Brevet FR2519415A1 — publié le 19830708

L'invention a trait à un dispositif de-commande d'un chauffe-eau à accumulation équipé d'une pompe à chaleur comme source principale de chauffage et d'une résistance électrique comme source auxiliaire, destiné à minimiser les dépenses de fonctionnement du chauffe-eau et comprenant un relais dit d'heures creuses autorisant le fonctionnement des sources uniquement pendant la période d'heures creuses nocturnes. L'utilisation du condenseur d'une pompe à chaleur comme élément chauffant d'un chauffe-eau à accumulation est attrayante du fait que la pompe à chaleur, constituée comme un groupe frigorifique dont le condenseur sert d'élément chauffant et l'évaporateur d'absorbeur d'énergie thermique ambiante, fonctionne comme une machine thermique inversée, recevant de l'énergie mécanique (ordonnée) pour délivrer de l'énergie thermique (désordonnée), avec un rendement de Carnot nettement supérieur à l'unité, et, malgré des pertes, un rendement global encore supérieur a l'unité. L'énergie thermique est fournie par la pompe à chaleur à un prix de consommation qui est celui de l'énergie électrique d'entrai- nement de la pompe à chaleur divisé par le rendement global de la pompe. Cependant, à étudier la question de plus près, le prix de revient de l'énergie thermique fournie par la pompe à chaleur se trouve majoré par l'amortissement de l'investissement de la pompe à chaleur. I1 est clair qu'un chauffeeau de quelques dizaines de litres de capacité ne peut justifier l'équipement avec une pompe à chaleur. Par ailleurs, la pompe à chaleur sera choisie d'une puissance telle que sa durée de fonctionnement occupe au mieux les périodes d'heures creuses (pratiquement les périodes nocturnes entre 22 H et'6 H) où l'énergie électrique est facturée à des prix réduits ; autrement dit la pompe à chaleur doit outre aussi peu puissante que possible, dans le domaine où le facteur dedimension joue peu sur le prix de l'unité de puis- sance installée. Dans une première approximation, on pourrait admettre que la puissance thermique de la pompe à chaleur se détermi ne comme la puissance d1un chauffe-eau à accumulation, pour obtenir une charge complète du chauffe-eau en sept heures, c'est-à-dire la durée d'une période d'heures creuses nocturnes, diminuée d'une heure pour conserver une marge de sécurité. Pour préciser, on rappellera que, Si la différence de température entre l'eau d'alimentation et celle contenue dans le chauffe-eau à son état de charge maximal est de 720C environ, la puissance est de 12 watts par litre de contenance du chauffe-eau. On précisera qu'on entend par charge complète du chauffe-eau le passage de l'eau contenue de la température d'alimentation à la température d'état de charge maximal, et par état de charge le rapport entre l'énergie thermique accumulée dans le chauffe-eau à un moment donné, et l'énergie thermique accumulée à l'état de charge maximal. On rappelle que ce rapport est sensiblement égal au rapport des différences de températures, avec la température d'alimentation, que prendrait le contenu du chauffe-eau s'il était homogène, à état de charge donné et maximal. La première approximation évoquée ci-dessus ne correspond pas à une véritable minimisation du prix de fonctionne- ment, étant donné que l'état de charge résiduel du chauffeeau au début de la période d'heures creuses est exceptionnellement nul et rarement très faible, car la capacité du chauffe-eau est déterminée pour assurer en dépit des variations de consommation, une disponibilité en eau chaude convenable. Mais on peut définir une puissance thermique optimale de la pompe à chaleur, en tenant compte du prix de consommation d'énergie thermique de la pompe à chaleur, de lamor- tissement de la pompe et du prix de l'énergie électrique consommée par la résistance auxiliaire. Un calcul simplifié indique que, en supposant que le prix de la pompe à chaleur soit proportionnel à sa puissance, la puissance optimale est celle où la charge d'amortissement est égale à la demi différence entre le prix de consommation d'énergie de la pompe à chaleur et le prix de l'énergie électrique. On comprendra que, de toute façon, une pompe à chaleur de puissance excessive entraîne des frais