Brevet FR2531189A1 — publié le 19840203

Installation de préparation d'eau chaude sanitaire. Pour la préparation de l'eau chaude sanitaire, il existe plusieurs systèmes, notamment la préparation instantanée avec échangeur à plaques ou multitubulaires, le réchauffage de ballons d'accumulation avec serpentins à l'intrieur du stockage, et le systeme semi-instantané associant les deux notions précédentes. Les besoins de réchauffage se situent à deux niveaux, d'une part pour celui de l'eau froide, et dlautre part pour celui des pertes de bouclage de la distribution collective. Les besoins de réchauffage eau froide, de 10/150C à 50/60 C sont variables puisqu'ils découlent de soutirages aléatoires, ce qui conduit à un débit dUeau chaude et à une puissance instantanée élevés pour faire face aux pointes de consommations Les besoins de réchauffage du bouclage correspondent aux pertes du réseau de distribution d'eau chaude sanitaire dont le débit est souvent calculé pour limiter la chute de la température à 5 ou OOC, ce qui se traduit par le réchauffage d'un débit constant de 40/50 C à 55/600C, pour une puissance pratiquement constante En conséquence, dans le cas d'une consommation moyenne d'un logement correspondant à un réchauffage de 120 litres/jour d'eau de 15à 550C avec des pertes de bouclage correspondant à un débit de 25 à 40 litres/heure de 50 à 550C, et dans le cas d'une surface d'échange identique avec une température d'alimentation primaire de 600 C, la température de retour du fluide primaire est voisine, dans chacun des casa des valeurs suivantes Preparation instantanée o température de retour variable de 40 à 500C, voire supérieure compte tenu du risque de pompage de la vanne de régulation dimensionnée pour des débits instantanés élevés alors que la consommation moyenne est faible ; le debit primaire devant être treks élevé pour faire face aux pointes de soutirage, d'en- viron 150 litres/heure logement; soit plus de 20 fois supérieur au besoin moyen - ballon à accumulation ç température de retour généralement supérieure à la température d'utilisation d'eau chaude sanitaire, soit 55 à 600C ; le débit primaire est souvent important, la puissance permettant un réchauffage compris entre 2 et 8 heures ; - système semi-instantané : la température de retour peut être comprise entre 35 et 450C à condition de mettre en place des ballons de stockage largement dimensionnés et une régulation adaptée. Le but de l'invention est de réaliser un système de préparation d'eau chaude sanitaire à basse température", c'est-à-dire dans lequel la température de retour du fluide primaire soit abaissée en-dessous de 200C pour le réchauffage de l'eau sanitaire consommée, autrement dit à une valeur supérieure à la température de l'eau froide de seule envlron ment C à SOC, pour des raisons à la fois d'ordre énergéti- que et d'ordre financier. L'invention concerne une installation de preparation d'eau chaude sanitaire à partir d'une source d'eau froide au moyen d'une source de chaleur constituée par un fluide à faible potentiel de température, c'est- -dire qu'on utilise, par exemple, une source géothermale, l'énergie solaire, de la chaleur de récupération, le fluide de condenseur de pompe à chaleur, ou encore la chaleur en provenance de toute énergie classique produite en chaufferie localisée ou en chaufferie centrale, voire les fluides caloporteurs réchauffés par l'électricité. D'une manière plus précise, l'invention concerne une telle installation comportant déjà : un échangeur de chaleur principal dont le circuit primaire est relié à la source de chaleur ; un ballon d'accwaulation d'eau chaude sanitaire dont l'entrée est reliée directement à la source d'eau froide à réchauffer, et, par l'intermédiaire d'une pompe à débit constant, à l'entrée du circuit secondaire dudit échangeur de chaleur principal, la sortie du ballon étant reliée, à la fois, à la sortie du circuit secondaire de l'échangeur de chaleur et aux conduites d'utilisation de l'eau chaude sanitaire ; et une conduite de retour du bouclage d'eau chaude sanitaire non consommée. L'installation suivant l'invention e,st caractrisée par le fait qu'elle comporte, en outre, un échangeur de chaleur supplémentaire dont le circuit secondaire a son entrée reliée à la conduite de retour de bouclage d'eau sanitaire non consommée par l'intermediaire d'une pompe