Brevet FR2881214A1 — publié le 20060728

La présente invention concerne le chauffage d'eau au moyen de capteurs solaires et concerne en particulier un appareil de chauffage de l'eau sanitaire par l'énergie solaire. Le chauffage de l'eau sanitaire au moyen de capteurs solaires peut être réalisé de deux façons. Un premier système consiste à récupérer la chaleur résultant du rayonnement solaire capté par le capteur solaire grâce à un fluide caloporteur tel qu'un mélange d'eau et d'antigel comme par exemple du glycol. L'eau glycolée transfère ensuite sa chaleur à l'eau sanitaire dans un ballon grâce à un échangeur. Un tel système présente des inconvénients majeurs. En effet, le fait qu'il faille utiliser un circuit primaire contenant le liquide caloporteur diminue la capacité chauffante du système dans la mesure où la présence de l'échangeur entraîne une perte de calories. Il est en outre nécessaire d'installer un vase d'expansion qui, étant soumis à pression, doit faire l'objet d'un entretien régulier. Le circuit primaire doit être mis sous pression artificiellement, ce qui est souvent une cause de dysfonctionnement lors des journées chaudes et bien ensoleillées du fait que la chaleur fait augmenter la pression dans le circuit primaire. Un autre inconvénient a trait au phénomène de stratification de l'eau qui se produit dans le circuit d'eau du fait qu'il n'y a pas circulation de l'eau dans ce circuit mais seulement dans le circuit primaire. Enfin, l'installation d'un tel système nécessite le remplacement du ballon d'eau chaude traditionnel par un ballon solaire avec échangeur, et donc des coûts très élevés. On a donc pensé à utiliser un système qui ne nécessite pas de fluide caloporteur, c'est le chauffe-eau solaire à thermosiphon. La chaleur récupérée dans les capteurs passe dans le ballon d'eau chaude grâce à la différence de température. Pour ce faire, le ballon doit impérativement être placé plus haut que les capteurs. Bien que ne nécessitant pas de pompe pour la circulation de l'eau, ce système présente également de nombreux inconvénients. En effet, le ballon étant généralement placé à l'extérieur de la maison, l'eau se refroidit vite et la perte de chaleur est maximale en hiver. Le ballon subit les intempéries, ce qui entraîne une usure prématurée. Il est donc conseillé de vidanger le système en hiver lorsque la température est trop basse, ce qui est difficile à réaliser du fait du froid et de la hauteur du ballon. En outre, il y a aussi perte de chaleur comme dans le système précédent du fait qu'il y a généralement une grande distance entre le ballon et la sortie d'eau chaude sanitaire. Par conséquent, un but de l'invention est de fournir un appareil de chauffage de l'eau par capteurs solaires ne nécessitant pas l'utilisation d'un circuit primaire contenant un fluide caloporteur. Un autre but de l'invention est de fournir un appareil de chauffage de l'eau par capteurs solaires ne nécessitant pas l'utilisation d'un ballon d'eau chaude spécial mais seulement un ballon d'eau chaude traditionnel. Encore un autre but de l'invention est de fournir un appareil de chauffage de l'eau par capteurs solaires dans lequel la perte de chaleur est minimale dans la mesure où le ballon est installé à l'intérieur de la maison et à proximité de la distribution d'eau sanitaire. Encore un autre but de l'invention est de fournir un appareil de chauffage de l'eau par capteurs solaires dans lequel l'alimentation du ballon en eau chaude provenant des capteurs solaires est régulée automatiquement lorsque certaines conditions de température sont remplies. L'objet de l'invention est donc un appareil de chauffage de l'eau par énergie solaire comprenant une entrée d'eau froide, une sortie d'eau chaude, au moins un capteur solaire dans lequel l'eau provenant de l'entrée d'eau froide est chauffée par l'énergie de rayonnement solaire captée par le capteur solaire et un ballon d'eau chaude accumulant l'eau chaude reçue à partir du capteur solaire et fournissant sur demande de l'eau chaude à la sortie d'eau chaude. L'appareil comprend une pompe de circulation d'eau entre l'entrée d'eau froide et le capteur solaire pour faire circuler