BE1017461A6

BE1017461A6 - Systeme d'utilisation de l'energie solaire pour le chauffage d'une habitation.

Info

Publication number: BE1017461A6
Application number: BE2007/0053A
Authority: BE
Original assignee: Holtech Sprl
Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2008-10-07

Abstract

Système d'utilisation de l'énergie solaire pour le chauffage d'une habitation par charge et décharge de ballons tampons de petites capacités ainsi que pour la production d'eau chaude sanitaire et le préchauffage de l'eau froide d'entrée au boiler au moyen d'échangeurs à plaques. Le boiler existant dans l'installation ne devra pas nécessairement être remplacé. les capteurs seront positionnés à la verticale pour rendement un maximum pendant l'hiver.

Description


  Description 

  
SYSTEME D'UTILISATION DE L'ENERGIE SOLAIRE POUR LE CHAUFFAGE D'UNE HABITATION. 

  
Utilisation maximale de l'énergie solaire pour le chauffage et la production d'eau chaude sanitaire. Situation existante concernant la production de l'eau chaude sanitaire 

  
Les systèmes d'utilisation de l'énergie solaire existants proposent la production de l'eau chaude sanitaire pour étant une bonne solution rentable en matière d'économie d'énergie et d'écologie. 

  
La proportion de consommation du combustible chauffage concernant la production de l'eau chaude sanitaire est de l'ordre de 10 % pour une maison uni familiale, cela veut dire l'équivalent à +/- 300 litres de mazout par an. Les systèmes  solaires  actuels annoncent une économie d'énergie d'environ 50 % de cette consommation. 

  
Au prix moyen de 0,50 EUR / litre de mazout, l'économie réalisable est donc de 300 x 0,50 x 0,5 

  
= 75,00 EUR / an. L'investissement de +/- 2500,00 EUR (hors primes) ne sera amorti qu'en plus de 30 ans ! 

  
De plus, les systèmes proposés sont des ensembles qui remplacent le boiler sanitaire déjà existant en ne tenant pas compte que celui-ci n'a peut-être que quelques années et est donc encore parfaitement utilisables. 

  
Situation existante concernant le chauffage : Au niveau du chauffage, l'utilisation de l'énergie solaire n'est pratiquement pas efficace sauf dans les nouvelles installations fonctionnant à basse température. 

  
Effectivement, une installation avec des radiateurs demande une température d'eau assez élevée (45 à 65[deg.]C) et les systèmes solaires existants ne fournissent, en saison de chauffe, que de l'eau à basse, voire à très basse température. 

  
La raison provient de l'accumulateur de grosse capacité ( 600, 800, 1000 ou 1200 litres) qui se charge lentement avec les capteurs solaires. On utilise cette grande quantité d'eau pour l'envoyer dans le circuit chauffage, essentiellement dans les circuits sol à basse température. 

  
Le paradoxe de cette situation est que la grande quantité d'eau demande une grande surface de capteurs solaires et quand dehors de la période estivale, l'accumulateur mettra de nombreuses heures pour se réchauffer. Hors au printemps et en automne, le temps d'ensoleillement est réduit donc il sera pratiquement impossible d'obtenir une température d'eau utilisable pour le chauffage. 

  
En Belgique, les systèmes proposés pour le chauffage ont la particularité de n'être rentable  qu'en été, période pendant laquelle il n'y ajustement pas besoin de chauffage ! 

  
C'est vraisemblablement la raison pour laquelle la majorité des systèmes proposés ne concernent que la production de l'eau chaude sanitaire, avec une rentabilité médiocre !  Inventions de nouvelles conceptions : 

  
Application n[deg.] 1 : 

  
L'invention se caractérise par l'utilisation plus efficace de l'énergie fournie par les capteurs pour le chauffage  classique  par radiateurs d'une habitation uni-familiale standard. 

  
La lacune des systèmes proposés est la quantité d'eau d'accumulation. 

  
Si on parvient à réchauffer 800 litres d'eau de 20 à 30[deg.]C en 6 heures d'ensoleillement, on ne sait pratiquement rien faire avec en hiver car le chauffage demande une température d'eau supérieure. 

  
Il faut donc réchauffer une quantité d'eau très faible mais rapidement à plus haute température afin de pouvoir  l'injecter  dans le chauffage. 

