Brevet FR3002310A1 — publié le 20140822

L'invention concerne un appareil de chauffage et de production d'un fluide de stockage d'énergie, tel que de l'eau chaude, qui comporte un réservoir dans lequel est contenu ledit fluide, une source thermique pour chauffer ce fluide, ainsi qu'une enceinte isolante dans laquelle est placé le réservoir. Dans l'ensemble de la présente demande, l'exemple de fluide choisi est l'eau. Dans le langage courant, un tel appareil est généralement désigné sous l'expression "ballon d'eau chaude". Un tel réservoir, dont la contenance peut être de quelques dizaines à quelques centaines de litres, permet de disposer d'eau chaude sanitaire. Généralement, ce réservoir est ceinturé par une enceinte thermiquement isolante, afin de réduire au maximum les pertes de 15 chaleur. Le réservoir peut aussi être utilisé pour chauffer un espace tel qu'une pièce de vie et utilise à cet effet un échangeur de chaleur hydraulique. L'échangeur de chaleur transfère la chaleur du réservoir vers des "émetteurs" de chaleur, à savoir des radiateurs, via un réseau de 20 tubes, une pompe, etc. Ce système est complexe et d'un prix de revient élevé. De plus, sa performance est faible en raison des pertes de chaleur vers le radiateur. Et ceci est d'autant plus aberrant lorsque l'on a à chauffer 25 une petite surface telle qu'une chambre, un bureau ou un studio. Par ailleurs, on connaît notamment par les documents US 6,237,544, US 7,337,753, US 5,146,911 et US 6,318,304 des structures de ballons d'eau chaude dont l'eau est chauffée par un brûleur à gaz disposé sous le ballon et à l'intérieur de l'enceinte thermiquement isolé. Il 30 existe un espace entre la paroi externe du ballon et la paroi interne de l'enceinte, afin que les éventuelles fumées circulent. De tels dispositifs sont dangereux, tout particulièrement en raison de la présence d'un brûleur à gaz dans l'enceinte isolante. Partant de cet état de la technique, la présente invention a pour but de pallier les inconvénients énumérés ci-dessus. En d'autres termes, elle vise à fournir un appareil de chauffage et de production d'un fluide de stockage d'énergie qui soit de 5 structure simple, économique et qui permette d'utiliser le réservoir de fluide chaud comme source de chauffage. Ainsi, la présente invention se rapporte à un appareil de chauffage et de production d'un fluide de stockage d'énergie tel que d'eau chaude, qui comporte un réservoir dans lequel est contenue ledit fluide, 10 une source thermique pour chauffer le fluide, ainsi qu'une enceinte isolante dans laquelle est placé le réservoir, caractérisé en ce qu'au moins une zone dudit réservoir n'est pas en contact direct avec la paroi de l'enceinte, cette zone communiquant avec l'extérieur de cette enceinte isolante. 15 Selon d'autres caractéristiques non limitatives et avantageuses de l'invention : - ladite zone est en regard d'une ouverture formant fenêtre que comporte la paroi de ladite enceinte ; - ladite ouverture est pourvue d'au moins un volet 20 permettant de l'obturer à la demande ; - ledit volet est un volet pivotant ; - ledit volet est apte à pivoter autour d'un axe généralement vertical ou horizontal ; - l'ouverture est pourvue d'un ventilateur ; 25 - ledit volet présente une face interne pourvue d'une réservation permettant d'y loger ledit ventilateur quand ce volet est en position d'obturation ; - ledit volet est constitué d'une partie verticale de l'enceinte qui est mobile en translation par rapport à une seconde partie fixe de 30 l'enceinte, ces deux parties étant coaxiales, mais de diamètre différent ; - la portion du réservoir qui est en regard de la partie mobile dudit volet en ceinturée par un enroulement hélicoïdal d'échange thermique connectée à une source thermique ; - ladite source thermique est notamment choisie dans la 35 liste suivante : panneau solaire, chaudière ou pompe à chaleur déportée à l'extérieur du réservoir, résistance électrique, brûleur, notamment brûleur à gaz, condenseur d'une pompe à chaleur, chaudière ou pompe à chaleur intégrée dans le réservoir, poêle (à bois ou biomasse), échangeur connecté à une source d'énergie telle que chaudière, pompe à chaleur, panneau solaire ou poêle, ou une combinaison quelconque de certains de ceux-ci ; - ladite ouverture est pourvue d'une série de lamelles parallèles destinées à orienter le flux d'air réchauffé et à augmenter la surface d'échange avec l'air, ces lamelles étant de préférence fixées sur le réservoir de fluide ; - ladite source thermique est un échangeur, et ce dernier est connecté en série avec un second échangeur qui