Brevet FR2558245A1 — publié le 19850719

Installation de chauffaga oIaire. L'invention concerne une installation de chauffage solaire, comprenant un capteur solaire à circulation d'un liquide caloporteur, et un échangeur de chaleur relié, d'une part, au capteur solaire et, d'autre part, à un circuit de fluide à chauffer. De façon connue, le capteur solaire comprend en général une surface absorbant l'énergie thermique du rayonnement solaire et la cédant à un liquide caloporteur qui circule dans des séries de tubes, ou encore dans un conduit plat, au contact de ladite surface. L'énergie thermique dont se charge le liquide caloporteur est cédée ensuite, au moyen d'un dchan- geur de chaleur, au fluide à chauffer, qui peut être par exemple de l'eau sanitaire ou l'eau d'une installation de chauffage central d'une habitation ou d'un immeuble. Les inconvénients de ces installations sont bien connus complexité de fabrication et coût élevé du circuit de liquide caloporteur, faible rendement thermique, mauvaise tenue en pression des circuits lors d'une élévation importante de température, nécessitant l'utilisation de soupapes de surpression, difficulté de réalisation de l'échangeur de chaleur. L'échangeur de chaleur peut en effet comprendre un réservoir d'eau à chauffer, formant un ensemble unitaire avec le capteur solaire, et comprenant une paroi bonne conductrice de la chaleur dont une face est en contact avec le liquide caloporteur et dont l'autre face est en contact avec l'eau à chauffer. Dans ce cas, le liquide caloporteur cède très rapidement son énergie thermique à l'eau du réservoir, et celui-ci contient alors de l'eau très chaude en partie supérieure et de l'eau froide en partie inférieure. L'échangeur de chaleur peut encore être formé d'un:rdservoir ou ballon d'eau å chauffer, contenant un ou des serpentins dans lesquels circule le liquide caloporteur sortant du capteur solaire. Dans ce cas, l'échauffement de l'eau du réservoir est d'une part lent, et d'autre part très faible pour un degré faible d'ensoleillement. L'invention a pour but une; installation de chauffage solaire permettant d'éviter, de façon simple, efficace et économique, les inconvénients précités de la technique antérieure. Elle propose à cet effet une installation de chauffage soldaire du type précité, comprenant un capteur solaire à circulation d'un liquide caloporteur et un échangeur de chaleur relié, d'une part, au capteur et, d'autre part, à un circuit de fluide à chauffer, caractérisée en ce que l'installation comprend un vase d'expansion formé par un cylindre à extrémité supérieure fermée et à extrémité inférieure communiquant avec le circuit de liquide caloporteur, ce cylindre contenant un volume de fluide compressible, tel que de l'air, dans sa partie supérieure et étant disposé à l'intérieur de l'échangeur de chaleur, dans un tube cylindrique parcouru par le liquide caloporteur. Le vase d'expansion permet d'absorber les variations de volume d'un liquide caloporteur à coefficient de dilatation thermique élevé au moyen duquel l'installation peut fonctionner par circulation naturelle, donc sans utilisa tion d'une pompe ou d'un autre moyen quelconque de mise en circulation du liquide caloporteur et donc sans consommation d'énergie. De plus, à I'intérieur de l'échangeur de chaleur, le liquide caloporteur circule autour du vase d'expansion dans un espace annulaire cylindrique dont l'épaisseur peut être faible, ce qui permet d'augmenter la surface d'échange thermique entre le liquide caloporteur et le fluide à chauffer et donc d'obtenir un chauffage rapide de ce fluide. En outre, la présence du vase d'expansion permet de résoudre les problèmes de tenue en pression des circuits, de façon simple et particulièrement fiable. La partie de l'échangeur de chaleur contenant le fluide à chauffer, par exemple de l'eau, peut être elle-même de forme cylindrique, ce qui permet de réaliser un réservoir ou ballon d'eau chaude au moindre coût. Selon une autre caractéristique de l'invention, le tube cylindrique dans lequel circule le liquide caloporteur autour du vase d'expansion est entouré partiellement d'une couche de matériau thermiquement