CIRCULATION DE FLUIDE CALOPORTEUR

DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention se rapporte au domaine général de la fumisterie, qui est notamment concerné par les aménagements relatifs aux conduits d'évacuation de fumées de combustion. Plus spécifiquement, elle a trait au domaine des installations de chauffage d'un bâtiment, tel qu'un habitat ou un local industriel, comprena nt un appareil de chauffage individuel, tel qu'une cheminée, notamment à insert, une chaudière ou un poêle, à bois ou à granulés de bois, encore appelés pellets.

L'invention est également concernée par le domaine de la récupération d'énergie thermique sur des conduits de fumisterie, ainsi que par le domaine de la conversion de cette énergie thermique par thermoélectricité.

L'invention propose ainsi un système de collecte de chaleur d'un conduit de fumisterie comportant un canal de circulation d'un fluide caloporteur, ainsi qu'un bâtiment comportant un tel système de collecte de chaleur.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

Dans le domaine des appareils de chauffage, les conduits de fumisterie (encore appelés par la suite « conduits de fumées »), notamment les conduits de cheminée, de chaudière et de poêle à bois et à granulés, permettent l'évacuation des fumées de combustion vers l'extérieur. Ces fumées chaudes transportent une grande quantité de chaleur dans les conduits et provoquent ainsi une élévation de température des conduits. Aussi, la norme NF DTU 24.1 impose que les conduits de fumées soient thermiquement isolés au niveau des étages supérieurs d'un habitat afin d'éviter tout risque de brûlures des usagers.

En conséquence, il en résulte que les étages supérieurs de l'habitat ne bénéficient pas de la chaleur disponible au niveau des conduits de fumées en raison de leur isolation. I l apparaît ainsi un besoin pour permettre la récupération d'énergie thermique au niveau des conduits de fumées, et notamment dans les étages supérieurs d'un habitat.

On connaît déjà une version canalisable de chaudière qui permet de distribuer de l'air cha ud dans d'autres pièces d'une maison que celle où est située la chaudière. Elle repose sur un système prévoyant une circulation d'air dans un échangeur de chaleur du type air/air à l'intérieur de la chaudière qui est diffusé dans des canalisations par une soufflerie. Cependant, ce système ne permet pas de collecter la chaleur disponible a u niveau des conduits de fumées et engendre une consommation électrique supplémentaire.

Par ailleurs, il existe des solutions pour collecter et convertir l'énergie thermique issue de fumées industrielles en énergie électrique à l'aide de générateurs thermoélectriques, telles que celle décrite par exemple dans la demande de brevet chinois CN 104 167 956 A qui décrit un système de génération électrique ne permettant pas de production d'air chaud et nécessitant un refroidissement à eau.

On connaît encore d'autres dispositifs commerciaux de génération électrique pour des appa reils de chauffage à bois, tels que par exem ple l'Indigirka de Thermofor ^® et le CampStove de BioLite ^® qui prévoient un système de récupération d'énergie thermoélectrique pour un système de combustion afin d'assister la combustion à l'aide d'une ventilation autonome, ou encore tels que pa r exemple le Smartfan ^® correspondant à un système de récupération d'énergie thermoélectrique couplé sur un poêle à bois afin d'homogénéiser la température ambiante aux alentours du poêle à l'aide d'un ventilateur. Toutefois, ces dispositifs n'ont pas pour vocation de collecter la chaleur perdue dans les fumées d'échappement, mais uniquement d'alimenter un ventilateur pour assister la combustion ou mélanger l'air ambiant. EXPOSÉ DE L'INVENTION

L'invention a ainsi pour but de remédier au moins partiellement aux besoins mentionnés ci-dessus et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l'art antérieur. L'invention a ainsi pour objet, selon l'un de ses aspects, un système de collecte de chaleur au niveau d'un conduit de fumisterie relié à un appareil de chauffage d'un bâtiment, comportant :

- un conduit de fumisterie pour l'évacuation de fumées de combustion, - un conduit d'isolation thermique disposé autour d'au moins une portion du conduit de fumisterie,

caractérisé en ce qu'il comporte en outre :

- un canal de circulation de fluide caloporteur formant une double paroi, situé entre ladite au moins une portion du conduit de fumisterie et le conduit d'isolation thermique,

- une entrée de fluide caloporteur vers l'intérieur du canal de circulation, formée au niveau d'une première partie du conduit d'isolation thermique,

- une sortie de fluide caloporteur depuis l'intérieur du canal de circulation, formée au niveau d'une deuxième partie du conduit d'isolation thermique, située à distance de la première partie du conduit d'isolation thermique, le fluide caloporteur étant apte à collecter de la chaleur lors de son cheminement depuis l'entrée vers la sortie.

