Brevet FR2496857A1 — publié le 19820625

La présente invention est relative à un module hydraulique permettant d'effectuer le comptage et la régulation d' un prélèvement d'energie calorifique. Un tel dispositif est utilisable notamment dans des installations de chauffage, par exemple pour chauffer des locaux Dans la plupart des installations de chauffage de type connu, qu'il s'agisse d'un chauffage pour des immeubles collectifs, ou d'un chauffage individuel, il est courant d'utiliser un réseau d'eau chaude qui constitue une source de caloriesà partir de laquelle on se propose de prélever une plus ou moins grande quantité d'énergie thermique. Dans le cas d'immeubles collectifs, le circuit général d'eau chaude alimente des locaux dont les occupants peuvent choisir à leur gre la température de chauffage. Pour établir le contrôle et la facturation du chauffage dans chacun des locaux, il est nécessaire de mesurer la quantité dtener- gie thermique prélevée par chacun des occupants. Dans le cas d'un chauffage individuel, par exemple pour une villa, l'une des tendances actuelles consiste à utilise les propriétés de la géothermie. Autrement dit, la chaleur est prélevée dans une nappe d'eau souterraine, à grande profondeur (1000 mètres, 2000 mètres, voim davantage). L'eau de ces nappes souterraines étant fortement minéralisée et très corrosive , on la fait circuler dans un circuit primaire, où elle traverse un échangeur thermique avant d'entre renvoyée dans le sol. L'eau de ce circuit primaire cède ses calories dans l'échangeur, et on la renvoie au sol après l'avoir refroidie. L'échangeur est utilisé comme source chaude pour chauffer l'eau d'un circuit secondaire à partir duquel est effectué le chauffage des locaux.Pour des questions à la fois de reconstitution de la nappe souterraine, et de rendement thermique de l'installation, les techniciens de la géothermie conseillent de viser le but suivant - on pompe dans le sol un débit d'eau chaude primaire aussi faible que possible - on prend sur cette eau chaude le maximum de calories, c'est-à-dire qu'on la renvoie dans le sol aprs l'avoir refroidie au maximum. On comprend que dans tous les cas qui viennent d'entre mentionnés, c'est-à-dire aussi bien le chauffage d'immeubles collectifs que le chauffage de villas individuelles par géothermie, le probleme se pose de compter et de réguler la quantité d'énergie thermique prélevée sur le réseau primaire. Ce probline de comptage est actuellement mal résolu . La plupart du tempos, il conduit à utiliser des compteurs de calories qui sont des appareils compliqués, coûteux, et dont les mesures sont peu précises, principalement dans la gamme des faibles débits. La présente invention a pour but d'éviter ces inconté- nients en réalisant un module hydraulique permettant à la fois - de mesurer facilement un débit calorifique - de fixer à volonté divers paramètres concernant le p lèvement de calories sur la source d'eau chaude, alors que peut varier l'intensité du chauffage dans les locaux d'utilisation. Un module hydraulique selon l'invention est constitué par un réservoir mélangeur de forme allongée, intercalé entre un circuit hydraulique d'alimentation et un circuit hydraulique d'utilisation, possédant divers raccords où dé bouchent des canalisations de circuits hydrauliques, et il est caractérisé en ce que de l'une à l'autre de ses extrémités on rencontre successivement, réparties sur sa longueur:: - une ouverture pour l'entrée du circuit d'alimentation en eau chaude - une ouverture pour la sOrtievafsunaircuit bouclé à débit constant - une ouverture pour la sortie du circuit d'alimentation en eau chaude - une ouverture pour l'arrivée d'eau du circuit d'utilisation - une ouverture pour la sortie vers le circuit d'utili- sation - une ouverture pour l'entrée de retour du circuit bouclé à débit constant. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le d- bit hydraulique est maintenu constant en intercalant sur le circuit bouclé une pompe centrifuge dite à 7'caractéristique plongeante", ctest-à-dire mie pompe dc type connu où les variations dans la pression au refoulent entraînent dans le débit une variation faible, voire negligeable. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, permettra de mieux comprendre les caractéristiques de l'invention Fig. 1 est une vue en coupe axiale d'un module hydraulique selon l'invention. Fig. 2à 5 montrent diverses variantes de réalisations possibles. Fig. 6 est un schéma de montage pour l'installation de plusieurs modules selon l'invention branchés sur un meme réseau d'alimentation, par exemple pour chauffer des immeubles collectifs. Le module selon l'invention illustré sur la figure 1 est destiné à être intercalé entre - un circuit hydraulique d'alimentation comportant une canalisation d'arrivée 1 et une canalisation de retour 2 - et un circuit d'utilisation comportant une canalisation d'arrivée 3 et une canalisation de retour 4 Le circuit d'alimentation 1, 2 est considéré comme une simple source de calories, c'est-à-dire qu'il fournit par la canalisatiun 1 de l'eau chaude à une température T1, tandis qu'on lui renvoie par la canalisation 2, de l'eau partiellement refroidie à la température T2 . Ainsi, si Da désigne le débit pondéral de l'eau chaude dans le circuit 1,2, le flux ou débit calorifique fourni à l'installation a pour expression Qa = Da . (T 1 - T2 ) = Da . #Ta . il est bien entendu que le circuit d'alimentation hydraulique 1,2 peut être d'une nature quelconque. En particulier, il peut s'agir - ou bien d'un réseau collectif alimenté par une chaudière générale, comme cela est le cas dans des immeubles collectifs - ou bien d'un réseau alimenté par la géothermie, c'est a-dire qué l'énergie correspondant au débit calorifique Qa est prélevéedans liteau chaude d'une nappe souterraine, située généralement à grande profondeur - ou bien d'un circuit d'eau chaude recevant les calories d'une source quelconque, générateur, chaudière, source thermique de récupération, etc.. Le circuit hydraulique d'utilisation 3, 4 peut être raccordé par exemple aux radiateurs de chauffage d'une installation pour chauffer un local. Par conséquent, l'eau sortant par la canalisation 4 se trouve à une température T4 supérieure à la température T3 de l'eau arrivant par la canalisation 3. Si l'on designe par Du le débit d'eau dans le circuit d'utilisation 3,4, le flux ou débit calorifique disponible sur ce circuit 3,4 est égal à Qu = Du . (T4 - T3) = Du . Tu . Le module hydraulique selon l'invention est constitué par un réservoir fermé étanche 5, de forme allongée, disposé de préférence verticalement. Entre le haut et le bas, ce réservoir 5 possède une relativement grande longueur L. De l'une à l'autre de ses extrémités, on rencontre successivement, réparties sur sa longueur L - une ouverture 6 pour l'entrée du circuit d'alimentation en eau chaude, ctest-à-dire raccordée à la canalisation 7 - une ouverture 7 pour la sortie vers un circuit bouclé à débit constant, matérialisé par une canalisation 8 - une ouverture 9 pour la sortie du circuit dtalimenta- tion en eau chaude, c'est-à-dire raccordée à la canalisation 2 - une ouverture 10 pour l'arrivée d'eau du circuit dtuti- lisation, c'est-à-dire raccordée à la canalisation 3 - une ouverture 11 pour la sortie vers le circuit d'uti lisation 3,4, ctest-à dire raccordée à la canalisation 4 - une ouverture 12 pour l'entrée de retour de la canalisation 8 matérialisant le circuit bouclé à débit constant Sur la canalisation 8, et à l'extérieur du réservoir 5, on intercale une pompe 13 à débit constant. il peut s'agir par exemple d'une pompe centrifuge tournant en permanence à vitesse constante, et possédant à la manière connue une caractéristique dite "plongeante" : autrement dit, si les pressions dans la canalisation 8 varient, le débit massique de la pompe 13 reste pratiquement constant. Par ailleurs, en série avec la pompe 13, on intercale sur la canalisation 8 une vanne de réglage 