FR2517414A1 - Capteur de chaleur et exemple d'installation utilisant un tel capteur - Google Patents

Abstract

CAPTEUR DE CHALEUR SOLAIRE ET INSTALLATION UTILISANT UN TEL CAPTEUR. LE CAPTEUR SE COMPOSE D'UNE PLAQUE RECEPTRICE11, D'UN BAC DE RECUPERATION12 ET DE MOYENS D'ARROSAGE14 DE LA FACE INFERIEURE11B DE LA PLAQUE11; LE FLUIDE CALOPORTEUR CIRCULANT EN NAPPE TOUT EN RESTANT EN CONTACT AVEC LA FACE 11B PAR LE SIMPLE EFFET DE SA TENSION SUPERFICIELLE. LE CAPTEUR PEUT CONSTITUER UN ELEMENT DE TOITURE.

Description

L'invention concerne principalement un capteur de chaleur gratuite provenant notamment du rayonnement solair mais aussi de tous les échanges thermiques positifs permettant de récupérer des calories de l'air ambiant, de l'eau de pluie ou encore de la condensation de l'humidité de l'air. L'invention concerne aussi une installation de production d'énergie calorifique équipée d'un tel capteur.

La nécessité de réaliser des économies d'énergie amende repenser dans son ensemble le problème du chauffage. On a déjà essayé de capter l'énergie solaire pour subvenir a au moins une partie des besoins d'un immeuble.

Les "maisons solaires" sont cependant encore fort rares du fait des investissements élevés et de l'esthétique parfois discutable de leurs toitures. En effet, la plupart des capteurs de chaleur connus fonctionnent suivant le principe de l'effet de serre. Ils sont fragiles puisque leur principe de fonctionnement même implique qu'un vi- trame soit place à l'extérieur, devant l'absorbeur.Ils posent d'énormes problèmes de dilatation et de tenue en température des matériaux utilisEs,car, en été, l'effet de serre peut permettre d'atteindre des températures et donc des pressions très élevees. A ces températures, le fluide caloporteur qui est généralement de l'eau additionnée de glycol faisant fonction d'antigel) se dégrade très rapidement ; il faut donc le renouveler trds souvent. En outre, on observe à l'usage, compte tenu des dégradations d'étanchéité, des variations de pression atmosphérique et d'hygrométrie, une certaine condensation sous le vitrage, donc une chute de rendement du capteur. Enfin, les problèmes d'esthétique mentionnés ci-dessus font que les permis de construire sont tout simplement refusés dans certains sites protégés.

D'autres types de capteurs dits "convectifs"ont été expérimentés, dans lesquels le fluide caloporteur circule dans u ç eseau de tubes rapportés à une plaque de tole exposée au rayonnement solaire. Ces systèmes présentent presque tous les inconvénients des capteurs à effet de serre, avec en plus un phénomène de condensation importante sous la face du capteur située dans les combles. Le coût d'une telle installation est élevé. La mise en oeuvre est délicate.

L'invention permet de résoudre tous ces inconvénients en proposant un nouveau type de capteur, de con ceptio ç imple et rationnelle, garantissant une surface d'échange thermique maximum avec le fluide caloporteur, grace à l'utilisation de la tension superficielle de celui-ci, lorsqu'il est projeté en nappe sous une surface même faiblement inclinée.

Plus précisemment, l'invention concerne donc un capteur d'énergie calorifique, notamment d'origine solaire, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison : une plaque réceptrice destinée à être positionne de façon que l'une de ses faces soit exposée au rayonnement solaire, des moyens d'arrosage en nappe agencés près de l'autre face de ladite plaque et orientés vers celleci pour y alimenter une nappe de fluide caloporteur et un moyen de récupération disposé en dessous de ladite autre face.

On a constaté que, d'une façon surprenante, la tension superficielle de ka nappe de fluide caloporteur entretenue à la face inférieure de la Plaque réceptrice était suffisante pour maintenir l'adhérence de cette nappe sur toute la longueur de circulation, c'est à dire la longueur du capteur dans le sens de la pente ; cette dernitre pouvant d'ailleurs être très faible, presque nulle ou très importante, voire verticale.

Le capteur est conçu de préférence de façon à constituer directement un élément de la toiture de l'édifice auquel il fournit son énergie.

