Brevet FR2529999A1 — publié le 19840113

L'invention a pour objet un système de chauffage solaire utilisant un capteur à air et un milieu stockeur-déphaseur d'énergie thermique. Dans le cadre de l'utilisation de l'énergie solaire comme source d'appoint calorifique, on connait de multiples réalisations de capteurs solaires qui transmettent des calories à de l'eau ou de T'air en circulation, ces fluides étant alors transferés vers l'enceinte ou le reservoir à chauffer. Quand il s'agit d'obtenir de l'eau chaude sanitaire, la jonction de capteurs solaires avec des ballons d'accumulation correctement isoles permet d'avoir encore des puisages d'eau à temperature suffisante quelques heures après une période d'ensoleillement.Par contre quand il s'agit d'utiliser cette énergie solaire en chauffage, le décalage journalier entre la période de production d'energie par le soleil et la période de consommation souhaitable de cette énergie, peut atteindre 12 heures, aussi pour être efficace convient-il d'utiliser un système de stockage thermique susceptible de fournir un appoint calorifique à un local quelques heures après la réception de ces calories. Dans certains systèmes connus on emmagasine 1 'énergie calorifique dans des couches de graviers ou de cailloux enfermés dans une enceinte étanche, ce stock pouvant ainsi être alimenté par de l'air chaud et fournir de l'e- nergie calorifique avec un décalage dans le temps. On envisage aussi de remplacer ce stock à lit de cailloux par des stocks utilisant des nappes aquifères ou des bassins d'eau artificiels Mais on préfère à ces systèmes coûteux et de mise en oeuvre délicate, des systèmes actifs plus simples, qui s'adaptent aisément à des capteurs solaires et qui permettent un stockage à court terme de l'énergie emma gasinée, en particulier un stockage "jour-nuit" qui assure un dephasage permettant d'utiliser la nuit la chaleur solaire accumulée pendant la journee précédente. L'invention apporte une solution efficace à ce problème en ce qu'elle propose un système de chauffage solaire à stock dephaseur qui répond à ces impératifs. Selon l'invention, on associe à un capteur solaire à air, un stock déphaseur constitué d'une enceinte fermée, alimentée par l'air provenant du capteur, enceinte qui est remplie d'un matériau en petits volumes séparés par des interstices, et l'on fait en sorte que 1 'ali- mentation en air de ce stock soit assurée en permanence de jour comme de nuit, de telle sorte que la progression de chaleur sur toute la longueur du stock soit restituee en sortie avec le déphasage recherché. Selon une caractéristiques particulière de l'invention, le dimensionnement du stock, surface frontale, longueur, diamètre des volumes stockeurs, est déterminé en fonction du débit d'air chaud qui lui est fourni, des amplitudes de température et du temps de retard recherché entre l'entrée et la. sortie. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation en référence aux dessins annexés qui représentent - figure 1 : une vue schematique en coupe d'une installation - figure 2 : une vue partiellement écorchée du stock déphaseur. On voit à la figure 1 un capteur solaire ? comportant une plaque absorbante 3 a l'intérieur d'une enceinte fermée 4 à paroi translucide ou transparente, parcourue par de l'air qui circule dans le sens indiqué par la flèche. L'air rechauffé est extrait du capteur 2 par un conduit 5 grâce à un ventilateur 6 qui injecte cet air à l'intérieur d'un stock-déphaseur désigné dans son ensemble par la référence 1. A la sortie de ce stock, l'air pénètre à l'intérieur d'une habitation 7 et circule dans les différentes pièces avant son évacuation par la cheminée 8. Le stock déphaseur 1 représenté plus en détail à la figure 2 a la forme d'une bofte parallélépipédique formant une sorte de tunnel avec d'un côte l'entrée d'air 5 provenant du ventilateur et une sortie d'air 9 vers le bâtiment. A l'intérieur de cette bofte sont disposées des dalles horizontales 10 qui portent ellesmême des paves cylindriques en beton 11 avantageusement disposés en quinconce. Ces pavés sont rapportés et fixés aux dalles ou encore obtenus directement par moulage. Les dalles 10 sont supportées par des échan- crures prévues sur les parois latérales internes du stock ou, plus simplement, elles sont empilées les unes sur les autres. Les paves 11 entre deux strates voisines de dalles sont décalés les uns par rapport aux autres. Cette disposition permet à l'air de se répartir sur toute la hauteur du stock et de traverser le stock 1 en contournant un grand nombre de paves. En admettant que les variations de température à l'entrée du stock soient lentes, on obtient les propriétés suivantes -la vitesse de propagation de la chaleur est constante dans le stock, -pour un débit fixé le stock se caractérise par un temps de retard To entre l'entrée et la sortie. -dans les mêmes conditions une deuxième caractéristique du stock est le temps d'amortissement Ta une formule définissant le temps de retard To peut s'écrire ainsi To= (1 - ss) #s cs - x l. x f ss v. pb formule-dans laquelle ss est la porosité , V la vitesse moyenne de l'air dans le stockjpo C4 la capacite calo rifique des pavés, PS cd la