14, permettant de régler à volonté la valeur constante du débit de la pompe 13 Le fonctionnement est le suivant - le circuit d'eau chaude d'alimentation circule comme indiqué par les flèches 15, c'est-à-dire qu'à l'intérieur du réservoir 5, il circule de haut en bas, de l'ouverture 6 à l'ouverture 9 par laquelle il ressort vers la canalisation 2 Dans la zone 16 située à l'intérieur du réservoir 5, entre les ouvertures 9 et 6, le débit d'eau chaude d'alimen- tation (flèches 13) se trouve mélangé au débit constant de la canalisation 8 (débit massique Dc) qui circule comme indiqué par les flèches 17.Si l'on appelle T7 la température à laquelle l'eau du débit 17 pénètre dans l'ouverture 7, et T12 la température à laquelle l'eau de ce même circuit sort de l'ouverture 12 pour pénétrer dans le réservoir 5, on considère dans l'exemple présent qu'on peut négliger la différence entre ces deux températures, c'est-à-dire qu'on a sensiblement T7 =T12 . Le débit d'eau d'utilisation Du circule dans le sens indiqué par les flèches 18, c'est-à-dire qu'entre les ouvertures 10 et 11, il circule de haut en bas à l'intérieur du réservoir 5, en se mélangeant dans la zone 19, avec la partie ascendante du circuit à débit constant 17. On prévoit par ailleurs deux sondes thermométriques 20 et 21 disposées aux niveaux suivants - entre les ouvertures 9 et 10 pour la sonde 20 - au voisinage de l'ouverture 12 pour la sonde 21 Ces sondes mesurant chacune la température dans sa zone, à savoir T20 pour la sonde 20 et T21 pour la sonde 21, on a sensiblement T12 = T21 . Dans ces conditions, le circuit hydraulique bouclé 8 à débit constant Dc cède entre le niveau de la sonde 21 et celui de la sonde 20, un débit calorifique dont la valeur est Dc . (T21 - T20) Ce débit calorifique étant entierement cédé au circuit d'utilisation 3,4 par échange thermique dans la zone 19, on voit que le débit thermique d'utilisation QB est fourni par l'expression Qu = Du . tTu = Dc . (T21 - T20 Autrement dit, le débit constant Dc étant connu, il suffit de mesurer les deux températures T20 et T21 pour connaître le flux calorifique QE cédé au circuit d'utilisation 3,4, par prélèvement sur le circuit d'alimentation 1,2 .Cette mesure des températures T20 et T21 peut s'effectuer avec précision par des moyens simples, connus et peu coûteux. Bien mieux, cette mesure conserve toute sa précision, même pour un très faible débit calorifique qu ou pour un faible débit massique Du sur le circuit d'utilisation 3,4 . De toute façon, on remarque que cette mesure de débit calorifique s'effectue sans qutil soit nécessaire d'utiliser un quelconque compteur de calories, du genre de ceux que prévoient les installations connues à ce jour, et dont on sait qu'il s'agit d'un appareil à la fois comateux, compliqué et peu précis dans les faibles débits. Bien entendu, le module qui vient d'être décrit constitue un élément de base à partir duquel on peut prévoir divers perfectionnements ou variantes. Une première variante constitue à placer dans le réservoir 5 du module, une sonde thermométrique 22, disposée en face ou à proximité de l'ouverture de sortie 9 du circuit d'alimentation 1,2. Cette sonde 22 permet d'afficher une températurs et, à partir de cela, de commander l'ouverture ou la fermeture d'une vanne thermostatique 23 montée en série sur la canalisation 1, en amont de l'ouverture 6. Ainsi, lorsque la température de sortie T2 dépasse le seuil affiché-T22, la sonde 22 provoque la fermeture de la vanne 23, ce qui interrompt le circuit d'alimentation 1,2. Par contre, dès que la température T2 tombe au-dessous de la température de consigne T22, la vanne 23 s'ouvre, rétablissant ainsi le circuit d'alimentation 1,2 Grâce à cette disposition, on peut maintenir pratiquement constante la température de sortie T2 .Etant donné que par ailleurs la température d'entrée T1 est elle-m8me sensi blement constante, on voit que la présente invention perme de maintenir constante, à une valeur choisie à llavance,la