La présente invention concerne un système de production de chaleur avecThe present invention relates to a heat production system with
capteur mixte solaire et atmosphérique couplé à une pompe à chaleur. Le capteur mixte assure le chauffage d'un réseau d'eau alternativement en chauffage solaire direct et en couplage à une pompe à chaleur. combined solar and atmospheric sensor coupled to a heat pump. The mixed sensor provides heating of a water network alternately in direct solar heating and in coupling with a heat pump.
On connaît déjà des capteurs aérosolaires destinés à servir de source froide de pompes à chaleur. Ces systèmes obligent la mise en service de la pompe à chaleur quelle que soit la saison et conduisent donc à une consommation d'énergie même en cas de rayonnement solaire important. Ils présentent l'inconvénient de fragiliser le compresseur en raison de températures d'évaporation trop élevées en été. io On connaît également des systèmes de capteurs solaires vitrés à simple ou double vitrage ou à tubes sous vide. Ces systèmes présentent l'inconvénient de ne pas récupérer d'énergie dès que le climat est froid, car ils sont déperditifs et également en absence de soleil, ils limitent donc leur utilisation aux périodes d'été et de demi saisons. Par ailleurs en période chaude lorsque aucun besoin d'énergie n'est 15 nécessaire, les capteurs solaires traditionnels montent en température, ce qui les met en défaut de surpression et nécessite, de ce fait, une boucle de rejet thermique extérieur. C'est d'une manière générale un but de l'invention de fournir une installation de chauffage solaire et de pompe à chaleur ne présentant pas les défauts des 20 installations connues. C'est en particulier un but de l'invention de fournir un capteur mixte constitué d'un capteur solaire soumis au rayonnement du soleil et d'un capteur atmosphérique sans vitrage assurant le captage de la chaleur de l'air extérieur, les deux étant couplés à une pompe à chaleur. 25 C'est encore un but de l'invention de fournir une installation de pompe à chaleur ne nécessitant pas le fonctionnement du compresseur lors des rayonnements solaires importants. C'est toujours un but de l'invention de fournir une installation de capteurs solaires ne nécessitant pas une boucle de rejet thermique en cas de rayonnement solaire 30 inutilisé. L'invention sera bien comprise par la description qui suit faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels : • La figure 1 est un schéma d'un capteur mixte d'une installation selon l'invention. • La figure 2 représente un schéma d'une installation selon l'invention en cycle pompe à chaleur . • La figure 3 représente un schéma d'une installation selon l'invention en cycle chauffage solaire direct. Aerosol sensors are already known for use as a heat pump heat sink. These systems require the commissioning of the heat pump whatever the season and therefore lead to energy consumption even in case of significant solar radiation. They have the disadvantage of weakening the compressor due to too high evaporation temperatures in summer. Glazed solar collector systems with single or double glazing or with vacuum tubes are also known. These systems have the disadvantage of not recovering energy as soon as the climate is cold, because they are wasted and also in the absence of sun, so they limit their use to the summer and half seasons. Moreover, in hot weather when no energy requirement is needed, traditional solar collectors rise in temperature, which puts them in default of overpressure and therefore requires an external heat rejection loop. It is generally an object of the invention to provide a solar heating and heat pump system which does not have the defects of known installations. It is particularly an object of the invention to provide a composite sensor consisting of a solar collector subjected to sunlight and an atmospheric sensor without glazing ensuring the capture of the heat of the outside air, both being coupled to a heat pump. It is another object of the invention to provide a heat pump installation that does not require the operation of the compressor during large solar radiation. It is still an object of the invention to provide a solar collector installation that does not require a heat rejection loop in case of unused solar radiation. The invention will be better understood from the following description given by way of example and with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a diagram of a mixed sensor of an installation according to the invention. • Figure 2 shows a diagram of an installation according to the invention in heat pump cycle. • Figure 3 shows a diagram of an installation according to the invention in direct solar heating cycle.
