Brevet FR2614091A1 — publié le 19881021

Procédé de chauffage des locaux mettant en oeuvre l'accumulation thermique et appareil pour sa mise en oeuvre. La présente invention concerne le chauffage de locaux par des accumulateurs-convecteurs thermiques individuels. L'accumulation thermique est une technique connue qui est essentiellement utilisée pour stocker de l'énergie calorifique produite par un générateur fonctionnant.à l'électricité pendant les heures dites "creuses" pendant lesquelles le courant est fourni à un tarif préférentiel. Dans l'application actuelle les systèmes connus utilisent un accumulateur à eau chaude ou fluide thermique qui, lorsqu'il fonctionne en fournisseur de calories, réchauffe, en général par l'intermédiaire d'un échangeur, un fluide caloporteur lequel est envoyé dans des radiateurs par un réseau de canalisations. Dans l'application pour le chauffage des locaux, on connait des appareils à accumulation constitués par une masse ayant une capacité calorifique adéquate pour le volume à chauffer, masse qui est chauffée par des résistances électriques pendant la période d'accumulation et qui restitue les calories à l'air amené à circuler à son contact, soit par convection naturelle, soit par circulation forcée, le flux d'air réchauffé étant dispersé dans l'ambiance. Dans la technique de l'accumulation thermique il est nécessaire, pour réduire le volume et la masse de l'accumulateur thermique et également pour obtenir le meilleur rendement global possible de l'échange générateur-accumulateur, d'avoir un écart de température maximum entre la température de l'accumulateur en fin de période d'accumulation et la température minimale en fin de période de restitution. I1 en résulte que, pendant la période de restitution, l'accumulateur thermique va d'abord fournir des calories à haute température, cette température décroissant par la suite en tendant à s'égaliser avec celle de l'ambiance.Pour réaliser l'uniformité des apports thermiques horaires de l'accumulateur à l'ambiance du local, on fait parfois varier, dans le cas d'une circulation d'échange forcée, le débit d'air venant en contact d'échange thermique avec l'accumulateur thermique de façon à injecter d'abord dans l'ambiance du local un petit débit d'air à haute température puis un débit croissant à une température décroissante. Un chauffage donnant un confort satisfaisant et assuré par injection dans le local d'un flux d'air frais ou recyclé, ne peut être obtenu que si la vitesse du flux d'air injecté reste faible pour assurer une diffusion progressive dans l'air ambiant et éviter l'apparition de zones à températures différentes. Pour assurer un apport thermique horaire suffisant dans l'ambiance du local, il faut que cette faible vitesse s'accompagne d'un débit important donc constant pendant toute la période de restitution de l'énergie thermique accumulée. Ce but est atteint, conformément à l'invention, avec un procédé de chauffage des locaux mettant en oeuvre un dispositif d'accumulation d'énergie thermique dans lequel la restitution de l'énergie thermique accumulée est assurée par échange entre la masse d'accumulation et un flux d'air canalisé circulant au contact de celle-ci, caractérisé en ce qu'on mélange le flux d'air canalisé réchauffé avec un flux d'air à une température voisine de la température recherchée pour l'ambiance dans une proportion relative des deux flux telle que la température du flux résultant injecté dans le local soit maintenue à l'intérieur d'une gamme de température déterminée nonobstant la variation de la température de l'accumulateur. Dans le procédé conforme à l'invention la régulation de la température du local peut être effectuée, sous le contrôle d'un détecteur de ladite température dudit local, soit en procédant, de la manière classique, à une injection périodique d'un flux résultant émis par l'appareil de climatisation avec débit et température quasi-constants, soit en procédant à une injection continue d'un flux résultant de débit quasi-constant mais à température variable en fonction de la différence entre la température actuelle et la température recherchée du local, la température du flux résultant étant réglée dans les deux cas par contrôle de la proportion relative des deux flux en fonction de la température du local. La présente invention a également pour objet un appareil pour la mise en oeuvre du procédé de chauffage ci-dessus comportant une enceinte, une capacité de stockage de l'énergie thermique logee dans cette enceinte et des moyens de génération d'un flux d'air circulant dans ladite enceinte en contact d'échange thermique avec ladite capacité de stockage, ledit flux d'air étant ensuite dispersé dans le local par au moins un orifice de diffusion prévu dans ladite enceinte, l'appareil étant caractérisé en ce qu'il comporte, outre un circuit principal dans lequel un flux d'air circule en contact d'échange thermique avec la capacité de stockage, un second circuit de dérivation dans lequel circule un flux