différence ATa entre les canalisations 1 et 2. Cette disposition est particulièrement avantageuse dans le cas d'un chauffage à partir d'une source géothermique. En effet, comme précédemment indiqué, on sait que les meilleures con. ditions d'utilisation d'une source géothermique consistent à refroidir au maximum l'eau qu'on renvoie dans le sol, c'est-à-dire qu'on a intérêt à fixer T2 à une valeur aussi faible que possible. Or, par ailleurs, la température d'alimentation T1 esi imposée sur les lieux d'utilisation, compte tenu des caractéristiques de la nappe géothermique locale (par exemple, T1 est égal à 50 C à DAX, 700C dans la région parisienne, 95 C en Alsace, etc ) . Autrement dit, le module selon l'in. vention peut donner lieu à une fabrication standard permettant de maintenir constant et à la valeur optima, le aTa=(T1 - T2) quelle que soit la température T1 imposée par les conditions géothermiques locales. En définitive, on rappelle que les paramètres imposés à l'utilisateur sont les suivants : - T1, fixée par les caractéristiques de la nappe géoathermique - T2, imposée par un règlement local - Qu , flux thermique à fournir pour chauffer convenablement les locaux d'utilisation A partir de ces paramètres imposés, et sans recourir à aucun appareil coûteux, la présente invention permet d'obte nir le résultat voulu en fixant la valeur du débit constant Dc , lequel peut d'ailleurs être : - soit permanent, c'est-à-dire circulant sans interrup. tion dans le temps - soit modulé, ctest-à-dire fonctionnant par intermittence en faisant alterner des périodes de fonctionnement et des périodes d'arret pour la pompe 13 Dans la variante illustree sur la figure 2, on place dans le local à chauffer, un thermostat d'ambiance 24. Ce dernier est de type dit "tout ou rien". il est électrique- ment relié en série à un mesureur - intégrateur - 25 et au moteur électrique de la pompe 13;ainsi, lorsque la température dans le local a chauffer se trouve être égale à la température de consigne affichée au thermostat 24, celui-ci provoque l'ouverture du circuit électrique et l'arrêts non seulement de la pompe 13, mais également du compteur de calories 25.Ainsi, pendant les périodes ou le circuit d'utilisation 3,4 cesse de prélever des calories (QM sensiblement égal à o), la mesure des flTdans le compteur 23 se trouve suspendue. Le thermostat 24 assure donc une premiere fonction, à savoir faciliter la mesure de Qu (énergie calorifique utilisée) avec une précision supérieure d'environ 50 % à celle des systèmes connus. Le thermostat d'ambiance 24 assure également une deuxieme fonction, à savoir celle de régulation dans le circuit d'utilisation 3,4. Ce dernier possède comme la plupart du temps, une pompe ou circulateur 26. Si le thermostat 24 provoquait la mise en marche et ltarrêt successifs du circulateur 26, cela aurait pour effet de faire fonctionner 1' installation individuelle par "trains de chaleur", c'est-àdire en provoquant des variations de la température ambiante, entre une valeur plancher et une valeur plafond. Au contraire, le thermostat 24 de l'installation selon l'invention provoque l'arrêt et la mise en marche successifs de la pompe 13, ce qui maintient sensiblement constante la température dans les locaux. Sur la figure 3, on a représenté de façon incomplXto 1, ensemble de l'installation, en ne figurant sur le réservoir 5 que les canalisations d'utilisation 3 et 4. Dans cette variante, en aval du circulateur 26, on réunit les canalisations 4 et 3 par un by-pass 27, sur lequel est intercalée une soupape différentielle 28. AinsXsipour une raison ou pour une autre tous les radiateurs de chauffage sont fermés sur le circuit d'utilisation 3,4, la soupape différentielle - 28 s' ouvre et le by-pass 27 fournitun exutoire au débit du circulateur 26. Cette éventualité peut se produire notamment si tous les radiateurs du circuit d'utilisation 3t4 sont équipés de robinets thermostatiques. Dans la variante de la figure 4, on place sur la