Brevet FR2521697A1 — publié le 19830819

DISPOSITIF DE PRODUCTION D'EAU CHAUDE METTANT EN OEWRE AU MOINS UNE POMPE A CHALEUR. La présente invention concerne un dispositif de production d'eau chaude mettant en oeuvre au moins une pompe à chaleur. On connaît différents systèmes de production d'eau chaude dans lesquels l'alimentation d'un circuit chauffé par une pompe à chaleur s'effectue par piquage sur l'entrée d'un ballon de stockage d'eau chaude. Dans uni dispositif de ce type, le chauffage par la pompe à chaleur sieffectue selon un circuit continu, dans lequel on renvoie en tEte (partie haute) du ballon de stockage une eau qui, selon le débit tiré, n'est pas forcément à la mme température que celle des couches supérieures du ballon.Cet agencement crée une perturbation dans la statification des couches d'eau du ballon d'od il résulte un mdlange, de sorte que la température de l'eau que l'on peut retirer d'un tel ballon est plus basse puisque l'homogénéité de la températu- re est plus grande. En outre, dans un tel système, une vanne thermostatique à débit de fuite est souvent placée à la sortie de l'échangeur thermique et si l'on soutire de l'eau à la sortie du ballon de stockages le débit de fuite de cette vanne se mélange au soutirage provenant du ballon ; ce débit de fuite réduit par - mélange la température de l'eau soutire, ce qui est d6favo- rable. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients résultant des phénomènes de convection à l'intérieur du ballon de stockage et.de mélange, en fournissant un dispositif permettant de remplir le ballon par le haut en y envoyant de l'eau à une température voisine de la température finale soie de l'eau chaude, oe qui évite de pertur- ber l'équilibre des couches aqueuses à l'intérieur du ballon et permet de tirer de l'eau à une température supérieure à celle que l'on pouvait obtenir avec un dispositif de l'art antérieur tel que spécifié ci-dessus.En outre, le remplissa- ge du ballon dans la zone de soutirage à une température > qui correspond à celle que l'on désire, permet de soutirer sans délai de l'eau chaude à la température voulue. L'invention a donc pour objet le produit industriel nouveau que constitue un dispositif de production d'eau chaude mettant en oeuvre au moins une pompe à chaleur, ce dispositif comportant au moins un ballon de stockage, muni d'au moins une entrée d'eau froide en partie basse et d'au moins une sortie d'eau chaude prélevée en tête de ballon, le prélèvement de l'eau pour la pompe à chaleur se faisant à l'entrée du ballon de stockage et la restitution de ladite eau à la sortie dudit ballon caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de régulation ne permettant le renvoi de l'eau chauffée par le condenseur de la pompe à chaleur vers la sortie du ballon de stockage que, si cette eau atteint une température de consigne voisine de la température finale souhaitée de l'eau chaude. Dans un premier mode de réalisation, les moyens de régulation réglant le renvoi vers le ballon de stockage de l'eau chauffée par la pompe à chaleur comporte un ballon-tampon englobant le condenseur de la pompe à chaleur et un organe repérant la température de l'eau dans la zone de sortie du ballon-tampon, ladite sortie du ballontampon étant raccordée à la sortie d'veau chaude du ballon de stockage et l'entrée du ballon-tampon étant raccordée à l'entrée d'eau froide du ballon de stockage, l'organe précité commandant une vanne disposée en amont ou en aval duballon-tampon, le débit de circulation à travers le ballon-tampon étant assuré gracie à un circulateur.Selon une première variante, l'organe précité est un thermostat et la vanne qu'il commande est une électrovanne. Selon une deuxième variante, l'organe précité est le bulbe d'une vanne thermostatique et la vanne commandée est ladite vanne thermostatique. Dans un second mode de réalisation les moyens de régulation réglant le renvoi vers le ballon de stockage de l'eau chauffée par la pompe à chaleur comportent une vanne thermostatique à trois voies disposée à la sortie d'un échangeur associe au condenseur de la pompe à chaleur, ladite vanne permettant un recyclage