supplémentaire à débit constant et sa sortie reliée à la sortie du ballon d'accumulation d'eau chaude sanitaire, le circuit rimaire de cet échangeur de chaleur supplémentaire étant relié aussi à la source de chaleur. Grâce à cette structure particulière, on peut réduire le débit de fluide primaire de chauffage et abaisser la température de retour de ce fluide qui sort des échangeurs de chaleur. A titre d'exemple, dans le cas d'une production de chaleur par la géothermie ou la récupération de chaleur dont les ressources correspondent à un débit fixé et à une température souvent modérée, ce système contribue à abaisser la température de réinjection ou de rejet, à accroître la quantité de chaleur récupérée, et à diminuer les consommations électriques des pompes tant pour l'extraction d'eau géothermale que pour le réseau de distribution du fluide primaire. D'autre part, dans le cas de production de chaleur par l'énergie solaire ou par des pompes à chaleur, ce système permet d'améliorer le rendement des capteurs ou le coefficient de performance des pompes à chaleur, d'autant que le débit du fluide primaire est stabilisé et la température de retour abaissée. Par ailleurs, dans le cas de production de chaleur par les combustibles traditionnels, ce système améliore les conditions de distribution de fluide primaire, diminue les consommations électriques des pompes ainsi que les pertes de chaleur du réseau, et améliore les conditions de récupération de chaleur en chaufferie, par exemple, pour la mise en place de chaudières à condensation dans le cas du gaz. Suivant une forme avantageuse de- réalisation, 1 'ins- tallation de préparation d'eau chaude sanitaire est combinée avec une installation de chauffage des locaux, une liaison sélective étant prévue entre le retour du fluide primaire pris à la sortie de l'échangeur supplémentaire et l'installation de chauffage. L'invention s'applique à toutes les installations où l'intérêt réside dans l'épuisement d'une source de chaleur ou lorsqu'on veut minimiser les consommations d'un réseau de distribution de chaleur. Le but principal de l'invention est de réduire le débit et la température de retour du fluide primaire de production alimentant les sous-stations de chauffage et de préparation d'eau chaude sanitaire. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen des dessins qui montrent, à titre d'exemple, un mode de réalisation de l'invent ion. Sur ces dessins la figure 1 illustre schématiquement une installation suivant l'invention pour lapréparation d'eau chaude sanitaire ; et la figure 2 est un schéma simplifié de la même installation faisant ressortir les températures des fluides en différents points de l'installation et montrant la combinaison d'une installation de chauffage d'eau sanitaire avec un système de chauffage des locaux. L'installation de préparation d'eau chaude sanitaire illustrée sur la figure l est alimentée en eau froide à partir d'une conduite l et en eau de chauffage (lusse primaire) à partir d'une conduite 2 reiXee,par exemple Vne source3géo- tnermique,la conduite de retour de ce fluide primaire étant/ Le raccordement du système de préparation d'eau chaude sanitaire aux conduites d'aller 2 et de retour 3 du fluide primaire, voire aux modules de comptage, de contrôle et de sécurité liés aux modes de distribution des fluides primaires, est concrétisé par deux vannes d'isolement (I 1 et (I 2), respectivement placées sur la conduite d'aller et sur la conduite de retour. L'ensemble des circuits d'utilisation d'eau chaude sanitaire est schématisé sur la figure l sous la forme d'une simple conduite (6) munie d'un robinet de puisage (10). Le retour de bouclage d'eau sanitaire non consommée est fait par la conduite 7. Pour assurer le réchauffage de l'eau froide, il est prévu - un échangeur à plaques ou multitubulaires (Hl) à grande efficacité, ou échangeur principal permettant un pincement de 2 à 50C entre le primaire et le secondaire, de façon à abaisser le retour du fluide primaire au voisinage de la température de l'eau froide ; la puissance de l'échangeur étant calculée pour un débit d'eau froide de l'ordre de 5 % de la consommation moyenne journalière - sur le primaire o une vanne de régulation (V2) de type thermostatique modulant le débit du fluide primaire sous l'action d'un thermostat ($3) placé sur la conduite de fluide