canalisation 4, en amont du circulateur 26j une vanne de mélange à trois voies 29. Cette vanne est reliée par un by-pass 30 à la canalisation 3 du circuit d'utilisation. Cette variante permet de supprimer le thermostat d'ambiance 24 de la figure 2. Ici, sur la figure 4, un thermostat non représenté définit la position de la vanne à trois voies 29 dtune manière qui, sur les installations connues, est classique lorsque l'on veut assurer la régulation en fonction de la température extérieure.L'une des originalités de la présente invention résulte de ce que, dans le cas de la figure 4,elle permet d' assurer cette régulation à volonté, aussi bien en fonction de la température extérieure qu'en fonction de la température ambiante dans les locaux. On a illustré sur la figure 3 une variante où l'instal- lation selon l'invention permet d'assurer, en plus du chauf- fage des locaux, la production d'eau chaude sanitaire. Pour cela, on adjoint au module selon l'invention un ballon d'eau chaude 31 à l'intérieur duquel passe, par un serpentin 32, la canalisation 8 du circuit bouclé à débit constant. Cette canalisation 8 traverse par ailleurs un échangeur 33 avant de retourner au réservoir 5 par l'ouverture 12. De l'eau froide est envoyée par une canalisation 34 dans un serpentin 35 qui se trouve à l'intérieur de l'échan- geur 33. Ensuite, par une canalisation 36, l'eau parvient au ballon 31 d'où elle peut ressortir par une eanalisatLon 37. Entrée froide en 34, l'eau sort en 37 à la température usuelle de l'eau sanitaire. Le ballon 31 constitue un réservoir de stockage où l' eau est conservée à la température voulue, maintenue grâce au serpentin 32, et ceci que l'utilisateur prélève ou non de 1' eau en 37. Par contre, léchangeur 35 ne fournitdes calories que lorsque l'en prélève de l'eau chaude en 37, c'est-à-dire lonc que l'eau froide arrivant par 34 s'écoule dans 36. Outre ce rôle de pré-chauffage, l'échangeur 33 permet à l'installation de réagir très rapidement à toute variation du flux calorifique prélevé. En effet, du fait de la faible capacité de l'échangeur 33, dès qu'un prélèvement d'eau chaude n 37 provoque un afflux d'eau froide 34 dans le serpentin 35, le circuit bouclé 8 à débit constant accuse pour sa tem pérature d'eau, une chute immédiatement détectée par la sonde thermométrique 22 dont on a vu qu'elle agit sur la sou- pape de régulation 23. On a représenté sur la figure 6 un schéma possible pour le branchement de plusieurs modules 5 sur un réseau primaire collectif groupant deux canalisations principales, à savoir : une canalisation d1alimentation 38 et une canalisation de retour 39. Entre ces deux canalisations se trouve un générateur thermique 40 qui peut titre de tout type connu (chaudière, géothermie, capteur solaire, ou toute autre solution compositè). A proximité du générateur 40, on prévoit préférable- ment entre les canalisations 38 et 39 un by-pass 41 sur lequel est installée une soupape différentielle 42. REVENDICATIONS 1. Module hydraulique pour le comptage et le prélèvement d'énergie calorifique, constitué par un réservoir mélangeur de forme allongée, intercalé entre un circuit hydraulique d'alimentation et un circuit hydraulique d'utilisation, possédant divers raccords où débouchent des canalisations de circuits hydrauliques, et caractérisé en ce que de l'une à l'autre de ses extrémités on rencontre successivement,-réparties sur Sa longueur - une ouverture 6 pour l'entrée du circuit d'alimentation en eau chaude - une ouverture 7 pour la sortie vers un circuit bouclé à débit constant 8 ; - une ouverture 9 pour la sortie du circuit d'alimentation en eau chaude - une ouverture 10 pour l'arrivée d'eau du circuit d'utilisation - une ouverture il pour la sortie vers le circuit d'utilisation - une ouverture 12 pour l'entrée de retour du circuit bouclé 8 à débit constant. 