Brevet FR2891352A1 — publié le 20070330

-1- La présente invention est liée à la conception du ballon électrosolaire ainsi qu'à la commande des résistances électriques d'appoint, dans l'objectif de réduire les capacités de stockage, tout en maintenant des conditions de confort dans le respect du label Promotelec. Description de la commande de la charge de nos ballons électrosolaires: Partant du constat que: É La résistance électrique ne doit pas être placée en dessous du milieu de la hauteur du ballon électro-solaire sous peine d'altérer de façon 10 importante la production d'énergie solaire, É Que le volume du ballon doit être minimisé pour limiter l'encombrement (mise en place dans un placard 600 x 600 mm2 notamment) et les déperditions thermiques, É Que la résistance électrique doit être alimentée uniquement en 15 heures creuses, sauf cas exceptionnels, où elle est autorisée à fonctionner deux heures par jour en heures pleines, É Qu'il convient de privilégier au maximum l'utilisation de l'énergie solaire et de ne recourir à l'appoint que lorsque l'énergie solaire est insuffisante, Notre commande de charge innovante consiste à : É Limiter la capacité du ballon, en la réduisant de 100 litres au moins dans le cas des maisons individuelles, É Intégrer deux résistances électriques dont l'une est placée approximativement au milieu de la hauteur et l'autre approximativement 25 au 3/4 de la hauteur, en partant du bas du ballon, É Intégrer un système de commande qui assure le fonctionnement des deux résistances électriques en fonction de la température du ballon aux différents moments de la journée, mais aussi en fonction du signal tarifaire délivré par le réseau, et de températures de consigne qui peuvent être différentes en fonction de la résistance considérée et de la présence ou non du signal tarifaire. 2891352 -2- Exemple: Dans cet exemple, nous utilisons le référentiel Promotelec pour un logement de 5 pièces et plus. Pour obtenir le label Promotelec, le volume d'eau à 40 C à partir 5 d'une eau froide à 15 C, doit être de 450 litres/jour en catégorie A et de 540litres/jour en catégorie B. Volume Volume Temp de Q40 Ballon Appoint Consigne 500 250 60 450 400 200 71.25 450 600 300 60 540 400 200 82.5 540 Comme on le voit dans le tableau ci-dessus, l'utilisation d'un ballon de 400 litres est difficile à envisager car les niveaux de température de stockage sont très élevés entraînant des déperditions thermiques importantes ainsi que des risques d'entartrage important. En contrepartie, l'utilisation de ballon de 500 ou 600 litres est largement pénalisante en termes d'encombrement. Selon une première caractéristique: Notre régulateur de charge permet de n'utiliser qu'un ballon de 400 litres, tout en palliant les niveaux de température trop élevés décrits ci-dessus: le schéma de l'équipement de notre ballon électro-solaire est indiqué Fig. 1: É La résistance Rh permet de réchauffer le '/4 du volume supérieur, É La résistance Rb permet de réchauffer ladu volume supérieur, É Les deux résistances sont mises en service en fonction du signal tarifaire, de la température située à proximité de la résistance concernée (Th et Tb), de la température de consigne affectée à ces deux températures (Thconsn, Thconsj, Tbconsn, Tbconsj) qui peuvent être différentes selon le signal tarifaire, et de la température en bas du ballon électro-solaire. 15 25 2891352 -3- Scénario 1 Dans l'hypothèse de la catégorie A, on pourra envisager le scénario suivant: Rh = 1500 W (résistance électrique haute) Rb = 1500 W (résistance électrique basse) Thconsn = 65 C (thermostat haut réglé en consigne nuit) Thconsj = 40 C (thermostat haut réglé en consigne jour) Tbconsn = 55 C (thermostat haut réglé en consigne nuit) Tbconsj: non utilisée. (thermostat bas réglé en consigne jour) En partant de l'hypothèse que la totalité du ballon est à 15 C, lors de la relance diurne de 2 heures, Rh va être mis en service de 17h à 19h fournissant ainsi: 1500 W x 2h = 3000 Wh = Q40d x 1.16 x (40-15) _> Q40d = 100 litres En période d'heures creuses (de 22h à 6h par exemple), la résistance 15 Rb va être mis en service pour réchauffer les 200 litres situé en partie supérieure de 15 à 55 C, soit: x 1.16 x (55-15) = 9280 Wh soit 6,18 h de fonctionnement. Lors de l'arrêt de Rb, Rh va être mis en service pour chauffer les 100 litres de la partie haute de 55 à 65 C, soit: 100 x 1.16 x (65-55) = 1160 Wh soit 0,77 h de fonctionnement. Lors des puisages ultérieurs, la capacité produite à 40 C sera de: Q40n x 1.16 x (40-15) = 100 x 1.16 x (55-15) + 100 x 1.16 x (65-15) _> Q40n = 360 litres En totalité, on aura pu puiser les 450 litres: jour à 40 C demandés pour obtenir la catégorie A. Selon une seconde caractéristique: l'intérêt de ce fonctionnement de notre Commande de charge est que la puissance d'une seule résistance est appelée à la fois. Ce qui permet de limiter la souscription de puissance abonnée (prime fixe). 