Brevet FR2952706A1 — publié le 20110520

La présente invention se rapporte à un générateur de chaleur pour le chauffage d'un fluide caloporteur destiné au chauffage domestique et à la production d'eau chaude sanitaire, à une installation thermique comprenant un tel générateur de chaleur, ainsi qu'à un procédé de commande d'un générateur de chaleur équipant une telle installation thermique. Le chauffage domestique (radiateurs et/ou plancher chauffant) et la production d'eau chaude sanitaire peuvent être assurés par un chauffage central produit par une pompe à chaleur utilisant l'air extérieur comme source froide. Or, une diminution de la température de l'air extérieur entraîne une diminution de la puissance fournie par la pompe à chaleur. Cette diminution de la puissance fournie peut être préjudiciable car les besoins de chauffage domestique sont alors importants. A cet égard, il est connu de l'état de la technique d'associer un appoint électrique ou une chaudière d'appoint à la pompe à chaleur. Une telle association, malgré son efficacité, nécessite des connexions hydrauliques et électriques complexes, en particulier pour relier les échangeurs thermiques de la chaudière d'appoint et de la pompe à chaleur. En outre, la chaudière d'appoint et la pompe à chaleur possèdent chacune une régulation indépendante, rendant par là-même complexe à mettre 20 en oeuvre une démarche d'optimisation de leur association. La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités et concerne un générateur de chaleur pour le chauffage d'un fluide caloporteur destiné au chauffage domestique et éventuellement à la production d'eau chaude sanitaire, caractérisé en ce qu'il comporte un corps de chauffe dans 25 lequel circule le fluide caloporteur, le corps de chauffe présentant un compartiment inférieur comprenant : - des moyens d'entrée et de sortie du fluide caloporteur destinés à être reliés à un circuit de chauffage domestique, les moyens d'entrée et de sortie étant disposés respectivement dans une zone inférieure et une zone 30 supérieure du compartiment inférieur, - un premier échangeur thermique appartenant au circuit d'une pompe à chaleur, disposé dans la zone inférieure, - un second échangeur thermique, superposé au premier échangeur thermique, et relié à un système de chauffage, de préférence un 35 système de chauffage à énergie fossile. Ainsi, la présence du premier et du second échangeur thermique dans un même corps de chauffe permet de s'affranchir de connexions hydrauliques et électriques complexes. De plus, le transport de chaleur ascensionnel dans le fluide caloporteur par convection, depuis le premier échangeur thermique vers le second échangeur thermique, puis du second échangeur thermique vers la zone supérieure du compartiment inférieur du corps de chauffe, forme un étagement croissant de la température du fluide caloporteur. Cet étagement croissant de la température permet d'une part d'envisager une régulation unique de la température du fluide caloporteur dans la zone supérieure du compartiment inférieur du corps de chauffe, et d'autre part permet une démarche d'optimisation aisée de la consommation énergétique à la fois de la pompe à chaleur et du système de chauffage. Dans un mode de réalisation, le système de chauffage relié au second échangeur thermique comprend un brûleur alimenté par une source d'énergie fossile telle que le fioul ou le gaz. L'utilisation d'une énergie fossile permet d'obtenir une consommation énergétique modérée du système de chauffage dans la mesure où elle n'est utilisée que pour réaliser un chauffage d'appoint. Selon une variante de réalisation, le système de chauffage relié au second échangeur thermique comprend un foyer alimenté par une source d'énergie fossile telle que le bois ou pellets. Selon une forme d'exécution, le corps de chauffe présente un compartiment supérieur destiné à recevoir un ballon d'eau chaude sanitaire, les compartiments supérieur et inférieur du corps de chauffe étant délimités par une paroi sensiblement horizontale munie d'un orifice central. Ainsi, une telle paroi permet de favoriser la convection depuis la zone supérieure du compartiment inférieur vers le compartiment supérieur, afin de chauffer le ballon d'eau chaude sanitaire. De manière préférentielle, le compartiment supérieur du corps de chauffe comprend des moyens