d'air sensiblement isolé thermiquement de la capacité de stockage, les deux circuits se réunissant en un seul en aval de l'échangeur et en amont de l'orifice de diffusion prévu dans la paroi de l'enceinte et un organe de contrôle du rapport des débits dans les deux circuits. De préférence l'organe de contrôle est asservi à un détecteur de la température de la capacité de stockage ou du flux d'air en aval de cette capacité et en amont de l'orifice de diffusion. Selon un mode de réalisation préférentiel, l'appareil comporte un ventilateur de propulsion des flux d'air à travers les deux circuits. Dans ce cas, le sens de circulation des flux d'air dans l'appareil peut être ascendant ou descendant. Un sens de circulation descendant, c'est-å-dire en sens inverse de la convection naturelle, peut aussi permettre une dispersion du flux résultant d'air chaud par sortie horizontale à proximité du sol. Lorsque l'on ne dispose pas d'une source d'alimentation pour le ventilateur à proximité de l'emplacement d'utilisation, il est possible d'utiliser les mouvements de convection naturels de l'air dans les circuits de l'appareil de climatisation, la vitesse du flux d'air dans le circuit principal étant utilisée dans un éjecteur pour accélérer le flux dans le circuit de dérivation. Dans ce cas également le réglage du rapport des débits peut être assuré par des volets d'étranglement commandés manuellement par un organe à dilatation placé dans le flux d'air de sortie. On réalise ainsi un appareil susceptible de fonctionner sans nécessiter aucune alimentation de puissance pour assurer la distribution. La capacité de stockage thermique peut être d'un type quelconque connu en un matériau présentant une capacité calorifique massique élevée, par exemple en réfractaire ou un métal avec ou sans canaux internes de passage d'air, en un liquide contenu dans un réservoir avec ou sans ailettes ou canaux de circulation de l'air ou en une substance à changement d'état dans la gamme des températures mises en oeuvre, ou une combinaison de ces substances. Pour obtenir un meilleur coefficient de transfert calorifique entre la masse constituant la capacité de stockage et l'air, grâce notam ment à une homogénéisation de la température dans la masse, on utilise de préférence un réservoir contenant un liquide ou une substance présentant une phase liquide dans lequel l'homogénéité de la température est assurée par les courants de convection. Dans la pratique, on utilise de préférence de l'eau avec un réservoir constitué par un métal bon conducteur calorifique tel qu'alliage d'aluminium ou acier inoxydable,l'eau étant traitée pour ne pas attaquer le métal constitutif du réservoir. Selon un mode de réalisation préférentiel, des résistances électriques, sous forme de thermoplongeurs, sont immergées dans la masse de liquide remplissant le réservoir constituant la capacité de stockage. Dans certains cas particuliers, notamment lorsque la nature des locaux à chauffer interdit la présence dans le local d'un réseau électrique ou lorsqu'on dispose à proximité du local d'une source de calories à haute température plus économique que l'énergie électrique, l'appareil peut être dépourvu de moyens propres de production d'énergie thermique et être muni de moyens de raccordement pour l'alimentation en liquide chaud du réservoir de stockage ou pour la circulation en contact d'échange thermique avec la masse de stockage d'un fluide caloporteur.Eventuellement la capacité de stockage peut être amovible et interchangeable, ce qui permet, en combinaison avec une chambre de stockage isotherme dans laquelle sont placées des capacités de recharge, d'obtenir avec un même appareil des capacités de climatisation adaptables aux besoins en variant la fréquence d'échange des recharges. Un même appareil peut comporter une pluralité de capacités de stockage fixes ou amovibles lesquelles sont de préférence réu- nies par des ponts thermiques. Selon un mode de réalisation préférentiel l'appareil comporte, dans un carter formant son enveloppe, un premier circuit principal de circulation d'un flux d'air comportant une chambre dans laquelle est logée, en étant de préférence isolée thermiquement des parois, la capacité thermique de stockage de calories et un second circuit de dérivation interposé entre le premier circuit principal qu'il entoure complètement et le carter de l'appareil. Cette disposition évite les échanges thermiques directs entre la capacité thermique de stockage ou le flux d'air du premier circuit et l'ambiance, échanges thermiques qui seraient incontrôlables et qui perturberaient par convection le fonctionnement lorsque la capacité de stockage est à sa température la plus élevée, respectivement la plus basse. De préférence les parois séparatrices entre le premier circuit principal et le second circuit de dérivation sont en un matériau mauvais conducteur de la chaleur mais, lorsque le contrôle du débit calorifique de l'appareil est asservi à la température du flux d'air global de sortie, l'échange