échange avec l'air ; - la surface du réservoir est ondulée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre. Elle sera 15 faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue simplifiée, en coupe transversale, d'un premier mode de réalisation de l'appareil de chauffage et de production d'eau chaude conforme à l'invention ; - les figures 2, 3 et 4sont des vues analogues à la figure 1, 20 respectivement d'un deuxième, d'un troisième et d'un quatrième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 est encore une vue partielle en coupe d'une variante du mode de réalisation de la figure 3 ; - les figures 6 et 7 sont respectivement des vues en coupe 25 longitudinale, respectivement transversale de deux autres modes de réalisation ; - les figures 8 et 9 sont respectivement des vues en coupe transversale, respectivement en perspective de deux nouvelles variantes ; - les figures 10 et 11 sont des vues analogues, en coupe 30 longitudinale, d'un mode de réalisation montrant deux positions différentes d'un volet coulissant ; - la figure 12 est similaire aux deux figures précédentes, mais montrent un mode de réalisation additionnel ; - enfin, les figures 13 et suivantes montrent des variantes 35 de réalisation du dispositif de la figure 12. En se reportant à la figure 1, on a affaire à une première forme de réalisation de l'invention relativement simple. Cet appareil 1 comprend un réservoir 2 d'eau chaude de type connu, par exemple en métal et d'une contenance d'une centaine de litres. Ses faces supérieure et inférieure sont respectivement référencées 20 et 21, tandis que sa surface latérale, ici cylindrique, est référencée 22. Bien entendu, toute autre forme de réservoir (ou "ballon") peut être envisagée. Ce réservoir renferme un moyen de chauffage 4 de l'eau qui consiste en une résistance électrique représenté de manière très schématique. Bien entendu, tout autre moyen de chauffage, intégré dans le réservoir ou situé à l'extérieur de celui-ci peut être envisagé. Il s'agit par exemple de l'un et/ou l'autre des moyens suivants : bruleur à gaz ou condenseur d'une pompe à chaleur ou un échangeur connecté à une source d'énergie (chaudière, pompe à chaleur, panneau solaire, poêle, etc.) Toujours de manière connue, le réservoir est disposé à l'intérieur et ceinturé par une enceinte 3 en matériau qui est un isolant 20 thermique, ceci, afin de perdre le minimum de calories emmagasinées par l'eau. Son sommet est référencé 30, tandis que sa base est référencée 31. Sa paroi latérale 32 présente une surface interne complémentaire de celle 22 du réservoir 2. 25 A titre d'exemple, le matériau qui constitue l'enceinte isolante 3 est de la mousse de polyuréthane. On peut bien entendu faire usage d'autres matériaux tels que polypropylène, polystyrène extrudé, polystyrène expansé, mousse phénolique, ou tout type de matériau qui a une faible conductivité thermique (À inférieure à 0.1 W/(m.K). 30 Conformément à l'invention, au moins une zone dudit réservoir 2 n'est pas en contact direct avec la paroi de l'enceinte 3, cette zone communiquant avec l'extérieur de cette enceinte isolante. Plus précisément, ladite zone est en regard d'une ouverture 320 formant fenêtre que comporte la paroi 32 de ladite enceinte 3. 35 Ainsi, on accepte en quelque sorte qu'une partie des calories accumulées par l'eau soit dissipée à l'extérieur. Toutefois, ce faisant, l'air ambiant symbolisé par la flèche f de la figure lèche la zone du réservoir en regard de la fenêtre, se réchauffe et se mélange à l'air ambiant, comme montré par la flèche g. On obtient ainsi un chauffage d'appoint à moindre coût, 5 surtout dans le cas où l'eau est chauffée par une pompe à chaleur, un panneau solaire, une chaudière ou un brûleur à gaz, ou un poêle à bois. Comme montré plus particulièrement à la figure 2, il est tout à fait possible d'équiper la fenêtre 320 d'un volet 5 que l'on referme sur la fenêtre, en période de non utilisation en tant que chauffage 10 d'appoint. Dans ce cas, le volet est de préférence articulé par rapport à un rebord de la fenêtre 320. Ici, l'axe 50 d'articulation du volet 5 est horizontal. Dans ces conditions, la forme extérieure de l'enceinte 3 s'inscrit préférentiellement dans un parallélépipède rectangle. En se reportant à la figure 3, on constate que le dispositif 15 comporte non seulement une ouverture 320 et un volet 5, identiques à ceux déjà décrits, mais également, au niveau du sommet 30 de l'enceinte 3, une autre ouverture 320 pourvue d'un volet 5' pivotant autour d'un axe horizontal 50'. On double ainsi la capacité de l'appareil 1 à chauffer l'air environnant. 