Brevet FR2817610A1 — publié le 20020607

Circuit de préparation d'eau chaude sanitaire pour un chauffe-eau ou une chaudière. La présente invention concerne un circuit de préparation d'eau chaude sanitaire pour une chaudière par exemple une chaudière murale et à gaz. L'invention s'applique également à un chauffe-eau en particulier à un chauffe-eau mural et notamment à gaz. Les chaudières murales mixtes sont plus particulièrement prévues pour de petites habitations et de structure légère pour des raisons d'encombrement. Pour cette raison, elles sont, par exemple, à gaz et du type chauffage dit instantané et ne disposent donc pas ou peu de réserve d'eau chaude sanitaire. L'eau chaude sanitaire est chauffée dans un échangeur à plaques placé dans le circuit de chauffage à l'intérieur de la chaudière. L'ouverture du robinet d'eau chaude sanitaire déclenche l'allumage de la rampe à gaz et ainsi le chauffage de l'échangeur de chaudière puis par l'eau chaude ainsi produite, celui de l'échangeur sanitaire. Même si le robinet se situe près de la chaudière, l'évacuation de l'eau froide dans le circuit et le temps de montée en température de l'échangeur de chaudière, de l'échangeur sanitaire, de l'eau et des parties aval du circuit d'eau chaude sanitaire durent suffisamment longtemps pour représenter un véritable inconvénient pour l'usager notamment dans le cas d'une douche. Les constructeurs ont tenté de remédier à cet inconvénient en équipant ces chaudières d'une réserve minimale sous la forme d'un ballon intérieur d'eau chaude représentant une quantité tampon estimée suffisante pour éviter une attente trop longue d'eau chaude. si cette réserve permet de disposer rapidement d'eau chaude au robinet, car ne nécessitant pas toute l'attente imposée par les réalisations antérieures, elle ne constitue pas vraiment la solution satisfaisante au problème. En effet, la réserve de petite contenance représentée par le ballon de stockage s'épuise rapidement. Placée sur le circuit, il se remplit tout d'abord d'eau non encore chauffée, c'est-à-dire pratiquement froide avant d'admettre au bout d'un certain temps de l'eau chauffée par l'échangeur de chaudière. L'eau chaude délivrée rapidement grâce à la réserve n'est disponible à la bonne température que pendant une durée limitée car elle se trouve mélangée de suite à de l'eau froide. En raison de la faible capacité de la réserve tampon, cette durée limitée de première fourniture en eau chaude s'avère suffisamment courte pour apporter un désagrément sensible au consommateur. Cette baisse subite de la température représente une caractéristique que les usagers actuels ne supportent que difficilement. Pour remédier à cet inconvénient, on a prévu selon l'invention de court-circuiter le ballon de réserve tampon après que celui-ci ait fourni la première quantité d'eau à une température suffisante mais avant que cette température ne baisse par exemple trop sensiblement sur l'échelle relative des sensations humaines. Cette constante de temps permet à l'eau du circuit amont d'atteindre une température convenable à l'utilisation et de se trouver dans l'échangeur sanitaire afin d'éviter ou tout au moins de réduire sensiblement la durée du régime de baisse de température. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit, donnée à titre d'exemple et accompagnée des dessins qui représentent : . la figure 1 : un schéma général montrant le circuit de production d'eau chaude sanitaire selon l'invention, . les figures 2 à 5 : des schémas correspondant aux différents modes de fonctionnement dans lesquels les traits pleins montrent les circuits ou les parties de circuit en service, . la figure 6 : un graphique montrant les courbes de température respectivement sans réserve, (courbe A), avec réserve (courbe B) et avec l'invention (courbe C). Le circuit de préparation d'eau chaude sanitaire pour une chaudière murale selon l'invention se compose des organes et éléments suivants. Un échangeur 1 de chaudière ou de chauffe-eau chauffe l'eau du circuit de chaudière ou de chauffe-eau par la rampe à gaz dès qu'un débit de puisage en eau chaude sanitaire est détecté. Cet échangeur débite dans un circuit interne à la chaudière ou au chauffe-eau formé d'un circulateur 2 placé en aval ou en amont, par exemple en aval, comme représenté sur les figures 1 à 5, d'un échangeur sanitaire 3 lui-même alimenté par une réserve tampon sous la forme d'un ballon de stockage 4 qui permet de disposer d'une réserve d'eau chaude utilisée au démarrage du cycle de préparation de l'eau chaude sanitaire. L'eau froide