Brevet FR2548336A1 — publié le 19850104

La présente invention concerne un procédé perfectionné de réchauffage de fluides par couplage de l'énergie solaire avec de énergie thermodynamique récupérée sur un circuit d'air, permettant d'obtenir une récupération optimale de ces deux énergies quelles que soient les conditions climatiques ; elle concerne également les dispositifs de mise en oeuvre dudit procédé et leur application au chauffage partiel de locaux comportant au moins une ventilation à deux flux d'air, avec ou sans production d'eau chaude à usage sanitaire ou de chauffage. Les solutions existentes de récupération d'energie sur un circuit d'air extrait de locaux ne permettent pas toujours d'obtenir de bons rendements ; de plus, le couplage capteur solaire, récupérateur, est contraire au principe selon lequel le rendement du récupérateur augmente lorsque la température de l'air soufflé diminue. Illustrons ceci par deux exemples concernant des installations de ventilation mécanique fonctionnant en double flux. Le premier exemple bien connu de récupération d'énergie consiste à interposer un échangeur statique entre les deux flux d'air. le rendement de eet échangeur diminue lorsque la température de l'air soufflé augmente. Le couplage d'un capteur à air avec un tel récupérateur aboutit dans tous les cas à une diminution du rendement de l'un ou l'autre des deux éléments précités. Le second exemple tout aussi connu consiste à interposer un récupérateur thermodynamique comme par exemple une pompe à chaleur ou un échangeur contenant un fluide frigorigène, sur un même type d'installation. Ici, le rendement de récupération est plus intéressant. Néanmoins, l'énergie récupérée doit être immédiatement transmise à l'air soufflé indépendemment des besoins réels de chauffage des locaux. Le couplage avec un capteur solaire aboutirait à une diminution de rendement et en cas de fort ensoleillement nécessite impérativement l'arrêt du récupérateur au risque d'endommager ce dernier. La présente invention a pour but de perfectionner le couplage de l'énergie solaire et de l'énergie thermodynamique afin d'obtenir un meilleur rendement énergétique permettant d'économiser une partie de l'énergie calorifique classique nécessaire au chauffage des locaux, en associant aux deux éléments capteurs d'énergie que sont le capteur solaire à air et le récupérateur thermodynamique d'autres dispositifs ayant pour fonction a) le stockage d'énergie dans une capacité thermique. b) la distribution de l'énergie stockée vers un é-changeur thermique en contact avec un fluide gazeux et éventuellement vers au moins un circuit d'eau. c) la récupération d'énergie solaire fournie par le capteur et son stockage dans la capacité thermique suscitée. A cet effet, I'invention a pour objet un procédé perfec tionné de réchauffage d'un fluide gazeux destiné au chauffage et au renouvellement de l'air des locaux, du type comportant un couplage de l'énergie solaire avec une autre source d'énergiethermodynamique, selon lequel on effectue, de manières connues, le chauffage d'une capacité thermique par l'intermédiaire d'un récupérateur thermodynamique et un premier réchauffage du fluide gazeux par l'intermédiaire d'un capteur solaire caractérisé en ce que, le transfert de l'énergie solaire1, capte par le fluide gazeux, en vue de son stockage dans la capacité thermique ou, le second rechauffage du fluide gazeux par l'énergie solaire et/ou thermodynamique contenue dans la capacité thermique, sont obtenus au moyen d'un seul échangeur relié à la capacité thermique par un seul fluide caloporteur. L'invention concerne également les dispositifs nécessaires à la mise en oeuvre du procédé et les installations en comportant application. Les dessins annexés illustrent la mise en oeuvre de l'installation. Sur ces dessins Les figures 1 et 2 sont des vues schématiques, illustrant deux variantes du procédé conforme à l'invention. La figure 3 illustre un perfectionnement du procédé. La figure 4 illustre une application particulière du procédé. Les figures 5 et 6 illustrent deux modes de réalisation de la capacité thermique. La figure 1 concerne une première forme de mise en oeuvre de l'invention. Dans ce cas, l'air extrait 1 des locaux par un ventilateur 2 traverse un échangeur 3 dans lequel il perd une partie de ses calories, puis est rejeté à l'extérieur 4. Ces calories sont récupérées par un fluide frigorigène F1 circulant dans un évaporateur 5 d'un récupérateur thermodynamique fonctionnant