Brevet FR2870329A1 — publié le 20051118

Page 1 La présénte invention concerne un dispositif solaire mural et autonome destiné au chauffage des logements d'habitation, bureaux et autres locaux, qu'ils soient occupés ou non. Le chauffage des bâtiment, lorsqu'il est réalisé avec la contribution de chauffages solaires, utilise un ou deux liquides intermédiaires habituellement: l'eau glycolée contre le risque de gel du capteur solaire, puis l'eau du réseau de chauffage proprement dit. La chaleur est transmise à des moyens conventionnels de chauffage. Ces derniers - radiateurs, plancher chauffant ou ventilo-convecteur - émettent la chaleur dans les zones à chauffer. L'énergie solaire doit être produite à une température suffisamment élevée pour permettre un fonctionnement correct des émetteurs de chaleurs. De plus, l'inertie thermique importante des systèmes comportant des capteurs solaires à circulation de liquide, est défavorable à la récupération de chaleur lors de courtes périodes d'ensoleillement: il faut réchauffer la masse des capteurs et du liquide jusqu'à la température minimale requise par les émetteurs. Les chauffages solaires existants, ne sont pas adaptés à la faible hauteur de soleil en hiver de part leur inclinaison et leur isolation thermique moyenne. Enfin, leur fonctionnement requiert la fourniture d'énergie électrique, pour l'alimentation de la pompe de circulation et de l'unité de pilotage et régulation; ceci ne permet pas une marche entièrement autonome. Le dispositif suivant l'invention permet de remédier à ces inconvénients. Il comporte en effet en premier lieu un ensemble capteur solaire émetteur de chauffage, dont le fluide est le même et se trouve sous forme diphasique liquide-vapeur, suivant l'exemple des caloducs. Sa position verticale, est particulièrement adapté aux étages des bâtiments existants; son installation est simple et rapide. La production d'électricité nécessaire à son fonctionnement est assurée par un panneau solaire photovoltaïque, de façon à ce que la présence de rayonnement solaire soit absolument nécessaire au fonctionnement de l'ensemble. Ainsi, lors des phases nocturnes ou particulièrement nuageuses, le dispositif ne permet aucun transfert de chaleur de l'extérieur vers l'intérieur du logement, ni de l'intérieur du logement vers l'extérieur. Selon les modes de réalisation: - l'ensemble capteur solaire émetteur de chauffage peut être constitué de plaques creuses, d'ensemble de tubes ou autres profilés, ou ne constituer qu'une seule et même pièce, 35 auquel cas cet ensemble représenterait une partie de paroi murale allant de l'intérieur de la pièce, jusqu'à l'extérieur, le capteur solaire et l'émetteur de chauffage peuvent ne pas être proches ou situés en regard l'un de l'autre et séparés par le mur: il est possible de situer l'émetteur dans une 40 pièce habituellement privée de soleil, ou à un autre étage, pourvu que les organes de fonctionnement soient adaptés, - le capteur solaire et l'émetteur de chauffage peuvent être inclus dans le mur de façon à ne pas en dépasser, ou bien en dépasser totalement et être rapportés à une paroi existante. - plusieurs ensembles capteur solaire émetteur de chauffage peuvent bénéficier d'une mise en commun de plusieurs parties telles que: pompe, production d'électricité, système de commande et de régulation, collecteurs de fluide en phase liquide, collecteur de fluide en phase gazeuse, vitrage extérieur, capteur solaire, émetteur de chauffage, - le vitrage peut être double ou triple, et comporter un traitement de sa surface. Page 2 - l'électricité nécessaire au fonctionnement peut être produite par d'autres moyens qu'un panneau photovoltaïque, par exemple: éolienne, effet thermocouple, électricité du réseau général. Le mode détection d'un rayonnement solaire suffisant pour autoriser la marche du chauffage solaire, est adapté à la source d'électricité retenue - le relevage du liquide peut être assuré par une pompe classique, par une pompe à vapeur du type machines à café, par thermosiphon assisté par la chaleur solaire ou par un autre moyen. - la disposition des canalisations et des autres éléments peut différer. les dimensions peuvent enfin ne pas être celles données dans le présent document, ces dimensions étant indicatives; il en est de même pour la nature des matériaux utilisés - le fluide peut être de l'eau ou un autre fluide de type frigorigène, adapté aux températures 15 de fonctionnement et