Brevet FR2970071A1 — publié le 20120706

DISPOSITIF DE RECUPERATION DE LA CHALEUR SUR LES EAUX GRISES. L'invention est relative à un dispositif de récupération de la chaleur sur les eaux grises, comprenant un échangeur de chaleur entre les eaux grises et un fluide à réchauffer, en particulier sur les rejets d'eau sanitaire (hors WC). L'expression "eaux grises" désigne des eaux sales peu chargées, relativement tièdes ou chaudes dont la température variable est généralement comprise dans une plage de 15° à 50°C. De telles eaux grises proviennent de différentes sources : cuisine, salle de bains, douches, buanderie, ateliers, usines, etc. L'invention concerne essentiellement, mais non exclusivement, des habitations et immeubles résidentiels ou tertiaires, notamment des hôtels ou des hôpitaux, dans lesquels des colonnes verticales d'évacuation sont dédiées aux eaux grises. La température de telles eaux grises peut varier rapidement et à tout moment dans la plage indiquée de 15 à 50°C, par exemple par suite de la vidange de baignoire, de lave-vaisselle et de lave-linge. On estime que la production moyenne d'eaux grises par habitant, en France, est d'environ 150 litres par jour, la température moyenne des eaux grises étant évaluée entre 20° et 25°C, selon la consommation d'eau chaude. En outre, le débit d'évacuation des eaux grises est très variable selon les périodes de la journée, avec un maximum le matin et le soir, et un minimum durant la nuit. La chaleur sensible de ces eaux grises représente une source d'énergie, généralement perdue, mais qui pourrait être avantageusement récupérée pour les besoins de chauffage d'un bâtiment, d'une habitation, ou pour la production d'eau chaude sanitaire ou pour toute autre utilisation thermique industrielle. 3o Du fait des apports calorifiques des équipements thermoélectriques domestiques (lave-vaisselle, lave-linge), la quantité de chaleur contenue dans les eaux grises est significative. Malheureusement, cette énergie se trouve dégradée par dilution avec de l'eau froide en provenance d'autres utilisations, et la présence de cette énergie dans les eaux grises est rarement concomitante 35 en adéquation avec les besoins intermittents en chaleur. Un échangeur de chaleur liquide/liquide à flux croisés, notamment de type tubulaire ou à plaques, permet de transmettre par échange indirect la chaleur des eaux grises vers un fluide secondaire propre. Cette solution performante en termes d'échange indirect présente un risque important de colmatage en raison de la nature des eaux grises particulièrement chargées en matières organiques et en corps gras. De plus, du fait de la non-concomitance des besoins en chaleur et de l'évacuation des eaux tièdes (par exemple vidange d'un bain, ou d'un lave-vaisselle), la récupération par échanges directs présente une performance énergétique globale très réduite. Par ailleurs, le débit instantané élevé des eaux grises a un impact sur le dimensionnement de l'équipement de récupération de chaleur qui doit 1 o avoir une puissance d'échange calorifique installé importante, ce qui pénalise les investissements. L'énergie des eaux grises disponible comme source chaude est parfaitement adaptée à un dispositif de production de chaleur couplé avec une pompe à chaleur et permet d'obtenir un coefficient de performance (COP) 15 élevé. L'invention a pour but, surtout, de fournir un dispositif qui permet d'améliorer la récupération de chaleur des eaux grises, tout en réduisant les risques de colmatage. Il est souhaitable que ce dispositif demeure d'une construction simple, robuste et économique. 