FR2870928A1 - Procede de production solaire instantane prioritaire dans les installations utilisant des capteurs solaires thermiques basse temperature - Google Patents

Abstract

En admettant directement à l'échangeur solaire, dans certaines circonstances, les fluides à réchauffer (eau froide lors d'un puisage ECS, eau retour chauffage quand sa température est plus froide que celle des capteurs), on supprime le réchauffage parasite de ces fluides par mélange avec l'eau du stock, inévitable lorsqu'ils sont raccordés de façon fixe sur ce dernier.Le rendement des capteurs, inversement proportionnel à la température du fluide à réchauffer, s'en trouve sensiblement augmenté. Ce procédé implique des modifications minimes des schémas hydrauliques « classiques », mais un pilotage en temps réel par automate programmable selon le « principe du réchauffage solaire du fluide le plus froid ».Cette conception radicalement innovante, intéresse tout type d'installation , du chauffe-eau individuel à l'installation de grande taille, en passant par les blocs techniques standardisés « prêts à raccorder » pour maisons individuelles.

Description

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La présente invention concerne un procédé innovant ( production solaire instantanée prioritaire ) dans les installations utilisant des capteurs solaires thermiques basse température.

Elle appartient au domaine du génie climatique du bâtiment: production d'eau chaude sanitaire, chauffage des locaux, chauffage de piscine, et généralement toutes applications basse température domestiques ou industrielles.

1. Problème posé Bases théoriques de l'invention: rendement des capteurs solaires, seuils de fonctionnement des capteurs -principe du fluide le plus froid Les premiers théoriciens de systèmes solaires (années 1980) avaient montré que le rendement des capteurs chutait avec leur température de fonctionnement et que le réchauffage solaire étant de toute façon incapable d'atteindre la température de consigne sans appoint, mieux valait monter le moins possible en température pour récolter le maximum d'énergie solaire et dépenser le minimum d'énergie d'appoint! Cette proposition apparemment paradoxale est très facile à démontrer.En effet le fonctionnement des capteurs solaires est régi par trois équations (figure 3), concernant un m2 de capteurs: (1) Pu= v. Pi K (tc-ta) (pertes des capteurs) Pu= puissance utile récoltée (en watt) Pi = puissance solaire incidente normale aux capteurs (en watt) v = coefficient des pertes optiques des capteurs K = coefficient des pertes arrière des capteurs (watt/m2. C) tc = température moyenne des capteurs.

ta = température extérieure environnante des capteurs.

(2) Pu = 1,163.Q. 024 1) (réchauffage du fluide) 1,163 = chaleur massique de l'eau (Wh/kg. C) Q= débit d'eau dans les capteurs (en kg/h) t 1 = température entrée capteurs (fluide à réchauffer) (en C) t2 = température sortie capteurs (en C) (3) tc = tl+t2 (température moyenne des capteurs.) 2 On déduit des équations précédentes: v. Pi - K(tl _ ta) + 1,163.Q.tl (4) t2= 2 1,163.Q+K 2 Connaissant Pi, Q, tl, on calcule t2 par l'équation précédente puis Pu en reportant t2 dans l'équation (2).

Le tableau suivant (voir aussi la courbe figure 14) illustre le résultat des calculs de Pu en fonction de tl, pour deux valeurs de Pi, et des valeurs usuelles de v, K, et ta.

t1 10 20 30 40 50 60 t2 14,1 23,3 32,6 41,8 51,1 60,3_ Pi=600 W/m2 Pu 474 387 300 214 127 40 t2 12 21 31 Pi=300 W/m2 Pu 237 150 64 0 0 0 9 W/m2. C C Commentaire: 1) Pu est une fonction linéaire décroissante de t 1.

avec un bon ensoleillement (Pi=600 W/m2) : pour tl=10 C ( cas de réchauffage d'eau sanitaire) , Pu 474 W. pour t1=50 C (cas du réchauffage du stock),Pu= 127 W. avec un faible ensoleillement (Pi 300 W/m2) : pour tl=10 C, Pu=237 W. pour t1=50 C (cas du réchauffage du stock) Pu= 0, les capteurs sont au dessous de leur seuil de fonctionnement.

2) seuil de fonctionnement: pour chaque ensoleillement Pi, il y a un seuil ou les pertes sont supérieures ou égales aux gains, correspondant à l'annulation de l'équation (1) v. PH( (tc-ta) Dans l'exemple ce seuil est de t1=40 C pour Pi=300W/m2.

Plus la température du fluide à réchauffer est basse plus ce seuil est bas.