sanitaire à réchauffer arrive par une branche 5 à l'entrée du circuit secondaire de l'échangeur sanitaire 3 pour traverser cet échangeur et se trouver disponible sous pression dans le circuit de distribution. Cet échangeur sanitaire 3 est de préférence du type échangeur à plaques de faible volume et très performant comme on en trouve sur le marché actuellement. Le circuit primaire est complété par une vanne à trois voies amont 6 placée entre l'échangeur de chaudière 1 et le ballon de stockage 4 et une vanne à trois voies aval 7 placée entre l'échangeur sanitaire 3 et l'échangeur 1 de chaudière par exemple mais non exclusivement avant le circulateur 2. Les vannes à trois voies ci-dessus sont de préférence du type motorisé, par exemple des électrovannes permettant un pilotage à distance. Comme on le verra ci-après, la vanne amont 6 permet de diriger le débit de l'eau de chauffage vers le ballon de stockage 4 pour remplacer l'eau qu'il contient par une eau à une température donnée lors de la phase de réchauffage et de démarrage du puisage de l'eau chaude sanitaire. Selon sa position, la vanne 7 permet de court-circuiter l'échangeur sanitaire 3 pendant la phase de réchauffage du ballon de stockage pour le maintenir en température ou permet de maintenir en plus l'échangeur sanitaire 3 à une température définie en le faisant traverser par le courant d'eau chaude du circuit de chauffage. On puise de l'eau chaude sanitaire par au moins un robinet 8 raccordé sur la conduite de distribution. Le débit d'eau qui résulte de l'ouverture du robinet 8 est signalé par un détecteur de débit ou un débitmètre 9 placé par exemple à la sortie ou éventuellement à l'entrée de l'échangeur sanitaire 3. La fonction de ce détecteur ou débitmètre 9 est de renseigner sur le début de la consommation d'eau chaude sanitaire. On définit plusieurs capteurs disposés en des endroits spécifiques pour permettre un fonctionnement automatique piloté de la production d'eau chaude. Il s'agit des éléments thermosensibles suivants. Un capteur 10 placé à la sortie du ballon de stockage 4 renseigne sur la température de l'eau de chauffage de l'eau sanitaire présente à sa sortie. Un autre capteur 11 renseigne sur la température de l'eau à la sortie de l'échangeur de chaudière 1. Un dernier capteur 12 fournit les indications de température de l'eau de chauffage à l'intérieur du ballon de stockage 4. Ce capteur est monté dans ou sur le ballon de stockage 4. Chacun des capteurs 10 à 12 et le détecteur ou le débitmètre 9 ainsi que les électrovannes 6 et 7 sont reliés par des liaisons électriques à un régulateur 13 chargé du fonctionnement général de la production d'eau chaude sanitaire. Le circuit hydraulique de chaudière se poursuit par un circuit de chauffage 14 dont on a représenté uniquement une branche de départ 15 d'eau chaude et une branche de retour 16 d'eau à réchauffer. Selon l'invention, une dérivation de courtcircuit 17 est montée en parallèle entre l'entrée et la sortie du ballon de stockage 4 et plus particulièrement entre la sortie de la vanne à trois voies amont 6 et la sortie du ballon de stockage 4 qui coïncide avec l'entrée dans le circuit primaire de l'échangeur sanitaire 3. Cette branche de court-circuit 17 comporte un clapet anti-retour 18 monté passant vers l'échangeur sanitaire 3, destiné à éviter le flux inverse vers le circuit du chauffage des pièces à travers le ballon de stockage 4. Selon les applications, cette dérivation de court-circuit 17 peut être montée directement aux bornes du ballon de stockage 4. Dans ce cas, elle comporte un organe commandé qui la rend passante sur commande. Une dérivation de protection 19 de petit diamètre relie un point correspondant à la sortie du ballon de stockage 4 et à l'entrée du circuit primaire de l'échangeur sanitaire 3 à la branche de retour 16 du circuit du chauffage des pièces au niveau de l'entrée de chauffage de la vanne aval à trois voies 7 ou à l'entrée du ballon de stockage 4. La dérivation de protection 19 présente avec la branche ou dérivation de court-circuit 17 des fonctions multiples. Dans la phase de chauffage de la réserve tampon, elle permet d'éviter l'entartrage de l'échangeur sanitaire en le court-circuitant. En mode chauffage des pièces, elle permet avec la dérivation de court-circuit 17, lorsque celleci est passante, d'établir la boucle de court-circuit dont on a besoin pour éviter de détériorer le circulateur lorsque les robinets thermostatiques de radiateurs de l'installation de chauffage des pièces se trouvent dans l'état où ils sont tous fermés. On expliquera maintenant le fonctionnement du circuit de production d'eau chaude selon l'invention. 