Brevet FR2553181A1 — publié le 19850412

I 2553 18 1 Dispositif permettant le stockage thermique à partir de deux sources énergétiques, et installation utilisant un tel dispositif. La présente invention concerne une installation de stockage thermique dans un réservoir alimenté en fluide chaud à partir d'une 5 source extérieure de chaleur, tout en possédant une source thermique intégrée fonctionnant en appoint thermique. Les installations classiques de chauffage à accumulation de chaleur comprennent généralement une source de chaleur telle que les capteurs solaires ou les chaudières alimentées au gaz, au fioule ou 10 à tout autre combustible approprié, un circuit hydraulique de chauffage contenant un liquide caloporteur qui est mis en circulation entre la source de chaleur et un réservoir de stockage de chaleur par une pompe, et un circuit de soutirage comprenant une arrivée d'eau froide à la partie inférieure du réservoir et un 15 départ d'eau chaude à sa partie supérieure, vers l'utilisation. Le fonctionnement de la pompe de circulation est généralement commandé par une unité de régulation à deux sondes thermiques, dont l'une est montée à la sortie de la source de chaleur et 1 ' autre est montée à la partie inférieure du réservoir de stockage Ces sondes 20 sont reliées électriquement à une unité de régulation conçue pour donner un ordre de marche à la pompe lorsque la température mesurée à la sortie de la source dépasse celle mesurée à la partie basse du réservoir de stockage de plus d'une valeur de consigne Au contraire, si l'écart de température précédent descend en dessous 25 d'une seconde valeur de consigne, l'unité de régulation interrompt le fonctionnement de la pompe. Par la demande de brevet français N O 82 21 453, déposée le 21 Décembre 1982, au nom de la Demanderesse, il est connu d'utiliser, à la place de l'unité de régulation, une thermovanne susceptible d'orienter le fluide caloporteur arrivant de la source de chaleur soit vers le réservoir de stockage, lorsque la température de ce dernier est supérieure à celle régnant à la sortie de la source, soit vers la conduite de retour vers la source, dans le cas contraire. Aussi bien l'unité de régulation que la thermovanne permettent d'éviter que, pendant les périodes de non fonctionnement de la source de chaleur, le fluide caloporteur, qui n'est plus réchauffe, ne vienne refroidir progressivement la masse d'eau chaude qui est 10 contenue dans le réservoir. Cependant, si de telles périodes de non fonctionnement venaient à se prolonger, ce qui arrive souvent dans le cas du chauffage par énergie solaire, par temps couvert ou la nuit, il s'avère nécessaire d'utiliser un dispositif de chauffage d'appoint qui permet de main15 tenir la température de l'eau à une valeur pratiquement constante. Le dispositif de chauffage d' appoint est constitué en général par une résistance électrique intégrée à l'intérieur du réservoir de stockage et qui intervient lorsque l'énergie solaire est insuffisante ou fait défaut Mais le positionnement d'une telle résistance à l'intérieur du réservoir de stockage pose de nombreux problèmes auxquels aucune solution satisfaisante n'a été proposée jusqu'à présent En effet, si on plaçait cette résistance à la partie inférieure du réservoir, la température de celui-ci serait toujours supérieure à celle de la source de chaleur, de sorte que la 25 pompe d'alimentation ne se mettrait jamais en marche Ainsi, le réservoir ne serait chauffé que par l'énergie électrique d'appoint qui est une énergie chère, alors que la source d'énergie externe, telle que l'énergie solaire, qui est plus économique, serait peu ou pas utilisée Ou alors il faudrait faire intervenir des systèmes 30 régulateurs compliqués, qui interrompent 1 ' alimentation de la résistance électrique dès que la température du réservoir a atteint une température prédéterminée et qui mettent en marche la pompe d' alimentation. De même, il n'est pas intéressant de placer la résistance électrique d' appoint à la partie supérieure ou médiane du réservoir car elle ne chaufferait que la couche d'eau située au-dessus d'elle et laisserait pratiquement froide la masse d'eau située dans la partie supérieure du réservoir. Enfin, le montage de la résistance électrique à travers la 10 paroi latérale du réservoir de stockage est dificilement envisageable, parce qu'il est très difficile et coûteux à réaliser. Il est vrai que le brevet européen O 031 153 suggère