L'intérêt de faire travailler les capteurs à la température la plus basse possible est donc clairement démontré. Le fil conducteur du procédé sera donc le principe de réchauffage solaire du fluide le plus froid. Dans les installations concernées les fluides les plus froids sont l'eau froide sanitaire (environ 10 C) et le retour chauffage (30 C en moyenne annuelle) v

K ta

2. Etat de la technique: 2-1) schémas hydrauliques.

2-1-1) schéma le plus courant pour le chauffage et l'E.C.S.

La figure 4, illustre le schéma le plus courant valable aussi bien en production E.C.S.

qu'en chauffage. On le rencontre dans toute la littérature sur les installations solaires, dans les installations artisanales , mais aussi dans les produits industriels prêts à installer, plus ou moins modulaires, avec régulation intégrée, pour le chauffage, la production d'E.C.S. et le chauffage des piscines.

Dans ce schéma capteurs-stock-utilisations les capteurs réchauffent ( chargent ) le stock, les utilisations déchargent le stock. Capteurs et utilisations sont découplés par le stock si bien que le fluide à réchauffer (eau froide sanitaire ou retour chauffage) subit un réchauffement en traversant le stock, ce qui va diminuer le rendement des capteurs. Tout le problème est donc de calculer la température t3 d'entrée aux capteurs, problème complexe de bouteille de mélange. Il serait d'ailleurs intéressant de savoir comment les logiciels de calcul des apports solaires traitent cette question.

L'état de la technique a traité ce problème en cherchant à minimiser ce réchauffage parasite du fluide à réchauffer dans le stock par divers moyens: - la mise en vis-à-vis et le rapprochement de l'entrée du fluide à réchauffer dans le ballon (to) et de la sortie du ballon vers l'échangeur (t3.) - la stratification: En admettant le fluide le plus froid dans le bas du stock il se produirait une masse froide stable, dans laquelle puise le circuit des capteurs. Les constructeurs proposent des dispositifs (brise- jet sur l'arrivée du fluide à réchauffer, grilles anti-convection, etc.) censés maintenir ce bel équilibre malgré des puisages plus ou moins violents et des courants croisés illustrés sur la figure 4.

L'hypothèse de la stratification est contestable: en effet pour un faible puisage la température du stock sera peu modifiée (on aura donc t3=t5) et pour un puisage important, il y aura nécessairement un brassage important.

Dans tous les cas l'eau renvoyée à l'échangeur sera à une température comprise entre celle du fluide à réchauffer et celle de l'eau du stock.

A défaut d'une loi empirique reconnue pour le calcul de t3, nous proposons une loi dans laquelle t3=t5 pour un puisage nul, et t3 tend asymptotiquement vers to quand le puisage tend vers l'infini. La loi la plus simple respectant ces conditions aux limites est la fonction homographique de la forme: (5) t3 = t5+ (to-t5). D D+Do Avec D est le débit de puisage en kg/h.

Do est une constante représentant le débit pour lequel t3=to+t5 (moyenne to-t5) 2 Do dépend de la taille et des dispositions anti-convection du stock.

Nous estimons qu'une valeur de Do (en m3/h) égale à la moitié de la capacité du stock en m3 est raisonnable (exemple: pour un stock de 2 m3, Do=1 m3/h) : Le tableau (voir aussi la courbe figure 15) illustre le réchauffement dans la traversée du Io stock, aussi bien dans le cas du chauffage que de l'E.C.S.

température entrée échangeur t3 en fonction du débit de puisage D t5 40 D I 100 200 500 1000 2000 6000 12000

_

to 10 pointe E.C.S.

Do 1000 t3 37 351 301 251 20 14 12 to 25 pointe CHAUFFAGE Do 6000 t3 40 40 39 38 36 33 30 Commentaire de la courbe (figure 15) La courbe du haut concerne le chauffage avec un stock de 12 m3, l'horizontale représentant l'asymptote (to (retour chauffage) =25 C.) La courbe du bas concerne la production E.C.S. avec un stock de 2 m3, l'horizontale représentant l'asymptote (to(eau froide) =10 C.) On constate que pour les faibles débits t3 reste voisine de la température du stock t5 (40 C). Même pour un débit de pointe E.C.S. de 20001/h (le débit de pointe E.C.S. en l/h est statistiquement voisin de la capacité du stock en litres), t3 est quand même de 20 C pour une entrée EF à 10 C.

Pour le chauffage, en raison de la taille du stock (12 m3) par rapport au débit de pointe (6m3/h pour fixer les idées) le réchauffement parasite est encore plus grave (8 C) : t3 est de 33 C pour un retour chauffage de 25 C.

Le branchement des fluides à réchauffer sur le stock est donc une cause de réchauffage de ces fluides qui pénalise le rendement des capteurs.

2-1-2) schéma (fortement déconseillé) en production E.C.S..