isolant, disposée de telle sorte que la surface d'échange thermique entre le lirniide caloporteur circulant dans ce tube et le fluide à chauffer se trouvant à l'extérieur du tube, augmente progressivement entre l'entrée et la sortie du liquide caloporteur dans le tube. On obtient ainsi un échauffement plus homogène du fluide (tel que de l'eau) se trouvant dans l'échangeur de chaleur et on peut régler à une valeur optimale le gradient de température du fluide dans l'échangeur, pour obtenir par exemple, dans le cas de l'eau chaude sanitaire, une température d'eau d'environ 500C en partie supérieure de l'échangeur ou ballon d'eau chaude, ce qui réduit les pertes thermiques pendant les périodes de non-utilisation d'eau chaude et évite les risques de brûlure à la sortie des robinets, et une température supérieure à 200C en partie inférieure du ballon. Selon encore d'autres caractéristiques de l'invention, le liquide caloporteur sert de corps noir absorbant l'énergie thermique du rayonnement solaire et son circuit est défini, dans le capteur solaire, par un espace d'épaisseur relativement faible entre deux plaques parallèles dont l'une est transparente au rayonnement solaire et dont l'autre est opaque et associée à un revêtement extérieur thermique ment isolant. On obtient ainsi un capteur solaire dont la structure est particulièrement simple et peu coûteuse à réaliser. l Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique en coupe verticale d'une installation de chauffage solaire selon l'invention; - les figures 2 et 3 représentent schématiquement deux variantes de réalisation du capteur solaire. L'installation représentée en figure 1 comprend un capteur soldaire, désigné par la référence 10, et un échangeur de chaleur 12, tel qu'un ballon d'eau chaude sanitaire. Le capteur solaire 10 est par exemple de forme parallélépi pédique rectangulaire et comprend une face avant 13, exposée au rayonnement solaire, qui peut être une plaque de verre trempé, une plaque intermédiaire 14 qui peut être transparente au rayonnement solaire ou bien former une paroi absorbant l'énergie thermique du rayonnement solaire, et qui est séparée de la face avant 13 par une couche d'air, et une face arrière 16, qui peut être une plaque métallique, parallèle aux plaques 13 et 14 et qui définit avec la plaque 14 un conduit plat 18 de faible épaisseur dans lequel circule le liquide caloporteur. La plaque arrière 16 est revêtue sur sa face extérieure d'une couche 20 de matière thermiquement isolante. La partie supérieure du conduit plat 18 du capteur est reliée, par exemple par un collecteur de sortie 22, à l'extrémité supérieure d'un tube métallique 24, de forme cylindrique, qui est placé à l'intérieur du ballon d'eau chaude 12 et qui s'étend sur sensiblement toute la hauteur de celui-ci. L'extrémité inférieure du tube métallique 24 est reliée par un collecteur d'alimentation 26 à la partie inférieure du conduit plat 18 du capteur solaire 10. A l'intérieur du tube métallique 24 se trouve un cylindre 28, par exemple en métalou en matière plastique, dont l'extrémité supérieure 30 est fermée et dont l'extrémité inférieure communique avec le volume interne du tube 24. La partie supérieure du cylindre 28 est remplie d'un fluide compressible, par exemple de l'air, tandis que sa partie inférieure est remplie par le liquide caloporteur circulant dans le tube cylindrique 24. Le cylindre 28 joue ainsi le râle d'un vase d'expansion, comme on le verra dans ce qui suit. La paroi du tube métallique 24, qui forme la surface d'échange thermique entre le liquide caloporteur circulant dans le tube et l'eau se trouvant à l'extérieur de ce tube dans le ballon 12, est garnie extérieurement d'anneaux 32 de matière thermiquement isolante, qui ont pour but de réduire l'échange thermique entre le liquide caloporteur et l'eau du ballon dans la partie supérieure du tube 24. A cet effet, la distance entre deux anneaux successifs 32 de matière thermiquement isolante augmente progressivement de l'extrémité supérieure à l'extrémité inférieure du tube 24. D'une autre façon, les anneaux 32 pourraient être remplacés par un fourreau ou une gaine cylindrique perforé de