secondaire 8 en sortie de l'échangeur pour une production à température constante, un thermomètre (T5) situé sur la conduite de retour du fluide primaire, en sortie de l'échangeur, et une vanne de vidange en point bas du réseau primaire (Gi) - sur le secondaire Q une vanne d'isolement (I8) sur l'arrivée d'eau froide, une pompes par exemple à double corps du type jumelée, pour le secours (PI) d'un débit correspondant à une consommation d'eau chaude journalière répartie sur une durée de 16 ou 20 heures, un clapet antiretour (Cl), un manomètre (M2) avec ses vannes d'isolement pour le contrôle de pression de la pompe et de l'encrassement des échangeurs, un régulateur de débit (R1) stabilisant le débit du fluide secondaire quelle que soit la pression d'eau de ville variable selon les aléas des soutirages, le thermostat (S3) pour la commande de la vanne de régulation (V2), un thermomètre (T6), une vanne d'isolement (I9) l'arrêt de la pompe (P1) est commandé par une sonde de température (S4) située à l'entrée d'eau froide d'un ballon calo rifuqé (4) de stockage d'eau chaude sanitaire en cas dsséleva- tion de la température à la valeur nominale , la pompe (Pl) est en fonctionnement en régime normal. Comme indiqué précédemment, l'ensemble des circuits d'utilisation d'eau chaude sanitaire est schématisé sous la forme d'une simple conduite 6 munie d'un robinet de puisage 10. La partie inférieure du ballon calorifugé 4 est reliée à la conduite 1 d'arrivée d'eau froide par l'intermE- diaire de vannes I14 et Q1, tandis que sa partie supérieure est reliée à la conduite 6 de distribution d'eau chaude sanitaire par l'intermédiaire d'une vanne d'isolement I15. La conduite de retour d'eau chaude sanitaire non consommée est désignée par 7. La capacité de stockage du ballon est de l'ordre de 70 à 100 % de la consommation moyenne journalière. Pour assurer le réchauffage du retour 7 de la boucle d'eau chaude sanitaire non consommée il est prévu - un échangeur à plaques ou multitubulaires (H2), à très grande efficacité, ou échangeur supplémentaire permettant un pincement de 2 à 50C entre le primaire et le secondaire, de façon à abaisser la température de retour de fluide primaire au voisinage de la température de retour 7 du bouclage ; la puissance de l'échangeur étant calculée pour le réchauffage du débit de bouclage et d'un débit horaire d'eau froide égal à 5 à 20 % de la consommation journalière, en cas de secours - sur le primaire : une vanne de régulation (V3) de type thermostatique modulant le débit de fluide primaire sous l'action d'une sonde de température (S5) placée sur la conduite de fluide secondaire en sortie de 1Jéchangeur (H2) pour une production à température constante, un thermomètre (T7) situé sur la conduite de retour du fluide primaire en sortie de l'échangeur - sur le secondaire du bouclage : une vanne d'isolement (Il3), un thermomètre (T8), un filtre (F2), un robinet à soupape (E3) pour l'équilibrage et la réduction du débit et de la température de retour du bouclage, une pompe, par exemple à double corps du type jumelée pour le secours, (P2), d'un débit calculé pour assurer une température minimale d'eau chaude sanitaire en tout point de puisage compte tenu des pertes de réseau, un clapet de retenue (C2), un manomètre (M3) et ses vannes d'isolement montées entre l'amont de la pompe et l'aval de l'échangeur (H2) pour la mesure des pressions de circuit, et de l'encrassement de l'échangeur, la sonde de température (S5), et un thermomètre (T9). Par tailleurs, pour le réchauffaqe de l'eau froide, notamment pendant les Périodes de pointe de soutiraqe, lorsque les ballons de stockaqe sont épuisés, il est prévu un circuit de secours il destiné à diriqer éventuellement et temporairement de l'eau froide directement à l'entrée du secondaire de l'échangeur H2 de réchauffage du bouclage d'eau chaude sanitaire, en complément de l'échangeur principal Hi, ce circuit de secours comporte : une pompe simple corps (P3) d'un débit correspondant à 20 ou 30 % de la consommation journalière en eau chaude sanitaire, et un clapet de retenue (C3) ; la mise en route de la pompe est enclenchée par une sonde de température (S7) placée sur le ballon (4), en cas d'abaissement de la température d'eau chaude stockée à une valeur -inférieure à la valeur nominale ; la pompe P3 est à l'arrêt en régime normal. En fonctionnement, le