Brevet FR2298768A1 — publié le 19760820

L'invention a pour objet un circuit de circulation d'eau, ou d'un fluide équivalent, équipé d'appareils d'échange de température, permettant d'effectuer une récupération optimale de la chaleur d'une eau provenant d'une source à température moyenne. On appelle ici température moyenne une température dont la valeur peut se situer entre 150 et 900 C. Comme exemple de sources capables de fournir de l'eau à une telle température, on peut citer les condenseurs des centrales de production d'électricité, les forages pour l'exploitation de la géothermie, les circuits de refroidissement des moteurs diesel de forte puissance. On a déjà proposé de récupérer à l'aide d'échangeurs de température ou au moyen de pompas de chaleur, les calories contenues dans une eau qui n'est pas utilisable directement dans un réseau de chauffage. Par exemple, l'eau chaude qui provient des forages faits dans le sol est généralement chargée de sels et fortement agressive. Il est donc obligatoire, en pratique, d'en retirer les calories grâce à des appareils aussi bien adaptés que possible à cet usage et faciles à entretenir0 L'utilisation la plus eourante des calories récupérées est le chauffage des bâtiments et des locaux d'habitation pendant la saison froide.Mais les besoins du chauffage sont fortement variables en fonction de la température extérieure de sorte que la récupération de chaleur talle qu'elle est prati quée jusqu'à présent est loin d'être satisfaisante dans toutes les circonstances. Alors que la récupération de chaleur est élevée lorsque la température extérieure estlaplus froide, on n'a plus qu'une exploitation médiocre de la source à température moyenne lorsque la température extérieure est la moins froide. L'un des buts de l'invention est de parvenir à un circuit de récupération de chaleur susceptible d'8tre adapté pendant son utilisation à la température extérieure afin que la source à température moyenne soit exploitée au maximum à tout moment0 Ce but de l'invention pourait etre-atteint à l'aide d'appareils tels que des pompes de chaleur ou des échangeurs de chaleur conçus spécialement et pouvant supporter des conditions de marche variables.Toutefois, ce genre de solution conduit à des appareils coûteux à réaliser et dont le rendement n'est pas satisfaisant à tous les régimes de fonctionnement0 L'invention a également pour but de parvenir à un circuit de récuplération de chaleur n'utilisant que des appareils de construction courante et/ou disponibles dans le commerce dont le fonctionnement est tenu, dans toutes les circonstances de la récupérations au. voisinage des conditions propices à un rendement satisfaisant. Il est évident que les échangeurs de chaleur sont des. appareils moins cotteux à fabriquer et à entretenir que les pompes de chaleur. L'invention a donc aussi pour but d'apporter un circuit de récupération de chaleur comprenant pour le traitement de l'eau venant de la source à température moyenne principalement un ai des échangeurs de chaleur. -Le but principal de l'invention est donc de concilier les exigences parfois opposées mentionnées ci-dessus et de parvenir à la récupération optimale de la chaleur d'une eau à-tem- pérature moyenne, ceci signifiant que l'invention réalise en toutes circonstances la récupération maximum possible à l'aide d'appareils courants du commerce utilisés dans des conditions qui assurent un rendement satisfaisant et de façon telle que le coft de l'entretien et de l'adaptation aux diverses allures de marche est réduit à une valeur minimum, de mtme que le coût de construction et de réalisation du circuit de récupération0 On atteint ces buts selon l'invention grace à un circuit de récupération de chaleur qui- assure la liaison entre une source d'eau à température moyenne ayant une arrivée d'eau chaude et un renvoi d'eau refroidie et un réseau de chauffage ayant un départ d'eau chaude et un retour d'eau froide0 Selon l'aspect.le plus général de l'invention, le retour d'eau froide du réseau de chauffage aboutit à.l'évaporateur d'une pompe de chaleur; après sa sortie de cet évaporateur l'eau est envoyée dans un ou plusieurs échangeurs de chaleur pour y titre réchauffée par exploitation de la source à température moyenne, puis la meme eau est envoyée au condenseur de la mtme pompe de chaleur avant d'strie dirigée vers le départ d'eau chaude du circuit de chauffage. Ainsi, la pompe de chaleur soustrait des calories à l'eau avant son réchauffement et fournit Bes calories à cette même eau après le réchauffement de celle-ci. Dans un mode de réalisation de l'invention, le circuit comprend une canalisation qui réunit le retour