Brevet FR3109208A1 — publié le 20211015

L’invention porte sur une installation de chauffage solaire qui permet d’obtenir une autonomie totale pour un habitat neuf ou ancien, tout en garantissant un retour sur investissement court. L’invention utilise une réserve souple contenant de l’eau. Cette réserve est isolée thermiquement de préférence avec un matériau biosourcé situé sur toute sa périphérie. Les calories sont stockées sur une durée de cycle annuel. Figure affiliée : FIGURE 1. Installation de chauffage solaire autonome et peu coûteux d’un habitat. La présente invention concerne le domaine général de la production et du stockage inter saisonnier d’une source de chaleur, de préférence pour l’habitat, l’industrie ou le tertiaire. Elle permet de réaliser par exemple un chauffage autonome totalement alimenté par les apports solaires. Le réchauffement climatique nécessite de trouver des solutions efficaces pour que la planète soit encore habitable pour les générations futures. La demande énergétique dans le secteur du bâtiment (résidentiel + tertiaire) représente environ la moitié de l’énergie consommée et le quart des émissions de gaz à effet de serre (ADEME). La majeure partie de cette énergie est consommée pour le chauffage des bâtiments (plus de 60%, CEREN, 2012). Les accidents climatiques réguliers finissent par convaincre les plus réticents, le réchauffement climatique causé par l’activité humaine est aujourd’hui l’explication partagée par le plus grand nombre. De plus en plus, les organisations politiques (Union Européenne, gouvernements) se fixent donc des objectifs ambitieux de réduction des gaz à effet de serre. Le facteur de décision majeur pour que des solutions réellement écologiques soient déployées à grande échelle est leur coût de revient global. Un investisseur, qu’il soit particulier ou représentant d’une collectivité, va inévitablement comparer les coûts d’acquisition et le coût de fonctionnement avant de prendre sa décision. Ces coûts peuvent être artificiellement réduits par le biais des subventions, mais cette approche ne peut être pérenne. C’est précisément là où l’invention proposée apporte une réponse : elle permet d’installer une production de chauffage écologique, intégralement alimentée par le soleil, avec un retour sur investissement compris entre 3 à 10 ans alors que les solutions concurrentes dépassent généralement largement les 20 ans. Depuis longtemps, l’être humain a imaginé de conserver la chaleur disponible en été pour l’utiliser en hiver et ainsi se chauffer écologiquement et gratuitement. La grande difficulté de cette technique est le stockage de cette chaleur sur toute la durée de l’intersaison. Il faut utiliser pour cela une matière capable d’emmagasiner une grande quantité d’énergie. Différents matériaux ont été envisagés : On peut citer la terre, la roche, le métal, l’eau ou encore le sel. D’autre part, cette matière doit être isolée thermiquement du froid de l’hiver pour qu’elle ne perde pas toute son énergie et qu’il en reste ainsi suffisamment pour les derniers jours de la saison où le chauffage est encore nécessaire. Il existe une grande diversité de matériaux isolants : Il y a les laines minérales, le polystyrène et le polyuréthane qui peuvent être extrudés ou en billes. Pour améliorer encore l’impact écologique tout au long du cycle de vie de ces matériaux, Il est aussi possible d’utiliser des matériaux biosourcés comme le bois ou la paille par exemple. Il est connu de l'état de la technique un dispositif ayant fait l'objet d'une demande de brevet FR3071045. Ce dispositif a pour principal inconvénient l’absence d’isolation de la source de chaleur, obligeant un surdimensionnement et un coût prohibitif. Une autre demande de brevet FR 3048493 fait état d’un réservoir de stockage à fonctionnement optimisé. La solution de stockage avec une cuve rigide est trop coûteuse pour permettre là aussi un retour sur investissement acceptable pour un investisseur. L’idée maitresse de la présente invention est de rendre économiquement intéressant le stockage de calories inter-saisonnier grâce à une utilisation astucieuse de matériaux écologiques. Elle permet ainsi d’obtenir une autonomie totale en chauffage pour un habitat neuf ou ancien. L’invention proposée met en œuvre un stockage d’eau chaude dans une réserve souple isolée par un matériau biosourcé comme de la paille par exemple. L’eau est chauffée soit directement par une ouverture vitrée laissant passer le rayonnement solaire au sommet de la réserve, ou suivant une autre variante, par des capteurs solaires thermiques indépendants. La réserve peut être totalement ou