matière thermiquement isolante, les dimensions des orifices de ce fourreau ou de cette gaine augmentant pro gressivement de son extrémité supérieure à son extrémité inférieure. Le ballon d'eau chaude 12 est lui-même, avantageusement, de forme cylindrique et entoure coaxialement le tube 24 dans lequel circule le liquide caloporteur. De façon classique, ce ballon 12 comprend une tubulure 34 d'amenée d'eau froide dans sa partie inférieure, et une tubulure 36 de sortie d'eau chaude dans sa partie supérieure. Le capteur solaire et le ballon d'eau chaude peuvent former un ensemble compact et unitaire, ou bien être séparés l'un de l'autre, ce qui permet alors de les placer par exemple de chaque côté d'un mur, le capteur à l'extérieur et le ballon d'eau chaude à l'intérieur. De préférence, les collecteurs 22 et 26 du circuit du liquide caloporteur et le ballon d'eau chaude 12 peuvent être thermiquement isolés, comme représenté schématiquement en figure 1. On notera également que les extrémités des collecteurs 20 et 26 servent au maintien et à la fixation étanche des plaques 13, 14 et 16. L'installation de chauffage qui vient d'être décrite est avantageusement à circulation naturelle de liquide caloporteur et le circuit de ce liquide est conçu de façon à ce que la section transversale de passage du liquide soit sensiblement constante en tout point du circuit. Le liquide caloporteur est un liquide à coefficient de dilatation thermique relativement élevé, et peut contenir des particules de matière ayant une capacité d'absorption thermique relativement élevée, par exemple du carbone, pour servir lui-même de corps noir. Cette installation de chauffage solaire fonctionne de façon suivante La faible quantité de liquide caloporteur se trouvant dans le conduit plat 18 du capteur solaire 10 est chauffée par le rayonnement solaire et voit sa température augmenter rapidement de façon relativement importante. Ce liquide circule par convection naturelle et sort du capteur 10 par le collecteur de sortie 22, circule à l'intérieur du tube métallique 24 placé dans le ballon d'eau chaude 12 et cède son énergie thermique à l'eau contenue dans ce ballon, les anneaux 32 ou analogues de matière thermiquement isolante prévus sur la surface extérieure du tube métallique 24 permettant de contrôler le gradient de température de l'eau sur la hauteur du ballon 12. Le liquide caloporteur froid sortant du tube métallique 24 est ramené au capteur solaire 10 par le collecteur d'alimentation 26. Le vase d'expansion 28 placé à l'intérieur du tube 24 permet d'absorber, par compression du fluide. ou de l'air qu'il contient, l'augmentation de volume du liquide caloporteur provoquée par son augmentation de température, ainsi que la pression due à la colonne de liquide correspondant à la hauteur du circuit du liquide caloporteur. L'épaisseur de l'espace interne 18 du capteur 10, dans lequel circule le liquide caloporteur, et celle de l'espace annulaire cylindrique formé entre le vase d'expansion 28 et le tube métallique 24 sont relativement faibles et de l'ordre de 1 mm par exemple. On obtient ainsi un échauffement rapide et important du liquide caloporteur dans le capteur solaire 10, ainsi qt'un échauffement maximal de l'eau dans le ballon 12. Le ballon d'eau chaude 12 peut avoir un volume important et est alors associé à une batterie de capteurs solaires 10 raccordés en parallèle à un ou à plusieurs tubes 24 placés à l'intérieur du ballon d'eau chaude, par exemple dans le cas d'une habitation collective. On se réfère maintenant aux figures 2 et 3 représentant des variantes de réalisation du capteur solaire. En figure 2, le conduit plat 18 dans lequel circule le liquide caloporteur est un tube plat dont les extrémités sont reliées directement aux collecteurs 22 et 26. La plaque avant 13 est montée sur la face avant du conduit plat 18, par exemple au moyen d'un cadre 40 et est formée d'une plaque de verre trempé, séparée du conduit 18 par une couche d'air. Le capteur, sauf sur sa face avant 13 exposée au rayonnement solaire, est entouré de matière thermiquement isolante. En figure 3, le conduit plat 18 dans lequel circule le liquide caloporteur est