20 Selon le mode de réalisation de la figure 4, on a affaire à un appareil similaire à celui de la figure 2, si ce n'est que la surface de du réservoir 2 n'est pas lisse, mais présente des ondulations (vagues) ou corrugations, ce qui augmente notablement la surface d'échange avec l'air environnant et, par voie de conséquence, l'échanges de calories. 25 La variante de la figure 5 se base également sur la structure de base décrite à la figure 2. Au sein de l'ouverture 320 est monté un ventilateur 6 qui est soit fixé au réservoir 2, soit à l'enceinte 3. Il peut être mis en route après que le volet ait été ouvert, en vue d'un meilleur échange d'air à 30 réchauffer. Une alternative peut être de prévoir un déclenchement automatique du ventilateur combiné à l'ouverture du volet 5 (et un arrêt combiné à sa fermeture). On notera que le volet 5 comporte, du côté de sa face interne, une réservation 51, dans laquelle le ventilateur se trouve logé 35 quand le volet est en position de fermeture. Le mode de réalisation de la figure 6 est toujours dans la même lignée. Ici, on a équipé l'ouverture 320 d'une série de lamelles parallèles destinées à orienter le flux d'air réchauffé. Plus précisément, ce sont des ailettes collées ou soudés ou brasées au réservoir 2 qui ont aussi pour fonction d'augmenter la surface d'échange avec l'air. Sur cette figure, les lamelles s'étendent horizontalement, tandis qu'à la figure 7, elles s'étendent verticalement. En référence à la figure 8, on a affaire à un appareil qui est pourvu non pas d'un, mais de deux volets 5 qui s'ouvrent et se ferment à la 10 manière des volets d'une fenêtre. A la figure 9, un seul volet est présent. Il est équipé de moyens non représentés mais connus de l'homme du métier, qui lui permettent, dans un premier temps, de s'écarter de l'enceinte 3, puis de glisser relativement à celle-ci, selon un mouvement en arc de cercle. 15 Les modes de réalisation qui suivent présentent globalement une structure différente. La paroi latérale de l'enceinte est constituée de deux parties, en l'occurrence d'une première partie 32' qui est mobile en translation par rapport à une seconde partie fixe 32 de l'enceinte. Bien 20 entendu, ces deux parties 32 et 32'sont coaxiales, mais de diamètre différent. Ici, la partie 32' a le plus petit diamètre. Cela est clairement illustré aux figures 10 et 11, les deux parties 32 et 32' étant représentées à la figure 10 dans leur position de fermeture, tandis qu'elles sont représentées en position d'ouverture à la 25 figure 11. Dans cette configuration, l'air extérieur peut lécher la surface du réservoir 2. Bien entendu, des moyens de guidage et de déplacement non représentés équipent cet appareil. A la figure 12, la partie mobile 32' est celle qui a le plus 30 grand diamètre et est déplacée vers le haut pour découvrir la surface du réservoir. On met à profit l'espace à l'aplomb de la partie fixe 32 pour mettre en place un échangeur de chaleur externe hélicoïdal 7. Dans ces conditions, le "radiateur" qui réchauffe l'air extérieur est constitué par la paroi du réservoir 2 et l'échangeur 7. 35 Bien entendu, l'échangeur peut avoir une autre forme (par exemple constitué de tubes parallèles). A la base, cet échangeur est destiné à chauffer l'eau du ballon à partir d'une source d'énergie à l'extérieur du réservoir de stockage L'appareil de la figure 13 est du même type. Toutefois, l'échangeur 7 est connecté, via des tuyaux 70 et 71, ainsi qu'une pompe 5 72, à un panneau solaire P. Il s'agit bien entendu d'un simple exemple. En lieu et place du panneau solaire, on peut envisager un bruleur à gaz, un condenseur de pompe à chaleur ou un échangeur connecté à une source d'énergie (chaudière, pompe à chaleur, panneau solaire, poêle, etc.) 10 A la figure 14, l'échangeur 7 est connecté à une pompe à chaleur 8 de type connu, qui ne sera donc pas détaillée ici. Cette pompe à chaleur repose sur la partie supérieure 30 de l'enceinte, de sorte que l'encombrement au sol de l'appareil est le même que dans les modes de réalisation décrits plus hauts. 15 On peut aussi imaginer que la pompe à chaleur soit déportée loin du réservoir, avec une connexion adaptée. Cet échangeur contient du réfrigérant ou bien un fluide caloporteur qui récupère les calories de la pompe à chaleur et les injecte dans l'eau du réservoir. 