partiellement enterrée en fonction des configurations de l’installation. L’eau utilisée pour le stockage de l’énergie est à la fois facilement disponible (pluie, rivière, nappe phréatique, eau de ville, …) et dispose d’une excellente performance thermique (4000 Joules par degrés et par kilogramme). La réserve d’eau est souple et peut être constituée de PVC, polyester, avec différents types de tissus techniques. Il existe plusieurs fabricants de ce type de citerne pour un budget très inférieur à une solution en dur. En effet, une citerne souple est au moins cinq fois moins coûteuse que l’équivalent en béton armé ou en métal par exemple. La présente invention est parfaitement adaptée à l’utilisation d’un plancher chauffant disposé sur toute la surface habitable du bâtiment puisque qu’il n’est alors pas nécessaire d’avoir recours à un moyen supplémentaire de production de chauffage. Le liquide caloporteur du plancher chauffant peut être directement l’eau de la réserve, ou encore un circuit séparé muni d’un serpentin immergé dans la réserve pour capter les calories. Si la mise en place d’un plancher chauffant s’avère impossible ou peu souhaitable, en rénovation par exemple, il est possible d’utiliser un moyen de chauffage additionnel. Dans ce cas, l’autonomie totale de la solution n’est plus garantie. La forme de la réserve d’eau de la présente invention est optimisée, c’est-à-dire qu’elle s’approche au maximum de la sphère. En effet, les déperditions thermiques sont liées à la surface d’échange de la réserve d’eau avec le milieu extérieur alors que la quantité de calories stockées dépendent du volume de la même réserve. Pour que le stockage inter saisonnier soit opérant, il faut que la constante de temps thermique de la réserve d’eau soit suffisamment élevée pour qu’il reste assez d’énergie à la fin de la saison froide, avant que le soleil ne vienne élever la température de la réserve à nouveau. Cette constante de temps est proportionnelle au volume d’eau divisé par la surface d’échange extérieur. A titre d’information, si on fixe le volume total à stocker égal à 200m3, la constante de temps de stockage est proportionnelle au rapport entre le volume et la surface, soit : - 1,21 pour la sphère (rayon 3,63m) - 1,05 pour un cylindre de rayon 3,02m et de hauteur 7m - 0,97 pour un cube de 5,85m de côté - 0,86 pour une cuve rectangulaire 2,5m x 7m x 11,43m A titre de comparaison, par rapport à une cuve rectangulaire qui serait disposée sous une maison particulière de 150m2 environ (hauteur 2,5m, largeur de 7m, longueur 11,43m) le fait d’utiliser une forme sphérique de 3,63m de rayon apporte un gain de 34% environ sur la constante de temps de la réserve. Pour des questions de réalisation pratique et si le coût de terrassement est plus élevé avec une forme strictement sphérique, dans le but d’optimiser le coût global de la solution, la forme sphérique pourra être légèrement aplatie. Une possibilité supplémentaire est offerte par la présente invention en ce qui concerne l’eau chaude sanitaire. En option, il est possible d’utiliser un serpentin immergé dans la réserve d’eau chaude. Dans ce serpentin circule l’arrivée d’eau à chauffer. En captant ainsi les calories de la réserve, l’entrée du dispositif de chauffage d’eau chaude sanitaire a déjà bénéficié d’une élévation de température. La consommation énergétique de production d’eau chaude sanitaire sera alors divisée par un facteur deux environ, ce qui représente gain économique et technique. Comparée aux solutions alternatives de chauffage pour l’habitat, l’invention proposée dispose d’avantages techniques, écologiques et économiques majeurs : - Elle ne nécessite pas de combustion et n’émet pas de CO2, contrairement aux chaudières à gaz par exemple. - Elle de contient pas de fluides frigorigènes destructeurs de la couche d’ozone, contrairement aux pompes à chaleurs par exemple. - La pollution inévitable liée à sa fabrication est extrêmement limitée si on la compare par exemple aux procédés de raffinage du silicium des panneaux solaires photovoltaïques. - Elle dispose d’un bon rendement en prélevant directement l’énergie solaire sans intermédiaire, elle récupère ainsi 4 fois plus d’énergie surfacique que les panneaux photovoltaïques. - Elle est techniquement très simple, ne requière que des solutions technologiques connues et maitrisée. - Elle est fiable grâce à l’extrême simplicité de sa mise en œuvre et au peu de composants qu’elle nécessite. - Son coût d’obtention lui permet de garantir un retour sur investissement acceptable, et par conséquent, permet d’envisager un déploiement à grande échelle. Deux variantes