d'amortissement plus élevés, tandis qu'une pompe de puissance insuffisante entraîne une consommation d'énergie plus chère par la résistance auxiliaire.Bien entendu cette notion de puissance optimale correspond à une zone où le prix de fonctionnement varie peu. Par ailleurs il va de soi, s'agissant de matériels appelés à une diffusion importante, il ne saurait être question d'adapter chaque installation à une situation particulière, et notamment aux besoins en eau chaude de chaque utilisateur. Aussi les déterminations des puissances respectives de la pompe à chaleur et de la résistance d'appoints auront-elles à tenir compte d'autres facteurs que ceux qui sont évoqués ci-dessus. Mais le fonctionnement économique implique de plus que la résistance auxiliaire ne soit mise en service que pour délivrer ce que la pompe à chaleur serait incapable de fournir. L'invention a donc pour objectif principal un dispositif de commande de chauffe-eau qui n'enclenche la résistance auxiliaire que dans la mesure où la pompe à chaleur ne peut assurer l'état de charge maximal avant la fin de la période d'heures creuses. A cet effet l'invention propose un dispositif de commande d'un chauffe-eau à accumulation équipe d'une pompe à chaleur comme source principale de -chauffage et d'une résistance électrique comme source auxiliaire, destiné à minimiser les dépenses de fonctionnement du chauffe-eau, et comprenant un relais dit d'heures creuses autorisant le fonctionnement des sources uniquement pendant la période d'heures creuses nocturnes, caractérisé en ce que, la pompe à chaleur étant commandée par une canne thermostatique classique, la résistance auxiliaire est mise sous tension à travers un appareil connu pour enclencher un accumulateur thermique avec un retard sur le début de la période d'heures creuses tel que l'état de charge de cet accumulateur ait été complété juste avant la fin de période. La commande de la pompe à chaleur par la canne thermostatique assure le démarrage de la pompe à chaleur en début de période d'heures creuses, lorsque le relais heures creuses se ferme, afin de remonter l'état de charge du chauffe-eau, et assure l'arrêt de cette pompe à chaleur lorsque l'état de charge maximal est atteint, soit sous l'effet de la pompe seule, soit sous l'effet conjugué de la pompe à chaleur et de la résistance auxiliaire. Par ailleurs, il est clair que le processus simple de mise en service de la résistance auxiliaire pendant le minimum nécessaire de temps consiste à enclencher cette résistance le plus tard possible pendant la période d'heures creuses. Encore fautil déterminer si l'appareil connu est susceptible d'enclencher la résistance auxiliaire au moment convenable. Or on rappelle que ces appareils sont prévus pour éviter que tous les chauffe-eau desservis par un même secteur de distribution ne s'enclenchent simultanément à la réception du signal définissant le début de période d'heures creuses. En conséquence, on a choisi que l'enclenchement de chaque chauffe-eau soit déterminé par l'état de charge résiduel de ce chauffe-eau, en sorte que l'état de charge soit maximal vers la fin de période d'heures creuses, la répartition aléatoire des états de charge résiduels assurant de ce fait la répartition aléatoire des instants d'enclenchement.Dans ce but, on simule la variation d'état de charge du chauffe-eau au cours d'un cycle de charge complète, en partant d'un état nul à l'origine de la période d'heurtes creuses, pour aboutir à un état de charge maximal vers la fin de cette période ; simultanément on mesure l'état de charge réel du chauffe-eau, et on enclenche le chauffage lorsque l'état de charge simulé atteint l'état de charge réel ; après l'enclenchement états de charge réels et simulés évoluent parallèlement vers l'état de charge maximal, puisque la simulation reproduit l'évolution de l'état de charge lorsque le chauffage est appliqué. On trouvera dans la demande de brevet français N" 78 36022 une description d'un appareil de ce genre. On conçoit dès lors que le retard à l'enclenchement, visé dans l'application connue pour répartir les instants d'enclenchement, correspond à l'utilisation économique de la résistance auxiliaire, parce que la simulation correspond à la puissance