FR2467363A1 - Installation de chauffage solaire - Google Patents

Abstract

L'invention est relative à une installation de chauffage solaire destinée à fournir un fluide chauffé tel que par exemple de l'eau chaude domestique. Cette installation comprend une première enceinte 1 contenant un fluide accumulateur 2 et une deuxième enceinte 8 contenant le fluide à chauffer. Elle est caractérisée par le fait que ces deux fluides sont complètement isolés l'un de l'autre et qu'un troisième fluide assure le transfert d'énergie de la première enceinte 1 vers la seconde 8, en refroidissant le premier fluide 2 et en réchauffant le second fluide. Elle est également caractérisée par le fait que le transfert d'énergie s'effectue même lorsque le fluide accumulateur 2 est plus froid que le fluide à réchauffer, même lorsque le fluide accumulateur 2 change d'état physique. Application aux installations de chauffage et aux chauffe-eau. (CF DESSIN DANS BOPI)

Description

La présente invention est relative à une installation de chauffe-eau solaire destinée à fournir de l'eau chaude.

Les installations de ce type comprennent en général un ou plusieurs capteurs qui prélèvent l'énergie solaire par un effet de serre, et une cuve ou un ballon ou est stockée l'eau qui est réchauffée par le ou les capteurs.

Le cas le plus simple est celui où l'eau de la cuve de stockage ou du ballon circule dans le capteur Dans ce cas elle est réchauffée lors de son passage dans le capteur solaire et est stockee ensuite dans la cuve.

Des installations plus élaborées comportent un échangeur. Il faut alors distinguer deux circuits indépendants. Le premier circuit comporte le capteur en lui-même, différentes canalisations et enfin un échangeur, le plus souvent un serpentin. Cet échangeur est placé dans le deu xième circuit qui est en fait la cuve contenant l'eau à chauffer.

Les intallations de ce type présentent beaucoup d'inconvénients.

Le premier de ces inconvénients est que sans apport d'énergie extérieure, l'eau en sortie du chauffe-eau solaire a une température toujours inférieure ou égale à la temperature de l'eau en sortie du capteur solaire.

Dans le premier cas en effet c'est l'eau de la cuve de stockage qui circule à l'intérieur du capteur, c'est donc sa température en sortie du capteur qui limite la température de l'eau stockée dans la -cuve. Dans le deuxième cas, le transfert de chaleur se fait au niveau d'un échangeur.Il ne sera donc pas possible de réchauffer l'eau de la cuve de stockage à une température supérieure à celle du fluide qui circule dans le capteur.

De ce fait et étant donné que l'énergie solaire est une énergie variable dans le temps, et en particulier nulle pendant la nuit, il est necessaire de prévoir dans l'installation un chauffage d'appoint, à partir de gaz ou d'électricité.

Du fait de l'intensité variable dans le temps de l'énergie solaire, il est nécessaire, afin d'en profiter au maximum, de prévoir une réserve de stockage importante de l'ordre de quelques metres cube. Cette réserve pose un certain nombre de problèmes notamment quant au volume qu'elle occupe, et à son calorifugeage.

Afin de profiter également au maximum de l'énergie prélevée par le capteur solaire, le fluide en sortie du capteur doit être à la température la plus élevée possible. Ceci aboutit à un rendement général de l'installation relativement faible, de l'ordre de 50 %.

De plus ce type d'installation n'est réellement intéressant que dans des régions où l'ensoleillement est relativement important.

Afin de remédier à certains de ces inconvénients, on a introduit dans le circuit une pompe à chaleur, qui transfère la chaleur d'un fluide à l'autre. Cependant dans ce cas, le capteur est relié directement à une cuve de stockage primaire dans laquelle la pompe à chaleur puise l'énergie.

Ce dernier type d'installation comporte des inconvénients. Le premier est qu'il faut en plus de la cuve de stockage pour l'utilisation, une cuve de stockage primaire située juste derrière le capteur, d'où des problèmes de volume occupé par la cuve et de calorifugeage de cette cuve.

Par ailleurs la cuve primaire possède une grande inertie et son réchauffement s'effectue en fait selon le principe du premier type d'installation décrit.

