Brevet FR2623888A1 — publié le 19890602

Installation pour prélever et emmagasiner de la chaleur du milieu ambiant La présente invention concerne une installation destinée à prélever et emmagasiner de la chaleur du milieu ambiant pour le chauffage de bâtiments et qui comprend un absorbeur souterrain se trouvant dans la région des fonda- tions du bâtiment et une pompe à chaleur qui communique avec l'absorbeur souterrain, d'une part, et avec des surfaces de chauffe, d'autre part, par l'intermédiaire de conduits véhiculant un liquide caloporteur et qui sont noyés dans l'absorbeur souterrain. à C. Grace à la demande de brevet allemand publiée 2411308 il est connu une installation de chauffage et de climatisation qui repose sur le principe de la pompe à chaleur et qui a pour but de permettre, en comparaison d'autres installations analogues, de meilleures possibili- tés de réglage notamment en ce qui concerne l'utilisation de la chaleur prélevée à la terre et de l'énergie solaire reçue, sous forme de rayonnement incident, par l'étendue de la toiture du bâtiment. Dans cette réalisation connue il s'agit avec l'aide d'une ou plusieurs pompes à chaleur de prélever, au moyen de conduits enterrés véhiculant du liquide caloporteur, entre autres la chaleur de la terre et à partir de l'étendue de la toiture, au moyen de capteurs ou évaporateurs parcourus par du liquide caloporteur, la chaleur reçue sous forme de rayonnement solaire par la toiture. Ceci a pour inconvénient que pour le prélèvement d'énergie solaire à l'étendue de la toiture sont prévus des organes particuliers techniquement difficiles à installer et coûteux, notamment des capteurs ou évaporateurs. Le prélèvement de l'énergie solaire reçue par la toiture sous forme de rayonnement incident ne peut se faire que par des moyens techniques compliqués au point de vue de l'installa- tion, c'est-à-dire des capteurs et évaporateurs, et ce seu- lement lorsque le besoin en chaleur et le fonctionnement de la pompe à chaleur coincident dans le temps avec le rayon- nement solaire incident. Un prélèvement de chaleur en de- hors du temps de fonctionnement de la pompe à chaleur né- cessite des moyens techniques additionnels, à savoir notam- -5 ment des accumulateurs de chaleur. La combinaison du prélè- vement de chaleur à la terre avec celui à des capteurs mon- tés dans l'aire de la toiture nécessite en outre des dispo- sitifs de commutation compliqués, sujets à des incidents et qui entraînent des dépenses supplémentaires. D'autre part, la combinaison du prélèvement de chaleur à la terre avec celui à partir d'évaporateurs montés dans l'aire de la toiture nécessite non seulement pour la terre une pompe à chaleur spéciale appropriée au fonctionnement avec un liquide caloporteur mais encore une autre pompe à chaleur adaptée au fonctionnement d'évaporateurs et qui entraîne des dépenses supplémentaires. En outre, l'utilisation de l'énergie solaire à mettre en valeur au moyen de capteurs ou évaporateurs et de la pompe à chaleur doit s'effectuer avec du courant de jour coûteux. Il est également connu une installation de chauf- fage par pompe à chaleur avec un absorbeur souterrain (de- mande de brevet allemand publiée 3442569) qui prélève la chaleur à la terre et à l'air extrait du bâtiment; ce prélèvement se fait au moyen de conduits qui, noyés dans du béton, sont montés dans l'absorbeur souterrain et servent à récupérer de la chaleur, entre autres à partir de l'air extrait du bâtiment, et au moyen de conduits qui, également montés, entourés de béton, dans l'absorbeur souterrain, communiquent avec une pompe à chaleur et véhiculent du li- quide caloporteur afin de prélever de la chaleur à l'absor- beur souterrain. Ceci a pour inconvénient que la récupéra- tion de chaleur à partir de l'air extrait du bâtiment ne peut couvrir qu'une partie relativement faible, à savoir de l'ordre de 60%, du besoin en énergie, prélevée au milieu environnant, du chauffage par pompe à chaleur. Ainsi, pour que le chauffage par pompe à chaleur puisse suffire à lui seul il faut, soit qu'à l'aide d'une isolation thermique trop importante pour être économiquement justifiée le be- soin en chaleur du bâtiment soit réduit à tel point que la chaleur pouvant être prélevée à l'air extrait du bâtiment et à la terre