Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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La présente invention concerne un appareil de chauffage
de b~timents au moyen de l~énergie solaire captée en façade ou
hors du bâtiment et accumulée par le chau~f~age d'une masse d'eau
contenue dans un réservoir~
Les appareils existants fonctionnent en thermo-siphon
et utilisent directement l'eau de l'accumulateur pour le chauffage
des locaux, ce qui présente les inconvénients suivants:
~ limitation de la capacité du réservoir d'accumulation en raison
de sa position en partie supérieure de l'installatlon;
- impossibilité d'utiliser la chaleur contenue dans l'eau d'accu-
mulation en dessous de la température ambiante des locaux à chauf~
ferO
Lrappareil ~elon 17invention pallie ces inconvénients en
permettant de placer l'accumulateur en sous-sol et d'utiliser la
chaleur contenue dans l'eau dlaccumulation ~usqu'à une tempéra-
ture de +5 environ, so~t au minimum 15 en dessous de la tempé-
rature limite des autres procédés. L'énergie solaire est captée
sous forme calorifique par des capteurs à circulation d'eau.
L'appareil selon l'invention présente l'avantage d'être
applicable à tous les locaux situés dans un site suffisamment
insolé sur une ou plusieurs façades, meme dans des régions res-
tant de longues périodes sans soleil, car la basse température
laquelle peut descendre l~accumulateur, grâce à une pompe à
chaleur et un réservoir de grande capacité, permet de capter l'éner- -
gie solaire même par ciel vollé ou nuageu~ tout en restant parfai-
tement rentable. A titre indicatif, pour un réservoir dont le
cubage est le double en m2 de la puissance déperditive horaire
maximale exprimée en thermies et pour une région montagneuse m~yen-
ne~ 800m, la durée de la_réserve en période de temps couvert et à
~ 0 (temps le plus défavorable, les périodes de grands froids
etant généralement ensoleillées~ se situerait a une semaine au
moins sans aucun apport.
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L'appareil de chauffage selon l'inven-tion comporte des
capteurs d'énergie solaire a circulation de fluide caloporteur
dans un réseau de tuyauteries, contr81ees par des moyens de regu-
lation et de circulation forcee. Le fluide caloporteur en prove-
nance des capteurs aboutit a un échangeur de chaleur tubulaire
place dans le fond d'un reservoir calorifuge dispose hors pression
en partie basse de l'installation et contenant un fluide d'accumu-
lation des calories qui sont reprises, suivant les besoins, par
l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur tubulaire horizontal
placé dans le haut du réservoir et relié a un circuit de tuyaute-
rie de chauffaye ~ rayonnement par le sol et/ou le plafond. La
régulation ~enerale est pilotee par la regulation du chauffage qui
regle sa temperature en fonction de la temperature exterieure par
l'intermediaire d'une vanne melangeuse. Lorsque la température
obtenue par l'echangeur reservoir/chauffage est insuffisante, le
contact de fin de course ouverture de la vanne melangeuse alimente
en courant le thermostat inverseur du reservoir qui l'oriente
soit sur un chauffage d'appoint, soit, s'il reste des calories
exploitables, sur une pompe a chaleur comportant un condenseur et
un évaporateur tubulaires horizontaux placés l'un en dessous de
l'autre entre les echangeurs tubulaires horizontaux capteurs/re-
servoir et reser~oir chauffage. La pompe a chaleur preleve, par
son évaporateur tubulaire horizontal, des calories au fluide
d'accumulation et les restitue au moyen de son condenseur tubulai-
re horizontal, a une température suffisante au fluide environnant
l'échangeur reser~oir/chauffage.
Dans une realisation prefercntielle, les echa~geurs de
chaleur apportant aux prelevants les calories au fluide d'accumu-
lation, sont realises au moyen de tuyauteries placees horizontale-
ment et superposees dans le réser~oir d'accumulation.
Selon une autre realisation preferentielle, la regula-
tion de la circulation de fluide caloporteur entre chaque capteur
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et l'échangeur est assurée au moyen d'une pompe de circulation
forcée par capteur, dont la mise en marche et l'arret son comman-
dés électriquemen-t en fonction des signaux fournis par les sondes
de temperature placees l'une en partie superieure de chaque cap-
teur et l'autre placee en fin de parcours de l'echangeur dispose
en partie basse du reservoir, la pompe étant mise en service uni-
quement lorsque la sonde du capteur enregistre une tempéra-ture
supérieure à la sonde de l'echangeur, un clapet de retenue evitant
la circulation inverse.