total ou partiel du débit traversant l'échangeur, la circulation dans l'Fchan- geur étant assurée grace à un circulateur. On peut avantageusement prévoir, pour ces deux modes de réalisation, que le circulateur soit une motopompe. Sur le circuit chauffé par la pompe à chaleur, par exemple en amont du circulateur, est monté un thermostat repérant la température de l'eau à ce niveau et destiné à mettre hors circuit la pompe à chaleur ainsi que lecirculateur, lorsque la température au niveau dudit thermostat atteint la valeur de consigne choisie. Cecine peut Fvidem- ment se produire que si l'eau en bas du ballon atteint cette température de consigne. Le dispositif de production d'eau chaude peut comporter également un dispositif de sécurité du type à détenteur, soupape de sécurité et clapet anti-retour, monté sur l'alimentation d'eau froide du ballon de stockage. On voit qu'avec le dispositif selon l'invention, l'eau, qui estrenvoyée vers la sortie du ballon de stockage, a une température toujours au moins égale à une valeur de consigne que l'on s'est fixée, quel que soit le débit que l'on tire à la sortie du ballon de stockage. Si le dé- bit tiré est supérieur au débit provenant de la pompe à chaleur, l'excédent est extrait du ballon de stockage dans le cas contraire, l'excédent provenant de la pompe à chaleur est renvoyé dans le ballon de stockage tandis que l'on extrait un volume d'eau correspondant par l'entrée du ballon de stockage, c'est dire au niveau de l'au la plus froide. Avec ce procédé, on supprime le passage direct parasite d'eau froide à travers la pompe à chaleur lorsque celle-ci est à l'arr8t. Un des effets principaux du-procédé est donc de préserver la stratification thermique des couches d'eau dans le ballon de stockage quand elle existe (cas du ballon en fonctionnement courant) ou de créer cette stratification lorsque toute l'au du ballon est initialement froide. Il est à noter que le dispositif selon l'invention peut très bien utiliser un ballon de stockage existant auquel on adjoint les différents éléments complémentaires nécessaires. Pour mieux faire comprendre l'objet de l'invention, on va en décrire maintenant, à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, deux modes de réalisation représentés sur le dessin annexé. Sur ce dessin - la figure 1 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation d'un dispositif de production d'eau chaude selon l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique d'un second mode de réalisation d'un dispositif de production d'eau chaude selon l'invention. Dans le mode de réalisation de la figure 1, l'eau à chauffer est prélevée à partir de l'entrée E1 d'un ballon de stockage A1 selon les flèches f1, f2. Cette eau peut également provenir du dispositif de sécurité G1 de l'alimentation du ballon A1 (selon la flèche f'1). Ceci se produit à chaque fois que l'on tire une quantitié d'eau hors du ballon A1 selon la flèche f5. La condenseur 1 de la pompe à chaleur P1 est enfermé dans un ballon-tampon 4 en amont duquel est montée une électrovanne 5, qui est commandée par un thermostat 6 et s'ouvre lorsque la tempé- rature de l'eau à la sortie, c'est-à-dire en haut du bal lon-tampon 4, dépasse une valeur de consigne.En aval de l'électrovanne 5, mais en amont de l'entrée du ballon tampon 4, est monté un circulateur 2, par exemple du type moto-pompe qui envoie l'eau chaude solen sn tette du ballon de stockage A1 selon les flèches f3 et f4 soit directement à l'utilisation selon les flèches f3, f5. En amont du cir- culateur 2 est monté un thermostat 3 destiné à commander à la fois la pompe à chaleur-Pl, et le circulateur 2. Dans le mode de réalisation de la figure 1, le dispositif de production d'eau chaude selon l'invention fonctionne de la manière décrite ci-après. Le dispositif est alimenté soit selon les flèches f1, f2 directement à partir de l'entrée E1 du ballon de stockage A1, soit selon les flèches f'l, f2 directement à travers le dispositif de sécurité G1, pour amener l'eau à chauffer dans le ballon-tampon 4 ; 11 alimentation du ballontampon 4 ne s'effectue qu'à condition que l'électrovanne 5 soit ouverte, c'est-à-dire