appliquée conjointement par la pompe à chaleur et la résistance auxiliaire. On préférera donc que les puissances thermiques des sources principale et auxiliaire soient prévues pour assurer conjointement, en une période d'heures creuses, la charge thermique complète du chauffe-eau. Dans une disposition préférée, la résistance auxiliaire est placée dans le chauffe-eau à un niveau tel que le rapport des volumes d'eau situés au-dessus et en dessous de ce niveau soit sensiblement égal au rapport des puissances thermiques des sources respectivement auxiliaire et principale. Dans cette disposition, si la pompe à chaleur est en panne, la résistance auxiliaire et le volume d'eau situé audessus de cette résistance forment ensemble un chauffe-eau à accumulation, de capacité réduite certes, mais fonctionnant pratiquement normalement, la stratification des cou ches d'eau à températures différentes assurant la sépara- tion des volumes situés au-dessus et en dessous du niveau de résistance, de sorte que la source auxiliaire n'a d'effet que sur le volume d'eau qui la surmonte. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est un schéma d'un dispositif selon l'in invention la figure 2 est un diagramme de fonctionnement d'un dispositif selon l'invention. Selon la forme de réalisation choisie et représentée figure 1, un chauffe-eau à accumulation i dans son ensemble, de type vertical comporte un réservoir cylindrique terminé par des fonds en calotte sphérique, définissant un volume intérieur 10 rempli d'eau, avec une entrée d'alimentation 11 dans le fond inférieur, et une sortie de puisage 12 au sommet du fond supérieur. Un calorifugeage 13 est disposé autour du réservoir. Le chauffe-eau 1 est équipé, comme source de chauffage principal, d'une pompe à chaleur 2 dans son ensemble, et comprenant un compresseur 20 refoulant un fluide vaporisé dans un condenseur 21 immergé dans le volume intérieur 10 vers le fond inférieur du chauffe-eau 1. Le fluide se condense dans ce condenseur 21, en cédant sa chaleur de vaporisation au contenu du volume intérieur 10 ; de la le fluide condensé s'écoule vers un évaporateur 22, à travers une vanne d'étranglement 23. Le compresseur 20 aspire le fluide qui se vaporise dans l'évaporateur 22 en empruntant la chaleur de vaporisation à l'air ambiant, pour fermer le cycle. Une canne thermostatique 24 classique de chauffe-eau met en route et arrête le compresseur 20, selon que la température à la base du volume intérieur 10 est inférieure ou supérieure à une température de consigne, correspondant à l'état de charge maximal du chauffe-eau 1. Bien entendu la description de la pompe à chaleur 2 est très schématique et sommaire, étant donné que la pompe à chialeur en soi n'entre pas dans le cadre de la présente invention, et que le spécialiste dans cette technique saura concevoir les dispositions convenables, à partir d'informations relatives à la puissance thermique désirée au condenseur 21, à la température à laquelle le condenseur doit fonctionner, qui est la température de l'eau dans le volume intérieur 10, variant de la température de l'eau d'alimentation à la température de consigne, et la température de l'ambiance au voisinage de l'évaporateur 22.Notamment le spécialiste saura choisir le fluide vaporisable, calculer les pressions qui doivent régner au condenseur 21 et à 1'évaporateur 22 et le taux de compression du compresseur, ainsi que les débits de fluide vaporisable correspondant à la puissance thermique choisie. Par ailleurs le chauffe-eau 1 est équipé d'une source auxiliaire constituée par une résistance chauffante 30, à l'intérieur d'une gaine en doigt de gant. Cette résistance chauffante est disposée à un niveau du volume intérieur 10 tel que celui-ci soit divisé en volume supérieur 10a et volume inférieur lOb, situés naturellement au-dessus et audessous du niveau de la résistance 30. La résistance 30 est commandée par un appareil 3 dans son ensemble, dit parfois décaleur d'enclenchement d'accumulateur thermique. On trouvera une description détaillée d'un tel décaleur dans la demande de brevet français NO 78 36022, déposée le 21 Décembre 1978 par la Demanderesse.En bref cet appareil décaleur 3 comprend un détecteur d'état de charge 32 constitué