De plus il n'est pas possible d'utiliser la chaleur latente de solidification du fluide accumulateur où est puisée l'énergie car le fonctionnement de ce type d'installation repose sur la circulation du fluide accumulateur dans le capteur et dans sa cuve primaire. Ceci nécessite naturellement l'utilisation de pompes, d'où consommation d'énergie électrique qui diminue d'autant l'économie d'énergie que l'énergie solaire permet de réaliser.

Un des buts de la présente invention est d'isoler complètement le fluide accumulateur et le fluide chauffe en évitant l'utilisation d'une cuve de stockage pour le fluide accumulateur et de pompes de circulation.

Un autre but est d'effectuer entre ces deux fluides non pas un transfert de chaleur par conduction mais un transfert d'énergie utilisant les propriétés physiques d'un fluide frigorigène, qui permette de profiter de la chaleur latente de changement d'état du fluide accumulateur.

Un but de l'invention est également de proposer une installation qui permette d'utiliser la nuit l'énergie accumulée le jour.

A cet effet l'installation de chauffage solaire, destinée à fournir un fluide chauffé tel que de l'eau chaude domestique, est caractérisée par le fait qu'elle comprend une première enceinte exposée au rayonnement du soleil, contenant un fluide accumulateur et une deuxième enceinte contenant le fluide à chauffer, ces deux fluides étant complètement isolés l'un de l'autre, et qu'un troisième fluide puise l'énergie directement dans la première enceinte et la transfère dans la seconde.

L'invention sera mieux comprise en se référant à la description ci-dessous ainsi qu'à la figure unique qui en fait partie intégrante.

Cette figure unique est une schématisation d'une installation de chauffage selon l'invention.

Cette installation comprend en 1 une première enceinte contenant un fluide accumulateur 2. De l'autre côté de l'installation se trouve une deuxième enceinte 8, qui est schématisée ici sous la forme d'un ballon d'eau chaude et qui joue le rôle de cuve de stockage. Ce ballon contient en général de l'eau, il comprend une entrée d'eau froide 9, et une sortie 10 d'eau chaude pour l'utilisation.

Entre la première enceinte 1 et le ballon d'eau chaude 8 se trouve le circuit de transfert d'énergie.

Ce circuit comprend un premier échangeur 3 qui se trouve dans la première enceinte, et un deuxième échangeur 4 qui se trouve dans la deuxième enceinte. Ces deux échangeurs sont reliés par des canalisations 5 et 6.

La première enceinte 1 est constituée d'une enveloppe rigide, souple, ou partiellement souple. Elle renferme un fluide 2 qui est un liquide, un gel, un solide ou un eutectique. Ce fluide peut être placé directement dans l'enceinte ou enfermé par petits volumes dans une pluralité de bulles étanches placées dans la première enceinte, ceci afin d'éviter des problemes de corrosion causés par le fluide accumulateur.

Cette enceinte est placée dans un lieu tel qu'elle puisse recevoir le rayonnement solaire. Elle comporte du côté exposé au rayonnement solaire un vitrage simple ou double ou tout dispositif approprié permettant d'augmenter l'effet de serre. Elle peut étire également mise sous pression ou ouverte à l'atmosphère.

Ses parois laterales ainsi que le fond de cette enceinte peuvent être calorifugés afin d'éviter les pertes thermiques vers l'extérieur.

Dans cette enceinte, ou en contact direct avec cette enceinte, se trouve un échangeur. Cet échangeur est parcouru par un fluide réfrigérant, qui peut être un fluide frigorigène classique, ou de l'eau glycolée.

Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention ce fluide est un gaz qui est un dérivé chlorofluoré du méthane, et l'ecnan- geur est un serpentin métallique par exemple en cuivre qui est immerge dans l'enceinte. Ce serpentin est schématisé,dans la figure par le repère 3.

L'échangeur de la première enceinte est relié à l'échangeur de la deuxième enceinte par l'intermédiaire de canalisations d'aller et re tour du fluide frigorigène.

Dans le mode de realisation préférentiel, l'échangeur de la deuxième enceinte est également un serpentin que l'on a schématisé par le repère 4. Dans la canalisation de circulation du fluide frigorigène du capteur vers la deuxième enceinte, se trouve un compresseur 7. Dans la canalisation de retour de la deuxième enceinte vers le capteur, se trouve un détendeur 12.

