Brevet FR2955381A1 — publié le 20110722

La présente invention est relative à un procédé thermique destiné à valoriser l'énergie thermique basse température, dissipée notamment par les groupes de production d'eau glacée à absorption souvent intégrés dans les systèmes multi-génération. A ce jour, les groupes d'eau glacée à absorption sont utilisés selon la figure I jointe en annexes. La chaleur introduite (1) dans le groupe froid à absorption (2) est soit de la chaleur directement produite (combustion de gaz notamment) soit, de manière plus efficace, de la chaleur récupérée (eau pressurisée ou vapeur) dans un système de production d'énergie électrique. (turbines à gaz, moteurs alternatifs à gaz ou Diesel etc... ) L'eau glacée produite (3) alimente les circuits de climatisation (4) et la chaleur à basse température (somme de la chaleur introduite et du froid soustrait) est extraite, par le circuit 15 (4) dans les tours de refroidissement à évaporation d'eau (5) équipées de ventilateurs (6) Les groupes de production d'eau glacée à absorption sont souvent intégrés à des centrales de production d'énergie électrique (turbines ou moteurs alternatifs gaz ou Diesel) dans des centrales de cogénération ou tri-génération : production d'électricité, de chaleur et de froid 20 permettant d'augmenter considérablement le rendement sur l'énergie primaire. Les régulations par automates associées à ces installations utilisent la chaleur disponible dans les différents circuits, la complémentent si nécessaire, pilotent l'évacuation de la chaleur en excès si les circuits ne peuvent absorber toute l'énergie thermique produite par les 25 turbines ou moteurs, cet excès est dissipé par les réfrigérants des générateurs. (échangeur eau/eau ou aéro-réfrigérant) Dans tous les cas, la chaleur basse température extraite des groupes d'eau glacée à absorption n'est pas utilisée. L'invention valorise l'énergie basse température des groupes d'eau glacée intégrés dans des 30 systèmes multi-génération. Suivant une caractéristique de l'invention, une pompe à chaleur est utilisée pour, côté évaporateur, absorber la chaleur basse température du groupe d'eau glacée, et, côté condenseur, restituer cette chaleur à un niveau de température plus élevé. La suppression des 35 tours de refroidissement augmente le rendement global du système. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le circuit thermique, côté condenseur de la pompe à chaleur, est mélangé aux autres circuits de récupération à des niveaux de température supérieurs afin d'utiliser la pompe à chaleur avec le plus faible différentiel de température possible compatible avec un transfert efficace de la chaleur vers les circuits 40 consommateurs. Le faible différentiel de température entre l'évaporateur et le condenseur permet les coefficients de performance très élevés recherchés. 45 Suivant une autre caractéristique de l'invention, une régulation comparant les mesures des paramètres thermiques du système, les courbes pré-enregistrées de consommations thermiques horaires et journalières, et l'état des circuits consommateur permet, à tout moment, d'utiliser la totalité de la chaleur disponible par l'aiguillage anticipé de l'énergie dans les différents circuits. 50 Suivant une autre caractéristique de l'invention, une régulation complémentaire de la précédente ajuste la température de condensation de la pompe à chaleur au niveau le plus bas compatible avec le transfert thermique vers les circuits consommateurs, après mélange aux autres circuits de récupération. Ce bas niveau de température, ajusté en temps réel en 55 fonction de l'état des circuits consommateurs, permet, à tout moment, de fonctionner avec le meilleur coefficient de performance possible de la pompe à chaleur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit, et à l'examen de la figure Il jointe en annexes, qui représente à titre d'exemple non limitatif un 60 mode de réalisation de l'invention. La figure II représente l'invention intégrée à un système de pluri-génération d'électricité et de chaleur. L'énergie thermique étant utilisée pour des besoins différents. 