Brevet FR2532406A3 — publié le 19840302

FR 2532406 A3 19840302 FR 8313848 A 19830829 La pressente invention se rapporte à une installation -de chauffage comprenant une enceinte de stockage d'un fluide caloporteur ren- fermant au moins un organe de chauffage relié à une source d'éner- gie La plupart des installations de chauffage domestique par circulation de fluide caloporteur assurent egalement l'approvisionnement en eau chaude sanitaire Etant donné que généralement, la puissance nécessaire pour assurer un débit normal d 'eau chaude sanitai re, dont la. norme est la production de 120 litres d'eau à 400C en 10 minutes correspondant à un bain, nécessite une puissance de 25 kW, qui est une puissance de l'ordre du double de celle nécessaire au chauffage d'une habitation de taille moyenne, l'eau chaude est généralement préchauffée et accumulée dans un ballon dont la capa cité est déterminée en fonction des besoins De cette manière le chauffage de la quantité d'eau chaude sanitaire peut être réparti sur toute la journée ou pendant les heures creuses, sans qu'il soit nécessaire re que la puissance installée de la chaudière soit supérieure à la puissance utile maximum pour le chauffage domestique Toutefois, une telle installation nécessite une chaudière pour le chauffage instantané de l'eau du circuit de chauffage et de l'eau chaude sanitaire, ainsi qu'un réservoir calorifugé destiné au stockage d'eau chaude sanitaire Cette solution occupe un volume relativement grand et ne peut, pour cette raison etre installée qu'en sous-sol.L'investisse- ment représenté par une telle installation comprenant deux appareils distincts est en outre relativement élevé; Il existe déjà de petites chaudières rurales dont la puissance installée de 25 kw est capable d'assurer un débit d'eau chaude sanitaire instantané. De telles chaudieres sont cependant limitées à l'utilisation du gaz et excluent en pratique l'électricité en raison de la puissance installée élevée. La but ~e la présente invention est d'apporter une solution plus économique et également moins encacbrante, sans pour autant augmen- ter la puissance installée qui doit rester sensiblement étale à la puissance iraxiP nécessaire pour assurer le chauffage domestique. A cet effet, cette invention a pour objet une installation de chauffage comprenant une enceinte de stockage d'un fluide caloporteur renfermant au moins un organe de chauffage relié à une source d'énergie, caractérisée par le fait que cette enceinte communique sélectivement dlune part, avec un premier circuit fermé de chauffage direct dont la puissance maximum correspond à celle dudit organe de chauffage, et d'autre part, à un second circuit fermé de chauffage rapprenant un échangeur de chaleur dont la puissance mm'irtum d'échange est choisie sensiblement supérieure à celle de cet organe de chauffage, cette puissance maximum correspondant sensiblement et pendant une durée déterminée à l'addition de la puissance dudit organe de chauffage et de la puissance correspondant à une diminue tion donnée de la température de la masse du fluide caloporteur s-Loc- ké dans ladite enceinte. L'avantage de l'installation, objet de l'invention, réside dans le fait qu'elle ne comporte qu'un seul appareil pour produire l'eau de chauffage domestique et l'eau sanitaire et qu'elle permet la pro- duction instantanée de l'eau chaude sanitaire avec une puissance nettement supérieure à la puissance de 11 organe de chauffage. Cette installation offre donc tous les avantages d'une installation avec un ballon d'eau chaude sanitaire mais pour un investissement moindre. Elle offre également l'avantage d'un faible encombrement; sans pour autant augmenter la puissance installée à la puissance nécessaire à la production d'eau chaude sanitaire, comme c'est le cas des chaudires murales au gaz, ce qui lui permet d'utiliser n'importe quel type d'énergie. Elle présente de plus l'avantage de supprimer le sé- jour de l'eau chaude sanitaire et évite de ce fait les problèmes d'er- tartrage. Le dessin annexé illustre, schematiquement et à titre d'exem- ple, une forme d'exécution et une variante de l'installation de chauffage objet de l'invention. La fig. 1 est un schéma d'ensemble de