Brevet FR2687461A1 — publié le 19930820

DOMAINE D'APPLICATION Le procédé concerne le chauffage et le service d'eau chaude dans les immeubles d'habitation collectifs. ETAT DE LA TECHNIQUE Dans ces batiments, les systèmes thermiques connus à ce jour, bien que globalement satisfaisants, présentent encore quelques inconvénients que l'on peut résumer comme suit - Les systèmes à eau chaude totalement individuels, tels que ceux comportant une chaudière à gaz murale dans chaque logement, ont un coût d'investissement élevé et nécessitent un entretien important et relativement couteux. De plus, l'installation des chaudières pose parfois des problèmes délicats, notamment pour l'évacuation des produits de combustion. - Le chauffage électrique se caractérise, quant à lui, par un coût d'exploitation élevé. - Les sytèmes à eau chaude collectifs sans comptage de chaleur, dont les couts d'investissement et d'exploitation s'avèrent en général assez bas, ne sont pas toujours conformes à la Règlementation relative à la répartition des frais de chauffage, et ne correspondent plus aux souhaits des usagers. - Les systèmes mixtes à eau chaude, associant une gestion individuelle à une production de chaleur centralisée, sont en théorie très satisfaisants. Mais leur coût d'investissement reste élevé, du fait notamment de la complexité des installations. Dans l'état actuel de la technique, ces procédés comportent, outre les générateurs, de multiples appareils tels que pompes, vases d'expansion, réservoirs, échangeurs, régulateurs. La distribution de chaleur et d'eau chaude sanitaire se fait par des circuits séparés, ce qui obère son cout, accroit les risques de fuites et d'avaries, et génère des pertes calorifiques importantes. Indépendamment de son cout initial, cette complexité globale peut se traduire à terme par des frais de maintenance excessifs. Le système thermique présenté ci-après conserve tous les avantages d'une génération centralisée, associée à une gestion individuelle par logement. Mais en plus, il échappe aux inconvénients des procédés existants, à savoir complexité et coûts excessifs. PRES ENTATI ON GENERALE La présente invention concerne un système thermique semicollectif à eau chaude basse pression pour le chauffage central et le service d'eau chaude sanitaire dans les immeubles d'habitation collectifs. Outre une production centralisée associée à une gestion individuelle, ce procédé se caractérise par les particularités suivantes - Les fonctions de chauffage et de production d'eau chaude sanitaire sont confondues tout au long de la chaine allant du générateur collectif à l'utilisation individuelle. - La structure des parties collectives de l'installation s'apparente à celle d'un système collectif de production et de distribution d'eau chaude sanitaire. - L'eau chaude sanitaire sert de fluide caloporteur pour le chauffage. - La fonction chauffage devient un sous-produit hivernal de la fonction production-distribution d'eau chaude sanitaire, qui reste indispensable toute l'année. Il en découle certaines contraintes, à savoir - Le traitement d'eau est obligatoire. - Toutes les surfaces en contact avec l'eau doivent être en matériaux non corrodables, par nature ou par traitement. - Les corps de chauffe doivent être calculés avec une température d'entrée de 600C. Il en résulte aussi de nombreux avantages, notamment - Extrème simplicité. - Coûts d'installation et d'exploitation très bas. - Température limitée à 600C été comme hiver, ce qui simplifie la régulation, réduit les pertes de distribution, et permet l'utilisation optimale de chaudières à condensation dans le cas d'énergie gaz. - Dans certains cas, corps de chauffe sans purgeurs d'air. - Très grand confort en chauffage dû aux corps de chauffe basse température. - Très grand confort en eau chaude sanitaire, avec fourniture quasi illimitée et bouclage dans le logement à proximité immédiate des points de puisage. Le système présenté est une combinaison originale de moyens, dont certains sont connus, formant un ensemble fonctionnel spécifique. DESCRIPTION