l'eau à chauffer dans le capteur lorsque la pompe est en fonctionnement, une électrovanne placée sur le circuit de circulation de l'eau et une centrale de régulation électronique pour commander la mise en marche de la pompe ainsi que l'ouverture de l'électrovanne lorsque la température de l'eau à la sortie du capteur est supérieure d'une part à une température prédéterminée et d'autre part à un écart de température prédéterminé par rapport à la température de l'eau dans le ballon de manière à ce que l'eau chauffée dans le capteur soit envoyée vers le ballon. Les buts, objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit faite en référence aux dessins dans lesquels: la figure 1 est un bloc-diagramme représentant un mode de réalisation préférentiel de l'appareil de chauffage de l'eau par capteurs solaires selon l'invention, et la figure 2 représente une variante du mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 1. En référence à la figure 1, l'appareil de chauffage de l'eau selon l'invention comprend un ou plusieurs capteurs solaires placés à des endroits ensoleillés, par exemple sur le toit de la maison. Ces capteurs solaires comportent deux entrées et deux sorties de leur tubulure interne dans laquelle l'eau est réchauffée par les calories résultant de l'énergie de rayonnement solaire captée par le capteur solaire. Les deux sorties de chaque capteur solaire tel que le capteur 10 sont reliées aux deux entrées du capteur solaire qui le précède tel que le capteur 12. Par contre, une seule entrée, l'entrée basse 14 du premier capteur, est alimentée, et une seule sortie, la sortie haute 16 du dernier capteur solaire 12, en l'occurrence le deuxième dans l'exemple de réalisation représenté, fournit l'eau réchauffée. L'eau froide est fournie par une entrée d'eau froide 18, d'une part à un ballon d'eau chaude 20 par le tuyau 22, et à une pompe 24 par un tuyau 26 en passant par un filtre 28. Lorsque la pompe 24 n'est pas en fonctionnement, le ballon 20 peut fonctionner de façon traditionnelle en chauffant l'eau froide reçue par le tuyau 22 au moyen d'une résistance électrique. Quand la pompe 24 n'est pas en fonctionnement, l'eau chaude sanitaire provient du ballon d'eau chaude 20 par le tuyau 30 et le tuyau de sortie d'eau chaude 32 raccordé à un mélangeur thermostatique 34 qui reçoit une entrée d'eau froide 36 et fournit de l'eau à la température souhaitée à la sortie 38. Une des caractéristiques essentielles de l'invention est l'existence d'une centrale de régulation électronique 40, par exemple un microcontrôleur, qui déclenche le fonctionnement de la pompe lorsque certaines conditions de température sont réunies. La première condition est que l'eau se trouvant à la sortie des capteurs solaires ait atteint une température prédéterminée qui peut être par exemple de 37 C. Pour cela, une sonde (non montrée) fournit un signal sur la ligne 42 à la centrale de régulation 40. Une deuxième condition est que la température à la sortie des capteurs solaires dépasse la température de l'eau du ballon 20 par un écart de température prédéterminé. Cet écart est de préférence compris entre 6 C et 10 C, et est par exemple de 8 C. Pour cela, une sonde (non montrée) se trouvant à l'intérieur du ballon 20 fournit un signal sur la ligne 44 à la centrale de régulation 40. Lorsque les deux conditions sont réunies, à savoir que la température de l'eau à la sortie des capteurs solaires dépasse une température prédéterminée et dépasse la température de l'eau du ballon par un écart prédéterminé, la centrale de régulation transmet un signal de mise en marche à la pompe 24 par la ligne 46 et un signal d'ouverture d'une électrovanne de circulation 48 par la ligne 50. Il existe deux autres électrovannes dites de vidange 52 et 54, dont l'utilité est expliquée cidessous, qui restent en position fermée. A noter que l'électrovanne 48 pourrait aussi bien être placée avant la pompe 24. Comme il a déjà été mentionné, le ballon 20 comporte généralement une résistance électrique qui ne fonctionne que lorsque les capteurs ne peuvent pas fournir suffisamment de chaleur. Ainsi, en fin de journée ou très tôt le matin, les conditions