FR2484063A1

FR2484063A1 - Solar heat collecting panel - has secondary air circulation duct with fan and heat pump

Info

Publication number: FR2484063A1
Application number: FR8012707A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-06-04
Filing date: 1980-06-04
Publication date: 1981-12-11

Abstract

The solar panel consists of an absorber (7) below a glazed outer panel (5). Underneath the absorber is a series of waterways (5-8) backed by an insulating support (10). During periods of normal sunshine the panel acts in the usual fashion. When the solar radiation is low and the fluid temperature falls below that of the air, fans are started, supplying air over the absorber in the space (3) between the glazing and the absorber itself. The air acts as a cold source for a heat pump circuit. The inlet and outlet dampers (18,20) are spring loaded and normally closed but open under fan pressure.

Description

La présente invention se referme aux capteurs de l'énergie thermique ambiante. The present invention closes with ambient thermal energy sensors.

On connais ce qu'on appelle des capteurs solaires, ctest-a-dire des appareils en forme de panneaux qui reçoivent le rayonnement du soleil et le transforment avec un certain rendement en chaleur à tempe rature relativement basse qu'ils transfèrent à un fluide caloporteur approprie tel que l'eau ou l'air, qu'on utilise ensuite pour le chauffage de locaux, la fourniture d'eau chaude, etc.... L'inconvénient est que le rayonnement solaire est par principe irrégulier du fait de la succession des jours et des nuits et de la présence fréquente de couvertures nuageuses.Pour y remédier on a mis en oeuvre deux ordres de solutions, savoir des accumulateurs de chaleur (réservoirs a eau chaude, par exemple) et des chauffages dits d'appoint soit par chaudière auxiliaire, soit, mieux, à l'aide d'une pompe à chaleur
On sait qu'une pompe a chaleur est une machine thermique fonctionnant suivant le cycle de Carnot inverse, c'est-adire en transformant en chaleur une fraction de l'énergie mécanique qui lui est fournie et en utilisant le reste pour prélever des calories à basse température à partir d'une source froide et les transférer à une plus haute température à une source chaude.On dispose ainsi à cette dernière d'une quantité d'énergie thermique supérieure à celle qui résulterait de la simple transformation de l'énergie mécanique, par exemple à l'aide d'un radiateur électrique, le rapport de l'énergie thermique ainsi obtenue à celui de l'énergie mécanique mise en jeu constituant ce qu'on appelle le coefficient de performance de la pompe. Celui-ci est d'autant plus élevé que la différence de température entre la source froide et la source chaude est plus faible.We know what are called solar collectors, that is to say devices in the form of panels which receive the radiation from the sun and transform it with a certain yield of heat at a relatively low temperature which they transfer to a heat transfer fluid. suitable such as water or air, which is then used for space heating, hot water supply, etc. The drawback is that the solar radiation is in principle irregular due to the succession of days and nights and the frequent presence of cloud coverings. To remedy this, two orders of solutions have been implemented, namely heat accumulators (hot water tanks, for example) and so-called auxiliary heaters by auxiliary boiler, or, better, using a heat pump
We know that a heat pump is a thermal machine operating according to the reverse Carnot cycle, that is to say by transforming into heat a fraction of the mechanical energy supplied to it and using the rest to take calories from it. low temperature from a cold source and transfer them at a higher temperature to a hot source. This provides the latter with a quantity of thermal energy greater than that which would result from the simple transformation of mechanical energy. , for example using an electric radiator, the ratio of thermal energy thus obtained to that of the mechanical energy involved constituting what is called the coefficient of performance of the pump. The higher the temperature difference between the cold source and the hot source, the higher the temperature.

Dans le cas de l'application de la pompe à chaleur comme moyen de chauffage d'appoint dans une installation comportant des capteurs solaires avec accumulateur de chaleur on a utilise comme source froide l'eau de ce dernier lorsqu'elle est tombée à une température telle qu'elle ne peut plus servir au chauffage des locaux. Cette solution est très intéressante car 11 eau en question se trouve encore au début presque tiède (par exemple a 250C), de sorte que le coefficient de performance de la pompe est élevé. In the case of the application of the heat pump as an additional heating means in an installation comprising solar collectors with heat accumulator, the water of the latter was used as the cold source when it has fallen to a temperature. such that it can no longer be used for space heating. This solution is very interesting because the water in question is still at the beginning almost lukewarm (for example at 250C), so that the coefficient of performance of the pump is high.