possibles de l’invention sont présentées ici : - Variante 1 : Enterrée dans un jardin par exemple, avec une captation directe du rayonnement solaire. Cette solution est adaptée pour la rénovation des bâtiments anciens aussi bien que pour les constructions neuves, à condition que la surface du terrain le permette. - Variante 2 : Intégrée sous l’habitat avec des capteurs solaires thermiques en toiture. Cette implémentation est parfaite pour les constructions neuves lorsque le terrain disponible ne permet pas d’implanter la réserve par exemple. Pour ces deux variantes, selon un exemple de dimensionnement possible réalisé pour un habitat situé au centre de la France, la température de l’eau stockée dans la réserve suit une courbe quasi-sinusoïdale dont la période est d’une année, qui est minimum à la fin du mois de Mars avec 26 degrés et qui atteint 45°C en valeur maximum au milieu du mois de Septembre. Différents dimensionnements ont été réalisés pour définir le volume de la réserve d’eau, les températures à mettre en œuvre ainsi que tous les composants nécessaires au système. Pour y parvenir, une modélisation complète a été réalisée à partir du dimensionnement thermique théorique corrigé grâce à des mesures réelles. Pour avoir un ordre de grandeur, avec un bâtiment situé au centre de la France, avec une plage température dans la réserve d’eau allant de 26°C à 45°C, une isolation de cette réserve avec de la paille sur une épaisseur de 500mm, on obtient les résultats suivants : - Pour une maison neuve de 80m2 isolée selon la RT2012, le volume est de 80m3 environ. - Pour une maison neuve de 150m2 isolée selon la RT2012, le volume est de 130m3 environ. - Pour une rénovation maison de 150m2, isolée selon la RT2005, le volume est de 200m3 environ. Le dimensionnement de la fenêtre laissant passer le soleil pour la variante 1, ou des capteurs solaires thermiques pour la variante 2, est dépendant de nombreux paramètres, dont le volume de cette citerne, l’emplacement géographique de l’habitat et doit aussi tenir compte d’éventuels ombrages. Pour avoir une estimation moyenne, il faut considérer une surface à 45 degrés qui se situe entre 10m2 et 25 m2 en fonction de ces nombreux paramètres. Selon les deux variantes présentées sur les figures 1 et 2 et [Fig2], l’ensemble de la réserve (3) avec son isolation à base de paille (2) et la bâche extérieure de protection (1) est totalement enterré dans le sol (0). Il est possible de réaliser une solution posée sur le sol, ou partiellement enterrée, selon les configurations d’installation souhaitées. Si la solution totalement enterrée est retenue, les travaux consistent à pratiquer une excavation qui permettra d’enterrer l’ensemble de la réserve (3) et de son isolation (2) avec la bâche de protection (1). Grâce à sa forme arrondie, l’isolation (2) forme une coque rigide qui résiste aux pressions exercées dans le sol, un peu comme la coquille d’un œuf. Dans les deux modes de réalisation proposés, l’isolation (2) est en paille. La réserve (3) dispose d’un orifice de remplissage non représenté sur les figures. La bâche extérieure (1) protège les bottes de pailles des entrées d’eau, des rongeurs et autres agressions possibles pour garantir une durée de vie de 20 ans au moins. Suivant un dimensionnement type en France, pour un niveau d’isolation moyen, une épaisseur de 50cm de paille (2) est nécessaire. La réserve souple d’eau chaude (3) est disposée à l’intérieur de la couche de paille (2) pour garantir l’isolation thermique. Le remplissage de la réserve (3) peut utiliser indifféremment l’eau de pluie ou un apport d’eau extérieur (rivière, source, eau de mer,…, eau de ville le cas échéant). Selon le premier mode de réalisation possible présenté sur la figure 1 , une ouverture est pratiquée en partie haute de la réserve (3). Le soleil (14) vient chauffer directement un diffuseur de chaleur (15) au travers d’une paroi transparente isolée thermiquement (16). Cette paroi peut être constituée d’un double ou triple vitrage. Le diffuseur de chaleur (15) flotte à la surface de la réserve (3). Ce diffuseur est relié au bord de la réserve par une toile souple (15’) qui lui permet d’accepter les fluctuations de niveaux au cours de l’année dues à la variation naturelle de volume de l’eau avec la température et à une perte accidentelle (évaporation, fuites). De plus, ce lien souple (15’) est aussi étanche ce qui limite l’évaporation de l’eau de la réserve (3). Selon le deuxième mode de réalisation possible présenté sur la figure 2 , des capteurs solaires thermiques (4) sont par exemple disposés à 45° sur un toit. Ces capteurs solaires thermiques