On décrira ci-apres une realisation, avec variantes,
d'une installation de chauffage selon l'invention avec references
aux dessins annex~s dans lesquels:
la fig. 1 montre un exemple schematique d'installation
de chauffage solaire par accumulation;
- la fig. 2 montre une installation de chauffage dont
les capteurs sont placés sur un mur d'enceinte;
- la fig. 3 montre une variante de disposition des
capteurs;
- la fig. 4 montre une autre variante de disposition
de capteurs sur un mur de soutenement;
- les figs~ 5 et 6 montrent des variantes d'utilisation
de l'excedent de chauffage pour des fonctions annexes, piscine
et serre;
- la fig. 7 montre un élément modulaire de réservoir de
chauffage en vue extérieure;
- la fig. 8 montre la disposition des echangeurs en
vue éclatee;
- la fiq. 9 montre un exemple de reservoir d'accumula-
tion compose de ~ elements modulaires assembles et raccordes;
la fig. 10 montre un exemple de possibili-te de raccor-
dement simple des échangeurs d'un réservoir d'accumulation.
Tel qu'il est represente sur la fig. 1, le schema de
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l'installation de chauffage solaire comporte des capteurs solaires
à circulation d'eau, composés de panneaux de type courant utili-
sés pour le chau~ffage par rayonnement de plafond, peints de cou-
laur sombre et mate et abrités par un vitrage provoquant un effet
de serre. On prévoit un capteur par fa~ade suffisamment insolée.
L~énergie solaire est recueillie sous forme de chaleur
dans les capteurs 1 et transportée par un fluide caloporteur
(eau additionnée d'antigel par exemple) circulant dans un réseau
de tuyauteries 2 pour aboutir à un éc~angeur tubulaire horizontal
3 placé à la partie inférieure d'un important réscrvoir
calorifugé rempli d'eau 4, formant l'accumulateur. La circulation
ldu fluide caloporteur est obtenue par une ~pompe 5 (il y a un sys-
tème semblable à celui décrit ci-dessous par capteur) dont l!en-
clenchement et le déclenchement sont commandés par un système
électrique dont le principe est le suivant: deux thermistances
6 et 7 assurent l'équilibre d'un pont de mesure placé dans un
coffret de commande avec ses accessolres 8. Lorsque la thermis-
tance 6, placée en partie supérieure du capteur, enregistre une
température supérieure a cel~enregistrée par la thermistance 7
placée en partie inférieure de l'accumulateur et en fin de parcours
de l'échangeur 3, la pompe est mise en service, mais lorsque les
températures sont en équilibre ou en déséquilibre inverse, la
pompe est hors service. Un clapet de retenue 9 complète l'ensem-
; ble en évitant les circulations inverses par thermo-siphon ou
par pompage d'un autre capteur. Ltinstallation est régulée par
un système de type existant sur le marché actuel, utilisant une
vanne ~langeuse motorisée à trois voies 11, commandée par une
centraleel4 qui reçoit ses~sdonnées d'une sonde extérieure 12 et
d'une sonde de départ 13~ afin de régler la température du circuit
de chauffage par rayonnement en fonction des conditions météorolo-
giques. La chaleur nécessaire~est repri~e ~ l'accumulateur 4
par l`intermédlaire d'un second échangeur 15 tubulaire horizontal
,. .
--4-
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placé cet~-e fois en partie supérieure de l'accumulateur.
Lorsque la température de l'échangeur 15 nlest plus
suffisante, la vanne~llest en position d'ouverture maximu~ et
les contacts de fin de course, placés dans le servo-moteur,
envoient du courant dans le ~hermostat commutateur 16 dont la
sonde 17 est placée au coeur de l'accumulateur, au niveau de
l~évaporateur entre les branches du serpentin de celui-ci ~voir
ci-après le rôle de cet évaporateur).
Si ~ le thermostat 16 enregis~re une température suffi-
sante~ 11 dirige le courant sur une pompe à chaleur 18 clé du
procédé. Il est à noter, avant d'expliquer le fonctionnement
de cette pompe a chaleur, que le fa~t d'utiliser des ~changeurs
3 et 15 évite de met~re le réservoir accumulateur en pression, ce
qui abaisse le coût et résoud les problèmes de dilatation qui se
traduisent par une lég~re différence de niveau de l?eau dans les
réservoirs, dont il y a lieu de tenir compte lors du positionnement
de l'~changeur 15.
L'~vaporateur de la pompe à chaleur 18 absorbe la chaleur
de l'eau qui l'entoure, provoquant un phénomène de thermosiphon
~ui remplace l'eau refroidie par de l'eau plus chaude en provenan-
ce de la partie inférieure de l'accumulateur réchauffé par l'échan-
geur 3.
La position de cet évaporateur doit être telle qu'il
exerce son action sur un volume d'eau maximum, il doit donc être
le plus hau~ possible sans toutefois être influencé par un conden-
seur 20~ ce qui annulerait partiellement l'économie du procédé.
