CA1162912A - Dispositif echangeur de chaleur courbe pour le chauffage et la climatisation solaires de locaux - Google Patents

Abstract

Dispositif échangeur de chaleur, courbe, pour le chauffage et la climatisation solaires de locaux et la production d'eau chaude et froide. Il comporte un volume de stockage entouré d'un isolant portant la surface d'échange de chaleur, ainsi qu'un circuit de fluide caloporteur. Ce dispositif se compose d'une enceinte intérieure en forme d'enveloppe constituant le volume de stockage du fluide caloporteur primaire, cette enveloppe étant entourée complètement d'une enveloppe d'isolation, elle même entourée complètement par une enveloppe formant une surface d'échange de chaleur constituée en grande partie par le circuit du fluide caloporteur primaire, les enveloppes ayant une forme sphérique ou ellipsoïdale.

Description

l 162912 La presente invention concerne un dispositiféchangeur de chaleur, courbe, pour le chauffage et la climatisation, solaires, de locaux et la production d'eau chaude et froide sanitaire, ce dispositif comportant un echangeur, un volume de stockage et un circuit de fluide caloporteur situe autour du volume de stockage.
On connait de multiples installations de chauffage ou de climatisation a capteurs plans ou en forme de cylindres, de pyramides ou de troncs-~decônes, dont une partie de la surface constitue un recepteur de chaleur (ou un émetteur), en étant occupé par le circuit du fluide caloporteur.
Or, de telles installations ne présentent pas de caractéristiques optimales d'echange de chaleur et de facilité de réalisation. Ces installations sont en :
; général tres complexes, tant à la réalisation qu'au montageL leur transport est delicatL ces instaIlations sont en général fixes.
La présente invention a pour but de réaliser une 20 ~ installation de ce type, qui soit d'un rendement ele~e, : .
puisse fonctionner de facon reversible, soit d'une fabrication simple, efficace, d'un transport et d'un montage faciles tout en résistaht aux conditions très particulières d'utilisation (agression du sable, etc.).
A cet effet, l'invention revendiquée est un di:spositif échangeur de chaleur,: pour le chauf~fage et la climatisation solaire de locaux~èt la production d'eau chaude et d'eau ~roide, dispositif comprenant une - enceinte interieure en forme d'enveloppe constituant un . 30 volume de.stockage d'un fluide:caloporteur:primaire, une~
enveloppe d'isolation entourant complètement l'enveloppe interieure, une~surface d'échange de chaleur:constituée, ~ ~.
en grande partie, par un circuit du fluide caloporteur :
. primaire, cette surface étant formee par les spires d'un tube~enroulé, une~enveloppe~extérleure transparente, les :

.
~ ~ ';~ :
B . - ~ ~ ~
.

. ~

- . . . .
. . .. .

.. .

l ~B2912 différentes enveloppes étant de forme sphérique.
Comme l'échangeur de chaleur est -forme d'enve-loppes successives et que necessairement la surface d'échange, c'est-a-dire la surface qui est exposee au rayonnement solaire ou qui assure l'echange de la chaleur avec l'exterieur, est repartie suivant une surface enveloppante, il en resulte que la surface apparente pour le soleil est toujours inferieure a la surface réelle (surface utile pour l'émission).
Cela permet d'utiliser avantageusement un tel dispositif d'échange dans une installation de chauffage et de /.

. .
- la -.

;

"

1 162~2 climatisationg le dispositif échangeur fonctionnant alterna-tivement comme émetteur de chaleur 9 pendant la nuit9 pour donner des frigoriesg stockées dans un volume de stockage dans lequel l'installation de climatisation puise les frigories pendant la journée, alors que le dispositif échangeur fonctionne comme capteur de chaleur pendant la journée pour fournir de l'eau chaude sanitaireO Pendant la période dlhiverg un tel capteur peut fonctionner comme capteur de chaleur pour l'installation de chauffage.
I0 D1autres caractéristiques sont énoncées dans la description et les revendications.
La présente invention sera décrite plus en détail à l~aide des dessins annexés dans lesquels o - la figure 1 est une coupe d~un dispositif échan-geur selon l~invention , - la figure 2 est un schéma de couplage de deux dispositifs selon l'invention pour un fonctionnement combiné ;
- la figure 3 est une vue en perspective très schématique d~un dispositif échangeur de chaleur muni d'un réflecteurg selon le présent perfectionnement ;
- la figure 4 es-t une vue en plan d'un réflecteur selon un mode de réalisationg - la figure 5 est une vue en coupe du réflecteur de la figure 4.
Selon la figure 19 le dispositif échangeur de chaleur selon l'invention se compose d~une enveloppe intérieure I
constituant un volume de stockageO
Dans le cas le plus simpleg l'entrée de l~eau d'alimentation venant du réseau, se fait directement dans le volume de stockageg et l'eau utilisée est puisée dans ce même volume de stockage Dans un autre casg lorsqu'il fautg pour des raisons d'hygiène ou autresg séparer le fluide caloporteur et l~eau à réchauffer ou à refroidirg le circuit primaire comporte un échangeur logé dans le volume de stockage du circuit secondaire.
Cette enveloppe intérieure 1 est entourée par une enveloppe d~isolation 2 d'épaisseur appropriée9 elle-même entourée par une enveloppe 3 constituant la surface d~échange.
Cette surface diéchange 3 est formée par un tube 31 en b~ucles jointives. Le tube 31 est relié à l'enceinte 1 par une tubulure ,.. , , : .