20 Selon l'invention, le dispositif de récupération de la chaleur d'eaux grises comprend un échangeur de chaleur entre les eaux grises et un fluide secondaire, en particulier de l'eau sanitaire hors WC, et est caractérisé en ce que: - il comprend un réservoir de stockage d'eaux grises s'étendant 25 verticalement, alimenté en partie inférieure en eaux grises et propre à assurer une séparation naturelle densimétrique de l'eau dont le flux le plus chaud se concentre en partie supérieure du réservoir, et le flux le plus froid en partie inférieure, - et l'échangeur de chaleur est disposé au niveau de la partie 30 supérieure du réservoir pour une transmission de la chaleur à travers la paroi du réservoir, une évacuation de l'eau froide étant prévue à un niveau inférieur à celui de l'arrivée des eaux grises. Généralement, le réservoir étanche est fermé par une paroi en partie 35 haute. Avantageusement, le réservoir est cylindrique et comporte une entrée d'eau tangentielle, provoquant un effet cyclone. Le réservoir peut comporter en partie inférieure une goulotte de sortie, en particulier tronconique. Le dispositif de récupération peut comporter soit un dispositif d'évacuation automatique par manchon souple, en particulier par vanne à membrane, notamment à ouverture à une pression hydrostatique définie, soit un dispositif d'évacuation d'eau en forme de siphon. De préférence, l'échangeur de chaleur comprend une enveloppe entourant la partie supérieure du réservoir et déterminant une chambre annulaire dont la paroi intérieure est constituée par la paroi du réservoir cylindrique. L'échangeur de chaleur peut comporter des ailettes immergées dans le fluide secondaire de récupération de chaleur. Les ailettes peuvent être en aluminium ou en acier, de forme circulaires, ou en spirale, ou droites. Les ailettes peuvent être fixées à la surface extérieure de la paroi du réservoir pour augmenter l'échange calorifique par conduction et convection. L'échangeur de chaleur peut constituer l'évaporateur d'une pompe à chaleur. Le dispositif de récupération peut comporter une vessie gonflable disposée sous la paroi de fermeture du réservoir avec un racleur ajusté à la paroi du réservoir, le gonflage de la vessie permettant la vidange et le nettoyage du réservoir. Le dispositif peut également comporter un mini compresseur pour la production d'air comprimé pour le gonflage de la vessie. Le dispositif peut être équipé d'un bipasse sur la conduite d'arrivée des eaux usées, avec vanne de commande, permettant une évacuation directe des eaux grises, en particulier en cas de nettoyage ou de colmatage du réservoir. Le fluide secondaire à réchauffer peut être constitué par de l'eau. Le réservoir est de préférence construit en matériau métallique ou matériau composite résistant à la corrosion. Le réservoir et les conduites sont calorifugés. Le dispositif peut être couplé à au moins un panneau solaire de chauffage de fluide, le fluide chaud provenant du panneau solaire constituant le fluide secondaire et chauffant le liquide contenu dans le réservoir. Dans ce cas, le réservoir est utilisé comme un hydro accumulateur pour le stockage de chaleur. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci- dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits avec référence aux dessins annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins : Fig. 1 est une coupe schématique verticale, avec parties en extérieur, d'un dispositif de récupération de chaleur selon l'invention. Fig. 2 est une section horizontale suivant la ligne II-II de Fig. 1. Fig. 3 montre, semblablement à Fig. 1 mais à plus petite échelle, une variante de réalisation du dispositif de récupération avec vessie dégonflée et Fig. 4 montre, semblablement à Fig. 3, le dispositif de récupération avec vessie gonflée. En se reportant à Fig. 1 et 2 des dessins, on peut voir un dispositif D de récupération de la chaleur d'eaux grises qui proviennent d'une colonne 1 o verticale 1 d'évacuation formant collecteur d'entrée dédié aux eaux grises dans un bâtiment. La colonne 1 est équipée d'un clapet anti-retour 2. Le dispositif D comprend un réservoir 3 de stockage des eaux grises s'étendant verticalement. De préférence, comme illustré sur Fig. 1 et 2, le réservoir 3 est cylindrique de révolution d'axe vertical, fermé de manière 15 étanche en partie haute par une paroi 4. Le réservoir 3 comporte, en partie inférieure, une conduite d'alimentation 5, essentiellement horizontale, reliée à la colonne 1 et assurant une entrée d'eau tangentielle dans le réservoir 3, comme illustré sur Fig. 2. Au-dessous de la conduite 5, le réservoir 3 comporte une goulotte 6 20 tronconique dont l'extrémité inférieure de plus