aux matériaux utilisés. - le dispositif peut comporter une ou plusieurs pompes, et un nombre d'électrovannes différent de deux; ces électrovannes peuvent être remplacées par des clapets. Les dessins annexés illustrent l'invention dans la configuration suivante: la partie extérieure consiste en un bloc rapporté sur un mur existant, et l'émetteur comporte un stockage de chaleur. La pompe est de type centrifuge. Le capteur et l'émetteur sont en alliage d'alu--minium, ils se raccordent côté émetteur; leur dimension enveloppe est L=1 m x H=2 m. Le fluide utilisé est l'eau, environ 100 cm3. Le vitrage extérieur un triple vitrage. La liste des dessins comporte: - les figures 1 et 3 représentant le dispositif dans son ensemble, vu du face - les figures 2 et 4 représentant l'ensemble vu en coupe 30 - la figure 6 représentant les renforts placés à l'intérieur du capteur et de l'émetteur - les figures 7 et 8 représentant le haut du capteur solaire avec la rampe d'injection du liquide de et les moyens de répartition de liquide sur sa surface. Dispositif utilisé dans les fig. 1 à 6. - les figures 9 et 10 représentant un mode alternatif de distribution du liquide, utilisant un tissus ou grillage à très petite maille. Dispositif non représenté dans les autres figures 1 à 6. Le capteur solaire constitue une enveloppe étanche et plate et de faibleépaisseur; les parties avant destinées à recevoir le rayonnement solaire et arrière côté mur - sont ses parois principales. Le capteur est incliné par rapport au plan vertical; sa partie basse est plus proche du mur que sa partie haute. Cette inclinaison assure la présence maximale de fluide en phase liquide, sur le côté intérieur de la paroi principale exposée au soleil (figure 2). La surface intérieure de la plaque principale exposée au soleil, est rainurée verticalement de façon à favoriser l'écoulement du fluide en phase liquide vers le bas (figure 5, 7 et 8). Dans la configuration alternative (fig. 9 & 10), les stries sont supprimées: le liquide est mis au contact d'une nappe textile de maille fine, dans lequel il s'écoule tout en restant au contact de la paroi chaude; le textile permet d'assurer une répartition horizontale du fluide par 50 capillarité, et de mouiller la plus grande surface possible. Il est tissus, métal ou plastique. La forme des plaques de renforts est adaptée pour ne pas occasionner de déchirement du textile. Page 3 Le fluide est approvisionné en partie haute du capteur solaire, par une canalisation reliée à une pompe (fig. 1 & 2); il se vaporise en descendant par gravité au contact de la paroi chau--ffée par le rayonnement solaire. La surfac e extérieure de cette même plaque, est enduite d'une peinture de couleur sombre et non brillante qui lui assure une température de surface élevée lorsqu'elle est exposée au rayonnement solaire. L'épaisseur extérieure du capteur solaire et de l'émetteur est faible; ils fonctionnent sous vide partiel. Leur écrasement par l'effet de la pression atmosphérique est combattu par l'inst--allation de plaques de renfort placées en chevron et couvrant leur largeur. Les plaques de re- -nfort sont placées perpendiculairement aux parois principales (fig. 1, 3, 5 & 6). Dans le capteur ces renforts assurent la répartition du liquide sur toute la largeur de la surface exposée. Ces renforts comportent des ouverture qui permettent la circulation des phases liquide et vapeur: une ouverture moyenne, située à l'extrémité la plus basse, - dans le capteur, des ouvertures de petite dimension côté surface chaude, destinées à transférer sur la face rainurée, - des ouvertures importantes permettent le passage de la vapeur. Ainsi, dans le capteur, le liquide qui ne s'est pas écoulé dans les rainures lors du passage sur la plaque de renfort a , se retrouve à l'extrémité basse cette plaque a . une ouver--ture pratiquée à cet endroit, permet son passage au point le plus haut de la plaque suivante b placée plus bas (figures 1 et 6) La plaque principale arrière du capteur solaire, qui n'est pas exposée au rayonnement solaire, est adossée à un isolant thermique qui empêche le transfert de chaleur vers le mur. Le vitrage utilisé est à très faible conductivité, et de type double ou triple vitrage. Ceci réduit les condensations liées à l'humidité ambiante qui se produisent lors des changements de température. Cette isolation thermique globale du capteur lui assure une température éle--vée durant les phases d'ensoleillement (figures 2 et 4). Le débit de la pompe à liquide, est réglé pour assurer un bon mouillage de la surface du capteur exposée au rayonnement solaire. Le liquide non évaporé lors de sa descente le long de cette surface, est collecté en partie basse du capteur solaire et dirigée vers le ballon de stock--ge du liquide, d'où il est à nouveau pompé vers le haut du capteur solaire. La partie basse du capteur est inclinée par rapport au plan horizontal, pour faciliter la collecte du liquide (fig. 1). La partie basse de l'émetteur est inclinée pour permettre de collecte le liquide issu de la condensation de la vapeur, qui est dirigé vers le ballon de stockage de liquide (figure 3). Les parties basses du capteur et de l'émetteur ont une forme qui empêche que la forma-45 -tion de glace ne les endommage. La puissance électrique émise par le panneau photovoltaïque est mesurée et analysée dans le boîtier de commande-régulation, comme un indicateur de la puissance du rayonnement so-50 -laire; cette information est utilisée pour mettre en marche le dispositif de chauffage. Page 4 En référence aux dessins, le dispositif comporte les principales pièces suivantes repère intitulé commentaire 1 Capteur solaire Légèrement incliné pour permettre le ruissellement du liquide sur la face exposée au soleil. 2 émetteur 3 Vitrage extérieur A faible conductivité 4 Canalisation vapeur entre Sert aussi à collecter le liquide non évaporé, les éléments (1) et (2) qui provient de la partie basse du capteur Rampe d'injection du Il est prévu deux types d'injection et de liquide dans le capteur distribution du liquide: dessins 7/8 ou 9/10 6 Mur existant 7 Ballon collecteur de liquide Est connecté à (2) en partie basse, pour récupérer la totalité du liquide 8 Pompe de relevage du A l'arrêt, cette pompe permet le reflux du fluide liquide vers le haut liquide jusqu'au ballon collecteur (7) du capteur solaire (1) 9 Canalisation d'alimentation Débouche en partie haute de (1) du capteur solaire (1) Enveloppe extérieure du Est fixée au mur, contient: (1) (3) (9) (5) (13) capteur solaire (17) 11 Plaques de renfort Disposées à l'intérieur de (1) et (2) 12 Boîtier de commande/ Est alimenté par (13) ; comprend un stockage régulation d'énergie électrique, un thermostat d'ambiance, un automate qui commande (8), (15) (16) 13 Panneau photovoltaïque Alimente (12) en électricité 14 Collecteur de liquide de Part du point bas de (2) et aboutit en (7) ; sert l'émetteur (2) aussi à collecter le liquide résiduel de (1) qui passe par la canalisation (4) et aboutit en (2) Electrovanne de la pompe De type Normalement Fermée : doit être (8) alimentée en électricité pour s'ouvrir 16 Electrovanne de la idem canalisation (14) 17 Isolant thermique A cellules fermées, hygrophobe 18 Passage dans le mur (6) Sert à passer les canalisations (4), (9). Est obturé avec de l'isolant thermique; débouche côté extérieur contre (10). 19 Sonde de température de autorise le fonctionnement du dispositif si la surface du capteur solaire température du capteur solaire est assez élevée Raccord entre les parties de Raccord accessible du côté intérieur de la canalisation (4) provenant pièce à chauffer, pour des facilités de (1) et de (2) d'installation 21 stockage de chaleur de l'émetteur 22 Diffuseur maillé dans le cadre du moyen alternatif d'injection du liquide (dessins 9 & 10) Page 5 Fonctionnement du dispositif au début d'une phase de rayonnement solaire (situation de départ: dispositif à l'arrêt, batterie (12) vide, électrovannes (15) (16) fermées, pompe (8) arrêtée, absence de liquide dans les panneaux (1) et (2)) A l'apparition d'un rayonnement solaire, le panneau photovoltaïque (13) alimente le boîtier de commande/ régulation (12). Sous réserve que: - la température de la pièce à chauffer ne soit pas trop élevée, comme en été: thermostat (12), 10 - ou/et que le capteur solaire soit à température (sonde 19) suffisante, - et que la puissance délivrée par le panneau photovoltaïque (13) soit assez importante, 15 le boîtier de commande/ régulation (12) autorise le démarrage du dispositif, par étapes: - ouverture des électrovannes (15) (16) - mise en fonctionnement de la pompe (8) : le liquide contenu dans le réservoir (7)est amené 20 en haut du capteur solaire, d'où il ruisselle par gravité en mouillant la surface intérieure de son côté exposé au soleil. La conduction de la chaleur due au rayonnement solaire, réchauffe et fait évaporer le liquide. - la vapeur