d'entrée du fluide caloporteur destinés à être reliés aux moyens de sortie du fluide caloporteur du compartiment inférieur du corps de chauffe. De tels moyens d'entrée du fluide caloporteur permettent 35 d'accroître le transfert de chaleur du compartiment inférieur vers le compartiment supérieur en s'additionnant à la convection depuis la zone supérieure du compartiment inférieur vers le compartiment supérieur. La présente invention se rapporte également à une installation thermique caractérisée en ce qu'elle comporte : - un générateur de chaleur conforme à l'invention, - des moyens de commande de la puissance de la pompe à chaleur et du système de chauffage, - un circuit de chauffage domestique présentant une extrémité amont et une extrémité aval, - des premiers moyens de liaison, reliant l'extrémité amont du circuit de chauffage domestique aux moyens de sortie du fluide caloporteur du compartiment inférieur du corps de chauffe, - des seconds moyens de liaison, reliant l'extrémité aval du circuit de chauffage domestique aux moyens d'entrée du fluide caloporteur du 15 compartiment inférieur du corps de chauffe. Dans un mode de réalisation, l'installation thermique comporte : - un générateur de chaleur présentant un compartiment supérieur, - un ballon d'eau chaude sanitaire disposé dans le compartiment supérieur du corps de chauffe. 20 Dans un mode de réalisation, l'installation thermique selon l'invention comporte un générateur de chaleur présentant un compartiment supérieur comprenant des moyens d'entrée du fluide caloporteur, une vanne trois voies équipant les premiers moyens de liaison et présentant : - une première voie orientée vers l'extrémité amont du circuit de 25 chauffage domestique, - une seconde voie orientée vers les moyens de sortie du fluide caloporteur du compartiment inférieur du corps de chauffe, - une troisième voie orientée vers les moyens d'entrée du fluide caloporteur du compartiment supérieur du corps de chauffe. 30 Une telle vanne permet d'orienter le fluide caloporteur depuis les moyens de sortie du fluide caloporteur du compartiment inférieur vers le circuit de chauffage domestique et vers le compartiment supérieur, tout en empêchant un retour du fluide caloporteur vers lesdits moyens de sortie. Avantageusement, les premiers moyens de liaison sont équipés 35 d'une pompe de circulation du fluide caloporteur. Une telle pompe permet d'accélérer le déplacement du fluide caloporteur depuis les moyens de sortie du compartiment inférieur du corps de chauffe vers les premiers moyens de liaison. Dans un mode de réalisation, l'installation thermique selon 5 l'invention comprend en outre : - une première sonde thermique équipant les premiers moyens de liaison, - une seconde sonde thermique équipant les seconds moyens de liaison, 10 - des moyens de régulation de la température du fluide caloporteur dans la zone supérieure du compartiment inférieur du corps de chauffe, les moyens de régulation étant reliés à la première et à la seconde sonde thermique, ainsi qu'aux moyens de commande de la puissance de la pompe à chaleur et du système de chauffage. 15 Ainsi, la présence de tels moyens de régulation permettent d'optimiser le fonctionnement de la pompe à chaleur et du système de chauffage en ne régulant qu'une seule et unique grandeur. Selon une forme d'exécution, les moyens de régulation comprennent un régulateur de type Proportionnelle-Intégrale-Dérivée (PID). 20 Un régulateur PID permet d'obtenir une régulation de la température du fluide caloporteur robuste, rapide et précise. La présente invention se rapporte enfin à un procédé de commande d'un générateur de chaleur équipant une installation thermique conforme à l'invention, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives 25 consistant à : a) commander la puissance d'une pompe à chaleur en lui assignant une température de consigne (Tc) du fluide caloporteur dans le circuit de chauffage domestique, b) effectuer une première boucle de régulation de la température 30 du fluide caloporteur (T) dans la zone supérieure du compartiment inférieur du corps de chauffe consistant à : b1) comparer la température détectée par la première sonde thermique (Ti) avec Tc, b2) réguler la température T en commandant la puissance de la 35 pompe à chaleur si Ti est différente de Tc, b3) comparer à nouveau Ti avec