GENERALE DU PROCEDE : ELEMENTS COLLECTIFS L'eau potable du réseau de distribution publique est traitée par un ou plusieurs dispositifs neutralisant sa dureté et son agressivité éventuelles. Dans tous les cas, l'eau ainsi traitée doit rester potable, non entartrante, non agressive envers les matériaux utilisés, et conforme à la Règlementation en vigueur. Le générateur collectif est constitué par une ou plusieurs chaudières et un ou plusieurs réservoirs de stockage. La chaudière comporte un corps de chauffe inoxydable permettant la préparation directe d'eau chaude sanitaire. La chaleur peut être fournie par n'importe quel type de combustible ou d'énergie. Il convient de noter que le vase d'expansion est inutile, l'installation étant simplement équipée des soupapes de sécurité règlementaires. Le réservoir de stockage comporte une protection interne anticorrosion et une isolation thermique de l'enveloppe. Sa capacité est calculée en fonction du nombre de logements desservis et du type d'énergie utilisée. Les couples chaudière-réservoir constituant le générateur peuvent être groupés en un seul appareil, notamment dans le cas d'utilisation de l'énergie électrique. Ils peuvent aussi être séparés. L'installation comporte alors un ou plusieurs circuits de liaison, avec une ou plusieurs pompes de circulation et des organes de robinetterie. La production de chaleur est commandée automatiquement par un ensemble de régulation assurant une température constante d'environ EO0C au départ du circuit collectif. La liaison entre le réservoir de stockage et l'entrée dans les logements est assurée par un ou plusieurs circuits collectifs composés de nourrices et de collecteurs, horizontaux ou verticaux, disposés en principe dans les locaux communs de l'immeuble. Les sections sont calculées pour obtenir des vitesses de circulation supprimant les risques de bruits génants. Dans certaines configurations, les circuits peuvent être équipés de régulateurs de pression différentielle maintenant une différence de pression constante entre les branches aller et retour. Une ou plusieurs pompes assurent la circulation permanente de l'eau chaude sanitaire, fluide caloporteur, entre le générateur et les logements. DESCRIPTION GENERALE DU PROCEDE : ELEXENTS INTERMEDIAIRES Sur le circuit collectif et pour chaque logement desservi, on trouve un branchement aller et un branchement retour avec vannes d'isolement. Dans les gaines ou locaux techniques des parties communes, se trouvent également les compteurs combinés d'énergie thermique et d'eau chaude sanitaire de chaque logement, caractérisés par - Une mesure de débit et une mesure de température sur la branche aller. - Une mesure de débit et une mesure de température sur la branche retour. - Une mesure de température de référence commune. - Un intégrateur comptabilisant d'une part la quantité d'eau chaude consommée dans le logement par différence entre le débit entré et le débit sorti, et d'autre part la quantité de chaleur consommée dans le logement par différence entre l'énergie thermique entrée et l'énergie thermique sortie. La quantité de chaleur consommée dans le logement est la somme de la chaleur dissipée pour le chauffage et de la chaleur contenue dans l'eau chaude sanitaire utilisée. La quantité d'eau chaude enregistrée par le compteur correspond donc à son équivalent d'eau froide. Par conséquent, sa valeur sera purement et simplement ajoutée à celle du compteur d'eau froide. Chaque usager paiera donc, d'une part de l'énergie thermique incluant la chaleur dissipée par son chauffage et celle contenue dans son eau chaude sanitaire, d'autre part de l'eau froide pour une quantité égale à la somme des valeurs mesurées par le compteur d'eau froide et le compteur d'énergie thermique. - Dans certains cas définis par la Règlementation, le compteur d'énergie thermique est facultatif. Il est alors remplacé par des tronçons de canalisations démontables permettant son installation éventuelle, ultérieurement. Par rapport à la situation actuelle comprenant à service égal un compteur