ci-dessus n'étant pas en mesure d'être réunies dans un laps de temps suffisamment court, la centrale de régulation transmet un signal d'activation de cette résistance électrique lorsqu'elle détecte, d'une part que la température dans la ballon est inférieure à une température prédéterminée, par exemple 65 C, et que d'autre part, la température de l'eau des capteurs est inférieure à la température de l'eau du ballon d'au moins un écart de température prédéterminé, par exemple 5 C. L'activation de la résistance électrique s'arrête dès que l'eau dans le ballon atteint la température prédéterminée ou lorsque l'écart de température devient inférieur à l'écart de température prédéterminé. La pompe 24 étant mise en marche, la circulation d'eau s'effectue de la façon suivante. L'eau du ballon 20 arrive à la pompe par les tuyaux 22 et 26 et est envoyée par l'électrovanne 48 ouverte vers les capteurs solaires par le tuyau d'entrée 56. A noter que la circulation de l'eau emprunte forcément le tuyau 56 dans la mesure où l'électrovanne de vidange 52 est fermée et qu'une soupape de sécurité 58 empêche l'eau de s'écouler par le tuyau 59. L'eau envoyée par la pompe 24 dans le tuyau 56 traverse ensuite les capteurs solaires 10 et 12 et continue sa circulation dans le tuyau 60 branché sur la sortie 16 du capteur 12. A noter que l'eau sortant du capteur 12 a une température plus élevée que celle qui a été fournie par le ballon d'eau chaude 20. L'eau provenant des capteurs par le tuyau 60 emprunte ensuite le tuyau 62 en passant par un clapet anti-retour 64 puisqu'elle ne peut pas traverser l'électrovanne de vidange 54 fermée comme on l'a vu précédemment. A la sortie du tuyau 62, l'eau circule ensuite dans le tuyau 30 pour entrer dans le ballon 20 s'il n'y a pas une demande d'eau sanitaire au mélangeur thermostatique 34. Au fur et à mesure que l'eau circule de la façon décrite ci-dessus, la température à la sortie du capteur 12 décroît en même temps que la température de l'eau dans le ballon 20 augmente. Lorsqu'au moins une des deux conditions de température n'est plus remplie, la centrale de régulation 40 transmet un signal d'arrêt de fonctionnement à la pompe 24 ainsi qu'un signal de fermeture à l'électrovanne 48. En supposant qu'une demande d'eau sanitaire survienne pendant que l'eau est en circulation, l'eau chaude provenant des capteurs solaires par le tuyau 60 et le tuyau 62 s'écoule directement vers le mélangeur thermostatique 34 par le tuyau 32 connecté en dérivation entre le tuyau 62 et le tuyau 30 et non plus par le tuyau 30 (qui reste rempli d'eau) d'entrée au ballon 20. A noter que, si l'eau sanitaire est toujours demandée lorsque la pompe s'arrête, l'eau chaude est tirée à partir du ballon d'eau chaude comme il a été mentionné précédemment. Le clapet anti-retour 64 évite les conflits de pression lorsque l'utilisateur tire l'eau chaude du fait que l'eau chaude provenant des capteurs rencontre celle provenant du ballon. En effet, en l'absence du clapet anti-retour, l'eau provenant du ballon dans le tuyau 30 s'écoulera vers les capteurs si la pression dans ce tuyau est plus élevée que la pression dans le tuyau 60 provenant des capteurs solaires. A noter que la soupape de sécurité 58 permet d'éviter une surpression dans le circuit solaire, que la pompe soit en fonctionnement ou pas. La pression dans le circuit solaire est généralement comprise entre 3 et 6 bars. En supposant qu'il se produise une surpression de 7 bars dans le tuyau 56 d'entrée des capteurs, la soupape de sécurité 58 est réglée pour s'ouvrir à 7 bars de manière à ce que l'eau puisse s'écouler par la sortie de vidange. A noter que c'est principalement lorsque la pompe n'est pas en fonctionnement que la soupape est utile puisque c'est dans ce cas que l'eau chauffe dans les capteurs et que la pression monte. La centrale de régulation est également sensible à la température extérieure. De façon à éviter le gel de l'eau dans les capteurs en période de grand froid, la centrale de régulation envoie un signal d'ouverture aux électrovannes de vidange 52 et 54 par la ligne 66 lorsque la température dans les capteurs descend au dessous d'une température