suffise, soit qu'à l'aide de capteurs coûteux installés à même le sol dans la région de surface libre la part de chaleur prélevée à la terre soit accrue au-delà de la quantité pouvant être prélevée à la terre sous la maison sans risque de gel pour les fondations. Il est en outre désavantageux que les conduits devant être montés, entourés de béton, dans l'absorbeur souterrain pour l'extraction d'air du bâtiment sont coiteux tant au point de vue du projet d'installation qu'à celui de la fabrication. L'invention a pour but de perfectionner une in- stallation du genre défini plus haut de telle manière que moyennant un léger supplément de dépenses et d'appareils techniques à installer il soit amené suffisamment de cha- leur au-delà de celle pouvant être fournie par la terre que des capteurs coûteux additionnels ne soient pas nécessai- res. Ce but est atteint selon l'invention, pour une installation destinée à prélever et emmagasiner de la chaleur du milieu ambiant pour le chauffage du bâtiment et qui comprend un absorbeur souterrain situé dans la région des fondations du bâtiment et une pompe à chaleur qui communique avec l'absorbeur souterrain, d'une part, et avec des surfaces de chauffe, d'autre part, par l'intermédiaire de conduits véhiculant un liquide caloporteur et qui sont noyés dans l'absorbeur souterrain, par le fait que des espaces creux situés dans la structure de la toiture du bâtiment sont en communication par l'intermédiaire d'au moins un conduit d'air avec des espaces creux associés à l'absorbeur souterrain. Grâce à la mise à profit de l'énergie solaire reçue sous forme de rayonnement incident par la surface du toit il est amené à l'absorbeur souterrain, à partir de la structure du toit, de la chaleur si souvent et en quantité telle qu'en combinaison avec la chaleur que l'absorbeur souterrain reçoit à partir de la terre au-dessous de la maison un chauffage exclusivement par pompe à chaleur est possible sans problème même par temps froid ou lorsque le toit est recouvert de neige, le risque de gel pour les 2C fondations étant en même temps supprimé. Une caractéristique avantageuse de l'invention consiste en ce que les espaces creux dans la structure de la toiture sont disposés entre la couverture, par exemple en tuiles, de la toiture et un isolant thermique. Les espaces creux associés à l'absorbeur souter- rain sont avantageusement disposés entre l'absorbeur sou- terrain et la couche en mortier, plâtre ou analogue formant sol et ce, de préférence de telle sorte qu'ils se trouvent entre l'absorbeur souterrain en une couche thermiquement isolante située sous la couche formant sol, la couche isolante pouvant être constituée notamment de plaques thermiquement isolantes qui sont supportées par de petits pieds individuels. Une forme de réalisation avantageuse de l'instal- lation selon l'invention consiste en ce qu'il est monté un organe de déplacement d'air, par exemple un ventilateur, dans le conduit d'air mettant les espaces creux de la toiture en communication avec les espaces creux associés à l'absorbeur souterrain. Ce ventilateur est de préférence susceptible d'être mis en marche et hors d'action par un circuit différenciateur de température en fonction de la différence entre la température régnant dans l'absorbeur souterrain et la température de l'air dans les espaces creux de la structure de la toiture du bâtiment. Selon une autre caractéristique de l'invention l'absorbeur souterrain est réalisé sous forme de dalle de fondation en béton. L'invention est expliquée plus en détail ci-des- sous à l'aide du dessin annexé. Comme le montre la figure unique, la chaleur reçue sous forme de rayonnement incident par la région de la toi- ture d'un bâtiment est amenée à l'absorbeur souterrain 1 du fait que l'air se trouvant dans les espaces creux 6 entre la couverture 9, par exemple en tuiles, de la toiture et l'isolant thermique 10 de la structure du toit et chauffé par le rayonnement solaire incident est aspiré par un moyen de déplacement d'air, à savoir le ventilateur 7, en passant par le conduit 5, et transporté à travers les espaces creux 4 associés à l'absorbeur souterrain 1. L'air entrant dans ces espaces creux 4 cède sa chaleur à l'absorbeur souter- rain 1. Les espaces creux 6 agissent en tant que