Brevet FR2950417A1 — publié le 20110325

Installation solaire mixte de chauffage et d'eau chaude sanitaire. Domaine technique de l'invention L'invention est relative à une installation mixte de chauffage solaire et de production d'eau chaude sanitaire, comportant un circuit hydraulique à fluide caloporteur, raccordé à : - un système de production d'énergie solaire ayant au moins un capteur solaire thermique, une source d'appoint insérée dans un circuit hydraulique d'appoint, un ballon de stockage renfermant une première zone de chauffage solaire, et une deuxième zone de chauffage d'appoint, - et des moyens hydrauliques de guidage comprenant une première vanne de distribution pour diriger le fluide caloporteur circulant dans des circuits élémentaires de chauffage vers l'énergie solaire ou vers l'énergie d'appoint. État de la technique Les installations mixtes de chauffage et de production chaude sanitaire solaire permettent une certaine économie d'énergie. Mais ces économies d'énergie ont besoin d'être augmentées pour améliorer le retour sur investissement et atteindre un marché de masse. Tous les systèmes connus ont au moins un des inconvénients suivants : L'énergie solaire doit traverser la chaudière de la source d'appoint (voir documents BE 1017461 et EP 1983267). Les déperditions de l'appoint so réduisent l'efficacité et l'économie d'énergie. Un autre inconvénient est la limitation de la température de stockage dans le ballon à la température maximum admissible par l'appoint. L'énergie stockée et l'économie d'énergie sont alors plus faibles. L'énergie de la source d'appoint doit passer d'abord dans le ballon de stockage avant les zones de chauffage (voir document WO 2008/051646). Cela réduit l'efficacité d'énergie. Cela limite l'intérêt du refroidissement si la source d'appoint est une pompe à chaleur. Tous les retours de zones à chauffer par l'appoint ne reviennent pas sur le même tuyau du même côté de la vanne trois voies de distribution. Il est alors impossible de réaliser le comptage énergétique avec un seul débitmètre et deux sondes de température. Objet de l'invention L'objet de l'invention consiste à réaliser une installation solaire mixte de chauffage et de production d'eau chaude sanitaire permettant d'améliorer l'économie d'énergie, et de simplifier le circuit hydraulique pour le comptage de l'énergie et le basculement du solaire vers l'appoint. 20 L'installation de chauffage selon l'invention est caractérisée en ce que les circuits élémentaires de chauffage, et le circuit hydraulique d'appoint sont tous raccordés en dérivation du même côté de la vanne de distribution pour que l'énergie solaire en provenance du capteur solaire thermique puisse 25 chauffer les zones de chauffage sans passer par la source d'appoint, et que la source d'appoint puisse alimenter lesdites zones de chauffage sans passer dans le ballon de stockage. La première vanne de distribution est raccordée à la sortie des circuits 30 élémentaires de chauffage par un tuyau de sortie commune sur lequel est monté un débitmètre unique pour le comptage énergétique en provenance de15 l'énergie solaire et de l'énergie d'appoint. II suffit de placer une première sonde de température à l'entrée des circuits élémentaires de chauffage, et une deuxième sonde de température sur le tuyau inférieur avant le débitmètre. La source d'appoint est raccordée à l'entrée des circuits élémentaires de chauffage, et à l'une des sorties de la première vanne de distribution. Selon un premier mode de réalisation, le capteur solaire thermique est 10 raccordé directement à l'entrée des circuits élémentaires de chauffage et est en liaison avec l'autre sortie de la première vanne de distribution. Selon un deuxième mode de réalisation, le capteur solaire thermique est raccordé à l'entrée des circuits élémentaires de chauffage et est en liaison 15 avec une deuxième vanne de distribution, raccordée soit au ballon de stockage principal, soit à un ballon de stockage supplémentaire. La deuxième vanne de distribution est alors disposée en série avec la première vanne de distribution. 