FR2917158A1 - Systeme de capteur atmospherique sans vitrage couple a une pompe a chaleur - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un système de capteur atmosphérique sans vitrage couplé à une pompe à chaleur pouvant être installé en clôture ou en pile énergétique.Le capteur atmosphérique posé en clôture assure la fonction clôture et la captation à basse température de l'énergie thermique du rayonnement solaire et de la chaleur de l'air extérieur.Lorsque le solaire est insuffisant et permet également d'évacuer l'excès de chaleur solaire captée en été.L'installation trouvera une excellente application dans le chauffage et dans la production d'eau chaude sanitaire.
Description
La présente invention concerne un système de capteur atmosphérique sans
vitrage couplé à une pompe à chaleur. Le capteur atmosphérique assure le chauffage à basse température d'un réseau d'eau servant de source froide à une pompe à chaleur. La chaleur est prélevée à la fois à l'air extérieur par convection naturelle de l'air et au rayonnement solaire. Le capteur atmosphérique sera de préférence installé en clôture et jouera lui même le rôle d'une clôture énergétique. On connaît déjà les capteurs aérosolaires à détente directe du même inventeur, Jacques BERNIER, destinés à servir de source froide aux pompes à chaleur. Ils io présentent l'inconvénient d'être inesthétiques, de nécessiter des quantités de fluide frigorigène importantes et de fragiliser le compresseur en raison de températures d'évaporation trop élevées en été. 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 15 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 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 20 extérieur. L'utilisation du capteur atmosphérique installé verticalement en clôture est bien adapté au système de pompe à chaleur couplé à des capteurs mixtes solaires et atmosphériques brevet de Jacques BERNIER N 0611047. C'est d'une manière générale un but de l'invention de fournir une installation de 25 captage d'énergie atmosphérique ne présentant pas les défauts des installations connues. C'est en particulier un but de l'invention de fournir un capteur atmosphérique constitué d'un ou plusieurs échangeurs soumis au rayonnement du soleil et assurant le captage de la chaleur de l'air extérieur par convection naturelle. L'ensemble des 3o capteurs est couplé à l'évaporateur d'une pompe à chaleur. C'est encore un but de l'invention de fournir une installation de capteurs atmosphériques, installés verticalement, assurant la fonction de clôture. S'est aussi un but de l'invention de fournir un système de pompe à chaleur à capteur atmosphérique ne nécessitant pas un dispositif de dégivrage par inversion de cycle, le dégivrage du capteur atmosphérique étant naturellement réalisé en hiver par le rayonnement solaire, la pluie ou encore la remontée au-dessus de 4 C de la température extérieure. C'est toujours un but de l'invention de fournir une installation de capteurs solaires ne 5 nécessitant pas une boucle de rejet thermique en cas de rayonnement solaire 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 une vue en coupe d'un capteur atmosphérique selon l'invention. io • La figure 2 représente une vue en plan d'un capteur atmosphérique selon l'invention. • La figure 3 représente un exemple d'assemblage en clôture d'une installation selon l'invention. • La figure 4 représente une variante de la figure 3. 15 • La figure 5 représente un exemple d'assemblage entre eux des éléments de capteurs atmosphériques. • La figure 6 est une variante de la figure 1. • Les figures 7 et 8 représente le détail des pièces d'assemblage de la figure 5. • La figure 9 est un exemple d'assemblage en clôture des capteurs atmosphériques 20 selon l'invention. • Les figures 10 et 11 montrent le détail d'assemblage des capteurs avec leurs poteaux de clôture. • La figure 12 représente plusieurs capteurs atmosphériques installés verticalement, formant pile énergétique. 25 • La figure 13 représente le principe de raccordement des capteurs atmosphériques à une pompe à chaleur. • La figure 14 représente l'association du capteur atmosphérique avec un capteur solaire vitré et une pompe à chaleur. Un capteur atmosphérique, installé verticalement, selon l'invention figure 1 et figure 30 2 comporte une entrée (E) ayant un raccord (15) fixée sur un collecteur (12) d'entrée qui répartit le débit dans plusieurs canaux (111, 112, 113, ..11n_I, 11n), le liquide est ensuite collecté dans le collecteur (13) avant de sortir par le raccord (16) en (S). Le liquide circulant dans le capteur atmosphérique est de l'eau additionnée d'un antigel.