Malheureusement cette eau est en quantité limitée et lorsqu'elle s'est refroidie on doit rechercher une autre source froide. On a alors recours soit à de l'eau de source ou de rivière, lorsqu'on peut en disposer, ce qui est assez rare, soit beaucoup plus simplement à l'air atmosphérique extérieur.Unfortunately this water is in limited quantity and when it has cooled we have to look for another cold source. We then use either spring or river water, when it is available, which is quite rare, or much more simply with outside atmospheric air.

L'invention a pour objet un capteur qui permet de transférer à un fluide caloporteur tel que l'eau de la chaleur pouvant parvenir non seulement du rayonnement solaire, mais aussi de l'air atmosphérique extérieur, de manière que ce fluide puisse d'une part fournir directement l'énergie thermique désirée (avec ou sans accumulateur de chaleur) lorsque le rayonnement solaire existe et est suffisamment intense (par exemple chauffer une maison du genre dit solaire pendant la mi-saison ou chauffer une piscine durant la période des beaux-jours) et d'autre part servir de source froide à une pompe à chaleur en captant alors les calories de l'air extérieur et celles qui proviennent eventuellement d'un rayonnement solaire trop épisodique pour permettre un chauffage direct.Dans ce mode de fonctionnement, si la maison possède une piscine, les calories doivent transiter par celle-ci. En effet durant 1 'hiver une telle piscine munie d'une couverture isolante peut jouer le rôle de tampon ou accumulateur thermique permettant de passer la période où il nty a ni ensoleillement, ni température de l'air extérieure suffisante pour alimenter correctement la source froide de la pompe à chaleur. The subject of the invention is a sensor which makes it possible to transfer heat, which can come not only from solar radiation, but also from outside atmospheric air, to a heat-transfer fluid such as water, so that this fluid can share directly provide the desired thermal energy (with or without heat accumulator) when the solar radiation exists and is sufficiently intense (for example heating a house of the kind known as solar during the mid-season or heating a swimming pool during the beautiful period days) and on the other hand serve as a cold source for a heat pump by capturing the calories of the outside air and those which possibly come from a solar radiation too episodic to allow a direct heating. if the house has a swimming pool, calories must pass through it. Indeed during 1 winter such a swimming pool provided with an insulating cover can play the role of buffer or thermal accumulator making it possible to pass the period when there is neither sunning nor temperature of the outside air sufficient to supply the cold source correctly of the heat pump.

Le capteur suivant l'invention comprend à la façon connue une première paroi d'absorption du rayonnement solaire (paroi noire) en avant de laquelle est disposée une seconde paroi transparente à la lumière visible, mais substantiellement opaque à l'infra-rouge, tandis que derriere cette première paroi est prévu un espace de circulation d'un fluide caloporteur approprié propre à recueillir les calories absorbées par elle, ledit espace étant délimité d'autre part par une troisième paroi formant isolant thermique. La caractéristique de ce capteur est qu'il comporte des moyens pour faire circuler de l'air extérieur entre la première et la seconde paroi (paroi d'absorption et paroi transparente) de façon que cet air puisse céder sa chaleur à la première. The sensor according to the invention comprises in known manner a first wall for absorbing solar radiation (black wall) in front of which is disposed a second wall transparent to visible light, but substantially opaque to infrared, while that behind this first wall is provided a space for circulation of a suitable heat transfer fluid capable of collecting the calories absorbed by it, said space being delimited on the other hand by a third wall forming thermal insulator. The characteristic of this sensor is that it includes means for circulating outside air between the first and the second wall (absorption wall and transparent wall) so that this air can transfer its heat to the first.