l 16~9~2 d'entrée 32 et une tubulure de sortie 330 ~insi9 le circuit de circulation du fluide caloporteur primaire est composé de l'enceinte 1~ du tube 31 et des raccords 32a 33. La circulation du fluide caloporteur primaire peut se faire soit par thermo-siphon, soit de façon forcée par une pompe non représentée.
Enfin, le dispositif échangeur peut porter un vitrage ou autre9 constituant une enveloppe extérieure 49 trans-parente aux rayonnements, et escamotable si le dispositif doit fonctionner en émetteur pendant la nuit.
Le volume supérieur 5 entre les spires ou parties supérieures du tube 31 a et qui est laissé libre par le tube 3I~
ne constitue pas à proprement parler un inconvénient de perte de surface.
Ce volume 5 peut avantageusement etre utilisé pour y loger le circuit électronique de commande de l'installation (palpeur de température, commutateur de circulation de fluide~
etc.).
Le dispositif échangeur décrit ci-dessus qui se caractérise par une succession d'enveloppes 7 peut avoir des formes très différentes telles que sphérique ou ellipsoidaleO
Géométriquement~ la forme la plus simple est une sphèreg dont la coupe verticale suivant un grand cercle correspond à la figure 1.
Suivant un mode de réalisation préférentiel, le circuit du fluide caloporteur primaire est constitué par des eléments en matière plastique. La matière constituant le tube 31 de l'échangeur est de préférence chargée en carbonè pour mieux résister aux rayons ultra-violets. Cette exigence n'est pas aussi importante pour l'enveloppe 1 qui est protégée du rayonnement9 par lléchangeur 3 et par 1 t isolant 20 La matière plastique et notamment un caoutchouc synthétique, offrent un certain nombre diavantages liés à sa souplesse. En effet, dans le cas d'un circuit primaire fermé 7 réalisé en caoutchouc synthétiqueg il n'est pas nécessaire de prévoir de vase d'expansion.
On évite également une réduction de l'échange thermique par un dépôt de calcaire ou autre, sur les parois du tube 31 à cause de la forte dilatation de la matière plastique suivant les variations de température entre la nuit et le jour.
Ltélasticité d'une matière synthétique souple évite également :

