Brevet FR2533300A1 — publié le 19840323

La présente invention concerne un dispositif pour la gestion optimale d'énergie délivrée par un ensemble de capteurs solaires comportant au moins un capteur solaire, au moins un circuit primaire de circulation de fluide caloporteur, au moins un échangeur thermique, au moins un circuit secondaire pour l'utilisation des calories constitué d'au moins un accélérateur et au moins un appareil de chauffage. De tels dispositifs sont déjà connus mais n'apportent pas de solution satisfaisante pour assurer pendant un temps assez long, par exemple une année, la gestion et l'utilisation maximale de l'énergie solaire tout en satisfaisant à la totalité des besoins en énergie d'une habitation, ou d'un groupe d'habitation, ou d'un grand ensemble. La solution apportée par le dispositif conforme à l'invention présente l'avantage d'utiliser des techniques actuelles fiables et très simples de stockage de l'énergie. Ledit dispositif conforme à l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte un système de stockage - restitution d'énergie choisi dans le groupe consistant en un système à galets et un système à nappe d'eau souterraine On comprendra mieux l'invention à l'aide de la des- cription ci-après et des dessins annexés dans lesquels :: - la figure I est un schéma mécanique représentant un dispositif de gestion avec système à galets - la figure 2 est un schéma logique représentant le circuit de montage des appareils à commande électrique - la figure 3 est un schéma électronique d'un système d'affichage automatique de températures - la figure 4 représente un dispositif de gestion avec système à nappe d'eau souterraine - la figure 5 représente un système de régulation automatique de radiateurs. Selon un premier mode de réalisation de la présente invention, le dispositif de gestion d'énergie comporte, comme le représente la figure 1, un ensemble composé d'au moins un capteur solaire (1) traversé par un fluide caloporteur circulant dans un circuit que nou-s appellerons dans la présente description circuit primaire. Ledit circuit primaire comporte des vannes d'isolement (2), prévues pour permettre la mise hors circuit d'un capteur ou d'un groupe de capteurs, deux par exemple, lorsqu'une panne ou un nettoyage l'imposent sans arrêter le fonctionnement des autres capteurs. Ledit circuit primaire comporte en outre un échangeur (3) dont le circuit secondaire est branché sur un circuit d'eau chaude sanitaire comportant un moyen de stockage (4), par exemple une cuve à eau. Selon le mode de réalisation préféré le dispositif comporte en outre un circuit pour le chauffage domestique comportant un échangeur (5), au moins un moyen de stockage (6) tel qu'une cuve à eau. On peut également adjoindre au dispositif par exemple un circuit de chauffage pour piscine comme celui repré senté à la figure 1 comprenant un échangeur (7) et un dispositif classique de chauffage pour piscine. En outre, dans le circuit primaire est installé un système à galets composé d'un aerotherme(9), ayant pour fonction de communiquer et stocker des calories dans des galets de rivière (10). Enfin ledit circuit primaire comporte une vanne de vidange (11) On adjoint de façon tout à fait classique pour de tels circuits, des accélérateurs (12), (13), (14) qui présentent de nombreux avantages : la circulation de l'eau est meilleure, la même pour tous les éléments du circuit quelque soit leur implantation et leur hauteur, ce qui permet de diminuer la section des tuyauteries, les problèmes d' équilibrage des systèmes à thermo-syphon sont supprimés, la faible consommation des accélérateurs est largement compensée par les économies de carburant.On adjoint également de façon tout à fait classique une chaudière (15) ou tout autre moyen d'appoint en calories, pour les périodes où le besoin en calories est très grand. Il est prévu dans le circuit un dispositif de sécurité non représenté composé d'une régulation accouplée- à la pompe de la chaudière. En effet, en cas de panne de l'accélérateur, le système se met à fonctionner en thermosiphon, l'eau circule mal, les pertes de charge augmentent brusquement et l'eau peut se mettre à bouillir dans la chaudière, le vase d'expansion (27) laissant alors s'échapper la vapeur au risque de voir la chaudière se vider. Le dispositif de sécurité a donc pour fonction de mettre immédiatement la chaudière en veilleuse en cas de panne d'accélérateur. Des appareils de contrôle peuvent être disposes en différents points du circuit, ce sont des manomètres (16) et des thermomètres (17) Selon un autre mode de réalisation le contrôle peut être réalisé en tout point du circuit en branchant le système électronique de contrale automatique représenté à la figure 3 couplé avec des sondes (18), 9), (20) que l'on monte aux points du circuit que l'on désire contrôler, Des