Le fluide frigorigène se trouve à l'état gazeux dans le capteur, et à l'état liquide dans le ballon d'eau chaude.

Le fonctionnement de l'installation selon l'invention est le suivant. Le capteur 1 est soumis aux rayonnements du soleil, qui est schematisé par les flèches 11. De ce fait le fluide accumulateur 2, absorbant cette energie solaire, s'échauffe. Grâce au calorifugeage du capteur, et également à la présence de vitrage, l'énergie solaire absorbee par ce capteur y est maintenue jusqu'à ce qu'on en ait besoin pour réchauffer le ballon d'eau.

Lorsque l'énergie accumulée par le capteur est nécessaire pour réchauffer l'eau du ballon, la circulation du fluide frigorigène dans le t circuit intermédiaire est déclenchée par la mise en route du compresseur 7. Dans le cas ou le fluide 3azeux serait remplace par un fluide frigorigène liquide, il suffirait de remplacer le compresseur par une pompe.

Le transfert d'énergie du capteur vers le ballon d'eau, au moyen du fluide, se fait selon le cycle de Carnot du fluide. Au niveau du serpentin 3 immergé dans le capteur, le fluide absorbe l'énergie qui a été emmagasinée par le fluide du capteur. Le fluide à l'état gazeux est véhiculé par l'intermédiaire du compresseur 7 vers le serpentin 5 du ballon. Dans ce serpentin le fluide se liquéfie et restitue l'énergie qu'il a absorbé au niveau du capteur, augmentée de l'énergie électrique fournie par le compresseur pour la circulation du fluide.

Le fluide est ensuite renvoye vers le capteur par la canalisation 6, qui comporte un detendeur 12 où le fluide se gazefie.

Le coefficient de performance du compresseur est compris entre 3 et 4 c'est-à-dire que l'énergie restituée au niveau du ballon est 3 à 4 fois supérieure à l'énergie électrique fournie par le compresseur, la différence entre l'énergie restituée au niveau du ballon et l'énergie fournie par le compresseur, c'est-à-dire 2 à 3 fois l'énergie fournie par le compresseur, est prelevee au niveau du capteur et provoque le refroidis- sement du fluide accumulateur.

L'installation selon l'invention est particulièrement avantageuse pour une utilisation discontinue. En particulier l'installation présente l'avantage de pouvoir accumuler l'énergie le jour dans le capteur, et la restituer la nuit dans le ballon d'eau chaude, ce qui n'est pas possible avec les installations de chauffage solaire actuelles sans apport extérieur d'énergie.

De plus le prélèvement d'énergie au niveau du capteur se fait par fragment, en effet seule la quantité nécessaire pour réchauffer l'eau du ballon à la température voulue est prélevée dans le capteur.

De plus lors du transfert d'énergie du capteur vers le ballon d'eau, au moyen du fluide, la température de chacun des deux fluides contenus respectivement dans le capteur et dans le ballon, et en particulier la différence de temperature entre ces deux fluides n'interviennent pas.

En effet le prélèvement d'énergie au niveau du capteur se traduit par une baisse de la température de ce capteur, la restitution de l'énergie au niveau du ballon se traduit par une augmentation de température de l'eau de ce ballon. De plus cette énergie est transférée du capteur vers le ballon au moyen d'un fluide indépendant du fluide accumulateur et de l'eau du ballon. Il n'y a donc pas échange thermique direct entre le capteur et le ballon comme dans le cas des installations de chauffage solaire actuellements connues.

De ce fait il est possible d'obtenir en sortie du ballon de l'eau à une température plus élevée que la température du fluide du capteur. En outre il est également possible de refroidir le fluide du capteur par prélèvement d'énergie à une température qui amène ce fluide à l'état solide. Il faut remarquer dans ce cas que la chaleur latente de changement d'état du fluide du capteur peut être prélevée par le fluide frigorigène comme précédemment.

Cette possibilité est particulièrement intéressante pour l'utilisation selon l'invention dans des regions ou l'ensoleillement est peu important ou irrégulier. En effet dans ce cas l nstallation pourra fonctionner plusieurs jours sans que le capteur et son fluide accumulateur soient "recharges" par l'énergie solaire.