une solution intéressante à ce problème, qui consiste à monter deux réservoirs en série, dont l'un est chauffé par la source de chaleur 15 externe et 1 ' autre par un éChangeur de chaleur ou une résistance électrique d' appoint Ainsi, l'eau est d' abord préchauffée dans le premier réservoir par la chaleur d'origine solaire, puis est chauffée à une température supérieure dans le second réservoir par la résistance électrique Il devient donc possible de monter, cette 20 dernière à la partie inférieure du second réservoir, sans que son fonctionnement empêche la mise en marche de la pompe d'alimentation, comme c'est le cas pour les installations de chauffage qui n'utilisent qu'un seul réservoir. Cependant, on conçoit qu'une telle installation à deux 25 réservoirs soit pratiquement deux fbis plus chère et plus encombrante que les installations classiques à un réservoir. La présente invention vise à remédier aux inconvénients des installations de stockage thermique, de type chauffe-eau, et propose à cet effet un dispositif facilement adaptable à toutes les installations existantes Elle permet de rentabiliser au maximum la source de chaleur externe par rapport à la source de chaleur d'appoint interne de l'installation. Pour faciliter la compréhension de l'exposé qui va suivre, on entendra: par température de consigne, la température -d'utilisation souhaitée par l'utilisateur de l'installation de stockage thermique; cette température est mesurée à 1 ' aide d'un capteur situé dans la partie supérieure du réservoir de stockage et relié à un circuit électrique dont le rôle est de déclencher la libération des calories du chauffage d'appoint dès que la température détectée par le capteur est -infrieure à celle de ladite température de consigne; par source externe de chaleur, toute source de calories externe au réservoir de stockage qui, tout en étant plus économique que le chauffage d' appoint, est indépendante de la température de 15 consigne; le fluide caloporteur susceptible d' apporter les calories de la source externe peut provenir par exemple d'un capteur solaire, d'une chaudière externe alimentée au gaz, au fioule, au charbon, au bois ou à tout autre combustible approprié, ou d'une autre installation de stockage thermique telle qu'une installation 20 géothermique ou une installation de stockage saisonnier par source de chaleur d' appoint, toute source de chaleur permettant d'apporter les calories nécessaires pour atteindre la température de consigne; cette source d'appoint libère les calories nécessaires lorsque la température détectée par le capteur placé à 25 la partie supérieure du réservoir est iniérieure à la température de consigne; elle pourra être constituée par une résistance électrique, un chauffage utilisant un combustible tel que le gaz ou le fioule, ou une autre installation de stockage dont la température d'utilisation sera nécessairement supérieure à la température de 30 consigne. La présente invention a donc pour objet un dispositif permettant le stockage thermique dans un réservoir de fluide du type comprenant une source de chaleur située à l'extérieur du réservoir de stockage et une source de chaleur d'appoint située à l'intérieur du réservoir et qui est mise en marche lorsque la température du fluide situé à la partie supérieure du réservoir devient inférieure à une température d'utilisation ou de consigne, ledit dispositif étant caractérisé en ce que la source de chaleur d'appoint est placée à la partie irnférieure du réservoir de stockage à I'intérieur 10 d'un tube-écran, disposé verticalement, et en ce que la source de chaleur externe est également branchée à la partie inférieure du réservoir de stockage, mais à l'extérieur dudit tube-écran. Ainsi, lorsque la température de la source extérieure de chaleur est supérieure à la valeur -de la temperature de consigne, la 1 5 partie supérieure du réservoir de stockage sera réchauffée par effet thermosiphon et la source de chauffage d' appoint ne sera pas utilisée = En revanche, lorsque la température de la source extérieure de chaleur est inférieure à celle de la température de consigne, tout 20 en restant supérieure à celle de l'arrivée d'eau du réseau, qui est également branchée à la partie inférieure du réservoir de stockage, le dispositif objet de la présente invention permet de créer deux zones distinctes dans le réservoir de stockage: la partie supérieure de ce dernier, c'est-à- dire la partie située