65 Dans la figure II, la machine entraînante (1) de la génératrice électrique (ici un moteur gaz ou Diesel) est solidaire de la génératrice entraînée (2). Un premier circuit de récupération de chaleur valorise les gaz d'échappements (3) dans un échangeur thermique (4) afin de générer de l'eau chaude pressurisée ou de la vapeur dans le circuit (6). Les gaz d'échappements à une température supérieure à la température de condensation de ses composants sont évacués 70 dans le conduit (5). Le groupe d'eau glacée par absorption (7) peut être à simple ou mufti-étage. Son générateur est alimenté en chaleur par le circuit (6), l'évaporateur alimente le circuit d'eau glacée (8) et la chaleur à basse température (30 °C) est évacuée du condenseur et de l'absorbeur par le circuit (9). 75 Le circuit (9) de chaleur basse température (30 °C) est refroidi par l'évaporateur de la pompe à chaleur (10), elle-même entrainée par le moteur électrique (11). La pompe à chaleur (10) a deux fonctions : la première est de refroidir le condenseur et l'absorbeur du groupe d'eau glacée (7), au travers du circuit (9). La seconde est d'élever 80 l'énergie thermique basse température du circuit (9) à un niveau de température utilisable par les circuits consommateurs de chaleur. Le niveau de température en sortie de condenseur de la pompe à chaleur (circuit 12) sera maintenu en permanence au minimum nécessaire afin de faire fonctionner la pompe à chaleur avec un coefficient de performance élevé grâce à une faible différence de température entre les circuits évaporateur et condenseur. Le haut niveau 85 du coefficient de performance de la pompe à chaleur est essentiel pour le rendement énergétique global. Ce haut rendement par faible différence de température entre les circuits évaporateur et condenseur est rendu possible par l'élévation de la température de l'énergie produite dans le circuit (12), par mélange avec la chaleur à plus haute température du circuit eau du moteur alternatif (1) dans le circuit (13) et, à certaines périodes du cycle, avec le 90 circuit récupéré sur l'échappement (6 bis), ainsi que, éventuellement, avec d'autres circuit de récupération ou de génération. Dans le mode de réalisation de l'innovation de la figure II, les utilisations de l'énergie thermique sont : le groupe d'eau glacée à absorption, la génération d'eau chaude sanitaire 95 (15) et le dessalement d'eau de mer par évapo-condensation (16), l'eau douce étant stockée dans le réservoir (18). L'élévation en température du circuit (12) par adjonction des autres circuits de récupération permet d'atteindre le niveau de température requis par le transfert de température vers les 100 circuits d'utilisation de la chaleur (15) et (16) de la figure II. L'ensemble des paramètres énergétiques est géré par l'armoire de contrôle et régulation et de commande (20) et les liaisons d'instrumentation marquées en pointillées sur la figure II. 105 Outre les fonctions de régulation classique, cette armoire de régulation par automate (20) assure en permanence : la régulation dynamique de l'ensemble des paramètres, la maximisation de la chaleur gratuite récupérée dans les différents circuits et le maintient au plus haut du coefficient de performance de la pompe à chaleur (10). 110 En fonction de la puissance électrique produite par la génératrice (2), la régulation anticipe les puissances thermiques récupérables dans les circuits de cogénération : sur les gaz d'échappements (3) ainsi que sur le circuit eau du carter moteur (13). Les besoins thermiques des circuits de récupération d'énergie sont également connus par 115 mesure et mémorisation des courbes d'évolution. Dans le mode de réalisation de la figure II, la quantité d'énergie frigorifique absorbée par le circuit (8) est mesurée et comparée aux courbes typiques mémorisées pour anticiper son évolution horaire et journalière. La quantité de chaleur disponible dans le circuit (6bis) sera 120 ainsi déterminée par calcul. Il en va de même pour les puissances thermiques nécessaires et leurs évolutions dans les circuits d'eau-chaude sanitaire (15) et de dessalement d'eau de mer (16). Cette unité de régulation analyse en temps réel l'ensemble des paramètres de puissance 125 électrique, frigorifique et thermique demandés par les différents circuits intégrants ces valeurs et les comparant aux courbes typiques mémorisée. L'armoire de régulation (20) commande les organes de réglage afin de permettre la récupération maximale de la chaleur par anticipation des réglages en fonction des variations des paramètres énergétiques mesurés par rapport aux paramètres attendus (mis en mémoire). 