Pour mieux assurer l'échange de chaleur entre l'air et la première paroi, l'on fait avantageusement comporter à celle-ci des ailettes convenablement orientées. Quant aux moyens propres à réaliser la circulation de l'air, on peut les réaliser sous la forme de ventilateurs auxquels on associe préférablement des clapets chargés qui s' ouvrent lorsque ces ventilateurs marchent, mais se referment quand on arrete ceux-ci, cela afin d'éviter alors toute circulation d'air indésirable. To better ensure the exchange of heat between the air and the first wall, the latter is advantageously made to have suitably oriented fins. As for the means suitable for achieving the circulation of air, they can be produced in the form of fans with which preferably associated loaded valves which open when these fans are on, but close again when they are stopped, in order to avoid any unwanted air circulation.

Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle -est susceptible de procurer
Fig. I est une vue en plan d'un panneau capteur suivant l'invention avec arrachements de la première et de la seconde paroi. The appended drawing, given by way of example, will allow a better understanding of the invention, the characteristics which it presents and the advantages which it is likely to provide.
Fig. I is a plan view of a sensor panel according to the invention with cutouts of the first and of the second wall.

Fig. 2 et 3 en sont des coupes partielles à plus grande échelle suivant II-II et III-III (fig. 1). Fig. 2 and 3 are partial sections on a larger scale along II-II and III-III (fig. 1).

Le capteur suivant l'invention, ou capteur aéro-solaire, se présente sous la forme d'un panneau dans lequel on peut distinguer
- une première paroi 1 (fig. 2 et 3) comportant sur sa face avant des ailettes la réalisées de toute manière appropriée
- une seconde paroi 2 disposée en avant de l'ensemble de la premiers et de ses ailettes la en délimitant avec cet ensemble un premier espace 3
- et une troisième paroi ou paroi arrière 4, convenablement nervurée de manière à déterminer avec la face arrière de la première paroi 1 un espace se présentant sous la forme de canaux étroits 5, 6, 7 et 8 (fig. 1).The sensor according to the invention, or aero-solar sensor, is in the form of a panel in which one can distinguish
a first wall 1 (FIGS. 2 and 3) having fins on its front face made in any suitable manner
- A second wall 2 disposed in front of the assembly of the first and of its fins, delimiting with this assembly a first space 3
- And a third wall or rear wall 4, suitably ribbed so as to determine with the rear face of the first wall 1 a space in the form of narrow channels 5, 6, 7 and 8 (fig. 1).

ta première paroi 1 est faite en une matière bonne conductrice ae la chaleur, par exemple cuivre, laiton, aluminium. Dans 1 'exemple représenté elle est faite d'une succession de bandes dont les bords relevés sont soudés entre eux pour constituer les ailettes la. Mais on pourrait également réaliser celles-ci par repliage en V de zones longitudinales successives d'une plaque unique, avec écrasement des plis et soudure de leurs faces en contact. Il serait également possible de rapporter sur une plaque des ailettes séparées en les y fixant par soudure ou autrement. La face avant de la plaque 1 et les ailettes la sont convenablement noircies à la façon usuelle de manière à absorber le rayonnement solaire. your first wall 1 is made of a material that is good conductor of heat, for example copper, brass, aluminum. In the example shown, it is made of a succession of bands, the raised edges of which are welded together to form the fins 1a. However, these could also be produced by folding in V of successive longitudinal zones of a single plate, with crushing of the folds and welding of their faces in contact. It would also be possible to attach separate fins to a plate by fixing them by welding or otherwise. The front face of the plate 1 and the fins 1a are suitably blackened in the usual way so as to absorb solar radiation.

La seconde paroi 2 est faite en une matière transparente à la lumière visible, mais opaque à l'infra-rouge, par exemple en polycarbonate. The second wall 2 is made of a material transparent to visible light, but opaque to infrared, for example polycarbonate.

Quant à la troisième paroi 4, elle est faite de trois épaisseurs élémentaires, savoir une feuille avant 9 en matiere plastique rigide comportant une série de nervures 9a, 9b, 9c qui y délimitent les divers canaux 5, 6, 7, 8, une feuille plastique arrière plane 10 à bords relevés venant se souder à ceux de la feuille 9, et une couche intermédiaire 11 relativement épaisse réalisée en une matière à fort coefficient d'isolement thermique, telle par exemple que du polyuréthane cellulaire. As for the third wall 4, it is made of three elementary thicknesses, namely a front sheet 9 of rigid plastic material comprising a series of ribs 9a, 9b, 9c which delimit there the various channels 5, 6, 7, 8, a sheet flat rear plastic 10 with raised edges coming to be welded to those of the sheet 9, and a relatively thick intermediate layer 11 made of a material with a high coefficient of thermal insulation, such as for example cellular polyurethane.