  
Si la température d'eau dans le capteur est de 65[deg.]C, le réchauffement de 100 litres dans l'accumulateur sera possible dans un temps assez court et donc qu'il sera possible d'obtenir une température nettement supérieure à celle pouvant être obtenue pour une quantité d'eau de 800 litres. 

  
L'invention se caractérise par l'utilisation d'accumulateurs  tampons  (sans serpentin) de petites quantités d'eau qui se  chargeront et se déchargeront  en cascade, mais aussi par l'utilisation d'échangeurs à plaques pour l'exploitation de l'échange de chaleur entre le fluide caloporteur et l'eau de l'accumulateur. L'invention se caractérise par le schéma hydraulique 1 repris sur la page 12 : 

  
L'installation de chauffage doit comporter une vanne mélangeuse à 4 voies commandée par une régulation climatique adaptée : tout ou rien brûleur + vanne mélangeuse + priorité eau chaude sanitaire. 

  
Le système solaire est géré par un automate programmable qui agit  en parallèle  sur certains éléments (P4) et (P5) également gérés par le régulateur chauffage. 

  
Des capteurs solaires chauffent des accumulateurs de petite quantité d'eau en rapport avec la surface des capteurs (50 à 100 L par 2 m<2> de capteurs) via l'échangeur à plaques (El). Des capteurs solaires à tubes sous vide d'air et passage direct seront positionnés verticalement afin de donner le meilleur rendement lorsque le soleil est très bas en hiver. 

  
Charge des accumulateurs  en cascade  : 

  
Lorsqu'il y a ensoleillement, la température monte dans les capteurs sous vide et l'automate actionne la pompe (PO) et la pompe (Pl.l). L'eau du premier accumulateur (accul ) va se réchauffer par échange thermique dans l'échangeur à plaques (El). 

  
Puisque la quantité d'eau de l'accumulateur 1 est faible, le rendement des tubes sous vide élevé même en hiver, l'échange thermique entre le fluide caloporteur et l'eau de l'accumulateur 1 très  207 efficace par l'échangeur, la température de l'accu 1 sera montée très rapidement à la température disponible à la sortie des capteurs sous vide. 

  
Lorsque le premier accumulateur est à température du capteur, l'automate arrête le fonctionnement de la pompe (P 1.1 ) et enclenche la pompe (P 1.2) du deuxième accumulateur 

  
(accu2). 

  
Même fonctionnement du troisième accumulateur lorsque le deuxième est aussi à température. Décharge des accumulateurs  en cascade  : 

  
L'accumulateur à température la plus élevée, en l'occurrence (accul) alimente l'échangeur à plaques  chauffage  (E2) de puissance égale à la puissance de la chaudière lorsque la vanne de zone (VZ) est en position  repos  (voie du milieu et voie vers E2 ouvertes). 

  
Lorsque la T[deg.] dans l'accu est supérieure à celle de la chaudière, l'automate actionne la pompe (P2.1) et (P3) et l'eau de l'accu passe dans l'échangeur  chauffage  (E2) qui réchauffe le circuit chauffage par le retour de la chaudière. 

  
De cette façon, la température dans la chaudière va augmenter et la régulation n'enclenchera pas le brûleur, le circuit chaudière étant suffisamment chaud pour satisfaire les besoins de température dans le circuit vanne mélangeuse. 

  
Lorsque la température dans (accul) se stabilise avec celle de la chaudière, l'automate gère de la même façon les 2 autres accumulateurs via les pompes (P2.2) et (P2.3). 

  
De cette façon, l'eau chaude stockée dans les accus servira à maintenir la chaudière à la plus haute température possible. 

  
Si la T[deg.] dans les accumulateurs n'est pas suffisante pour être exploitée dans la circuit chauffage, la vanne de zone (VZ) bascule et oriente le flux de l'accu vers un échangeur  eau froide  (E3) qui peut assurer le réchauffage de l'eau froide d'entrée dans le boiler en fonction d'un horaire hebdomadaire et d'un horaire saisonnier lorsqu'il y a soutirage d'eau chaude. 

  
Le fait de préchauffer l'eau froide (6[deg.]C) rentrant dans le ballon sanitaire pour lui faire gagner quelques degrés assurera une dépense d'énergie moindre pour son réchauffement à la température d'utilisation sanitaire (45 ou 50[deg.]C). 

