Brevet FR2537256A1 — publié le 19840608

La présente invention concerne le domaine technique des installations, destinées au chauffage des bâtiments et à la production d'eau chaude sanitaire, qui permettent de transferer l'énergie thermique du soleil de capteurs solaires vers des volumes intérieurs à l'aide de fluides caloporteurs. Les points de la technique antérieure qui la différencient de la présente invention sont les suivants@ - La circulation du fluide caloporteur se fait à l'aide de circulateurs qui consomment du courant électrique pour tourner. - Les installations sout équip@es, pour la marche des cir culateurs, de sondes électiques et d'organes de régula tion électrique. - Les installations ne peuvent pas fonctionner lors de pan nes ou coupures de courant électrique, ce qui peut être grave on cas de erise économique aiguö, - Les capteurs solaires ne sont pas branchés, directement, sur les radiateurs. Les circuits de chauffage sont plus longs. Les radiateurs ne sont pas indépendants les uns des autres. Les appareils, concernés par la présente invention et destinés au chauffage solaire des bâtiments ou à la pr@- duction d'eau chaude sanitaire solaire, sont, soit des capteurs solaires (I) associés à des radiatours (2) qui peuvent être munis de réservoirs de stockage du fluide caloporteur chauffé (9), soit des capteurs solaires associés, par l'intermédiaire d'échangeurs thermiques, à des ballons de stockage d'eau chaude (12) destinée à alimenter des installations de chauffage ou des réseaux d'eau chaude sanitaire. Ces appareils, dont le principe de fonctionnement est semblable, sont décrits aux paragraphes a), b) et c). Les appareils, concernés par la présente invention, sont caractérisés par les propriétés suivantes: - La circulation du fluide caloporteur, servant au trans fert de l'énergie thermique du soleil vers l'intérieur des bâtiments, se fait selon le principe du thermosiphon (circulation du fluide en couvection naturelle par vari ation de la température de ce fluide) par le seul effet d'ensoleillement des capteurs solaires. - Les appareils peuvent n'être équipés d'aucun organe é lectrique. - Les capteurs solaires sont branchés directement sur les radiateurs (qui peuvent être munis de réservoirs de stockage de fluide caloporteur chauffé) pouvant consti tuer autant d'installations indépendantes entre elles. L'effet de thermosiphon se produira si les capteurs solaires sont placés en contrebas, partiel ou total, des radiateurs, réservoirs de steckage de fluide chauffé et ballons d'eau chaude. Le fonctionnement du ther@osiphon est d'autant plus efficace que les capteurs solaires sont nettement plus bas que les autres éléments. La présente invention a, par rapport à la technique antérieure, les avantages suiv@nt@@ - Transfert de calories solaires, vers l'intériour des bâ timents, s@ns dépense d'énergie autre que teile du soleil. - Pas de vulnérabilité aux coupures de courant électrique; fonctionnement sans énergie électrique. - Apports calorifiques gratuits, entièrement et durablement, après amortissement du matériel. - Fiabilité et durabilité des appareils on raison de la simplicité de leur constitution et de lour fonctionnement. - Fonctionnement silenci@ux. - Installation de radiateurs indépendents entre eux et in dépendants des autres installations, supprinant les ris ques de pannes généralisées, pormettaut les réparations sur certains radiateurs pendant que les autres fonction nent. - Outre l'équipement de bâtiments neufs, transformation de bâtiments existants en bâtiments solaires, en installant des appareils en façade, aux emplacements possibles, par tout où l'ensoleillement est favorable. - Possibilité de n'équiper que les façades bion exposées ou bien certains logements ou certaines pièces, à l'exclu sion des autres. Facilités pour proportionner les appa reils aux besoins en énergie et à l'ensoleillement des façades. - Equipement de logements