par une canne thermométrique disposée à un niveau du chauffe-eau (deux cinquièmes de la hauteur environ) dont, expérimentalement, la température est bien représentative de la température que prendrait l'eau de l'ensemble 'du volume intérieur 10 si la température était homogénéisée. La canne thermométrique 32 est munie d'un circuit 32a qui élabore un signal représentatif de l'état de charge du chauffeeau 1.L'appareil 3 comprend également un générateur de signal de rampe 33, réglé pour délivrer un signal croissant à partir d'un niveau nul pour arriver, au bout d'une période égale a la période d'heures creuses nocturnes, à une amplitude correspondant sensiblement à I'amplitudé du signal issu du circuit 32a pour 1Sétat de charge maximal du chauffeeau. Le signal de rampe issu du générateur 33 et le signal représentatif d'état de charge issu du circuit 32a sontap- pliqués aux deux entrées d'un comparateur 34, dont lé basculement enclenche un relais 31 pour mettre sous tension la résistance auxiliaire 30. La pompe à chaleur 2 y compris la canne thermostatique 24, et l'appareil décaleur 3, y compris le relais 31 de résistance auxiliaire 30, sont reliés-au secteur 40 par un relais 4, dit relais d'heures creuses, qui est enclenché et déclenché, soit par une horloge interne, soit par des relais sensibles à des signaux émis sur le réseau de distribution, respectivement au début et à la fin de la période d'heures creuses (soit généralement 22 H et 6 H). Pour expliciter le fonctionnement du dispositif, on se référera à la figure 2. La ligne 104 du diagramme représente le fonctionnement du relais d'heures creuses 4, qui s'enclenche en 104a en début de période d'heures creuses, et se déclenche en 104b à la fin de cette même période. La ligne 133 représente le signal de rampe, qui part d'une amplitude nulle en 133a, simultanément au point 104a pour aboutir, à l'instant du point 104b à un point 133b dont l'amplitude est un peu supérieure à l'amplitude de la ligne interrompue 110, représentant l'état de charge maximal. Les lignes 132 et 132' représentent, pour deux cas possibles, le signal d'état de charge détecté par la canne thermométrique 32. La ligne 132 correspond à un état de charge relativement élevé à l'origine. A l'enclenchement 104a du relais d'heures creuses 4' la pompe à chaleur 2, sous le contrôle de la canne 24, se met en route au point 120a de la ligne 120 (qui correspond au fonctionnement de cette pompe à chaleur). L'état de charge (ligne 132) sensiblement stationnaire avant le point 132a, croit progressivement, mais moins vite que le signai de rampe 133, qui simule la variation d'état de charge, en partant d'un état nul, mais sous lteffet conjoint de la pompe à chaleur 2 et de la résistance auxiliaire 3.Etant donné le niveau relativ,ement élevé du point 132a, la ligne 132 vient couper la ligne d'état de charge maximal 110 au point 132b, au-dessus de la ligne 133. La canne thermostatique 24 coupe à ce moment, au point 120b, la pompe à chaleur. Les lignes 130 et 130' représentent la mise en service de la résistance auxiliaire, dans les cas des états de charge respectivement 132 et 132'. Bien entendu la ligne 130 ne présente aucun point particulier, la résistance 30 n'ayant pas été mise en service. Lorsque l'état de charge au depart est plus faible, comme le représente la ligne 132', il commence à croître à partir du point 132'a correspondant à l'enclenchement 104a du relais 4, et à la mise en route 1201a de la pompe à chaleur 2, avec la même pente que la ligne 132. Lorsque la ligne 132' vient couper la ligne 133 au point 132lob, le comparateur 34 enclenche le relais 31 de résistance auxiliaire 30 (au point 130'b) de la ligne 130'. La ligne 132' représentant l'état de charge se relève au-delà du point 132tub pour suivre la rampe 133 jusqu'à 1 t intersection 132 'c avec la ligne 110 d'état de charge maximal. A ce moment, la pompe à chaleur est coupée (point 120'c).Comme le point 1321c précède dans le temps le point 133b, car, pour conserver une marge de sécurité, la charge complète du chauffe eau est obtenue en un temps plus court que la période d'heures creuses, on prévoit que la canne thermostatique 24 coupe également le relais 31 (liaison en traits interrompus figure 