  
Lorsque l'ensoleillement est important, la chaudière sera montée, via l'eau des accumulateurs, à une T[deg.] assez élevée (par ex. 65[deg.]C), le boiler sanitaire sera automatiquement  chargé  indépendamment de la régulation du chauffage et des horaires. 

  
L'invention se caractérise donc principalement par une exploitation d'une façon ou d'une autre de l'énergie solaire obtenue dans un ou des accumulateurs de petites contenances. (100 à 200 L) Elle octroie priorité au chauffage - représentant les besoins énergétiques les plus importants ensuite à la production de l'eau chaude sanitaire - deuxième besoin - et enfin au réchauffement de l'eau froide d'entrée dans le boiler en dernier recours.  En plein été, l'eau chaude sanitaire sera de toute façon produite puisque le chauffage ne sera pas en demande. 

  
L'invention se caractérise aussi par le fait de l'utilisation du boiler faisant déjà partie de l'installation de chauffage. L'installation existante sera seulement modifiée par la pose de la vanne mélangeuse à 4 voies, de la pompe primaire (P4) et par la transformation de la tuyauterie de retour à la chaudière sur laquelle il faut intercaler 2 piquages vers l'échangeur  chauffage  (E2) et un clapet anti-retour horizontal à bascule. 

  
Application n[deg.] 2 : 

  
La présente invention se caractérise par l'utilisation de l'application n[deg.]l pour plusieurs utilisateurs voisins comme le montre le schéma hydraulique 2 repris sur la page 12. La modification de l'installation reprise sur le schéma 1 apporte la possibilité  d'alimenter  plusieurs utilisateurs. 

  
Lorsque les températures sont importantes dans les accumulateurs, la vanne de zone (VZ1) oriente la circulation vers la vanne de zone (VZ2). 

  
La vanne de zone (VZ3) est actionnée en même temps que (VZ2) et alimentent l'échangeur (E2) de l'installation principale - pour le chauffage ou / et la production d'eau chaude - OU l'échangeur (E3) d'une installation différente. 

  
De ce fait, lorsque les conditions le permettent, un voisin pourrait recevoir de l'eau très chaude lui permettant de réchauffer lui aussi son boiler sanitaire ou d'utiliser cette énergie à d'autres fins. 

  
Application n[deg.] 3 : 

  
Eau chaude sanitaire seule : 

  
L'invention se caractérise par l'utilisation du boiler faisant déjà partie de l'installation de chauffage, par l'utilisation d'un accumulateur solaire  a serpentin  de petite quantité, d'un échangeur à plaque  boiler  (E2) et de 2 vannes de zones (VZ1) et (VZ2) comme le montre le schéma hydraulique 3 repris sur la page 13. Les vannes de zones à 3 voies seront intercalées sur la tuyauterie chauffage du boiler, la pompe de charge existante (P5) sera utilisée pour réchauffer le boiler soit par la chaudière soit par le système solaire. Le principe de commande de l'installation existante est maintenu : régulation, thermostat d'ambiance, système de priorité sanitaire, ...  s 2007/0053 

  
Matériel nécessaire : 

  
 Capteurs solaires avec tous les accessoires nécessaires dont circulateur (PO) 

  
 Accumulateur à serpentin (ACCU 1) 

  
 Echangeur à plaques (E2)  Circulateur de l'échangeur (P2) 

  
 2 vannes de zones à 3 voies (VZl et VZ2) 

  
En cas d'ensoleillement, le circulateur (PO) fonctionne et l'eau du capteur réchauffe l'accumulateur (ACCU 1). 

  
Lorsque l'eau de l'accumulateur (ACCU 1) est à une t[deg.] supérieure à celle du boiler sanitaire , les 

  
2 vannes 3 voies (VZl et VZ2) sont actionnées, le circulateur de l'échangeur (P2) et la pompe de charge du boiler (P5) fonctionne. 

  
Le boiler est ainsi monté à la t[deg.] de l'accumulateur. 

  
Si le système solaire ne donne pas assez de température et qu'il y a une demande de réchauffement du boiler provenant du thermostat de boiler ou de la régulation, les 2 vannes 3 voies (VZl et VZ2) reviennent à l'état initial, la pompe de charge du boiler (P5) fonctionne et c'est alors la chaudière qui réchauffe le boiler. 