Tc, la première boucle de régulation étant effectuée tant que la température T est inférieure ou égale à la température maximale (Tmax) du fluide caloporteur en sortie de la pompe à chaleur correspondant à la puissance maximale de la pompe à chaleur, et ce jusqu'à ce que Ti soit égale à Tc, c) effectuer une seconde boucle de régulation dès que la température T est supérieure à Tmax, consistant à : cl) comparer Ti avec Tc, c2) réguler la température T en commandant la puissance de la 10 pompe à chaleur et la puissance du système de chauffage si Ti est différente de Tc, c3) comparer à nouveau Ti avec Tc, la seconde boucle de régulation étant effectuée jusqu'à ce que Ti soit égale à Tc. 15 La présence de telles boucles de régulation permet d'optimiser à la fois le fonctionnement de la pompe à chaleur et le fonctionnement du système de chauffage. De manière avantageuse, la seconde boucle de régulation comprend des étapes antérieures à c2) consistant à : 20 - comparer la température détectée par la seconde sonde thermique (T2) avec Tmax, - arrêter la pompe à chaleur si T2>Tmax, le cas échéant l'étape c2) consiste à réguler la température T en commandant seulement la puissance du système de chauffage si Ti est différente de Tc. 25 Ainsi, l'arrêt de la pompe à chaleur lorsque T2>Tmax permet d'éviter une consommation énergétique superflue de la pompe à chaleur qui n'a plus aucune utilité dans le cas d'espèce. L'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant à titre d'exemple non 30 limitatif, une forme d'exécution de cette installation thermique. La figure 1 est une vue schématique fonctionnelle de cette installation thermique. L'installation thermique illustrée à la figure 1 comprend un générateur de chaleur comportant un corps de chauffe 1 de forme 35 sensiblement cylindrique dans lequel circule un fluide caloporteur (non représenté), tel que de l'eau associée ou non à un antigel. Le corps de chauffe 1 présente un compartiment supérieur 2 et un compartiment inférieur 3 délimités par une paroi 4 sensiblement horizontale munie d'un orifice central 5. Le compartiment supérieur 2 est pourvu d'un ballon 6 d'eau chaude sanitaire. Le compartiment inférieur 3 comprend un condenseur 7 à tubes coaxiaux présentant un tube interne dans lequel circule le fluide caloporteur, et un tube externe dans lequel circule un fluide frigorigène. Le condenseur 7 est disposé dans une zone inférieure du compartiment inférieur 3. Le condenseur 7 appartient à un circuit thermodynamique d'une pompe à chaleur comportant un évaporateur 8, un détendeur 9 et un compresseur 10. L'installation thermique comporte également des moyens de commande de la puissance de la pompe à chaleur 7, 8, 9, 10 (non représentés). Le compartiment inférieur 3 comprend en outre un échangeur thermique 11 superposé au condenseur 7, et relié à un brûleur 12 alimenté par une source d'énergie fossile telle que le fioul ou le gaz. L'installation thermique comporte également des moyens de commande de la puissance du brûleur 12 (non représentés). En outre, le compartiment inférieur 3 est muni d'un orifice de raccordement inférieur 13 et d'un orifice de raccordement supérieur 14 ménagés respectivement dans la zone inférieure et une zone supérieure du compartiment inférieur 3, formant respectivement des moyens d'entrée et de sortie du fluide caloporteur. Le compartiment supérieur 2 est également muni d'un orifice de 25 raccordement 15 ménagé dans une zone supérieure du compartiment supérieur 2. L'installation thermique comprend en outre un circuit de chauffage domestique 16 comportant des radiateurs et/ou un plancher chauffant (non représentés), le circuit de chauffage domestique 16 présentant une extrémité 30 amont 17 et une extrémité aval 18. L'extrémité aval 18 du circuit de chauffage domestique 16 est reliée au compartiment inférieur 3 du corps de chauffe 1 par une conduite retour 19 traversant l'orifice de raccordement inférieur 13 et débouchant dans le tube interne du condenseur 7. 