' l 1~i2912 ,.............................. a~

l'éclatement de l'installation en cas de gelg ce qui permet de faire l'économie de liquide anti-gel.
Comme la surface apparente de lléchangeur du dispositif échangeur selon 17 invention est constante dans le cas d'une sphère, ou encore varie suivant une loi prédeterminée, un tel dispositif échangeur ne constitue aucune servitude d~orientation ou d'architecture du bâtiment. Bien plusg une forme de boule, de lentille, etcO permet une intégration facile et esthétique de ce dispositif de captation dans l'architecture d'un bâtiment, contrairement aux difficultés qui existent pour les capteurs-plans~ notamment l'obligation d'une orientation déterminée Enfin, lorsque le rayonnement du soleil est diffus, c'est-à-dire lorsque le ciel est voilé par des nuages9 le capteur reçoit cette lumière diffuse sur toute la surface réelle de l'échangeur 30 Or, contrairement au cas d'un échangeur-plang cette surface(ellipsoide ou sphère) est toujours supérieure d'environ quatre fois la surface apparenteg c'est-à-dire la surface vue par le soleil en éclairage direct ~non diffus)o Le dispositif échangeur peut se réaliser en usine, sous la forme d'un ensemble dont le montage sur le lieu de l'utilisation est extrêmement simple~ car il suffit alors de brancher le circuit secondaire sur l'enceinte de stockage lo De façon générale, les surfaces enveloppes du dis-positif peuvent etre constituées soit par des surfaces continues (dans le cas de volumes peti-ts ou moyens) soit par des surfaces discontinues constituées par l'assemblage d'éléments plans ou courbes (facettes) formant les diverses enveloppes (dans le cas de dispositifs de dimensions importantes, d'immeublesg etcO).
Dans les pays chauds, il est souvent nécessaire d'avoir à la fois de lteau chaude et de ~eeau froide.
L'eau chaude sert à des usages sanitaires ou au chauffage pendant une période de la journée et l'eau froide sert à des usages sanitaires, à la consommation, a la climatisation etcO car dans certains pays chauds, comme l'eau du réseau de distribution est souvent tièdeg voire chaude, elle est peu agréable à consommerO
Toutefois, en procédant de la sorte, la surface de captation de l'installation fournissant de l'eau chaude est perdue pendant la nuit et inversement la surface de captation ~ 1~29~2 de l'installation de production d'eau froide est perdue pendant la journée.
Or~ en combinan-t deux installations comme cela sera décrit ci après à l'aide de la figure 2a il est possible d'utiliser pendant la journée non seulement la surface de capta-tion de l'installation dite de production d'eau chaude~ mais également la surface de captation de l'installa-tion dite de production d'eau froideO Inversement9 pendant la nuit~ la surface de captation de l'installation de production d~eau IO chaude sert à la production d'eau froide en parallèle à la surface de captation de l'installation de production d'eau froideO
Le schéma de la figure 2 montre deux dispositifs lO, 119 ayant la même structure~ Ces dispositifs se composent chacun d'une surface d7échange El, E2g d'un volume de stockage Sl, S2 et d~une conduite de liaison CLl, CL2 reliant la surface d~échange E~ 7 E2 au volume de stockage Sl, S2 respectif. Le circuit de fluide primaire se compose ainsi des éléments El 2 CLl 29 Sl 2-Le dispositif 10 est destiné à fournir de l'eau chaude, par exemple de l~eau chaude sanitaire ou de chauffage ECS à partir de l'eau de ville EV qui passe dans le volume de stockage S qui constitue ainsi une réserve et un échangeur de chaleur.
Le dispositif 11 est branché de façon analogue.
Le volume de stockage S2 recoit de l'eau de ville et fournit de l'eau froide sanitaire ou de climatisation EFS.
Les circuits CLl, CL2 comportent chacun un clapet anti-retour Dl, D2 (schématisés par le symbole des diodes) ou tout autre dispositif équivalent de façon que l~eau ne puisse circuler que dans un sens9 par exemple par effet de thermosiphon.
Ainsi9 dans le circuit CLl, le couplage des dispositifs lO et ll par les conduites Cl, C2 permet d~avoir deux réserves9 l'une S
pour l'eau chaude9 l'autre S2 pour l'eau froide en utilisant simultanément pour la fabrication de cette eau chaude et de cette eau froide~ les enveloppes El et E20 La circulation des fluides caloporteurs primaires dans les circuits CLl, CL2 pen-dant le jour (production d'eau chaude) et pendant la nuit ~production d'eau fraiche) est schématisée par les fleches et les symboles J (jour)et N (nuit)O

- ::

~:

`; . '.,: ,: : , 62gl2 _ 6 Dans le cas d'une installation fonctionnant en thermosiphon~ les clapets anti-retour Dl et D2 assurent la commande de la circulation des fluides caloporteurs primaires, circulant dans le sens des flèches.
Par contre, si l'installation ne peut pas fonction-ner en thermosiphon, des vannes d'arret, télécommandéesg peuvent remplacer les clapets anti-retour Dl, D2, le fonctionnement étant par ailleurs le même~
Le schéma de la figure 2 montre des surfaces de captation E1, E2 distinctes des enveloppes Sl, S2 et ne les entourant pasO En fait~ il s'agit là d'une schématisation, les réalisations pratiques étant faites selon les principes de l'invention, c'est-à-dire les surfaces de captation E1, E2 entourant les volumes de stockage Sls S
Selon la figure 3, le dispositif 20 est porté par le montant 21 d'un pied à ~rois branches 220 Un miroir ou réflecteur 30 est fixé au montant 21~ Ce réflecteur 30 a une forme de conque, destinée à éclairer la partie inférieure du dispositif échangeur 20 pour utiliser le maximum de la surface disponible du dispositif échangeur 200 Selon la figure 4, le réflecteur 30 présente en vue en plan, la forme d'un trapèze isocèle muni d'une encoche 31 permettant la mise en place du réflecteur 30 sur le montant 21.
La fixation se fait à l'aide d'un dispositif 32 tel qu'un collier, représenté schématiquement à la figure 2 et qui vient bloquer le réflecteur 30 dans la position appropriée sur le montant 21.
La figure 5 est une vue en coupe schématique du réflecteur 30 et montre la section de celui-ci. Ce*te section est de forme sensiblement parabolique pour obtenir un réflecteur de forme cylindrique à section parabolique~
-~ Il est particulièrement intéressant que l'élément échangeur présente en vue en plan une forme de trapèze isocèle, et en section une forme parabolique. Cela donne un élément réfléchissant efficace non seulement au milieu de la journée mais egalement au début ou à la fin de la journée car il permet de recueillir le rayonnement solaire, rasant et de le réfléchir sur la surface inférieure du dispositif échangeurO
La plus grande partie de la surface de l'élément réfléchissant 30 se trouve à l'avant du dispositif échangeur ~0 et non à ltarrière, pour constituer un éIément en forme de - - . . ., -., - ~
.