Les nervures 9a, 9b, 9c de la feuille 9 sont appliquées de façon étanche contre la face arrière de la paroi 1 par l'intermédiaire de joints -collés 12. Par ailleurs le long des grands cotés ou côtés longitudinaux du panneau les trois parois sont assemblées par des vis ou boulons 13 qui traversent les bords relevés des feuilles 9 et 10, celui de la paroi ou feuille métallique 1 et le bord rabattu de la paroi avant 2. Par contre, et comme on le verra ci-après, sur les côtés transversaux l'espace 3 entre les parois 1 et 2 reste ouvert, des entretoises, non figurées, pouvant être éventuellement prévues pour éviter des déformations exagérées des diverses parois les unes par rapport aux autres. The ribs 9a, 9b, 9c of the sheet 9 are applied in leaktight manner against the rear face of the wall 1 by means of glued joints 12. Furthermore, along the long sides or longitudinal sides of the panel, the three walls are assembled by screws or bolts 13 which pass through the raised edges of the sheets 9 and 10, that of the wall or metal sheet 1 and the folded edge of the front wall 2. On the other hand, and as will be seen below, on the transverse sides the space 3 between the walls 1 and 2 remains open, spacers, not shown, possibly being provided to avoid exaggerated deformations of the various walls with respect to each other.

Fig. 1 montre clairement l'agencement des canaux 5, 6, 7 et 8. Le premier 5, relativement profond, part d'une tubulure latérale d'entrée 14 (fig. 2) prévue vers un angle dans la paroi arrière 4 et faite par exemple en matière plastique, ce qui permet de la souder à la feuille 9 pour assurer l'étanchéité. il s'étend le long du côté longitudinal adjacent jusqu'au côté transversal opposé où il se raccorde avec le canal 6, lequel s'étend quant à lui à profondeur décroissante jusqu'au côté longitudinal opposé ou il s'arrête. Les canaux longitudinaux 7, prévus à profondeur réduite, partent en parallèle de ce canal transversal 6 pour aboutir au canal 8, orienté transversalement le long de l'autre côté transversal du panneau. Ce canal 8 communique avec une tubulure latérale de sortie 15 (fig. 3) exactement symétrique de celle d'entrée 14. Fig. 1 clearly shows the arrangement of channels 5, 6, 7 and 8. The first 5, relatively deep, starts from a lateral inlet tube 14 (fig. 2) provided at an angle in the rear wall 4 and made by plastic example, which allows it to be welded to the sheet 9 to ensure sealing. it extends along the adjacent longitudinal side to the opposite transverse side where it connects with the channel 6, which in turn extends in decreasing depth to the opposite longitudinal side where it stops. The longitudinal channels 7, provided at reduced depth, leave in parallel with this transverse channel 6 to end at the channel 8, oriented transversely along the other transverse side of the panel. This channel 8 communicates with a lateral outlet pipe 15 (FIG. 3) exactly symmetrical with that of the inlet 14.

On comprend qu'un fluide caloporteur tel que de l'eau, entrant par la tubulure 14, lèche ainsi régulièrement la face arrière de la paroi 1 pour ressortir par la tubulure 15. Bien entendu les rôles des tubulures 14 et 15 peuvent être échangés. A l'une des extrémités de l'espace 3 est fixée une tuyère d'entrée 16 (fig. 3) qui présente en section longitudinale un profil convergent venant se raccorder à celui dudit espace. L'extrémité à grande hauteur de cette tuyère est équipée d'un dispositif de ventilateurs 17 (fig. 1). Ce dispositif, dont la largeur est considérablement plus grande que la hauteur, peut en pratique être constitué par une série de cellules comprenant chacune un ventilateur unique.A l'intérieur de la tuyère 16 on a prévu en vis-à-vis deux volets 18 articulés en 19 et que des ressorts légers, non figurés, maintiennent au repos à la position fermée (définie par des talons 18a, par exemple), mais en leur permettant de s'ouvrir à plein dès que les ventilateurs soufflent. It is understood that a heat transfer fluid such as water, entering through the pipe 14, regularly licks the rear face of the wall 1 to come out through the pipe 15. Of course the roles of the pipes 14 and 15 can be exchanged. At one end of the space 3 is fixed an inlet nozzle 16 (fig. 3) which has in longitudinal section a converging profile which is connected to that of said space. The very high end of this nozzle is fitted with a fan device 17 (fig. 1). This device, the width of which is considerably greater than the height, can in practice be constituted by a series of cells each comprising a single fan. Inside the nozzle 16, two flaps 18 are provided opposite. articulated in 19 and that light springs, not shown, keep at rest in the closed position (defined by heels 18a, for example), but allowing them to open fully as soon as the fans blow.