collectifs en installations indi viduelles d'eau chaude sanitaire, totalement indépondan tes des réseaux collectifs. - Création de panneaux de façade formés par les appareils, ou intégrant les appareils. La présente invention concerne, également, les capteurs solaires, décrits au paragraphe d), caractérisés, par rapport à la technique antérieure, par les propriétés suivantes: - Ils sont plus adaptés aux appareils, décrits aux para graphes a), b) et c), et à la pose en applique en façade, car ils peuvent coutenir les tuyauteries de jonction dans l'épaisseur de l'isolant. - Ils sont économes, étant posés en applique, directement, sans interposition d'un panneau de fond qui peut être supprimé. - Ils sont plus adaptés à la pose en façade, étant munis d'un@ coque transparente moulée (18) qui tiont lieu de vitre et qui est fixée en applique à l'aide d'un j@int souple comprimé et interposé, tout autour, entre la coque et la façade. Ce qui est dit précédemment, concornant les capteurs solaires, n'exclut pas, bien entendu, l'utilisation des matériels existants, notamment des capteurs solaires inclinés. a) Appareils, fonctionnant en thermosiphon à l'énergie solaire, composés de capteurs solaires et de radia teurs (fig. I, 3 et 6) Un circuit, rempli de fluide caloporteur non gélif, est constitué d'un capteur (1), d'un radiateur (2) et de tuyauteries de jonction (3 et 4). Un isolant thermique (5) est posé derrière le capteur et enrobe les tuyauteries de jonction, ainsi que d'autres organes éventuels à l'excéption du radiateur. Sous l'effet de l'ensoleillement, le fluide caloporteur chauffé monte dans le capteur solaire, par la tuyauterie hauto (3), onvahit le radiateur, puis, refroidissant dans le radiateur, redescend, par la tuyauterie basse (4), dans le bas du capteur solaire, bouclant ainsi le circuit. Un apport de calories est, de ce fait, réalisé dans le local où se trouve le radiateur. Un vase d'expansion (6) absorbe la dilatation du fluide caloporteur. Un robinet thermostatique (7) règle la température du radiateur. Un dispositif antirefouleur (8), constitué, soit d'un clapét qui se ferme sous l'effet de son propre poids et qui s'ouvre sous l'effet de la pression du fluide caloporteur chauffé, soit d'un robinet thermostatique qui se ferme quand la température du fluide caloporteur est basse, interdit au sens de circulation du fluide de s'inverser dans le circuit. Le dispositif antirefouleur est calculé de telle sorte que le fluide caloporteur chauffé dans le capteur ne remonte dans le radiateur qu'à partir du moment où la température dans le capteur est supérieure à la température dans le radiateur. Une vanne d'arrêt belle saison (I0') peut être placée sur la tuyauterie de jonction basse (4) pour empêcher la remontée, en été, du fluide caloporteur chauffé dans le radiateur. Pour l'appareil de la fig. 6, le dispositif antirefouleur (8) est supprimé, car le capteur solaire est entièrement en contrebas du radiateur, ce qui rend impossible le retour du fluide caloporteur chauffé du radiateur vers le capteur solaire quand celui-ci est refroidi. Les fig. I et 6 représentent des capteurs solaires fixés en applique sur les façades, La fig. 9 représente un panneau de façade constitué de l'association capteur solaire - radiateur. Toutes les combinaisons sont possibles en ce qui concerne le nombre de capteurs solaires et de radiateurs branchée ensemble. b) Appareils, fonctionnant en thermosiphon à l'énergie solaire, composés de capteurs solaires, de réservoirs de stockage du fluide caloporteur chauffé et de radi ateurs (fig. 2, 4 et 7) L'appareil décrit en a) est complété par un réservoir calorifugé de @tockage du fluide caloporteur chauffé (9). Une vanne d'arrêt belle saison supplémentaire (I0) peut être placée sur la tuyauterie de jonction haute (3). La circulation du fluide caloporteur s'établit à travers le réservoir, comme précédemment à travers le radiateur, ce qui