sondes (21), (22), (23), un régulateur de température, (24), un limiteur de température (25), un thermostat de régulation (26) complètent le système de cont-rôle automatique.Dans le système hydraulique on dispose 'encore de-s trop-plein (27) ainsi qu,' une électrovanne (28) montée en parralèle avec un Té de- réglage (29). Lors du fonctionnement du dispositif complet tel que représenté en figure 1, et après manoeuvre d'un interrupteur de commande (36) représenté figure 2 sur la position de Marche Manuelle (moi), les accélérateurs (12) et (14) fonctionnent à petite vitesse, par l'intermédiaire du relais auxiliaire (X). L'accélérateur (12) donne priorité à l'eau chaude sanitaire. L'accélérateur (14) commence le brassage du circuit chauffage en fonction de la position du Te de réglage (29) monté en parallèle sur 1 'électrovanne (28). L'accélérateur (13) se mettra en fonction lorsque le stockage eau chaude sanitaire aura atteint une température prédéterminée, par exemple 450C, par 1' intermé- diaire du regulateur de températ-ure (24), à ce moment précis commence le stockage dans le circuit de chauffage dans le ou les moyens (6).En agissant sur un poussoir arrêt (37) le cycle s 'in- terrompt; Lors du fonctionnement du dispositif complet tel que représenté en figure 1, et après manoeuvre de l'interrupteur de commande (36) sur la position de Marche Automatique (MA)' un régulateur différentiel (30) met en fonction prioritairement l'acce- lérateur (12) en petite vitesse et le stockage de l'eau chaude sanitaire, en fonction de la différence de température entre le capteur solaire (1) et le moyen de stockage (4) jusqu'à équilibre de température entre les capteurs solaires et le stockage. Les informations co-ncernant lesdites températures étant transmises au régulateur différentiel (30) par les sondes (22) et (21), Ensuite, de la même manière qu'en Marche Manuelle, l'accélérateur (14) s'enclenche à petite vitesse et, brasse l'eau de chauffage en fonction du-réglage du Té (29) et de l'électrovanne (28) ; l'accélérateur (13) se met en fonction dès que le régulateur (24) atteint la température prédéterminée et le stockage dans le circuit de chauffage commence dans les moyens (6). Le régulateur différentiel (30) comporte en outre un commutateur de sélection permettant de choisir entre les fonctionnements avec dispositif d'appoint (15) ou sans dispositif d'appoint. En cas de fonctionnement avec dispositif d'appoint, en période. de ciel couvert par exemple, on calcule le volume du moyen (6) de façon connue des thermiciens pour avoir un stockage d'eau chaude-chauffage pour une durée appréciable, par exemple 48 H. Le limiteur de température (25) contrôle alors la tempera- r ture de stockage et actionne l'appoint. Un dispositif de sécur-ité haute température (35) situé à l'intersection de l'échangeur (3 > et de 1' électrovanne (28) enclenche, dès que la température du fluide caloporteur atteint 850C, les accélérateurs (12), (13), (14) sur grande vitesse afin de dissiper le surplus de chaleur dans le stockage. Si l'utilisateur désire chauffer le circuit piscine il lui suffit de manoeuvrer une vanne trois voies (31) qui coupe le circuit chauffage et donne priorité au circuit piscine, l'appoint étant alors ouvert ou fermé suivant la température du moyen de stockage (6). Dans le cas ou lue circuit chauffage reste fermé, et si le retour du fluide caloporteur est trop chaud, il devient nécessaire d'enclencher un système de stockage - restitution d'énergie du grbupe composé d'un système à galets et d'un système à nappe d'eau souterraine. Selon le mode de realisation représenté en figure 1 et en figure 2 il est prévu de stocker les calories exédentaires dans des galets (10) ou cailloux de rivière ou de gravière. Ce mode de stockage sera particulièrement avantageux à l'automne dans la journée, il présente l'avantage d'être moins encombrant à stockage égal qu'un ballon d'eau chaude. Par exemple, pour une maison monofamille il faudrait un volume d'eau de 5 à 6 m3 pour un volume de cailloux égal a la moitié environ pour subvenir à ses besoins énergétiques. Le mode de stockage galets présente encore d'autres avantages : leur stockage est plus facile que celui de lteau (le problème d'étanchéité n'existe plus) et il n'y a pas besoin d'échangeur de chaleur entre le fluide du capteur et le fluide d'accumulation car le galet est son propre échangeur. Le stockage dans les galets est commandé par un thermostat de régulation (26) contrôlant la température de retour et par un relaie temporisé (T4) représenté en figure 2, En effet, pour éviter des enclenchements et déclenchements successifs et bruyants de 1' aerotherme (9) dans les périodes où se succèdent nuages et éclaircies, il est avantageux de régler le relais T4, par exemple à 30 mn, afin d'enclencher 1 'aerotherme de façon durable quand le ciel