Grâce à l'invention, il peut être possible de collecter la chaleur disponible en surface d'un conduit de fumisterie, pour notamment pouvoir la distribuer dans une zone d'un bâtiment éloignée de l'appareil de chauffage relié au conduit, et en particulier dans un ou des étages supérieurs du bâtiment. Ainsi, de façon avantageuse, avec la même quantité de matériau de combustion consommée, notamment la même quantité de bois, il peut être possible de chauffer une ou plusieurs zones supplémentaires, notamment une ou plusieurs pièces supplémentaires d'un habitat, et également d'améliorer le rendement global de l'appareil de chauffage.

Le système de collecte de chaleur selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles.

Le fluide caloporteur est préférentiellement choisi pour être de l'air ambiant. Le conduit de fumisterie peut en particulier être un conduit de fumées de combustion d'une cheminée, notamment à insert, d'une chaudière ou d'un poêle, à bois ou à granulés de bois.

Le conduit d'isolation thermique peut en particulier correspondre à de la mousse isolante ou à une double paroi isolante.

La première partie du conduit d'isolation thermique peut notamment correspondre une première extrémité du conduit d'isolation thermique située à proximité de l'appareil de chauffage. La deuxième partie du conduit d'isolation thermique peut quant à elle correspondre à une deuxième extrémité du conduit d'isolation thermique située dans un étage supérieur du bâtiment, en éloignement de l'appareil de chauffage situé par exemple dans un étage inférieur du bâtiment. Les première et deuxième parties du conduit d'isolation thermique peuvent donc respectivement correspondre à une première partie inférieure et à une deuxième partie supérieure du conduit d'isolation thermique.

Le système peut en outre comporter de façon avantageuse des moyens de guidage en écoulement du fluide caloporteur vers la sortie, situés au moins en partie dans le canal de circulation et configurés pour favoriser l'échange thermique entre le fluide caloporteur et les fumées de combustion du conduit de fumisterie.

De façon avantageuse, les moyens de guidage du fluide caloporteur garantissent un transfert de chaleur optimal de la chaleur des fumées de combustion situées dans le conduit de fumisterie vers le fluide caloporteur situé dans le canal de circulation.

Par ailleurs, les moyens de guidage du fluide caloporteur peuvent s'étendre autour de ladite au moins une portion du conduit de fumisterie depuis l'entrée jusqu'à la sortie.

De plus, les moyens de guidage du fluide caloporteur peuvent s'étendre au contact de ladite au moins une portion du conduit de fumisterie et au contact du conduit d'isolation thermique.

Préférentiellement, les moyens de guidage du fluide caloporteur comportent des ailettes et/ou une hélice hélicoïdale d'échange thermique. En outre, le système peut comporter un dispositif de ventilation situé au niveau de l'entrée pour permettre une ventilation du fluide caloporteur entrant dans le canal de circulation et favoriser l'écoulement du fluide caloporteur.

Le système peut tout particulièrement comporter en outre un dispositif thermoélectrique pour l'alimentation énergétique autonome du dispositif de ventilation.

Le dispositif thermoélectrique peut comporter une couronne de bridage fixée sur le conduit de fumisterie et une pluralité de modules thermoélectriques et de dissipateurs thermiques.

En outre, l'invention a aussi pour objet, selon un autre de ses aspects, un bâtiment, caractérisé en ce qu'il comporte :

- un appareil de chauffage,

- un système de collecte de chaleur tel que défini précédemment, le conduit de fumisterie étant relié à l'appareil de chauffage.

Le bâtiment peut être de tout type, et par exemple correspondre à un habitat ou un local industriel.