suivant le cycle de Carnot, qui va libérer ses calories dans un condenseur 7 immergé dans une capacité thermique 8 contenant un fluide caloporteur F2 comme par exemple l'eau. la figure 1 est illustrée dans le cas ou le récupérateur thermodynamique est une pompe a chaleur dont le fonctionnement du compresseur 6 est asservi à la température à l'intérieur de la capacité thermique 8. Le fluide caloporteur F2 peut être mis en mouvement suivant deux sens de circulation sl et s2 dans une portion de circuit 10,11,12,13 alimentant un serpentin 14, par l'intermédiaire d'un ensemble 9 comprenant au moins une pompe et, un jeu de vannes ou une vanne à quatre voies. Le fluide gazeux 15 provenant en tout ou partie de l'exté- rieur est en premier lieu chauffé suivant les conditions d'ensoleillement dans au moins un capteur solaire 16 à air à faible inertie comprenant un absorbeur au contact duquel l'air a chauffer circule à grande vitesse. L'air 17 aspiré par un ventilateur 18, dont la position sur le circuit d'air peut être variable entre 15 et 20; passe dans un échangeur 19 dans lequel est réalisé, selon le perfectionnement de l'invention a) soit un deuxième réchauffaRe, si la température à l'in térieur des locaux est trop basse, obtenu par mise en service de la pompe 9 dans le sens sl. b) soit un transfert de l'énergie solaire en vue de son stockage, si la température à l'intérieur des locaux est suffisante obtenu par mise en service de la pompe 9 dans le sens s2. Dans les deux cas, il est nécessaire d'avoir un gradient thermique à l'intérieur de la capacité thermique 8, dont nous verrons plus loin deux exemples de réalisation : le fluide caloporteur F2 sert soit de source chaude, soit de source froide pour le fluide gazeux. L'air 20 est distribué dans les locaux 21. Ce perfectionnement permet a) une récupération optimale de l'énergie solaire et ther modvnamique sans perte de rendement de l'un ou de l'autre des ré cupérateurs 16 et 5,6,7. b) un transfert de 1 'energie solaire récupérée par un capteur à air, à un fluide caloporteur F2, - sans perte de rendement sur l'échangeur puisque toute l'énergie disponible en 17 est utilisée soit pour chauffer l'air des locaux 20, soit pour être stockée temporairement 8. - ne nécessitant pas d'additif chimique pour la protection hors gel permettant ainsi éventuellement d'utiliser directement le fluide F2 pour la production d'eau chaude sanitaire. La figure 2 représente une forme de mise en oeuvre particulièrement avantageuse de l'invention : celle-ci est appliquée ici au réchauffage combiné de plusieurs fluides, notamment d'air destiné au réchauffage de locaux et d'eau chaude, à usage sanitaire ou de fluide caloporteur pour le chauffage de locaux par l'intermédiaire d'éléments chauffants. Seule une disposition conforme à la figure 1 a été repré sentée, mais il doit être entendu qu'une disposition conforme à la figure 3 entre dans le cadre de la présente description. Sur la figure 2, on retrouve les éléments identiques à la figure 1 sous le même nombre de référence. En outre, il est préw au moins un circuit dteau chaude 22 contenant un fluide caloporteur F3 qui s'échauffe dans la capacité thermique 8, soit au travers du serpentin 23, soit en se mélangeant au fluide caloporteur F2, les deux fluides F2 et F3 étant dans ce dernier cas identiques et confondus. Cette disposition avantageuse permet d'obtenir facilement deux circuits d'eau chaude distincts destinés par exemple à la production d'eau chaude sanitaire et d'eau pour le chauffage des locaux tout en n'utilisant qu'un seul serpentin. La figure 3 représente un perfectionnement du procédé destiné à augmenter les apports solaires. Seule la disposition conforme à la figure 1 a été représentée mais il doit être entendu qu'une disposition conforme à la figure 2 entre dans le cadre de la présente description. Sur la figure 3, on retrouve tous les éléments de la figure 1, désignés sous les mêmes nombres de référence. En cas de fort ensoleillement, le débit d'air nécessaire pour conserver un bon rendement du capteur, notamment dans le but de réduire les pertes par rayonnement, doit être augmenté. Il suffit pour cela d'augmenter la vitesse de rotation du ventilateurl8'. Néanmoins, pour des raisons de confort à lsintérieur des locaux (bruit, température), il peut être nécessaire de diminuer le débit d'air soufflé 21 en recyclant une partie de l'air 20 après passage dans l'échangeur 19, en amont du capteur 16, en utilisant par exemple un registre de réglage 