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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2517414A1
Family ID 2279839
Probable Assignee Maimi Rene
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title CAPTEUR DE CHALEUR ET EXEMPLE D'INSTALLATION UTILISANT UN TEL
CAPTEUR
EN Title SOLAR POWERED WATER HEATING INSTALLATION - HAS RECEPTOR PLATE
SURFACE EXPOSED TO SUN WITH WATER SPRINKLERS ON REAR FACE
Abstract
_________________________________________________________________
CAPTEUR DE CHALEUR SOLAIRE ET INSTALLATION UTILISANT UN TEL CAPTEUR.
LE CAPTEUR SE COMPOSE D'UNE PLAQUE RECEPTRICE11, D'UN BAC DE
RECUPERATION12 ET DE MOYENS D'ARROSAGE14 DE LA FACE INFERIEURE11B DE
LA PLAQUE11; LE FLUIDE CALOPORTEUR CIRCULANT EN NAPPE TOUT EN RESTANT
EN CONTACT AVEC LA FACE 11B PAR LE SIMPLE EFFET DE SA TENSION
SUPERFICIELLE.
LE CAPTEUR PEUT CONSTITUER UN ELEMENT DE TOITURE.
The captor has a receptor plate (11) positioned so that one of its
faces (11a) will be exposed to solar rays and will be directly in
contact with the outside atmosphere. Water sheet sprinklers (14) are
fixed near to the other face (11b) of the plate and are directed
towards the face to feed over it a supply of heat carrying fluid. A
recovery tank (12) is placed below the inner face of the plate to form
a sealed flat parallelepipedal housing (13) that encloses the
sprinkler. A ferrule (16) forms the outlet for the heat carrying
fluid.
Description
_________________________________________________________________
L'invention concerne principalement un capteur de chaleur gratuite
provenant notamment du rayonnement solair mais aussi de tous les
echanges thermiques positifs permettant de recuperer des calories de
l'air ambiant, de l'water de pluie ou encore de la condensation de
l'humidite de l'air. L'invention concerne aussi une installation de
production d'energie calorifique equipee d'un tel capteur.
La necessite de realiser des economies d'energie amende repenser dans
son ensemble le probleme du chauffage. On a deja essaye de capter
l'energie solaire pour subvenir a au moins une partie des besoins d'un
immeuble.
Les "maisons solaires" sont cependant encore fort rares du fait des
investissements eleves et de l'esthetique parfois discutable de leurs
toitures. En effet, la plupart des capteurs de chaleur connus
fonctionnent suivant le principe de l'effet de serre. Ils sont
fragiles puisque leur principe de fonctionnement meme implique qu'un
vi- trame soit place a l'exterieur, devant l'absorbeur.Ils posent
d'enormes problemes de dilatation et de tenue en temperature des
materiaux utilisEs,car, en ete, l'effet de serre peut permettre
d'atteindre des temperatures et donc des pressions tres elevees. A ces
temperatures, le fluide caloporteur qui est generalement de l'water
additionnee de glycol faisant fonction d'antigel) se degrade tres
rapidement; il faut donc le renouveler trds souvent. En outre, on
observe a l'usage, compte tenu des degradations d'etancheite, des
variations de pression atmospherique et d'hygrometrie, une certaine
condensation sous le vitrage, donc une chute de rendement du capteur.
Enfin, les problemes d'esthetique mentionnes ci-dessus font que les
permis de construire sont tout simplement refuses dans certains sites
proteges.
D'autres types de capteurs dits "convectifs"ont ete experimentes, dans
lesquels le fluide caloporteur circule dans u c eseau de tubes
rapportes a une plaque de tole exposee au rayonnement solaire. Ces
systemes presentent presque tous les inconvenients des capteurs a
effet de serre, avec en plus un phenomene de condensation importante
sous la face du capteur situee dans les combles. Le cout d'une telle
installation est eleve. La mise en oeuvre est delicate.