Le liquide entrant en (E) a préalablement été refroidi dans l'évaporateur d'une pompe à chaleur, il va se réchauffer au passage des collecteurs (12, 13) et des canaux (11) grâce au rayonnement solaire qui arrivera sur leurs surfaces extérieures ainsi qu'à la chaleur prélevée par convection naturelle de l'air extérieur sur la face avant aussi bien que sur la face arrière du capteur atmosphérique. Le vent agira également de façon positive sur la qualité de l'échange thermique. La face avant des
canaux (111, 112, 113, 11 11 n) est soumise au rayonnement solaire, elle n'est pas tout à fait verticale pour d'une part créer une turbulence de l'air entre chacun des canaux puis pour permettre une meilleure récupération du rayonnement solaire en
io hiver, les différents canaux sont par contre placés sur le même plan vertical. Un espace de 1 à 3 centimètres sera aménagé entre les canaux afin de permettre une meilleure convection de l'air qui traversera le capteur de EA vers SA (figure 1). L'inclinaison par rapport à la verticale des canaux sera comprise de façon optimum entre 10 et 30 . Les capteurs atmosphériques seront de couleur sombre tel le vert
15 foncé ; la teinte sera choisie en fonction du coefficient d'absorption du rayonnement, un coefficient supérieur à 0,90 étant préféré. Le matériau dans lequel sera réalisé le capteur pourra être du plastique tel le polyéthylène haute densité ou encore de l'acier peint, de l'aluminium anodisé ou tout autre matériau possédant des caractéristiques mécaniques bien adaptées au problème. Dans sa configuration
20 préférée, le capteur atmosphérique a une hauteur de 1m et une longueur de 1,50 m à 2 m ; il est réalisé en plastique teinté dans la masse et est obtenu par rotomoulage, injection ou extrusion soufflage. En partie haute de chacun des collecteurs (12, 13) sera prévu un purgeur d'air (14, 17).
La figure 3 représente le montage en clôture de plusieurs capteurs atmosphériques
25 (101, 102, 103, 10n_~, 10n) , installés verticalement. L'assemblage de plusieurs panneaux permet d'adapter la surface d'échange des capteurs atmosphériques aux besoins énergétiques. Le raccordement hydraulique des capteurs est représenté en série sur la figure 3 mais il pourra être également réalisé en parallèle afin de limiter les pertes de charge. Dans la version représentée, des liaisons hydrauliques (20,
3o 21...) entre panneaux permettent le passage du liquide en circulation d'un panneau à l'autre. Les raccords (20, 21...) seront reliés de façon étanche aux capteurs contigus (101 et 102), (102 et 103)... (10n_I, 1On) ; ils seront réalisés en matériau souple, genre durite en caoutchouc, afin de compenser la dilatation des capteurs. Un espace de quelques millimètres sera aménagé entre deux capteurs contigus (101 et 102), (102 et 103)... (10n0, 10n) pour permettre leur dilatation. Les capteurs (101, 102, 103, 10n_1, 10n), ainsi assemblés forment une clôture énergétique verticale de l'ordre de 1 m de hauteur et d'une longueur variable fonction du nombre de panneaux utilisés.
La figure 4 représente également une clôture énergétique mais avec un mode de raccordement hydraulique réalisé à l'aide d'au moins un raccord mâle (221, 231) par exemple pour le capteur (101) et d'au moins un raccord femelle (25n, 26n) par exemple pour le capteur (10n). Chaque capteur possède au moins une entrée (E1, E2) et une sortie (S1, S2). L'assemblage (241, 242...24n) des raccords mâles et femelles est représenté en détail sur la figure 5.
Nous voyons sur la figure 5 qu'un espace de dilatation est prévu entre les collecteurs (13n_1) et (12n). Le raccord mâle (31) est raccordé de façon étanche au collecteur (12n) et le raccord femelle (30) est raccordé de façon étanche au collecteur (13n.1). Le liquide passe du capteur (10n4 à (10n) par le centre du raccord (31), la circulation est représentée par des flèches en pointillé sur la figure 5 faisant passer le fluide des canaux (321, 322 ...) du capteur (10n_1) vers les canaux (331, 332 ...) du capteur (10n). La figure 7 représente le détail de la pièce femelle (30) de la figure 5 et la figure 8 représente le détail de la pièce mâle (31) de la figure 5. Le raccord femelle de la figure 7 est fixé de façon étanche sur le collecteur (13n_1) grâce aux deux pièces (43, 44). Le raccord mâle de la figure 8 est fixé de façon étanche sur le collecteur (12n) grâce aux deux pièces (45, 46). La tige creuse (47) comporte un joint torique d'étanchéité (48) qui permet également la libre dilatation des capteurs (10n_1) et (10n) tout en assurant l'étanchéité entre les pièces (30) et (31).
La figure 6 représente une autre forme de réalisation du capteur atmosphérique où la face arrière (41) est continue tout comme la face avant (40) ; dans cette version l'air extérieur ne circule pas au travers des canaux (421, ....42n), à l'inverse de la figure 1. Les canaux (421,
.42n) sont en relation de circulation hydraulique avec les collecteurs (12) d'entrée et de sortie. La face avant (40) est inclinée de quelques degrés par rapport à la verticale pour qu'en hiver les rayons solaires soient proches..DTD: 3o de la perpendicularité sur la surface.