35 L'extrémité amont 17 du circuit de chauffage domestique 16 est reliée au compartiment inférieur 3 du corps de chauffe 1 par une conduite aller 20 équipée d'amont en aval d'une pompe de circulation 21 du fluide caloporteur et d'une vanne trois voies 22. La vanne trois voies 22 présente une première voie orientée vers l'extrémité amont 17 du circuit de chauffage domestique 16. La vanne trois voies 22 présente en outre une seconde voie orientée vers l'orifice de raccordement supérieur 14 du compartiment inférieur 3 du corps de chauffe 1. De plus, la vanne trois voies 22 présente une troisième orientée vers l'orifice de raccordement 15 du compartiment supérieur 2 du corps de chauffe 1. Par ailleurs, l'installation thermique comporte un régulateur de type Proportionnelle-Intégrale-Dérivée (non représenté) relié aux moyens de commande de la puissance de la pompe à chaleur 7, 8, 9, 10 et du brûleur 12, ainsi qu'à une première sonde thermique (non représentée), disposée dans la conduite aller 20, et une seconde sonde thermique (non représentée), disposée dans la conduite retour 19. Le procédé de commande d'un générateur de chaleur équipant cette installation thermique comprend les étapes successives consistant à : a) commander la puissance de la pompe à chaleur 7, 8, 9, 10 en lui assignant une température de consigne Tc du fluide caloporteur dans le circuit de chauffage domestique 16, b) effectuer une première boucle de régulation de la température du fluide caloporteur T dans la zone supérieure du compartiment inférieur 3 du corps de chauffe 1 consistant à : b1) comparer la température détectée par la première sonde thermique Ti avec Tc, b2) réguler la température T en commandant la puissance de la pompe à chaleur 7, 8, 9, 10 si Ti est différente de Tc, b3) comparer à nouveau Ti avec Tc, la première boucle de régulation étant effectuée tant que la température T est inférieure ou égale à la température maximale (Tmax) du fluide caloporteur en sortie du condenseur 7 correspondant à la puissance maximale de la pompe à chaleur 7, 8, 9, 10, et ce jusqu'à ce que Ti soit égale à Tc, c) effectuer une seconde boucle de régulation dès que la température T est supérieure à Tmax, consistant à : c1) comparer T1 avec Tc, c2) comparer la température détectée par la seconde sonde thermique (T2) avec Tmax, puis - arrêter la pompe à chaleur 7, 8, 9, 10 si T2>Tmax, le cas échéant réguler la température T en commandant seulement la puissance du brûleur 12 5 si Ti est différente de Tc, - si T2 REVENDICATIONS1. Générateur de chaleur pour le chauffage d'un fluide caloporteur destiné au chauffage domestique et à la production d'eau chaude sanitaire, caractérisé en ce qu'il comporte un corps de chauffe (1) dans lequel circule le fluide caloporteur, le corps de chauffe (1) présentant un compartiment inférieur (3) comprenant : - des moyens d'entrée et de sortie (13, 14) du fluide caloporteur destinés à être reliés à un circuit de chauffage domestique (16), les moyens d'entrée et de sortie (13, 14) étant disposés respectivement dans une zone inférieure et une zone supérieure du compartiment inférieur (3), - un premier échangeur thermique (7) appartenant au circuit d'une pompe à chaleur (8, 9, 10), disposé dans la zone inférieure, - un second échangeur thermique (11), superposé au premier échangeur thermique (7), et relié à un système de chauffage (12), de préférence un système de chauffage à énergie fossile. 2. Générateur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de chauffage relié au second échangeur thermique (11) comprend un brûleur (12) alimenté par une source d'énergie fossile telle que le fioul ou le gaz. 3. Générateur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de chauffage relié au second échangeur thermique (11) comprend un foyer alimenté par une source d'énergie fossile telle que le bois ou pellets. 4. Générateur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le corps de chauffe (1) présente un compartiment supérieur (2) destiné à recevoir un ballon (6) d'eau chaude sanitaire, les compartiments supérieur et inférieur (2, 3) du corps de chauffe (1) étant délimités par une paroi (4) sensiblement horizontale munie d'un orifice central (5).35 5. Générateur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le compartiment supérieur (2) du corps de chauffe (1) comprend des moyens d'entrée (15) du fluide caloporteur destinés à être reliés aux moyens de sortie (14) du fluide caloporteur du compartiment inférieur (3) du corps de chauffe (1). 