Une installation de capteur mixte selon l'invention figure 1 comporte un ou plusieurs capteurs solaires (10) installés par exemple au dessus d'une toiture (18). Ces capteurs traditionnels (10) sont du type à simple ou double vitrage ou encore à tubes sous vide, ils permettent de récupérer la chaleur solaire directe lorsqu'elle est suffisante qui est récupérée par l'intermédiaire d'un circuit d'eau pénétrant dans to l'échangeur (12) par la tuyauterie (14) et en sort réchauffée par la tuyauterie (15). Un second ensemble d'échangeurs (11) est couplé au dispositif, il peuvent être avantageusement installés sous les capteurs solaires (10) mais pourront également être installés à distance en clôture par exemple. Les échangeurs (11) fonctionnent grâce à la convection naturelle de l'air extérieur, si ils sont à température inférieure à 15 celle de l'air, ils récupéreront de la chaleur dans l'air qui pénétrera en (EA) et sortira naturellement en (SA) ; un espace au dessus et au dessous des échangeurs (11) de l'ordre de 5 cm permettra à l'air de circuler. Une installation de capteur mixte selon l'invention figure 2 comporte un ou plusieurs capteurs solaires (10) et capteurs atmosphériques (11) installés par exemple au 20 dessus d'une toiture. Ces capteurs sont reliés à une pompe à chaleur (20). Deux cycles de fonctionnement principaux existent, un cycle en récupération directe de chaleur solaire, tel que représenté en trait gras sur la figure 3 et un cycle en récupération indirecte de chaleur solaire et convective sur l'air tel que représenté en gras sur la figure 2 ; les traits représentent des tuyauteries, celles en pointillé 25 correspondent à des tuyauteries non utilisées dans le cycle représenté. Revenons à la figure 2 pour expliquer le fonctionnement. Ce cycle de fonctionnement se met en service automatiquement dès que le rayonnement solaire est insuffisant pour assurer le chauffage du milieu à chauffer (30), représenté ici par un ballon d'eau chaude équipé d'un échangeur (31) (Cette insuffisance est détectée par la 30 différence de température existant entre la sonde thermique (34) du capteur (10) et la sonde (33) du milieu à chauffer (30). Dans ce cycle la vanne motorisée trois voies (28) met en relation d'échange thermique le condenseur (23) de la pompe à chaleur (20) et le milieu à chauffer (30), le circulateur (27) étant en service. D'un autre côté, le circulateur (25) met en relation d'échange thermique l'évaporateur (21) de la pompe à chaleur (20) et le capteur mixte solaire (10) et atmosphérique (11). La circulation de l'eau s'effectue dans le sens haut du capteur vers le bas du capteur, de telle manière que le clapet de retenue (29), avantageusement de type à battant, laisse passer le liquide en circulation (le clapet (29) pourra éventuellement être remplacé ou complété par une électrovanne ou une vanne motorisée(32), représentée en pointillé, ouverte dans cette phase et qui pourra être placée à n'importe quel emplacement de la tuyauterie d'entrée ou de sortie de l'évaporateur (21)). Le liquide (en général de l'eau additionnée d'antigel), pulsé par le circulateur io aura un débit partagé entre les échangeurs (11) et (12) de tous les capteurs mixtes installés en parallèle, le liquide refroidi dans l'évaporateur (21) va se réchauffer dans le capteur mixte en prélevant de la chaleur à l'air extérieur dans lequel baigne l'échangeur (11) et de la chaleur solaire sur l'échangeur (12) si il existe un rayonnement solaire aussi petit soit il. Le compresseur (22) de la pompe à chaleur 15 (20) est en fonctionnement pendant cette phase et prélève de la chaleur dans l'évaporateur (21) pour la transmettre à plus haute température dans le condenseur (23). La pompe à chaleur fonctionne tant qu'un besoin de chaleur existe dans le milieu à chauffer (30). Pendant cette phase de fonctionnement, si la température extérieure est basse (voisine de 0 C par exemple), le liquide en circulation aura une 20 température de l'ordre de -5 C à l'entrée de l'évaporateur (21) et de -8 C à sa sortie. Du givre apparaîtra sur les deux faces de l'échangeur (11), la phase de givrage est longue de l'ordre de 6 jours, le givre disparaîtra naturellement dès que la température extérieure remontera au dessus de +6 C ou lorsqu'un rayonnement solaire suffisant permettra une remontée de la température du liquide en circulation 25 dans le capteur mixte. Bien entendu, la surface totale des capteurs solaires (10) et atmosphériques (11) seront calculés en relation avec la puissance de la pompe à chaleur (20). Dans ce cycle de fonctionnement, la puissance calorifique récupérée dans le milieu à chauffer sera environ 4 fois plus importante que la puissance absorbée par le compresseur (22). La pompe à chaleur (20) sera dotée d'un vase 30 d'expansion (26) destiné à compenser la dilatation du liquide en