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Jean-François GOUYET
 
       A3. Description du système héliothermique.
 
A31. Captation de l'énergie solaire

            Les capteurs sont du type à air, réalisés par la société BERTHOLD. Conformément au plan établi par le constructeur, ils sont équipés de gaines collectrices horizontales. Dans le cas présent, pour des raisons architecturales, les panneaux inférieurs sont au nombre de 5, les panneaux supérieurs au nombre de 9 (voir plan ci dessous).
             Comme indiqué plus haut les capteurs sont du type absorbeur, en zinc prépatiné, le vitrage est en verre trempé. Leur fixation est réalisée par un joint EPT (type pare-brise) permettant un changement aisé.
             La surface totale des capteurs est de  37m2. Le plan des capteurs est orienté au sud (7° à l'est), et inclinés à 60° par rapport à l'horizontale.
 

A32. Stockage

             Le stockage à chaleur latente prévu a été abandonné. L'étude avait été faite en relation avec l'université de Compiègne et un industriel. A l’époque on pensait utiliser la chliarolithe emmagasinée dans des tubes type chambre à air (Hutchinson), et scellés aux extrémités et insérés dans bardages à section en nids d'abeilles. Les bardages modulaires 50x100 devait être suspendus dans le volume de stockage. Ce système s’est avéré non viable et remplacé par un simple volant de stockage thermique formé de deux tonnes de briques. Cela permet de lisser les pics de température, l’excès de chaleur rediffusant doucement dans la maison pendant la nuit.

             Le volume de réception du stockage avait été prévu dès la construction. Il consiste en un volume parallélépipédique situé au centre de la maison (minimisation des pertes). Ses dimensions : 54x209x540 cm.

             Le dessin de la page suivante représente la structure au rez-de-chaussée. L'armature est réalisée en cornières FORPLEX ref. 3085.

Stockage

                          Emplacement prévus pour le stockage 

L'armature est réalisée en cornière FORPLEX,  référence F.3085. Elle peut supporter une charge d'environ 600kg par plan de rangement des structures à eutectiques.


A33. Distribution-appoint

             Un caisson de ventilation assure les diverses fonctions conformément au schéma ci-joint.
             Ce caisson comprend en série dans le sens de l'air :
                        -un jeu de registres motorisés étanches A et B.
                        -un filtre.
                        -un motoventilateur centrifuge.
                        -un jeu de registres motorisés étanches C et D.
             Un ensemble de gaines assure les diverses liaisons aérauliques entre caisson, stockage et locaux à chauffer, conformément au schéma. Le soufflage dans les différentes pièces s'effectue également au moyen de gaines aboutissant à des bouches :
                        -plafonnières dans les chambres.
                        -à double déflection dans le séjour.
             L'air est transféré des pièces chauffées dans l'entrée grâce à un léger détalonnage des portes.
             La reprise s'effectue en vrac à la base du stockage. Le retour de l'air vers les capteurs est assuré par une gaine passant horizontalement sous le sol du salon, puis verticalement le long du mur extérieur sud.

A33-a) Divers cas de fonctionnement

                                        # Chauffage direct à partir des capteurs
                                        [ volets A et D ouverts (et donc B et C fermés).
                                        # Stockage des calories
                                        [ volets A et C ouverts (et donc B et D fermés).
                                        # Déstockage (utilisation des calories stockées)
                                        [ volets B et D ouverts (et donc A et C fermés).
             La commande des volets est assurée automatiquement par la régulation.
motoventilation

                                        Schéma du bloc de motoventilation

A33-b) Principe de la régulation
                                        # Un thermostat dont la sonde est placée en partie haute des capteurs, commande les volets motorisés A et B (captation des calories par ouverture de A ou possibilité d'utilisation des calories stockées par ouverture de B).
                                        # Un thermostat d'ambiance, placé dans le séjour commande en cascade :
             -les volets motorisés C et D (stockage des calories par ouverture de C ou chauffage des locaux par ouverture de D).
             -les convecteurs électriques du séjour.
                                        # Un jeu de contacts auxiliaires stoppe le ventilateur lorsque les volets B et C sont ouverts ce qui signifie qu'il n'y a ni possibilité de stocker ni nécessité de chauffer.
                                        #Réglage des thermostats :
             - Le thermostat d'ambiance est réglé à 19°C avec une plage de 0.2°C.
             - Le thermostat capteurs est réglé à 25°C.