On rencontre très souvent le schéma représenté sur la figure 5.

Ce schéma est fortement déconseillé : - d'une part l'échangeur tubulaire incorporé dans le stock a un très faible coefficient d'échange, puisque l'échange a lieu par convection à l'extérieur des tubes.

- d'autre part, l'arrivée d'eau froide n'a plus aucune chance de se mélanger avec le fluide d'entrée à l'échangeur.

2-1-3) schéma amélioré en production E.C.S..

La figure 6 représente un schéma amélioré par l'emploi d'un échangeur extérieur, et l'introduction partielle d'eau froide à l'échangeur. Le calcul rigoureux de t3 est possible dans ce cas.

Pour un faible puisage (D<D2), t3 résultera du mélange du débit D2-D d'eau du stock circulant vers le bas et du débit D d'eau froide, soit: t3 = (D2-D).t5 + D.tO D2 Pour un fort puisage (D>D2), l'échangeur sera alimenté par un débit D2 d'eau froide pure, l'excédent de D sur D2 circulant vers le haut pour entrer dans le stock.

La figure 16 représente t3 pour une installation de 30 m2 de capteurs, D2=2000 kg/h, t5=40 C, to=10 C: température entrée échangeur t3 en fonction du débit de puisage D t5 40 D 100 200 500 1000 2000 to 10 t3 38, 37 32 23 10 D2 _ 2000 On voit que t3 reste au dessus de to pour les petits puisages et jusqu'à D=2000 kg/h (débit de pointe E.C.S.).

2-1-4) schéma le plus courant en chauffage.

La figure 7 représente le schéma utilisé couramment en chauffage. Pour la démonstration 20 du réchauffage intempestif du retour chauffage dans le stock, se reporter au ≈2-1-1) 2-1-5) cas du chauffage de piscine.

Tous les concepteurs couplent directement le circuit piscine sur l'échangeur, le stock n'étant pas nécessaire en raison de l'inertie de la masse d'eau à chauffer.

Un inconvénient toutefois: les apports solaires excédentaires doivent être refusés, aucun 25 stock ne permettant de les stocker pour un usage différé.

2-1-6) le plancher solaire direct (P.S.D.).

La figure 8 représente aussi le schéma du plancher solaire direct (P.S. D.), procédé de chauffage solaire par le sol, dont les deux caractéristiques principales sont: 1) l'absence d'échangeur (moyennant un remplissage de l'installation en fluide antigel), ce qui est bénéfique sur le rendement des capteurs 2) la suppression du stock qui est remplacé par la masse inerte du plancher.

On remarque que les planchers ne sont pas raccordés directement aux capteurs, mais par l'intermédiaire d'un petit stock tampon. Le problème de réchauffage intempestif reste donc entier comme dans les schémas classiques.

De plus l'absence de stockage-cuve présente deux inconvénients: - refus (excepté s'il y a une piscine pas encore réchauffée) des apports solaires excédentaires en demi-saison à la mi-journée, moment où ils sont maximaux et où par contre les besoins de chauffage sont minimaux.

- sans stockage-cuve le P.S.D. ne s'applique ni aux planchers chauffants classiques à faible inertie, ni aux installations de chauffage par émetteurs à eau basse température (ventilo-convecteurs, centrales de traitement d'air.) Enfin dans le système P.S.D. la production d'E.C.S. reste classique (raccordée au stock) 2-1-7) coordination chauffage-E.C.S.

La figure 9 illustre un schéma très répandu.

Ce schéma classique est fortement déconseillé. On y retrouve d'abord l'échangeur E.C.S.

incorporé dont nous avons déjà souligné les inconvénients (2-1-2), mais surtout la dépendance des stocks E.C.S. (application 60 C) et chauffage (application 40 en moyenne annuelle) vont provoquer en cascade une montée en température des capteurs nuisible à leur rendement.

La figure 10 illustre un schéma amélioré par rapport au précédent.

Les deux échangeurs sont en parallèle sur le circuit des capteurs, ce permet avec la vanne 3 voies de choisir l'application la plus froide, mais sans possibilité de fonctionnement simultané.

2-2) état de la technique en matière de réqulation.

Dans les systèmes classiques en charge-décharge du stock et ne gérant pas la priorité chauffage-E.C.S., la régulation est assez simple et utilise des régulateurs différentiels coté capteurs et des régulateurs classiques de chauffage (régulation de la température départ chauffage en fonction de la température extérieure) coté utilisations.

Ils utilisent le plus souvent un assemblage de régulateurs classiques auxquels s'ajoutent quelques fonctions logiques assurées par des dispositifs électromécaniques.