thermique entre les deux circuits n'influe sensiblement pas sur le fonctionnement d'ensemble de l'appareil. Le contrôle de la répartition des flux d'air entre le premier et le second circuits est, selon un mode de réalisation préférentiel, réalisé par des volets d'étranglement des passages accouplés mécaniquement pour se fermer progressivement dans l'un des circuits lorsqu'ils s'ouvrent dans l'autre circuit. Ces volets pourraient être commandés manuellement mais ils sont de préférence entrainés par un servo-moteur reversible asservi à la température du flux d'air global en sortie. On décrira plus en détail ci-après deux exemples de réalisation d'un appareil de chauffage à accumulation conforme à l'invention avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est une vue en coupe verticale transversale d'un premier mode de réalisation de l'appareil par I-I de figure 2; la figure 2 une vue en coupe verticale lon gitudinale par II-II de figure 1, la figure 3 est une vue correspondant à la figure 1 et la figure 4 est une vue correspondant à la figure 2 pour un deuxième mode de réalisation de l'invention et la figure 5 est une vue de détail de la commande des volets de répartition des flux. Les figures 1 et 2 représentent un appareil de chauffage à accumulation suivant l'invention ayant une capacité de stockage calorifique importante. Cet appareil comporte quatre réservoirs modulaires 1 remplis d'un fluide 2 destinés à stocker de l'énergie thermique fournie par des thermoplongeurs 3. Un ventilateur 4 propulse l'air sur les réservoirs 2 de manière à ce que cet air se réchauffe au contact de ces réservoirs, le ou les ventilateurs peuvent être des types soufflants ou aspirants. L'air est aspiré à la base de l'appareil par un orifice 5 muni d'une grille 6 et d'un filtre 7. I1 est insufflé dans les locaux par un orifice de soufflage 9 muni d'une grille 10 et situe au sommet du carter 8 de l'appareil. Conformément à l'invention, le circuit de ventilation d'air, réalisé à l'intérieur du carter 8,est divisé en deux. Il comporte un circuit principal 11 dans lequel le flux d'air passe au contact des réservoirs 1 et un circuit dérivé 12 dans lequel le flux d'air est sensiblement isolé thermiquement de ces réservoirs. Les deux circuits 11 et 12 sont en parallèle l'un de l'autre entre le ventilateur 4 et l'orifice de soufflage 9. Pour faire varier le rapport des débits des flux d'air circulant dans les deux circuits il et 12, au moins le circuit principal il est muni de volets orientables 13 susceptibles d'obstruer de manière réglable son entrée. L'orientation de ces volets 13 est de préférence contrôlée par l'intermédiaire d'une tringlerie 24 depuis un servo-moteur 14 asservi à un thermostat 23 monté dans le carter au voisinage de l'orifice de sortie 9. Le circuit dérivé est isolé du circuit principal par des plaques séparatrices 15 qui, de préférence, constituent une enveloppe isolante s'opposant au transfert calorifique direct par convection naturelle entre les réservoirs et l'ambiance. Ces plaques délimitent, sur toute la périphérie de l'appareil, entre elles et le carter 8, des lames d'air constituant le circuit de dérivation 12,lames d'air qui, en l'absence de ventilation, contribuent également à limiter les fuites calorifiques par convection, les calories transmises à l'air stagnant dans le circuit de dérivation 12 étant, lors de la reprise de la ventilation, incorporées dans le flux global atteignant l'orifice 9 et participant à la formation de la température de sortie qui contrôle le degré d'ouverture des volets 13. L'appareil décrit et représenté à titre d'exemple illustratif de l'invention dans les figures 1 et 2 comporte quatre réservoirs 1 parallélépipèdiques placés côte à côte symétriquement par rapport aux plans de symétrie transversal et longitudinal du dispositif. Les réservoirs 1 sont espacés les uns des autres de manière à ménager entre eux des passages de circulation constituant le circuit principal 11. L'épaisseur de ces passages est par exemple de l'ordre de 2-3cm et les réservoirs peuvent être solidarisés entre eux par des entretoises 16 réalisées de préférence en un matériau bon conducteur de la chaleur de manière à constituer des ponts thermiques entre les différents réservoirs afin d'équilibrer les températures des fluides qu'ils contiennent. Ces entretoises 16 peuvent également former des ailettes d'échange thermique avec le flux d'air du circuit principal 11. L'appareil comporte en outre un ensemble de moyens d'asservissement, notamment un coffret de régulation 17 asservi à une sonde de température extérieure 18. On peut également prévoir une sonde 19 détectant la température à l'intérieur des réservoirs pour assurer, en coopération avec le thermostat 23 et en fonction du programme de chauffage désiré, la commande d'ouverture des volets 13 ou pour commander la mise en ou hors circuit des thermoplongeurs 3. Par ailleurs, dans le cas où l'appareil est branché en permanence sur un circuit électrique ne