circulation. La figure 3 représente une installation selon l'invention en cycle de chauffage solaire direct. Lorsque la sonde (34) est plus chaude de quelques degrés que le milieu à chauffer (30), la vanne motorisée (28) met en relation directe les capteurs solaires (10) et le milieu à chauffer (30) ; le liquide est mis en circulation par le circulateur (27). Dans cette phase, la pompe à chaleur se trouve à l'arrêt la circulation du liquide est représenté par les flèches dans les tuyauteries représentées en trait plein. Dans le cycle de la figure 3, le clapet de retenue (29) empêche le passage du liquide dans les échangeurs atmosphériques (11) ; le clapet (29) pourra éventuellement être remplacé ou complété par une électrovanne ou une vanne motorisée (32), représentée en pointillé, fermée dans cette phase. Le cycle de fonctionnement de la figure 3 s'apparente tout à fait au fonctionnement d'un système de capteurs solaires classiques ; il n'y a pas de consommation d'énergie dans cette phase hormis celle consommée par le circulateur (27). A mixed sensor installation according to the invention Figure 1 comprises one or more solar collectors (10) installed for example above a roof (18). These traditional sensors (10) are of the single- or double-glazed type or vacuum-tube type, they make it possible to recover the direct solar heat when it is sufficient that is recovered via a water circuit penetrating into to the exchanger (12) via the pipe (14) and comes out heated by the pipe (15). A second set of exchangers (11) is coupled to the device, it can be advantageously installed under the solar collectors (10) but may also be installed at closing distance for example. The exchangers (11) operate through the natural convection of the outside air, if they are at a lower temperature than that of the air, they will recover heat in the air that will enter (EA) and exit naturally in (HER) ; a space above and below the exchangers (11) of the order of 5 cm will allow the air to circulate. A mixed sensor installation according to the invention FIG. 2 comprises one or more solar collectors (10) and atmospheric sensors (11) installed for example above a roof. These sensors are connected to a heat pump (20). Two main operating cycles exist, a cycle in direct heat recovery of the sun, as shown in bold lines in FIG. 3, and a cycle for indirect recovery of solar and convective heat on the air as shown in bold in FIG. ; the lines represent pipelines, the dotted lines 25 correspond to pipes not used in the cycle shown. Let's go back to Figure 2 to explain how it works. This operating cycle is automatically activated as soon as the solar radiation is insufficient to heat the medium to be heated (30), represented here by a hot water tank equipped with an exchanger (31) (this insufficiency is detected by the temperature difference existing between the thermal probe (34) of the sensor (10) and the probe (33) of the medium to be heated (30), in this cycle the three-way motorized valve (28) puts in exchange relation the condenser (23) of the heat pump (20) and the medium to be heated (30), the circulator (27) being in operation, and the circulator (25) on the other hand the evaporator (21) of the heat pump (20) and the combined solar (10) and atmospheric (11) collector, the flow of water in the upper direction of the sensor towards the bottom of the sensor, in such a way that the check valve (29), advantageously of the flapper type, allows the liquid to pass through. culation (the valve (29) may optionally be replaced or supplemented by a solenoid valve or a motorized valve (32), shown in dotted line, open in this phase and which may be placed at any location of the inlet pipework or outlet of the evaporator (21)). The liquid (generally water added with antifreeze), pulsed by the circulator 10 will have a flow shared between the exchangers (11) and (12) of all the mixed sensors installed in parallel, the liquid cooled in the evaporator (21) will heat up in the mixed sensor by taking heat from the outside air in which the exchanger (11) is bathed and from the solar heat on the exchanger (12) if there is a solar radiation as small as he. The compressor (22) of the heat pump (20) is in operation during this phase and takes heat from the evaporator (21) to transmit it at a higher temperature in the condenser (23). The heat pump operates as long as there is a need for heat in the medium to be heated (30). During this operating phase, if the outside temperature is low (close to 0 C for example), the circulating liquid will have a temperature of the order of -5 C at the inlet of the evaporator (21) and -8 C at its exit. Frost will appear on both sides of the exchanger (11), the icing phase is of the order of 6 days, the frost will disappear naturally as soon as the outside temperature rises