Un autre système par contre propose des fonctions plus complexes et utilise un micro-processeur communiquant à distance, ce qui évite les interventions des installateurs et permet un télé-suivi par le fabricant.

3. Solution technique apportée par notre procédé : L'analyse de détail, au paragraphe 2 précédent, des défauts des réalisations résultants de l'état de la technique actuel, était indispensable pour bien comprendre le procédé proposé de production solaire instantanée prioritaire . Nous allons en décrire le schéma hydraulique, puis la logique de régulation.

Ce procédé a pour fil conducteur la suppression du réchauffement parasite dans le stock des fluides les plus froids (eau froide sanitaire, retour chauffage) en les acheminant directe-ment à l'échangeur solaire lorsque cela est possible, à savoir: - toujours en cas de puisage d'E.C.S., lorsque la température retour chauffage est inférieure à la température de l'échangeur. En dehors de ces cas, le fonctionnement est tout à fait classique , en charge et décharge du stock.

Il se propose également de gérer, en temps réel, l'ordre de priorité des différentes utilisations en rendant prioritaire la plus froide .

Dans ce procédé le stock retrouve son rôle premier de régulateur subordonné à l'instantané, absorbant ses excédents (charge du stock) et comblant ses déficits (décharge du stock), permettant de pallier le décalage entre production solaire et utilisation. Outre le stock-cuve E.C. S., un stock-cuve chauffage distinct reste néanmoins indispensable afin d'éviter surchauffes ou refus d'énergie solaire disponible.

Il est également essentiel de disposer de stocks distincts pour le chauffage et I'E.C.S., applications dont les températures sont différentes: - température de consigne invariable de 60 C pour l'E.C.S.

- température variable pour le chauffage (en fonction de la température extérieure) avec une moyenne annuelle de 35 C environ et un maximum de 50 C.

Le schéma hydraulique du procédé ne comporte que des modifications minimes, mais essentielles, par rapport au schéma classique; par contre sa régulation considérablement plus complexe doit être assurée par un automate programmable.

3.1. Schéma hydraulique.

Le point essentiel à traiter est donc le raccordement des fluides à l'échangeur pour respecter le principe du fluide le plus froid.

3.1.1. Cas de la production E.C.S. : Le principe est illustré par la figure 1.

Les deux différences par rapport au schéma classique sont: - l'arrivée d'eau froide passe intégralement par l'échangeur, - la vanne 3 voies V1 assure une orientation de la sortie de l'échangeur: - vers le stock solaire si t4<t5 (le stock solaire est refroidi pour un meilleur rendement après puisage).

- vers le stock d'appoint si t4>t5 (on évite de réchauffer le stock solaire, pour un meilleur rendement après puisage; le puisage plus chaud que le stock solaire est acheminé vers le stock d'appoint).

En dehors des puisages, la boucle de charge du stock solaire est assurée par l'orientation de V1 et la mise en marche du circulateur C2, De nuit, le stock solaire est alimenté en eau froide directement, une vanne motorisée, non figurée, bipassant l'échangeur.

3.1.2. Cas du chauffage: Le principe est illustré par la figure 2.

Les trois différences par rapport au schéma classique sont: - le circuit chauffage est raccordé sur l'échangeur.

- la vanne 3 voies V2 est ajoutée pour gérer la charge du stock.

- la vanne 3 voies V3 est ajoutée pour gérer la décharge du stock Nota: 1) les vannes V4 (régulation départ chauffage par mélange) et V5 (appoint chauffage) sont présentes dans les systèmes classiques.

La vanne V 4 joue aussi le rôle de bipasse de l'échangeur lorsque la température retour chauffage est plus élevée que celle de l'échangeur.

2) l'appoint en injection en ligne utilisé pour la décharge du stock et pour l'appoint, est une technique non spécifique du procédé, mais donnant les résultats les plus fins: on peut ainsi réchauffer le départ chauffage de 3 C par le solaire, puis faire un complément de 2 C par l'appoint.

3.1.3. couplage chauffage-E.C.S. : La priorité des utilisations chauffage et E.C.S. est un problème important du point de vue du principe du fluide le plus froid.

La figure 11 illustre le schéma proposé.

La mise en série des échangeurs E.C.S. et chauffage permet un épuisement complet de l'énergie solaire des capteurs; par exemple le fluide des capteurs se refroidit d'abord: - de 40 C à 35 C dans l'échangeur du circuit E.C.S. (application la plus froide prioritaire) qui est réchauffé de 10 C à 30 C, - ensuite de 35 C à 30 C dans l'échangeur du circuit de chauffage qui est réchauffé de 25 C à 30 C.