capteurs à air entre la couverture du toit et l'isolant thermique 10; ils existent de toute manière pratiquement dans tous les types de toitures pour des raisons d'ordre physique rele- vant de la construction, de sorte que ces accumulateurs de chaleur n'ont pas besoin d'être réalisés au moyen d'appa- reils techniques installés spéciaux qui entraînent des dé- penses importantes. Les espaces creux 4 prévus dans l'ab- sorbeur souterrain 1 peuvent être obtenus de manière simple du fait que la couche thermiquement isolante prévue au-des- sus de l'absorbeur souterrain 1 et au-dessous de la couche 12 en mortier, plâtre ou analogue formant sol est posée de préférence sous forme de plaques thermiquement isolantes 14 sur de petits pieds 13 au moyen desquels le sol en plâtre, mortier ou analogue et les plaques thermiquement isolantes 14 placées au- dessous de ce dernier est supporté tandis qu'en même temps, grâce à la disposition de petits pieds individuels, c'est-à-dire des appuis individuels, l'air chauffé et transporté peut librement affluer à l'absorbeur souterrain. A cet égard les petits pieds 13 peuvent déjà être collés ou rapportés aux plaques thermiquement isolan- tes 14 à peu de frais par le fabricant de ces plaques. Cette manière de former les espaces creux 4 assure d'une part des surfaces échangeuses de chaleur suffisamment importantes et d'autre part de très faibles résistances au passage de l'air, permettant ainsi également l'utilisation d'e petits appareils de déplacement d'air 7 qui consomment peu de courant. Le transport de chaleur avec l'air et le stockage de la chaleur de l'air dans l'absorbeur souterrain 1 sont totalement indépendants du fonctionnement et de la commande de la pompe à chaleur; ce déplacement d'air est simplement mis en marche et arrêté au moyen d'un circuit différenciateur de température 8 et est par conséquent sur le plan technique tout aussi simple que peu onéreux. L'absorbeur souterrain 1 est réalisé sous la forme d'une dalle de fondation en béton qui prend la place de se- melles et de fondements en béton normalement nécessaires et n'entraîne par conséquent pas non plus ou très peu de dé- penses additionnelles. La chaleur fournie à l'absorbeur souterrain i à l'aide de l'air chauffé dans la toiture est prélevée, en cas de besoin et de préférence la nuit avec du courant bon marché, à l'"bsorbeur i par la pompe à chaleur 3 par l'intermédiaire de conduits 2 véhiculant un liquide caloporteur et amenée aux surfaces de chauffe ll du bâti- ment. Durant les laps de temps o, en raison de la présence d'une couche de neige ou d'un temps très froid, aucune chaleur ne peut être prélevée au niveau du toit l'absorbeur souterrain 1 prélève à la ter.-e la chaleur nécessaire. Par conséquent, grace à l'invention les structures indispensa- bles et de toute manière présentes dans des bâtiments sont mises à profit pour que la chaleur abondamment produite dans la région de la toiture soiu toujours prélevée et em- magasinée lorsqu'elle est produit leur, selon les besoins et avec un courant de nuit bon mar- ché, à des fins de chauffage. L'énergie solaire reçue par l'aire de la toiture sous forme de rayonnement incident est emmagasinée dans l'absorbeur souterrain 1 et dans la terre 2C contigué à ce dernier en quantité suffisante pour que l'ab- sorbeur souterrain et la terre, en dépit de la chaleur con- tinuellement prélevée par la pompe à chaleur, conservent le niveau de température de la terre envirconnante non chauf- fée. Ainsi la chaleur emmagasinée ne risue pas non plus, faute de gradient de température, de se Cissiper dans la terre environnante et est disponible de:açon à pouvoir être prélevée à tout moment par la pompe à chaleur. Le fait pour l'énergie solaire reçue sous forme de rayonnement incident par le toit d'un bâtiment d'être, à l'aide d'air servant de caloporteur, emmagasinée dans un absorbeur souterrain et dans la terre contigué à ce dernier sous le bâtiment, comme cela se fait selon la présente invention, n'exige de manière surprenante pas de très gros débits volumes pour le transport de la chaleur ni des conduits encombrants et coûteux en raison de leur section importante, notamment parce que le transport de chaleur s'effectue à des températures d'air relativement élevées. Sous ce rapport