d'eau froide du réseau de chauffage à l'évaporateur d'au moins une pompe de chaleur, puis à au moins un échangeur de chaleur, puis au condenseur de la pompe de chaleur, pour aboutir au départ d'eau chaude du réseau de chauffage. Ce circuit comprend aussi une seconde canalisation oui réunit l'arrivée d'eau chaude de la source à 1' échangeur de chaleur ou successivement aux échangeurs de chaleur avant d'aboutir au renvoi d'eau refroidie de la source.A la première canalisation est associée une conduite de dérivation qui y est raccordée en amont de l'évaporateur de la pompe de chaleur et en aval du ou des échangeurs de chaleurs De préférence, lorsque le réseau de chauffage doit fonctionner quand la température extérieure est assez douce, de l'ordre de 100 C, à la première canalisation sont associées plu sieurs conduites de dérivation oui y sont raccordées respective au en p jazzcondenseur de la pompe de chaleur ment en parallele/et en parallèle a l'échangeur ou aux échangeurs de chaleur, des vannes appropriées permettant de mettre hors service totalement ou partiellement certains de ces appareils Pour bien faire comprendre l'invention, on donnera maintenant, uniquement à titre d'exemple, une description d'un circuit de récupération de chaleur. On se réf èrera au cas le plus général, mais non le seul possible, du chauffage de baAti ments à partir d'un forage géothermique. On se reportera à la figure unique annexée qui est un schéma d'un circuit de récupération de chaleur conforme à l'invention pour alimenter un réseau de chauffage devant fonctionner avec des températures extérieures allant de - 70 C à + 120 C. On suppose que le réseau de chauffage nécessite un débit de 300 m3/h à des températures extrêmes d'eau chaude de 900 C et d'eau froide de 400 C à l'allure de marche maximum (charge 100 %) et que le forage fournit en permanence un débit de 100 m3/h d'eau chaude arrivant à 700'G. Le forage qui constitue la source d'eau chaude à température moyenne a une arrivée d'eau chaude 1 et un renvoi d'eau refroidie 2 Le réseau de chauffage a un départ d'eau chaude 3 et un retour d'eau froide 4. Ûne première canalisation, désignée sur tout son parcours par la référence 5, réunit le retour~d'eau froide 4 successivement aux évaporateurs 6, 7 montés en série de deux pompes de chaleur PI, P2 de type connu, disponibles dans le commerce, puis à un premier échangeur de chaleur 8, à un deuxième échangeur de chaleur 9 et à un troisième échangeur de chaleur 11 puis aux condenseurs 12, 13 disposés en série des pompes de chaleur P2, PI, pour aboutir au départ d'eau chaude 30 A la canalisation 5 est associée une première conduite de dérivation 14 qui est raccordée à la canalisation 5 d'une part en amont de l'évaporateur 6 de la première pompe de chaleur P1 et d'autre part en aval du deuxième échangeur de chaleur 9o Le circuit de récupération de l'invention comprend une seconde canalisation, désignée sur tout son parcours par la référence 15, qui réunit l'arrivée d'eau chaude 1 du forage successivement au troisième échangeur de chaleur 11, au deuxième échangeur 9 et au premier échangeur 8 pour revenir au renvoi d'eau refroidie 2 du forage0 Le circuit que l'on vient de décrire nécessite, quand la température de l'eau arrivant du forage ntest pas suffisante, un moyen de chauffage auxiliaire tel qu'une chaudière 17 qui réchauffe, soit directement soit par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur 18, l'eau de la canalisation 5 après le condenseur 13 de la pompe de chaleur PI. La température est élevée, dans cet exemple, à 900 C. Pour une température extérieure de - 70 à +60C, le circuit de récupération est utilisable tel qu'il a été décrit. On remarquera que l'eau arrivant du forage traverse uniquement les échangeurs de chaleur Il, 9 et 8o Pour une température moyenne de 620. de l'eau au départ 3 du réseau de chauffage, la tem pérature de l'eau de forage est abaissée à une valeur faible (+ 100 C). On obtient donc, dans ces conditions, une bonne exploitation du forage. La chaleur contenue dans l'eau qui vient à 320 C par le retour 4 du réseau de chauffage est récupérée par les pompes de chaleur PI et P2 mais, de façon économique, seulement pour le débit d'eau qui suffit à absorber dans les échangeurs 8, 9, 11 la chaleur fournie par le débit d'eau chaude arrivant du forage. Dans cet exemple, le forage fournissant 100 m3/h et le réseau de chauffage demandant 300 m3/h, la conduite de dérivation 14 est déterminée pour admettre un débit de 190 m3/h. Ainsi, un débit de 110 m5/h seulement, au moins égal à celui du forage, est refroidi dans les évaporateurs 6, 7 des pompes de chaleur PI et P2 avant de recevoir