En cas de réchauffage de piscine, l'échangeur supplémentaire sera placé en série avec les échangeurs chauffage et E.C.S., et toujours en aval de ces derniers, car le réchauffage de piscine est considéré comme non prioritaire.

Nota: la mise en série d'échangeurs peut poser un problème de pertes de charges sur le circuit des capteurs: on envisagera alors un circulateur pour chaque échangeur. 10 3.1.4. schéma d'ensemble.

figure 12 Schéma d'assemblage des utilisations (E.C.S., chauffage) et du circuit des capteurs représentés séparément sur les figures 1, 2 et 11.

3.1.5. circuits secondaires.

La réalisation comportera trois circuits secondaires qui sont mentionnés pour information, car ce sont des ajouts non spécifiques de l'invention mais relevant de l'état de la technique. Ils sont néanmoins figurés sur la figure 13 pour illustrer leur intégration dans le procédé de production solaire instantanée prioritaire. Les deux premiers circuits entrent dans le cadre du projet de nouvelle réglementation de l'eau chaude du bâtiment concernant la prévention contre la légionellose.

Ces circuits secondaires sont: - le bouclage de la distribution E.C.S. (circulateur C8) avec possibilité de réchauffage par l'énergie solaire, y compris instantanée. L'intérêt de ce dispositif est d'assurer le réchauffage de la boucle par l'énergie solaire lorsque cela est possible. Généralement, par souci de simplification, ce réchauffage est assuré par l'appoint, ce qui est dommage lorsque l'on sait qu'il peut représenter 20 à 25% de l'énergie annuelle nécessaire à la production E.C.S..

Rappelons que le projet de réglementation eau bâtiment exige le maintien de la distribution à une température supérieure ou égale à 50 C, le bouclage étant la seule 30 solution permettant l'utilisation de l'énergie solaire.

- le traitement anti-légionellose du stock E.C.S. solaire (circulateur C5) .

Selon le projet de nouvelle réglementation, l'E.C.S. stockée, doit séjourner au moins 24 heures à une température supérieure ou égale à 60 C avant distribution. i0

Un stock d'appoint, maintenu à 60 C et dont la capacité est supérieure ou égale à la consommation journalière, placé en série avec le stock solaire E.C.S. (dont la température est très souvent inférieure à 60 C) permet de respecter cette prescription.

Malgré cette précaution, il semble prudent de prévoir un circuit de réchauffage par l'appoint du stock solaire E.C.S. afin de lui faire subir un choc thermique anti-legionellose exceptionnel ou périodique.

- le transfert entre stock E.C.S. et stock chauffage (circulateur C4).

Pour les installations assurant chauffage, production E.C.S. et chauffage de piscine, la surface de capteurs est excédentaire en été, parfois même en demi-saison. Le transfert d'énergie entre les stocks E.C.S. et chauffage permet d'accroître la capacité d'énergie stockée pour l'E.C.S..

La régulation de ces trois circuits est expliquée au ≈3.3.2.

La figure 13 représente un schéma de principe complet d'installation, avec ces trois circuits et un appoint par chaudière.

3.2. Réqulation.

Le procédé est plus complexe à réguler que les procédés classiques, dans la mesure où il se propose de gérer chaque utilisation et les utilisations entre elles selon le principe du fluide le plus froid.

La régulation repose sur la comparaison de 3 températures simultanées en production 20 E.C.S. et 4 températures simultanées en chauffage.

Seul un automate peut gérer ces comparaisons et assurer à la fois: - des fonctions de régulation classiques (PI, tout ou rien) pour la commande des vannes 3 voies, - une logique de fonctionnement discrète qui va adapter, en temps réel, la configuration de l'installation à tous les cas possibles.

En complément, un équipement de supervision et télé-suivi communiquant avec l'automate sera installé. Cet équipement non spécifique du procédé n'est pas décrit ici. La description de la régulation renvoie à la figure 13.

3.2.1. pilotage des configurations E.C.S..

La configuration du système dépend de la séquence des 3 températures suivantes: 60 C (valeur de consigne E.C.S.), t4 (stock solaire), t2 (sortie échangeur solaire).

Or il y a 6 arrangements possibles de 3 nombres (3x2x1), ce qui fait 12 configurations selon qu'il y a ou non puisage d'E.C.S..

L'automate aura à gérer 4 vannes 3 voies et 3 circulateurs, dont un permanent (recyclage).

En cas de puisage.

De jour, afin d'admettre à l'échangeur de l'eau froide pure: le circulateur de charge C3 est toujours à l'arrêt le circulateur C2 fonctionne de façon à garantir un débit de bouclage sur l'échangeur de 601/h par m2 de capteurs minimum.

- le recyclage vers l'échangeur est verrouillé (vanne V4).