Les figures 9, 10 représentent une version d'élément de clôture énergétique où le capteur atmosphérique (52) est indépendant des poteaux de clôture (50, 51). Les poteaux (50, 51) peuvent être scellés au sol ou sur un muret, les capteurs (52) sont placés entre les poteaux et sont alors tenus horizontalement en place par les pattes de fixation (55) et les pattes de fixation (56) qui servent de butées verticales et horizontales ; les pattes (55, 56) ne sont fixées que sur les poteaux (50, 51) afin de laisser libre dilatation aux capteurs (52). Les capteurs possèdent un raccord d'entrée (53) et un raccord de sortie (54). La forme des capteurs (52) pourra être soit similaire
s à celles de la figure 1 ou de la figure 6 ou encore planes des deux faces avant et arrière avec un circuit hydraulique intérieur permettant un bon échange thermique entre toute la surface intérieure du capteur et les deux faces extérieures de celui-ci. La figure 11 représente une variante de poteaux (53, 54) ou les pattes de fixation du capteur (52) sont inutiles, le capteur étant mis en place en le glissant
io verticalement de haut en bas entre les glissières formées par les poteaux (53, 54). Le poteau (53) est un poteau intermédiaire entre deux capteurs (52), le poteau (54) est un poteau d'extrémité. Les poteaux (53, 54) sont scellés dans le sol ou sur un muret, espacés d'une distance suffisante pour permettre la dilatation des capteurs (52) ; ils seront réalisés en plastique ou en profilé aluminium ou en acier protégé
15 contre la corrosion. Le montage du système de clôture énergétique avec poteaux verticaux et capteurs en glissières permet de suivre la pente éventuelle du terrain en autorisant une pose en escalier des capteurs (52) tout en les laissant en position horizontale. La figure 12 représente l'assemblage de plusieurs capteurs atmosphériques (521,
20 522,....52n_1, 52n) assemblés en parallèle et espacés de l'ordre de cinq centimètres, afin de former une pile énergétique. Dans cette configuration, deux collecteurs (57, 58) regroupent l'un l'entrée de liquide, l'autre la sortie de liquide dans les capteurs atmosphériques (521, 522,....52n_I, 52n). Dans cette configuration, 4 pieds (59) mettent le bas des capteurs à distance du sol de 20 centimètres environ afin de
25 laisser libre la convection de l'air extérieur entre les capteurs (521, 522,....52no, 52n). La chaleur est prélevée par la pile énergétique essentiellement à l'air extérieur par convection naturelle ou par l'effet du vent ;
La figure 13 représente le système de clôture énergétique (60) en relation avec une pompe à chaleur (61). Une pile énergétique comme représente figure 12 pourra
3o également remplacer la clôture énergétique (60). Une pompe de circulation d'eau glycolée (ou de tout autre fluide thermique antigel) (64) assure la distribution du liquide dans la clôture énergétique. Les tuyauteries de liaison (62, 63, 65) assurent la liaison entre l'évaporateur (66) de la pompe à chaleur et la clôture énergétique (60). La température du liquide antigel en circulation sera fonction du rayonnement solaire, de la température extérieure et du vent ; celle-ci sera variable entre environ û 10 C en plein hiver et +30 C en cas d'ensoleillement. La chaleur prélevée dans la clôture énergétique (60) est ainsi transférée au circuit de chauffage (CH) par le condenseur (67) de la pompe à chaleur ; le circuit de chauffage pouvant être à eau ou à air.
La figure 14 représente l'utilisation du capteur atmosphérique installé en clôture (60) couplé au système de pompe à chaleur et capteurs solaires (brevet de Jacques BERNIER N 0611047). Dans cette réalisation, le capteur atmosphérique (60) est indépendant des capteurs solaires (70) et installé en clôture par exemple ou sera
to constitué par une pile énergétique.
Des capteurs traditionnels (70) du type à simple ou double vitrage ou encore à tubes sous vide permettent de récupérer la chaleur solaire directe lorsqu'elle est suffisante. Celle-ci est récupérée par l'intermédiaire d'un circuit d'eau. avec antigel, vers le circuit de chauffage (CH). Un second ensemble d'échangeurs (60) est couplé au
ts dispositif, ils peuvent être installés à distance en clôture ou former une pile énergétique par exemple. Les échangeurs (60) fonctionnent grâce à la convection naturelle de l'air extérieur ; s'ils sont à une température inférieure à celle de l'air, ils récupéreront de la chaleur dans l'air extérieur par convection naturelle.