Le condenseur ~0 situé parall~lement SOU5 l'échangeur
15, restitue cette chaleur, mais à une température plus élevée,
et la partie supérieure l'accumulateur se trouvant réchauffée
permet à l'échangeur 15 de remplir sa fonction. Lorsque le
thermostat 16 enregistre une température ne permettant plus à la
pompe ~ chaleur de fonctionner, ~S environ, il dirige le courant
1'~3~37~Z
sur un appareil de chauffage comp~émentaire 2l et l~installation
cesse de fonctîonner ~ l'énerg~e solaire, mais reste disponible
pour reprendre son rôle en pompe à chaleur ou en direct, dès
qu'un nouvel apport de calories intervient par l'échangeur 3.
Une production d'eau chaude sanitaire est également
prévue sur cette installation. Un ballon réchauffeur de type
courant 22 est raccordé hydrauliquement, en parallèle sur ]e
circuit capteur 2. Il est commandé par un système semblable
~ ceux commandant les pompes S des capteurs. La sonde chaude 23
est~placée sur la tuyauterie arrivant des capteurs. La sonde
froide 24 est placee à 1~ partie inférieure du~ballon. Ce sys-
tème commande l'ouverture d'une vanne motorisée 25, lorsque
l'eau arrivant des capteurs es~ plus chaude que cel ~contenue
dans le ballon. Lorsque l'accumulateur est saturé après une
longue période ensoleillée, en été par exemple, la production
d'eau chaude est obtenue par circulation en thenmo-siphon à par-
tlr de l'échangeur des capteurs 3 grâce à un by-pass calibré 26
qul permet ~ la ~onde 23 d'être influencée par une légère circu-
lation en thermo-slphon de l'échangeur sur lui-meme au travers de
ce by-pass.
La Fig. 2 montre une installation de chauffage solaire
par accumulation, comportan~ un capteur 27 placé sur un mur
d'enceinte 28 et raccordé par une conduite 29 isolée thermique-
ment, à l'échangeur 30 du réservolr 31 chauffant le bâtiment 32.
La Fig. 3 montre une variante de disposition des cap-
teurs 34 placés en dents de scie sur le mur d'enceinte 28, pour
obtenir un meilleur ensoleillement en orientant convenablement
le~dits capteurs par rapport au mur~
La Fig. 4 montre une autre variante de disposition du
capteur 27 placé sur le mur de soutènement 33 et raccordé au
batiment 32 comme sur la fig. 2. Le capteur pourrait encore être
orienté comme sur la figv 3 suivant l'orientation dudit mur pour
_6w
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obtenir le meilleur ensoleillement.
La fig. 5 mon-tre l'utilisation excédentaire d'énergic
appliquée au chauffage d'une piscine en u-tilisant le fait que,
durant 8 à 9 mois par an, le captage d7énergle es-t bien supérieur
aux besoins de chauffage du batiment et à la production d'eau
chaude sanitaire.
A la sortie du réservoir 31 et de l'échangeur 30, sur le
circuit de chauffage 35 du batiment 32 es-t placée une dérivation
36 raccordée à un réchauffeur 37 qui permet de chauffer l'eau de
la piscine 38, laquelle est recyclée pour etre traitée par les
conduits 39.
La fig. 6 montre une installation de chauffage 40 d'une
serre 41, raccordée en parallele par une conduite à distance 42
au chauffage du batiment 32. Un dispositif manuel ou au-tomatique
permet la mise en service ou hors service des fonctions annexes,
lorsque toute l'énergie accumulée est nécessaire au chauffage du
batiment principal. Une autre fonction annexe peut etre utilisée
pour actionner une pompe à eau au moyen d'un moteur solaire de
type connu, par exemple à vapeur à basse température. Ce dispo-
sitif est particulièrement efficace, puisque c'est après unejournée tres ensoleillée, donc avec un captage importan-t, que
l'eau est nécessaire en quantité pour l'arrosage des jardins.
Ce moteur peut également actionner, en parallèle avec un moteur
thermique, un groupeélectrogène dans le cas d'une résidence située
hors du réseau de distribution électrique.
La fig. 7 montre un élément modulaire de chauffage en
vue extérieure et la ~igure 8 une vue éclat~e de ce dernier, pré-
sentan-t la position des divers echang~urs.
La pré~abrication du réservoir d'accumulation sous forme
d'éléments modulaires juxtaposables est réalisable avec une perte
minimum de matière. Chaque élément identique 45 se compose d'un
réservoir parallélépipédique allongé horizontalement et étroit
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ver-ticalement, étanche, ~ermé par un couvercle et muni dans sa
partie haute de l'échangeur chauffage-réservoir 46 et en descen-
dant, de l'échangeur condenseur ~7, de l'échangeur évaporateur
48, de l'échangeur capteur-réservoir 49. Tous ces éléments sont
dimensionnés en fonction de la capacité dudit réservoir d'accumu-
lation.