comportant pas d'horloge tarifaire le coffret 17 peut comporter une horloge prévilégiant ou n'autorisant la recharge thermique que pendant les heures à tarif réduit. De manière à pallier les phénomènes de dilatation qui se produisent au cours du cycle thermique du fluide, les réservoirs sont reliés, en parallèle, avec un ballon d'expansion 20 par l'intermédiaire de conduites 21. De préférence le circuit fluide incluant les réservoirs 1 et le ballon d'expansion 20 est du type fermé. On évite ainsi tous les phénomènes d'évaporation, le ballon d'expansion assurant le maintien du fonctionnement à basse pression de l'appareil. Cependant, dans une version plus rustique, on peut envisager de laisser le circuit fluide à l'air. De préférence les réservoirs sont remplis avec de l'eau traitée et sont constitués par des modules parallélépipèdiques de dimensions 1000 x 250 x 800 mm par exemple ayant chacun une contenance de deux cents litres. La forme parallélépipèdique est préférentielle car, pour un encombrement et un volume de liquide donnés, elle assure la plus grande surface d'échange thermique entre la capacité de stockage et l'air ventilé tout en évitant les systèmes tels que les tubes d'échange thermique, la surface d'échange étant suffisante pour restituer la totalité des calories emmagasinées pendant la durée d'utilisation normale.Avec une vitesse du flux d'air de l'ordre de quatre mètres par seconde, un débit d'air à pression atmosphérique de 2100 mètres cubes par heure, et une gamme de température utilisable de l'eau comprise entre 95*C et 30*C, le dispositif assure, pour un appareil à quatre réservoirs, une puissance de chauffage constante de 3700 Kcal/h baissant progressivement en fin de cycle. Les moyens pour répartir le flux d'air débité par le ventilateur 4 entre les deux circuits 11 et 12 et pour mélanger l'air à la sortie de ces deux circuits peuvent être quelconques. En particulier le ou les ventilateurs utilisés peuvent être carénés et déboucher dans une boîte telle que 22 en communication par des ouvertures, de surface contrôlée par les volets 13, avec l'entrée des deux circuits. Le mélange de l'air réchauffé dans le circuit principal et de l'air dérivé s' effectue simplement au sommet du carter et lors du passage des deux flux d'air à travers l'orifice de soufflage 9. Dans les figures 3 et 4 on a représenté un appareil d'encombrement réduit et de puissance calorifique également réduite ne comportant qu'un seul réservoir de stockage 1. Dans ces deux figures les mêmes éléments que dans les figures 1 et 2 sont désignés par les mêmes références et ils ne seront pas décrits plus en détail. Dans la figure 5 on a représenté plus en détail la commande de pivotement des volets 13 contrôlant le débit du flux d'air passant dans le circuit principal 11 depuis le servo-moteur 14 et également de volets 25 contrôlant le débit du flux d'air dans le circuit dérivé 12. Dans cette figure les volets 13 et 25 ont été représentés en traits pleins, ainsi que la tringlerie de commande 24, dans la position correspondant au flux maximal envoyé dans le circuit principal 11, c'est-à-dire en fin d'opération de déstockage et en traits mixtes dans la position de fermeture du circuit principal. Les volets 13 sont articulés en 26 par exemple par des bouts d'axe prolongeant leur bord inférieur et montés pivotants dans les parois 15 transversales. Le mouvement de pivotement en synchronisme de tous les volets 13 est assuré par une biellette latérale 27 articulée en 28 sur les volets. L'un des volets est solidaire d'une manivelle 29 reliée par une biellette 30 à l'extrémité de la manivelle 31 calée sur l'arbre Su servoioteur 14. Les volets 25 sont articulés en 32 le long du bord inférieur des parois 15 et leur basculement est commandé par exemple par une biellette 33 articulée également à l'extrémité de la biellette 30. La transmission du mouvement entre les volets 25 à 45 est assurée par des bouts de câbles souples travaillant à la torsion. Le meme -Jstème pourrait s'appliquer éventuellement pour stocker des frigories assurant la climatisation des locaux en substituant au réservoir à calories une capacité susceptible de stocker des frigories telle qu un réservoir à eutectique. Revendications 1. Un procédé de chauffage des locaux mettant en oeuvre un dispositif d'accumulation d'énergie thermique dans lequel la restitution de l'énergie thermique accumulée est assurée par échange entre la masse d'accumulation et un flux d'air canalisé circulant au contact de celle-ci, caractérisé en ce qu'on mélange le flux d'air (11) canalisé réchauffé avec un flux d'air (12) à une température voisine de la tempe rature recherchée pour l'ambiance dans une proportion relative des deux flux telle que la température du flux résultant injecté dans le local soit maintenue à l'intérieur d'une gamme de température déterminée nonobstant la variation de la température de l'accumulateur. 