  
Application n[deg.] 4 : (variante à l'application n[deg.]3) Eau chaude sanitaire seule : 

  
L'invention se caractérise par l'utilisation du boiler faisant déjà partie de l'installation de chauffage, par l'utilisation d'un accumulateur solaire  tampon  (sans serpentin) de petite quantité, d'un échangeur à plaque  solaire  (El) d'un échangeur à plaque  boiler  (E2) et de 

  
2 vannes de zones (VZl) et (VZ2) comme le montre le schéma hydraulique 4 repris sur la page 

  
13. 

  
Les vannes de zones à 3 voies seront intercalées sur la tuyauterie chauffage du boiler, la pompe de charge existante (P5) sera utilisée pour réchauffer le boiler soit par la chaudière soit par le système solaire. 

  
Le principe de commande de l'installation existante est maintenu : régulation, thermostat d'ambiance, système de priorité sanitaire, ... Matériel nécessaire : 

  
 Capteurs solaires avec tous les accessoires nécessaires dont circulateur (PO) 

  
 Echangeur à plaque  solaire  (El) 

  
 Circulateur du ballon tampon (PI) 

  
 Ballon tampon (ACCU 1) 

  
 Circulateur de l'échangeur (P2) 

  
 Echangeur à plaques  boiler  (E2)   2007/0053 

  
2 vannes de zones à 3 voies (VZl et VZ2) 

  
En cas d'ensoleillement, le circulateur (PO) fonctionne, l'eau du capteur passe dans l'échangeur (El) le circulateur du ballon tampon (PI) fonctionne et par échange thermique, le ballon tampon se réchauffe (ACCU 1 ). 

  
Lorsque l'eau du ballon tampon (ACCU 1) est à une t[deg.] supérieure à celle du boiler sanitaire , les 2 vannes 3 voies (VZl et VZ2) sont actionnées, le circulateur de l'échangeur (P2) et la pompe de charge du boiler (P5) fonctionne. Le boiler est ainsi monté à la t[deg.] de l'accumulateur. 

  
Si le système solaire ne donne pas assez de température et qu'il y a une demande de réchauffement du boiler provenant du thermostat de boiler ou de la régulation, les 2 vannes 3 voies (VZl et VZ2) reviennent à l'état initial, la pompe de charge du boiler (P5) fonctionne et c'est alors la chaudière qui réchauffe le boiler. 

  
Application n[deg.] 5 : 

  
Eau chaude sanitaire seule + préchauffage de l'eau froide d'entrée au boiler 

  
L'invention se caractérise par l'utilisation du boiler faisant déjà partie de l'installation de chauffage, par l'utilisation d'un accumulateur solaire  a serpentin  de petite quantité, d'un échangeur à plaque  boiler  (E2), d'un échangeur à plaque  eau froide  (E3), de 4 vannes de zones (VZl) (VZ2) (VZ3) (VZ4) comme le montre le schéma hydraulique 5 repris sur la page 14. 

  
Les 2 vannes de zones à 3 voies (VZl et VZ2) seront intercalées sur la tuyauterie chauffage du boiler, la pompe de charge existante (P5) sera utilisée pour réchauffer le boiler soit par la chaudière soit par le système solaire. 

  
Les 2 vannes de zones à 3 voies (VZ3 et VZ4) orienteront l'eau chaude provenant de l'accumulateur soit vers l'échangeur du boiler (E2) soit vers l'échangeur du préchauffage de l'eau froide d'entrée au boiler (E3). 

  
Le principe de commande de l'installation existante est maintenu : régulation, thermostat d'ambiance, système de priorité sanitaire, ... 

  
Matériel nécessaire : 

  
 Capteurs solaires avec tous les accessoires nécessaires dont circulateur (PO) 

  
 Accumulateur à serpentin (ACCU 1) 

  
 Echangeur à plaques  boiler  (E2) 

  
 Circulateur des échangeurs (P2)  2 vannes de zones à 3 voies  boiler  (VZl et VZ2) 

  
 Echangeur à plaques  eau froide  (E3) 

  
 2 vannes de zones à 3 voies  échangeurs  (VZ3 et VZ4)  7 2007/0053 

  
En cas d'ensoleillement, le circulateur (PO) fonctionne et l'eau du capteur réchauffe l'accumulateur (ACCU 1). 

