locaux et de production d'eau chaude sanitaire utilisant principalement comme source d'énergie l'énergie solaire et propre à utiliser comme appoint thermique toute source d'énergie (combustibles solides, liquides ou gazeux, électricité, chauffage urbain ou tout réseau centralisé de fourniture d'énergie à température modérée). Cette installation est caractérisée en ce qu'elle comporte - une surface captrice d'énergie solaire utilisant comme fluides caloporteurs séparément ou simultanément un liquide à forte capacité thermique et l'air extérieur. - une boucle hydraulique à deux débits assurés soit par une pompe à double régime, soit par deux pompes montées en parallèle et débitant simultanément ou séparément. En période de pénurie d'apport solaire, la température accumulateur (T2) est faible, le débit utilisé est important. En période d'abondance d'apport solaire (T2 élevée) le débit utilisé est faible. - deux vannes pneumatiques (C) et (D) situées respectivement en amont et en aval de l'accumulateur. Associées au prélèvement drair capteur leur fonction est d'assurer un débit de renouvellement d'air constant compte tenu des possibilités du système et des besoins thermiques des locaux. - deux vannes pneumatiques (A) et (B) de recirculation d'air situées respectivement en amont et en aval de l'accumulateur. Ce débit de recirculation d'air (G2) assuré par le ventilateur (VI) permet soit par la vanne amont (A) le destockage de l'énergie solaire accumulée, soit par la vanne aval (B) la récupération thermodynamique des calories de l'air extrait ou la réfrigération (PAC). Par ailleurs, ce débit qui se superpose au débit d'air neuf permet d'assurer la puissance de chauffage demandée sans atteindre des températures élevées dans la gaine d'injection (Gl). - une pompe à chaleur (PAC) dont les échangeurs sont situés dans les gaines de recirculation (G2) et d'extraction d'air (G3). Le débit d'extraction d'air vicié est assuré par le ventilateur (V2). 2) - Installation selon la revendication l caractérisée en ce quelle comporte une surface captrice d'énergie solaire utilisant séparément ou simultanément un liquide à forte capacité thermique et l'air extérieur. Le débit liquide est destiné à assurer l'accumulation de l'énergie solaire, le débit gazeux fournit l'apport d'air neuf.Dans une réalisation particulièrement intéressante le capteur fait office de pan toiture et est constitué de la façon suivante en partant de l'intérieur des locaux : une charpente-au caissonnage convenablement isolé ; couvertè d'une mince feuille d'aluminium poli recouverte elle-meme de plastique transparent pour éviter son oxydation ; des profilés entretoises pour permettre la ventilation inférieure de l'absorbeur et son- maintien l'absorbeur à circulation de liquide face absorbante côté ciel, face réfléchissante cote charpente ; des profilés entretoises pour permettre la ventilation supérieure de l'absorbeur et le maintien du vitrage. 30 - Installation selon la revendication l, caractérisée en ce que le débit de renouvellement d'air est établi, par le capteur ou une vanne (C), en amont de l'accumulateur d'énergie solaire et qu'ainsi l'échangeur intégré dans celui-ci permet de fournir des calories au débit d'air ce qui en diminuant la température de l'accumulateur améliore le rendement de captage. 40 - Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce quelle comporte une vanne d'admisSion (C) située en aval du capteur et en amont de l'accumulateur. A partir d'un seuil température ambiante (TO) moins température absorbeur (T2) cette vanne annule le débit d'air capteur et l'apport d'air neuf se fait à température ambiante, ce qui permet d'éviter d'utiliser le capteur en rendement négatif par- rayonnements faibles ou nuls. 50 - Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce quelle comporte une vanne de mélange (D) dont le premier branchement amont est situé en aval de l'accumulateur et le second est un piquage d'air extérieur. Cette vanne-permet à un débit d'air neuf approximativement constant une régulation de température variant entre la température aval accumulateur et la température ambiante extérieure (TO). 60 - Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comporte une vanne de mélange (E, PLl/3) associée à un échangeur intégré dans une source d'énergie à température constante. Le branchement aval est situé sur la gaine d'injection d'air, le premier branchement amont canalise le débit d'air vers l'échangeur, le second directement dans la gaine d'injection. Ce montage permet au débit d'air neuf, éventuellement renforcée par le débit de recirculation d'entre modulé en température à débit approximativement constant.