Le bâtiment peut notamment comporter un étage inférieur et un étage supérieur, l'appareil de chauffage étant situé au niveau de l'étage inférieur et le système de collecte de chaleur étant au moins en partie situé au niveau de l'étage supérieur, notamment la sortie du système de collecte de chaleur étant située au niveau de l'étage supérieur.

L'appareil de chauffage peut être de tout type, et en particulier une cheminée, notamment à insert, une chaudière ou un poêle, à bois ou à granulés de bois.

Le système de collecte de chaleur et le bâtiment selon l'invention peuvent comporter l'une quelconque des caractéristiques énoncées dans la description, prises isolément ou selon toutes combinaisons techniquement possibles avec d'autres caractéristiques. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple de mise en œuvre non limitatif de celle-ci, ainsi qu'à l'examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel :

- la figure 1 représente, de façon partielle et en perspective, un exemple de système de collecte de chaleur conforme à l'invention,

- la figure 2 représente plus en détails la partie P de la figure 1,

- la figure 3 représente plus en détails, selon une orientation différente, la zone Z de la figure 2,

- la figure 4A illustre schématiquement un exemple d'habitat selon l'art antérieur comportant un appareil de chauffage, et

- la figure 4B illustre schématiquement un exemple d'habitat comportant un appareil de chauffage et le système de collecte de chaleur conforme à l'invention de la figure 1.

Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.

De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ D'UN MODE DE RÉALISATION PARTICULIER II est à noter que dans l'exemple de réalisation décrit ci-après en référence aux figures 1, 2, 3 et 4B, le bâtiment considéré correspond à un habitat 20 comprenant un étage inférieur El, dans lequel se situe l'appareil de chauffage 21, et un étage supérieur E2, dans lequel se situe au moins en partie le système de collecte de chaleur 1 conforme à l'invention. Bien entendu, l'invention est applicable à tout type de bâtiment, et notamment également à un local industriel.

De plus, l'appareil de chauffage 21 considéré ici est un poêle à bois. Toutefois, ce choix n'est aucunement limitatif. En particulier, l'appareil de chauffage pourrait également être une cheminée, notamment à insert, ou une chaudière, à bois ou à granulés de bois. En outre, le fluide caloporteur A considéré ici correspond à l'air ambiant de l'habitat 20.

Ainsi, en référence à la figure 1, on a représenté de façon partielle et en perspective, un exemple de système de collecte de chaleur 1 conforme à l'invention. Sur cette figure, les traits en pointillés entre les première 3a et deuxième 3b parties du conduit d'isolation thermique 3 symbolisent la continuité du conduit d'isolation thermique 3 et permettent de visualiser l'intérieur du conduit d'isolation thermique 3 où se situent le conduit de fumisterie 2 et les moyens de guidage 7 du fluide caloporteur, symbolisé par les flèches A sur la figure 1. De plus, les moyens de guidage 7 sont également représentés par transparence au niveau des première 3a et deuxième 3b parties du conduit d'isolation thermique 3.

Par ailleurs, la figure 2 représente plus en détails la partie P de la figure 1, pour permettre une meilleure visualisation de la première partie 3a du conduit d'isolation thermique 3, et la figure 3 représente plus en détails, selon une orientation différente, la zone Z de la figure 2, pour permettre une meilleure visualisation du dispositif de ventilation 8 et du dispositif thermoélectrique 9.

Le système de collecte de chaleur 1 comporte tout d'abord un conduit de fumisterie, ou conduit primaire de fumées 2 car étant directement au contact des fumées, pour l'évacuation des fumées de combustion, symbolisées par les flèches F sur la figure 1, qui remontent depuis l'appareil de chauffage 21 le long du conduit de fumées 2 vers l'extérieur de l'habitat 20.

En outre, pour les raisons évoquées précédemment dans la partie relative à l'état de la technique antérieure et au contexte technique de l'invention, le système 1 comporte un conduit d'isolation thermique 3, par exemple sous la forme d'une mousse isolante ou d'une double paroi isolante, afin de garantir notamment une isolation thermique du conduit primaire 2 dans le(s) étage(s) supérieur(s) de l'habitat 20. Ce conduit d'isolation thermique 3 est disposé autour d'une portion de longueur L, mesurée dans le sens vertical, du conduit primaire de fumées 2.

