Brevet FR2896858A1 — publié le 20070803

La présente invention concerne un système de production de chaleur avec capteur mixte solaire et atmosphérique couplé à une pompe à chaleur. Le capteur mixte assure le chauffage d'un réseau d'eau alternativement en chauffage solaire direct et en couplage à une pompe à chaleur. On connaît déjà des capteurs aérosolaires destinés à servir de source froide de pompes à chaleur. Ces systèmes obligent la mise en service de la pompe à chaleur quelle que soit la saison et conduisent donc à une consommation d'énergie même en cas de rayonnement solaire important. Ils présentent l'inconvénient de fragiliser le compresseur en raison de températures d'évaporation trop élevées en été. ~o On connaît également des systèmes de capteurs solaires vitrés à simple ou double vitrage ou à tubes sous vide. Ces systèmes présentent l'inconvénient de ne pas récupérer d'énergie dès que le climat est froid, car ils sont déperditifs et également en absence de soleil, ils limitent donc leur utilisation aux périodes d'été et de demi saisons. Par ailleurs en période chaude lorsque aucun besoin d'énergie n'est 15 nécessaire, les capteurs solaires traditionnels montent en température, ce qui les met en défaut de surpression et nécessite, de ce fait, une boucle de rejet thermique extérieur. C'est d'une manière générale un but de l'invention de fournir une installation de chauffage solaire et de pompe à chaleur ne présentant pas les défauts des 20 installations connues. C'est en particulier un but de l'invention de fournir un capteur mixte constitué d'un capteur solaire soumis au rayonnement du soleil et d'un capteur atmosphérique sans vitrage assurant le captage de la chaleur de l'air extérieur, les deux étant couplés à une pompe à chaleur. 25 C'est encore un but de l'invention de fournir une installation de pompe à chaleur ne nécessitant pas le fonctionnement du compresseur lors des rayonnements solaires importants. C'est toujours un but de l'invention de fournir une installation de capteurs solaires ne nécessitant pas une boucle de rejet thermique en cas de rayonnement solaire 3o inutilisé. L'invention sera bien comprise par la description qui suit faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels : • La figure 1 est un schéma d'un capteur mixte d'une installation selon l'invention. • La figure 2 représente un schéma d'une installation selon l'invention en cycle pompe à chaleur . • La figure 3 représente un schéma d'une installation selon l'invention en cycle chauffage solaire direct. • La figure 4 représente une variante d'une installation selon l'invention. Une installation de capteur mixte selon l'invention figure 1 comporte un ou plusieurs capteurs solaires (10) installés par exemple au dessus d'une toiture (18). Ces capteurs traditionnels (10) sont du type à simple ou double vitrage ou encore à tubes sous vide, ils permettent de récupérer la chaleur solaire directe lorsqu'elle est ~o suffisante qui est récupérée par l'intermédiaire d'un circuit d'eau, avec antigel, pénétrant dans l'échangeur (12) par la tuyauterie (14) et en sort réchauffée par la tuyauterie (15). Un second ensemble d'échangeurs (11) est couplé au dispositif, ils peuvent être avantageusement installés sous les capteurs solaires (10) mais pourront également être installés à distance en clôture par exemple. Les échangeurs 15 (11) fonctionnent grâce à la convection naturelle de l'air extérieur ; s'ils sont à température inférieure à celle de l'air, ils récupéreront de la chaleur dans l'air qui pénétrera en (EA) et sortira naturellement en (SA) ; un espace situé au dessus et au dessous des échangeurs (11) de l'ordre de 5 cm permettra à l'air de circuler par convection naturelle. 