Brevet FR2554562A1 — publié le 19850510

L'ensemble des études effectuées à ce jour relativement aux économies d'énergie en matière de chauffage a démontré que si l'on met à part quelques rares situations exceptionnelles, il est impossible en pratique d'obtenir un confort thermique raisonnable sans apport maitrisé d'énergie, tout captage solaire passif et/ou actif se révélant dans nos climats insuffisant. Dans ces conditions, il est nécessaire d'adopter la forme d'énergie qui soit la plus pratique et de maintenir la consommation d'énergie coûteuse au niveau le plus faible possible. Les exigences ci-dessus rappelées font qu'une installation de chauffage rationnelle doit faire appel d'une part à ltélectricité comme énergie consommée et d'autre part, lorsqu'un. captage solaire se révèle insuffisant, à une pompe à chaleur associée à une source froide constituée par un stockage apte à permettre un fonctionnement satisfaisant en dépit des variations des conditions climatiques extérieures. La présente invention a pour objet une installation de chauffage qui, par suite de ses très hautes performances, soit susceptible de répondre particulierement bien à ces impératifs, laquelle installation est essentiellement remarquable en ce qu'elle comprend un captage de l'énergie utilisable (solaire, directe et atmosphérique) du climat, constitué par un capteur solaire du type à air associé d'une part à un échangeur de chaleur air/eau qui alimente un réservoir de stockage convenablement agencé, et d'autre part à une pompe à chaleur du type eau/eau, l'eau du réservoir précité pouvant, suivant les conditions climatiques du moment et les nécessités du chauffage, être utilisée soit pour former la source froide de la pompe à chaleur constituant générateur de chaleur pour les circuits d'utilisation, soit pour assurer directement l'échauffement de ces circuits. On observera qu'une telle installation ne fait appel qu'a l'électricité comme source d'énergie consommée en vue d'alimenter d'une part la pompe à chaleur, d'autre part et de manière exceptionnelle les résistances électriques disposées dans le réservoir de stockage pour compléter le captage climatique lorsque celui-ci est insuffisant par suite de conditions climatiques très sévères (basses températures sans ensoleillement). Du fait qu'on peut faire varier dans toute proportion désirée le recours au captage solaire direct et au captage solaire indirect par accumulation atmosphérique, cette installation est immédiatement adaptable à tout climat tempéré, sans modification structurelle.Le système est evidemment moins exigeant que les systèmes solaires classiques quant à l'orientation des capteurs solaires, étant remarqué que ceux-ci sont susceptibles d'être réalisés à l'aide d'éléments rudimentaires aptes à être aisément intégrés à toutes les constructions. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer La figure unique de ce dessin illustre de manière schématique l'agencement général d'une installation suivant l'invention et l'implantation des différents éléments qui la constituent. Dans l'exemple de réalisation envisagé, on a supposé (et c'est la solution effectivement la plus avantageuse) que le capteur solaire 1 de l'installation était directement incorporé à la pente de la toiture qui est tournée en direction de l'orientation Sud. Ce capteur 1, du type à air, comprend une paroi absorbante 2 (avantageusement surmontée d'une couverture transparente 2a) qui en liaison avec une paroi opaque 3 définit un passage ascendant d'échauffement s'étendant sur toute la hauteur et la longueur de la pente envisagée. La partie supérieure de ce passage communique avec l'un, référencé 4as des deux canaux longitudinaux d'une faîtière solaire 4, tandis que la partie inférieure est reliée a la base d'un passage descendant prévu en arrière de la paroi 3 et défini par cette dernière et par un panneau intérieur 5 isolé thermiquement.La partie haute de ce second passage débouche dans le canal 4b de la faitière 4. Cette dernière s'étend sur toute la longueur de la surface captatrice et est reliée, préférablement dans la partie centrale d'une tranche concernée, à au moins un caisson solaire 6 dont l'espace intérieur communique à travers des canalisations 7 et 8 avec les canaux collecteurs 4a et 4b de ladite faîtière. L'air provenant du canal 4a et de la canalisation 7 débouche à l'intérieur d'une chambre de détente 9 et, sous l'effet d'un ventilateur centrifuge 10 à entratne- ment électrique, traverse une batterie centrale 11 agencée pour constituer un échangeur de chaleur air/eau. L'air refroidi refoulé par le ventilateur 10 est dirigé, par le moyen d'un volet déflecteur 12 à commande à distance, soit dans la canalisation 8 pour être ramené dans le canal collecteur 4b, soit directement dans un comble ventilé ou à l'extérieur (flèche F1). On conçoit dans ces conditions qu'en fonction de l'orientation du volet déflecteur 12, le capteur solaire 1 travaille soit en boucle fermée, le même air étant alors utilisé au sein du même circuit, soit en circuit ouvert, de l'air neuf étant en pareil cas aspiré à l'extérieur à travers une bouche inférieure schématisée sous la forme de la flèche F2. La batterie ou échangeur 11 renfermé par le caisson solaire 6 est relié à un réservoir de stockage 13 par un circuit de