            Schema solaire

                        Schéma général du système de ventilation.

                 A,B,C,D sont les divers volets de distribution. E est l'exutoire d'été destiné à évacuer l'air chaud en l'absence de besoins.
                 G est la grille de reprise de l'air ayant chauffé les diverses pièces.
                 S est l'emplacement du stockage. Il a une position centrale dans la maison afin de minimiser les pertes.

                   A33-c) Les débits d'air soufflé
Les débits ont été mesurés à l'anémomètre à la sortie des bouches par Monsieur Grangé (FORCLUM) :
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| Pièce        |Vitesse de l'air               |Type de bouche            |Coefficient          |Volume Soufflé
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| Bureau      | 53m en 32s                  | 10x24                          | 86.4                  | 143
| Salon        | 55m en 30s                  | 10x32                          | 115.2                | 211
| S.à M.      | 77m en 30s                  | 10x32                          | 115.2                | 296
| Ch. RdC   | 52m en 30s                  | 10x24                          | 86.4                  | 150
| Ch. S-O   | 39m en 30s                  | SLAD 60                     | 205.2                | 267
| Ch. O       | 57m en 30s                  | 10x24                          | 86.4                  | 165
| Ch. S-E    | 8m en 30s                   | SLAD 60                     | 205.2                | 246
| Ch. N-E   | 34m en 32s                  | SLAD 60                     | 205.2                | 218
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| Volume Total Soufflé                                                                                   |1696 m3/h        
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A34. Régulation
Historique :
             La régulation a été réalisée pour ce qui concerne la partie électronique par J.F. Gouyet, avec les conseils et l'assistance de I. Solomon et D. Marion du laboratoire de Physique de la Matière condensée à L'école Polytechnique.
             En 1984, le coût avait été réduit au minimum par le choix d'un ordinateur peu onéreux, le ZX81 de chez Sinclair. Ce petit ordinateur qui appartient maintenant à l’histoire, avait cependant des qualités indéniables : Il permettait d'interfacer très aisément des sondes de températures, par sa carte analogique 8EA, et de déclencher des relais grâce à sa carte digitale à huit entrées-sorties 8ES. Certains problèmes de fiabilité ont du cependant être résolus préalablement si on veut éviter le désagrément de pannes trop nombreuses.

ZX81Voici l'installation historique (1984), utilisant le ZX81 (devant), auquel était connectée la carte analogique 8EA et à laquelle était attachée un stockage de 16Ko de mémoire. Une petite imprimante thermique (à droite) permettait de conserver les mesures. Le  programme de gestion était enregistré sur une cassette à l'aide d'un petit magnétophone.  La vision en temps réel s'affichait sur un téléviseur (à l'arrière plan) !


 
La première tâche a été de fournir une alimentation stabilisée, ceci pour deux raisons : D'une part l'alimentation fournie était si mauvaise que l'ordinateur chauffait anormalement et tombait en général en panne après deux heures de fonctionnement ( la tension montait parfois à 14V à l'entrée); d'autre part l'étalonnage correct des sondes demandait une tension bien stabilisée. Nous avons choisi une tension d'alimentation de 9V. Le ZX ne chauffe alors pas de manière sensible.

             Le montage donné ci-dessous utilisait un L200. Une batterie de 8.4V fournissait un appoint d'une heure en cas de panne de secteur. Cependant sous batterie les données numériques étaient erronées puisque la tension est alors trop basse, mais ceci était un inconvénient mineur, les pannes de secteur étant peu fréquentes et de courte durée.
             Il avait été également utile de shunter les relais par des condensateurs de quelques µF pour éviter des perturbations de l'ordinateur lors de l'ouverture de ceux-ci.
             Enfin il avait été nécessaire de souder les broches de sortie du ZX à celles du module 8ES pour éliminer les mauvais contacts ! Ceci fait, le ZX a ainsi fonctionné 6 mois par ans de 1984 à 1994 sans faillir, date à laquelle il a été remplacé par un MAC Plus, associé à un boîtier PowerLab fabriqué par la société Mediactiv.  Le boîtier PowerLab permet la gestion détaillée de l’ensemble des capteurs et des relais et d’enregistrer toutes les données
             Ce système gère encore actuellement (en 2007) et sans aucun problème, la climatisation de la maison.
régulation
Valeur des composants :
        Rsc=2,7 W                                                           R1 =820 W
        RL = 180 W                                                         R'2= 1,1 W
        C1 = 0,47 µF                                                       R2 =  200 W ajustable
        Z1 = Zener 9,1 V                                                 R3 = 300  W
        D1 = Diode (alimentation batterie)                        B  = Batterie 7x1,2V
        D2= Protection contre la décharge de la batterie.

