Brevet FR2803652A1 — publié le 20010713

présente invention est relative aux chauffe-eau électriques et se rapporte plus particulièrement à l'amélioration de l'isolation thermique des chauffe-eau electriques. chauffe-eau comprennent généralement une cuve et un dispositif de chauffage l'eau se trouvant dans la cuve. cuve est placée dans une enveloppe extérieure entre la paroi inté rieure de laquelle et la paroi extérieure de la cuve est disposé un matériau isolant thermique du polyuréthanne dont la conductivité thermique est l'ordre de 0,023 K pour les mousses de polyuréthanne rigide commercialisées ac tuellement, utilisant des gaz comme le cyclopentane ou des mélanges cyclo- pentane et n-pentane comme agent d'expansion. Avant l'application proto cole de Montréal, le CFC-11 qui était l'agent d'expansion des mousses poly- urétanne rigide permettait d'obtenir une conductivité thermique de l'ordre de 0,017 WJm. Les nouvelles mousses de polyuréthanne ont une quantité d'isolation bien inférieure (de l'ordre de 30%) comparativement aux mousses de polyuréthanne rigide utilisant les CFC qui sont désormais interdits. Les chauffe-eau classiques sont de forme cylindrique. On connaît également les chauffe-eau à enveloppe de section carrée et permettant un gain énergétique par rapport aux enveloppes de chauffe-eau cylindriques. L'invention vise à remédier à la dégradation de la conductivite thermi que du polyuréthanne due au changement des gaz d'expansion en créant un chauffe- dont l'isolation thermique est améliorée par rapport à l'isolation clas sique. Elle a donc pour objet un chauffe-eau électrique comprenant une cuve et un dispositif de chauffage de l'eau située dans la cuve, celle-ci étant disposée dans enveloppe extérieure avec interposition d'un matériau isolant thermi que, caractérisé en ce que l'enveloppe extérieure est de section générale carrée et le matériau isolant thermique comporte des panneaux d'isolant sous vide dis posés le long des parois planes de l'enveloppe extérieure, un matériau en mousse isolante étant disposé dans les vides ménagés entre la cuve, les pan neaux d'isolant sous vide et l'enveloppe extérieure. Suivant des caractéristiques particulières - les panneaux isolants sont disposés sur au moins la moitié supé rieure de la hauteur de la cuve ; - le dispositif de chauffage comporte des moyens de régulation à très faible inertie de réaction. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la Fig.1 est une vue en élévation et en coupe d'un chauffe-eau sui vant l'invention ; - la Fig.2 est une vue en coupe transversale du chauffe-eau de la fi gure 1 ; - la Fig.3 est un graphique représentant un essai la régulation thermomécanique d'un chauffe-eau ; et - la Fig.4 est un graphique représentant un essai la régulation électronique à faible inertie thermique suivant l'invention. chauffe-eau électrique représenté à la figure 1 comporte une cuve 1 destinée contenir l'eau à chauffer. Dans cette cuve est logé un dispositif de chauffage sous la forme d'une résistance électrique alimentée à partir du secteur par l'intermédiaire d'un dispositif régulation 3 connecté à un capteur 4 de la température régnant dans la partie inférieure de la cuve 1. façon avantageuse, le dispositif de régulation d'alimentation de la résistance electrique est associé à un capteur de température à très faible inertie de réaction. cuve 1 est entourée par une enveloppe extérieure section car rée. Entre la cuve et l'enveloppe sont disposés le long parois planes de l'enveloppe, des panneaux par exemple rectangulaires 6 matériau isolant sous vide. partie supérieure de la cuve 1 est également séparée dessus de l'enveloppe extérieure 5 par un panneau de matériau isolant sous vide 7. Un panneau d'isolant sous vide est réalisé en matériau cellulaire disposé dans une enveloppe étanche. Avant de refermer l'enveloppe, on soumet le matériau cellulaire à une dépression permettent de faire le vide dans ledit matériau cellulaire. Les matériaux usuellement utilisés dans les panneaux d'isolation sous vide (fibre de verre, perlite, poudre de silice, polystyrène, polyuréthanne à cellule ouverte ... ) permettent aux panneaux de disposer d'une conductivité thermique qui varie entre 0,005 et 0,0010 WIm.K pour des pressions internes au panneau se situant entre 10 et 100 Pa abs. Les panneaux latéraux 6 de matériau isolant sous vide s'étendent sur au moins la moitié supérieure de la hauteur de la cuve 1 sorte que la partie inférieure de la cuve n'est pas isolée par les panneaux 6 précités. Ainsi qu'on le voit mieux à la figure 2, les panneaux 6 disposés le long des parois latérales de l'enveloppe 5 sont séparés par des intervalles 8 situés au niveau des angles de l'enveloppe 5 et dans lesquels sont disposées des cales 9 en polyuréthanne de positionnement