canalisations 14 doté d'un circulateur et d'un clapet anti-retour. L'eau (additionnée d'antigel) de ce circuit 14 débouche dans la partie basse du réservoir 13, cette partie basse renfermant une ou plusieurs résistances électriques d'appoint 15. Dans ce réservoir est disposée une série de tubes souples 16 en matière synthétique, fermés à leur extrémité inférieure l'extrémité supérieure ouverte de ces tubes 16, convenablement supportés par une plaque fixe non représentée, est disposée légèrement au-dessus du débouché inférieur des ouies d'aspiration d'un collecteur supérieur 17, lequel communique avec la canalisation du circuit 14 qui aboutit à la base de l'échangeur 6. On observera que le réservoir de stockage 13 joue le rôle de vase d'expansion pour le liquide qui circule dans l'installation. Les tubes souples 16, remplis d'un liquide congelable (eau pure par exemple), forment eux-mêmes volumes d'expansion pour ledit liquide. Le collecteur 17 est simultanément relié à un circuit 18, également doté d'un circulateur et d'un clapet anti-retour. Ce circuit 18 constitue la source froide d'une pompe à chaleur 19, du type eau/eau, dont la sortie est ramenée à la base du réservoir de stockage 13, étant observé qu'une vanne de sécurité 21 (vanne thermostatique ou électro-vanne), insérée sur une canalisation de by-pass, permet de court-circuiter ladite pompe 19. La partie chaude de cette dernière est montée sur un circuit de distribution 22 muni d'un circulateur et d'un clapet anti-retour ; ce circuit 22 alimente en permanence un réservoir tampon-échangeur 23 servant au chauffage de l'eau du circuit d'utilisation 24 correspondant à l'eau chaude sanitaire, ce circuit 24 comprenant en outre un ballon de préparation 25 à chauffage électrique en vue de pallier à tout risque d'avarie du système de chauffage normal. Sur le circuit 22 est également prévue une vanne 26 du type trois-voies qui permet, lorsque désiré, le branchement d'un second circuit de distribution, référencé 27, alimentant l'échangeur 28 d'un aérotherme 29 pour le chauffage du local à l'aide d'un circuit de ventilation.30. La canalisation de retour des deux circuits de distribution 22 et 27 se raccorde avec la canalisation 31 qui assure le retour de la source froide de la pompe 19 à la base du réservoir 13. On observera par ailleurs que le circuit de distribution 22 se raccorde par un circuit 32 au collecteur 17 du réservoir de stockage 13, ce circuit 32 étant doté d'un circulateur et d'un clapet anti-retour indépendants. Le fonctionnement de l'installation suivant l'invention et son mode d'utilisation découlent des explications qui précèdent et se comprennent aisément. En régime "hiver et tant que la température du réservoir de stockage 13 est trop faible pour que sa chaleur puisse être directement utilisée, la pompe a chaleur 19 fonctionne ; les circulateurs des circuits 18 et 22 fonctionnent la vanne de by-pass 21 restant fermée tant que la température de source froide de la pompe 19 ne dépasse pas la valeur maximale de sécurité. Lorsque la température de 11 air dans le capteur 1 est supérieure à celle du réservoir 13, le ventilateur 10 et le circulateur du circuit 14 sont mis en fonctionnement. Si durant ce fonctionnement, le temps est couvert, le volet déflecteur 12 du caisson solaire- 6 envoie l'air suivant la flèche F1, de telle sorte que de l'air frais extérieur est aspiré suivant la flèche F2. Dans ces conditions, la batterie ou échangeur air/eau 11 prélève de la chaleur à l'air atmosphérique (qui se trouvant alors a l'état humide incorpore une bonne proportion de chaleur latente, donc de condensation), cet air ayant été au préalable plus ou moins réchauffé par rayonnement difusé au cours de son passage dans le capteur solaire 1. On notera en conséquence qu'en même temps qu' on permet un captage solaire direct additionnel, on augmente les possibilités de captage par air atmosphérique en élevant sa température. Si par contre au cours du régime "hiver" le temps devient suffisamment ensoleillé, le volet déflecteur 12 est manoeuvré afin de diriger dans la canalisation 8 l'air qui sort du ventilateur 10 du caisson 6. Le capteur 1 travaille alors en boucle fermée, de telle sorte qu'on obtient uniquement un captage solaire direct qui peut avoir lieu à des températures tres basses par temps très froid et sec. Par le jeu de la demande de chaleur par la pompe 19 et des conditions climatiques de captage de chaleur, la température du réservoir de stockage 13 peut être plus ou moins basse. I1 convient ici d'observer que l'agencement particulier du réservoir de stockage 13 évite tout risque d'avarie, et ce même dans le cas où le liquide contenu dans les tubes souples 16 viendrait à geler. Ce même agencement assure un stockage particulièrement efficace de la chialeur, en utilisant la chaleur latente de fusion-solidificatison, l'eau du circuit 14 léchant la paroi des tubes 16 lorsqu'elle traverse verticalement de bas en haut le réservoir 13. Normalement, le liquide contenu dans les tubes 16 est de liteau, ce qui permet de fixer la température minimale de stockage à pratiquement OOC et d'éviter de la sorte tout givrage de la batterie 11.La résistance électrique 15 forme source d'appoint pour le cas où tout le liquide contenu dans les tubes 16 serait gelé alors qu'il y