produite dans le capteur solaire se dirige vers l'émetteur (2) par la canalisation (4) - la vapeur condense dans l'émetteur, où la température est inférieure à celle du capteur; le liquide retourne par gravité dans le réservoir (7), d'où il repart sous l'action de la pompe (8) - la phase de début prend fin lorsque la batterie de stockage d'énergie électrique située dans 30 le boîtier de commande/ régulation (12) est suffisamment chargée. Fonctionnement du dispositif pendant une phase de rayonnement solaire suffisant 35 (situation de départ: dispositif démarré pompe (8) en marche, électrovannes (15) (16) ouvertes - , batterie (12) suffisamment remplie) Le dispositif fonctionne en boucle fermée: le liquide est transporté vers le capteur solaire où il s'évapore en partie ou en totalité ; la vapeur produite condense dans l'émetteur en réch- -auffant la pièce où il est placé. Le liquide issu de la condensation retourne dans le réserv- - oir, d'où il est à nouveau pompé et transporté vers le haut du capteur solaire. Le fonctionne- - ment s'arrête par une des causes suivante: - la température dans la pièce est trop élevée: thermostat (12), 45 - la température de surface du capteur solaire mesurée par la sonde (19) - est insuffisante, - la puissance électrique délivrée par le panneau photovoltaïque (13) est insuffisante, 50 - la batterie électrique (12) n'est pas suffisamment remplie Page 6 Fonctidnnement du dispositif à la disparition d'un rayonnement solaire suffisant (situation de départ: dispositif en marche - pompe (8) en marche, électrovannes (15) (16) ouvertes -, batterie (12) pleine) Lorsque le rayonnement solaire décroît, ou quand le panneau photovoltaïque se retrouve dans une zone d'ombre due à un bâtiment ou un arbre voisin, le boîtier de commande/ régula- - tion (12) interprète le signal de sortie du le panneau photovoltaïque (13) et déclenche la pro- - cédure d'arrêt du dispositif. Ceci évite l'inversion du cycle: quand le capteur solaire (1) devient plus froid que l'émet-10 -teur (2), le liquide présent dans ce dernier s'évapore et condense dans le capteur (1) malgré la faiblesse des échanges thermiques à ce moment. Les étapes successives de l'arrêt sont: - arrêt ou inversion de la pompe (8) : le liquide situé dans la canalisation (9) et au-dessus de la pompe, descend à travers la pompe arrêtée, et est collecté dans le réservoir (7) ; Cette de--scente s'opère par l'effet de la gravité ou par celui de la pompe dont on inverse le sens. - attente de courte durée (quelques secondes à quelques minutes) pendant laquelle la puiss-20 -ance électrique nécessaire au maintien des électrovannes (15) (16) en position ouverte est fournie par la batterie du boîtier de commande/ régulation (12). Pendant ce temps, a. le liquide présent sur les faces internes du capteur solaire (1), ruisselle, est collecté en partie basse et rejoint le réservoir (7) par la canalisation (4). b. la vapeur se condense sur les faces internes de l'émetteur (2) ; le liquide est récolté 25 en partie basse et dirigé par la canalisation (14) vers le réservoir (7). c. la canalisation (9) se vide par gravité, et par action de la pompe si elle peut s'inverser - fermeture des électrovannes (15) (16) par l'arrêt de leur alimentation électrique Le liquide est confiné dans le volume comprenant le réservoir (7) et les portions des can--alisations (9) (14) qui vont du réservoir jusqu'aux électrovannes (15) (16). Fonctionnement du dispositif en l'absence d'un rayonnement solaire suffisant, notamment la nuit (situation de départ: dispositif à l'arrêt pompe (8) arrêtée, électrovannes (15) (16) fermées-, batterie (12) vide) La partie liquide du fluide est maintenue confinée dans le réservoir (7) en-dessous des électrovannes (15) (16). La pompe est maintenue arrêtée. Sans transfert de liquide par la pompe, le dispositif ne fonctionne pas. Seule la phase liq- - uide résiduelle présente du côté le plus chaud s'évapore et condense du côté le plus froid. 45 Les températures moyennes sont faibles, et le fluide se trouve généralement sous un vide partiel; ceci réduit très fortement les échange thermique par convection. Le coefficient de transfert thermique de l'ensemble, reste inférieur à celui du mur pré-ex- - istant car le bloc extérieur (Io) est lui-même fortement isolant et vient se superposer à ce mur. 50 Page 7 REVENDICATIONS 1) Dispositif de chauffage des bâtiments caractérisé en ce qu'il comporte un capteur solaire thermique situé à l'extérieur (1) alimentant directement un émetteur de chaleur (2) situé 5 à l'intérieur de la pièce à chauffer. 