Brevet FR2916262A1 — publié le 20081121

INSTALLATION AVEC DISPOSITIF D'AIGUILLAGE DE FLUIDES POUR SON FONCTIONNEMENT ALTERNATIF EN CHAUFFAGE SOLAIRE, GEOTHERMIQUE ET GEOSOLAIRE L'invention se rattache au secteur technique des systèmes de chauffage géothermique, chauffage solaire, et des systèmes couplant les deux fonctionnalités. De très nombreuses études et installations existent déjà et leur principe de fonctionnalité en utilisation simple ou couplée est connu. On connaît le système de chauffage géothermique associé avec des pompes à chaleur. Afin que celui-ci fonctionne correctement sur plusieurs années, les capteurs sont enterrés le plus souvent à une profondeur de 80 cm afin que durant l'été, le solaire puisse restituer des calories prises au sol durant la période de chauffage de la maison. Malgré cela, il arrive que le sol s'épuise et le COP ou coefficient de performance de la pompe à chaleur baisse très sensiblement. Pour remédier à ces inconvénients, certaines installations comportent une résistance d'appoint. Une autre solution actuellement utilisée est l'utilisation de pompe à chaleur gaz/eau ou gaz/gaz, car elles permettent de récupérer de la chaleur dans le sol même si celui-ci est gelé. L'utilisation de chauffe-eau solaire génère comme principal problème le gaspillage de l'énergie solaire lorsque le ballon d'eau est au maximum, ou lorsque le soleil est chaud, mais pas suffisamment pour chauffer le ballon. On connaît aussi le procédé GEOSOL qui propose l'utilisation combinée de l'énergie solaire et de la géothermie avec utilisation de capteurs solaires, échangeurs thermiques enterrés, de chauffe-eau solaire et de pompe à chaleur réversible. Ce procédé permet l'utilisation des panneaux solaires pour fournir de l'énergie à l'eau chaude sanitaire, ou au chauffage ou pour recharger le sol en chaleur. Cela requiert une installation complexe au niveau des circuits hydrauliques avec de nombreux circulateurs entraînant une diminution du coefficient de performance de l'installation et sans relation directe avec la pompe à chaleur. Par ailleurs, le procédé GEOSOL n'utilise pas au maximum l'énergie solaire, car si lors du chauffage du bâtiment la température des panneaux solaires est comprise entre la température de la terre et 15 C, la pompe à chaleur travaille toujours avec de l'eau à la température de la terre, ce qui réduit son coefficient de performance. En égard des inconvénients ou limitations ci-avant exposés, la démarche du Demandeur a été de rechercher et concevoir une installation assurant les différentes fonctionnalités seules ou en combinaison de solaire, de géothermie, ou des deux combinées, en apportant une augmentation du coefficient de performance de la pompe à chaleur avec l'utilisation maximum de l'énergie fournie par les panneaux solaires. Cette démarche a conduit le Demandeur à concevoir une installation propre avec une simplification des circuits hydrauliques, et surtout avec une armoire de commandes autonome permettant une régulation automatique des différentes formes de chauffage, solaire, géothermique, ou le couplage des deux dans d'excellentes conditions de productivité et d'optimisation de la pompe à chaleur, ainsi qu'un mode de stockage de l'énergie solaire dans le sol. Selon une première caractéristique de l'invention, l'installation de chauffage permettant un fonctionnement alternatif en chauffage solaire, géothermique, géosolaire, est remarquable en ce qu'elle comprend un dispositif d'aiguillage de fluide intégré dans une armoire de commande, ladite armoire étant agencée intérieurement pour la réception de différents aiguillages et de moyens du type circulateurs et vannes en relation de commande avec un dispositif de régulation programmée, et en ce que ladite armoire présente des branchements hydrauliques permettant des branchements respectivement de panneaux solaires de capteurs enterrés du circuit primaire d'une pompe à chaleur et de l'échangeur d'un ballon tampon et en ce que extérieurement à l'armoire, l'installation comprend un réservoir d'eau chaude sanitaire associé au ballon tampon, ainsi qu'un circulateur entre la pompe à chaleur et le ballon tampon, et en ce que des sondes sont disposées sur les différents moyens pour mesurer les températures correspondantes, et en ce que l'ensemble de ces moyens, permet la mise en oeuvre de l'installation selon l'invention dans une version optimisée de gestion de la demande et distribution de chaleur en combinant un fonctionnement en géothermie seule, en solaire seul, en géo-solaire, en stockage de l'énergie, les différents circuits étant alternativement mis en route en fonction de la demande de chaleur, des conditions