20 Une installation de capteur mixte selon l'invention figure 2 comporte un ou plusieurs capteurs solaires (10) et capteurs atmosphériques (11) installés par exemple au dessus d'une toiture. Ces capteurs sont reliés à une pompe à chaleur (20). Deux cycles de fonctionnement principaux existent, un cycle en récupération directe de chaleur solaire, tel que représenté en trait gras sur la figure 3 et un cycle en 25 récupération indirecte de chaleur solaire et convective sur l'air tel que représenté en gras sur la figure 2 ; les traits représentent des tuyauteries, celles en pointillé correspondent à des tuyauteries non utilisées dans le cycle représenté. Revenons à la figure 2 pour expliquer le fonctionnement. Ce cycle de fonctionnement se met en service automatiquement dès que le rayonnement solaire est insuffisant pour 30 assurer le chauffage du milieu à chauffer (30), représenté ici par un ballon d'eau chaude équipé d'un échangeur (31) (Cette insuffisance est détectée par la différence de température existant entre la sonde thermique (34) du capteur (10) et la sonde (33) du milieu à chauffer (30). Dans ce cycle la vanne motorisée trois voies (28) met en relation d'échange thermique le condenseur (23) de la pompe à chaleur (20) et le milieu à chauffer (30), le circulateur (27) étant en service. D'un autre côté, le circulateur (25) met en relation d'échange thermique l'évaporateur (21) de la pompe à chaleur (20) et le capteur mixte solaire (10) et atmosphérique (11). La circulation de l'eau s'effectue dans le sens haut du capteur vers le bas du capteur, de telle manière que le clapet de retenue (29), avantageusement de type à battant, laisse passer le liquide en circulation (le clapet (29) pourra éventuellement être remplacé ou complété par une électrovanne ou une vanne motorisée(32), représentée en pointillé, ouverte dans cette phase et qui pourra être placée à to n'importe quel emplacement de la tuyauterie d'entrée ou de sortie de l'évaporateur (21)). Le liquide (en général de l'eau additionnée d'antigel), pulsé par le circulateur aura un débit partagé entre les échangeurs (11) et (12) de tous les capteurs mixtes installés en parallèle, le liquide refroidi dans l'évaporateur (21) va se réchauffer dans le capteur mixte en prélevant de la chaleur à l'air extérieur dans lequel baigne 15 l'échangeur (11) et de la chaleur solaire sur l'échangeur (12) si il existe un rayonnement solaire aussi petit soit il. Le compresseur (22) de la pompe à chaleur (20) est en fonctionnement pendant cette phase et prélève de la chaleur dans l'évaporateur (21) pour la transmettre à plus haute température dans le condenseur (23). La pompe à chaleur fonctionne tant qu'un besoin de chaleur existe dans le 20 milieu à chauffer (30). Pendant cette phase de fonctionnement, si la température extérieure est basse (voisine de 0 C par exemple), le liquide en circulation aura une température de l'ordre de -5 C à l'entrée de l'évaporateur (21) et de -8 C à sa sortie. Du givre apparaîtra sur les deux faces de l'échangeur (11), la phase de givrage est longue de l'ordre de 6 jours, le givre disparaîtra naturellement dès que la 25 température extérieure remontera au dessus de +6 C ou lorsqu'un rayonnement solaire suffisant permettra une remontée de la température du liquide en circulation dans le capteur mixte. Bien entendu, la surface totale des capteurs solaires (10) et atmosphériques (11) sera calculée en relation avec la puissance de la pompe à chaleur (20). Dans ce cycle de fonctionnement, la puissance calorifique récupérée 30 dans le milieu à chauffer sera environ 4 fois plus importante que la puissance absorbée par le compresseur (22). La pompe à chaleur (20) sera dotée d'un vase d'expansion (26) destiné à compenser la dilatation du liquide en circulation. La figure 3 représente une installation selon l'invention en cycle de chauffage solaire direct. Lorsque la sonde (34) est plus chaude de quelques degrés que le milieu à chauffer (30), la vanne motorisée (28) met en relation directe les capteurs solaires (10) et le milieu à chauffer (30) ; le liquide est mis en circulation par le circulateur (27). Dans cette phase, la pompe à chaleur se trouve à l'arrêt la circulation du liquide est représenté par les flèches dans les tuyauteries représentées en trait plein. Dans le cycle de la figure 3, le clapet de retenue (29) empêche le passage du liquide dans les échangeurs atmosphériques (Il) ; le clapet (29) pourra éventuellement être remplacé ou complété par une électrovanne ou une vanne motorisée (32), représentée en pointillé, fermée dans cette phase. Le cycle de fonctionnement de la figure 3 s'apparente tout à fait au fonctionnement d'un système de capteurs solaires ~o classiques ; il n'y a pas de consommation d'énergie dans cette phase hormis celle consommée par le circulateur (27). La présence d'une ou plusieurs électrovannes ou vannes motorisées (32) peut permettre de conserver le même sens de circulation du liquide dans les capteurs (10) dans les deux cycles de fonctionnement (voir figure 4). 