L'invention concerne également un exemple d'installation de production d'énergie calorifique dans un immeuble, caractérisé en ce que la toiture et/ou certains murs de cet immeuble sont équipés d'au moins un capteur défini ci-dessus et en ce qu'elle comporte en outre un réservoir de fluide caloporteur pour ledit capteur ; une pompe de circulation et une pompe à chaleur, ledit capteur, ledit réservoir, ladite pompe de circulation et le circuit a d'entrée de ladite pompe à chaleur étant branchés en série en un circuit fermé et une vanne étant agencée pour placer ledit capteur de chaleur en circuit dans une certaine plage de températures.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaitront à la lumière de la description qui va suivre de plusieurs modes de réalisation de capteurs conformes à l'invention, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - La figure 1 représente une vue partielle en coupe d'une toiture réalisée à partir de capteurs selon l'invention, assemblés les uns aux autres - La figure 2 représente une vue à plus grande échelle de l'encadré II de la figure i - La figure 3 est une coupe III-ITI de la figure 1, représentée à plus grande échelle - La figure 4 est une vue de détail suivant une coupe partielle perpendiculaire à la pente, au niveau des moyens d'arrosage, pour une variante de capteur en matière plastique, imitant une toiture en tuiles dites méridionales - La figure 5 est une vue de détail analogue à la figure 4 pour une variante de capteur dont la plaque réceptrice est en tôle ; et - La figure 6 est un schéma bloc d'une installation de pro duction d'énergie calorifique, utilisant un ou plusieurs capteurs selon l'invention.

En se référant plus particulièrement aux figures 1 à 3, on voit que chaque capteur 10 selon l'invention est agencé en élément de toiture et se compose principalement d'une plaque réceotrice 11 destinée à être orientée vers l'extérieur pour recevoir le rayonnement solaire sur sa face lia , d'un bac de récupération 12, en matière plastique, disposé en regard de l'autre face 11b de la plaque 11 de façon à définir une enceinte parallél-pipé- dique 13 relativement plate et des moyens d'arrosage en nappe 14 agencés dans l'enceinte 13 en regard de la face llb. Ces moyens d'arrosage sont simplement matérialisés par un conduit rectiliane percé d'une rangée de trous 14a, disposé le long du bord 15 de l'enceinte 13 qui est destiné à être monté en partie haute et perpendiculairement à la pente du toit.Un embout d'évacuation 16 du fluide caloporteur est placé en partie basse du bac, au voisinage du bord 17 opposé, c'est à dire parallèle au bord 15. La plaque 11 et le bac 12 sont assemblés de façon étanche par leurs périmètres respectifs, avec interposition d'un joint continu 18, en matériau compressible et imputrescible. Le conduit 14 est orienté de façon que ses trous 14a soient en regard de la face 11b de la plaque réceptrice et que les jets de fluide caloporteur issus de ces trous rencontrent ladite face de préférence avec un angle d'incidence rasante, bien que la valeur de cet angle ne soit nullement critique. On a cons tate qu'un angle Z de 15 environ entre chaque jet issu de chaque trou 14a et le plan de la face llb, donne les meilleurs résultats pour entretenir la nappe de fluide caloporteur dans toutes les conditions d'utilisation, notamment une pente du toit extrêmement faible, voire presque nulle. La pression d'alimentation du conduit 14 est relativement faible, de l'ordre d'un bar, grace à l'efficacité même de ce principe d'échange de chaleur par tension superficielle. Une telle pression peut très facilement être maintenue dans un circuit d'alimentation muni d'une pompe de circulation 19 de relativement faible puissance ; ce circuit sera décrit plus en détail cidessous en référence A la figure 5.Au contraire, dans le cas des autres capteurs convectifs connus, le rendement de l'échange ayant tendance à augmenter avec la pression, il est nécessaire d'augmenter cette dernière, donc la puissance de la pompe. Comme le montre la figure 2, deux capteurs adjacents dans le sens de la pente du toit sont montés entre deux chevrons paralldles 21 et la continuité de la toiture est assurée au niveau des bords en recouvrement des bacs 12 ; les plaques réceptri- ces 11 pouvant être agencées dans un même plan en pr6- voyant un espace de dilatation e suffisant. Ainsi, la face îîa de chaque capteur peut être décorée pour imiter tout genre de toiture et répondre ainsi a toute règlementation d' lurbanisme en vigueur pour un site donné.