d'énergie thermique et un compteur d'eau chaude, on aura en plus : 1 sonde de température de référence, ainsi qu'un intégrateur différentiel à la place d'un intégrateur simple. Le surcoût global devrait donc être négligeable. Sur le retour de chaque logement est monté un limiteur de débit qui assure un équilibrage automatique des différents logements, et un clapet anti-retour qui interdit toute circulation inversée lors des puisages d'eau chaude sanitaire. DESCRIPTION GENERALE DU PROCEDE : ELEMENTS INDIVIDUELS - Un bipasse est disposé entre l'aller et le retour de chaque logement. Ce bipasse peut être constitué par un tube équipé d'une soupape de décharge fonctionnant en régulateur de pression différentielle ; dans ce cas, le logement ne comporte pas de pompe de circulation. Le bipasse peut aussi consister en une capacité ayant une résistance hydraulique négligeable, telle qu'une bouteille de mélange ; dans ce cas, le logement comporte une pompe de circulation individuelle. Si le bipasse est un régulateur de pression différentielle, une vanne générale à 3 voies, motorisée ou non, assure la fonction de commande marchearrêt du chauffage. Cette vanne peut aussi assurer la fonction de régulation centrale si elle est associée à un régulateur automatique d'ambiance équipé ou non d'une horloge.Si le bipasse est une bouteille de mélange, l'installation comporte une pompe de circulation individuelle et éventuellement une vanne générale, pour la circulation interne au logement et la commande marche-arrêt du chauffage. Cette pompe peut aussi assurer la fonction de régulation centrale si elle est associée à un régulateur automatique d'ambiance équipé ou non d'une horloge. Chaque logement est alimenté par une ou plusieurs boucles individuelles ayant les caractéristiques suivantes - Les boucles assurent les deux fonctions de chauffage et de distribution d'eau chaude sanitaire. - Elles peuvent être du type monotube, bitube, ou mixte, selon que les corps de chauffe sont alimentés en série, en parallèle, ou en série parallèle. Toutefois, les montages en parallèle sont les plus appropriés. - Les corps de chauffe peuvent être des radiateurs, des convecteurs, ou des tubes chauffants disposés en grilles incorporées aux parois. - Les surfaces d'échange en contact avec l'eau sont en matériaux non corrodables, tels que le cuivre dans le cas de radiateurs ou convecteurs. L'entrée d'eau dans les corps de chauffe se fait de préférence par le bas, et la sortie par le haut. - Dans certains cas, ces corps de chauffe ne comportent pas de purgeur d'air. - La commande marche-arrêt du chauffage peut être globale pour l'ensemble du logement, ou individuelle sur chaque corps de chauffe. Elle peut être manuelle ou automatique. - La régulation automatique du chauffage peut être globale pour l'ensemble du logement, ou individuelle pièce par pièce. - Le ou les piquages pour l'alimentation en eau chaude des appareils sanitaires se font sur le collecteur de retour, c'està-dire en aval de tous les corps de chauffe. Cette disposition permet dans certains cas la purge automatique des corps de chauffe et assure la continuité du chauffage lors des puisages d'eau chaude sanitaire. Les automatismes et le comptage peuvent être connectés sur un tableau de gestion domestique, avec renvoi éventuel à distance de certaines informations. DESCRIPTION GENERALE DU PROCEDE : CANALISATIONS Toutes les canalisations sont constituées de matériaux non corrodables de qualité alimentaire, tels que le polychlorure de vinyle chloré (CPVC), le polyéthylène réticulé (PER), ou le cuivre. Elles sont calorifugées dans la traversée des locaux non chauffés. EXPOSE DETAILLE D'UN MODE DE REALISATION A titre d'exemple, les dessins annexés et la description ciaprès illustrent un mode de réalisation et une variante. - La Figure 1 est une représentation schématique des éléments collectifs de l'installation. - La Figure 2 représente les éléments intermédiaires et les éléments individuels d'un logement sans pompe de circulation. - La Figure 3 représente les éléments intermédiaires