peuvent être de simples circuits d’eau incorporant de l’antigel comme du glycol (5) isolés thermiquement derrière un double vitrage. Un circulateur indépendant (6) commande l’apport des calories dans la réserve d’eau. Un serpentin (7) immergé dans la réserve d’eau en partie basse vient assurer l’échange thermique pour chauffer l’eau de la réserve d’eau (3) sans contact physique avec cette dernière. Si la réserve (3) avec son isolation (2) protégée par la bâche (1) est située sous une habitation, il est possible de placer des pilotis autour de l’ensemble ce qui permet de soutenir la construction qui se trouve au-dessus sans exercer la pression due à la masse de cette construction comme illustré à la figure 4 [Fig 4]. Dans le mode de réalisation principal des deux variantes, un circuit d’eau (13) est utilisé pour le chauffage du plancher chauffant (10). Il dispose d’un serpentin d’extraction (8) disposé en partie haute qui récupère les calories pour les injecter dans le plancher chauffant (10) de la maison, toujours sans contact physique avec l’eau de la réserve. Un deuxième circulateur (9) assure la commande du chauffage. Dans un mode de réalisation alternatif, on peut utiliser directement l’eau de la réserve (3) en supprimant ainsi le serpentin (8). Le choix entre ces deux modes de réalisations dépendra du niveau de propreté de l’eau de la réserve. Si l’eau de la réserve (3) est suffisamment propre et ne contient pas d’algues ou de boues en quantité trop importante, elle peut être injectée directement dans le plancher chauffant (10) au travers d’un simple filtre. (Même si l’eau de la réserve est totalement à l’abri de la lumière, il est possible que des boues ou des algues se forment. Il existe des additifs qui permettent de limiter ces effets). S’il est possible, ce mode de réalisation sera privilégié car il permet d’économiser le serpentin d’extraction (8). Le circuit (13) dispose d’un vase d’expansion (12) pour s’adapter aux variations de pressions liées aux variations de température. Une stratification naturelle existera inévitablement dans la réserve d’eau chaude (3), avec une température plus élevée en partie haute et plus faible en partie basse. Pour la variante 2 de la figure 2 , la disposition en partie basse du serpentin immergé d’apport de calories (7) et en partie haute du serpentin immergé d’extraction des calories (8) permet de s’accommoder de cette stratification. Pour la variante 1 de la figure 1 , un dispositif de brassage (17) est conseillé pour limiter la stratification de la température pendant la phase de chauffe. La figure 3 présente le principe du dispositif de régulation. Cette régulation nécessite six entrées analogiques de mesure de température, une entrée de consigne, et deux sorties logiques de commande des circulateurs ou du dispositif de brassage. On couvre ainsi les deux modes de réalisation présentés. Les capteurs de température nécessaires pour assurer le fonctionnement et un bon niveau de performance du système : - Capteur de température intérieure (21), c’est un capteur de température de l’air ambiant du bâtiment. - Capteur de température extérieure (22), c’est la température de l’air extérieur mesurée de préférence sur une façade située au nord. - Capteur de température d’eau (23) du plancher chauffant (10) - Capteur de température (28) du diffuseur de chaleur (15) pour la variante 1. - Capteur de température d’eau (24) des capteurs solaires thermiques (4) dans le cas de la variante 2. - Capteur de température de l’eau (25) de la réserve d’eau chaude (3) Les actionneurs sont : - Le dispositif de brassage (17) dans le cas de la variante 1. - Le circulateur d’apport (6) dans le cas de la variante 2 - Le circulateur d’extraction (9) des calories de la réserve d’eau chaude (3) pour alimenter le plancher chauffant (10). Une consigne de régulation (26) vient fixer la température ambiante souhaitée dans le bâtiment. Cette consigne peut être issue d’un programmateur avec différentes plages de fonctionnement non décrit dans ce document. Pour la variante 1, dès que l’ensoleillement le permet, c’est-à-dire lorsque la température du diffuseur (15) avec son capteur de température (28) est supérieure de plus d’un seuil paramétrable à la température de la réserve d’eau (25), le dispositif de brassage (17) est commandé. Pour la variante 2, dès que l’ensoleillement le permet, c’est-à-dire lorsque la température mesurée par le capteur (24) au niveau du (des) capteurs solaires thermiques (4) est supérieure de plus d’un seuil paramétrable à la température de la réserve d’eau (25), le circulateur d’apport (6) est commandé. La consigne (26) de température intérieure souhaitée est comparée à la mesure de température intérieure (21) pour déterminer, à l’aide d’un régulateur standard non représenté, par exemple du type PID (Proportionnel Intégral Dérivé), la mise en fonctionnement et arrêt du circulateur d’extraction (9) qui commande l’apport de calories dans le plancher chauffant (10). Le capteur de température extérieure (22) est optionnel. Il permet d’améliorer les performances de la régulation du plancher chauffant (10) en ajustant la température d’eau du plancher (23) en fonction de la température extérieure. En effet, un plancher chauffant (10) dispose d’une inertie thermique très importante qui se matérialise par une constante de temps très longue, de plusieurs dizaines d’heures typiquement. En pré-régulant la température de l’eau du plancher de manière linéaire en fonction de l’écart entre la température extérieure (22) et la température intérieure souhaitée (26), on améliore les performances de régulation du système. Le capteur de température (23) qui mesure la température du fluide caloporteur ne participe pas directement à la régulation, il est là pour assurer une sécurité thermique puisque le fluide caloporteur ne doit pas dépasser 50°C environ dans le plancher chauffant (10). La figure 4 montre une réalisation possible pour garantir l’accès à des fins de maintenance du système, lorsque l’ensemble avec la réserve souple (3) est enterré sous un bâtiment. Des pilotis (30) placés à l’extérieur du système permettent de supporter le plancher (33) du bâtiment. Une trappe de visite (31) permet d’accéder à la zone (32) pour effectuer une maintenance du système comme le remplissage ou la détection de fuites. Liste des figures est une vue de principe de la variante 1 de l’invention avec le chauffage solaire direct de l’eau par le dessus de la réserve. est une vue de principe de la variante 2 de l’invention avec un capteur solaire thermique pour chauffer l’eau. est une vue de principe de la régulation de l’ensemble. est une vue de principe d’une réalisation possible de l’accès de maintenance lorsque la réserve est enterrée. Légende des figures Terre (0) Bâche de protection (1) Paille (2) Reserve souple d’eau chaude (3) Capteur solaire thermique (4) Circuit eau glycolé (5) Circulateur d’apport (6) Serpentin immergé apport (7) Serpentin immergé extraction (8) Circulateur extraction (9) Plancher chauffant (10) Vase expansion apport (11) Vase expansion extraction (12) Circuit eau chauffage (13) Soleil (14) Diffuseur de chaleur flottant (15) Vitrage isolant (16) Dispositif de brassage (17) Régulation (20) Capteur de température intérieure (21) Capteur de température extérieure (22) Capteur de température du liquide caloporteur plancher chauffant (23) Capteur de température capteur solaire (24) Capteur de température réserve eau (25) Consigne de température interne bâtiment (26) Pilotis (30) Trappe de visite (31) Zone d’accès (32) Plancher du bâtiment (33) 1.Installation de chauffage solaire d’un bâtiment caractérisé en ce qu’il utilise une réserve souple (3) contenant de l’eau, cette réserve étant isolée thermiquement sur toute sa périphérie, les calories y sont stockées sur une durée de cycle annuel, l’ensemble pouvant être posé à même le sol (0), partiellement ou totalement enterré. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que l’isolation thermique de la réserve est réalisée avec un matériau biosourcé. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le captage de l’énergie solaire est réalisée par une ouverture transparente (16), isolée thermiquement, pratiquée en partie supérieure de la réserve souple (3), chauffée par un diffuseur de chaleur flottant (15) qui reçoit les rayons du soleil Installation selon la revendication 1 et selon laquelle l’isolation (2) est de forme arrondie s’approchant de la sphère, pour lui permettre de résister aux contraintes de pression souterraine, et pour lui conférer une optimisation thermique intéressante grâce à la constante de temps élevée de l’ensemble isolation (2) et réserve d’eau (3). Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le captage de l’énergie solaire est réalisé par un ou plusieurs capteurs solaires thermiques (4) indépendants de la réserve souple (3). Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que l’isolation (2) est protégée des agressions extérieures par une paroi souple, du type bâche (1). Installation selon la revendication 4 caractérisée en ce que l’ensemble de la réserve souple (3) et de ses composants est disposé sous un bâtiment monté sur pilotis (30) pour supporter le plancher de ce bâtiment (33).