Par ailleurs, conformément à l'invention, le système de collecte de chaleur 1 comporte en outre un canal de circulation 4 d'air chaud A formant une double paroi. Ce canal de circulation 4 se situe entre le conduit primaire de fumées 2 et le conduit d'isolation thermique 3.

A l'intérieur de ce canal de circulation 4, des moyens de guidage 7 en écoulement de l'air sont prévus. Ces moyens de guidage 7 sont conçus pour favoriser l'échange thermique entre l'air A entrant dans le canal 4 et les fumées de combustion F du conduit primaire de fumées 2.

Dans cet exemple, les moyens de guidage 7 prennent la forme d'une hélice hélicoïdale s'étendant tout autour de la portion de longueur L du conduit primaire de fumées 2, depuis une entrée 5 d'air vers l'intérieur du canal de circulation 4 jusqu'à une sortie 6 d'air depuis l'intérieur du canal de circulation 4.

De façon avantageuse, cette hélice hélicoïdale 7 s'étend tout autour de la portion de longueur L du conduit primaire de fumées 2, au contact de celle-ci et au contact du conduit d'isolation thermique 3.

Par ailleurs, comme on peut le voir sur les figures 1 à 3, l'entrée 5 est formée au niveau d'une première partie 3a du conduit d'isolation thermique 3, formant une première extrémité inférieure 3a du conduit d'isolation thermique 3, tandis que la sortie 6 est formée au niveau d'une deuxième partie 3b du conduit d'isolation thermique 3, formant une deuxième extrémité supérieure 3b du conduit d'isolation thermique 3, opposée à la première extrémité inférieure 3a.

De façon avantageuse, l'air circulant depuis l'entrée 5 vers la sortie 6 permet de collecter la chaleur provenant des fumées de combustion F lors de son cheminement.

De plus, comme on peut le voir sur la figure 1, la sortie 6 comporte par exemple une grille d'aération pour permettre l'évacuation de l'air chaud A vers l'extérieur du canal de circulation 4, afin de réchauffer la pièce dans laquelle se situe cette sortie 6 d'air chaud. En outre, comme on peut le voir sur les figures 1 à 3, le système de collecte de chaleur 1 comporte, au niveau de l'entrée 5 d'air, un dispositif de ventilation sous la forme d'un ventilateur 8 pour permettre une ventilation de l'air entrant dans le canal de circulation 4 et favoriser son écoulement jusqu'à la sortie 6.

Le ventilateur 8 peut être alimenté énergétiquement par le réseau électrique traditionnel. Toutefois, dans cet exemple de réalisation et de façon avantageuse, le système de collecte de chaleur 1 comporte un dispositif thermoélectrique 9 pour permettre une alimentation autonome du ventilateur 8.

Comme on peut mieux le visualiser sur la figure 3, ce dispositif thermoélectrique 9 comporte une couronne de bridage 10 fixée sur le conduit primaire de fumées 2 et une pluralité de modules thermoélectriques et de dissipateurs thermiques 11 pour permettre la conversion de l'énergie thermique en énergie électrique. Cette couronne de bridage 10 correspond avantageusement à une couronne permettant de connecter des modules thermoélectriques plans sur une surface circulaire, à savoir celle du conduit de fumées 2.

Les modules thermoélectriques sont couplés aux dissipateurs thermiques 11, permettant ainsi un échange thermique optimal entre la chaleur transmise par le conduit primaire de fumées 2 vers l'air ambiant par convection naturelle. Le bridage des dissipateurs thermiques 11 peut être réalisé à l'aide de colle thermique ou par le biais de vis de bridage.

Le matériau thermoélectrique utilisé par le dispositif thermoélectrique 9 peut être de différents types, et notamment choisi parmi le tellurure de bismuth(lll) de formule Bi ₂ Te3, qui présente de meilleurs performances dans la gamme 100-250 °C, le silicium-germanium (SiGe) ou autres siliciures (du type MgSi, MgSiSn, MnSi, ...), les skutterudites et Half-Heusler, entre autres.