Le réservoir 45 est, de plus, muni d'un ori~ice de vi-
dange d'équilibrage 51 en partie basse, et d'un orifice de trop-
plein d'équilibrage 50 en partie haute, juste au-dessous du
niveau d'eau. Le réservoir est placé, pour la mise à niveau9
sur des pieds de hauteur réglable qui permettent une isolation
thermique du dessous du réservoir.
Les orifices de raccordement des échangeurs de vidange
dt de trop-plein aboutissent sum la meme face étroite, afin de
faciliter leur assemblage.
La fig. 9 montre un exemple de réservoir d'accumulation
composé de 4 éléments modulaires 45 assemblés. Ces éléments sont
juxtaposés face large contre face large, les faces raccordables
étant plaées sur un meme plan vertical. Les élements 45 sont
réglés horizontalement entre eux dans les 2 sens. Les échangeurs
de chaque catégorie sont collectés entre eux en paralléle et selon
le prodédé dit "Boucle de Tichelmann" qui permet une égalisation
des pertes de charge par échangeur, quel qu'en soit le nombre, puis
sont raccordés chacun sur son circuit correspondant: collecteur
échangeur réservoir-chauffage 52 sur le circuit d'utilisation,
collecteur condenseur 53 et évaporateur 54 sur la pompe à chaleur,
le co]lecteur échangeur-capteur-réservoir 55 sur le ou les capteurs.
Les ori~ices de vidange et de trop-plein sont également
collectés entre eux et servent en meme -temps à assurer l'équilibra-
ge de la température par thermo-siphon entre les réservoirs. Le
collecteur ~e trop-plein 56, qui se trouve en-dessous de niveau
supérieur de l'eau, doit remonter en 57 au-dessus de ce niveau
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avant de redescendre sur une ~idange 58~ sur laquel'le est egale-
ment raccordé le collecteur de ~idange 59 par l'intermédiaire
d~une vanne de vidange 60. Sur ce collecteur 59 est également
raccordé le remplissage 61 des éléments. Ces réservoirs n7Ont
pas à résister à une pression autre que cellecde l'eau qu'ils
contiennent; ils peuvent être réalisés en matériaux légers tels
que tole ou matière moulée.
Un renfort composé de traverses rigides 62 et de ti-
rants 63 évite la défo~nation des faces libres des réservoirs 45a
à 45b.
Le reservo~r d~accumulation une fois assemblé èt
raccordé~ est éprouvé pour vérifier l'étanchéité et isolé soigneu-
sement pour éviter les per~es de chaleur, particulièrement lorsque
l'installation est disposée en dehors du b3timent à chauffer.
A titre d'exemple, un réservoir de largeur 0,70m, de
longueur 3,30m et de hauteur 1,8Sm sans les pieds~ represente une
puissance d~en~iron 2.350 calories.
Cet ensemble peut aussi être enterré; dans ce cas9
llisolation thermique n'est à réaliser qu~en partie supérieure
avec un débordement d7un mètre~ afin de profiter de l~accumula-
tion de calories dans les matériaux entourant l~ensemble. Il y
a lieu de prévoir, dans ce dernier cas et encore plus que dans
les autres, une protection efficace contre la corrosionO
La fig, 10 montre un exemple de possibilités de raccor-
dement des échangeurs. Afin d'accélérer le montage sur~place, les
orifices des échangeurs de vidange et de trGp-plein 64 sont munis
en usine dlun troncon de collecteur 65 de longueur égale;~ la
largeur de llélément 66 placé hori~ontalement~ parallèlement à la
petite face; les extrémités 67 sont alignées dans le prolongement
des grandes faces de l'élément réservoir. Ces extrémités 67 sont
préparées pour~ être raccordées, de facon étanche et rapide par
brides, soudures ou raccord union, a l'élément suivant 68 ou à
_9
~L~3~
une piece d'extrémité. Chaque ensemble d'éléments se raccorde
sur les réseaux correspondants: pour chaque collecteur d'échan-
geur par un raccord direct 69 e-t un coude à 180, 70, permet-tant
ainsi la boucle de Tichelmann, pour le collecteur de trop plein
par un double coude 71 assurant la remontée au-dessus du niveau
de l'eau du trop-plein, pour le collecteur de vidange d'un
coude muni d'un robinet de vidange 7Z et pour tous les orifices
non utilisés d'une occlusion 73.
Tous ces raccords sont consus pour etre placés indiffé-
remment à droite ou à gauche de l'ensemble des éléments.
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