prédéterminée, par exemple 4 C, et qu'un signal est reçu par la centrale de régulation sur la ligne 42. Dans ce cas, l'eau se trouvant dans les capteurs s'écoule vers la sortie de vidange 68, d'une part en empruntant les tuyaux 56 et 59 et d'autre part en empruntant les tuyaux 60 et 70. Selon une première option, on peut placer à la sortie de vidange 68 une pompe avec un surpresseur afin que l'eau vidangée ne soit pas perdue. Dans ce cas, la sortie d'eau du surpresseur est reliée au tuyau 26 pour que lors de sa remise en route (lorsque la température remonte au dessus de 4 C), le système se remplisse avec l'eau contenue dans le surpresseur. Selon une autre option, un onduleur peut être placé entre la centrale de régulation et l'alimentation électrique 220V de manière à ce que la vidange puisse être effectuée en cas de coupure de courant, grâce au courant électrique fourni par l'onduleur et commandant les électrovannes pendant le temps suffisant pour effectuer la vidange. La deuxième électrovanne 54 est également utilisée seule lors du remplissage du système qui a lieu à la première utilisation ou après vidange. En effet, l'électrovanne 54 est ouverte dans ce cas pendant un laps de temps que l'on peut déterminer (par pallier de 30 secondes) en fonction de la longueur du circuit et du nombre de capteurs. Lorsque le circuit est rempli, quelques centilitres d'eau s'écoulent alors par le tuyau 70 vers la sortie de vidange 68. Cette action automatique permet de chasser tout l'air pouvant être contenu dans les capteurs. Ce procédé peut donc être considéré comme une purge automatique lors du remplissage. A noter que, dans les contrées où il est rare que la température extérieure descende au dessous de 0 C, les électrovannes 52 et 54 pourraient être de simples vannes manuelles dans la mesure où elles seraient très peu sollicitées. En outre, dans les contrées où la température reste toujours au dessus de 0 C, il est judicieux d'utiliser un appareil de chauffage de l'eau simplifié qui est représenté sur la figure 2. Cet appareil ne comporte pas d'électrovannes de vidange. Lorsque la pompe 24 est en fonctionnement, l'eau est envoyée de la pompe aux capteurs comme précédemment, mais l'eau chaude provenant de la sortie du capteur 12 est transmise directement à une électrovanne de circulation 72 ouverte par la centrale de régulation en même temps que la pompe est mise en marche. L'eau traversant l'électrovanne 72 est envoyée au ballon 20 par le tuyau 74. Le mélangeur thermostatique 34 est branché au moyen du tuyau 32 directement à l'entrée du ballon. Lorsqu'une demande d'eau chaude sanitaire a lieu, l'eau chaude provient, comme précédemment, soit du ballon 20 si la pompe n'est pas en fonctionnement, soit des capteurs solaires par le tuyau 74 si la pompe est en fonctionnement. L'appareil de chauffage de l'eau qui vient d'être décrit est adaptable à tous les volumes d'eau en utilisant un ballon d'eau chaude de capacité adaptée à l'installation et un nombre de capteurs solaires adéquat. Ainsi, il peut être adapté à un camping en utilisant un ballon d'un volume de 1000 ou 2000 litres d'eau. Un avantage de cet appareil est d'éviter le phénomène de stratification de l'eau dans la mesure où l'eau circule dans l'appareil. Ainsi, il y a très peu de différence de température entre le haut et le bas du ballon. De plus, le fait d'éviter le phénomène de stratification permet de réduire considérablement les risques de légionellose dont les bactéries se développent dans les cuves d'eau stagnante qui ne montent pas au moins à 60 C une fois toute les 24h, alors que le phénomène de stratification augmente ce risque puisque il se peut qu'une partie du ballon (le bas) ne monte jamais à 60 C. Revendications 1. Appareil de chauffage de l'eau par énergie solaire comprenant une entrée d'eau froide (18), une sortie d'eau chaude (32), au moins un capteur solaire (10, 12) dans lequel l'eau reçue de ladite entrée d'eau froide est chauffée par l'énergie de rayonnement solaire captée par ledit capteur solaire et un ballon d'eau chaude (20) accumulant l'eau chaude reçue à partir dudit capteur solaire et fournissant sur demande de l'eau chaude à ladite sortie