130 De plus, l'armoire de régulation (20) maintiendra le coefficient de performance de la pompe à chaleur (10) au plus haut, en maintenant la température dans le circuit (12) au minimum de l'utilisable dans les systèmes (15) et (16) après lui avoir ajouté l'énergie thermique des circuits (13), (6bis) et, éventuellement, d'autres circuits de récupération, et, ou de génération. 135 Grâce à ces anticipations sur l'ensemble des circuits générateurs et consommateurs de chaleur, la régulation permet de récupérer la totalité de l'énergie cogénérée par une utilisation toujours optimale des flux dans les différents circuits consommateurs ou vers les stockages d'énergie thermique (eau chaude ou eau glacée) ou vers le stockage du résultat du 140 travail de l'énergie thermique tel l'eau dessalée. La régulation permet donc un aiguillage anticipé de l'énergie thermique vers, si nécessaire, le stockage d'eau glacée (19) ou l'eau chaude sanitaire (15), ainsi que vers le bassin d'eau dessalée (18). 145 De plus, l'armoire de régulation pilote la température de condensation de la pompe à chaleur afin que celle-ci travaille en permanence avec le meilleur coefficient de performance possible. Régulant la température de condensation de la pompe à chaleur (10), elle pilote la température de l'eau dans le circuit (12). Cette température sera en permanence ajustée afin 150 de maximiser le coefficient de performance et la récupération. Exemple de régulation du système décrit dans la figure II : si le système à un instant t ne nécessite pas de besoin de dessalement et que la totalité de la chaleur du circuit d'échappement (6) est consommée par le groupe d'eau glacé (7) (pas d'énergie thermique 155 dans le circuit (6bis)). Si le stockage d'eau chaude sanitaire est à 55°C, le transfert thermique avec une différence de température de 5°C se fait avec de l'eau à 60°C. La régulation pilote la température de condensation de la pompe à chaleur afin que son circuit (12), mélangé au circuit eau-moteur 160 (13), soit à 60°C. La température dans le circuit (12) sera donc la plus basse possible dans cette situation donnée et permettra donc le meilleur coefficient de performance possible de la pompe à chaleur. Cela reste possible dans tous les états du système. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à la génération d'électricité dans 165 les sites isolés dont les besoins de chaleur sont importants, qu'ils soient utilisés directement ou transformés. Revendications1- Procédé de valorisation de l'énergie utilisant une pompe à chaleur afin d'utiliser l'énergie thermique basse température dissipée notamment par les groupes de production d'eau glacée à absorption, et dont l'énergie thermique récupérée en aval de la pompe à chaleur est mélangée à d'autres circuits de récupération et/ ou de génération afin d'atteindre 175 la température minimale d'utilisation de cette énergie dans les différents circuits consommateurs en maintenant le coefficient de performance le plus élevé possible. 2- Procédé de valorisation selon la revendication 1 utilisant une régulation permettant de maximiser l'énergie thermique récupérée en adaptant par anticipation les paramètres de 180 réglage après analyse des variations mesurées et comparaison aux courbes typiques. Une telle régulation permettant de toujours utiliser la chaleur récupérée vers les circuits consommateurs ou vers unités de stockage d'énergie thermique (exemple : eau chaude/eau glacée) ou des résultats de l'utilisation de l'énergie thermique (exemple : eau dessalée) 185 3- Procédé de valorisation selon les revendications 1 et 2, qui utilise une régulation couplée à la précédente qui pilote la température de condensation de la pompe à chaleur. Le réglage de la température de condensation permet, après mélange avec les autres circuits de cogénération un transfert thermique efficace vers les circuits consommateurs. Cela permet de maintenir le coefficient de performance de la pompe à chaleur au plus haut dans toutes les 190 configurations du système.