L'invention permet de resoudre tous ces inconvenients en proposant un
nouveau type de capteur, de con ceptio c imple et rationnelle,
garantissant une surface d'echange thermique maximum avec le fluide
caloporteur, grace a l'utilisation de la tension superficielle de
celui-ci, lorsqu'il est projete en nappe sous une surface meme
faiblement inclinee.
Plus precisemment, l'invention concerne donc un capteur d'energie
calorifique, notamment d'origine solaire, caracterise en ce qu'il
comprend en combinaison: une plaque receptrice destinee a etre
positionne de facon que l'une de ses faces soit exposee au rayonnement
solaire, des moyens d'arrosage en nappe agences pres de l'autre face
de ladite plaque et orientes vers celleci pour y alimenter une nappe
de fluide caloporteur et un moyen de recuperation dispose en dessous
de ladite autre face.
On a constate que, d'une facon surprenante, la tension superficielle
de ka nappe de fluide caloporteur entretenue a la face inferieure de
la Plaque receptrice etait suffisante pour maintenir l'adherence de
cette nappe sur toute la longueur de circulation, c'est a dire la
longueur du capteur dans le sens de la pente; cette dernitre pouvant
d'ailleurs etre tres faible, presque nulle ou tres importante, voire
verticale.
Le capteur est concu de preference de facon a constituer directement
un element de la toiture de l'edifice auquel il fournit son energie.
L'invention concerne egalement un exemple d'installation de production
d'energie calorifique dans un immeuble, caracterise en ce que la
toiture et/ou certains murs de cet immeuble sont equipes d'au moins un
capteur defini ci-dessus et en ce qu'elle comporte en outre un
reservoir de fluide caloporteur pour ledit capteur; une pompe de
circulation et une pompe a chaleur, ledit capteur, ledit reservoir,
ladite pompe de circulation et le circuit a d'entree de ladite pompe a
chaleur etant branches en serie en un circuit ferme et une vanne etant
agencee pour placer ledit capteur de chaleur en circuit dans une
certaine plage de temperatures.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci
apparaitront a la lumiere de la description qui va suivre de plusieurs
modes de realisation de capteurs conformes a l'invention, donnee
uniquement a titre d'exemple et faite en reference aux dessins annexes
dans lesquels - La figure 1 represente une vue partielle en coupe
d'une toiture realisee a partir de capteurs selon l'invention,
assembles les uns aux autres - La figure 2 represente une vue a plus
grande echelle de l'encadre II de la figure i - La figure 3 est une
coupe III-ITI de la figure 1, representee a plus grande echelle - La
figure 4 est une vue de detail suivant une coupe partielle
perpendiculaire a la pente, au niveau des moyens d'arrosage, pour une
variante de capteur en matiere plastique, imitant une toiture en
tuiles dites meridionales - La figure 5 est une vue de detail analogue
a la figure 4 pour une variante de capteur dont la plaque receptrice
est en tole; et - La figure 6 est un schema bloc d'une installation de
pro duction d'energie calorifique, utilisant un ou plusieurs capteurs
selon l'invention.