cette forme d'exécution. La fig. 2 est une vue en élévation de la partie de cette forme d'exécution dans laquelle l'eau de chauffage et l'eau chaude Sa- nitaire sont produites. Les figs 3 et 4 sont deux diagrammes explicatifs. La fig. 5 est un schéma d'ensemble de cette variante. Le schéma de l'installation illustré par la fig. 1 carporte une enceinte de stockage 1 pour le liquide caloporteur du circuit de chauffage domestique, ici de l'eau. Dans cet exemple, cette enceinte de stockage 1 renferme deux organes de chauffage, une résistance électrique 2 et un serpentin tubulaire 3 (fig. 2) disposé à la sortie d'une chambre de combustion 4 alimentée par un mélange d'air et de gaz cogbustiblej par un ventilateur 5 La sortie de ce serpentin tubulaire 3 est reliée à une évacuation (non représentée). Cette enceinte de stockage 1 présente une entrée 6 et une sortie d'eau 7 reliées toutes deux au circuit de chauffage domestique 8 d'une part, et au circuit de chauffage d'eau sanitaire 9 d'autre part, ces circuits étant alimentés par un conduit commun dans lequel est disposée une vanne de commutation 10 située à lgebranchement de ces deux circuits et aboutissant à un conduit commun conduisant à l'entrée 6, le circuit de chauffage 8 capotant une vanne de mé- lange à trois voies 11, permettant d'ajusteur la température de l'eau qui y circule. Une pompe de circulation 12 située dans la partie du conduit d'alimentation allant de la sortie 7 à la vanne de commuta- tion 10 sert à faire circuler l'eau de chauffage dans l'un ou l'autre de ces circuits Le circuit 9 de chauffage d'eau sanitaire comporte un échangeur de chaleur eaueau 13 dont une entrée est reliée au réseau de distribution d'eau froide par un conduit d'alimentation 14 et dont la sortie correspondante est connectée au conduit de distribution d'eau chaude sanitaire 15. Une vanne thermostatique à trois voies 16, cornectée à la sortie d'eau chaude de l'échangeur de chaleur eausseau 13 et au conduit d'alimentation lo du réseau de distribution d'eau froide, sert à- régler la proportion du dédit d'eau froide passant à travers l'échangeur de chaleur 13 et celle mélangée à la sortie d'eau chaude de ce meme échangeur de chaleur, de manière à proaui- re une eau de température constante. Comme on l'a déjà mentionné, l'enceinte de stockage 1 est assc- ciée, dans cet exemple, à deux organes de chauffage qui sont prévus pour etre utilisés alternativement en fonction de conditions tari faires par exenple. Toutefois, l'invention n'est pas limitée à cette forme d'exécution et on pourrait sans autre envisager de réaliser la même installation avec un seul organe de chauffage. Il est intéressant toutefois de s'arrenter à la conception par ticulière de la chambre de combustion 4, spécialement conçue pour etre associee au serpentin 3. Cette chambre de combustion 4 (fig. 2 > coporte une grille cylindrique 17 délimitant un espace annulaire 18 par lequel est amené le mélange air-gaz combustible distribué par le ventilateur 5. Ce mélange traverse la grille cylindrique 17 et brûle dans la chambre de combustion 4 en formant de courtes flam meus à la surface de la grille cylindrique 17. Ensuite les gaz de com- bustion circulent dans le serpentin tubulaire 3 en échangeant leur chaleur avec l'eau contenue dans l'enceinte de stockage 1.Le prémélange d'air et de gaz réalisé dans le ventilateur 5 permet d'abaisser le taux d'excès d'air à une valeur de 5% et d'obtenir une com- bustion à flamme bleue avec un rendement de l'ordre de 97%, la tempe- rature des fumées sortant du serpentin étant de 1000C. Malgré le faible excès d'air mentionné, la quantité de CO n'excède pas 200 ppm. Ceci provient du fait que la chagbre- de combustion est entourée - par le brûleur, formant ainsi une enceinte à paroi chaude. Etant donné qu'une face de la grille cylindrique est exposée à la température de la flamme tandis qu'elle est refroidie sur sa face opposée par l'écoulement d'air et de gaz, la température de la grille cylindrique 17 est maintenue à une valeur suffisamment basse,6200 au maximum, pour etre supportée par de l'acier inoxydable. Il faut aussi remarquer que la totalité de la combustion se produit dans le volu- me de la chambre de