capacité calorifique de l'air et L la longueur-du stock. La conception particulière de ce stock donne de bonnes conditions d'échange thermique grâce à une excellente stratification de températures et permet une progression d'un front de chaleur contrôlable et compatible avec le. déphasage désiré. En effet, il est prevu d'assurer un fonctionnement permanent de jour comme de nuit du ventilateur 6. Pendant la journée l'air échauffé par le capteur solaire 2 va ceder ses calories au stock dépha-seur 1. L'échauffement des pavés sera évidemment plus important à l'entrée du stock et l'air sortant par le conduit 9 aura une température inférieure à l'ai-r chaud entrant. L'échauffement gagnera progressivement tous les pavés, mais compte-tenu des di-mensions du stock dephaseur, la zone proche de la sortie ne sera réchauffée qu'après quelques heures de fonctionnement de jour. Puis la diminution d'appoint solaire en fin de journée et durant la nuit amenera de l'air plus frais à l'entrée du'stock. Cet air récupérera les calories emmagasinées d'abord par les pavés voisins de l'entrée, puis de proche en proche dans tous le stock, et fournira à l'habitation de l'air réchauffé par rapport a l'air ex -terieur. Il faudra également quelques heures de fonction nement de nuit pour récupérer les calories emmagasinées dans le stockeur. Ces trains de-chaleur qui en quelque sorte se dépla- cent transversalement dans le stock permettent donc la restitution de calories avec le déphasage recherché. Le débit d'air introduit dans l'habitation est fixé par exemple à un volume /heure (un volume de l'habitation par heurte). En revanche le débit dans le stock et dans les capteurs peut être augmenté en période ensoleillee. La régulation commande le passage du débit nominal (1 vol./h) au débit de stockage soit à heures fixes, soit en fonction de l'ensoleillement. Le débit de stockage est fixé en fonction de la surface de capteurs utilisés. Dans le cas où il y a un excédent de débit calorifique en sortie de stock, celui-ci est réintroduit à l'entrée des capteurs ou évacué vers l'extérieur. Le système précédemment décrit en boucle ouverte est axe sur la création d'un flux d'air à renouvellement permanent. Il n'exclue pas l'usage d'une pompe à chaleur air-eau qui prélèverait des calories sur l'air extrait en 8 pour les trans-mettre à l'eau d'une boucle de chauffage central. Bien que non représente, le système selon l'invention peut fonctionner en circuit fermé. L'air passe alors successivement du capteur dans le stock puis dans une pompe à chaleur air-eau qui alimente le circuit de chauffage central. En sortie de pompe à chaleur l'air refroidi est recyclé à l'entrée des capteurs. L'invention a été décrite sur la base d'un mode particulier de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif mais couvre également toutes variantes constructives. Revendications. 1. Système de chauffage solaire utilisant un capteur à air et un ventilateur pour l'alimentation d'une habitation en air réchauffé, caractérisé par le fait qu'on intercale dans le circuit d'air entre le capteur (2) et l'habitation (7), un stockeur déphaseur (1) constitué d'une enceinte fermée -par- courue par l'air, remplie d'un matériau (11) en petits volumes separés d'interstices et par le fait que l'alimentation en air est assurée en per manence pour déplacer dans le stock avec le dépha sage désiré la chaleur emmagasinée par le matériau. 2. Système de chauffage solaire selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'à l'intérieur du stock déphaseur (1) et dans le sens d'ecoulement de l'air, sont disposées des dalles (10) portant des paves (11) en béton ou matière analogue. 3. Système de chauffage solaire selon la rev-endication 2 caractérisé par le fait que les pavés (11) sont dis posés en quinc-once. 4. Système de chauffage solaire selon la revendication 2 caractérise par le fait que les pavés (llj entre deux dalles superposées sont decalés les uns par rapport aux autres. 5. Système de chauffage solaire selon la revendication 1 caractérisé par le fait que la surface frontale du stock-dephaseur (1), sa longueur et le diamètre des pavés sont détermines en fonction du débit d'air chaud qui lui est fourni, des amplitudes de température et du temps de retard recherche entre l'entrée et la sortie. 6. Système de chauffage solaire sel-on les revendications 1 et 5 caractéris-é par le fait que le temps de retard entre l'entrée et la sortie du stock est donne par la formule To = (1 - ss) #s #s x L ss Vi ## ## p representant la porosité, V. -la vitesse moyenne de l'air dans le stock, pq c# la capacité des pavés, pd c# la capacité calorifique de l'air et L la lon gueur du stock. 7. Système de chauffage solaire selon la revendication 1 caractérise par le fait qu'il fonctionne en boucle ouverte en association av-ec une pompe à chaleur air-eau prélevant ses calories sur l'air extrait et fonctionnant indépendamment du système capteur et stock. 8. Système de chauffage solaire selon la revendication I caractérisé par le fait qu'il fonctionne en boucle fermée, avec passage d'air sortant du stock-déphaseur (1) dans une pompe à chaleur, et recyclage de cet air vers le capteur ou vers l'extérieur.