la chaleur du forage, puis cette eau est réchauffée encore par les pompes de chaleur PI et P2.On voit que la mEme eau passe dans les évaporateurs 6, 7 et dans les condenseurs 12, 13; dans l'intervalle elle est traitée, pour son réchauffement, à l'aide de l'eau du forage. On se reportera à la figure pour connattre les températures et les débits à l'entrée et à la sortie des pompes de chaleur et des échangeurs de chaleur. Les valeurs indiquées correspondant aux valeurs moyennes de 620 C et de 320 C au départ et au retour du réseau de chauffage. Quand il est prévu aue ce dernier doive fonctionner lorsque la température extérieure est plutt douce, de ltordre de 120 C, le circuit de récupération est complété de la façon suivante. Des conduites de dérivation 19 et 20 sont disposées respectivement entre la conduite 14 et la canalisation 5, et en parallèle aux condenseurs 12, 13 des pompes de chaleur P2, PI. Des vannes placées convenablement permettent ainsi de mettre hors service les évaporateurs et les condenseurs dé ces deur pompes de chaleur PI, P2. Une conduite de dérivation 21 est prévue entre la conduite 14 et la canalisation 5 entre les échangeurs de chaleur 8 et 9, ce qui permet de modifier le débit qui traverse l'é- changeur 8. Une conduite de dérivation 22 est prévue aussi entre la conduite 14 et la canalisation 5 en parallèle à l'échangeur 11, ce qui permet de modifier le débit à travers ce derniers Une autre conduite de dérivation 23 est prévue également entre la conduite 14 et la canalisation 5 en amont du condenseur 12 de la pompe de chaleur 22o Cette conduite 23 sert à refroidir ce condenseur si la nécessité s'en fait sentir. Il n'est pas nécessaire de.décrire le mode de régulation du circuit de l'invention en fonction des besoins du chauffage et de la température extérieure, ceci étant bien connu des spécialistes. Gn remarquera que le passage d'une allure de marche à- une autre se fait facilement et progressivement par une simple- manoeuvre de vannes. Le fonctionnement peut donc titre rendu automatique en fonction de la température extérieure. Selon les besoins et la puissance de l'installation, le nombre des pompes de chaleur et celui des échangeurs.de chaleur peuvent titre différents. D'une façon plus générale, on peut définir l'invention en disant que le circuit de récupération comprend au moins une pompe de chaleur à l'emplacement des pompes PI, P2 décrites ainsi qu'au moins un échangeur de chaleur à l'emplacement des échangeurs 8, 9 et 11.Le nombre exact des appareils à chacun des emplacements. dépend des conditions de fonctionnement; il est déterminé pour que chaque emplacement puisse etre doté d'appareils du commerce employés de façon que leur efficacité reste satisfaisante Avec un tel circuit conforme à l'invention et en mettant en service comme il convient les conduites de dérivation de certains appareils, on parvient toujours à ce que les échan geurs de chaleur pr & entent, à l'entrée de 'ea; àtréchquffer, des emperatures a1entrée, un écart moyen logarithmique de température supérieur à lrécart7 tandis que les pompes de chaleur présentent entre le c8té chaud et le coté froid ün écart de température au plus égal à 400 C, conditions nécessaires à l'emploi d'appareils de type courant du commerce. En outre, le forage est exploité de façon très satisfaisante puisque la température de l'eau au renvoi d'eau rerefroidie 2 est abaissée à + 100 C et n'augmente que, lorsque la température extérieure devenant plus douce, on prélève moins de chaleur. Naturellement, on commence par diminuer la quantité de chaleur d'appoint fournie par la chaudière 17; l'échangeur de chaleur 18 peut être mis hors service grace à une dérivation (non représentée). Dans le circuit donné en exemple, 1 liteau de retour du réseau de chauffage passe dans l'évaporateur d'une ou de plusieurs pompes de chaleur (P1 - P2) de manière à entrer dans l'échangeur 8 à une température réduite, de 50 C par exemple, tant que la température extérieure n'atteint pas une valeur trop basse, et elle s'élève progressivement quand la température ex térieure devient plus froide. Il e résulte que le circuit de l'invention récupère la quantité maximum possible de la chaleur de l'eau du forage. L'invention permet, ainsi qu'on vient de le montrer, de parvenir, à l'aide d'appareils du commerce, à une température assez basse de l'eau de la source à température moyenne avant son renvoi. Cependant, l'invention n'exclut--pas, dans une variante de réalisation et lorsque les circonstances le rendent souhaitable, d'abaisser la température de l'eau de la source à une valeur plus basse que celle obtenue après son traitement dans les