1. Mise en température ou maintien en température du ballon de stockage (figure 5) Le ballon de stockage 4 constituant une réserve d'eau chaude en début de puisage débite dès le puisage dans l'échangeur sanitaire 3 détecté par le détecteur 9. Pour obtenir de l'eau chaude de suite, il faut que son contenu soit en permanence à une température suffisante régulée par une boucle de commande de fonctionnement à partir du capteur 12. Ainsi, lorsque le puisage n'est pas en cours et lorsque la température de l'eau de chauffage de l'eau sanitaire n'est pas encore arrivée à la température requise dans le ballon, l'ensemble est en phase de mise en température ou de maintien en température du ballon de stockage 4. Dans ce cas, l'eau chauffée par l'échangeur de chaudière 1 circule dans une boucle constituée par la vanne amont 6 à trois voies, par le ballon de stockage 4, par la dérivation de protection 19, par la vanne aval 7 et par le circulateur 2. 2. Phase initiale de puisage (figure 2) Le ballon de stockage 4 dans lequel l'eau de chauffage de l'eau sanitaire se trouve déjà à la bonne température constitue une réserve. Lors du puisage détecté par le détecteur ou le débitmètre 9, cette eau chaude arrive de suite à l'échangeur sanitaire 3 pour chauffer l'eau sanitaire qui sera délivrée par le robinet 8. Ainsi de l'eau chaude est disponible rapidement. Dans le cas où l'eau dans le ballon de stockage ne serait plus ou pas encore à la bonne température, on peut décider de court-circuiter ce ballon pour obtenir rapidement de l'eau chaude. 3. Fonctionnement permanent de puisage (figure 3) Lorsque la température de l'eau à l'intérieur ou à la sortie du ballon de stockage 4 renseignée par le capteur 12 ou 10, arrive à un minimum prédéterminé, l'organe de régulation 13 commande la vanne amont 6 pour faire passer le courant d'eau par la dérivation de court-circuit 17 et ainsi, en court-circuitant le ballon de stockage 4, alimenter l'échangeur sanitaire 3 en eau chaude venant directement de l'échangeur 1 de chaudière. Le moment de la mise en service de la dérivation de court-circuit dépend des caractéristiques du circuit et du degré de confort souhaité. Selon l'invention, on vise une continuité quasi parfaite et rapide de la montée en température de l'eau sanitaire. Connaissant la température de l'eau à la sortie de l'échangeur 1 de chaudière par le capteur 11 et la température de l'eau à l'intérieur et à la sortie du ballon de stockage 4, on peut commander l'ouverture de la dérivation de court-circuit 17 à un moment tel que le changement de branche d'alimentation de l'échangeur sanitaire s'effectue sans modification de température perceptible par l'utilisateur. Dans ce mode de fonctionnement, l'eau dans le circuit de chauffage des pièces est dormante car le circulateur 2 est isolé du circuit de chauffage par la vanne à trois voies aval 7 ne se trouvant ouverte que dans le sens de l'échangeur sanitaire 3 vers l'échangeur de chaudière 1. 4. Mode chauffage (figure 4). Lorsque la chaudière fonctionne en mode chauffage seul, l'eau chaude produite par la chaudière alimente uniquement les radiateurs ou autres éléments ou appareils de l'installation de chauffage des pièces. La vanne amont 6 est ouverte vers la branche 15 de départ de l'eau chaude de chauffage et le clapet 18 de la branche 17 est passant permettant le passage d'un faible flux de court-circuit par la dérivation générale des branches 17 et 19. La vanne aval 7 est ouverte dans le sens vers la chaudière pour permettre le retour de l'eau de chauffage arrivant par 16. 5. Mode combiné chauffage + eau chaude sanitaire. Il s'agit des fonctionnements précédents avec une priorité pour l'un ou pour l'autre. En général, on choisit la priorité à l'eau chaude sanitaire, c'est-à-dire que le circuit de chauffage est isolé de la chaudière pendant toute la phase de puisage de l'eau sanitaire et de remplacement du volume du ballon en eau chaude. Ainsi, à la fin du puisage, les vannes 6 et 7 se remettent d'abord en position de chauffage de l'eau dans le ballon de stockage 4 puis dans la position de chauffage des pièces. Dans les intervalles de temps où il n'existe pas de puisage d'eau chaude sanitaire et où le circuit de chauffage n'est pas en demande de calories, le régulateur commande les électrovannes 6 et 7 pour que l'eau dans le ballon soit chaude et ceci à chaque fois que le ballon est en demande de calories. Si le débit d'eau chaude sanitaire reste faible, on peut décider de maintenir le chauffage