d'eau chaude; ledit appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend une pompe de circulation d'eau (24) entre ladite entrée d'eau froide et ledit capteur solaire pour faire circuler l'eau à chauffer dans ledit capteur solaire lorsque la pompe est en fonctionnement, une électrovanne de circulation (48 ou 72) placée sur le circuit de circulation d'eau et une centrale de régulation électronique (40) pour commander la mise en marche de ladite pompe ainsi que l'ouverture de ladite électrovanne lorsque la température de l'eau à la sortie dudit capteur est supérieure d'une part à une première température prédéterminée et d'autre part à un écart de température prédéterminé par rapport à la température de l'eau dans ledit ballon de manière à ce que l'eau chauffée dans ledit capteur solaire soit envoyée vers ledit ballon. 2. Appareil selon la revendication 1, dans lequel ladite 25 électrovanne de circulation (48) est placée à la sortie de ladite pompe (24). 3. Appareil selon la revendication 2, dans lequel ladite sortie d'eau chaude (32) est connectée en dérivation sur les tuyau (60, 62) fournissant l'eau provenant dudit capteur solaire (10, 12) et sur le tuyau d'entrée (30) dans ledit ballon d'eau chaude (20), de sorte que, lorsqu'il y a une demande d'eau chaude sanitaire, celle-ci provient dudit ballon d'eau chaude par ledit tuyau d'entrée dans ledit ballon d'eau chaude si ladite pompe n'est pas en fonctionnement ou dudit capteur solaire si ladite pompe est en fonctionnement. 4. Appareil selon la revendication 3, dans lequel un clapet anti-retour (64) est placé sur les tuyaux de sortie (60, 62) dudit capteur solaire (10, 12) de manière à éviter un conflit de pression pouvant survenir lorsqu'il y a une demande d'eau sanitaire, ce qui entraînerait un écoulement de l'eau vers ledit capteur si la pression dans ledit tuyau d'entrée (30) est plus élevée que la pression dans lesdits tuyaux de sortie. 5. Appareil selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant en outre une première et une deuxième électrovanne de vidange (52, 54) dont l'ouverture est commandée par ladite centrale de régulation (40) lorsque la température à l'extérieur est inférieure à une seconde température prédéterminée de manière à vidanger l'eau se trouvant dans ledit capteur solaire (10, 12) vers une sortie de vidange (68). 6. Appareil selon la revendication 5, dans lequel un onduleur est placé entre la centrale de régulation (40) et l'alimentation électrique 220V de manière à ce que la vidange puisse être effectuée grâce au courant électrique fourni par l'onduleur et commandant lesdites électrovannes (52, 54) pendant le temps suffisant pour effectuer la vidange. 7. Appareil selon la revendication 5 ou 6, dans lequel une pompe avec un surpresseur est placée à ladite sortie de vidange (68) afin que, lors de sa remise en route, le circuit d'eau se remplisse avec l'eau contenue dans ledit surpresseur. 8. Appareil selon la revendication 5, 6 ou 7, dans lequel ladite deuxième électrovanne de vidange (54) est ouverte au remplissage du circuit pendant un laps de temps prédéterminé de manière à ce que, lorsque le circuit est rempli, quelques centilitres d'eau s'écoulent vers ladite sortie de vidange (68) dans le but de chasser tout l'air pouvant être contenu dans lesdits capteurs solaires (10, 12). 9. Appareil selon la revendication 1, dans lequel ladite électrovanne de circulation (72) est placée entre le tuyau de sortie (60) dudit capteur solaire (10, 12) et le tuyau d'entrée d'eau chaude (74) dudit ballon d'eau chaude (20). 10. Appareil selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit ballon d'eau chaude (20) comporte une résistance électrique destinée à chauffer l'eau contenue dans ledit ballon et ladite centrale de régulation (40) transmet un signal d'activation à ladite résistance électrique lorsqu'elle détecte, d'une part que la température dans ledit ballon est inférieure à une température prédéterminée, par exemple 65 C, et d'autre part que la température de l'eau dans ledit capteur (10, 12) est inférieure à la température de l'eau dudit ballon d'au moins un écart de température prédéterminé, par exemple 5 C.