il convient de tenir compte du fait que par exemple en Europe centrale durant les mois d'octobre à avril l'énergie solaire reçue sous forme de rayonnement incident par l'aire du toit d'une maison est égale à environ 150 % de l'énergie du milieu ambiant dont un chauffage par pompe à chaleur utilisé à lui seul a besoin pour une maison à deux étages thermiquement isolée conformément à la réglementation allemande en matière d'isolation thermique. Par prélèvement de chaleur à la terre sous une teile maison peuvent être couverts environ % des besoins en énergie du milieu ambiant à des fins de chauffage. Ainsi l'installation selon l'invention permet de disposer de beaucoup plus d'énergie du milieu ambiant que celle effectivement utilisée. Un autre avantage réside en ce que la faculté de stockage de chaleur de l'absorbeur souterrain et de la terre entourant celui-ci est si importante qu'elle permet, conjointement avec la surabondance de chaleur disponible à partir du toit, de choisir pour le stockage d'énergie so- laire dans l'absorbeur souterrain et dans la terre avoisi- nante les jours et les semaines durant lesquels de la chaleur peut être transportée du toit dans l'absorbeur souterrain avec de l'air en faible quantité mais qui est d'autant plus chaud. Il est ainsi possible de prévoir des conduits à faible section qui ne nuisent pas au plan d'une maison et également de petits ventilateurs peu coûteux et ne consom- mant que peu de courant. En comparaison de systèmes analogues (demande de brevet allemand publiée n 2411308) l'avantage de l'instal- lation selon l'invention réside en ce que les moyenstechni- ques et les coûts qu'entraine l'installation selon l'inven- tion ne représentent plus qu'une fraction de ceux de ces systèmes antérieurs et que l'énergie solaire reçue sous forme de rayonnement incident par la région de la toiture peut être utilisée à tout moment, même lorsque la pompe à chaleur ne fonctionne pas, par emmagasinage dans l'absor- beur souterrain et dans la terre environnant celui-ci. En outre, on obtient l'avantage que l'utilisation de l'énergie solaire produite le jour se réalise avec la pompe à chaleur la nuit avec du courant bon marché. En comparaison du chauffage par pompe à chaleur connu (demande de brevet allemand publiée n0 3442569) l'avantage obtenu selon l'invention consiste en ce que l'alimentation, au total à peine suffisante dans cette installation connue, en chaleur du milieu ambiant prélevée à la terre (environ les deux tiers) et à l'air extrait du bâtiment (environ un tiers) se trouve tout particulièrement améliorée par la mise à disposition de l'énergie solaire 2o reçue sous forme de rayonnement incident par la région de la toiture du bâtiment, car l'énergie solaire reçue sous forme de rayonnement incident par la région de la toiture d'un bâtiment durant la période de chauffage représente une fois et demie le besoin total, en énergie du milieu ambi- ant, d'un chauffage par pompe à chaleur pour une période de chauffage entière. Ainsi la réserve de chaleur de la terre sous la maison, qui est suffisante pour couvrir environ 60 % du besoin annuel, en énergie du milieu ambiant, d'un chauffage autonome par pompe à chaleur, n'est plus mise à contribution que durant les intervalles de temps o il y a manque de chaleur prélevée à la toiture, ce qui suffit lar- gement à combler ce manque. Il faut en outre tenir compte du fait que chaque refroidissement de l'absorbeur souter- rain par suite d'un prélèvement de chaleur déclenche à l'aide du commutateur différenciateur de température un apport de chaleur d'autant plus prompt à partir du toit tous les jours ensoleillés relativement chauds & l'intéri- eur d'une période de chauffage. De plus, l'énergie excéden- taire ainsi disponible n'est aucunement inutile mais élève la température de la source chaude et, par suite, le coef- ficient de performance de la pompe à chaleur et permet en outre d'utiliser des pompes à chaleur plus petites et meilleur marché. Les quantités d'énergie disponibles en surabondan- ce à partir du toit, associées aux réserves de chaleur de la terre sous la maison pour des périodes de manque de chaleur à partir du toit, permettent, en tirant profit dans une large mesure de données constructives de la maison, avec des moyens