De nuit, C2 et C3 sont à l'arrêt. En option l'échangeur peut comporter un bipasse avec vanne motorisée (V12.) - Vanne V1: vanne tout ou rien Rôle: couplage de l'instantané au stock solaire.

voie B fermée: si t2>t4. Le stock solaire est bipassé, afin de le maintenir à la température la plus basse possible, l'E.C.S. instantanée étant alors stockée dans le stock d'appoint.

voie B ouverte: - si t2<t4. L'E.C.S. instantanée est orientée vers le stock solaire qu'elle refroidit.

- la nuit, pour admettre les puisages de nuit dans le stock solaire.

- Vanne V2: vanne modulante.

Rôle: mitigeur thermostatique du départ de la distribution, réglé entre 55 C et 60 C.

- Vanne V3: vanne tout ou rien Rôle: orientation du recyclage vers stock appoint voie B ouverte: si t2 et t4<60 C voie B fermée: si t2 ou t4>60 C Vanne V4: vanne tout ou rien Rôle: orientation du recyclage vers le stock solaire ou échangeur.

voie B ouverte: - si t2<t4 - la nuit (ordre redondant car t2<t4).

voie B fermée: - si t2>t4.

Le tableau suivant résume les configurations. Les plus fréquentes sont en caractères gras.

AVEC PUISAGE 60<t4<t2 t4<60<t2 t4<t2<60 60<t2<t4 t2<t4<60 t2<60<t4 Circonstance t4:stock >60 C <60 C <60 C >60 C <60 C >60 C t2 échang. > 60 C >60 C <60 C >60 C <60 C <60 C très rare Plein été courant très rare courant Plein été Vl voie B position de jour: fermée de jour:ouverte fermeture forcée la nuit action tout ou rien fonction couplage de l'instantané au stock solaire V2 voie B position x% action modulante fonction mitigeur ré e a 55-60 C V3 voie B position fermée Fermée ( 100% fermée 1 100% Fermée action tout ou rien fonction orientation recyclage V4 voie B position fermée 1 Fermée 0% 100% 100% 1 100% fermeture forcée la nuit action tout ou rien fonction orientation recyclage C2 (échangeur) marche permanente de jour - arrêt de nuit C3 (charge stock) Arrêt impératif pendant puisage-arrêt de nuit C8 (recyclage) fonctionnement permanent Hors puisage.

L'installation fonctionne comme une installation classique en réchauffage du stock.

Les circulateurs C2 et C3 sont arrêtés la nuit.

- Vanne V1: vanne tout ou rien Rôle: réchauffer le stock solaire avec l'instantané.

voie B ouverte: si t2>t4, C3 est mis en marche pour charger le stock solaire, Cl mis à l'arrêt. voie B fermée: si t2<t4, C3 est mis à l'arrêt, Cl mis en marche pour irriguer la sonde t2.

- Vanne V2: vanne modulante.

Rôle: idem puisage: mitigeur thermostatique départ distribution, réglé entre 55 C et 60 C.

- Vanne V3: vanne tout ou rien Rôle: idem puisage, orientation du recyclage vers stock appoint si t2 et t4<60 C - Vanne V4: vanne tout ou rien Rôle: idem puisage, si t2 ou t4 >60 C, orientation du recyclage vers stock solaire ou échangeur.

Le tableau suivant résume les configurations. Les plus fréquentes sont en caractères gras.

HORS PUISAGE 60<t4<t2 T4<60<t2 t4<t2<60 60<t2<t4 t2<t4<60 t2<60<t4 Circonstances stock (t4) >60 C <60 C <60 C >60 C <60 C >60 C échangeur(t2) >60 C >60 C <60 C >60 C <60 C <60 C très rare Plein été Courant très rare Courant plein été V1 voie AB- B position ouverte Fermée action tout ou rien fonction Orientation V2 voie B-AB position x% action Modulante fonction Mitigeur V3 voie AB- B fermée Fermée 100% Fermée 100% Fermée V4 voie AB- B fermée Fermée 0% Ouverte 100% ouverte C2 (échangeur) arrêt Marche arrêt la nuit C3 (charge stock) marche Arrêt arrêt la nuit 3.2.2. pilotage des configurations de chauffage.

La configuration du système dépend de l'état de la séquence des 4 températures suivantes: t12 (sortie échangeur solaire), t14 (stock solaire), t17 (consigne départ chauffage, en fonction de la température extérieure, calculée par module de régulation) t19 (retour chauffage).

Or il y a 24 arrangements possibles de 4 nombres (4x3x2x1), à diviser par deux pour éliminer les 12 arrangements où t19>t17, qui n'ont pas de sens physique.

L'automate aura à gérer 4 vannes 3 voies et 2 circulateurs dont 1 permanent.