On peut même prévoir un léger relief par emboutissage de la tôle constituant la plaque 11 ou en y rapportant par collage des éléments de décoration. Dans ce dernier cas, le rendement du capteur risqlle néanmoins d'être réduit. Ce type de décoration implique une plus grande surface de capteur. Dans tous les cas, la face 1la sera d'aspect mat et de préférence de couleur fonce pour favoriser l'absorption thermique. Différents matériaux peuvent être utilisés pour constituer la plaque 11. Dans l'exemple des figures 1 â 3, il s'agit d'une plaque métallique Mais une plaque en matière plastique donnera des résultats compatibles avec la demande de calories exigé par le système de chauffage préconisé.

Dans ce dernier cas, la plaque 11 peut être réalisée dans un matériau analogue à celui du bac 12 (ce qui réduit notablement le coût du capteur) et donne davan- tage de possibilités de décoration pour l'aspect extérieur. On peut aussi envisager que la plaque réceptrice et le bac soient moulés en une seule pièce. Pour le cas où un capteur unique ne peut couvrir toute la longueur du toit, la figure 3 montre le mode d'assemblage de deux capteurs voisins en appui à la face supérieure d'un chevrcn 21 et de part et d'autre de celui ci.

La fixation s'effectue à partir d'un certain nombre de paires de boulons 23. Les deux boulons de chaque paire sont fixés respectivement au bord de chaque capteur et définissent une sorte de cavalier de fixation avec une barre métallique 24 en appui contre la face inférieure du chevron 21. Le bord 25(destiné à être monté parallèlement à la pente) de l'un des bacs 12 est recourbé vers le haut tandis que le bord adjacent 26 de l'autre bac a un profil en crochet pour venir recouvrir le bord 25, réalisant ainsi de façon simple l'étanchéité à la pluie au voisinage de la ligne de jonction des deux capteurs.La structure de chaque bac 12 est telle que le fluide caloporteur réchauffé après circulation sur la face inférieure d'un capteur donné puisse etre évacué par l'intermédiaire du capteur adjacent inférieur, ce qui simplifie considérablement le réseau de récupération du fluide caloporteur.

Dans ce but, chaque bac est pourvu d'un embout de raccordement 28 situé en partie haute au voisinage des moyens d'arrosage 14 et destiné à être connecté à l'e.nbout d'évacuation 16 du capteur voisin supérieur, par l'intermédiaire d'un conduit souple 29 de faible longueur (figure 2). Ainsi, la nappe d'veau en circulation le long de la face 11b de l'un descapteurs est déviez en partie basse grace à un déflecteur 30, vers une rigole 31 perpendiculaire à la pente, définie à la partie inférieure du bac et cette nappe se mélange au fluide caloporteur provenant du/ou des capteurs supérieurs et s'écoulant dans des rigoles 32 parallèles à la pente1 définies dans le fond du bac de ce capteur.Le tout est évacué par l'en. bout 16 vers le capteur adjacent inférieur. De cette façon, la cuve de récupération 33, schématisée à la figure 5 n'est reliée qu'aux capteurs les plus bas de la toiture.

Les figures 4 et 5 illustrent deux variantes possibles dans lesquelles ladite plaque réceptrice 11 a un aspect ondulé susceptible d'imiter les tuiles méridionales.