20 Selon une caractéristique de l'invention, le ballon de stockage est du type à accumulation, renfermant à la partie inférieure un premier échangeur thermique raccordé au capteur solaire thermique dans un premier circuit hydraulique solaire, et à la partie supérieure un deuxième échangeur thermique inséré dans un circuit hydraulique d'appoint raccordé en parallèle 25 avec les circuits élémentaires de chauffage. Selon une autre caractéristique, l'installation comporte - un circuit primaire constitué par le circuit hydraulique solaire passant à travers un circulateur dans le capteur solaire thermique et dans le ballon de 30 stockage,5 - et un circuit secondaire passant par les circuits élémentaires de chauffage pour reprendre le fluide caloporteur à l'intérieur du ballon de stockage, lequel est réchauffé soit par l'énergie solaire du capteur thermique, soit par la source d'appoint. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention 10 donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 représente schématiquement une installation solaire mixte de chauffage et d'eau chaude sanitaire selon l'invention ; 15 les figures 2 à 5 montrent diverses variantes de réalisation de la figure 1. Description détaillée de l'invention 20 En référence à la figure 1, une installation de chauffage 10 d'un local ou d'une maison, comporte un circuit hydraulique 11 de chauffage et de production d'eau chaude sanitaire au moyen de l'énergie solaire et d'une énergie d'appoint. 25 Le circuit hydraulique 11 est raccordé à au moins un capteur solaire thermique 12 destiné à capter l'énergie solaire pour réchauffer un fluide caloporteur lors de son passage dans le capteur 12. Le circuit hydraulique 11 comporte en plus un ballon de stockage 13, une source d'appoint 14 et des moyens de guidage pour diriger le fluide caloporteur circulant dans des 30 zones de chauffage ZCH1, ZCH2, ZCH3, vers l'énergie solaire ou vers l'énergie d'appoint.5 Le fluide caloporteur peut être de l'eau glycolée, ou tout autre liquide mélangé avec de l'antigel. Les zones de chauffage ZCH1, ZCH2, ZCH3 sont des émetteurs de chaleur à base de planchers chauffants et/ou de radiateurs hydrauliques répartis dans des circuits élémentaires de chauffage CC1, CC2, CC3 raccordés en parallèle au circuit hydraulique 11 principal. Dans chaque circuit élémentaire de chauffage CC1, CC2, CC3 se trouve un circulateur Cl, C2, C3 entraîné par un moteur électrique à vitesse fixe ou variable. Un clapet anti-retour 15 est connecté en série avec chaque circulateur Cl, C2, C3. La source d'appoint 14 permet d'apporter un complément d'énergie à l'énergie solaire, et peut être une pompe à chaleur, ou une chaudière de tout type, notamment à fuel, gaz, électrique ou à bois. Le ballon de stockage 13 sert à stocker les calories, et est du type à accumulation dans le cas de la figure 1. L'eau chauffée est de l'eau sanitaire, l'eau froide EF entrant à la base du ballon 13, et l'eau chaude EC étant disponible au sommet. Le ballon de stockage 13 renferme un premier échangeur thermique 16 à la partie inférieure, et un deuxième échangeur thermique 17 à la partie supérieure. Le premier échangeur thermique 16 du ballon de stockage 13 est raccordé hydrauliquement au capteur solaire thermique 12 à travers un circulateur C4 et un clapet anti-retour 15, l'ensemble étant branché dans un premier circuit hydraulique solaire CS1 parcouru par le fluide caloporteur. L'eau sanitaire dans la première zone de chauffage L1 du ballon de stockage 13 est ainsi réchauffée par l'énergie solaire issue du capteur solaire thermique 12.30 Le deuxième échangeur thermique 17 du ballon de stockage 13 délimite à la partie supérieure une deuxième zone de chauffage L2 du ballon 13 par la source d'appoint 14. Le deuxième échangeur thermique 17 se trouve inséré dans un circuit hydraulique d'appoint CA raccordé en parallèle avec les circuits élémentaires de chauffage CC1, CC2, CC3. Un circulateur C5 et un clapet anti-retour 15 sont également connectés dans le circuit hydraulique d'appoint CA. Les moyens de guidage du fluide caloporteur dans le circuit hydraulique 11 io comportent dans le cas de la figure 1, une première vanne de distribution V1 du type à trois voies permettant de diriger le fluide caloporteur vers le solaire ou l'appoint. L'entrée E de la première vanne de distribution V1 est en liaison par un tuyau inférieur 18 unique avec des piquages reliés d'un même côté aux clapets anti-retour 15 des différents circuits élémentaires de chauffage 15 CC1, CC2, CC3. L'une des sorties S1 de la première vanne de distribution V1 est raccordée à la source d'appoint 14 par une conduite de liaison CL1, et l'autre sortie S2 est reliée par une conduite de liaison CL2 au capteur solaire thermique 12. Les piquages opposés des circuits élémentaires de chauffage CC1, CC2, CC3 sont tous reliés par un tuyau supérieur 19 à la source 20 d'appoint 14 et au capteur solaire thermique 12. On remarque que les circuits élémentaires de chauffage CC1, CC2, CC3 et le circuit hydraulique d'appoint CA sont raccordés en dérivation sur les tuyaux 18, 19, en étant situés du même côté de la vanne de distribution V1. 