défini entre deux plaques parallèles 14 et 16, qui peuvent être des plaques de verre, séparées de l'extérieur par des plaques de verre trempé13 et et 13a respectivement, déterminant une couche d'air avec les plaques 14 et 16. Si leiliquide caloporteur forme corps noir, les plaques 14 et 16 peuvent être transparentes au rayonnement solaire. Sinon, la plaque 16 est opaque au rayonnement solaire et forme un corps noir. Comme en figure 1, les plaques 13, 14, 16 et 13a sont maintenues et fixées de façon étanche sur les extrémités des collecteurs 22 et 26. Diverses modifications peuvent être apportées à l'installation qui vient d'être décrite, sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, la séparation gaz-liquide à l'intérieur du vase d'expansion peut être assurée par une membrane élastiquement déformable ou par un piston libre. Un clapet anti-retour est avantageusement prévu en un point quelconque du circuit du liquide caloporteur, pour éviter la circulation en sens contraire de ce liquide la nuit ou en l'absence de rayonnement solaire, ce clapet comprenant par exemple un anneau monté en oblique dans un conduit du circuit du liquide caloporteur, et un obturateur formé par un disque très mince de matière plastique souple posé sur la face aval de l'anneau et fixé en un point à celui-ci, de telle sorte que le passage du liquide à travers l'anneau se fait sans perte de charge dans un sens, et est interdit dans l'autre sens. Une installation de chauffage solaire selon l'invention a un rendement thermique très nettement supérieur à celui des installations concurrentes disponibles actuéllement sur le marché, et peut fonctionner dans des conditions d'ensoleillement faible (d partir de quelques Watt/m2) pour le chauffage ou le pré-chauffage d'eau sanitaire ou de chauffage central par exemple. Revendications. 1. Installation de chauffage solaire, comprenantuncapteur solaire (10) à circulation d'un liquide caloporteur et un échangeur de chaleur (12) relié, d'une part, au capteur (10) et, d'autre part, à un circuit de fluide à chauffer, caractérisée en ce que.ladite installation comprend un vase d'expansion formé par un cylindre (28) à extrémité supérieure (30) fermée et à éxtrémité inférieure communiquant avec le circuit de liquide caloporteur, ce cylindre (282 contenant un volume de fluide compressible, tel que de l'air, dans sa partie supérieure et étant disposé à l'intérieur de l'échangeur de chaleur dans un tube cylindrique (24) parcouru par le liquide caloporteur. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le tube cylindrique (24) est entouré partiellement d'une couche (32) de matériau thermiquement isolant, disposée de telle sorte que la surface d'échange thermique du tube entre le liquide caloporteur circulant dans le tube et le fluide à chauffer se trouvant à l'extérieur du tube, augmente progressivement entre l'entrée et la sortie du liquide caloporteur dans le tube (24). 3. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur (12) comprend un ballon d'eau chaude, de forme cylindrique, coaxial au cylindre (28) du vase d'expansion et au tube (24) de circulation de liquide caloporteur, et pourvu d'une alimentation (34) en eau froide à sa partie inférieure et d'une sortie (36) d'eau chaude à sa partie supérieure. 4. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le circuit du liquide caloporteur est défini, dans le capteur solaire (10), par une espace (18) d'épaisseur relativement faible entre deux plaques parallèles dont l'une (14) est transparente ou opaque au rayonnement solaire et dont l'autre (16) est opaque et est pourvue d'un revêtement extérieur (20) thermiquement isolant. 5. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le liquide caloporteur sert de corps noir et comprend par exemple des particules de matière à grande capacité d'absorption thermique, telle que du carbone. 6. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est du type à circulation ou convection naturelle. 7. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur (12) est associé à plusieurs capteurs soIaires (10) raccordés en parallèle à un ou plusieurs tubes (24) placés à l'intérieur de l'échangeur.