climatiques et environnantes, et des mesures de température déterminées sur chacun des circuits, et aussi de la programmation préétablie. Ces caractéristiques et d'autres encore ressortiront bien de la suite de la description. Pour fixer l'objet de l'invention illustrée d'une manière non limitative aux figures des dessins où : - la figure 1 est une vue à caractère schématique illustrant le dispositif d'aiguillage des fluides selon l'invention intégré dans une armoire de commandes associée à l'installation complète combinant les différents modes de chauffage solaire, géothermique et les deux, ainsi qu'un mode de stockage de l'énergie solaire dans le sol. - la figure 2 est une vue de l'installation complète en situation de non fonctionnement. - la figure 3 est une vue selon la figure 2 en fonctionnement géothermique seul. Le circuit non opérationnel est représenté en traits pointillés. - la figure 4 est une vue selon la figure 2 en fonctionnement solaire seul, sans pompe à chaleur. Le circuit non opérationnel est représenté en traits pointillés. - la figure 5 est une vue selon la figure 2 en fonctionnement combiné géothermique couplé au solaire. Le circuit non opérationnel est représenté en traits pointillés. - la figure 6 est une vue selon la figure 2 en fonction stockage. 20 Afin de rendre plus concret l'objet de l'invention, on le décrit maintenant d'une manière non limitative illustrée aux figures des dessins. L'installation comprend selon l'invention une armoire (1) qui est 25 agencée intérieurement pour la réception de différents aiguillages et de moyens du type circulateurs (8-10) et vannes (11-12-13) qui sont en relation de commande avec un dispositif de régulation programmée (7), ladite armoire présentant des branchements hydrauliques permettant des branchements (2) respectivement de panneaux solaires (PS) de capteurs enterrés (CE) du circuit primaire (CP) d'une pompe à chaleur (PAC) et de l'échangeur d'un ballon tampon (6). Le réservoir d'eau chaude sanitaire est référencé par (ECS). L'ensemble de ces moyens, qui seront décrits plus en détail, permet la mise en oeuvre de l'installation selon l'invention dans une version optimisée de gestion de la demande et distribution de chaleur en combinant un fonctionnement en géothermie seule, en solaire seul, en géo-solaire, en stockage de l'énergie, les différents circuits étant alternativement mis en route en fonction de la demande de chaleur, des conditions climatiques et environnantes, et des mesures de température déterminées sur chacun des circuits, et aussi de la programmation préétablie. Il convient dès lors d'exposer la conception de l'installation dans son ensemble. L'armoire (1), qui est installée dans un local technique accessible à l'opérateur de maintenance, comprend huit branchements principaux (2), deux (3) pour l'entrée/sortie du circuit capteur solaire (CS), deux (4) pour l'entrée/sortie du circuit capteur enterré (CE) (géothermie), deux (5) pour le circuit primaire entrée(CP) / sortie (CS) de la pompe à chaleur (PAC), et deux (6) pour le circuit entrée/sortie de l'échangeur du ballon tampon (BT) et du réservoir d'eau chaude sanitaire (ECS). Un régulateur de débit (14) en option peut être intégré entre les branchements (3) du groupe panneau solaire (PS). Un circulateur extérieur (9) est disposé sur la canalisation (30) entre le ballon tampon (BT) et le circuit secondaire (CS) de la pompe à chaleur, la canalisation (29) étant entre ces derniers également. Des circuits de circulation à partir de conduits de canalisation (20-21) avant et retour selon le sens de circulation mettent ainsi en relation le ou les capteurs enterrés (CE) avec le circuit primaire (CP) de la pompe à chaleur (PAC), ainsi qu'il apparaîtra figure 3 dans le cadre du fonctionnement de l'installation en fonctionnement géothermique seul, avec donc un transit dans l'armoire (1) en intégrant un circulateur (8) et de part et d'autre de celui-ci des électrovannes (11-12). Ces dernières sont des électrovannes directionnelles. La vanne (12) directionnelle, le circulateur (8) et la vanne (11) directionnelle sont montés successivement sur le circuit (20), tandis que le circuit (21) est libre. Des circuits de circulation (22-23) à partir de conduits de canalisation selon le sens de circulation mettent ainsi en relation le ou les panneaux solaires (PS) avec le ballon tampon (BT), ainsi qu'il apparaît figure 4 dans le cadre du fonctionnement de l'installation en fonctionnement solaire seul, avec donc un transit dans l'armoire (1) en intégrant un circulateur (10) et une électrovanne (13) mitigeuse. La vanne mitigeuse (13) est montée sur le circuit (22) et le circulateur (10) sur