échangeurs de chaleur 9, 8.Par exemple, dans le rectangle figuré en trait mixte sur la figure et désigné par la référence P3 on peut installer une pompe de chaleur supplémentaire0 Celle-ci est alors branchée pour que son évaporateur placé sur la canalisation 15 soutire des calories à l'eau du forage avant le renvoi 2 d'eau refroidie; ces calories sont fournies à l'eau du réseau de chauffage par le condenseur placé sur la canalisation 5 entre les échangeurs 9 et 11. On n'obtint plus totalement l'avantage procuré par l'invention, en ce sens qu'une pompe de chaleur se trouve sur le passage de l'eau du forage. Mais on remarquera qu'il s'agit seulement de l'e'vaporateur d'une seule pompe de chaleur et que celleci peut, généralement, Qtre mise hors service pendant une fraction importante des heures de marche, quand la température extérieure est plutôt douce. R E V E N D I C A T I O N S 10/ Circuit de récupération de la chaleur d'une eau venant d'une source à température moyenne pour l'échauffement de l'eau d'un réseau de chauffage, la source ayant une arrivée d'eau chaude et un renvoi d'eau refroidie et le réseau de chauffage ayant un départ dgeau chaude et un retour d'eau froide, caractérisé en ce qusil comprend une canalisation qui réunit le retour d'eau froide du réseau de chauffage à l'évaporateur d'au moins une pompe de chaleur, puis à au moins un échangeur de chaleur raccordé par ailleurs à l'arrivée de l'eau chaude et au renvoi d'eau refroidie de la source, puis au condenseur de ladite pompe de chaleur pour aboutir au départ d'eau chaude du réseau de chauffage. 20/ Circuit de récupération de chaleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les échangeurs de chaleur sont établis par un écart moyen logarithmique de température supérieur à l'écart des températures à l'entrée. 30/ Circuit de récupération de chaleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les pompes de chaleur sont établies pour des écarts de température entre la partie chaude et la partie froide ne dépassant pas 400 CO 40/ Circuit de récupération de chaleur selon les revendications 1 à 3 réunies caractérisé en ce qu'il comprend une première canalisation qui réunit le retour d'eau froide du réseau de chauffage à l'évaporateur d'au moins une première pompe de chaleur, puis à au moins un premier échangeur de chaleur, puis au condenseur d'une autre pompe de chaleur, puis à un autre échangeur de chaleur, puis au condenseur de la première pompe de chaleur pour aboutir au départ d'eau chaude, cette première canalisation étant associée à une première conduite de dérivation qui y est raccordée en amont de 11 évaporateur de la première pompe de chaleur et en aval du premier échangeur de chaleur, et une seconde canalisation qui réunit l'arrivée d'eau chaude de la source successivement aux échangeurs de chaleur, pour aboutir au renvoi d'eau refroidie de la source, le débit dans la première conduite de dérivation étant tel que le débit à travers l'évaporateur de la première pompe de chaleur est au moins équivalent au débit du forage0 50/ Circuit de récupération de chaleur selon la re vendication 4 caractérisé en ce que la première canalisation est associée à des conduites de dérivation supplémentaires qui y sont raccordées respectivement en parallèle à l'évaporateur et au condenseur de la ou de chaque pompe de chaleur d'une part et en parallèle aux échangeurs d'autre part, des vannes appropriées permettant de modifier le débit à travers ces appareils. 60/ Circuit de récupération de chaleur selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'une conduite de dérivation est prévue entre la première conduite de dérivation et la canalisation allant au réseau de chauffage en amont du condenseur de la ou des pompes de chaleur 70/ Circuit de récupération de chaleur selon l'une quelconque des revendications 4 à 6 caractérisé en ce qu'une pompe de chaleur supplémentaire est branchée avec son évaporateur placé sur la canalisation d'eau de la source juste en amont du renvoi d'eau refroidie et son condenseur placé sur la canalisation venant du réseau de chauffage, entre deux échangeurs de chaleur. 80/ Circuit de récupération de chaleur selon la revendication 7 caractérisé en ce que des conduites de dérivation sont-placées entre l'entrée et la sortie du condenseur et de l'évaporateur de la pompe supplémentaire pour permettre la mise hors service de ce dernier. 90/ Circuit de récupération de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce qu'uni moyen de réchauffage est placé sur le trajet de la première canalisation entre le condenseur de la première pompe de chaleur et le départ d'eau chaude du réseau de chauffage.