25 La source d'appoint 14 est branchée entre le tuyau supérieur 19 et la sortie S1 de la vanne de distribution V1. Le capteur solaire thermique 12 est raccordé en parallèle d'une part aux circuits élémentaires de chauffage CC1, CC2, CC3 à travers la vanne de distribution V1, et d'autre part au circuit hydraulique solaire CS incluant le premier échangeur thermique 16. 30 Le même fluide caloporteur circule dans les circuits élémentaires de chauffage CC1, CC2, CC3, dans le capteur solaire thermique 12, et dans les échangeurs thermiques 16, 17 du ballon de stockage 13. Le fonctionnement de l'installation de chauffage 10 selon la figure 1 est le suivant : Pour la production d'eau chaude sanitaire dans le ballon de stockage 13, l'eau froide EF sanitaire entre dans le ballon 13 par le bas à travers une tubulure d'admission 20, et l'eau chaude EC en sort par le haut à travers une tubulure d'échappement 21. L'eau sanitaire est chauffée dans la première zone de chauffage L1 par le premier échangeur thermique 16 couplé au capteur solaire thermique 12, et dans la deuxième zone de chauffage L2 par le deuxième échangeur thermique 17 du circuit hydraulique d'appoint CA. La vanne de distribution V1 a pour fonction de diriger le fluide caloporteur vers le capteur solaire thermique 12, ou vers la source d'appoint 14. Elle permet de choisir la source d'énergie. Le capteur solaire thermique 12 permet de chauffer directement les deux zones de chauffage L1 et L2 du ballon de stockage 13, ainsi que les zones de chauffage ZCH1, ZCH2, ZCH3 des circuits élémentaires de chauffage CC1, CC2, CC3. La vanne de distribution V1 se trouve dans une première position faisant communiquer l'entrée E et la sortie S2. L'autre sortie S1 de la vanne de distribution V1 est alors fermée, obligeant le retour du fluide caloporteur vers le capteur solaire thermique 12 à travers la conduite de liaison CL2. Le fluide caloporteur, après avoir été réchauffé dans le capteur solaire thermique 12, se répartit ainsi dans l'échangeur thermique 16 du premier circuit hydraulique solaire CS1, dans l'autre échangeur thermique 17 du circuit hydraulique d'appoint CA, et dans les circuits élémentaires de chauffage CC1, CC2, CC3, tous ces circuits étant raccordés en parallèle. Dans ce cas, l'énergie solaire peut chauffer la deuxième zone de chauffage L2 du ballon de stockage 13 sans passer par la source d'appoint 14. La source d'appoint 14 peut aussi être activée séparément en l'absence d'énergie solaire. La vanne de distribution V1 est basculée vers une deuxième position faisant communiquer l'entrée E et la sortie S1. L'autre sortie S2 de la vanne de distribution V1 est alors fermée, obligeant le retour du fluide caloporteur vers la source d'appoint 14. Les zones de chauffage ZCH1, ZCH2, ZCH3 des circuits élémentaires de chauffage CC1, CC2, CC3 en dérivation, sont alors chauffées directement par la source d'appoint 14 sans que le fluide caloporteur passe dans le ballon de stockage 13. L'eau sanitaire dans le ballon de stockage 13 est réchauffée par l'énergie d'appoint grâce à l'échangeur thermique 17 parcouru par le fluide caloporteur du circuit d'appoint CA. Le chauffage direct des zones de chauffage ZCH1, ZCH2, ZCH3 permet une économie d'énergie en supprimant les pertes supplémentaires de calories liées au passage dans des composants hydrauliques. Le rendement calorifique est ainsi amélioré. Etant donné que les circuits élémentaires de chauffage CC1, CC2, CC3, et le circuit hydraulique d'appoint CA sont tous raccordés en dérivation du même côté de la vanne de distribution V1, il est possible de monter un débitmètre 22 sur le tuyau inférieur 18 pour assurer le comptage énergétique de toutes les zones de chauffage ZCH1, ZCH2, ZCH3. Une première sonde de température Ti est placée sur le tuyau supérieur 19, et une deuxième sonde de température T2 est placée sur le tuyau inférieur 18. Dans les variantes illustrées aux figures 2 à 5, les mêmes numéros de repères seront utilisés pour désigner des pièces identiques ou