coMbustion 4.Ainsi, seuls les gaz brûlés sortent de cette chantre vers le serpentin tubulaire 3. La puissance utile de cet organe de chauffage est de 18.kW c'est-à-dire 50% supérieure à la puissance choisie pour la résistance électrique qui n'est que de 12 kW. En principe, ces deux organes de chauffage sont prévus pour fonctionner séparément, mais, dans des cas particuliers où l'énergie cemandée est exceptionnellement élevée, il est possible de les faire fonctionner ensemble, par exemple un jour où la puissance demandée par le chauffage domestique est à un maximum de 12 kw, après l'utilisation de la réserve d'eau chaude à 90 C contenue dans l'encein- te de stockage 1 pour produire de l'eau chaude sanitaire dans ltéchan- geur de chaleur 13, on peut mettre les deux organes de chauffage simultanément en marche pour recréer la réserve doleau chaude à 900C. Le système de commande des organes de chauffage et de régulation de l'installation ne faisant pas partie de l'invention et n'étant pas nécessaires à sa compréhension, ne sont pas décrits ici LDrsgue l'installation travaille pour le chauffage domestique, l'eau chaude de l'enceinte de stockage 1 est circulée dans le circuit de chauffage 8. par la pompe de circulation 12. Suivant la puissance nécessaire au chauffage, l'eau envoyée dans ce circuit doit etre plus ou moins chaude et la vanne de mélange à trois voies 11 fait recirculer une quantité plus ou moins grande d'eau dans ce circuit et renvoie le reste dans l'enceinte de stockage 1. Lorsque la température de l'eau dans cette enceinte est descendue au-dessous d'une valeur déterminée, un des organes de chauffage, résistance électrique 2 ou chambre de combustion 4 est mis en fonctionnement Le diagramme de la fig 3 représente d'une part, une courbe A d'évolution de la température de 80 litres d'eau dans l'enceinte de stockage 1 lors du chauffage de l'eau chaude sanitaire dans l'ëchan- geur de chaleur 13 puis la reconstitution de la réserve d'eau chaude dans l'enceinte 1 et, d'autre part, une courbe B d'évolution de la température de l'veau à la sortie de l'échangeur de chaleur 13 L'échelle d'abscisse t de ce diagramme est graduée en minutes tandis que l'échelle d'ordonnée T est graduée en 0C Une courbe A' représente la reconstitution de la réserve d'eau chaude alors que lnins- tallation de chauffage domestique fonctionne avec une puissance de 6 kW.La partie de la courbe A représentant le refroidissement de l'eau stockée dans l'enceinte de stockage 1 pendant le chauffage de l'eau sanitaire suppose que cette eau est réchauffée au fur et à mesure qu'elle retourne dans cette enceinte de stockage par la résistance électrique 2 de 12 kWD Etant donné que l'on désire obtenir un débit maximum d'eau chaude de 12 l/min pendant 10 min soit 120 1 d'eau à 400C, correspondant à la quantité d'eau chaude nécessaire à un bain, le diagramme de la fig. 4 représente la variation du débit d'eau envoyée par la vanne thermostatique trois voies 16 à travers l'échan- geur de chaleur 13. L'échelle d'abscisse de ce diagramme est gradue en minutes et l'échelle d'ordonnée l'est en 1/min. Si l'on se repor te à la courbe B d'évolution de la température à la sortie de l'échan- geur de chaleur 13 (fig. 3) on constate que la puissance d'échange est suffisante pour fournir un débit de 12 1/min pendant 10 min d'eau à 40 C à la sortie de la vanne thermostatique trois voies 16, la temr perature des 80 litres d'eau de l'enceinte de stockage 1 passant de 900C à 66 C. En effet, étant donné que la puissance nécessaire pour chauffer 120 litres d'eau de 109C à 40 C en 10 min correspond à 120 litres en 10 minutes = 720 l/h avec un # T de 30 C (de lOOC à 40 C) on a 720 0 30 = 21 600 Kcal/h soit 25,1 kW Etant donné la puissance de 12 ki- de la résistance électrique 2 chauffant instantanément l'eau stockée dans l'enceinte 1 pendant qu'elle circule dans l'échangeur, elle fournit 10 300 Kcal/h. Pour fournir les ll 30Q Kcal/h restant il faut, compte tenu de la resserve de 80 litres: li 300 u (6 x 80) = 24 C Donc, il faut bien que la température de l'eau stockée passe de 90 C à 66 C par exemple ou de 940C à 70 C suivant les ca-racteris tiques de l'échangeur utilisé L'échange de chaleur dans