  
Lorsque l'eau de l'accumulateur (ACCU 1) est à une t[deg.] supérieure à celle du boiler sanitaire , les 2 vannes 3 voies (VZ3 et VZ4) orientent la chaleur vers l'échangeur à plaques (E2), le circulateur de l'échangeur (P2) fonctionne, les 2 vannes 3 voies (VZl et VZ2) sont actionnées et la pompe de charge du boiler (P5) fonctionne. Le boiler est ainsi monté à la t[deg.] de l'accumulateur. 

  
Si la température de l'accumulateur est inférieure à la température du boiler, les vannes 3 voies 

  
(VZ3 et VZ4) sont actionnées et l'eau tiède de raccumulateur est envoyée vers l'échangeur à plaque (E3). L'eau froide qui rentre dans le boiler est ainsi réchauffée pendant la période horaire des besoins d'eau chaude sanitaire et en fonction également d'une programmation saisonnière. 

  
Si le système solaire ne donne pas assez de température et qu'il y a une demande de réchauffement du boiler provenant du thermostat de boiler ou de la régulation, les 2 vannes 3 voies (VZl et VZ2) reviennent à l'état initial, la pompe de charge du boiler (P5) fonctionne et c'est alors la chaudière qui réchauffe le boiler. 

  
Application n[deg.] 6 : (variante à l'application n[deg.]5) 

  
Eau chaude sanitaire seule + préchauffage de l'eau froide d'entrée au boiler : 

  
L'invention se caractérise par l'utilisation du boiler faisant déjà partie de l'installation de chauffage, par l'utilisation d'un accumulateur solaire  tampon  (sans serpentin) de petite quantité, d'un échangeur à plaque  solaire  (El),d'un échangeur à plaque  boiler  (E2), d'un échangeur à plaque  eau froide  (E3), de 4 vannes de zones (VZl) (VZ2) (VZ3) (VZ4) comme le montre le schéma hydraulique 6 repris sur la page 14. 

  
Les 2 vannes de zones à 3 voies (VZl et VZ2) seront intercalées sur la tuyauterie chauffage du boiler, la pompe de charge existante (P5) sera utilisée pour réchauffer le boiler soit par la chaudière soit par le système solaire. 

  
Les 2 vannes de zones à 3 voies (VZ3 et VZ4) orienteront l'eau chaude provenant de l'accumulateur soit vers l'échangeur du boiler (E2) soit vers l'échangeur du préchauffage de l'eau froide d'entrée au boiler (E3). 

  
Le principe de commande de l'installation existante est maintenu : régulation, thermostat d'ambiance, système de priorité sanitaire, ... 

  
Matériel nécessaire : 

  
 Capteurs solaires avec tous les accessoires nécessaires dont circulateur (PO) 

  
 Echangeur à plaques côté solaire (El) 

  
 Circulateur du ballon tampon (PI) 

  
 Ballon tampon (ACCU 1)  Echangeur à plaques  boiler  (E2) 2007/0053 

  
Circulateur des échangeurs (P2) 

  
2 vannes de zones à 3 voies  boiler  (VZl et VZ2) 

  
Echangeur à plaques  eau froide  (E3) 

  
2 vannes de zones à 3 voies  échangeurs  (VZ3 et VZ4) 

  
En cas d'ensoleillement, le circulateur (PO) fonctionne et l'eau du capteur passe dans l'échangeur (El), le circulateur (PI) du ballon tampon fonctionne et par échange thermique, le ballon tampon se réchauffe (ACCU 1). Lorsque l'eau de l'accumulateur (ACCU 1) est à une t[deg.] supérieure à celle du boiler sanitaire , les 2 vannes 3 voies (VZ3 et VZ4) orientent la chaleur vers l'échangeur à plaques (El), le circulateur de l'échangeur (P2) fonctionne, les 2 vannes 3 voies (VZl et VZ2) sont actionnées et la pompe de charge du boiler (P5) fonctionne. Le boiler est ainsi monté à la t[deg.] de l'accumulateur. 

  
Si la température de l'accumulateur est inférieure à la température du boiler, les vannes 3 voies (VZ3 et VZ4) sont actionnées et l'eau tiède de l'accumulateur est envoyée vers l'échangeur à plaque (E3). 