aurait encore une demande de chaleur. En régimes "demi-saison et "été", c'est-à-dire lorsque la température du stockage 13 est suffisante pour que la chaleur puisse être directement utilisée, la pompe à chaleur 19 est mise hors de fonctionnement. La vanne 21 est constamment fermée. En "demi-saison", le capteur 1 travaille alors en boucle fermée de façon à accumuler de la chaleur dans le réservoir 13 ; en revanche en été le circuit air est ouvert de façon à réaliser une circulation propre à refroidir la toiture, cette circulation pouvant s'effectuer par effet de thermosiphon sans intervention du ventilateur 10.Dans l'un et l'autre régimes le réservoir de stockage 13, réchauffé par le fonctionnement du circulateur du circuit 14, assure l'élévation de la température de l'eau qui est directement envoyée par le circuit 32 au réservoir tampon 23 en vue de l'obtention de l'eau chaude sanitaire. La vanne 26 permet de commander le fonctionnement de l'aérotherme 29 en fonction des besoins du chauffage. I1 va de soi qu'on peut apporter différentes modifications au schéma général ci-dessus exposé. En particulier, le capteur solaire 1 est susceptible d'être installé en dehors de la toiture du local l'aérotherme 29 peut être remplacé par une installation de chauffage central à eau chaude. Enfin, il va de soi que l'installation comprend un système de câblage électrique qui en combinaison avec des sondes peut assurer la commande automatique de l'ensemble en fonction de paramètres appropriés (humidité, températures, etc...). I1 doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'a titre d'exemple et qu'elle ne limite nullemement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. On observera en particulier qu'en certains cas le réservoir de stockage 13 et le caisson solaire 6 peuvent ne constituer qu'un seul élément an formant un ensemble caisson solaire stockeur ; dans ces conditions, le circuit 14 et la batterie 11 n'existent plus et la surface d'échange air/stockage est constituée par la surface des tubes 16 positionnés à la place de la batterie précitée, le collecteur 17 et la canalisation 31 étant raccordés à un réseau de tubes échangeurs liquide/liquide situé à l'intérieur de tubes du type de ceux référencés 16. REVENDICATIONS 1. Installation électro-climatique de chauffage à hautes performances, caractérisée en ce qu'elle comprend en combinaison un capteur solaire à air (1), un échangeur air/liquide (11) associé audit capteur (1), un réservoir de stockage de chaleur (13) alimenté par l'échangeur (11) précité, une pompe à chaleur du type liquide/liquide (19) dont la source froide est constituée par le liquide provenant du réservoir (13) susmentionné, au moins un échangeur de distribution (23, 28) pour le réchauffement des circuits d'utilisation (24, 30), et des circuits de liaison et de distribution (14, 18, 22, 27 et 32) propres à raccorder en permanence l'échangeur (11) au réservoir de stockage (13) et sélectivement ledit réservoir à la pompe à chaleur (19) ou à l'échangeur de distribution (23 ou 28), en fonction des conditions climatiques et des nécessités de chauffage. 2. Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le capteur solaire (1) comprend trois parois (2, 3, 5) disposées parallèlement les unes aux autres afin de définir deux passages qui débouchent à l'intérieur des canaux collecteurs (4a et 4b) d'une faîtière solaire (4) reliée à un caisson (6) renfermant l'échangeur air/liquide (11). 3. Installation suivant la revendication 2, caractérisée en ce que le caisson (6) renferme, outre l'échangeur (11), un ventilateur (10) à entraînement électrique dont le refoulement peut, suivant les conditions climatiques, être dirigé soit dans l'un (4b) des deux passages parallèles du capteur (1), soit à l'extérieur (flèche F1). 4. Installation suivant la revendication 3, caractérisée en ce qu'au ventilateur (10) est associé un volet déflecteur (12) actionné pour assurer la direction appropriée du flux d'air refoulé par ledit aspirateur. 5. Installation suivant l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisée en ce que la base des deux passages du capteur (1) communique avec l'extérieur (flèche F2) afin de permettre audit capteur de travailler aussi bien en boucle ouverte qu'en boucle fermée. 6. Installation suivant l'une quelconque des revendications 1 a 5, caractérisée en ce que le réservoir de stockage (13), jouant le rôle de vase d'expansion pour le liquide circulant dans l'installation renferme une série de tubes (16) remplis d'un liquide congelable et dont les extrémités supérieures ouvertes sont disposées légèrement au-dessus des débouchés des ouies d'aspiration d'un collecteur (17) relié aux circuits de liaison (14 et 18). 7. Installation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le réservoir de stockage (13) renferme en partie basse au moins une résistance électrique (15) de chauffage d'appoint. 8. Installation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que sur le circuit de distribution (22) est branché un réservoir tampon (23) traversé par l'eau du circuit d'alimentation correspondant (24). 9. Installation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que chaque circuit de liaison ou de distribution (14, 18, 22 et 32) comprend un circulateur associé à un clapet anti-retour.