au-dessus du tube-écran, qui sera maintenue à la température de consigne par déclenchement de la source de chauffage d' appoint à l'intérieur du tube-écran, la partie inférieure du réservoir de stockage située à l'extérieur du tube-écran, qui sera portée par convection à la 30 température de la source extérieure de chaleur. Ainsi, lorsque l'utilisateur soutirera le fluide de la partie supérieure du réservoir, les calories du fluide provenant de la source externe passeront d'une zone à 1 ' autre, et le chauffage d' appoint ne sera utilisé que pour fournir les calories nécessaires pour faire passer la température du fluide dans cette partie du réservoir, de la température de la source externe à celle de la température de consigne. Le dispositif selon la présente invention permet donc de donner une priorité à la source de chaleur externe plus économique, sur la 10 source de chaleur d' appoint. Le tube-écran a donc pour rôle de guider le courant d'eau chaude de la source d' appoint vers le haut du réservoir de stockage et de l'empêcher de venir se mélanger à la couche d'eau relativement plus froide qui se trouve à la partie inférieure, à 15 l'extérieur du tube-écran, ce qui aurait pour effet de réchauffer ladite eau froide et de -nettre hors service la source extérieure de chaleur, comme on l'a expliqué précédemment. Le tube-écran sera donc avantageusement constitué de manière à former une paroi isolante thermiquement entre la zone dans laquelle 20 est placée la source de chaleur d' appoint et celle dans laquelle est branchée la source extérieure de chaleur On pourra, à cet effet, mais à titre non limitatif, réaliser le tube-écran en une matière plastique isolante, en particulier un "PVC" bullé, que l'on pourra éventuellement renforcer par une ou plusieurs armatures métalliques. 25 En outre, pour faciliter le montage ou l'adaptation du tube-écran, ce dernier peut être constitué de plusieurs tubes emboltables et rétractables les uns dans les autres. La longueur et la section transversale du tube-écran pourront en outre varier en fonction de l'importance relative de la capacité thermique de chacune des sources calorifiques Cette longueur pourra: f : en particulier être plus ou moins grande suivant la capacité de chaleur externe dont pourra disposer l' utilisateur du réservoir de stockage Dans les pays à fort taux d'ensoleillement, cette longueur pourra en particulier être plus grande que dans les pays à taux 5 d'ensoleillement plus faible Dans la plupart des cas, le rapport entre la hauteur du réservoir de stockage et celle du tube-écran pourra varier entre 1,5 et 5 En particulier, la hauteur du tubeécran pourra être adaptée facilement et économiquement selon la saison (adaptation été ou hiver) aux besoins réels de l'utilisateur 10 grâce à 1 ' utilisation de tube-écran emboitable et rétractables. Enfin, dans les pays relativement froids, pour lesquels un antigel est nécessaire dans le circuit d' alimentation de la source externe, on utilisera avantageusement un échangeur de chaleur autour du tube-écran. 1 5 Lorsque la température de consigne n'est pas atteinte dans la partie du réservoir de stockage se trouvant directement au-dessus du tube-écran, un capteur de température, tel qu'un thermostat placé dans cette zone déclenche le chauffage d' appoint Selon un mode avantageux de mise en oeuvre de la présente invention, le capteur de 20 température pourra être placé au voisinage et à l'extérieur de l'extrémité supérieure du tube-écran. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le tube-écran est en forme de bouteille à goulot relativement étroit Une telle forme permet d' assurer un meilleur guidage du courant ascendant 25 d'eau chaude vers la partie supérieure du réservoir et d'éviter ainsi la diffusion latérale de la chaleur vers la zone inférieure du réservoir située à l'extérieur du tube-écran, ainsi que la creéation de turbulences engendrées par le mouvement de convection de l'eau chaude. Avantageusement, le tube-écran, la source interne de chaleur, le thermostat, ainsi que les raccordements de la source externe de chauffage, sont groupés en un ensemble unitaire, susceptible d'être monté à travers une ouverture formée dans le fond du réservoir de stockage. A titre illustratif, on décrira à présent plusieurs modes de réalisation particuliers de l'invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels La figure 1 montre, en coupe axiale, le principe d'un réservoir