En se referant plus particulierement aux figures 1 a 3, on voit que
chaque capteur 10 selon l'invention est agence en element de toiture
et se compose principalement d'une plaque receotrice 11 destinee a
etre orientee vers l'exterieur pour recevoir le rayonnement solaire
sur sa face lia, d'un bac de recuperation 12, en matiere plastique,
dispose en regard de l'autre face 11b de la plaque 11 de facon a
definir une enceinte parallel-pipe- dique 13 relativement plate et des
moyens d'arrosage en nappe 14 agences dans l'enceinte 13 en regard de
la face llb. Ces moyens d'arrosage sont simplement materialises par un
conduit rectiliane perce d'une rangee de trous 14a, dispose le long du
bord 15 de l'enceinte 13 qui est destine a etre monte en partie haute
et perpendiculairement a la pente du toit.Un embout d'evacuation 16 du
fluide caloporteur est place en partie basse du bac, au voisinage du
bord 17 oppose, c'est a dire parallele au bord 15. La plaque 11 et le
bac 12 sont assembles de facon etanche par leurs perimetres
respectifs, avec interposition d'un joint continu 18, en materiau
compressible et imputrescible. Le conduit 14 est oriente de facon que
ses trous 14a soient en regard de la face 11b de la plaque receptrice
et que les jets de fluide caloporteur issus de ces trous rencontrent
ladite face de preference avec un angle d'incidence rasante, bien que
la valeur de cet angle ne soit nullement critique. On a cons tate
qu'un angle Z de 15 environ entre chaque jet issu de chaque trou 14a
et le plan de la face llb, donne les meilleurs resultats pour
entretenir la nappe de fluide caloporteur dans toutes les conditions
d'utilisation, notamment une pente du toit extremement faible, voire
presque nulle. La pression d'alimentation du conduit 14 est
relativement faible, de l'ordre d'un bar, grace a l'efficacite meme de
ce principe d'echange de chaleur par tension superficielle. Une telle
pression peut tres facilement etre maintenue dans un circuit
d'alimentation muni d'une pompe de circulation 19 de relativement
faible puissance; ce circuit sera decrit plus en detail cidessous en
reference A la figure 5.Au contraire, dans le cas des autres capteurs
convectifs connus, le rendement de l'echange ayant tendance a
augmenter avec la pression, il est necessaire d'augmenter cette
derniere, donc la puissance de la pompe. Comme le montre la figure 2,
deux capteurs adjacents dans le sens de la pente du toit sont montes
entre deux chevrons paralldles 21 et la continuite de la toiture est
assuree au niveau des bords en recouvrement des bacs 12; les plaques
receptri- ces 11 pouvant etre agencees dans un meme plan en pr6-
voyant un espace de dilatation e suffisant. Ainsi, la face iia de
chaque capteur peut etre decoree pour imiter tout genre de toiture et
repondre ainsi a toute reglementation d' lurbanisme en vigueur pour un
site donne.
On peut meme prevoir un leger relief par emboutissage de la tole
constituant la plaque 11 ou en y rapportant par collage des elements
de decoration. Dans ce dernier cas, le rendement du capteur risqlle
neanmoins d'etre reduit. Ce type de decoration implique une plus
grande surface de capteur. Dans tous les cas, la face 1la sera
d'aspect mat et de preference de couleur fonce pour favoriser
l'absorption thermique. Differents materiaux peuvent etre utilises
pour constituer la plaque 11. Dans l'exemple des figures 1 a 3, il
s'agit d'une plaque metallique Mais une plaque en matiere plastique
donnera des resultats compatibles avec la demande de calories exige
par le systeme de chauffage preconise.
Dans ce dernier cas, la plaque 11 peut etre realisee dans un materiau
analogue a celui du bac 12 (ce qui reduit notablement le cout du
capteur) et donne davan- tage de possibilites de decoration pour
l'aspect exterieur. On peut aussi envisager que la plaque receptrice
et le bac soient moules en une seule piece. Pour le cas ou un capteur
unique ne peut couvrir toute la longueur du toit, la figure 3 montre
le mode d'assemblage de deux capteurs voisins en appui a la face
superieure d'un chevrcn 21 et de part et d'autre de celui ci.