fluide primaire circule avec un débit minimum dans l'échangeur Hl de réchauffage d'eau froide à une valeur réglée par la vanne de régulation V2 sous le contrôle de la sonde thermostatique S3 en sortie du secondaire, ainsi que dans lléchangeur H2 de réchauffage de la boucle d'eau chaude à une valeur réglée par la vanne de régulation V3 sous le contrôle de la sonde thermostatique S5 en sortie du secondaire.La pompe Pi d'amenée d'eau froide au secondaire de l'échangeur Hl fonctionne à débit minimum constant et cela pratiquement en permanence sauf dans les rares périodes où la totalité de l'eau stockée dans le ballon aurait atteint la température nominale, auquel cas la sonde thermostatique S4 couperait l'alimentation du moteur d'entraînement de la pompe Pi De même, la pompe P2 d'amenée de l'eau de la boucle d'eau chaude au secondaire de l'échan- geur supplémentaire H2 fonctionne à débit minimum constant en permanence. Enfin, la pompe P3 du circuit de secours il ne fonctionne que rarement , elle sert à amener de l'eau froide au secondaire de l'échangeur de réchauffage de la boucle d'eau chaude r seulement lorsqu'une trop grande proportion de l'eau chaude stockée dans le ballon a été prélevée, auquel cas la sonde thermostatique S7 placée à une petite distance du sommet du ballon 4 déclenche la mise en marche de la pompe P3. A titre d'exemple, on va donner ci-dessous les différentes valeurs des caractéristiques d'une telle installation pour une unité de logements. Pour illustrer cet exemple, on a représenté sur la figure 2 seulement les éléments essentiels d'une installation suivant l'invention, pour mieux faire ressortir les avantages procurés par la différenciation des échangeurs Hl et H2, spécialisés, le premier pour le réchauffage de l'eau froide et, le second, pour le réchauffage de l'eau de retour de bouclage. - Caractéristiques générales température départ ballon de stockage : 550C . température d'amenée d'eau froide : 150C . température d'entrée fluide primaire : 600C consommation moyenne journalière ECS : 120 1/jouir capacité de stockage : 80 à 120 litres - Echangeur principal de chauffage de l'eau froide (Hl) puissance moyenne : 200 kcal/h . débit de charge (P l) : 6 l/h . débit de secours (P 3): 5 l/h . température de retour-fluide primaire : 200C . débit primaire : 5 l/h - Echangeur supplémentaire de bouclage (H2) puissance moyenne : 180 kcal/h . température de retour bouclage : 400C . débit de bouclage (P 2) : 9 l/h . température de retour fluide primaire : 420C . débit primaire : lO l/h. donc On voit/qu'avec une telle installation, suivant les différentes configurations de fonctionnement, le débit primaire général est compris entre 5 et 15 l/h/logement, la température de retour du fluide primaire étant comprise entre 200C et environ 350C. A titre indicatif, une installation classique avec échangeur non différencié ayant la même surface d'échange, effectuant à la fois le réchauffage de l'eau froide et de l'eau de bouclage, nécessiterait une température d'alimentation du fluide primaire à 800C (au lieu de 600C), un débit primaire de 135 l/h (au lieu de 15 l/h) et une température de retour du fluide primaire de 61 C (au lieu de 350C). Il en résulte évidemment une économie d'énergie importante du fluide primaire, dont la chaleur potentielle est beaucoup mieux utilisée, et une économie d'énergie électrique pour l'entraînement des pompes à faible régime ainsi qu'une réduction de l'usure du matériel. Une installation de chauffage d'eau sanitaire suivant l'invention peut avantageusement être combinée avec le système de chauffage des locaux correspondants. Une telle combinaison est illustrée sur la figure 2 où on a schémati- quement représenté un système de chauffage 12, dont le circuit comporte essentiellement une pompe de circulation 14 et des appareils de chauffage 16, ce circuit étant normalement raccordé (avec interposition de vannes d'isolement I3 et I5 et d'organes de contrôle classiques non représentés) à l'arrivée de fluide'primaire 2 et au retour de fluide primaire 3. Suivant l'invention, on prévoit le recyclage du fluide primaire refroidi par l'échangeur de chaleur supplEmen- taire du réseau de bouclage (H2) pour assurer partiellement les besoins de chauffage et obtenir ainsi une température de retour plus basse du fluide primaire ; cette fonction étant obtenue par une