24 et un circuit 25. En fonctionnement, la vitesse de rotation du ventilateur 18'et la position du registre de réglage 24 peuvent être asservies aux mesures de température à l'intérieur des locaux et en sortie de l'échangeur 19. Ce perfectionnement permet d'envisager deux applications a) la fourniture exclusive d'eau chaude sanitaire en été lorsque les besoins de chauffage deslocaux sont nuls ; il suffit alors de faire un recyclage total de l'air. b) l'optimisation du rendement du capteur à air ; ainsi par faible ensoleillement, le débit d'air sera limité au simple besoin en renouvellement d'air des locaux. Par fort ensoleillement le débit d'air sera augmenté dans les éléments 16,18',19 mais pourra rester constant pour la distribution d'air 21 vers les locaux. Cette disposition permet d'utiliser un réseau de gaines de faible dimension pour la distribution d'air dans les locaux sans pour cela limiter la surface installée de capteur solaire, tout en optimisant son fonctionnement. La figure 4 représente une forme particulièrement avantageuse de mise en oeuvre du procédé. Celle-ci est appliquée au réchauffage combiné de plusieurs fluides notamment d'air, d'eaux chaudes, et à la déshumidification de l'air, et est des tineeaux piscines. Seule une disposition conforme à la figure 2 est repré sentée, mais il doit être entendu qu'une disposition conforme à la figure 3 entre dans le cadre de la présente description. Selon une disposition avantageuse, une partie de l'air extrait est recyclée 26 sur le capteur 16 en se mélangeant à de l'air neuf 15, l'équilibre dynamique des circuits étant obtenu au moyen d'un registre de réglage 27. L'autre partie de l'air extrait 4 est rejetée à l'extérieur. Cette disposition présente les avantages suivants a) augmentation des apports en énergie thermodynamique puisqu'à débit d'air rejeté à l'extérieur égal, le débit d'air extrait par le ventilateur 2 est augmenté, une partie de l'air pouvant être recyclée. b) diminution d'humidité de l'air soufflé 21, cette disposition s appliquant notamment aux piscines. c) augmentation du rendement du capteur qui fonctionne à plus basse température diminuant ainsi les pertes par rayonnement. Les figures 5 et 6 illustrent deux modes de conception de la capacité thermique 8 applicables à toutes les figures 1,2,3,4. La capacité thermique 8 peut être avantageusement réalisée sous une forme compacte fig. 5 par utilisation d'une seule capacité thermique du type ballon vertical à eau, dans lequel a) les lignes 10 et il sont raccordées respectivement en haut et en bas du ballon. b) le condenseur 7 est immergé et positionné entre les niveaux de raccordement 10 et 11, sa position exacte étant fonction des apports relatifs des énergies récupérées, solaire et thermodynamique. Il y a intérêt à avoir une hauteur importante du ballon afin de favoriser le gradient thermique. Cette nécessité n'est pas toujours compatible avec les disponibilités en hauteur des locaux. C'est pourquoi, selon la figure 6, la capacité thermique a été scindée en deux 8' et 8", le ballon 8' permettant plus particulièrement le stockage de l'énergie thermodynamique, le ballon 8" permettant plus particulièrement le stockage de l'éner- gie solaire. Ces ballons sont reliés entre eux, la partie basse de 8' étant reliée à la partie haute de 8" par une tuyauterie. Le condenseur 7 est alors immergé en bas du ballon 8' ; les circuits 10 et 11 étant raccordés conformément à la figure 6 ; les éventuels circuits d'eau chaude circulent dans les deux ballons 8" et 8'. L'invention fournit donc les moyens simples et pratiques pour réduire les consommations d'énergie nécessitée par le chauffage des locaux à l'aide d'un fluide gazeux et éventuellement de circuits d'eau chaude sanitaire et de chauffage. Elle permet d'envisager des applications multiples dont seulement quelques exemples ont été esquissés. REVENDICATIONS 1. - Procedé perfectionné de réchauffage d'un fluide gazeux destiné au chauffage et au renouvellement d'air de locaux, du type comportant un couplage de énergie solaire avec une autre source d'énergie thermodynamique selon lequel on effectue, de manières connues, le chauffage d'une capacité thermique par l'intermédiaire d'un récupérateur thermodynamique et un premier réchauffage du fluide gazeux par l'intermédiaire d'un capteur solaire caracterisé en ce que, le transfert de l'énergie solaire capté par le fluide gazeux, en vue de son stockage dans la capacité thermique 8 ou, le second réchauffage du fluide gazeux par l'énergie solaire et/ou thermodynamique contenue dans la capacité thermique, sont obtenus au moyen d'un seul échangeur 19 relié à la capacite thermique 8par an seul fluide caloporteur. 