La hauteur de l'espace 3 va préférablement en diminuant quelque peu à partir de la tuyère 16 jusqu'à l'extrémité opposée où l'on retrouve un volet à ressort 20, articulé en 21 et avec talon 20a, qui fonctionne exactement comme les volets 18 sus-décrits. A cette extrémité est fixé un déflecteur 22. The height of the space 3 will preferably decrease somewhat from the nozzle 16 to the opposite end where there is a spring shutter 20, articulated at 21 and with heel 20a, which functions exactly like the flaps 18 described above. At this end is fixed a deflector 22.

Bien entendu les ailettes la sont profilées longitudinalement de manière que leur bord libre se trouve toujours à une faible distance de la paroi transparente 2 en dépit de la légère inclinaison de cette dernière. Of course, the fins 1a are profiled longitudinally so that their free edge is always a short distance from the transparent wall 2 despite the slight inclination of the latter.

Le fonctionnement est le suivant
En service le panneau est incliné à la façon connue de manière à se présenter en face du soleil. On s'arrange préférablement pour que la tuyère 16 se trouve dans le bas et le déflecteur 22 dans le haut.The operation is as follows
In service, the panel is tilted in the known manner so as to appear in front of the sun. It is preferably arranged so that the nozzle 16 is at the bottom and the deflector 22 at the top.

En cas d'ensoleillement suffisant le panneau fonctionne enmode capteur solaire. Les ventilateurs 17 sont arrêtés, les volets 18 et 20 sont fermés de sorte que l'espace 3 renferme une masse d'air immobile. Le rayonnement solaire échauffe la plaque 1 et les ailettes la. ta chaleur est transmise au fluide (eau par exemple) qui circule dans les canaux 7 sous l'effet d'une pompe appropriée. L'eau ainsi échauffée et s'écoulant dans des canalisations adéquates peut soit effectuer un chauffage direct (par exemple celui d'une maison à l'inter-saison ou celui d'une piscine), soit réchauffer un accumulateur thermique (lequel peut être la piscine elle-même convenablement pourvue d'une couverture isolante), cet accumulateur pouvant alors servir de source froide à la pompe à chaleur. In case of sufficient sunlight the panel operates in solar collector mode. The fans 17 are stopped, the flaps 18 and 20 are closed so that the space 3 contains a mass of stationary air. The solar radiation heats the plate 1 and the fins la. your heat is transmitted to the fluid (water for example) which circulates in the channels 7 under the effect of an appropriate pump. The water thus heated and flowing in suitable pipes can either carry out direct heating (for example that of a house in the off-season or that of a swimming pool), or heat a thermal accumulator (which can be the swimming pool itself suitably provided with an insulating cover), this accumulator can then serve as a cold source for the heat pump.

Des que le chauffage solaire direct n'est plus possible (début de la période d'hiver ou fin de celle d'utilisation de la piscine), le panneau peut soit fournir des calories à la pompe à chaleur par l'intermédiaire de l'accumulateur, soit fonctionner en capteur classique comme décrit précedem ment quand cela est possible. As soon as direct solar heating is no longer possible (start of winter period or end of use of the swimming pool), the panel can either supply calories to the heat pump via the accumulator, or operate as a conventional sensor as described above when possible.