Une installation de capteur mixte selon l'invention figure 14 comporte un ou plusieurs
20 capteurs solaires (70) et capteurs atmosphériques (60). Ces capteurs sont reliés à une pompe à chaleur. Deux cycles de fonctionnement principaux existent, un cycle en récupération directe de chaleur solaire, tel que représenté en trait pointillé, mettant en relation directe les capteurs solaires (70) et le circuit de chauffage (CH) et un cycle en récupération indirecte de chaleur solaire et convective sur l'air tel que
25 représenté en gras sur la figure 14. le circulateur (75) met en relation d'échange thermique l'évaporateur (77) de la pompe à chaleur, le capteur solaire (70) et le capteur atmosphérique (60). 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 (72), avantageusement de type à battant, laisse passer le liquide en circulation (le clapet
3o (72) pourra éventuellement être complété par une électrovanne (76) ouverte dans cette phase. Le liquide (en général de l'eau additionnée d'antigel), pulsé par le circulateur (75) aura un débit partagé entre les échangeurs (70) et (60), le liquide refroidi dans l'évaporateur (77) va se réchauffer dans les capteurs en prélevant de la chaleur à l'air extérieur dans lequel baigne l'échangeur (60) et de la chaleur solaire sur l'échangeur (70) si il existe un rayonnement solaire aussi petit soit il. Le compresseur (79) de la pompe à chaleur (20) est en fonctionnement pendant cette phase et prélève de la chaleur dans l'évaporateur (77) pour la transmettre à plus haute température dans le condenseur (78). La pompe à chaleur fonctionne tant qu'un besoin de chaleur existe dans le milieu à chauffer (CH). Pendant cette phase de fonctionnement, si la température extérieure est basse (voisine de 0 C par exemple), le liquide en circulation aura une température de l'ordre de -5 C à l'entrée de l'évaporateur (77) et de -8 C à sa sortie. Du givre apparaîtra sur les deux faces de l'échangeur (60), 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 dans le capteur mixte. Bien entendu, la surface totale des capteurs solaires (70) et atmosphériques (60) sera calculée en relation avec la puissance de la pompe à chaleur. 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 (79). La pompe à chaleur sera dotée d'un vase d'expansion (80) destiné à compenser la dilatation du liquide en circulation. Lorsqu'il n'existe aucun besoin de chaleur dans le milieu à chauffer, l'ensemble de l'installation se trouve à l'arrêt, sauf éventuellement le circulateur (75) et la vanne (76) qui reste ouverte. La chaleur excédentaire sera alors évacuée par convection naturelle en chauffant l'air circulant autour des échangeurs (60). 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 3o être utilisée dans des systèmes de chauffage industriel, agricole ou tertiaire. On pourra utiliser l'invention pour former une clôture utilisable sur le plan énergétique.
Claims (10)
1 Installation de pompe à chaleur couplée à un ou plusieurs capteurs atmosphériques sans vitrage (10, 52, 521, 522,....52n_1, 52n, 60) caractérisée en ce que les dits capteurs installés verticalement sont à circulation de liquide antigel.
2. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que les capteurs atmosphériques (10, 52) sont installés en clôture
3. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'un espace de quelques centimètres est aménagé entre les canaux (111, 112, 11n) afin de laisser passer l'air extérieur. to
4. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que les capteurs (10, 52) sont raccordés hydrauliquement en série ou en parallèle au moyen de durites en caoutchouc ou autre matériau souple.
5. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que des raccords mâle/femelle (30, 31) assurent la liaison entre capteurs (10,4, 10n) tout en 15 permettant l'étanchéité et la dilatation.
6. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que les capteurs atmosphériques (10, 52, 521, 522,....52n_I, 52n, 60) sont réalisés en plastique par rotomoulage, extrusion soufflage ou injection, ou encore réalisés en aluminium anodisé ou acier peint protégé contre les corrosions. 20
7. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que la clôture énergétique comporte des poteaux verticaux (50, 51, 53, 54) scellés dans le sol ou sur des murets et permettent d'y glisser les capteurs (52) tout en assurant leur maintien, leur dilatation et de suivre le dénivelé éventuel du terrain tout en maintenant les capteurs en position horizontale. 25
8. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que les capteurs atmosphériques (521, 522,....52,_,, 52n) sont installés parallèlement à quelques centimètres d'intervalle formant ainsi une pile énergétique destinée à être raccordée au circuit évaporateur de la pompe à chaleur.
9. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que la pompe à chaleur 3o raccordée aux capteurs atmosphériques (10, 52, 521, 522,....52n_I, 52,, 60) assure le chauffage (CH) d'air ou d'eau.
10.lnstallation selon la revendication 1 caractérisée en ce que les capteurs atmosphériques (10, 52, 521, 522,....52,_i, 52n, 60) , sont couplés à des capteurs solaires (70) indépendants, le système pouvant comporter une vanne (76).
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