petite section est raccordée à une tubulure cylindrique 7 d'évacuation de l'eau. Une vanne 8 est prévue dans la tubulure 7 pour l'évacuation de l'eau, cette vanne étant avantageusement du type à membrane à ouverture totale à la pression hydrostatique, ceci de manière à conserver le réservoir toujours plein, tout en permettant l'évacuation 25 de l'eau qui arrive. En particulier, la vanne 8 peut être prévue pour s'ouvrir progressivement lorsque la pression hydrostatique atteint une hauteur d'eau H correspondant à la hauteur du clapet 2 au-dessus de la vanne 8. Le clapet 2 se trouve à une hauteur supérieure à celle de la paroi haute 4 du réservoir 3. Un autre dispositif d'évacuation d'eau située en partie basse du 3o réservoir peut être constitué d'un siphon dont la hauteur est celle du réservoir. Dans cette disposition, la vanne 8 constitue un dispositif de vidange en cas de nettoyage du réservoir. L'entrée tangentielle de l'eau dans le réservoir 3 assure un effet de centrifugation, en particulier sur les particules en suspension dans l'eau, et, en 35 combinaison avec la goulotte tronconique 6, produit une décantation et une séparation dynamique du type cyclone. L'eau froide et les particules lourdes sont ainsi évacuées dans la partie basse du réservoir. Un conduit de bipasse 10 est prévu entre l'extrémité inférieure de la colonne 1 au-dessous du raccordement avec la conduite 5 et la conduite 9 d'évacuation reliée à la tubulure 7. Le conduit 10 de bipasse permet de contourner le réservoir 3 et d'évacuer directement les eaux grises vers la conduite 9 notamment en cas de colmatage ou de mise hors service pour nettoyage du réservoir 3. Un clapet, ou vanne, de bipasse 11, de préférence à ouverture automatique, est prévu au-dessous du raccordement de la conduite 5, à l'entrée du conduit 10. Le réservoir 3 et les conduites sont calorifugés. Le réservoir est de préférence construit en matériau métallique ou matériau composite résistant à la corrosion. Un échangeur de chaleur externe 12 est prévu au niveau de la partie supérieure du réservoir 3 pour une transmission de chaleur à travers la paroi de ce réservoir 3. L'échangeur de chaleur 12 comprend une enveloppe 13 cylindrique entourant la partie supérieure du réservoir 3 et déterminant une chambre annulaire 14 dont la paroi intérieure est constituée par la paroi du réservoir 3. Une entrée d'eau fraîche 15 est prévue en partie basse de l'échangeur 12 tandis que la sortie d'eau réchauffée 16 est prévue en partie haute de l'échangeur 12. La sortie 16 est reliée par exemple à un ballon d'eau chaude sanitaire ou à une pompe à chaleur (non représentés). Des ailettes 17 d'échange thermique sont prévues dans l'espace annulaire 14 pour être immergées dans le fluide secondaire de récupération de chaleur qui circule dans cet espace 14. Les ailettes 17 sont avantageusement fixées sur la surface extérieure de la paroi du réservoir 3. Ces ailettes 17 peuvent être circulaires, ou en spirale, ou droites. Elles sont avantageusement réalisées en aluminium ou en acier. Le réservoir 3 forme un accumulateur de chaleur permettant une séparation densimétrique, statique et dynamique de l'eau qui entre tangentiellement en partie inférieure. 3o Du fait de la différence de densité entre les flux d'eaux chaudes et froides, une séparation naturelle diphasique des eaux à différentes températures se produit dans la zone de cyclonage, c'est-à-dire la zone d'entrée de la conduite 5. Les eaux froides descendent dans la goulotte 6 et les eaux chaudes montent progressivement pour se positionner à une température 35 voisine de celle qui existe à l'intérieur du réservoir 3. La stratification naturelle de l'eau à l'intérieur du réservoir 3 permet de constituer et de conserver en permanence une réserve d'eau plus chaude en partie haute et d'évacuer l'eau froide en partie basse sans mélange avec l'eau chaude stockée. L'écart de température entre le haut et le bas du réservoir 3 peut être relativement important, de plusieurs dizaines de degrés, comme dans un ballon de production d'eau chaude sanitaire. La température de l'eau dans la partie haute du réservoir peut être de