le circuit (23). Des circuits de circulation (24-25) à partir de conduits de canalisation selon le sens de circulation mettent ainsi en relation le ou les panneaux solaires (PS), avec le ou les capteurs enterrés (CE) et le circuit primaire (CP) de la pompe à chaleur (PAC), ainsi qu'il apparaît figure 5 dans le cadre du fonctionnement de l'installation en fonction combinée géo-solaire, avec donc un transit dans l'armoire (1) en intégrant le circulateur (8) et les électrovannes (13-12-11). La vanne (13), le circulateur (8) et la vanne (11) sont successivement montés sur le circuit (24), tandis que la vanne (12) est montée en retour sur le circuit (25). Des circuits de circulation (26-27) à partir de conduits de canalisation mettent en relation le ou les panneaux solaires (PS) avec le ou les capteurs enterrés (CE), ainsi qu'il apparaît figure 6 dans la cadre du fonctionnement stockage, avec donc un transit dans l'armoire (1) en intégrant le circulateur (8) et les électrovannes (13-12-11). La vanne (13) est montée sur le circuit (26), et la vanne (12), le circulateur (8), la vanne (11) sur le circuit en retour (27). Tous ces moyens sont équipés de sondes identifiées comme suit : (S 1) pour les panneaux solaires (PS), (S2) pour les capteurs enterrés (CE), (S3) pour le réservoir d'eau chaude sanitaire (ECS), (S4) pour le circuit primaire (CP) de la pompe à chaleur, (S5) pour le ballon tampon (BT) en position haute, (S6) pour le ballon tampon (BT) en position basse, (S7) pour le départ chauffage, (S8) pour le retour de l'échangeur du ballon tampon (BT). Par ailleurs et de manière connue, le ballon tampon (BT) peut être en communication avec le réservoir d'eau chaude sanitaire (ECS) en intégrant des échangeurs de chaleur par le circuit (28). L'installation complète ayant été définie avec les différents circuits propres à chaque mode de fonctionnement, géothermie seule, solaire seul, géosolaire, stockage. On expose ci-après le fonctionnement de l'installation. L'installation et son dispositif d'aiguillage des circuits de circulation de fluides. Le dispositif de régulation programmée (7) pilote les circulateurs (8, 9, 10), les vannes (11-12-13) (14) le cas échéant, ainsi que la pompe à chaleur. D'après les différentes températures fournies par les sondes (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8), la régulation programmée va choisir son mode de fonctionnement le plus approprié pour une utilisation optimale des différentes sources de calories fournies à partir des panneaux solaires et le ou les capteurs enterrés. Ce dispositif de régulation programmée considère qu'il y a demande de chaleur dans les cas suivants : - Cas 1 : La température (S5) de sortie du ballon tampon (BT) n'est pas supérieure d'au moins 5 C à la température (S7) demandée par le départ d'eau chaude du système de chauffage. - Cas 2 : En période d'heure creuse, la température (S6) du ballon tampon (BT) est inférieure à la température maximale que peut fournir la pompe à chaleur actuellement entre (30 C et 70 C). Dans la situation arrêt, correspondant à la figure 2, il n'y a pas de demande de chaleur et la température fournie par la sonde (S 1) des panneaux solaires (PS) n'est pas supérieure d'au moins 2 C à la température fournie par la sonde (S2) de retour du ou des capteurs enterrés (CE). Dans le mode géothermique, correspondant à la figure 3, la pompe à chaleur va chauffer le ballon tampon (BT) en prenant les calories dans le ou les capteurs enterrés (CE). Pour cela, il faut activer la pompe à chaleur, les vannes (12) et (11) sont passantes et le circulateur (8) fait circuler le fluide dans le circuit primaire (CP) de la pompe à chaleur (PAC) dans le même temps que le circulateur extérieur (9) fait circuler le fluide entre le ballon tampon et le circuit secondaire (CS) de la pompe à chaleur. Ce mode est actif dans les cas suivants : - Cas 1 : Il y a une demande de chaleur et la température fournie par la sonde (Si) des panneaux solaires n'est pas supérieure d'au moins 2 C à la température fournie par la sonde (S2) de retour du ou des capteurs enterrés. - Cas 2 : Il y a une demande de chaleur et la température fournie par la sonde (S 1) des panneaux solaires (PS) est supérieure ou égale à la température maximale que peut supporter la pompe à chaleur (PAC) sur son circuit primaire. On considère que la température maximale que la pompe à chaleur (PAC) peut supporter sur son circuit primaire est de l'ordre de 15 C à 20 C avec un coefficient de sécurité pouvant varier en fonction des modèles de pompes à chaleur sur le marché. Dans le mode solaire, correspondant à la figure 4, le ballon tampon (BT) est uniquement chauffé avec les