a pour effet d'accumuler du fluide caloporteur chauffé dans le réservoir. Le radiatour (2) est alimenté en fluide caloporteur chauffé partir du réservoir sur lequel il est raccordé par une tuyauterie haute, comportant un robinet thermostatique (7), et par une tuyauterie basse. Les vannes d'arrêt belle saison (I0 et I0') peuvent être prévues pour supprimer le stockage du fluide caloporteur chauffé, dans le réservoir, pendant la saison où le chauffage est inutile. Pour l'appareil de la fig. 7, le dispositif antirefouleur (8) est supprimé, car le capteur solaire est entièrement en contrebas des réservoir et radiateur, ce qui rond impossible le retour du fluide caloporteur chauffé du réservoir de stockage vers le capteur solaire quand celui-ci est refroidi. Les fig. 2 et 7 représentent des capteurs solaires fixés en applique sur les façades. La fig. 4 représente un panneau de façade constitué de l'association capteur solaire - réservoir de stockage du fluide caloporteur chauffé radiateur. Toutes les combinaisons sont possibles en ce qui concerne le nombre de capteurs solaires, de réservoirs et de radiateurs branchés ensemble. c) Appareils, fonctionnant @n thermosiphon à l'éner@ie solaire, composés de capt@urs solaires et de ballons de stockage d'eau chaude (fig. 5 et 8) Fig. 5 : Le circuit du fluide caloporteur est semblable à celui de l'appareil décrit en a), à part que le radiateur est remplacé par un serpentin d'échangeur thermique (II) qui peut être placé dans un ballon calorifugé de stockage d'eau chaude (I2). Le ballon peut contenir de l'@au chaud@ sanitaire ou de l'eau chaude d'un rés@au de chauffage. Dans le premier cas, le ballon possède un départ d'eau chaudo (I3) et une alimentation en eau froide (I4). Dans le second cas, il possède un départ d'eau chaude (13) et un retour d'eau refroidie (15). Le circuit est muni d'un vaso d'expansion (6), d'un dispositif antirefouleur (8), et, dans le cas du chauffage, d'une vanne d'arrêt bolle saison (I0') destinée à empêcher la remontée, en été, du fluide caloportour chauffé dans le ballon de stockage d'eau chaude. Le dispositif antirefouleur est calculé de telle sorte que le fluide caloporteur chauffé dans le capteur solaire ne remonte dans le serpentin d'échangeur qu'à partir du moment où la température dans le capteur est supérieure à la température dans le serpentin. Contrairement à la disposition de la fig. 5, si le capteur solaire était placé totalement en controbas du ballon de stockage d'eau chaude, ce qui rendrait impossible le retour du fluide caloporteur chauffé du @erpentin d'échangeur vers le capteur, le dispositif antirefouleur (8) serait supprimé. Fig. 8 ; Elle représente un appareil, destiné à la production de l'eau chaude sanitaire, qui fonctionne, comme tou@ les appareils dócrits précédemment, à l'énergie solaire et selon le principe du thermosiphon. Cet appareil est composé d'un capteur solaire (I), de tuyauteries de jonction haute et basse (3 et 4), d'un isolant (5) qui enrobe tous les éléments (à part la vitre du capteur), d'un vase d'expansion (6), d'un serpontin d'échangeur thermique (II) plasé, en l'occurrence, dans un ballon de stockage d'eau chaude (I2), d'un départ d'eau chaude (I3) et d'une alimontation en eau froide (I4). Un chauffage d'appoint peut être réalisé par une rémistance électrique (I6) commandée par une sonde de température (I7). Le dispositif antirefouleur (8) est supprimé, car le capteur solaire est entièrement en controba@ du ballon de stockage d'eau chaude, ce qui rond impossible le retour du fluide caloporteur chauffé du serpontin d'échangeur vera le capteur solaire quand celui-ci est refroidi. La régulation du transfert de calories, du capteur vers le ballon, ne fait naturellement, le fluide caloperteur chauffé ne romontant dans le serpentin d'échangeur qu'à partir du moment où la température dans le capteur est supérieure à la température dans le serpentin. Les vannes