On remarquera que la régulation de t17 est toujours assurée par une seule vanne, différente selon les configurations, les autres vannes étant forcées en ouverture ou fermeture.

- Vanne V6: vanne modulante sens d'action refroidissement.

Rôle: couplage de l'instantané au stock solaire (pour charge du stock).

Voie B forcée fermée (bipasse du stock) Si t12<t14: le stock ne peut être réchauffé (cas 4, 5, 6, 9, 10, 12) Si t 14<t 12<t 17: il est préférable d'utiliser directement l'instantané qui nécessite moins d'appoint que le stock qui, de plus, ne sera pas réchauffé (cas 7 et 8) Voie B forcée ouverte: Si t14<t12<t19: instantané pouvant charger le stock mais inutilisable dans l'installation (cas 11). Si t17<t14<t12: instantané non réglable à t17 par mélange avec stock (casl) Réglage de t17: si t 14<t 17<t l 2 (cas 2 et 3) - vanne V7: vanne modulante sens d'action réchauffage. Rôle: - évite le réchauffage du solaire par l'appoint.

- règle la température départ plancher en mélange classique départ solaire -retour voie A fermée 100% t12< t19: éviter le réchauffage du solaire par l'appoint (cas 6, 9, 11,12) 10 voie A ouverte 100% : t19<t12< t17: instantané utilisable mais insuffisant (cas 5, 7, 8, 10) t14<t17<t12: instantané réglable à t17 par mélange avec stock (cas 2 et 3) Réglage de t17: t17<t12 et t14: instantané et stock excédentaires (cas 1 et 4) vanne V8: vanne modulante sens d'action réchauffage. 15 Rôle: gère la décharge du stock solaire.

Fermeture forcée de la voie B par anticipation quand: tl4<t19: stock inutilisable (cas 8, 11, 12) t17<t12: instantané suffisant (cas 1, 2, 3,4) t19<t14<t12<t17: instantané et stock utilisables mais insuffisants, avec instantané plus chaud que le stock (cas 7) ouverture forcée de la voie B par anticipation quand: t 12<t 19<t 14: instantané inutilisable, stock utilisable (cas 9) t19<t12<t14: instantané utilisable mais plus froid que le stock (cas 10) réglage de t17 quand: t12<t17<tl4: instantané plus froid que stock lui-même utilisable mais insuffisant (cas 5 et 6) vanne V9: vanne modulante sens d'action réchauffage. Rôle: gère l'appoint chaudière.

Fermeture de la voie B par anticipation quand: t17< t12 ou t14: le solaire instantané ou le stock sont suffisants (cas 1, 2, 3, 4, 5, 6.) réglage de t17 quand: t12 et t14<t17: ni le solaire instantané, ni le stock ne sont suffisants (cas 7, 8, 9, 10, 11, 12) Le tableau suivant résume les configurations, les plus fréquentes étant en caractères gras.

Cas Séquence C9 C10 V6 voieB V7 voie A V8 voie B V9 voie B Type vanne modulante Modulante Modulante Modulante Rôle vanne charge stock Décharge Appoint sens action vanne Froid Chaud Chaud Chaud 1 t19<t17<t14<t12 100% x% 0% 0% 2 t14<t19<t17<t12 X% 100% 0% 0% 3 t19<t14<t17<t12 X% 100% 0% 0% 4 t19<t17<t12<t14 0% x% 0% 0% t19<t12<t17<t14 arrêt de nuit Permanent 0% 100% X% 0% 6 t12<t19<t17<t14 0% 0% X% 0% 7 t19<t14<t12<t17 0% 100% 0% X% 8 t14<t19<t12<t17 0% 100% 0% X% 9 t12<t19<t14<t17 0% 0% 100% X% t19<t12<t14<t17 0% 100% 100% X% 11 t14<t12<t19<t17 100% 0% 0% X% 12 t12<t14<t19<t17 0% 0% 0% X% 3.2.3. pilotage de la priorité chauffage-E.C.S..

La position des échangeurs dans le circuit des capteurs sera modifiée pour placer en amont 5 l'échangeur dont la température de fonctionnement est la plus basse, ce qui conduira au meilleur rendement des capteurs.

Hormis le cas d'un puisage E.C.S. (détecté par contrôleur de débit placé sur l'entrée d'eau froide) toujours prioritaire, l'ordre des échangeurs résultera de la comparaison de trois températures: t4 (stock solaire E.C. S.) t19 (retour chauffage) t14 (stock solaire chauffage) L'échangeur E.C. S. (ECH1) sera placé en premier: à chaque puisage E.C.S.

quand t4<t 14<t 19 dans les autres cas, le retour chauffage ou le stock chauffage étant à une température inférieure à celle du stock E.C.S., ECH2 sera placé en premier.