Toutefois lorsque l'ensoleillement est insufissant, ce panneau peut encore fonctionner en mode échangeur. Quand la température du fluide caloporteur (eau) s'est abaissée à un niveau inférieur à celui de l'air extérieur de (5 à 6" C), on fait à nouveau circuler ce fluide ou eau dans les canaux 7, mais en mettant en marche les ventilateurs 17. I1 y a alors échange de chaleur entre l'air extérieur et l'eau de l'installation, de sorte que tout se passe comme si la pompe à chaleur utilisait comme source froide un évaporateur placé dans un courant d'air, mais avec cet avantage important que ce mode de fonctionnement n'est obtenu qu'avec un faible supplément de coût d 'investissement par rapport à une installation deO panneaux solaires classiques, compte tenu des résultats attendus du panneau suivant l'invention quand il fonctionne en mode capteur solaire. However, when the sunshine is insufficient, this panel can still operate in exchanger mode. When the temperature of the heat transfer fluid (water) has dropped to a level lower than that of the outside air by (5 to 6 "C), this fluid or water is again circulated in the channels 7, but by putting fans 17 on. There is then heat exchange between the outside air and the installation water, so that everything happens as if the heat pump was using an evaporator placed in a d current as the cold source. air, but with this important advantage that this mode of operation is only obtained with a small additional investment cost compared to an installation of conventional solar panels, taking into account the results expected from the panel according to the invention when it works in solar collector mode.

On notera encore que la disposition suivant l'invention annule les effets de givrage bien connus dans diverses applications de la pompe à chaleur et permet d'assurer l'autonomie complète du chauffage en augmentant considérablement le rendement de l'installation à l'inter-saison du fait que la température de la source froide s'élève notablement dès que le temps est plus doux ou plus ensoleillé. It will also be noted that the arrangement according to the invention cancels the well-known icing effects in various applications of the heat pump and makes it possible to ensure complete autonomy of the heating by considerably increasing the efficiency of the installation at the inter- season because the temperature of the cold spring rises markedly as soon as the weather is milder or sunnier.

On conçoit aisément que les diverses phases opératoires qu'on vient de décrire peuvent être déclenchées automatiquement par des détecteurs de température appropriés moyennant\iiaison à un micro-processeur ou unité logique du type électronique ou à relais. It is easy to see that the various operating phases that have just been described can be triggered automatically by appropriate temperature detectors by means of a microprocessor or logic unit of the electronic or relay type.

On peut encore remarquer que le courant d'air déterminé par les ventilateurs 17 peut s'utiliser avec avantage pour faire disparaitre les condensations qui auraient pu se déposer sur la face intérieure de la paroi transparente 1 au début d'une période d'ensoleillement. It may also be noted that the air current determined by the fans 17 can be used with advantage to remove the condensations which could have deposited on the inner face of the transparent wall 1 at the start of a period of sunshine.

I1 doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qutà titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d' exécu- tion décrits par tous autres équivalents. It should moreover be understood that the foregoing description has been given only by way of example and that it in no way limits the field of the invention from which one would not depart by replacing the details of execution described by all other equivalents.

Claims

1. Solar collector panel of the kind comprising a first wall, made for example of metal and comprising a blackened face so as to absorb solar radiation, a second wall transparent to visible light but relatively opaque to infrared, disposed in front of the previous one, and a third thermally insulating wall located behind the first one so as to determine therewith a space for circulation of a heat-transfer fluid, characterized in that it comprises means (17) for circulating the outside air in the space (3) located between the first and the second wall (1, 2) with a view in particular to allowing the heat-transfer fluid to act as a cold source for an auxiliary heating heat pump when the temperature of this air is interesting in this respect.

2. Panel according to claim 1, characterized in that the first wall comprises fins (la) arranged in the space (3) which it delimits with the second wall (2), these fins being substantially oriented parallel to the direction of air flow.

3. Panel according to claim 1, characterized in that it is provided at the entry and / or exit of the air stream in and / or from the space (3) between the first and the second wall (1, 2) loaded shutters (18, 20) normally closed, but which open when the air flow appears.

4. Panel according to claim 1, characterized in that the third wall (4) has ribs (9a, 9b, 9c) in sealed contact with the first wall (1) and which determine therewith channels (5, 6, 7, 8) for the circulation of the heat transfer fluid.

5. Panel according to claim 1, characterized in that the height of the space (3) located between the first and the second wall (1, 2), as well as that of the fins (la) associated with this first wall go decreasing between the entry and exit of said space.