et les éléments individuels d'un logement équipé d'une pompe de circulation (variante). Selon cet exemple, le chauffage et le service d'eau chaude sanitaire d'un batiment d'habitation collectif pourraient être obtenus par la mise en oeuvre des éléments suivants - Une prise collective (1) sur le réseau public d'eau potable. - Un adoucisseur collectif à permutation sodique (2), abaissant le titre hydrotimétrique de l'eau potable à une valeur supprimant tout risque d'entartrage. - Une chaudière collective à gaz et à condensation (3), avec surfaces d'échange en acier inoxydable assurant le chauffage direct de l'eau potable. - Un circuit de générateur (4), constitué de canalisations en CPVC calorifugées. - Une pompe de générateur (5), placée sur le retour à la chaudière. - Un clapet anti-retour (6) situé entre le refoulement de la pompe de générateur et le point d'entrée de l'eau froide adoucie. - Un réservoir de stockage en acier (7), avec revètement intérieur anti-corrosion de qualité sanitaire et enveloppe isolante. - Un circuit collectif reliant le réservoir de stockage aux logements, comprenant des nourrices d'alimentation (8) et des collecteurs de retour (9), en tubes de CPVC calorifugés. - Une pompe de circulation principale (10), placée sur le collecteur de retour du circuit collectif. - Une vanne d'isolement sur le départ du circuit individuel de chaque logement (11). - Une vanne d'isolement (12) et un clapet anti-retour (12b) sur le retour du circuit individuel de chaque logement. - Un compteur combiné d'énergie thermique et d'eau chaude, individuel pour chaque logement. Ce compteur se compose d'un mesureur de débit entrant (13), d'une sonde de température d'eau entrante (14), d'un mesureur de débit sortant (15), d'une sonde de température d'eau sortante (16), d'une sonde de température de référence commune (17), et d'un intégrateur différentiel double (18), lequel intégrateur calcule 10) la quantité de chaleur totale de l'eau entrante, appréciée conventionnellement par rapport à une référence de température commune correspondant par exemple à la température ambiante. Pour chaque unité de temps, cette quantité de chaleur est égale à la quantité d'eau entrante, multipliée par la différence de température entre l'eau entrante et l'ambiance, le tout affecté du coefficient de chaleur volumique de l'eau. 20) la quantité de chaleur totale de l'eau sortante, appréciée conventionnellement par rapport à une référence de température commune correspondant par exemple à la température ambiante. Pour chaque unité de temps, cette quantité de chaleur est égale à la quantité d'eau sortante, multipliée par la différence de température entre l'eau sortante et l'ambiance, le tout affecté du coefficient de chaleur volumique de l'eau. 30) la quantité de chaleur consommée dans le logement pour les besoins cumulés de chauffage et d'eau chaude sanitaire, par différence entre la chaleur totale entrée et la chaleur totale sortie. Cette énergie thermique est affichée en KWH. 40) la quantité d'eau chaude consommée dans le logement, par différence entre le volume entrant et le volume sortant. Il convient de noter que cette quantité d'eau correspond à un équivalent d'eau froide, la chaleur qu'elle contient étant déja comptabilisée par le compteur d'énergie thermique. Elle est affichée en m3 équivalent d'eau froide. Le compteur est équipé d'un dispositif électrique de renvoi permettant la lecture à distance des consommations. - Un limiteur de débit (19) placé sur la branche retour du circuit individuel de chaque logement, assurant l'équilibrage automatique. - Une soupape de décharge (20), montée en régulateur de pression différentielle entre les branches départ et retour du circuit individuel de chaque logement. - Une vanne 3 voies motorisée (21), à mouvement lent, montée en décharge sur le départ vers les corps de chauffe. Cette vanne est commandée par un thermostat d'ambiance à horloge (22) placé dans le séjour. En règle générale, des robinets thermostatiques (23) assurent une régulation complémentaire pièce