est vraiment couvert. La récupération des calories stockées dans les galets se fait de manière connue en soi par un système de ventilo-convecteur (33) schématise en figure 2 et commandé par un thermostat d'ambiance. Pour la compréhension du circuit de commande électrique on se reportera à la figure 2 pour laquelle les relais de commande des accélérateurs (11), (12), (13) sont respectivement notés (PV 11), (PV 12), (PV 13) pour les petites vitesses et (GV 11), (GV 12), (GV 13) pour les grandes vitesses. La commande du circuit stockage-galet s'effectue par un interrupteur (34) et la commande du circuit hydraulique par le commutateur (36) à deux positions (MM) et (MA), et par le poussoir d'arrêt (37). En outre, en série avec le dispositif de sécurité haute température- (35) sont branchés des contacts de sécurité de petite vitesse des accé lérateurs (11), (12), (13) pour éviter de commander simultanément la grande vitesse et la petite vitesse d'un mme accélérateur. En option, le dispositif de gestion d'énergie peut comporter un système automatique d'affichage de température dont le schéma electronique est représenté en figure 3. Après action sur un interrupteur séquentiel (39), le voyant de chaque fonction s'allume en même temps, l'afficheur (40) de température indique-1760C' pendant seulement deux secondes du fait que toutes les sondes de température (21), (22), (23) sont hors circuit. Lorsque le relais temporisé, à trois secondes par exemple, fonctionne, la sonde (22) transmet la température du fluide à la sortie du capteur solaire par l'intermédiaire de (T'1) à l'afficheur (40) de température. Après- un temps prédéterminé par un autre relais temporisé (T2), par exemple trois secondes également, (T'l) s-e coupe et l'afficheur (40) affiche la température de l'eau dans le ballon d'eau chaude sanitaire.Après un temps prédéterminé, par un troisième relais temporisé (T3), de trois secondes également, (T'2) se coupe et l'afficheur (40) affiche la température de l'eau chaude-chauffage dans la cuve (6). Ainsi sont affichées successivement et en continu les températures que l'on désire surveiller suivant un cycle dont la durée est prédéterminée par le réglage des relais (T1), (T2), (T3), elle peut être de 9 secondes par exemple comme dans le mode de réalisation préféré. Il est bien évidemment possible d'ajouter dans le circuit autant de sondes que de températures, en' tout point du circuit hydraulique, que lton veut surveiller. Selon un second mode de réalisation conforme à I' in- vention, pour gérer de façon optimale l'énergie délivrée par un ensemble de capteurs solaires on peut utiliser l'excédent d'énergie d'une installation de chauffage à capteur solaire en la stockant dans une nappe d'eau souterraine. En effet des.instaIlations de chauffage utilisent déjà de façon connue en soi, les calories apportées par extraction d'eau chaude d'une nappe souterraine, 17eau refroidie étant après utilisation réinjectée dans la nappe. Un problème d'épuisement du gisement se pose alors à long terme.Pour éviter cet inconvénient et pour utiliser de façon optimale 1 'éner- gie gratuite excédentaire délivrée par une installation de chauffage solaire pendant les périodes où le chauffage est coupé, plus particulièrement en été, la nappe d'eau souterraine est alors utilisée comme moyen de stockage des calories excédentaires et comme moyen de restitution des calories à un système de chauffage par exemple. Selon un mode de réalisation préféré schématisé en figure 4 les calories excédentaires d'un système de gestion de calories (43) délivrées parcapteurs solaires dont le détail n'est pas représenté sont communiquées à la conduite d'injection (51) de la nappe souterraine (41) de préférence par l'intermédiaire d'un échangeur. L'eau chaude extraite de la nappe (41) à une température variable de 800C à 1500C suivant le gisement et la profondeur du puits restitue des calories à un circuit de chauffage (42) du type à épuisement total de calories comprenant au moins un évaporateur de pompe à chaleur(46) et au moins un compresseur de pompe à chaleur (45) et complété éventuellement par un système d'appoint (44). La température du fluide mesurée par exemple au point (52) après épuisement des calories est d'environ 5 dans le cas où le circuit comprend trois pompes à chaleurs dont les trois évaporateurs et les trois condenseurs sont branchés en série pour augmenter le coefficient de performence. Par action sur une vanne trois-voies (47), le fluide froid du système (42) peut être réchauffé par l'excédent de calories du système de gestion d'énergie (43).Ainsi la température de l'eau dans la conduite (51) est moins basse que celle obtenue avec le circuit (42) seul, ce qui augmente la durée de vie du gisement. Des accélérateurs (48) et (49) ont pour fonction d'améliorer la circulation des fluides dans les