15 Lorsqu'il n'existe aucun besoin de chaleur dans le milieu à chauffer, l'ensemble de l'installation se trouve à l'arrêt, sauf l'éventuelle vanne (32) qui reste ouverte , en cas de rayonnement solaire intense, la température du liquide contenu dans les échangeurs (12) des capteurs augmente jusqu'au point d'ébullition, la vapeur d'eau formée va se condenser naturellement dans les échangeurs atmosphériques (11) 20 évitant ainsi une surpression dans le capteur ; la chaleur excédentaire sera alors évacuée par convection naturelle en chauffant l'air circulant autour de les échangeurs (11) ; la pompe de circulation (25) pourra également être mise en service dans cette phase. La figure 4 représente une variante d'installation selon l'invention dans laquelle la 25 circulation du liquide dans les capteurs solaires (10) et les capteurs atmosphériques (11) s'effectuent toujours dans le même sens, en cycle de chauffage solaire direct et en cycle pompe à chaleur. Sur la figure 4, le fonctionnement est représenté en trait plein en mode chauffage solaire. Lorsque des besoins thermiques existent et que la sonde de température (34) se trouve à une température plus élevée que celle de la 30 sonde (33) du milieu à chauffer, c'est ce mode qui est utilisé. Dans ce mode, la vanne (46) est fermée, le circulateur (42) est en service et met en relation d'échange thermique direct le capteur solaire (10) et le milieu à chauffer (31). Le fonctionnement est identique à celui décrit pour la figure 3. Le clapet de retenue (45) laisse passer le flux de liquide pulsé par le circulateur (42) alors que les clapets de retenue (44) et (43) empêchent la circulation dans la pompe à chaleur (20), les circulateurs (40) et (41) sont à l'arrêt dans ce mode. Lorsque des besoins thermiques existent et que la sonde (34) est plus froide de quelques degrés que le milieu à chauffer (30), la vanne motorisée (46) est ouverte. s Ce cycle de fonctionnement se met en service automatiquement dès que le rayonnement solaire est insuffisant pour assurer le chauffage du milieu à chauffer (30), (Cette insuffisance est détectée par la différence de température existant entre la sonde thermique (34) du capteur (10) et la sonde (33) du milieu à chauffer (30). Dans ce cycle la pompe de circulation (41) met en relation d'échange thermique le ro condenseur (23) de la pompe à chaleur (20) et le milieu à chauffer (30). D'un autre côté, le circulateur (40) met en relation d'échange thermique l'évaporateur (21) de la pompe à chaleur (20) et le capteur mixte solaire (10) et atmosphérique (11). La circulation de l'eau s'effectue dans le sens bas du capteur vers le haut du capteur. Le clapet de retenue (45) empêche la circulation au travers du circulateur (45) qui rs est à l'arrêt dans cette phase. Le liquide (en général de l'eau additionnée d'antigel), pulsé par le circulateur (40) aura un débit partagé entre les échangeurs (11) et (12) de tous les capteurs mixtes installés en parallèle, le liquide refroidi dans l'évaporateur (21) va se réchauffer dans le capteur mixte en prélevant de la chaleur à l'air extérieur dans lequel baigne l'échangeur (11) et de la chaleur solaire sur 20 l'échangeur (12) s'il existe un rayonnement solaire aussi petit soit il. Le compresseur (22) de la pompe à chaleur (20) est en fonctionnement pendant cette phase et prélève de la chaleur dans l'évaporateur (21) pour la transmettre à plus haute température dans le condenseur (23). La pompe à chaleur fonctionne tant qu'un besoin de chaleur existe dans le milieu à chauffer (30). Pendant cette phase de 25 fonctionnement, si la température extérieure est basse (voisine de 0 C par exemple), le liquide en circulation aura une température de l'ordre de -5 C à l'entrée de l'évaporateur (21) et de -8 C à sa sortie. Du givre apparaîtra sur les deux faces de l'échangeur (11), la phase de givrage est longue de l'ordre de 6 jours, le givre disparaîtra naturellement dès que