de la cuve 1 dans l'enveloppe 5. Une fois les cales 9 mises en place, on procède à une opération de moussage de polyuréthanne afin de remplir de mousse les vides ménagés entre la cuve 1, les panneaux 6 et 7 et l'enveloppe 5. La mousse de polyuréthanne rigidifie l'ensemble et remplit le vide dû à la forme cylindrique de la cuve 1. L'enveloppe carrée permet l'utilisation de panneaux isolants tels que les panneaux 6 de plus grande largeur. La largeur des panneaux de matériau isolant sous vide est calculée pour laisser libre le passage pour la mousse de polyuréthanne pendant le mous- sage. Certains espaces entre les panneaux tels que les intervalles 8 d'angles n'engendrent pas de perte puisque l'isolation de polyuréthanne est épaisse dans les régions des angles de l'enveloppe 5. Un chauffe-eau réalisé de la manière décrite précédemment présente un certain nombre d'avantages, L'isolation est dissymétrique entre le haut et le bas, car en régime d'utilisation la partie basse du chauffe-eau ne contient la plupart du temps que de l'eau froide. L'isolation est économique en panneaux d'isolant sous vide pour limi ter le surcoût. Une géométrie carrée avec des arrondis aux coins est adaptée jusqu'à générer un gain énergétique en tant que tel et permet une intégration aisée des panneaux d'isolants sous vide qui sont peu déformables. Une régulation électronique à faible inertie de réaction permet de duire l'inertie de la réaction du dispositif de chauffage aux informations données par le capteur de température 4. A titre d'exemple, on donne ci-après les dimensions des panneaux matériau isolant sous vide. Panneaux latéraux 6 : 20 mm x 1000 mm x 400 mm. Panneau du dessus 7 : 20 mm x 450 mm x 450 mm. Dimension de l'enveloppe 5 : 525 mm x 525 mm. Dans l'exemple décrit précédemment, la cuve est centrée à l'intérieur de l'enveloppe 5 à l'aide des cales 9 taillées dans du polyuréthanne et disposées dans les coins de l'enveloppe. Les panneaux en matériau isolant sous vide sont fixés tangentielle ment à la cuve à l'aide de matériau autocollant double face. Ensuite, la mousse de polyuréthanne est injectée dans les interstices laissés libres entre la cuve 1, les panneaux 6,7 et l'enveloppe 5. Afin d'évaluer les performances du chauffe-eau suivant l'invention, va comparer les déperditions de chauffe-eau suivant l'invention réalisé avec des panneaux de matériau à isolation sous vide de conductivité équivalente de 13 mW/m.K et 10 mW/m.K à celle d'un chauffe-eau carré classique sans considérer le vieillissement de la mousse ainsi qu'à celle d'un chauffe-eau de référence de 2001. A cet effet, on utilise un logiciel tel que par exemple le logiciel Ch - mod qui a déjà été validé pour plusieurs scénarios thermiques. Les paramètres considérés pour les différentes simulations sont - puissance de la résistance (2000 W) - consignes haute et basse du thermostat respectivement 61 C et 67 C, la sonde du thermostat située au bas du chauffe-eau et la temperature ambiante égale à 20 C. performances calculées sont synthétisées dans le tableau 1 de performances comparées en régime de déperdition pure. TABLEAU 1 Déperditions en kWh/24h Gain énergétique Chauffe-eau référence 1,7 0,0% Chauffe-eau carré 1,06 37% Chauffe-eau carré 0,91 46% avec VIPs(13mW/m.K) Chauffe-eau carré 0,86 49% avec VIPs(10m W/m.K) calcul montre qu'avant même de considérer le vieillissement du polyuréthanne, un gain supplémentaire non négligeable est obtenu avec con cept de chauffe-eau suivant l'invention. répartition des déperditions par paroi peut être calculée en utilisant les coefficients d'échanges globaux. tableau 2 regroupe les résultats pour les quatre chauffe-eau préci tés. TABLEAU 2 Pertes totales Pertes du haut Pertes sur la Pertes du bas en (W) en (W) virole en (W) en (W) Chauffe-eau référence 71 11 53 7 Chauffe- carré 44 3 34 Chauffe- carré 38 1,35 29,65 en VIPs 3mW/m.K) Chauffe-eau carré 36 1,2 27,8 7 avec VIPs(10mW/m.K) -1 1 Le pont thermique observé sur le haut du chauffe-eau représente partie non négligeable des pertes totales. En éliminant ce pont thermique et en isolant le haut avec une épais seur minimale égale à l'isolation latérale de la cuve, on gagne 8 W. La simulation en régime de déperdition stationnaire a montré que le chauffe-eau suivant l'invention permet un gain énergétique considérable. L'évaluation du chauffe-eau suivant l'invention en scénario réaliste de soutirage permet de mettre en évidence les gains associés aux moyens de ré gulation électronique 3. Les déperditions des quatre chauffe-eau précités n'étant pas identi ques, pour une même température de consigne, la température finale sur heures ne sera pas la même. Donc l'interprétation du calcul des pertes n'est goureuse que si la température finale est identique pour tous les chauffe-eau. Une autre