techniques d'installation très limités et à très peu de frais, conjointement avec la mise à profit de cette énergie, rendue possible par le stockage intermédiai- re de l'énergie solaire dans l'absorbeur souterrain et dans la terre adjacente, par une pompe à chaleur fonctionnant avec du courant de nuit à tarif réduit, pour la première fois un chauffage autonome par pompe à chaleur avec de bons coefficients de performance,-même des jours de temps froid et ce sans que des capteurs additionnels montés à même le sol dans la région de surface libre ou d'importants moyens techniques et dépenses ou des isolations thermiques écono- miquement injustifiables soient nécessaires. De plus, il est particulièrement avantageux que des restrictions d'au- cune sorte ne s'imposent à la construction ou à la configu- ration du corps du bâtiment et qu'un risque de gel des fon- dations de la maison (partie souterraine) n'est pas à craindre. REVENDICATIONS 1 - Bâtiment équipé d'une installation destinée à prélever et emmagasiner de la chaleur du milieu ambiant pour le chauffage du bâtiment et qui comprend un absorbeur souterrain (1) situé au niveau des fondations du bâtiment et une pompe à chaleur (3) qui est en communication avec l'absorbeur souterrain (1), d'une part, et avec des surfa- ces de chauffe (11), d'autre part, par l'intermédiaire de conduits (2) véhiculant un liquide caloporteur et qui à leur tour sont noyés dans l'absorbeur souterrain, caracté- risé en ce que des espaces creux (6) situés dans la struc- ture (9, 10) de la toiture du bâtiment communiquent par l'intermédiaire d'au moins un conduit d'air (5) avec des espaces creux (4) associés à l'absorbeur souterrain (1). 2 - Installation selon la revendication 1, carac- térisée en ce que les espaces creux (6) prévus dans la structure (9, 10) de la toiture sont disposés entre la couverture (9), par exemple en tuiles, de la toiture et un isolant thermique (10). 0 3 - Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les espaces creux (4) associés à l'absorbeur souterrain (1) sont disposés entre l'absorbeur souterrain et la couche (12) en mortier, plâtre ou analogue formant sol, de préférence de telle sorte qu'ils se trou- vent entre l'absorbeur souterrain (1) et une couche thermi- quement isolante (14) située au-dessous de la couche for- mant sol. 4 - Installation selon la revendication 3, carac- térisée en ce que la couche isolante est constituée par des plaques thermiquement isolantes (14) qui reposent sur des petits pieds individuels (13). - Installation selon l'une quelconque des reven- dications 2 à 4, caractérisée en ce qu'un moyen de déplace- ment d'air, par exemple un ventilateur (7), est monté dans le conduit d'air (5). 6 - Installation selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisée en ce que le ventila- teur (7) peut être mis en marche et arrêté par un circuit différenciateur de température (8) en fonction de la diffé- rence entre la température régnant dans l'absorbeur souter- rain (1) et la température de l'air dans les espaces creux (6) de la structure de la toiture du bâtiment. 7 - Installation selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisée en ce que l'absorbeur souterrain (1) est réalisé sous la forme d'une dalle de fondation en béton du bâtiment. 8 - Procédé pour prélever et emmagasiner de la cha- leur du milieu ambiant aux fins de chauffage d'un bâtiment au moyen d'une pompe à chaleur, dans lequel la chaleur d'un absorbeur souterrain est conduite au moyen d'un liquide calo- porteur, par l'intermédiaire de conduits, à la pompe à cha- leur et depuis celle-ci à la surface de chauffe, au moyen d'une intallation selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'air chauffé par l'énergie solaire dans des espaces creux (6) de la structure (9, 10) de la toiture du bâtiment est aspiré dans des espaces creux (4) de l'absorbeur souterrain (1) et son énergie calorifique emmagasinée dans l'absorbeur souterrain (1) ainsi que dans le terrain environnant, l'absorbeur souterrain (1) et le terrain, malgré le prélèvement continu de chaleur par la pompe à chaleur (3), conservant le niveau de température du terrain environnant non chauffé et la chaleur emmaga- sinée étant disponible à tout moment pour être prélevée par la pompe à chaleur.