2. - Procédé selon la revendication 1 destiné à la production d'eau chaude par exemple à usage sanitaire ou de chauffage, caractérisé en ce qu'il consiste à faire circuler de la zone froide à la zone chaude de la capacité thermique8 ladite eau qui s'échauffe par mélange ou par échange thermique23. 3. - Dispositif pour application du procédé selon les revendications 1 et 2 notamment par le chauffage et le renouvellement d'air des locaux comprenant - un circuit d'air extrait des locaux sur lequel sont disposés, un ventilateur, un récupérateur thermodynamique dont l'évaporateur récupère les calories de l'air extrait et le condenseur libère ces calories dans une capacité thermique contenant un fluide caloporteur, le fonctionnement du récupérateur thermodynamique étant au moins asservi à la température à l'inte- rieur de la capacité thermique. - un circuit contenant le fluide caloporteur connecté à la capacité thermique, sur lequel sont disposés, une pompe provoquant la circulation du fluide caloporteur et des moyens d'échanges thermiques. - un circuit contenant un fluide gazeux destiné au chauffage et au renouvellement d'air des locaux mis en mouvement par un ventilateur, réchauffé au moyen d'un capteur solaire d'une part, caractérisé en ce que le fluide gazeux traverse ensuite, d'autre part, un échangeur thermique 19 qui permetjsuivant la température du fluide gazeux et en fonction de la température des locaux, le transfert de ltenergie solaire à la capacité thermique 8 en vue de son stockage, ou le transfert d'energie thermodynamique ou solaire contenue dans la capacité thermique 8 au fluide gazeux en vue d'augmenter sa température en n'utilisant qu'un seul serpentin 14 parcouru par un seul fluide caloporteur relié aux zones chaude et froide de la capacité thermique8 et dont le sens de circulation peut être facilement inversé au moyen d'un jeu de vannes ou d'une vanne à quatre voies 9. 4. - Dispositif perfectionné selon la revendication 3 caractérisé en ce que le fluide gazeux passe successivement dans au moins un capteur à air à faible inertiel6, comprenant un absorbeur au contact duquel l'air s'écoule suivant un régime turbulent pour s'échauffer, et traverse un échangeur thermique réversible î9àgrande surface d'échange. 5. - Dispositif perfectionné selon les revendications 3 et 4 caractérisé en ce que la capacité de stockage thermique 8 contenant un fliide caloporteur est constituée selon un premier mode d'un ballon d'eau d'une hauteur suffisante pour permettre un gradient thermique, le condenseur du récupérateur thermodynamique 7 étant alors situé entre les points haut et bas de raccordements du circuit alimentant l'échangeur thermique. 6. - Dispositif perfectionné selon les revendications 3 et 4 caractérisé en ce que la capacité thermique contenant le fluide caloporteur est constituée selon un second mode de deux ballonsd' eau 8'/8",la partie basse du premier étant reliée à la partie haute du second, le condenseur du récupérateur thermodynamique 7 étant alors immergé en partie basse du premier ballon, les niveaux de raccordement du circuit alimentant l'échangeur thermique étant positionnés en partie haute du premier ballon et en partie basse du second ballon. 7. -Dispositif perfectionné suivant les revendications 3 et 4 destiné notamment à une utilisation plus importante de l'é- nergie solaire caractérisé en ce qu'il comporte en outre d'une part, des moyens 24-25 pour effectuer un recyclage partiel ou total du fluide gazeux et, d'autre part, des moyens dtasservissement de la vitesse de rotation du ventilateurî8 et/oude la position du dispositif de recyclage du fluide gazeux 24 en fonction de la tempé rature du fluide gazeux après passage dans le capteur solaire 16, et de la température à l'intérieur des locaux. 8. - Dispositif perfectionné suivant l'ensemble des revendications 3,4,5 ou 6,7 notamment destiné au chauffage des piscines caractérisé en ce qu'il comporte en outre d'une part, des moyens 27-26 pour effectuer un recyclage partiel ou total de l'air extrait, qui se retrouve déshumidifié sur l'évaporateur du récupéraseur thermodynamique 3-5, vers au moins ut capteur solaire à air 16 et, d'autre part, des moyens 23 de mise en contact thermique du fluide caloporteur contenu dans la capacité thermique, avec l'eau de la piscine.