La fixation s'effectue a partir d'un certain nombre de paires de
boulons 23. Les deux boulons de chaque paire sont fixes respectivement
au bord de chaque capteur et definissent une sorte de cavalier de
fixation avec une barre metallique 24 en appui contre la face
inferieure du chevron 21. Le bord 25(destine a etre monte
parallelement a la pente) de l'un des bacs 12 est recourbe vers le
haut tandis que le bord adjacent 26 de l'autre bac a un profil en
crochet pour venir recouvrir le bord 25, realisant ainsi de facon
simple l'etancheite a la pluie au voisinage de la ligne de jonction
des deux capteurs.La structure de chaque bac 12 est telle que le
fluide caloporteur rechauffe apres circulation sur la face inferieure
d'un capteur donne puisse etre evacue par l'intermediaire du capteur
adjacent inferieur, ce qui simplifie considerablement le reseau de
recuperation du fluide caloporteur.
Dans ce but, chaque bac est pourvu d'un embout de raccordement 28
situe en partie haute au voisinage des moyens d'arrosage 14 et destine
a etre connecte a l'e.nbout d'evacuation 16 du capteur voisin
superieur, par l'intermediaire d'un conduit souple 29 de faible
longueur (figure 2). Ainsi, la nappe d'veau en circulation le long de
la face 11b de l'un descapteurs est deviez en partie basse grace a un
deflecteur 30, vers une rigole 31 perpendiculaire a la pente, definie
a la partie inferieure du bac et cette nappe se melange au fluide
caloporteur provenant du/ou des capteurs superieurs et s'ecoulant dans
des rigoles 32 paralleles a la pente1 definies dans le fond du bac de
ce capteur.Le tout est evacue par l'en. bout 16 vers le capteur
adjacent inferieur. De cette facon, la cuve de recuperation 33,
schematisee a la figure 5 n'est reliee qu'aux capteurs les plus bas de
la toiture.
Les figures 4 et 5 illustrent deux variantes possibles dans lesquelles
ladite plaque receptrice 11 a un aspect ondule susceptible d'imiter
les tuiles meridionales.
Dans ce cas, il faut modifier l'agencement interne du capteur pour que
la nappe de fluide caloporteur en circulation puisse neanmoins se
former sur au moins la plus grande partie de la face llb de la plaque
receptrice. Selon le mode de realisation de la figure 4 ou la plaque
receptrice 11 est moulee en matiere plastique, la face llb comporte
des bandes planes 35 et 36 s'etendant suivant le sens de la pente. Les
bandes 35 et 36 sont definies respectivement dans la partie media de
chaque onde et entre deux ondes adjacentes. Dans ce cas, le fluide
caloporteur s'coule regulierement en nappe au moins le long de ces
bandes et la structure des moyens d'arrosage 14 n'est pas modifiee par
rapport au mode de realisation decrit en reference aux figures 1 a
3.En revanche, si la plaque receptrice ondulee 11 est en tole, c'est a
dire d'epaisseur constante, on choisit de modifier la structure des
moyens d'arrosage. C'est le mode de reale sation de la figure 5. Dans
ce cas, le conduit d'arrosage comporte des protuberances 37 a
intervalles reguliers disposees respectivement en regard des ondes de
la plaque 11. Cet agencement a pour effet d'assurer une reparti- tion
reguliere du fluide caloporteur sur la face iib de la plaque
receptrice puisque les trous 14a des moyens d'arrosage sont toujours
disposes de telle sorte que les jets de liquide caloporteur conservent
la meme orientation par rapport a la plaque. Dans tous les modes de
rea- lisation decrits, il est recommande de prevoir un rainuras fin de
la face llb de la plaque receptrice, dans le sens d'ecoulement de la
nappe de fluide caloporteur. Ce rainurage ameliore sensiblement la
repartition de la nappe et elimine aussi les defauts de regularite
d'ecoulement de la nappe quipatraient etre provoques par des depots de
fluide caloporteur(eau additionnee de glycol) sur la face iia entre
deux periodes d'utilisation.