        Chaque sonde de température est associée à un étage amplificateur constitué par un ampli CA3140, fournissant une tension entre 0 et 5V à l'une des huit entrées de la carte 8EA. Le gain de l'ampli est défini par RG et permet d'ajuster la plage de température en fonction du type de mesure souhaité

Amplis sondes

Valeur des composants :
         RG => Gain de l'ampli.                                        C2= ajusté
         R'4 = 18,2 KW                                                   D2= 1N4449 (Sonde de température)
         R4 = 10 KW                                                       Z2= Zener 5,1V.
         R5 = 1MW                                                          CA3140 : Ampli. Sonde.
         R6= 1KW
Plages de températures:                                              RG:
         2,7°C à 37,5°C                                                 47 KW                (Ambiante)
        -20°C à    50°C                                                  22 KW                (Extérieur)
        -25°C à    79°C                                                  15 KW                (Haut des capteurs)
          13°C à    47°C                                                 47 KW                (Sortie des bouches)
          18°C à    52°C                                                 47 KW                (Stockage).

        La tension de sortie est remarquablement linéaire en fonction de la température comme le montrent les courbes qui suivent.

Mesures sondes

         Enfin une sécurité supplémentaire s'avère importante (surtout pour un fonctionnement en l'absence des occupants) : Il s'agit de la sécurité ventilation.

        La sécurité ventilation a pour but de stopper la ventilation en cas de panne de l'ordinateur. En effet dans ce cas le système peut rester bloquer en situation "ventilation" et donc ventiler sans interruption quelque soit la température de l'air soufflé. Le système ci-dessous utilise un signal carré généré par l'ordinateur. En cas d'absence de ce signal le circuit ventilation est coupé via le transistor 8310.

sécurité

  Valeur des composants :
    R10= 332 W                 Z3= Zener 5,1V
    R11= 47 KW                C3=1000µF                      (Temps de relaxation supérieur à un cycle)
    R12= 825 W                 R13= 100 W
    R14= 2,2 KW               R15= 470 W
    E : on applique en E un signal carré généré par l'ordinateur. En cas de panne la tension devient constante et 8310 coupe le circuit.

             L'ensemble des relais déclenchant les divers moteurs ouvrant ou fermant les registres ou le moteur de ventilation sont inclus dans un coffret construit par la société ELECTRO-CABLAGE. Le coffret est un coffret de série dans lequel toutes les sondes ont été ôtées (étant conçues indépendamment et contrôlées par ordinateur comme décrit ci-dessus). D'autre part une alimentation  en continu est nécessaire également à cause de la gestion par ordinateur.   

             Dans le schéma ci-dessous, les contacts fournis par l'ordinateur sont 3-21, 3-22, 3-23 et 3-24. Une bobine contacteur alimentant les convecteurs séjour est raccordée en 4-24 (24V, 2A maxi). Les relais en 24V type Merlin Gerin ref 15394, sont ici utilisés en continus.

             Schéma du 28.05.84 fourni par Mr Grangé (Société FORCLUM)

coffret général

             A35. Le programme de gestion

programe 1

programme 2

programme 3

A36. Conclusions

             Le système actuellement en place est devenu dès à présent un système fiable. Une horloge digitale, construite à partir d'un kit, a été ajoutée au système et fourni la référence de temps à l'ordinateur. L'ensemble de gestion informatisée a permis d'effectuer deux  séries de mesures sur les hivers 1985-1986 et 1986-1987 que nous allons présenter maintenant.