Dans ce cas, il faut modifier l'agencement interne du capteur pour que la nappe de fluide caloporteur en circulation puisse néanmoins se former sur au moins la plus grande partie de la face llb de la plaque réceptrice. Selon le mode de réalisation de la figure 4 où la plaque réceptrice 11 est moulée en matière plastique, la face llb comporte des bandes planes 35 et 36 s'étendant suivant le sens de la pente. Les bandes 35 et 36 sont définies respectivement dans la partie média de chaque onde et entre deux ondes adjacentes. Dans ce cas, le fluide caloporteur s'coule régulièrement en nappe au moins le long de ces bandes et la structure des moyens d'arrosage 14 n'est pas modifiée par rapport au mode de réalisation décrit en référence aux figures 1 à 3.En revanche, si la plaque réceptrice ondulée 11 est en tole, c'est à dire d'épaisseur constante, on choisit de modifier la structure des moyens d'arrosage. C'est le mode de réale sation de la figure 5. Dans ce cas, le conduit d'arrosage comporte des protubérances 37 a intervalles réguliers disposées respectivement en regard des ondes de la plaque 11. Cet agencement a pour effet d'assurer une réparti- tion régulière du fluide caloporteur sur la face îîb de la plaque réceptrice puisque les trous 14a des moyens d'arrosage sont toujours disposés de telle sorte que les jets de liquide caloporteur conservent la même orientation par rapport à la plaque. Dans tous les modes de réa- lisation décrits, il est recommandé de prévoir un rainuras fin de la face llb de la plaque réceptrice, dans le sens d'écoulement de la nappe de fluide caloporteur. Ce rainurage améliore sensiblement la répartition de la nappe et élimine aussi les défauts de régularité d'écoulement de la nappe quipatraient être provoqués par des dépôts de fluide caloporteur(eau additionnée de glycol) sur la face îîa entre deux périodes d'utilisation.

Le fonctionnement du capteur découle avec évidence de la description qui précède. Par rapport aux capteurs à effet de serre, ses avantages principaux sont : l'absence de s urpressions et de dilatationg excessives ainsi que le fait que la température de la nappe de fluide caloporteur est à tout moment pratiquement égale à la température de la plaque réceptrice. La surface d'échange est pratiquement celle de cette dernière. Du fait de la structure '--eme des des.Canteu-s ,ltétanchéité de la toiture peut être double ; elle est réalisée au niveau des bacs en plastique et aussi au niveau des plaques réceptrices dans la plupart des cas.La faible pression d'alimentation, d'une part, et la présence d'un réservoir 33 en partie basse des capteurs, d'autre part, font que la consommation électrique de la pompe de circulation est faible. Enfin, la présence du bac en matière plastique sous la plaque réceptrice réduit notablement les pro blèmes de condensation dans les combles.

On va maintenant décrire en référence à la figure 5, une installation de chauffage mettant en oeuvre un capteur conforme à l'invention. Cette installation comporte, outre le ou les capteurs 10, la pompe de circulation 19 et la cuve de récupération 33 du fluide caloporteur, mentionnés ci-dessus, une pompe à chaleur 40 et une électrovanne à trois voies 41. Le circuit d'entrée 42 ou évaporateur de la pompe à chaleur est branché en série avec la pompe de circulation, le ou les capteurs et la cuve 33, en un circuit fermé. La cuve de récupération 33 joue à la fois le rôle de stockage de calories et le rôle de source froide pour la pompe à chaleur ; le stockage des calories dans cette cuve est du type dit "d chaleur sensible", c'est à dire que sa température ne dépend que du nombre de calories apportées et de la masse de liquide qu'elle contient.La cuve sera placée de préférence dans les combles pour pouvoir utiliser une pompe de circulation de puissance réduite. L'electrovanne 41 permet de mettre hors service le ou les capteurs 10, lorque certaines conditions de température sont réunies. Une résistance chauffante R aliments par le réseau électrique est plongée dans la cuve pour réchauffer le fluide caloporteur lorsque d'autres conditions de température sont réunies. Ces conditions de température sont détermi- nées par des sondes de température 44 et 45 respective- ment en contact thermique avec un capteur et le réser- voir 33.L'alimentation de la resistance de chauffage
R et de l'électrovanne 41 est gérée au moyen de ces deux sondes par l'intermédiaire d'un circuit de commande électronique ou électromécanique non représenté Concretement , les ordres de commande de la mise en service de la résistance R et de l'électrovanne 41 sont élaborés de la façon suivante
- Le ou les capteurs sont mis hors circuit (dérHvation du fluide caloporteur par l'électrovanne 41) lorsque la température détectée par la sonde 44 atteint par exemple -60, Ils sont remis en service dès que cette température remonte a -3 , par exemple.

- La résistance R est mise en service lorsque le capteur est hors service et dès que la température dans la cuve relevée par la sonde 45, descend par exemple en dessous de 100.