2. Module hydraulique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le débit hydraulique est maintenu constant en intercalant sur le circuit bouclé 8 une pompe centrifuge 13 dite à "caractéristique plongeante", c'est-à-dire une pompe de type connu où les variations dans la pression au refoulement entraînent dans le débit une variation faible, voire négligeable. 3. Module hydraulique suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que sur la canalisation 8 du circuit bouclé à débit constant, on intercale une vanne de réglage 14 permettant de régler à volonté la valeur constante du débit. 4. Module hydraulique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte - une sonde thermométrique 20 logée entre l'ouverture 9 -pour la sortie du circuit d'alimentation en eau chaude (canalisation 2) et l'ouverture 10 pour l'arrivée d'eau du circuit d'utilisation (canalisation 3) ; - une sonde thermométrique 21 placée au voisinage de 1' ouverture 12 pour l'entrée de retour de la canalisation 8 ma- térialisant le circuit bouclé à débit constant. 5. Module hydraulique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que dans son réservoir 5, on prévoit une sonde thermométrique 22 disposée en face ou a' proximité de l'ouverture de sortie 9 du circuit d'alimentation 1,2, cette sonde permettant d'afficher une température pour commander l'ouverture ou la fermeture d'une vanne thermostatique 23 montée en série sur la canalisation d'alimentation 1, en amont de ltouverture 6. 6. Module hydraulique suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la sonde thermométrique 22 et la vanne thermostatique 23 sont utilisées pour maintenir pratiquement constante la température de sortie T2 dans la canalisation de retour 2. 7. Installation de chauffage utilisant un module suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un thermostat d'ambiance 24, placé dans le local à chauffer, ce thermostat étant élec- triquement relié en série à un mesureur - intégrateur 25 et au moteur électrique de la pompe 13 à débit constant dont le fonctionnement est ainsi alternativement déclenché et arrêté, selonq,e1ampérature dans le local à chauffer se trouve être inférieuro ou supérieure 9 la température de consigne affi chée au thermostat 24. 8. Installation de chauffage suivant la revendication 7, caractérisée en ce que sur le circuit d'utilisation 3,4 est monté un circulateur 26 dont le fonctionnement est indépendant des indications relevées par le thermostat 24. 9. Installation de chauffage utilisant un module suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qusen aval du circulateur 26, les canalisations d'utilisation 3 et 4 sont reliées par un by-pass 27 sur lequel est intercalée une soupape différentielle 28 susceptible de fournir un exutoir au débit du circulateur 26 en cas de montée de pression 10. Installation de chauffage suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que sur la canalisation 4, en amont du circulateur 26, on intercale une vanne de mélange à trois voies 29 reliée par un by-pass 30 à la canalisation 3 du circuit d'alimentation, la position de la vanne à trois voies 29 étant commandée à la manière connue par un thermostat détectant la température extérieure. 11. Installation de chauffage suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend un ballon d'eau chaude 31 à l'intérieur duquel passe par un serpentin 32, la canalisation 8 du circuit bouclé à débit constant, laquelle canalisation 8 traverse par ailleurs un échangeur 33 avant de retourner au réservoir 5 par l'ouverture 12, tandis qu'une arrivée d'veau froide est envoyée en 34 dans un serpentin 35 qui se trouve dans 1' échangeur 33, après quoi l'eau parvient par une canalisation 36 au ballon 31 d'où elle peut ressortir par une canalisation 37, à la température usuelle de l'eau sanitaire. 12. Installation de chauffage suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle groupe deux canalisations principales d'alimentation 38 et de retour 39 reliées à un générateur thermique 40, plusieurs modules 5 selon l'invention étant branchés en parallèle entre les canalisations 38 et 39.