2) Dispositif de chauffage des bâtiments suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il utilise la chaleur latente de transformation liquide/vapeur d'un seul et même fluide caloporteur pour la transmission de la chaleur. 3) Dispositif de chauffage des bâtiments suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un capteur solaire thermique (1) creux de forme plane d'un seul tenant. 4) Dispositif de chauffage des bâtiments suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il 15 comporte un émetteur de chaleur (2) creux de forme plane d'un seul tenant. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le capteur (1) et l'émetteur (2) étant confondus, remplacent le mur. 6) Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce la canalisation (4) entre le capteur solaire (1) et l'émetteur (2) sert de passage de la vapeur et du liquide. 7) Dispositif selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que le capteur solaire thermique (1) est en position telle que sa partie supérieure est plus éloignée du mur (6) que sa partie inférieure, de façon à ce que le liquide coule par gravité sur la surface du capteur (1) exposée rayonnement solaire. 30. 8) Dispositif selon la revendication 2 ou la revendication 3 caractérisé en ce que l'alimentation en liquide du capteur solaire thermique (1) est assurée par une rampe d'injection (5) placée dans sa partie supérieure de façon à ce que le liquide qui en sort tombe sur la surface du capteur (1) exposée rayonnement solaire. 9) Dispositif selon la revendication 3 7 ou 8, caractérisé en ce les pièces (11) utilisées dans la distribution du liquide dans le capteur (1) comportent des ouvertures pour la circulation du fluide en phase vapeur. 10) Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 5, caractérisé en ce que le transfert de chaleur est rendu possible par action sur une pompe (8) et deux électrovannes (15)(16) de type normalement fermé. 11) Dispositif selon la revendication 3 7 ou 8, caractérisé en ce les pièces (11) utilisées dans la distribution du liquide dans le capteur (1) servent de renfort du capteur (1). 12) Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'émetteur de chaleur (2) 50 est placé à une distance importante du capteur (1). Page 8 13) Dispositif selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que la distribution de la phase liquide à l'intérieur du capteur solaire (1), fait appel au rainurage non horizontal de la surface qui est exposée rayonnement solaire. 14) Dispositif selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que la distribution de la phase liquide à l'intérieur du capteur solaire (1) fait appel à la conjonction du rainurage de la surface qui est exposée rayonnement solaire et de pièces (11) placées en chevron et comportant des ouvertures destinées au passage du liquide. 15) Dispositif selon la revendication 2 3 7 8, caractérisé en ce que la répartition du liquide sur la surface du capteur solaire (1) , fait appel à un tissus technique plastique métallique ou textile (22), dont la faible maille induit un transfert par capillarité du liquide sur toute la largeur du tissus en question. 16) Dispositif selon les revendications 1 2 ou 4, caractérisé en ce que l'émetteur de chaleur (2) placé dans la pièce à chauffer, comporte une masse servant de réserve de chaleur (21). 17) Dispositif selon la revendication 1 2 5 ou 10, caractérisé en ce que la puissance électrique 20 délivrée par le panneau photovoltaïque (13) est analysée par la centrale de contrôle- commande (12) comme un signal lié à la puissance du rayonnement solaire utilisable par la partie thermique du dispositif. 18) Dispositif selon la revendication 1 2 5 ou 10, caractérisé en ce que l'implantation du panneau photovoltaïque (13) au-dessous du capteur thermique (1) permet d'analyser sa puissance électrique par la centrale de contrôle-commande (12) comme un signal lié à la présence d'un masque ou d'un obstacle tel qu'un arbre ou un bâtiment voisin empêchant le rayonnement solaire d'être utilisé par la partie thermique du dispositif. 19) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le capteur solaire thermique (1) est placé dans un ensemble vertical à forte isolation thermique (10) (3) qui peut facilement être ajouté à un mur existant (6) tout en en améliorant l'isolation thermique.