En effet etant donne que le prélèvement d'énergie ne dépend pas de la température du fluide accumulateur, ce prélevement pourra continuer même si le capteur n'est pas "rechargé" journellement par l'énergie solaire. En particulier il pourra être intéressant d'abaisser la température du fluide accumulateur, par prélèvement d'énergie. en-dessous de la tem perature atmosphérique moyenne. Ceci aura pour effet que le capteur se réchauffera simplement au contact de l'atmosphère.

Il faut également remarquer qu'étant donné l'indépendance du prélèvement d'énergie vis-à-vis de la température du capteur3 contrairement aux capteurs solaires actuellement connus, celui-ci pourra fonctionner à très basse température. Le rendement d'une installation de chauffage solaire est nettement plus élevé lorsque le capteur fonctionne à basse temperature que lorsque le capteur fonctionne à haute température.

En effet il est plus facile de réchauffer un fluide dans les basses temperatures qu'un fluide dans les hautes températures.

De ce fait l'installation selon l'invention a un rendement nettement plus elevé qu'une installation d'un type connu travaillant avec des capteurs à hautes températures.

A titre d'exemple non limitatif, une installation comportant un capteur de 1,5 m2 de surface et d'une capacité de 102 litres, un ballon de 150 litres a donné les résultats suivants. L'eau du ballon a été élevée d'une température d'environ 15 à une température de 50 , l'eau du capteur s'est refroidie jusqu'à 0". Le rendement de l'installation est d'environ 85 %, ce qui est tres proche du rendement instantané du capteur qui est défini par le constructeur. Une installation classique comparable à la présente installation aurait donne un rendement inférieur à 50 %.

Le coefficient de performance a éte de 3,5 , ce qui signifie que l'énergie restituée au niveau du ballon a été 3,5 fois plus importante que l'énergie électrique consommée par le compresseur pour transférer l'énergie du capteur vers le ballon.

L'installation selon l'invention permet donc l'utilisation d'une seule enceinte pour l'accumulation de l'énergie solaire et de son stockage. Elle évite ainsi l'utilisation de cuves encombrantes, de pompes de circulation de l'Art Antérieur. Elle est particulièrement avantageuse pour une utilisation de nuit de l'énergie solaire accumulée de jour, d'autant plus que l'énergie electrique consommée pour le compresseur est moins coûteuse la nuit que le jour.

Naturellement le mode de mise en oeuvre décrit de la présente invention est donne à titre indicatif et l'on pourrait adopter d'autres modes de mise en oeuvre sans pour autant sortir du cadre de l'invention.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Installation de chauffage solaire3 destinee à fournir un fluide chauffé tel que de l'eau chaude domestique, caractérisée par le fait qu'elle comprend une première enceinte exposée au rayonnement du soleil, contenant un fluide accumulateur et une deuxième enceinte contenant le fluide à chauffer, ces deux fluides étant complètement isolés l'un de l'autre, et qu'un troisième fluide puise l'énergie directement dans la première enceinte et la transfère dans la seconde.

2. Installation de chauffage selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le fluide accumulateur est contenu dans un capteur solaire et qu'il est statique.

3. Installation de chauffage selon la revendication 2, car acté- risée par le fait que le fluide intermédiaire refroidit le fluide du capteur solaire.

4. Installation de chauffage selon la revendication 3, caractérisée par le fait que le transfert d'énergie se fait quelle que soit la température du fluide accumulateur, et que le fluide intermédiaire chauffe le fluide et la deuxieme enceinte à une température supérieure à celle du fluide accumulateur.

5. Installation de chauffage selon la revendication 4, caractérisée par le fait que l'énergie transférée comprend la chaleur latente de solidification ou de liquéfaction du fluide accumulateur.

6. Installation de chauffage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le transfert d'énergie est discontinu et fragmentaire.

7. Installation de chauffage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le fluide accumulateur est choisi parmi un liquide, un solide, un eutectique ou un gel.

8. Installation de chauffage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le fluide intermediai- re assurant le transfert d'énergie est un dérivé chlorofluoré du méthane.

9. Installation de chauffage selon la revendication 8, caractérisée par le fait que les transferts d'énergie au niveau du capteur et au niveau de la deuxième enceinte se font par des serpentins.