la température extérieure remontera au dessus de 30 +6 C ou lorsqu'un rayonnement solaire suffisant permettra une remontée de la température du liquide en circulation dans le capteur mixte. Bien entendu, la surface totale des capteurs solaires (10) et atmosphériques (11) seront calculés en relation avec la puissance de la pompe à chaleur (20). Dans ce cycle de fonctionnement, la puissance calorifique récupérée dans le milieu à chauffer sera environ 4 fois plus importante que la puissance absorbée par le compresseur (22). La pompe à chaleur (20) sera dotée d'un vase d'expansion (26) destiné à compenser la dilatation du liquide en circulation. En période d'été, lorsqu'aucun besoin de chaleur n'existe, le clapet de retenue (29) ou la vanne motorisée (ou magnétique (46), en position normalement ouverte), permettent par thermosiphon (ou par le fonctionnement du circulateur (40)) l'évacuation naturelle dans les capteurs atmosphériques (11) de la chaleur excédentaire captée dans les capteurs solaires (10). La description faite ci avant définit le fonctionnement du système dans les différentes ~o phases ; des variantes de l'invention sont possibles en utilisant des vannes motorisées à 4 voies ou à 2 voies assurant la même fonction. Une application particulièrement intéressante de l'invention est son utilisation dans les pompes à chaleur de type eau/eau ou eau glycolée/eau destinées à l'habitat individuel afin d'assurer le chauffage et la production d'eau chaude sanitaire. 15 L'installation trouvera une excellente application pour les systèmes de plancher chauffants solaires directs. D'une manière générale et non limitative, l'invention s'applique dans tous systèmes nécessitant l'utilisation de la chaleur solaire en hiver. L'invention peut également être utilisée dans des systèmes de chauffage industriel, agricole ou tertiaire. REVENDICATIONS 1. Installation de production de chaleur comportant un ou plusieurs capteurs solaires (10) couplés à des capteurs atmosphériques (11) et à une pompe à chaleur (20), caractérisée en ce qu'un dispositif de circulation (27, 42) met directement en relation le capteur solaire avec le milieu à chauffer lorsque le rayonnement solaire est suffisant, la circulation ne s'effectuant pas dans les capteurs atmosphériques alors qu'elle s'y effectuera par l'intermédiaire d'une pompe à chaleur (20) lorsque le rayonnement solaire est insuffisant. 2. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que les capteurs io atmosphériques (11) sont placés sous les capteurs solaires (10) avec un espace de quelques centimètres pour permettre à l'air de circuler par convection ou sont installés à un endroit différent. 3. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'un clapet de retenue (29) est placé à l'une des extrémités des capteurs atmosphériques (11) la 15 circulation du liquide dans les capteurs (10) change alors de sens selon le cycle de fonctionnement. 4. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le ou les capteurs (10) sont du type à simple vitrage, à double vitrage ou à tubes sous vide. 5. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'une vanne trois voies 20 (28) ou une panoplie de circulateurs (40, 41, 42) couplés avec des clapets de retenue (43, 44, 45) permettent le passage d'un cycle à l'autre. 6. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que deux sondes différentielles de température (33,34) permettent de commander le passage d'un cycle à l'autre. 25 7. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'une ou plusieurs vannes motorisées ou électrovannes (32, 46) permet(tent) d'éviter les retours parasites et donnent la possibilité de faire circuler le liquide dans le même sens dans les deux cycles. 8. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'un circulateur (25, 40) 30 met en relation les capteurs atmosphériques (11) et solaires (10) avec l'évaporateur (21) de la pompe à chaleur (20). 9. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le milieu à chauffer (30) est un ballon d'eau chaude ou un plancher solaire direct. 10. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que les capteurs mixtes (10, 11) peuvent être installés en toiture quelques centimètres au dessus de la couverture (18).