vanne V4 de sélection optimale de la sortie du primaire de l'échangeur H2, soit vers le circuit de chauffage 12, soit vers le retour primaire général 3 en fonction de la valeur de la température de retour du circuit de chauffage ; ce système comporte en aval de l'échangeur une vanne de régulation (V4) du type "tout ou rien" dirigeant le fluide primaire vers le by-pass 18 du circuit secondaire de chauffage ou vers le retour général primaire 3, sous l'action de sondes de température (S8) et (S6) situées respectivement en sortie de l'échangeur et sur le retour du circuit chauffage de façon à obtenir, en fonction de ces températures mesurées, la température de retour la plus basse possible pour le fluide primaire et à assurer une partie des besoins du système de chauffage. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation de l'exemple décrit et représenté, elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans s'écarter pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS l. Installation de préparation d'eau chaude sanitaire à partir d'une source d'eau froide au moyen d'une source de chaleur constituée par un fluide à faible potentiel de température, comportant : un échangeur de chaleur principal dont le circuit primaire est relié à ladite source de chaleur ; un ballon d'accumulation d'eau chaude sanitaire dont l'entrée est reliée directement à la source d'eau froide a réchauffer et, par l'intermédiaire d'une pompe à débit constant, à l'entrée du circuit secondaire dudit échangeur de chaleur principal, la sortie du ballon étant reliée, à la fois, à la sortie du circuit secondaire de l'échangeur de chaleur et aux conduites d'utilisation de l'eau chaude sanitaire ; et une conduite de retour d'eau chaude sanitaire non consommée, caractérisée en ce qu'elle comporte, en outre, un échangeur de chaleur supplémentaire (H2) dont le circuit secondaire a son entrée reliée à la conduite (7) de retour d'eau sanitaire non consommée par l'intermédiaire d'une pompe supplémentaire à débit constant (P2) et sa sortie reliée à la sortie du ballon d'accumulation d'eau chaude sanitaire (4), le circuit primaire de cet échangeur de chaleur supplémentaire étant relié aussi à la source de chaleur (2), grâce à quoi le fluide primaire de retour dudit échangeur supplémentaire ressort à bassè température. 2. Installation suivant la revendication l, caractérisée en ce que le moteur d'entraînement de la pompe principale (Pl) est placé sous le contrôle d'une sonde de température (S4) placée à l'entrée du ballon d'accumulation d'eau chaude sanitaire (4), de manière qu"il soit arrêté lorsque la totalité de l'eau contenue dans le ballon a atteint sa température nominale. 3. Installation suivant la revendication l, caractérisée en ce qu'une pompe de sécurité (P3), dont l'entrée est reliée à la source d'eau froide (l) et la sortie à l'entrée du circuit secondaire de l'échangeur de chaleur supplémentaire (H2), est entraînée par un moteur placé sous le contrôle d'une sonde de température (S7) située dans le ballon d'accumulation d'eau chaude sanitaire (4) à une distance prédéterminée de la sortie de ce dernier, en vue de parer à des besoins accidentellement élevés en eau chaude sanitaire. 4. Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le débit de fluide de la source de chaleur (2) dans le circuit primaire de l'un, au moins, des deux échangeurs de chaleur (Hl, H2) est-placé sous le contrôle d'une sonde de température (S3, S5) située à la sortie du circuit secondaire dudit échangeur de chaleur. 5. Installation suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le débit du fluide primaire refroidi par l'échangeur supplémentaire (H2) peut être sélectivement dirigé vers un circuit (12) de chauffage des locaux. 6 Installation suivant la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend, sur le circuit de retour du fluide primaire de l'échangeur supplémentaire (H2) une vanne de régulation (V4) dirigeant ledit fluide vers le retour général (3) du fluide primaire ou vers le circuit (16) de chauffage des locaux et en ce qu'il comprend une première sonde de température (S6) sur le retour du circuit de chauffage et une seconde sonde de température (S8) sur le retour de fluide primaire de l'échangeur supplémentaire (H2), ladite vanne (V4) étant asservie aux températures mesurées par lesdites sondes (S8, S6).