.

~ :~6291 2 conque. Cet élément réfléchissant est avantageusement fixé
sur le montant du pied portant un dispositif échangeur~ Cela permet non seulement de régler la hauteur appropriée de l~élément échangeur 30 en fonction des conditions d~utilisation7 S mais également de démonter cet élément échangeur 30 pour le transport~
La fixation de l~élément réfléchissant sur le pied se fait, par exemple, par un collier ou dispositif simi-laire.
Dans le cas de dispositifs échangeurs de petit diamètre, il est particulièrement avantageux d'entourer l'ensemble du dispositif échangeur d'une enveloppe donnant un effet de serre et, en particulier, d'une enveloppe sphérique lorsque le dispositif échangeur a lui-meme une forme sphérique7 Suivant une autre caractéristique intéressante, pour utiliser la partie inférieure et arrière du dispositif échangeur, c'est-à-dire pour utiliser au maximum la surface disponible7 on rend réfléchissante la surface intérieure infé-rieure de l'enveloppeO Cela permet d'utiliser avantageusement toute la surface du dispositif échangeur, tout en protégeant la surface réfléchissante du réflecteur contre les agressions extérieures notamment le sable ou ]es poussières~
Suivant une autre variante non représentée, convenant particulièrement pour les dispositifs échangeurs 20 de diamètre relativement faible, on entoure ce dispositif echangeur d'une enveloppe extérieure ou éventuellement d'une seconde enveloppe extérieure9 transparente. Cette enveloppe extérieure transparente peut être rendue réfléchissante sur sa partie inférieure pour former un réflecteur analogue à
celui décrit ci-dessus~ Dans ce mode de réalisation, on combine à la fois l'effet de serre résultant de cette enveloppe trans-parente et, d'autre part~ la réflexion pour utiliser la partie inférieure du dispositif échangeur proprement dit. Cette sphère extérieure transparente peut etre constituée par deux hémisphères fixes aux montants portant l'échangeur 2.

. ~ : :
.
'. ' . ~ ` :

Claims (5)

Les réalisations de l'invention au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est reven-diqué, sont définies comme il suit:

1. Dispositif échangeur de chaleur, pour le chauf-fage et la climatisation solaire de locaux et la produc-tion d'eau chaude et d'eau froide, dispositif comprenant:
- une enceinte intérieure en forme d'enveloppe constituant un volume de stockage d'un fluide caloporteur primaire, - une enveloppe d'isolation entourant complètement l'en-veloppe intérieure, - une surface d'échange de chaleur constituée, en grande partie, par un circuit du fluide caloporteur primaire, cette surface étant formée par les spires d'un tube enroulé, - une enveloppe extérieure transparente, - les différentes enveloppes étant de forme sphérique.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé
en ce qu'il comporte des miroirs de concentration ou de réflexion, notamment un miroir de concentration constitué
par une pièce en forme de conque, destinée à être fixée au montant d'un pied du dispositif échangeur.

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé
en ce que le miroir comporte un collier pour être fixe sur le montant portant le miroir.

4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé
en ce que le miroir est constitué par une partie de cylindre à section parabolique et le miroir a, en vue en plan, une forme de trapèze isocèle.

5. Installation formée de dispositifs selon la revendication 1, destinée à fournir des calories et des frigories, caractérisée en ce qu'elle est composée de deux dispositifs échangeurs ayant des circuits primaires munis ? 8 ?

chacun d'un dispositif anti-retour définissant un sens de circulation de fluide caloporteur dans ce circuit et de deux conduites de liaison reliant les deux circuits pour brancher alternativement deux capteurs sur l'un ou l'autre des volumes de stockage en fonction du sens de circulation du fluide, et un circuit de commande électro-nique intégré à la surface de l'échangeur en étant alimenté par une pile solaire.

? 9 ?