  
L'eau froide qui rentre dans le boiler est ainsi réchauffée pendant la période horaire des besoins d'eau chaude sanitaire et en fonction également d'une programmation saisonnière. Si le système solaire ne donne pas assez de température et qu'il y a une demande de réchauffement du boiler provenant du thermostat de boiler ou de la régulation, les 2 vannes 3 voies (VZl et VZ2) reviennent à l'état initial, la pompe de charge du boiler (P5) fonctionne et c'est alors la chaudière qui réchauffe le boiler.

Claims

<9> 2007/0053 Revendications

1. le principe d'utilisation du boiler existant faisant partie de l'installation

1. les 12 premières revendications de l'application n[deg.] 1

1. le choix des capteurs solaires : tubes sous vide à passage direct

1. Application technique schéma 1 Principe hydraulique d'un système complet par charge et décharge en cascade de ballons tampons de petites capacités et échanges thermiques par échangeurs à plaques.

Utilisation maximale de l'énergie solaire utilisée en priorité pour le chauffage des habitations, la production d'eau chaude sanitaire et le préchauffage de l'eau froide d'entrée dans le boiler sanitaire.

L'invention est caractérisée par :

2. le principe d'utilisation d'un échangeur intermédiaire entre l'accu et le boiler

2. l'utilisation de vannes de zone orientant vers l'un ou l'autre utilisateur 3. le principe d'évacuation de chaleur excessive vers d'autres utilisateurs pour éviter la surchauffe du système

2. la position des tubes : verticale pour rendement maximum en hiver

3. le principe d'utilisation de la pompe de charge du boiler existante

3. Application technique schémas 3 et 4

Principe de production d'eau chaude sanitaire par l'énergie solaire avec utilisation du boiler existant de l'installation de chauffage L'invention est caractérisée par :

3. l'emploi d'échangeurs à plaques pour le côté solaire 4. l'emploi de ballons tampons accumulateurs de petites capacités pour un chauffage rapide

4. le principe de vannes de zones pour 2 fonctionnements distincts du boiler 5. le principe de préchauffage de l'eau froide d'entrée au boiler par échangeur à plaques

4. Application technique schémas 5 et 6 Principe de production d'eau chaude sanitaire par l'énergie solaire avec utilisation du boiler existant de l'installation de chauffage et préchauffage de l'eau froide d'entrée au boiler.

L'invention est caractérisée par : 1. le principe d'utilisation du boiler existant faisant partie de l'installation

4. le principe de vannes de zones pour 2 fonctionnements distincts du boiler <10> 2007/0053

5. le principe d'utiliser un échangeur à plaque du côté solaire afin d'augmenter le i. rendement d'échange des capteurs.

5. le principe de plusieurs accumulateurs avec charge et décharge en cascade

6. le principe de vannes de zones pour 2 fonctionnements distincts de l'accumulateur : vers l'échangeur du boiler ou vers l'échangeur eau froide

6. l'utilisation d'un simple ballon tampon de petite capacité avec échangeur à plaques ou d'xm simple accumulateur de petite capacité avec serpentin

6. l'emploi d'échangeur à plaques pour le côté installation de chauffage

7. le principe d'utiliser un échangeur à plaque du côté solaire afin d'augmenter le rendement d'échange des capteurs.

7. l'emploi d'une vanne à 4 voies pour l'installation 8. le raccordement de l'échangeur chauffage sur le retour à la chaudière

9. l'emploi d'une vanne de zone orientant vers un ou l'autre échangeur

10. l'emploi d'un échangeur à plaques pour le réchauffage de l'eau froide d'entré au boiler

11. la combinaison d'un automate programmable et d'un régulateur climatique chauffage pour des fonctions communes

12. l'utilisation de 2 horloges pour le réchauffement de l'eau froide d'entrée au boiler : une programmation horaire et une programmation saisonnière. 2. Application technique schéma 2

Principe de distribution du trop d'énergie solaire vers d'autres utilisateurs au départ d'un échangeur à plaques.

L'invention est caractérisée par :

8. l'utilisation d'un simple ballon tampon de petite capacité avec échangeur à plaques ou d'un simple accumulateur de petite capacité avec serpentin