d'arrêt belle saison (I0 et I0') ont été supprimées car l'appareil fonctionne pendant toute l'année. Généralités concernant les appareils décrits en c) D'autres modèles d'échangeurs peuvent être employés, tel que des échangeurs à compartiment séparé du volume d'eau chauffée par une membrane. Les fig. 5 et 8 représentent des capteurs solaires fixés en applique sur les façades. Les capteurs solaires pouvent, également, être intégrés à des panneaux de façade ou bien former eux mêmes des panneaux de façade. Toutes les combinaisons sont possibles en ce qui con cerne le nombre de capteurs solaires et de ballons de stockage d'eau chaude branchés ensemble. d) Capteurs solaires adaptés aux appareils décrits en a), b) et c), (fig. I, 2, 5, 6, 7 et 8) Capteurs solaires, destinés à la pose en applique en façade, composés d'un capteur proprement dit (I) dans lequelcircule un fluide caloporteur, d'un isolant thermique (5) placé entre le capteur et la facade, de tuyauteries de jonction hauts (3) et basse (4) qui peuvent passer dane l'épaisseur de l'isolant, et d'une coque transparente moulée (I8) à simple ou double paroi, servant de simplo ou double vitre. La coque transparente moulée est fixée, en applique, sur la façade, à l'aide de vis ou boulons, avec interposition, tout autour (sur son périmètre), d'un joint souple comprimé entre la coque et la façad@. Ces capteurs solaires peuvent être posée sur les fa çades, directement, sans interposition d'un panneau de fond entre l'isolant et la façade. Généralités concernant les appareils décrits en a), b), c) et d) Les tuyauteries de jonction (3 et 4) peuvent être fabriquées en matériaux isolante thermiquement (matières plastiques, par exemple), ou peuvent comporter des sogments isolants (3' et 4') dans les traver@ées du mur de façade, par exemple. Les diamètres des tuyauteries de jonction seront auffisamment grands pour éviter de fortes pertes de charge. Afin d'augmenter, encore, les transferts de calories, les tuyauteries de jonction pourront être multiples (doublées, par exemple). Dans tous les cas, un chauffage d'appoint peut être réalisé en plaçant des résistances électriques, dans le bas des radiateurs, des réservoirs de stockage du fluide caloporteur chauffé et des ballons de etockage d'eau chaude, commandées par des sondes de température plongées dens le haut des radiateurs, des réservoirs et des ballons. Pour ne pas compliquer les dessins, destinés à expliquer le fonctionnement des appareils, certains organes, étrangers au prinoipe de ce fonctionnement, qui équiperaient les appareils, tels que les bouchons ou robinets de vidange des cricuits, les vannes servant à isoler des éléments pour les remplacer, etc., ne sont pas figurés. La fig. 9 représente un exemple d'intégration des ap pareils décrits à des panneaux de façade. Ces panneaux, d'une hauteur de deux étages, intégrent und capteur solaire (I), un radiateur (2) avec ou mans réservoir de stockage de fluide caloporteur chauffé (situé sur la face intérieure du panneau), et une baie vitrée (I9). Applications industrielles de la présente invention Ces applications concornont la fabrication d'appareils, décrits aux paragraphes a), b), c) et d), destinés au chauf fage solaire des bâtiments, à la production d'eau chaude sa nitaire solaire, à la production d'eau chaude solaire alimentant des installations industrielles, des contrales ther miques on électriques, etc. Dans des installations importantes par le volume, les ballons de stockage d'eau chaude peuvent être remplacés par de grands réservoirs calerifugés (citernes, chiteaux d'eau, etc.) équipés de capteurs solaires. Ces installations qui accumuleraient l'énergie thermique du soleil, gratuitement, pendant toute l'année, pourraient être, seit en plein air, seit intégrées à des bâtiments solaires. L'énumération des quelques applications précédentes ne saurait, en aucun cas, limiter la liste des applications industrielles