l'échangeur 13 s'effectue donc bien avec la puissance de 12 kW de la résistan- ce électrique 2 en régime de chauffage instantané de l'eau circulant entre l'échangeur de chaleur 13 et l'enceinte de stockage, à laquelle s'ajoute la puissance de 13 kW représentée par la perte de chaleur de 240C des 80 litres d'eau stockés dans l'enceinte de stockage 1. Cri constate que la température de l'eau dans l'enceinte de stock- age 1 ne descend pas au-dessous du point de rosée de la vapeur d'eau qui est située entre 55 et 600C évitant de ce fait les croblèmes que poserait la condensation dans le serpentin tubulaire 3. On remarque également sur le diagramme de la fig. 3 qu'il ne faut qu'un peu plus de 10 minutes pour reconstituer le stock d'eau chaude à température de stockage dans l'enceinte 1 en l'absence de chauffage domestique et une demi-heure lorsque la puissance demandée par le chauffage est de 6 kW. Ceci signifie qu'il est par exem- ple possible de faire couler deux bains de 120 1 à 400C en l'espa- ce de 50 minutes lorsque la puissance demandée par le chauffage est de 6 kW et que deux bains peuvent être coulés en une demi-heure en l'absence de chauffage et ceci en-utilisant uniquement la résistance électrique 2 de 12 kW. Bien entendu, en cas de plus forte demande, et avec les deux sources de chauffage de la forme d'exécution décrite, il est possible d'envisager d'utiliser momentanément les deux organes de chauffage simultanément comme on l'a déjà signalé. La fig. 2 montre en outre que l'ensettle de l'installation avec-un échangeur eaueau 13, un vase d'expansion 19, une enceinte de -stocka- ge 1, et les divers conduits les reliant peuvent être logés dans un carter 20 unique dont les dimensions d'emprise au sol sont adapta- bles aux normes des équipements de cuisine, dont la profondeur est normalisée à 60 cm La variante illustrée par la fig 5 diffère de la figure précémente essentiellement par le fait que l'échangeur de chaleur- 13a du circuit d'eau chaude sanitaire est disposé dans l'enceinte de stockage la. - Cette solution a l'avantage de simplifier l'installation et de la rendre donc moins chère. Les éléments de l'installation qui sont les mêmes que ceux de la forme d'exécution précédente sont désignés par -- les mêmes chiffres de référence affectés de la lettre "a'" Compte tenu de ce fait et de la similitude entre les deux variantes, nous ne décrirons pas en détail l'installation de la fig. 5. Il est cependant intéressant de signaler que dans cette variante, lorsque l'installation fonctionne pour fournir l'eau chaude sanitaire en utilisant le bruleur Sa comme source- d'énergie, la pompe de circulation 12a peut être enployëe pour faire circuler l'veau de ltenceinke de stockage la sans passer par le circuit de chauffage 8a mais par le by-pass qui arrive à la vanne trois voies Ila. Cette circulation permet de répartir également la température de l'eau stockée et dgaug- menter le coefficient d'échange de lùéchangeur 13a. REVENDICATIONS 1. Installation de chauffage comprenant une enceinte de stocka -ge d'un fluide caloporteur renfermant au moins un organe de chauffage relié à une source d'énergie, caractérisée par le fait que cet- te enceinte communique sélectivement d'une part, avec un premier circuit ferme de chauffage direct dont la puissance maximum correspond à celle dudit organe de chauffage, et d'autre part, à un second circuit fermé ae chauffage comprenant un échangeur de chaleur dont la puissance waxirnum d'échange est choisie sensiblement supérieure à celle de cet organe de chauffage, cette puissance maximum correspondant sensiblement et pendant une durée déterminée, à l'addition de la puissance dudit organe de chauffage et de la puissance correspondant à une diminution donnée de la température de la masse du fluide caloporteur stocke dans ladite enceinte 2. Installation de chauffage selon la -revendication 1, caractérisée par le fait que le premier circuit de chauffage est un circuit de chauffage domestique et le second circuit de chauffage un circuit de chauffage instantané d'eau chaude sanitaire. 3. Installation de chauffage selon la revendication 1, carac tersée par le fait que l'organe de chauffage est un corps de chauffe électrique.