1), au point 130'c de la ligne 130'. Le tracé de la ligne 132' montre clairement que l'appareil décaleur 3 minimise le chauffage par la résistance auxiliaire 30, qui n'est mise en service que si la pompe à chaleur est insuffisante pour compléter l'état, de charge maximal, et en ce cas seulement dans la mesure nécessaire pour compléter cet état de charge. En revenant à la figure 1, on remarquera que la résistance 30 ne chauffe l'eau efficacement que dans le volume supérieur loua, situé au-dessus du niveau de cette résistance. Si la puissance de la résistance, divisée par le volume 10a est sensiblement égale à la somme des puissances thermiques de la pompe à chaleur et de la résistance divisée par le volume total 10, ou, ce gui revient au même, à la puissance thermique de la pompe à chaleur divisee par le volume inférieur lOb, la simulation de la variation de l'état de charge du volume total 10 du chauffe-eau sous les effets conjuguées de la pompe à chaleur 2 et de la résistance auxiliaire 30 est également la simulawtion de l'état decharge du volume supérieur 10a sous l'effet, de la résistance 30 seule. L'appareil décaleur 3 peut donc assurer le complément d'état de charge du volume supérieur 10a lorsque la pompe à chaleur 2 ne fonctionne pas. Toutefois dans ce cas il est préférable qu'un détecteur d'état de charge soit disposé dans le volume 10a, ce détecteur pouvant faire partie du détecteur général 32, et étant isolable en cas de panne de la pompe à chaleur. Par ailleurs, on peut placer la résistance 30 à un niveau inférieur a celui du détecteur 32. Ce dernier commandera alors, en cas de panne de la pompe à chaleur, la mise en service de la résistance 30 comme dans le cas d'un chauffe-eau à accumulation classique. Toutefois il sera alors exceptionnel que le complément d'état de charge intéresse tout le volume situé au-dessus de la résistance 30, étant donné que la puissance de cette résistance est inférieure à celle que peut fournir la pompe à chaleur, en raison de sa fonction d1 appoint. Mais, comme les températures de l'eau dans le chauffe-eau sont stratifiées, le volume d'eau chaude disponible dans le chauffe-eau dépend plus de la puissance de la résistance 30 que de sa position. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit, mais en embrasse toutes les variantes-d'exécu- tion. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande d'un chauffe-eau (1) à accumulation équipé d'une pompe à chaleur (2) comme source principale de chauffage et d'une résistance électrique (30) comme source auxiliaire, destiné à minimiser les dépenses de fonctionnement du chauffe-eau, et comprenant un relais (4) dit d'heures creuses autorisant le fonctionnement de sources (2,3) uniquement pendant la période d'heures creuses nocturnes, dispositif caractérisé en ce que, la pompe à chaleur (2) étant commandée par une canne thermostatique (24) classique, la résistance auxiliaire (30) est mise sous tension à travers un appareil (3) connu pour enclencher un accumulateur thermique avec un retard sur le début de la période d'heures creuses tel que l'état de charge de cet accumulateur ait été complété juste avant la fin de période. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les puissances thermiques des sources principale(2) et auxiliaire (30) sont prévues pour assurer conjointement la charge thermique complète du chauffe-eau en une période d'heures creuses. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu la résistance auxiliaire (30) est placée dans le chauffe-eau (1) à un niveau tel que le rapport des volumes d'eau situés en dessus (10a) et en dessous (lob) de ce -ni- veau est sensiblement égal au rapport des puissances thermiques des sources respectivement auxiliaire (30) et principale (2). 4. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit appareil (3) comporte un détecteur thermométrique (32) de l'état de charge du chauffeeau, un générateur de signal en rampe (33) simulant une charge complète du chauffe-eau en une période d'heures creuses, et un comparateur (34) recevant un signal issu du détecteur (32) et le signal en rampe et enclenchant la source auxiliaire (30) en réponse à l'arrivée du signal en rampe à l'amplitude du signal issu du détecteur (32).