above +6 C or when radiation sufficient solar will allow a rise in the temperature of the circulating liquid 25 in the mixed sensor. Of course, the total area of the solar collectors (10) and atmospheric (11) will be calculated in relation to the power of the heat pump (20). In this operating cycle, the heat output recovered in the medium to be heated will be approximately 4 times greater than the power absorbed by the compressor (22). The heat pump (20) will be provided with an expansion vessel (26) to compensate for the expansion of the circulating liquid. FIG. 3 represents an installation according to the invention in a direct solar heating cycle. When the probe (34) is a few degrees warmer than the medium to be heated (30), the motorized valve (28) puts in direct contact the solar collectors (10) and the medium to be heated (30); the liquid is circulated by the circulator (27). In this phase, the heat pump is at a standstill and the circulation of the liquid is represented by the arrows in the pipes shown in solid lines. In the cycle of FIG. 3, the check valve (29) prevents the passage of liquid in the atmospheric exchangers (11); the valve (29) may optionally be replaced or supplemented by a solenoid valve or a motorized valve (32), shown in phantom, closed in this phase. The operating cycle of Figure 3 is quite similar to the operation of a conventional solar collector system; there is no energy consumption in this phase except that consumed by the circulator (27).
La présence d'une ou plusieurs électrovannes ou vannes motorisées (32) peut permettre de conserver le même sens de circulation du liquide dans les capteurs (10) dans les deux cycles de fonctionnement (non représenté). Lorsqu'il n'existe aucun besoin de chaleur dans le milieu à chauffer, l'ensemble de l'installation se trouve à l'arrêt, sauf l'éventuelle vanne (32) qui reste ouverte , en cas de rayonnement solaire intense, la température du liquide contenu dans les échangeurs (12) des capteurs augmente jusqu'au point d'ébullition, la vapeur d'eau formée va se condenser naturellement dans les échangeurs atmosphériques (11) évitant ainsi une surpression dans le capteur ; la chaleur excédentaire sera alors évacuée par convection naturelle en chauffant l'air circulant autour de les échangeurs (11) ; la pompe de circulation (25) pourra également être mise en service dans cette phase. La description faite ci avant définit le fonctionnement du système dans les différentes phases ; des variantes de l'invention sont possibles en utilisant des vannes motorisées à 4 voies ou à 2 voies assurant la même fonction ou encore plusieurs circulateurs couplés à des clapets de retenue non représentés. Une application particulièrement intéressante de l'invention est son utilisation dans les pompes à chaleur de type eau/eau ou eau glycolée/eau destinées à l'habitat individuel afin d'assurer le chauffage et la production d'eau chaude sanitaire. L'installation trouvera une excellente application pour les systèmes de plancher chauffants solaires directs. D'une manière générale et non limitative, l'invention s'applique dans tous systèmes nécessitant l'utilisation de la chaleur solaire en hiver. L'invention peut également être utilisée dans des systèmes de chauffage industriel, agricole ou tertiaire. The presence of one or more solenoid valves or motorized valves (32) can keep the same direction of liquid flow in the sensors (10) in the two operating cycles (not shown). When there is no need for heat in the medium to be heated, the entire installation is at a standstill, except for the possible valve (32) which remains open, in case of intense solar radiation, the the temperature of the liquid contained in the exchangers (12) of the sensors increases to the boiling point, the formed water vapor will condense naturally in the atmospheric exchangers (11) thus avoiding an overpressure in the sensor; the excess heat will then be evacuated by natural convection by heating the air circulating around the exchangers (11); the circulation pump (25) can also be put into service in this phase. The description given above defines the operation of the system in the different phases; variants of the invention are possible using 4-way or 2-way motorized valves providing the same function or several circulators coupled to unrepresented check valves. A particularly interesting application of the invention is its use in heat pumps of water / water or brine / water type for the individual habitat to provide heating and hot water production. The installation will find an excellent application for direct solar heating floor systems. In general and not limitation, the invention is applicable in all systems requiring the use of solar heat in winter. The invention can also be used in industrial, agricultural or tertiary heating systems.