similaires. Dans l'exemple de la figure 2, l'installation de chauffage 100 possède un circuit hydraulique 111 identique à celui de la figure 1, avec en plus un ballon de stockage 130 supplémentaire agencé entre le capteur solaire thermique 12 et le premier ballon de stockage 13. Le ballon de stockage 130 supplémentaire est rempli d'eau morte pouvant être réchauffée par un troisième échangeur thermique 23 interne. Ce dernier est inséré dans un deuxième circuit hydraulique solaire CS2, comprenant un circulateur C6 et un clapet-anti-retour 15, en série avec le troisième échangeur thermique 23. Les deux circuits hydrauliques solaires CS1 et CS2 sont raccordés en dérivation. Une deuxième vanne de distribution V2 est branchée entre le troisième échangeur thermique 23 et le capteur solaire thermique 12 pour diriger le fluide caloporteur en provenance des zones de chauffage ZCH1, ZCH2, ZCH3 des circuits élémentaires de chauffage CC1, CC2, CC3 vers le capteur solaire 12 ou vers un ballon de stockage 130 supplémentaire. Des capteurs de température T3, T4 sont prévus respectivement à l'entrée de la deuxième vanne de distribution V2, et en sortie du ballon de stockage 130 pour piloter le sens d'écoulement du fluide caloporteur. Un tel stockage supplémentaire permet d'accroître l'autonomie solaire et l'économie d'énergie. Selon l'installation de chauffage 200 de la figure 3, le circuit hydraulique 211 avec stockage supplémentaire est identique à celui 111 de la figure 2, avec en plus une troisième vanne de distribution V3 insérée entre les échangeurs thermiques 23, 16 des deux ballons de stockage 130, 13. Le circulateur C6 de la figure 2 peut alors être alors supprimé, seul est conservé le circulateur C4, raccordé entre la troisième vanne de distribution, et un noeud 24 commun entre les deux vannes de distribution V1 et V2. Les installations 10, 100, 200 des figures 1 à 3 représentent différentes variantes avec un ballon de stockage 13 principal à accumulation, l'eau chauffée étant de l'eau sanitaire. Il est également possible de stocker l'énergie du ballon de stockage 13 principal avec de l'eau morte ou autre élément de stockage thermique. De tels exemples sont illustrés dans les installations 300 et 400 des figures 4 et 5. Selon l'installation 300 de la figure 4, le circuit hydraulique 311 est comparable à celui de la figure 1 ou 2, avec en plus la deuxième vanne de distribution V2 insérée dans la conduite de liaison CL2 entre le capteur thermique 12 et la première vanne de distribution V1. La deuxième vanne de distribution V2 est susceptible de diriger le fluide caloporteur en provenance des zones de chauffage ZCH1, ZCH2, ZCH3 des circuits élémentaires de chauffage CC1, CC2, CC3 vers le capteur solaire 12 ou vers le ballon de stockage 13 principal. II en résulte une économie d'énergie grâce à la récupération de calories stockées utilisable en chauffage. Le troisième échangeur thermique 23 est placé dans ce cas à l'intérieur du ballon de stockage 13 principal, et est parcouru par de l'eau sanitaire EF, EC. Selon l'installation 400 de la figure 5, le circuit hydraulique 411 est comparable à celui de la figure 4, mais sans le deuxième échangeur thermique 17. Un circuit primaire constitué par le circuit hydraulique solaire CS1 passe à travers le circulateur C4 dans le capteur solaire thermique 12, et dans la premier échangeur thermique 16 du ballon de stockage 13. Le circuit secondaire passant par les zones de chauffage ZCH1, ZCH2, ZCH3 des circuits élémentaires de chauffage CC1, CC2, CC3 reprend le fluide caloporteur à l'intérieur du ballon de stockage 13, lequel est réchauffé soit par l'énergie solaire du capteur thermique 12, soit par la source d'appoint 14. Le tuyau supérieur 19 est raccordé à la partie supérieure du ballon de stockage 13, et la sortie S2 de la première vanne de distribution V1 est intercalée entre le tuyau inférieur 18 et la partie inférieure du ballon 13. La source d'appoint 14 est branchée entre le tuyau supérieur 19, et l'autre sortie Revendications1. Installation (10, 100, 200, 300, 400) mixte de chauffage solaire et de production d'eau chaude sanitaire, comportant un circuit hydraulique (11, 111, 211, 311, 411) à fluide caloporteur, raccordé à : un système de production d'énergie solaire ayant au moins un capteur solaire thermique (12), une source d'appoint (14) insérée dans un circuit hydraulique d'appoint (CA), - un ballon de stockage (13) renfermant une première zone de chauffage solaire (L1), et une deuxième zone de chauffage d'appoint (L2), - et des moyens hydrauliques de guidage comprenant une première vanne de distribution (V1) pour diriger le fluide caloporteur circulant dans des circuits élémentaires de chauffage (CC1, CC2, CC3) vers l'énergie solaire ou vers l'énergie d'appoint, caractérisée en ce que les circuits élémentaires de chauffage (CC1, CC2, CC3), et le circuit hydraulique d'appoint (CA) sont tous raccordés en dérivation du même côté de la vanne de distribution (V1) pour que l'énergie solaire en provenance du capteur solaire thermique (12) puisse chauffer les zones de chauffage (ZCH1, ZCH2, ZCH3) sans passer par la source d'appoint (14), et que la source d'appoint (14) puisse alimenter lesdites zones de chauffage sans passer dans le ballon de stockage (13). 2. Installation (10, 100, 200, 300, 400) mixte de chauffage solaire et de production d'eau chaude sanitaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première vanne de distribution (V1) est raccordée à la sortie des circuits élémentaires de chauffage (CC1, CC2, CC3) par un tuyau (18) de sortie commune sur lequel est monté un débitmètre (22) unique pour le 12 comptage énergétique en provenance de l'énergie solaire et de l'énergie d'appoint. 3. Installation (10, 100, 200, 300, 400) mixte de chauffage solaire et de production d'eau chaude sanitaire selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'une première sonde de température (Ti) est placée à l'entrée des circuits élémentaires de chauffage (CC1, CC2, CC3), et une deuxième sonde de température (T2) est prévue sur le tuyau inférieur (18) avant le débitmètre (22). 4. Installation (10, 100, 200, 300, 400) mixte de chauffage solaire et de production d'eau chaude sanitaire selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la source d'appoint (14) est raccordée dans une conduite de liaison (CL1) d'une part à l'entrée des circuits élémentaires de chauffage (CC1, CC2, CC3), et d'autre part à l'une des sorties (Si) de la première vanne de distribution (V1). 5. Installation (10) mixte de chauffage solaire et de production d'eau chaude sanitaire selon la revendication 4, caractérisée en ce que le capteur solaire thermique (12) est raccordé à l'entrée des circuits élémentaires de chauffage (CC1, CC2, CC3) et est en liaison avec l'autre sortie (S2) de la première vanne de distribution (V1). 6. Installation (100, 200, 300) mixte de chauffage solaire et de production d'eau chaude sanitaire selon la revendication 4, caractérisée en ce que le capteur solaire thermique (12) est raccordé à l'entrée des circuits élémentaires de chauffage (CC1, CC2, CC3), et est en liaison avec une deuxième vanne de distribution (V2) raccordée soit au ballon de stockage (13) principal, soit à un ballon de stockage supplémentaire (130).30 7. Installation (10, 100, 200) mixte de chauffage solaire et de production d'eau chaude sanitaire selon la revendication 5, caractérisée en ce que le ballon de stockage (13) à accumulation renferme à la partie inférieure un premier échangeur thermique (16) raccordé hydrauliquement au capteur solaire thermique (12) dans un premier circuit hydraulique solaire (CS1), et qu'un deuxième échangeur thermique (17) situé à la partie supérieure, est inséré dans un circuit hydraulique d'appoint (CA) raccordé en parallèle avec les circuits élémentaires de chauffage (CC1, CC2, CC3). 8. Installation mixte de chauffage solaire et de production d'eau chaude sanitaire selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le même fluide caloporteur circule dans le capteur solaire thermique (12), les ballons de stockage (13, 130), la source d'appoint (14) et les circuits élémentaires de chauffage (CC1, CC2, CC3). 9. Installation (400) mixte de chauffage solaire et de production d'eau chaude sanitaire selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comporte : - un circuit primaire constitué par le circuit hydraulique solaire (CS1) passant à travers un circulateur (C4) dans le capteur solaire thermique (12) et dans le premier échangeur thermique (16) du ballon de stockage (13), - un circuit secondaire passant par les circuits élémentaires de chauffage (CC1, CC2, CC3) pour reprendre le fluide caloporteur à l'intérieur du ballon de stockage (13), lequel est réchauffé soit par l'énergie solaire du capteur thermique (12), soit par la source d'appoint (14).