- La résistance cesse d'être alimentée lorsque le capteur est remis en service.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation des capteurs décrits, en particulier leur utilisation n'est nullement limitée à la toiture, car il va de soi que ce type de capteur fonctionne parfaitement verticalement. Son montage le long d'un mur est donc possible. Pour des immeubles déjà existants, il est possible d'agencer le capteur en un ensemble ver tical pouvant faire office d'élément de mur de cloture.

Dans ce cas, og prévoit deux plaques réceptrices parallèles et verticales dont les faces en regard sont arrosées par un même conduit d'arrosage disposé horizontalement à la partie supérieure desdites plaques et comportant deux rangées de trous orientées respectivement vers lesdites faces en regard. Un collecteur placé en partie basse des capteurs, parallèlement au conduit d'arrosage, fait office de moyen de récuparation précité.

Enfin, il convient de signaler que l'ensemble de l'installation est reversible, c'est à dire qu'elle peut fonctionner l'été en tant que système de climatisation, par inversion de la pompe à chaleur , le ou les capteurs permettant alors de rejeter vers l'extérieur les calories prélevées dans la maison. C'est dire que l'invention couvre tous les équivalents techniques des moyens décrits si ceux-ci le sont dans le cadre des revendications qui suivent.

Claims (13)

REVENDICATIONS

1. Capteur d'énergie calorifique, notamment d'origine solaire, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison une plaque réceptrice (11) destinée à être positionnée de façon que l'une de ses faces (1 la) soit exposée au rayonnement solaire, des moyens d'arrosage en nappe (14) agencés près de l'autre face (lob) de ladite plaque et orientés vers celle-ci pour y alimenter une nappe de fluide caloporteur et un moyen de récupération (12) disposé en dessous de ladite autre face.

2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite plaque (11) et ledit moyen de récupération en forme de bac (12), définissent une enceinte (13) plate, étanche, sensiblement parallélépipédique renfermant lesdits moyens d'arrosage (14) disposés le long d'un bord (15) de ladite enceinte ; ledit bac comportant un embout d'evacuation (16) de fluide caloporteur situé au voisinage du bord opposé (17).

3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il constitue un Nldnent de toiture, ou une toiture.

4. Capteur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit bac (12) est pourvu d'un embout de raccordement (28) situé au voisinage desdits moyens d'arrosage (14)etdestiné à être connecté à l'embout d'évacuation (10) d'un capteur voisin supérieur.

5. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite plaque réceptrice (11) est métallique .

6. Capteur selon l'une des revendications 2 à 4, ca ractérisé en ce que ladite plaque réceptrice est en matière plastique, par exemple de même nature que ledit bac de récupération (12).

7. Capteur selon la revendication 6,:caractérise en ce que la face (1 la) précitée de ladite plaque qui est destinée à être exposée au rayonnement solaire, a un aspect décoré, rappelant, en fonction du site, un cértain type de couverture

8. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite plaque (11) a un aspect extérieur ondulé, imitant les tuiles.

9. Capteur selon la revendication 5 ou 6 et la revendication 8 caractérisé en ce que lesdits moyens d'arrosage (14) sont constitués par un conduit d'arrosage percé de trous (14a) et comportant des protuberances (37) à intervalles réguliers, disposés respectivement en regard des ondes de ladite plaque, pour assurer une répartition régulière de fluide caloporteur sur ladite autre face (lob) de ladite plaque réceptrice.

10. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par un rainurage fin de ladite autre face(llb) de ladite plaque, dans le sens d'écoulement de ladite nappe de fluide caloporteur.

11. Capteur selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte deux plaques réceptrices précitées, verticales et parallèles, des moyens d'arrosage en nappe des faces en regard de ces deux plaques et un collecteur plaçé en partie basse.

12. Capteur selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il est agencé en élément de clôture.

13. Installation de production d'énergie calorifique dans un immeuble, caractérisé en ce qu'elle comporte au moins un capteur (10) selon l'une des revendications précédentes, en ce qu'elle comporte en outre un réservoir de fluide caloporteur (33) pour ledit capteur (19) et une pompe a chaleur (40) ; ledit capteur, ledit réservoir, ladite pompe de circulation et le circuit d'entrée (42) de ladite pompe a chaleur tant branchés en série et une vanne (41) étant agencée pour placer ledit capteur hors circuit dans une certaine plage de température.