panneaux solaires (PS). Dans ce cas, il faut activer la circulation (10) pour faire circuler le fluide des panneaux solaires. La vanne (13) est passante. Le mode est actif dans le cas suivant : la température fournie par la sonde (Si) des panneaux solaires est supérieure d'au moins 5 C à la température fournie par la sonde (S8) du ballon tampon. Dans le mode géo-solaire, correspondant à la figure 5, la pompe à chaleur va chauffer le ballon tampon (BT) en prenant les calories directement dans les panneaux solaires. Pour cela, il faut activer la pompe à chaleur, le circulateur (8) fait circuler le fluide dans le circuit primaire de la pompe à chaleur et l'électrovanne (12) aiguille le fluide en sortie des capteurs enterrés (CE) dans les panneaux solaires avant que le fluide n'arrive au circuit primaire de la pompe à chaleur, la vanne (13) étant passante. Simultanément, on actionne le circulateur (9) qui fait circuler l'eau entre le ballon tampon (BT) et le circuit secondaire (CS) de la pompe à chaleur. Le régulateur de débit (14) peut être utilisé en option si l'on veut installer le dispositif dans une installation existante avec des panneaux solaires ayant en petit débit. Le mode de fonctionnement est le suivant : il y a une demande de chaleur et la température fournie par la sonde (S 1) des panneaux solaires est supérieure d'au moins 2 C à la température fournie par la sonde (S2) de retour du ou des capteurs enterrés. Dans le mode stockage, correspondant à la figure 6, la chaleur des panneaux solaires est déchargée directement dans le ou les capteurs enterrés. Pour cela, le circulateur (8), l'électrovanne (11-12-13) sont passantes pour charger le fluide de la sortie des capteurs enterrés (CE) vers les panneaux solaires. La vanne mitigeuse (13) a pour fonction d'éviter un choc thermique dans les panneaux solaires. Le régulateur de débit (14) en option peut être ajouté si l'on installe le dispositif dans une installation existante avec des panneaux solaires qui ont un petit débit. Le mode est actif dans le cas suivant : - Cas 1 : Le ballon tampon est à sa température maximale entre 50 C et 90 C et la température établie par la sonde (Si) des panneaux solaires est supérieure d'au moins 2 C à la température établie par la sonde (S2) de retour de capteur enterré. - Cas 2 : Il n'y a pas de demande de chaleur dans l'installation de chauffage et la température fournie par la sonde (S 1) des panneaux solaires (PS) est supérieure d'au moins 2 C à la température fournie par la sonde (S2) de retour du ou des capteurs enterrés. L'installation et son dispositif d'aiguillage selon l'invention présente de nombreux avantages par rapport à l'art antérieur. Le ou les capteurs enterrés (CE) sont à enfouir dans une profondeur de 2 m à 2,50 m, de sorte que le terrain récepteur est disponible. La surface de capteur enterré peut être réduite. La pompe à chaleur peut travailler avec un fluide tel que l'eau glycolée comprise à une température entre 0 C et 20 C avec donc un coefficient de performance nettement amélioré par rapport à l'art antérieur. La solution permet également d'absorber l'excédent de chaleur généré par les panneaux solaires qui est alors utilisé pour recharger le ou les capteurs enterrés ou augmenter la température de l'eau qu'utilise la pompe à chaleur. L'utilisation des électrovannes directionnelles permet d'avoir une mise en service en mode géothermie ou solaire si l'une d'entre elles venait à être hors service. La position des capteurs peut être à l'horizontal ou à la vertical, sans gêner au bon fonctionnement de l'installation. Le dispositif de l'invention est applicable sur des installations déjà existantes équipées d'une pompe à chaleur fonctionnent avec de l'eau glycolée avec l'adjonction du régulateur de débit (14) si les panneaux solaires existants ont un débit trop faibles. La solution de l'invention apporte ainsi de très nombreux avantages et 20 les essais qui ont été effectués par le Demandeur confirment l'excellent rendement de celle-ci par rapport à l'art antérieur. REVENDICATIONS -1- Installation de chauffage permettant un fonctionnement alternatif en chauffage solaire, géothermique, géosolaire, caractérisé en ce qu'elle comprend un dispositif d'aiguillage de fluide intégré dans une armoire (1) de commande, ladite armoire (1) étant agencée intérieurement pour la réception de différents aiguillages et de moyens du type circulateurs (8-9-10) et vannes (11-12-13) en relation de commande avec un dispositif de régulation programmée (7), et en ce que ladite armoire présente des branchements hydrauliques permettant des branchements (2) respectivement de panneaux solaires (PS) de capteurs enterrés (CE) du circuit primaire (CP) d'une pompe à chaleur (PAC) et de l'échangeur d'un ballon tampon (6) et en ce que extérieurement à l'armoire, l'installation comprend un réservoir d'eau chaude sanitaire (ECS) associé au ballon tampon, ainsi qu'un circulateur (9) entre la pompe à chaleur et le ballon tampon, et en ce que des sondes (Si, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8) sont disposées sur les différents moyens pour mesurer les températures correspondantes, et en ce que l'ensemble de ces moyens, permet la mise en oeuvre de l'installation selon l'invention dans une version optimisée de gestion de la demande et distribution de chaleur en combinant un fonctionnement en géothermie seule, en solaire seul, en géosolaire, en stockage de l'énergie, les différents circuits étant alternativement mis en route en fonction de la demande de chaleur, des conditions climatiques et environnantes, et des mesures de température déterminées sur chacun des circuits, et aussi de la programmation préétablie.- 2- Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'armoire comprend huit branchements principaux (2), deux (3) pour l'entrée/sortie du circuit capteur solaire (CS), deux (4) pour l'entrée/sortie du circuit capteur enterré (CE) (géothermie), deux (5) pour le circuit primaire entrée(CP) / sortie (CS) de la pompe à chaleur (PAC), et deux (6) pour le circuit entrée/sortie de l'échangeur du ballon tampon (BT) et du réservoir d'eau chaude sanitaire (ECS). - 3- Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend en option un régulateur de débit (14) intégré entre les branchements (3) du groupe panneau solaire (PS). - 4- Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que les électrovannes (11) et (12) sont directionnelles et l'électrovanne (13) est mitigeuse. - 5- Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend des circuits de circulation à partir de conduits de canalisation (20-21) avant et retour selon le sens de circulation mettent ainsi en relation le ou les capteurs enterrés (CE) avec le circuit primaire (CP) de la pompe à chaleur (PAC), dans le cadre du fonctionnement de l'installation en fonctionnement géothermique seul, avec donc un transit dans l'armoire (1) en intégrant un circulateur (8) et de part et d'autre de celui-ci des électrovannes (11-12), et en ce que le circulateur (8) et la vanne (11) directionnelle sont montés successivement sur le circuit (20), tandis que le circuit (21) est libre. - 6- Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend des circuits de circulation (22-23) à partir de conduit de canalisation selon lesens de circulation mettent ainsi en relation le ou les panneaux solaires (PS) avec le ballon tampon (BT), dans le cadre du fonctionnement de l'installation en fonctionnement solaire seul, avec donc un transit dans l'armoire (1) en intégrant un circulateur (10) et une électrovanne (13) mitigeuse, et en ce que la vanne mitigeuse (13) est montée sur le circuit (22) et le circulateur (10) sur le circuit (23). - 7- Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend des circuits de circulation (24-25) à partir de conduits de canalisation selon le sens de circulation mettent ainsi en relation le ou les panneaux solaires (PS), avec le ou les capteurs enterrés (CE) et le circuit primaire (CP) de la pompe à chaleur (PAC), dans le cadre du fonctionnement de l'installation en fonction combinée géo-solaire, avec donc un transit dans l'armoire (1) en intégrant le circulateur (8) et les électrovannes (13-12-11), et en ce que la vanne (13), le circulateur (8) et la vanne (11) sont successivement montés sur le circuit (24), tandis que la vanne (12) est montée en retour sur le circuit (25). - 8- Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend des circuits de circulation (26-27) à partir de conduits de canalisation mettent en relation le ou les panneaux solaires (PS) avec le ou les capteurs enterrés (CE), dans la cadre du fonctionnement stockage, avec donc un transit dans l'armoire (1) en intégrant le circulateur (8) et les électrovannes (13-12-11), et en ce que la vanne (13) est montée sur le circuit (26), et la vanne (12), le circulateur (8), la vanne (11) sur le circuit en retour (27). - 9- Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend des sondes respectivement associées (Si) pour les panneaux solaires (PS), (S2) pour les capteurs enterrés (CE), (S3) pour le réservoir d'eau chaudesanitaire (ECS), (S4) pour le circuit primaire (CP) de la pompe à chaleur, (S5) pour le ballon tampon (BT) en position haute, (S6) pour le ballon tampon (BT) en position basse, (S7) pour le départ chauffage, (S8) pour le retour de l'échangeur du ballon tampon (BT).