approche pour comparer les quatre options est de se baser sur un état final identique et de faire varier la température de consigne pour tenir cette même température finale. Le tableau 3 résume des résultats obtenus pour les quatre chauffe- eau précités à consigne identique, la consigne étant la même que pour le régime statique de déperdition (61167 C) et la température ambiante étant égale à 20 C. TABLEAU 3 Energie Energie utile Energie per- Tfinale Tfinale absorbée (kWh/24h) due (kWh/24h) volume chaud volume froid (kWh/24h) ( C) ( C) Chauffe-eau de référence, controie ther- 11 8,66 2,4 68,5 65,11 momécanique Chauffe-eau de référence, controle élec- 9,5 8,15 1,35 64,5 61,5 tronique Chauffe-eau 9,2 8,2 1 65,7 62 Chauffe-eau avec 9,1 8,2 0,9 66 62 (13mW/m.K) Chauffe-eau > avec 9,08 8,2 0,88 66,16 62 (10mW/m.K) La variation de la consigne pour chaque option thermique permet d'obtenir une même température finale volume chaud pour les quatre chauffe- eau. Le tableau 4 illustre les résultats de ces simulations et indique les performances en soutirage à température finale constante. TABLE 4 Energie Energie Energie Tfinale Tconsigne absorbée (kWh/24h) perdue - volume haut ( C) (kWh/24h) (kWh.24h) chaud ( C) Chauffe-eau de réfé- 10 8,33 1,73 66 68,5 rence, contrôle élec tronique Chauffe-eau carré 9,3 8,22 1,068 66 67,3 Chauffe-eau carré 9,1 8,2 0,9 66 67 avec VIPs(13mWIm.K) Chauffe-eau carré 9,02 8,2 0,84 66 66,84 avec VIPs(10mW/m.K) On notera que dans ce cas, pertes sont égales aux pertes en ré gime statique de déperdition puisque température initiale et la température finale sont identiques. Du point de vue technique, chauffe-eau suivant l'invention permet un gain considérable d'énergie. Une analyse en coût total a permis de vérifier que le chauffe-eau sui vant l'invention permet des gains énergetiques non négligeables et que son coût de fabrication associé à son coût d'utilisation est inférieur à ceux des chauffe-eau classiques. Ainsi qu'on peut le voir en comparant les graphiques expérimentaux des figures 3 et 4, sur lesquels les courbes en trait plein représentent la tempé rature en haut du chauffe-eau et les courbes en pointillés, la température en bas du chauffe-eau, la régulation sans délai du cycle marche/arrêt de la résistance électrique 2 du chauffe-eau permet d'éviter la montée en température inutile de l'eau chaude stockée en haut du chauffe-eau pendant et après les cycles de soutirage. Comme l'indique la figure la sonde de température du système thermomécanique, bien que mesurant températures fortement variables lors des soutirages comme l'indiquent les courbes en pointillés, génère un retard qui entraîne une élévation de température moyenne en haut du chauffe-eau de 67 à 72 C. 5 degrés supplémentaires sont inutiles et entraînent une surconsom mation d'énergie de l'ordre de 30 à 40%. Au contraire, comme l'indique la figure 4, lorsque la régulation sans delai, il est possible de maintenir une température moyenne de 65 C Ce phénomène de surchauffe inutile de l'eau en haut du ballon est d'autant plus marque l'isolation est efficace. La régulation sans délai ou à faible inertie réaction donc d'autant plus nécessaire que l'isolation est réalisée avec panneaux d'isolation sous vide particulièrement isolants. REVENDICATIONS 1. Chauffe-eau électrique comprenant une cuve (1) et un dispositif de chauffage de l'eau située dans la cuve, celle-ci étant disposée dans une veloppe extérieure (5) avec interposition d'un matériau isolant thermique, carac térisé en ce que l'enveloppe extérieure (5) est de section générale carrée et le matériau isolant thermique comporte des panneaux (6,7) d'isolant sous vide posés le long des parois planes de l'enveloppe extérieure (5), un matériau mousse isolante (10) étant disposé dans les vides ménagés entre la cuve (1), les panneaux d'isolants sous vide et l'enveloppe (5). 2. Chauffe-eau suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les panneaux isolants sous vide (6,7) sont disposés sur au moins la moitié supé rieure de la hauteur de la cuve (1). 3. Chauffe-eau suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage comporte des moyens de régulation (3,4) à très faible inertie de réaction. 4. Chauffe-eau suivant 1 'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau en mousse (10) est du polyuréthanne. 5. Chauffe-eau suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la cuve (1) est centrée dans l'enveloppe extérieure (5) par des cales (9) disposées dans les angles de l'enveloppe extérieure (5) et en ce que le matériau en mousse (10) remplit les interstices (8) entre les cales (9). 6. Chauffe-eau suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé ce que les moyens de régulation (3,4) du dispositif de chauffage sont des moyens de régulation sans délai électroniques.