de la présente invention. REVENDICATIONS I) Appareils, à circuit de fluide caloporteur non gélif, destin6s en chauffage de bâtiments à l'aide de l'énergie solaire provenant de l'ensoleillement, constitués d'un sapteur solaire (1), d'une tuyauterie de jonction haute (3), d'une tuyauterie de jonction basse (4), d'un radiateur (2) et d'un isolant thermique (5). Le capteur solaire est branché, par l'intermédiaire des tuyauteries de jonstion, sur le radiateur. L'iselent thermique, posé derrière le capteur colaire, enrobe, aussi, les tuyauteries de jonction.Ces appareils sont caractérisés par les propriétés auivantes: - La circulation du fluide caloporteur, servant au transfert de l'énexgie thermique du soleil, du capteur solaire vers le rmdiateur (de l'extérieur vers l'intérieur du bâti ment), so fait selon le principe du thormosiphon (circula tion du fluide en couvection naturelle par variation de la température de ce fluide), conséentivement à l'ensoleille ment du capteur molaire. Le capteur solaire est placé en controbas, partiol ou total, du radiateur. Le fluide calo porteur circule dans le sen@: haut du capteur (I) - tuyau terie haute (3) - haut du radiateur (2) - bas du radiateur - tuyauterie basse (4) - bas du capteur. - Pour fonctionner, les appareils peuvent n'être équipés d'aucun organe électrique. - Le capteur solaire est branché, directement, sur le radia teur, le même fluide circulant dans les deux (circuit uni que). - Dans une installation de chauffage, les appareils sont des équipements autonomes et indépendants entre eux. 2) Appareils, à circuit de fluide caloporteur non gélif, destinés au chauffage de bâtiments à l'aide de l'énergie soleire provenant de l'enseleillement, constituée d'un capteur solaire (I), d'une tuyauterie de jonetion haute (3), d'une tuyauterie de jonction basse (4), d'un réservoir de stockage du fluide caloportour chauffé (9), d'un radiateur (2) et de ses tuyauteries haute et basse, et d'un isolant thermique (5). Le capteur solaire est branché, par l'intermédiaire des tuyauteries de jonction, sur le réservoir, sur lequel est branché, également, le radiateur, par l'intermédiaire de ses tuyauteries haute et basse. L'isolant thermique, posé derri ère le capteur solaire, enrobe, aussi, les tuyauteries de jonction et le réservoir.Ces appareils sont caractérisés par les propriétés suivantes: - La circulation du fluide caloporteur, servant au transfert de l'énergie thermique du soleil, du capteur solaire vers le réservoir, puis vers le radiateur ( de l'entérieur vers l'intérieur du bâtiment), se fait selon le principe du thermosiphon (circulation du fluide en couvection natu relle par variation de la température de ce fluide), con sécutivement à l'enseleillement du captour solaire. Le capteur solaire est placé en contrebas, partiel ou total, des réservoir et radiateur. Quand le radiateur est muni d'un robinet thermostatique (7) et que ce robinet est for mé, le fluide caloporteur ciroule dans le sens@ haut du capteur (1) - tuyauterie haute (3) - haut du réservoir (9) - tuyauterie basse (4) - bas du capteur.Quand 11 n'y a pas de robinet thermestatique, ou que le robinet therno statique est ouvert, le fluide caloporteur circule dans le sens: haut du capteur (1) - tuyauterie haute (3) - baut du réservoir (9) - haut du radiateur (2) - bas du radiateur bas du réservoir - tuyautorie basse (4) - bas du capteur. - Pour fonctionner, les appareile peuvent n'être équipés d'aucun organe électrique. - Le capteur solaire est branché, directement, sur le réser voir qui est branché, directement, sur le radiateur, le même fluide circulant dans les trois (eircuit unique). - Les appareils sont munis d'un réservoir do stockage de fluide caloporteur chauffé ot ce réservoir fait partie du circuit unique. - Dans une installation de chauffage, les appareils sont des équipements autonomes et indépondants entre eux. 3) Appareils, à circuit de fluide