de stockage de la chaleur utilisant un tube-écran selon un premier 10 mode de réalisation La figure 2 est une vue partielle, analogue à la figure 1, d'une installation de stockage de la chaleur dans Iaquelle le liquide caloporteur venant de la source externe contient un antigel; La figure 3 est une vue en coupe axiale d'un tube-écran selon 15 un second mode de réalisation La figure 4 est une vue en coupe d'une installation de stockage de chaleur équipée d'un ensemble monobloc portant le tube-écran et les organes annexes. Avec référence tout d'abord à la figure 1, l'installation de chauffage comprend, de façon connue en soi, une source extérieure de chaleur, non représentée, qui peut être constituée, par exemple, par des capteurs solaires, ou par une chaudière alimentée au gaz, au floule ou par tout autre combustible Un liquide caloporteur véhiculant les calories de la source de chaleur circule dans un 25 circuit comprenant une conduite d' arrivée 10 et une conduite de retour 12 branchées dans la paroi inférieure d'un réservoir de stockage de la chaleur 14 Le liquide caloporteur est mis en circulation dans le circuit au moyen d'une pompe 16, dont le fonctionnement peut être commandé par une unité de régulation 30 classique, non représentée. Dans la partie inférieure du réservoir de stockage est monté un dispositif de chauffage d'appoint 20 enfermé à l'intérieur:d'un tube- écran vertical 24 en matériau isolant, qui est emmanché à travers une plaque amovible 22 constituant la paroi de fond du réservoir de stockage; ladite plaque est fixée avec étanchéité sur une ouverture 26 du réservoir au moyen de boulons de serrage 28 Le tube-écran est de préférence cylindrique, et il est ouvert à son extrémité supérieure. Dans une variante de réalisation illustrée par la figure 4, le 10 -Lubeécran 24 présente, au voisinage de son extrmité supérieure, une pluralité de trous 29, par lesquels le liquide du réservoir peut pénétrer à l'intérieur du tube-écran. La conduite d' arrivée 10 et la conduite de retour 12 débouchent dans la partie inférieure du réservoir de stockage à l'extérieur du 1 5 tubeécran 24 Cependant, afin de permettre un passage aisé des conduites à travers l'ouverture 26, ces dernières passent de préférence à l'intérieur du tube-écran et débouchent, à travers des orifices 32, 34 de celui-ci, dans la partie inférieure du réservoir de stockage. Le déclenchement de la source d'appoint 20 est commandé par un thermostat 30, lorsqu'un capteur 31 détecte, au niveau de l'extrémité supérieure du tube-écran 24, une température inférieure à une température de consigne. Le fonctionnement du dispositif de la figure 1 est le suivant 25 lorsque la source externe de chaleur ne fonctionne pas, l'eau du réservoir de stockage 14 se refroidit progressivement Dès que la température détectée à l'extrémité supérieure du tube-écran 24 devient inférieure à la valeur de consigne, le thermostat 30 commande la mise en marche de la source d'appoint 20, laquelle 30 réchauffe l'eau qui se trouve à l'intérieur du tube-écran 24 Par 255318 1 effet thermosiphon, cette eau remonte le long du tube écran jusqu' à arriver à la partie supérieure du réservoir de stockage 14 L'eau chaude ainsi produite réchauffe donc progressivement l'eau du réservoir à partir des couches supérieures. 5 Lorsque la température au niveau de l'extrémité supérieure du tube écran 24 devient supérieure à la température de consigne, le thermostat 30 arrête le fonctionnement de la source d'appoint. Lorsque la source externe de chaleur se remet en marche, elle chauffe la partie inférieure du réservoir de stockage extérieure au 10 tube-écran 24 Par effet thermosiphon, la chaleur est communiquée aux couches supérieures du réservoir Lorsque la température détectée à l'extrémité supérieure du tube devient supérieure à la température de consigne, le thermostat 30 commande l'arrêt du fonctionnement de la source d' appoint 20. Si un utilisateur soutire de l'eau à la partie supérieure du réservoir, la couche d'eau froide inférieure devient plus épaisse. La source externe et la source d'appoint se mettent en marche, mnais cette dernière ne fonctionne que le temps nécessaire pour que la température de consigne soit atteinte au niveau de l'extrémité 20 supérieure du tube-écran. Dans le mode de réalisation de la figure 2, le fluide caloporteur contient un antigel La conduite d'arrivée et la conduite de retour du fluide caloporteur ne débouchent pas