2891352 -4- Scénario 2 Pour la catégorie B, on pourra par exemple ajuster les paramètres comme indiqués ci-dessous. Une feuille de tableur, représentée Figure 2, permet de calculer les différentes conditions de fonctionnement en fonction de: É La puissance des résistances électriques Rh et Rb É Du volume à 40 C souhaité, *Des capacités Appoint total et Appoint jour disponible. Scénario 3 Par ailleurs, si les trois sondes en partie basse, médiane et supérieure est supérieure à 40 C lors de l'arrivée du signal tarifaire heures creuses de la nuit, on pourra ajuster la température de consigne de la partie supérieure pour avoir juste 450 litres à 40 C disponible: On aura alors: x 1.16 x (Tsolaire 15 C) + 200 x 1.16 x (Tbconsn 15 C) = 450 x 1.16 x (40 15), dont il suffit d'extraire Tbconsn. Pour optimiser la stratification, on pourra fixer une température différente pour Tbconsn et Thconsn, comme dans le scénario 1. La logique de fonctionnement est la suivante: Si la température du ballon solaire est suffisante c'est à dire apte à fournir l'eau chaude à température suffisante pour l'usager (en règle générale de l'ordre de 50 à 55 C), on ne met pas en route les résistances électriques; - Si ce n'est pas le cas, on met en route en heures creuses la résistance du haut: Rh, jusqu'à sa température de consigne, puis la résistance basse: Rb, jusqu'à sa température de consigne - A 17h (l'heure est obtenue à partir du signal Heures Creuses/Heures Pleines de EDF qui sert à caler une horloge interne au système), la résistance haute peut être remise en route si la réserve d'eau chaude est insuffisante, et jusqu'à une certaine température de consigne. 2891352 -5- Mise en oeuvre de l'invention: Pour mettre en oeuvre cette invention, il convient de disposer d'une carte électronique de commande disposant d'au moins: É 3 sondes de températures, É 2 signaux de commande des résistances Rh et Rb, É et 1 entrée permettant de connaître les heures creuses EDF. La détection de l'heure, pour la relance possible de 17h00 à 19h00, est détectée à partir des heures creuses EDF. Le dessin annexé illustre l'invention: La Figure 1 représente la réalisation de la cuve du chauffe-eau de 400 litres seulement, comportant: trois sondes de température (1), (2) et (3) ; - deux résistances chauffantes électriques immergées (4) et (5) un serpentin chauffant (6), disposé en partie basse Le tableau ci-dessous représente le schéma logique de commande, calculée sur tableur. Le volume du ballon de 400 litres n'est qu'un cas d'exemple, et le fonctionnement de notre invention est valable pour tous autres types de capacités. Total Volume Appoint Temp âtûrë de Q40 = volume Volume Ballon élëctrique Consigne quotidien (litres (litres) (litres) (soutirage en C) produits à 40 C) 500 250 60 450 400 200 71,25 450 600 300 60 540 400 200 82,5 540 Volume Volume Appoint Rh Rb V40 Appoint Jour résistance haute Résistance basse (litres à 40 C) (litres) (litres) (Watts) (Watts) 100 2200 1200 540 Chauffe 2h V40d V40n Tcons nuit (watts) (litres à 40 C) (litres à 40 C) ( C) 4400 152 388 63, 5 Chauffe Nuit Haute Chauffe Nuit (en kWh) Basse (kWh) 2,6 4,7 Total Chauffe Nuit (en kWh) 7,3 kWh 15 2891352 -6- Revendications 1) commande de la charge d'un ballon électro-solaire, dont la cuve possède un échangeur de chaleur (6) disposé en partie basse, caractérisé par la présence de deux résistances électriques (4) et (5), disposées respectivement au trois-quart et à la moitié de la hauteur du bas du ballon, de façon à ne chauffer que la partie du volume d'eau supérieur à celles-ci; 2) commande de la charge d'un ballon électro-solaire, selon la revendication 1), caractérisée en ce qu'elle comporte: - trois sondes de température (1), (2) et (3), - deux résistances électriques immergées (4) et (5), - et un coffret électronique de commande; 5) commande de la charge d'un ballon électro-solaire, selon la revendication 1), caractérisée en ce que l'asservissement des résistances électriques tient compte de la température de la zone solaire; 6) commande de la charge d'un ballon électro-solaire, selon la revendication 1), caractérisée en ce qu'une seule résistance est sollicitée à la fois; 7) commande de la charge d'un ballon électro-solaire, selon la revendication 1), qui intègre un système de commande qui assure le fonctionnement des deux résistances électriques en fonction de la température du ballon aux différents moments de la journée, caractérisée en ce qu'elle fonctionne aussi en fonction du signal tarifaire délivré par le réseau EDF, et de températures de consigne qui peuvent être différentes en fonction de la résistance considérée et de la présence ou non du signal tarifaire;