Le fonctionnement du capteur decoule avec evidence de la description
qui precede. Par rapport aux capteurs a effet de serre, ses avantages
principaux sont: l'absence de s urpressions et de dilatationg
excessives ainsi que le fait que la temperature de la nappe de fluide
caloporteur est a tout moment pratiquement egale a la temperature de
la plaque receptrice. La surface d'echange est pratiquement celle de
cette derniere. Du fait de la structure '--eme des
des.Canteu-s,ltetancheite de la toiture peut etre double; elle est
realisee au niveau des bacs en plastique et aussi au niveau des
plaques receptrices dans la plupart des cas.La faible pression
d'alimentation, d'une part, et la presence d'un reservoir 33 en partie
basse des capteurs, d'autre part, font que la consommation electrique
de la pompe de circulation est faible. Enfin, la presence du bac en
matiere plastique sous la plaque receptrice reduit notablement les pro
blemes de condensation dans les combles.
On va maintenant decrire en reference a la figure 5, une installation
de chauffage mettant en oeuvre un capteur conforme a l'invention.
Cette installation comporte, outre le ou les capteurs 10, la pompe de
circulation 19 et la cuve de recuperation 33 du fluide caloporteur,
mentionnes ci-dessus, une pompe a chaleur 40 et une electrovanne a
trois voies 41. Le circuit d'entree 42 ou evaporateur de la pompe a
chaleur est branche en serie avec la pompe de circulation, le ou les
capteurs et la cuve 33, en un circuit ferme. La cuve de recuperation
33 joue a la fois le role de stockage de calories et le role de source
froide pour la pompe a chaleur; le stockage des calories dans cette
cuve est du type dit "d chaleur sensible", c'est a dire que sa
temperature ne depend que du nombre de calories apportees et de la
masse de liquide qu'elle contient.La cuve sera placee de preference
dans les combles pour pouvoir utiliser une pompe de circulation de
puissance reduite. L'electrovanne 41 permet de mettre hors service le
ou les capteurs 10, lorque certaines conditions de temperature sont
reunies. Une resistance chauffante R aliments par le reseau electrique
est plongee dans la cuve pour rechauffer le fluide caloporteur lorsque
d'autres conditions de temperature sont reunies. Ces conditions de
temperature sont determi- nees par des sondes de temperature 44 et 45
respective- ment en contact thermique avec un capteur et le reser-
voir 33.L'alimentation de la resistance de chauffage
R et de l'electrovanne 41 est geree au moyen de ces deux sondes par
l'intermediaire d'un circuit de commande electronique ou
electromecanique non represente Concretement, les ordres de commande
de la mise en service de la resistance R et de l'electrovanne 41 sont
elabores de la facon suivante
- Le ou les capteurs sont mis hors circuit (derHvation du fluide
caloporteur par l'electrovanne 41) lorsque la temperature detectee par
la sonde 44 atteint par exemple -60, Ils sont remis en service des que
cette temperature remonte a -3, par exemple.
- La resistance R est mise en service lorsque le capteur est hors
service et des que la temperature dans la cuve relevee par la sonde
45, descend par exemple en dessous de 100.
- La resistance cesse d'etre alimentee lorsque le capteur est remis en
service.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitee aux modes de realisation
des capteurs decrits, en particulier leur utilisation n'est nullement
limitee a la toiture, car il va de soi que ce type de capteur
fonctionne parfaitement verticalement. Son montage le long d'un mur
est donc possible. Pour des immeubles deja existants, il est possible
d'agencer le capteur en un ensemble ver tical pouvant faire office
d'element de mur de cloture.
Dans ce cas, og prevoit deux plaques receptrices paralleles et
verticales dont les faces en regard sont arrosees par un meme conduit
d'arrosage dispose horizontalement a la partie superieure desdites
plaques et comportant deux rangees de trous orientees respectivement
vers lesdites faces en regard. Un collecteur place en partie basse des
capteurs, parallelement au conduit d'arrosage, fait office de moyen de
recuparation precite.