branches correspondantes des circuits Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux pour les dispositifs de gestion d'énergie (43) destinés aux besoins énergétiques élevés (pour des grands ensembles, des industries par exemple) En raison du nombre élevé de capteurs solaires néce-ssaires pour ce mode de réalisation, le problème de leur implantation géographique se pose.Ce problème' peut autre résolu en installant les capteurs solaires sur des charpentes métalliques, ou tout autre moyen de support, disposés au dessus d'une autoroute ou d'une rocade située à proximité du lieu d'utilisation. Cette solution apporte les avantages d'ombrager la route et de libérer du terrain. Pour le cas où l'installation du système à gestion optimale conforme à l'invention comporte dans l'un ou circuit de chauffage un ensemble de radiateurs ou convecteurs à eau chaude il est prévu d'adjoindre un système de régulation et d'isolement automatique à programmation pour chaque pièce de l'habitation ,comme représenté en figure 5. Ce système de régulation est caractérisé en ce qu'il comporte, des électrovannes d'isolement pour chaque pièce pouvant être commandées individuellement depuis un tableau central. Chaque électrovanne peut isoler un ou plusieurs radiateurs d'une même pièce, trois par exemple. Selon le mode de réalisation représenté en f-igure 5, le tableau central comporte pour chaqueétage un système de programmation à horlqge (57), (58), des élèctrovannes (53), (54), un thermostat d'ambiance (54),, (56), et pour chaque électrovanne un interrupteur de commande en Marche Manuelle (MM) et en Marche Automatique (MA). Chaque horloge comporte deux plages arrêt et deux plages de mise sous tension-par vingt quatre heures. En Marche Automatique, ce système permet donc de programmer la température de chaque pièce pendant vingt quatre heures et de diminuer la consommation de calories pendant les périodes de non occupation de la maison. En Marche Manuelle ce système permet par exemple de placer toute l'installation en hors gel pour une absence prolongée. Les calories non utilisées pendant les périodes de réduction de chauffage peuvent alors être gérées par le reste du dispositif et par exemple stockées. Les modes de réalisation du système de gestion optimale décrits ne sont pas limitatifs et peuvent varier dans la limite des équivalents ; en particulier les modes de réalisation des systèmes de chauffage peuvent être choi-si parmi les différents types connus aussi bien en ce qui concerne le type -d'appareil (radiateur, convecteur) que le type de combustible. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la gestion optimale d'énergie déli- vrée par un ensemble de capteurs solaires comportant au moins un capteur solaire (1), au moins un circuit primaire de circulation de fluide caloporteur, au moins un échangeur thermique, au moins un circuit secondaire pour l'utilisation des calories constitué d'au moins un accélérateur et au moins un appareil de chauffage caractérisé en ce qu il comporte un système de stockage - restitution de calories excédentaires choisi dans le groupe consistant en un système à galets (10) et un système à nappe d'eau souterraine (41). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de stockage - restitution des calories excédentaires est un système à galets constitué d'une masse de galets (10), d'un aerotherme (9) pour 1" échauffement des galets, d'un système ventilo-c.oflvecteur (33) pour la restitution des calories. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le système à galets est commandé par un thermostat d'ambiance associé à un moyen pour différer la ,mise sous tension de l'aerotherme 9). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen pour différer la mise sous tension est un relais temporisé (T4). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un système automatique de surveillance de températures. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de stockage - restitution de calories excédentaires est constitué par un système à nappe d'eau souterraine comprenant au moins un échangeur thermique pour l'échauffement de l'eau contenue dans la conduite d'injection (51) de l'a nappe d'eau souterraine (41), au moins un échangeur thermique pour la restitution des calories à, un circuit de chauffage (42). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé -en ce que le circuit de chauffage (42) comporte au moins une pompe à chaleur (45, 46). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le dispositif à gestion opti- male comporte un système de régulation e-t d'isolation automatique à programmation pour c.haque pièce de l'habitation comportant au moins une électrovanne (53), au moins un interrupteur de commande de chaque électrovanne, au moins un thermostat d'ambiance (54), au moins un dispositif de programmation à horloge (57).