On va maintenant décrire, en référence respectivement aux figures 4A et 4B, la comparaison entre un habitat 20 comportant un appareil de chauffage 21 relié à un conduit de fumées 2' selon une installation classique suivant la norme DTU 24.1, recouvert partiellement d'un conduit d'isolation thermique 3', et un habitat 20 comportant un appareil de chauffage 21 relié à un conduit de fumées 2 d'un système de collecte de chaleur 1 conforme à l'invention, semblable à celui décrit précédemment en référence aux figures 1 à 3.

Pour chaque cas des figures 4A et 4B, l'habitat 20 comporte un étage inférieur El dans lequel est situé l'appareil de chauffage 21, et pour lequel la température ambiante Tl est chaude bénéficiant de la chaleur dégagée par l'appareil de chauffage 21, et un étage supérieur E2 traversé par le conduit de fumées 2' ou 2. L'appareil de chauffage 21 est choisi ici pour être un poêle à bois de 10 kW, générant entre 5 et 10 g/s de fumées de combustion à une température de l'ordre de 250°C. Le ventilateur 8 est un ventilateur du type PC, avec une puissance comprise entre 3 et 5 W et un débit d'air d'environ 0,5 m ³ /min. Ce ventilateur 8 est alimenté par le dispositif thermoélectrique 9, de 150 cm ² , bridé sur le conduit primaire de fumées 2 à 200°C avec une puissance électrique produite d'environ 4 W.

En ce qui concerne l'exemple d'habitat 20 conforme à l'invention, et comme on peut le voir sur la figure 4B, l'entrée 5 d'air A dans le canal de circulation 4 du système de collecte de chaleur 1 est avantageusement située dans la première extrémité inférieure 3a du conduit d'isolation thermique 3, à proximité immédiate de l'appareil de chauffage 21. Cette entrée 5 est pourvue du ventilateur 8 qui permet de souffler l'air à l'intérieur du canal de circulation 4. Par ailleurs, la sortie 6 d'air chaud A est formée dans la deuxième extrémité supérieure 3b du conduit d'isolation thermique 3, au niveau de l'étage supérieur E2 afin de le réchauffer.

De façon avantageuse, la présence du système de collecte de chaleur 1 dans l'exemple de la figure 4B permet d'obtenir une température ambiante Tl, par exemple de l'ordre de 25°C avec une température extérieure T _ex t à l'habitat d'environ 5°C, à l'étage supérieur E2, grâce à l'air chaud A sortant du canal de circulation 4 à une température d'environ 35°C, qui est identique ou proche de celle obtenue au niveau de l'étage inférieur El puisque la chaleur transportée par le conduit de fumées 2, avec des températures typiquement comprises entre 200 et 350°C, est récupérée au niveau de la sortie 6.

Au contraire, dans l'habitat 20 selon l'art antérieur de la figure 4A dépourvu de tout système de récupération de chaleur, la température ambiante T2, par exemple de l'ordre de 10°C avec une température extérieure T _ex t à l'habitat d'environ 5°C, au niveau de l'étage supérieur E2 est froide, bien inférieure à la température Tl, de l'ordre de 25°C, obtenue au niveau de l'étage inférieur El, puisque l'isolation du conduit de fumées 2' par le conduit d'isolation thermique 3' empêche la récupération de chaleur des fumées de combustion. Considérant que la longueur L de la portion du conduit primaire de fumées 2, entre l'entrée 5 et la sortie 6 et selon laquelle s'étendent les moyens de guidage 7, est de l'ordre de 2 m, alors la quantité de chaleur collectée est de l'ordre de 1 kW, ce qui permet de réchauffer la pièce de l'étage supérieur E2. Il est ainsi possible d'obtenir un gain énergétique global de l'ordre de 10 %.

Par conséquent, le système de collecte de chaleur 1 selon l'invention permet une meilleure répartition de la chaleur issue de l'appareil de chauffage 21 entre les étages de l'habitat 20. Il permet également de maximiser le rendement de l'appareil de chauffage 21. On obtient par exemple une amélioration de l'ordre de 10 % du rendement brut de chauffe sur un système de chauffage à bois. L'amélioration du rendement permet alors une diminution des émissions de gaz à effet de serre. En outre, l'invention met en œuvre un échange thermique avec les fumées de combustion sans toutefois entraîner la circulation de fumées de combustion dans l'habitat 20.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit. Diverses modifications peuvent y être apportées par l'homme du métier.