caloporteur non gélif, destinés à la production d'eau chaude sanitaire ou d'eau chaude pour le chauffage à l'aide do l'énergie solaire provenant de l'ensoleillement, constitués d'un capteur solaire (I), d'une tuyauterie de jonction haute (3), d'une tuyauterie de jonction basse (4), d'un échangeux thermique (11) à serpentin (ou à membrene, etc.), d'un ballon de stockage d'eau chaude (12) et d'un isolant thermique (5). Le ballon de stockage d'eau chaude peut être romplacé par un rénorvoir important, par une citerne, par un château d'eau, etc. Le capteur solaire est branché, par l'intermédiaire des tuyauteries de jonction, sur l'échangeur thermique du ballon de stockage d'eau chaude. L'isolant thermique, posé derrière le capteur solaire, enrobe, aussi, les tuyauteries de jonction et le ballon.Ces appareils sont caractérisés par les propriétés suivantes : - La circulation du fluide caloporteur, servant au trans fert de l'énergie thermique du soleil, du capteur solaire vers le ballon de stockage d'eau chaude (de l'extérieur vers l'intérieur du bâtiment), se fait selon le principe du thermosiphon (circulation du fluide eu convection na turelle par variation de la tompérature de ce fluide), consécutivement à l'enseleillement du capteur solaire. Le capteur solaire est placé en centrobas, partiel ou total, du ballon de stockage d'eau chaude. Le fluide caloperteur circule dans le sens: haut du capteur (1) - tuyauteri@ haute (3) - échangeur thermique (11) - tuyauterio basse (4) - bas du capteur. - Pour fonctionner, les appareils peuvont n'être équipés d'aucun organe électrique, 4) Appereils selon les revendications 1), 2) ou 3), caractérisés par le fait qu'ils sont munis d'éléments suivants, ou de certains d'entre eur: tuyauteries de jonction hautes et basses (3 et 4) fabriquées en matériaux isolants; segments isolants de tuyauteries (3' et 4')@ isolants thermiques (5) enrobant les éléments: vazes d'expansion (6); robinets thermostatiques (7): dispositifs entirefouleurs (8) constitués, soit d'un clapet qui se ferme sous l'effet de son propre poids et qui s'ouvre sous l'offet de la pression du fluide caloporteur chauffé, soit d'un robinet thermostatique qui se ferme quand la température du fluide caloporteur baisse en-dessous d'un certain seuil, dispositif interdisant au sens de circulation du fluide de s'inverser dans le circuit; vannes d'arrêt belle saison hautes et basses (I0 et I0'); départs d'eau chaude (I3); alimentations en eau froide (I4); retours d'eau refroidie du chauffage (I5); bouchons ou robinets de vidange des circuits; vannes servant à isoler des éléments pour les remplacer; etc. 5) Appareils selon les revendications I), 2), 3) ou 4), caractérisés par 7e fait que certains de leurs éléments, ou bien tous, sont multiples, tels quels capteurs solaires (I), radiateurs (2), tuyauteries de jonction hautes et basses (3 et 4), segments isolants de tuyauteries (3' et 4'), vases d'expansion (6), robinets thermostatiques (7), dispositifs antirefouleurs (8), réservoirs de stockage du fluide calo porteur chauffé (9), vannes d'arrêt belle saison hautes et basses (IO et I0'), échangeurs thermiques (II), ballons de stockage d'eau chaude (I2), départs d'eau chaude (I3), alimentations en eau froide (I4), retours d'eau refroidie du chauffage (15), bouchons ou robinets de vidange des cir- cuits, vannes servant à isoler des éléments pour les remplacer, etc. 6) Appareils selon les revendications I), 2), 3), 4) ou 5), caractérisés par le fait qu'ils sont équipés de dispositifs de chauffage d'appoint, tels que résistances électriques (16) et sondes de température (17)9 plongées dans les radiateurs, les réservoirs de stockage du fluide calcporteur chauffé, les ballons de stockage d'eau chaude, etc. 7) Appareils selon les revendications I), 2), 3), 4), 5) ou 6), caractérisés par le fait qu'ils sont intégrés à des panneaux de façade ou qu'ils forment, eux mêmes, des panneaux de façade.