2. Un procédé de chauffage à accumulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la régulation de la température du local est effectuée sous le contrôle d'un détecteur de ladite température dudit local en procédant à une injection périodique d'un flux résultant émis par l'appareil de climatisation avec débit et température quasi-constants, la température du flux résultant étant réglée par contrôle de la proportion relative des deux flux en fonction de la température du local. 3. Un procédé de chauffage à accumulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la régulation de la température du local est effectuée sous le contrôle d'un détecteur de ladite température dudit local en procédant à une injection continue d'un flux résultant de débit quasi-constant mais à température variable en fonction de la différence entre la température actuelle et la température recherchée du local, la température du flux résultant étant réglée par contrôle de la proportion relative des deux flux en fonction de la température du local. 4. Un appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 comportant une enceinte, une capacité de stockage de l'énergie thermique logée dans cette enceinte et des moyens de génération d'un flux d'air circulant dans ladite enceinte en contact d'échange thermique avec ladite capacité de stockage, ledit flux d'air étant ensuite dispersé dans le local par au moins un orifice de diffusion prévu dans ladite enceinte, caractérisé en ce qu'il comporte, outre un circuit principal (11) dans lequel un flux d'air circule en contact d'échange thermique avec la capacité de stockage (1), un second circuit de dérivation (12) dans lequel circule un flux d'air sensiblement isolé thermiquement de la capacité de stockage (1), les deux circuits se réunissant en un seul en aval de l'échangeur (l) et en amont de l'orifice de diffusion (9) prévu dans la paroi (8) de l'enceinte et un organe (13) de contrôle du rapport des débits dans les deux circuits (11-12). 5. Un appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'organe de contrôle (13-14) est asservi à un détecteur (19) de la température de la capacité de stockage 1. 6. Un appareil selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que l'organe de contrôle (13-14) est asservi à un détecteur (23) de la température du flux d'air en aval de la capacité de stockage (1) et en amont de l'orifice de diffusion (9). 7. Un appareil selon l' une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la capacité de stockage thermique est réalisée par au moins un réservoir (1) renfermant une masse de matériau à capacité calorifique massique élevée,au moins une partie de cette masse au contact de la paroi du réservoir étant à l'état liquide. 8. Un appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que la capacité de stockage thermique est constituée par un réservoir (1) en un métal bon conducteur calorifique rempli d'eau traitée. 9. Un appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que des résistances électriques, sous forme de th moplongeurs (5)., sont immergées dans la masse de liquide remplissant le réservoir (1) constituant la capacité de stockage. 10. Un appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce qu'il est dépourvu de moyens propres de produc tion d'énergie thermique et muni de moyens de raccordement pour l'alimentation en liquide chaud du réservoir (1) de stockage ou pour la circulation en contact d'échange thermique avec la masse de stockage d'un fluide caloporteur. 11. Un appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que la-capacité de stockage (1) est amovible et interchangeable. 12. Un appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 11, caractérisé en ce qu il comporte une pluralité de capacités de stockage (1) disposées en parallèle dans le circuit principal (11) et réunies, de préférence, par des ponts thermiques (16). 13. Un appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte dans un carter (8) formant son enveloppe, un premier circuit principal (11) de circulation d'un lux d'air comportant une chambre dans laquelle est logée, en étant de préférence isolée thermiquement des parois, la capacité thermique (1) de stockage de calories et un second circuit de dérivation (12) interposé entre le premier circuit principal (11) qu'il entoure complètement et le carter (8) de l'appareil. 14. Un appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce que les parois séparatrices (15) entre le premier circuit principal (11) et le second circuit de dérivation (12) sont en un matériau mauvais conducteur de la chaleur. 15. Un appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 14, caractérisé en ce que le contrôle de la répartition des flux d'air entre le premier (11) et le second (12) circuits est réalisé par des volets (13-25) d'étranglement des passages accouplés mécaniquement (24) pour se fermer progressivement dans l'un des circuits lorsqu ils s'ouvrent dans l'autre circuit, ces volets étant entrainés par un servo-moteur reversible (14) asservi à la température du flux d'air global en sortie (23).