dans le circuit de chauffage des pièces. Dans les phases d'alimentation du ballon de stockage 4 en eau chaude, la dérivation de protection 19 protège l'échangeur sanitaire 3 en dérivant le flux vers la branche principale de retour (figure 5). Commentaires sur les courbes de montée en température de l'eau chaude sanitaire au niveau du robinet. Ces courbes illustrent les évolutions de la température T de l'eau chaude sanitaire au niveau du robinet de distribution en fonction du temps t . . le système sans ballon de stockage présente une montée en température retardée et lente (courbe A en traits brisés alternativement courts et longs), . le système avec ballon de stockage présente une montée en température rapide avec une baisse consécutive correspondant à la sortie au niveau du robinet du mélange eau chaude/eau froide présent dans le ballon puis réchauffé par de l'eau chaude entrante (courbe B en traits brisés), . le système, selon l'invention, dans lequel le ballon de stockage est court-circuité dès que la température à la sortie du ballon de stockage atteint une température minimale (courbe C en un trait continu). On remarque dans ce dernier cas que non seulement la température de l'eau monte rapidement mais qu'elle se maintient à ce niveau pendant toute la phase initiale de consommation d'eau. REVENDICATIONS 1. Circuit de préparation d'eau chaude sanitaire pour une chaudière ou un chauffe-eau notamment une chaudière murale à gaz dont le circuit de chauffage de l'eau sanitaire comprend en série un ballon de stockage et un échangeur sanitaire montés en série l'un à la suite de l'autre avec l'échangeur principal de la chaudière ou du chauffe-eau placé audessus de la rampe à gaz pour former un circuit de chauffage de l'eau sanitaire caractérisé par une dérivation de court-circuit (17) montée en parallèle sur le ballon de stockage (4) et mise en service lorsque la température de l'eau à l'intérieur ou en sortie du ballon de stockage (4) descend en-dessous d'une valeur prédéterminée. 2. Circuit de préparation d'eau chaude sanitaire selon la revendication 1 caractérisé en ce que la dérivation de court-circuit (17) comporte un organe qui la rend passante sur commande. 3. Circuit de préparation d'eau chaude sanitaire selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la dérivation de court-circuit (17) est branchée aux bornes du ballon de stockage (4). 4. Circuit de préparation d'eau chaude sanitaire selon la revendication 1 caractérisé en ce que la dérivation de court-circuit (17) aboutit à une vanne (6) à trois voies commune avec l'entrée du ballon de stockage (4) du côté de la sortie de l'échangeur (1) de chaudière ou de chauffe-eau. 5. Circuit de préparation d'eau chaude sanitaire selon la revendication précédente caractérisé en ce que la dérivation de court circuit (17) comporte un clapet anti-retour (18) passant vers l'échangeur sanitaire. 6. Circuit de préparation d'eau chaude sanitaire selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'une dérivation de protection (19) est montée entre la sortie du ballon de stockage (4) et la vanne aval (7) à trois voies. 7. Circuit de préparation d'eau chaude sanitaire selon la revendication 4 caractérisé en ce que la vanne (6) à trois voies est placée au-delà en aval de la dérivation (17). 8. Circuit de préparation d'eau chaude sanitaire selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le circuit de chaudière comprend une branche de départ (15) de l'eau de chauffage des pièces et une branche de retour (16) de l'eau de chauffage des pièces. 9. circuit de préparation d'eau chaude sanitaire selon la revendication précédente caractérisé en ce que le circuit de chaudière comprend deux vannes trois voies (6) et (7) disposées respectivement l'une à chacune d'une extrémité de la branche de départ (15) ou de retour (16) du circuit de chauffage des pièces. 10. Circuit de préparation d'eau chaude sanitaire selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on prévoit au moins trois capteurs de température, un premier capteur (10) à la sortie de ballon de stockage (4), un deuxième capteur (11) à la sortie de l'échangeur (1) de chaudière et un troisième capteur (12) dans ou sur le ballon de stockage (4), et en ce qu'un détecteur ou un débitmètre est monté à l'entrée ou à la sortie de l'échangeur sanitaire (3) et en ce que chacun des capteurs 10 à 12 et le détecteur ou le débitmètre 9 ainsi que les électrovannes 6 et 7 sont reliés par des liaisons électriques à un régulateur 13 chargé du fonctionnement général de la production d'eau chaude sanitaire.