par pièce. Dans les très petits logements, les 2 organes (21) et (22) peuvent assurer seuls la régulation centrale et l'intermittence pour l'ensemble. - Une ou plusieurs boucles de distribution (24). - Des corps de chauffe (25) avec surfaces d'échange tubulaires en cuivre. - Un départ d'eau chaude vers les appareils sanitaires (26), greffé sur le retour de chaque logement en aval du dernier corps de chauffe. Variante selon Figure 3 La soupape de décharge (20) est remplacée par une capacité (27) présentant une résistance hydraulique négligeable, communément appelée bouteille de mélange. La vanne 3 voies (21) est remplacée par une pompe de circulation individuelle (28) propre à chaque logement. En relation avec le thermostat (22), cette pompe assure la régulation centrale et la commande marche-arrêt du chauffage. Dans cette configuration, les corps de chauffe sont équipés de purgeurs d'air. FONCTIONNEMENT DE BASE SELON LES FIG. 1 et 2 L'eau chaude sanitaire contenue dans le réservoir de stockage (7) est chauffée et maintenue à une température constante d'environ 600C, au moyen de la chaudière (3) et de la pompe (5). A partir du réservoir de stockage (7), l'eau chaude sanitaire est distribuée dans tous les logements de l'immeuble au moyen du circuit collectif (8) (9), de la pompe (10), et des circuits individuels (24) et (26). Fonctionnement en hiver avec chauffage en service - En l'absence de puisage d'eau chaude sanitaire, on se trouve dans le cas d'un circuit de chauffage fermé. La pompe (10) assure la circulation dans l'ensemble de l'installation, irrigant les corps de chauffe selon l'ouverture des organes de réglage (21) et (23). - En cas de puisage d'eau chaude sanitaire en (26), la pression du réseau public d'eau potable a pour effet 10) De bloquer le retour de la boucle chaudière, en fermant le clapet (6). L'eau froide passe directement par la chaudière pour un chauffage immédiat. 20) De bloquer le retour de la boucle individuelle du logement siège du puisage, en fermant le clapet anti-retour (12b). L'alimentation du robinet d'eau chaude ouvert en (26) se fait donc par la branche aller (8) du circuit collectif, et par la branche aller (11) du circuit individuel du logement dans lequel on puise de l'eau chaude. A partir du point de branchement de la soupape de décharge (20), l'eau emprunte 2 chemins jusqu'au point (26) : Le circuit des corps de chauffe ouverts, et le circuit de la soupape de décharge (20). - Dès que le puisage d'eau chaude sanitaire cesse, on revient au schéma classique d'un circuit de chauffage fermé. Il convient de noter que les radiateurs sont irrigués en permanence, que l'on soit en situation de puisage ou de non puisage d'eau chaude sanitaire. Fonctionnement en été avec chauffage arrété La circulation dans la boucle des corps de chauffe étant stoppée par fermeture de la vanne (21), le schéma est celui d'un système collectif de production d'eau chaude avec bouclage. - En l'absence de puisage d'eau chaude sanitaire, on se trouve dans le cas d'un circuit fermé. La pompe (10) assure la circulation dans le circuit collectif, ainsi que dans les circuits individuels des logements. - En cas de puisage d'eau chaude sanitaire en (26), la pression du réseau public d'eau potable a pour effet 10) De bloquer le retour de la boucle chaudière, en fermant le clapet (6). L'eau froide passe directement par la chaudière pour un chauffage immédiat. 20) De bloquer le retour de la boucle individuelle du logement siège du puisage, en fermant le clapet anti-retour (12b). L'alimentation du robinet d'eau chaude ouvert en (26) se fait donc par la branche aller (8) du circuit collectif, par la branche aller (11) du circuit individuel du logement dans lequel on puise de l'eau chaude, ainsi que par la soupape de décharge (20) et accessoirement par le bipasse de la vanne 3 voies (21). Dès que le puisage d'eau chaude sanitaire cesse, on revient au schéma classique d'un circuit de distribution d'eau chaude bouclé. Fonctionnement en inter-saison Le passage du régime de chauffage au régime de non chauffage