que la température de l'eau à l'intérieur du ballon-tampon 4 soit égale cru supérieure à la température de consigne, par exemple 520C.Si cette eau est à une température inférieure à cette température de consigne, le thermostat 6 agit sur l'électrovanne 5 pour la maintenir en position de fermeture jusqu' ce que l'eau à l'intérieur du ballon-tampon arrive à cette température de consigne. Ce mode de fonctionnement se traduit par un écoulement intermittent, soit selon les flèches f3, f4 entre le ballon-tampon 4 et le ballon de stockage Al, soit selon les flèches f3 et f5 directement à l'utilisation. Lorsque la température à l'entrée de la pompe à chaleur P1 atteint la valeur de consigne choisie, le thermostat 3 met hors circuit la pompe à chaleur P1 ainsi que le circuit lateur 2. Cette éventualitéoe se produit que si l'eau à l'entrée El du ballon A1 a atteint cette température de consigne auquel cas le ballon de stockage est rempli d'eau uniformément chaude, ce qui permet de stopper l'action de la pompe à chaleur.------------------------------ Lorsque la température au niveau du thermostat 3 revient au-dessous de la température de consigne, le système (pompe à chaleur P1 - circulateur 2) se remet en marche, Dans le mode de réalisation de la figure 2, l'eau à chauffer est prélevée à partir de l'entrée E2 d'un ballon de stockage A2 selon les flèches F1, F2. Cette eau peut également provenir du dispositif de sécurité G2 > de l'alimentation en eau du ballon A2 selon les flèches F1, F2. Ceci se produit lorsque la ballon A2 par sa sortie doit délivrer selon la flèche F6 une certaine quantité d'eau. Le condenseur llb de la pompe à chaleur P2 du dispositif est en échange thermique avec un échangeur lla, par exemple du type coaxial, inséré dans le circuit de chauffage de liteau du ballon A2. En aval de l'échangeur lla est montée une vanne thermostatique à trois voies 14. Si la température de l'eau à la sortie de l'échangeur lla est inférieure à une valeur de consigne, par exemple 52 C, l'eau est recyclée selon F3 à l'entrée de l'échangeur lla ; si la température de ladite eau atteint au contraire cette valeur de consigne, l'au est envoyée soit vers la sortie S2 du du ballon de stockage A2 selon les flèches F4 > F5, soit directement à l'utilisation selon les flèches F4, F6 selon le débit demandé en aval du ballon A2. On a également prévu, en amont de l'échangeur lla et en aval du retour de recyclage, un circulateur 12. En amont de ce dernier est monts un thermostat 13 destiné à commander à la fois la pompe à chaleur P2 et le circulateur 12. Dans le mode de réalisation de la figure 2, le dispositif de production d'eau chaude selon l'invention fonctionne de la manière ci-après décrite. Le dispositif est alimenté soit selon les flèches F1, F2 directement à partir de l'entrée E2 du ballon de stockage A2, Boit directement selon les flèches F'1, F2 à travers le dispositif de sécurité G2, pour amener l'eau à chauffer à passer à travers l'échangeur 11a associé au condenseur llb de la pompe à chaleur P2. Lorsque l'eau à la sortie de l'échangeur 1- est à une température égale ou supérieure à la température de consigne, la vanne thermostatique à trois voies 14 distribue l'eau sortant de 11 échangeur lla soit selon les flèches F4, F5 vers la tAte du ballon de stockage A2, soit selon les flèches F4, F6 directement à l'utilisation.Si la température de l'eau à la sortie de l'échangeur lla est inférieure à la tempéra- ture de consigne, la vanne 14 s'ouvre pour assurer un recyclage selon la flèche F3 dans l'échangeur lla grâce au circulateur 12. Dans cet agencement, on obtient, à la sortie de léchangeur lla, un écoulement vers le ballon A2 selon la flèche E4 moines intermittent que dans le mode de réalisation de la figure 1. Lorsque la température à l'entrée du circulateur 12 atteint la valeur de consigne choisie, le thermostat 13 met hors circuit la pompe à chaleur P2 ainsi que le circulateur 12.Cette éventualité ne se produit que si l'eau en bas du ballon A2 a atteint cette température de consigne auquel cas le ballon A2 est rempli d'eau uniformément chaude, ce qui permet de stopper l'action de la pompe