Enfin, il convient de signaler que l'ensemble de l'installation est
reversible, c'est a dire qu'elle peut fonctionner l'ete en tant que
systeme de climatisation, par inversion de la pompe a chaleur, le ou
les capteurs permettant alors de rejeter vers l'exterieur les calories
prelevees dans la maison. C'est dire que l'invention couvre tous les
equivalents techniques des moyens decrits si ceux-ci le sont dans le
cadre des revendications qui suivent.
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONS
1. Capteur d'energie calorifique, notamment d'origine solaire,
caracterise en ce qu'il comprend en combinaison une plaque receptrice
(11) destinee a etre positionnee de facon que l'une de ses faces (1
la) soit exposee au rayonnement solaire, des moyens d'arrosage en
nappe (14) agences pres de l'autre face (lob) de ladite plaque et
orientes vers celle-ci pour y alimenter une nappe de fluide
caloporteur et un moyen de recuperation (12) dispose en dessous de
ladite autre face.
2. Capteur selon la revendication 1, caracterise en ce que ladite
plaque (11) et ledit moyen de recuperation en forme de bac (12),
definissent une enceinte (13) plate, etanche, sensiblement
parallelepipedique renfermant lesdits moyens d'arrosage (14) disposes
le long d'un bord (15) de ladite enceinte; ledit bac comportant un
embout d'evacuation (16) de fluide caloporteur situe au voisinage du
bord oppose (17).
3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, caracterise en ce qu'il
constitue un Nldnent de toiture, ou une toiture.
4. Capteur selon la revendication 2 ou 3, caracterise en ce que ledit
bac (12) est pourvu d'un embout de raccordement (28) situe au
voisinage desdits moyens d'arrosage (14)etdestine a etre connecte a
l'embout d'evacuation (10) d'un capteur voisin superieur.
5. Capteur selon l'une des revendications precedentes, caracterise en
ce que ladite plaque receptrice (11) est metallique.
6. Capteur selon l'une des revendications 2 a 4, ca racterise en ce
que ladite plaque receptrice est en matiere plastique, par exemple de
meme nature que ledit bac de recuperation (12).
7. Capteur selon la revendication 6,:caracterise en ce que la face (1
la) precitee de ladite plaque qui est destinee a etre exposee au
rayonnement solaire, a un aspect decore, rappelant, en fonction du
site, un certain type de couverture
8. Capteur selon l'une des revendications precedentes, caracterise en
ce que ladite plaque (11) a un aspect exterieur ondule, imitant les
tuiles.
9. Capteur selon la revendication 5 ou 6 et la revendication 8
caracterise en ce que lesdits moyens d'arrosage (14) sont constitues
par un conduit d'arrosage perce de trous (14a) et comportant des
protuberances (37) a intervalles reguliers, disposes respectivement en
regard des ondes de ladite plaque, pour assurer une repartition
reguliere de fluide caloporteur sur ladite autre face (lob) de ladite
plaque receptrice.
10. Capteur selon l'une des revendications precedentes, caracterise
par un rainurage fin de ladite autre face(llb) de ladite plaque, dans
le sens d'ecoulement de ladite nappe de fluide caloporteur.
11. Capteur selon la revendication 1 caracterise en ce qu'il comporte
deux plaques receptrices precitees, verticales et paralleles, des
moyens d'arrosage en nappe des faces en regard de ces deux plaques et
un collecteur place en partie basse.
12. Capteur selon la revendication 11, caracterise en ce qu'il est
agence en element de cloture.
13. Installation de production d'energie calorifique dans un immeuble,
caracterise en ce qu'elle comporte au moins un capteur (10) selon
l'une des revendications precedentes, en ce qu'elle comporte en outre
un reservoir de fluide caloporteur (33) pour ledit capteur (19) et une
pompe a chaleur (40); ledit capteur, ledit reservoir, ladite pompe de
circulation et le circuit d'entree (42) de ladite pompe a chaleur tant
branches en serie et une vanne (41) etant agencee pour placer ledit
capteur hors circuit dans une certaine plage de temperature.
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