est possible à tout moment, y compris dans une même journée, sur simple commande de la vanne (21). Et ceci de manière indépendante pour chaque logement, les installations collectives fonctionnant à régime constant tout au long de l'année. FONCTIONNEMENT DANS LE CAS DE LA VARIANTE (FIG.1 et 3) Le fonctionnement est assimilable à celui de la configuration de base, en remplaçant la soupape de décharge (20) par la bouteille de mélange (27), et la vanne (21) par la pompe (28). En cas de non-puisage, l'eau circule en boucle fermée suivant le chemin (11), (27), (12). En cas de puisage, le clapet anti-retour (12b) se ferme et le robinet ouvert en (26) est alimenté par le chemin (11), (27). APPLICATION INDUSTRIELLE Le procédé est applicable à tous les cas de chauffage et de service d'eau chaude sanitaire dans les immeubles d'habitation collectifs. REVENDICATIONS 1 ) - Combinaison de moyens constituant un système thermique semi-collectif à eau chaude basse pression assurant le chauffage central et le service d'eau chaude sanitaire dans les immeubles d'habitation collectifs, caractérisée par l'assemblage des élements suivants - une prise collective sur le réseau public d'au potable (1), - un dispositif collectif de traitement de l'eau potable (2), - un ensemble générateur de production et de stockage d'eau chaude sanitaire (3) à (7) pour l'ensemble de l'immeuble, utilisant tout type de combustible ou d'énergie, sans vase d'expansion, - un ou plusieurs circuits de distribution collectifs (8) et (9), communs aux deux fonctions chauffage et service d'eau chaude sanitaire, constitués de canalisations non corrodables calorifugées, avec pompe de circulation permanente (10), - 2 vannes d'isolement et un clapet anti-retour (11) (12) (12b) situés à l'origine du circuit individuel de chaque logement, lequel circuit individuel assure les deux fonctions chauffage et eau chaude sanitaire, - un compteur combiné dans chaque logement, assurant d'une part le comptage de l'énergie thermique consommée pour l'ensemble des besoins de chauffage et d'eau chaude sanitaire, et d'autre part le comptage de l'équivalent d'eau froide consommé sous forme d'eau chaude, - un limiteur de débit (19) placé sur la branche retour du circuit individuel de chaque logement, assurant l'équilibrage automatique, - une soupape de décharge (20), montée en régulateur de pression différentielle entre les branches départ et retour du circuit individuel de chaque logement, en parallèle avec les corps de chauffe, - une vanne 3 voies (21) montée dans chaque logement sur le départ vers les corps de chauffe, avec actionneur manuel ou automatique, - dans chaque logement, une ou plusieurs boucles de distribution de chauffage (24), - dans chaque logement, des corps de chauffe (25) ayant des surfaces d'échange non corrodables, avec ou sans purgeurs d'air, - dans chaque logement, un ou plusieurs départs d'eau chaude (26) vers les appareils sanitaires, greffés en aval du dernier corps de chauffe sur le retour du circuit individuel. 2 ) - Combinaison de moyens selon la revendication 1, caractérisée en ce que le compteur individuel combiné se compose d'un mesureur de débit entrant (13), d'une sonde de température d'eau entrante (14), d'un mesureur de débit sortant (15), d'une sonde de température d'eau sortante (16), d'une sonde de température de référence commune (17), d'un intégrateur différentiel à double affichage (18) qui calcule d'une part la quantité de chaleur consommée dans le logement par différence entre la chaleur entrée et la chaleur sortie, et d'autre part l'équivalent d'eau froide consommé dans le logement sous forme d'eau chaude par différence entre le volume d'eau entré et le volume d'eau sorti. 3 ) - Combinaison de moyens selon la revendication 1, caractérisée en ce que, dans une variante de composition, la soupape de décharge (20) est remplacée par un bipasse fixe (27) présentant une résistance hydraulique négligeable, la vanne (21) sur le départ vers les corps de chauffe étant alors remplacée par une pompe de circulation individuelle (28).