à chaleur P2 Lorsque la température au niveau du thermostat 13 revient au-dessous d'une température de consigne constituant le seuil bas, le système (pompe à chaleur P2 - circulateur 12) se remet en marche. Dans chacun des modes de réalisation décrits ci-dessus, il est clair que l'on peut obtenir une eau à une température supérieure à celle que fournirait un dispositif de l'art antérieur dans lequel se produisaient inévitablement des mouvements de convexion et de mélange nuisibles, qul sont éliminés selon l'invention. De plus, avec un dispositif selon l'invention, on peut, sans délai, métme au démarrage soutirer de l'eau dont la température est voisine de la température souhaitée de 1 'eau chaude. Il est bien entendu que les modes de réalisation ci-dessus décrits ne sont aucunement limitatifs et pourront donner lieu à toutes modifications désirables, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. En particulier, le dispositif selon l'invention peut être utiIisé pour chauffer et stocker un liquide autre que de l'eau. Le thermostat (3 ou 13) peut être mis en place dans le ballon de stockage au lieu d'8tre placé comme ci-dessus décrit. REVENDICATIONS 1. Dispositif de production d'eau chaude mettant en oeuvre au moins une pompe à chaleur, ce dispositif comportant au moins un ballon de stockage muni d'au moins une entrée d'eau froide, en partie basse, et d'au moins une sortie d'eau chaude prélevée en tette de ballon, le prélèvement de l'eau pour la pompe à chaleur se faisant à l'entrée du ballon de stockage et la restitution de ladite eau à la sortie dudit ballon, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de régulation (6,5 ; 14) ne permettant le renvoi de l'eau chauffée par l'échangeur (1, lla) de la pompe à chaleur (P1 ; P2) vers la sortie (S1, S) du ballon de stockage (A1;A2) que si cette eau a atteint une temp6- ratuue de consigne voisine de la température finale souhai tée de l'eau chaude. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé par le fait que les moyens de régulation réglant le renvoi vers le ballon de stockage (S1) de l'eau chauffée par la pompe à chaleur (P1) comportent un ballon-tampon (4) englobant le condenseur (1) de la pompe à chaleur (P1) et un organe (6) repérant la température de l'eau dans la zone de sortie du ballon-tampon (4), ladite zone de sortie du ballon-tampon étant raccordée à la sortie (S1) d'eau chaude du ballon de stockage (A1), l'organe (6) commandant une vanne (5) disposé en amont ou en aval du ballontampon (4), le débit du ballon-tampon (4) étant assuré gracie à un circulateur (2). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'organe repérant la température de l'eau est un thermostat (6) et la vanne, qu'il commande, est une électrovanne(S). 4. Dispositif selon la revendication 2, caracterisé par le fait que l'organe repérant la température de l'eau est le bulbe d'une vanne thermostatique et que la vanne commandée est ladite vanne thermostatique. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de régulation réglant le renvoi vers le ballon de stockage (A2) de l'eau chauffée par la pompe à chaleur (P2) comportent une vanne thermo- tatique trois voies (14) disposée à la sortie d'un échangeur (lia) associé au condenseur (llb) de la pompe à chaleur (P2), ladite vanne (14) permettant un recyclage total ou partiel du débit traversant l'Fchangeur, la cir- culation dans l'échangeur (lla) étant assurée gracie à un circulateur (12). 6. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait que le circulateur est une motopompe (2, 12). 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il comporte un thermostat (3, 13) qui est monté sur le circuit chauffé par la pompe à chaleur et est destiné à mettre hors circuit la pompe à chaleur (P1, P2) ainsi que le circulateur (2, 12) lorsque la température au niveau dudit thermostat atteint la température de consigne choisie. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 X ?, caractérisé par le fait qu'il comporte un dispositif de sFcuritF (G1, G2) du type à détendeur soupape de sécurité et clapet anti-retour, monte sur l'alimentation en eau froide du ballon de stockage.