20 Le mode de réalisation de la figure 15 est identique au précédent, si ce n'est que l'on a monté en série avec la pompe à chaleur 8 un condenseur 9 monté au niveau de l'ouverture dégagée par la partie coulissante 32. Quand l'eau contenue dans le réservoir est suffisamment 25 chaude, l'échangeur 7 (qui peut être aussi bien à l'intérieur qu'à l'extérieur du réservoir) arrête de chauffer cette eau et on opère alors un réchauffage de l'air environnant, par le biais du condenseur 9 ou d'un refroidisseur à gaz. La figure 16 représente une variante de l'appareil de la 30 figure 15, dans lequel on a intercalé, entre la paroi du réservoir 2 et le condenseur 9, un ventilateur 6 qui a pour fonction essentielle de provoquer un brassage de l'air à réchauffer. La figure 17 représente une variante de réalisation de l'appareil de la figure 13, dans laquelle un ventilateur 6 est placé dans 35 l'ouverture 320, ainsi qu'un échangeur de chaleur additionnel 9'. De plus, l'échangeur 7 est connecté au panneau solaire P via cet échangeur additionneur 9' et la pompe 72. La variante de la figure 18 diffère de celle de la figure 17 en ce que le panneau solaire P est remplacé par un brûleur à gaz ou fioul B. Il est bien entendu possible de modifier la source, avec une chaudière ou panneau solaire par exemple. Le système peut aussi être couplé à un panneau solaire ou chaudière à gaz. Dans ce cas, l'échangeur n'est par frigorifique mais 10 hydraulique. Le circuit ou raccordement entre la pompe à chaleur et l'échangeur du ballon peut être hydraulique ou frigorifique. Le circuit pour les autres sources d'énergies (Panneau solaire, chaudière, etc.) seulement est hydraulique. REVENDICATIONS1. Appareil (1) de chauffage et de production d'un fluide de stockage d'énergie tel que de l'eau, qui comporte un réservoir (2) dans lequel est contenue ledit fluide, une source thermique (4) pour chauffer l'eau, ainsi qu'une enceinte isolante (3) dans laquelle est placé le réservoir (2), caractérisé en ce qu'au moins une zone (22) dudit réservoir (2) n'est pas en contact direct avec la paroi de l'enceinte (3) cette zone communiquant avec l'extérieur de cette enceinte isolante (3). 2. Appareil de chauffage selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite zone est en regard d'une ouverture (320) 10 formant fenêtre que comporte la paroi de ladite enceinte. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ladite ouverture (320) est pourvue d'au moins un volet (5, 5') permettant de l'obturer à la demande. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé par le fait 15 que ledit volet (5, 5') est un volet pivotant. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ledit volet (5, 5') est apte à pivoter autour d'un axe (50, 50') généralement vertical ou horizontal. 6. Appareil selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé 20 par le fait que l'ouverture (320) est pourvue d'un ventilateur (6). 7. Appareil selon les revendications 3 et 6 prises en combinaison, caractérisé par le fait que ledit volet (5) présente une face interne pourvue d'une réservation (51) permettant d'y loger ledit ventilateur (6) quand ce volet (5) est en position d'obturation. 8. Appareil selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ledit volet est constitué d'une partie verticale de l'enceinte (32') qui est mobile en translation par rapport à une seconde partie fixe de l'enceinte (32), ces deux parties étant coaxiales, mais de diamètre différent. 9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé par le fait que la portion du réservoir qui est en regard de la partie mobile (32') dudit volet est ceinturée par un enroulement hélicoïdal (7) d'échange thermique connectée à une source thermique (4, 8). 10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé par le fait que ladite source thermique (4, 8) est notamment choisie dans la liste suivante : panneau solaire, chaudière ou pompe à chaleur déportée à l'extérieur du réservoir, résistance électrique, bruleur à gaz, condenseur 5 d'une pompe à chaleur, chaudière ou pompe à chaleur intégrée dans le réservoir, poêle à bois ou à biomasse, échangeur connecté à une source d'énergie (chaudière, pompe à chaleur, panneau solaire, poêle, etc.) ou une combinaison de ceux-ci. 11. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ladite ouverture (320) est pourvue d'une série de lamelles parallèles destinées à orienter le flux d'air réchauffé et à augmenter la surface d'échange avec l'air, ces lamelles étant de préférence fixées sur le réservoir de fluide (2). 12. Appareil selon la revendication 10, dans lequel ladite 15 source thermique (4,8) est un échangeur, caractérisé par le fait que ce dernier est connecté en série avec un second échangeur qui échange avec l'air. 13. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la surface du réservoir (2) est ondulée.