Cas Séquence Cl V10 voieB V11 voie A V12 voie B Type vanne arrêt tout ou rien tout ou rien tout ou rien de nuit puisage E.C.S. Fermée Fermée Fermée ECH 1 en premier Hors puisage E.C.S.

1 t4<t19<t14 Fermée Fermée Fermée ECH 1 en premier 2 t4<t14<t19 Fermée Fermée Fermée ECH 1 en premier 3 t14<t19<t4 Ouverte Ouverte Ouverte ECH 2 en premier 4 t14<t4<t19 Ouverte Ouverte Ouverte ECH 2 en premier t19<t4<14 Ouverte Ouverte Ouverte ECH 2 en premier 6 t19<t14<t4 Ouverte Ouverte Ouverte ECH 2 en premier 3.2.4. comptage d'énergie solaire et appoint.

L'automate assurera également des fonctions d'intégrateur pour le comptage d'énergie.

ECS: - intégrateur de l'énergie solaire I1, sondes t2, t3, mesureur de débit Q1 - intégrateur de l'énergie d'appoint I2, sondes t5,t7, mesureur de débit Q2. 5 CHAUFFAGE; - intégrateur de l'énergie solaire I3, sondes t l6, t17 (débit CIO connu) - intégrateur de l'énergie d'appoint I4, sondes t17, t19 (débit C10 connu) DESSINS ILLUSTRANT L'INVENTION Figures illustrant l'état de la technique Figure 4: Figure S: Figure 6: Figure 7: Figure 8: Figure 9: Figure 10: principe de raccordement des utilisations production E.C.S.

production E.C.S. améliorée chauffage plancher solaire direct (P.S.D.) couplage chauffage-E. C. S. couplage chauffage-E.C.S. amélioré Figures illustrant l'invention Figure 1: Figure 2: Figure 3: Figure 11: Figure 12: Figure 13: Figure 14: Figure 15: Figure 16: production E.C.S.

chauffage paramètres d'un capteur solaire couplage chauffage-E. C. S. schéma d'ensemble schéma d'ensemble avec circuits secondaires (courbe) résultat des calculs de Pu en fonction de t 1 (courbe) réchauffement dans la traversée du stock: chauffage et ECS (courbe) schéma amélioré en production ECS: t3pour installation de 30m2 de capteurs.

Claims (3)

REVENDICATIONS

1) Procédé de réchauffage par capteurs solaires thermiques à eau chaude basse température, caractérisé par: - l'admission directe à l'échangeur solaire du fluide le plus froid à réchauffer dans les circonstances suivantes: - eau froide (EF) lors d'un puisage E.C.S., - eau retour chauffage quand sa température est plus froide que celle de l'échangeur chauffage. Hormis les cas précédents, le système fonctionne en charge et décharge classiques.

- une vanne 3 voies tout ou rien, à la sortie de l'échangeur solaire E.C. S., permettant d'orienter le puisage soit vers le stock solaire (si la température sortie échangeur est inférieure à celle du stock solaire) soit vers le stock d'appoint placé en série (si la température sortie échangeur est supérieure à celle du stock solaire.) - un stock spécifique chauffage de type cuve, en plus des stockages E.C.S. (solaire et appoint placés en série), permettant aux échangeurs solaires chauffage et E.C.S. de travailler à des températures différentes, et de stocker l'énergie solaire instantanée excédentaire.

- deux vannes 3 voies modulantes, placées à la sortie de l'échangeur chauffage, permettant l'une la charge du stock, l'autre sa décharge.

- un réchauffage de boucle E.C.S. par l'énergie solaire, géré par deux vannes 3 voies tout ou rien, l'une orientant le retour de boucle vers le solaire ou l'appoint, l'autre l'orientant soit vers le stock solaire, soit vers l'échangeur.

- la gestion du procédé est assurée par un automate programmable, doté de fonctions de régulation (tout ou rien, PID, opérations logiques) permettant de configurer et réguler en temps réel le système (action sur les vannes 3 voies, les circulateurs) selon le principe du réchauffage solaire du fluide le plus froid , et ce aussi bien pour chaque utilisation, que pour l'ordre de priorité entre utilisations.

2) procédé selon la revendication 1, caractérisé par la présence d'un circuit de brassage (circulateur) entre le stock solaire E.C.S. et le stock solaire de chauffage.

3) procédé selon les revendications 1 et 2 précédentes, caractérisé par la présence d'un circuit de choc thermique anti-legionellose, (circulateur), réchauffant le stock solaire E.C.S au moyen de l'appoint (chaudière).