dans le réservoir de stockage Le liquide caloporteur cède ses calories au 25 liquide du réservoir de stockage 14, par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur 36 qui entoure le tube-écran 24. La figure 3 montre un tube-écran 38 en forme de bouteille. Cette forme est avantageuse, car le goulot 40 permet de guider vers le haut du réservoir le courant de liquide chauffé par la source 30 d'appoint 20, en évitant sa diffusion latérale et la création de 255318 1 turbulences de convection à la sortie du tube-écran Les trous 29, pour l'entrée du liquide, sont formés à la partie supérieure de la paroi cylindrique. Dans le cas de la figure 4, la pompe 16, la thermovanne 41, notamment du type de celle décrite dans la demande de brevet français n 82 21 453, du 21 Décembre 1982, au nom de la Demanderesse, le thermostat 30 et les raccords pour les conduites d'arrivée 10 et de retour 12 sont groupés à l'intérieur d'un boîtier 42, dont le couvercle est constitué par la plaque de fond 10 22 du réservoir de stockage. Cet ensemble, qui porte, sur la face externe de son couvercle, le tubeécran 24 et la source d' appoint 20, forme un bloc unitaire prêt à être monté sur un réservoir de stockage existant, sans modification de ce dernier. REVENDICATIONS 1. Dispositif permettant le stockage thermique dans un réservoir de fluide du type comprenant une source de chaleur située à l'extérieur du réservoir de stockage et une source de chaleur d'appoint située_ à l'intérieur du réservoir et qui est mise en marche lorsque la température du fluide situé à la partie supérieure du réservoir devient inférieure à une température d'utilisation ou de consigne, ledit dispositif étant caractérisé en ce que la source 10 de chaleur d'appoint ( 20) est placée à la partie inférieure du réservoir de stockage ( 14) à l'intérieur d'un tube-écran ( 24; 38) disposé verticalement et en ce que la source de chaleur externe est également branchée à la partie inférieure du réservoir de stockage, mais à l'extérieur dudit tube-écran. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tubeécran est réalisé en une matière thermiquement isolante, éventuellement renforcée par une ou plusieurs armatures métalliques. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le rapport entre la hauteur du réservoir de 20 stockage ( 14) et celle du tube-écran ( 24, 38) est compris entre 1,5 et 5. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le tube-écran est constitué de portions de tubes emboitables et rétractables permettant d'adapter le réservoir 25 de stockage en fonction des conditions climatiques liées à la source externe. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans le cas o un antigel est incorporé dans le circuit d'alimentation ( 10,12) de la source externe de chaleur, 30 les calories du fluide caloporteur sont cédées au réservoir de stockage par l'intermédiaire d' u échangeur de chaleur ( 36). 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température de consigne est détectée par un capteur ( 31) au voisinage et à l'extérieur de l'extrémité supérieure du tube-écran. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube-écran ( 24) est cylindrique. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le tube-écran ( 38) est en fbrme de bouteille à 10 goulot relativement étroit. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube-écran présente, au voisinage de son extrémité supérieure, des trous pour l'entrée du liquide du réservoir de stockage. 10 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les conduites d'arrivée ( 10) et de retour du circuit d' alimentation ue ia source externe de chaleur passent à l'intérieur du tube-écran ( 24) et débouchent dans la partie inférieure du réservoir de stockage à travers des orifices ( 32, 34) percés dans la paroi du 20 tubeécran. 11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source d'appoint est constituée par une résistance électrique. 12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la source d' appoint est constituée par un échangeur de chaleur. 13. Installation de chauffage utilisant un dispositif selon l'une des revendications précédentes et comportant une pompe de circulation ( 16), une thermovanne ( 41) ou une unité centrale de 255318 1 régulation, caractérisée en ce qẻ lesdits éléments sont groupés en un ensemble unitaire enfermé dans un boîtier ( 42) venant se fixer sous la plaque de fond ( 22) du réservoir de stockage.