6. Installation thermique caractérisée en ce qu'elle comporte : - un générateur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 5, - des moyens de commande de la puissance de la pompe à chaleur (7, 8, 9, 10) et du système de chauffage (12), - un circuit de chauffage domestique (16) présentant une extrémité amont (17) et une extrémité aval (18), - des premiers moyens de liaison (20), reliant l'extrémité amont (17) du circuit de chauffage domestique (16) aux moyens de sortie (14) du fluide caloporteur du compartiment inférieur (3) du corps de chauffe (1), - des seconds moyens de liaison (19), reliant l'extrémité aval (18) du circuit de chauffage domestique (16) aux moyens d'entrée (13) du fluide caloporteur du compartiment inférieur (3) du corps de chauffe (1). 7. Installation thermique selon la revendication 6 caractérisée en ce qu'elle comporte : - un générateur de chaleur selon la revendication 4 ou 5, - un ballon (6) d'eau chaude sanitaire disposé dans le compartiment supérieur (2) du corps de chauffe (1). 8. Installation thermique selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce qu'elle comporte un générateur de chaleur selon la revendication 5, une vanne trois voies (22) équipant les premiers moyens de liaison (20) et présentant : - une première voie orientée vers l'extrémité amont (17) du circuit de chauffage domestique (16), - une seconde voie orientée vers les moyens de sortie (14) du fluide caloporteur du compartiment inférieur (3) du corps de chauffe (1), - une troisième voie orientée vers les moyens d'entrée (15) du fluide caloporteur du compartiment supérieur (2) du corps de chauffe (1). 9. Installation thermique selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que les premiers moyens de liaison (20) sont équipés d'une pompe de circulation (21) du fluide caloporteur. 10. Installation thermique selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre : - une première sonde thermique équipant les premiers moyens de liaison (20), - une seconde sonde thermique équipant les seconds moyens de liaison (19), - des moyens de régulation de la température du fluide caloporteur dans la zone supérieure du compartiment inférieur (3) du corps de chauffe (1), les moyens de régulation étant reliés à la première et à la seconde sonde thermique, ainsi qu'aux moyens de commande de la puissance de la pompe à chaleur (7, 8, 9, 10) et du système de chauffage (12). 11. Installation thermique selon la revendication 10, caractérisée en ce que les moyens de régulation comprennent un régulateur de type Proportionnelle-Intégrale-Dérivée (PID). 12. Procédé de commande d'un générateur de chaleur équipant une installation thermique selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives consistant à : a) commander la puissance de la pompe à chaleur (7, 8, 9, 10) en 25 lui assignant une température de consigne (Tc) du fluide caloporteur dans le circuit de chauffage domestique (16), b) effectuer une première boucle de régulation de la température du fluide caloporteur (T) dans la zone supérieure du compartiment inférieur du corps de chauffe (1) consistant à : 30 b1) comparer la température détectée par la première sonde thermique (Ti) avec Tc, b2) réguler la température T en commandant la puissance de la pompe à chaleur (7, 8, 9, 10) si Ti est différente de Tc, b3) comparer à nouveau Ti avec Tc, 35 la première boucle de régulation étant effectuée tant que la température T est inférieure ou égale à la température maximale (Tmax) dufluide caloporteur en sortie de la pompe à chaleur (7, 8, 9, 10) correspondant à la puissance maximale de la pompe à chaleur (7, 8, 9, 10), et ce jusqu'à ce que Ti soit égale à Tc, c) effectuer une seconde boucle de régulation dès que la 5 température T est supérieure à Tmax, consistant à : cl) comparer Ti avec Tc, c2) réguler la température T en commandant la puissance de la pompe à chaleur (7, 8, 9, 10) et la puissance du système de chauffage (12) si Ti est différente de Tc, 10 c3) comparer à nouveau Ti avec Tc, la seconde boucle de régulation étant effectuée jusqu'à ce que Ti soit égale à Tc. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la 15 seconde boucle de régulation comprend des étapes antérieures à c2) consistant à : - comparer la température détectée par la seconde sonde thermique (T2) avec Tmax, - arrêter la pompe à chaleur (7, 8, 9, 10) si T2>Tmax, le cas 20 échéant l'étape c2) consiste à réguler la température T en commandant seulement la puissance du système de chauffage (12) si Ti est différente de Tc.