l'ordre de 40-45° et dans la partie basse de l'ordre de 15-20°. L'échange calorifique entre les eaux grises chaudes stockées dans le réservoir 3 en partie haute et le fluide caloporteur qui arrive par l'entrée 15 se produit par conduction au travers de la paroi 3, selon un courant méthodique (croisé) entre les gradients de température. A l'intérieur de la chambre annulaire les ailettes 17, 1 o qui peuvent être en contact avec les deux parois de la chambre annulaire 14, permettent d'augmenter significativement l'échange calorifique. Le réservoir 3 et les conduites sont entièrement calorifugés de manière à limiter les déperditions calorifiques statiques. Pour une eau fraîche entrant en 15 à une température d'environ 12- 15 16°C, l'eau réchauffée en sortie 16 peut se trouver à une température de 30-40°C. Selon une variante, le fluide traversant la chambre annulaire 14 de l'échangeur 12 est un fluide frigorigène qui est évaporé par la chaleur provenant des eaux grises, l'échangeur de chaleur 12 constituant alors l'évaporateur d'une 20 pompe à chaleur (non représentée). En se reportant aux Fig. 3 et 4, on peut voir une variante de réalisation du dispositif de récupération D qui comporte une vessie gonflable 18 disposée sous la paroi haute 4 avec un racleur 19. Ce racleur est constitué par un anneau rigide dont la périphérie est ajustée à la périphérie interne de la 25 paroi du réservoir 3. Ce racleur est disposé du côté de la vessie 18 opposé au couvercle 4 de manière à gratter la paroi du réservoir 3 lorsqu'il est repoussé par la vessie gonflée. Sur Fig. 3, la vessie est représentée à l'état dégonflé. Un tuyau 20 d'alimentation en air comprimé de la vessie traverse la paroi 4 et est relié à une 30 source d'air comprimé, notamment un mini-compresseur électrique 21. Les différents éléments du dispositif de récupération de Fig. 3 et 4 identiques à des éléments déjà décrits à propos des figures précédentes sont désignés par les mêmes références sans que leur description soit reprise. La mise en marche du mini-compresseur 21 permet de gonfler la 35 vessie 18 comme illustré sur Fig. 4 et de repousser le racleur 19 pour chasser mécaniquement les dépôts accumulés sur la surface interne de la partie supérieure du réservoir 3. Le bipasse 10 permet de vidanger complètement et périodiquement le réservoir 3 pour évacuer les particules légères qui pourraient s'accumuler dans sa partie supérieure. Le réservoir 3 dynamique ayant une fonction d'accumulateur d'eau chaude, son volume et sa géométrie seront adaptés au débit d'évacuation des eaux grises du bâtiment auquel il est affecté. Afin d'utiliser au mieux l'énergie potentiellement récupérable, une pompe à chaleur (non représentée) peut être prévue pour prélever cette chaleur et la distribuer vers les utilisations de chauffage et de production d'eau chaude sanitaire avec ou sans stockage intermédiaire dans un second accumulateur de 1 o chaleur eau propre ou à changement de phase. La mise en place d'un dispositif de récupération selon l'invention, avec réservoir 3 stratifié à séparation diphasique dynamique équipé d'un échangeur de chaleur externe 12 intégré présente de nombreux avantages : - performance de récupération d'énergie élevée du fait du contact prolongé ; 15 - séparation statique et dynamique des flux d'eaux froides et chaudes ; - séparation dynamique des corps lourds par cyclonage centrifuge ; - aucun risque de colmatage de l'échangeur externe ; - accumulateur de chaleur multi-usage : chauffage et production d'eau chaude sanitaire ; 20 - volume de stockage réduit par rapport à un stockage de la totalité des eaux grises mélangées. L'accumulateur de chaleur constitué par le réservoir 3 peut être utilisé également pour stocker de la chaleur provenant d'un fluide, notamment 25 de l'eau, chauffé par panneaux solaires. Dans ce cas, le réservoir 3 fonctionnerait en échange calorifique inversé pendant les périodes de production de chaleur solaire, l'intérêt étant d'utiliser la capacité de stockage. Dans ce cas, l'eau chaude des panneaux solaires traverserait la chambre annulaire 14 pour contribuer au chauffage de l'eau stockée dans la partie 30 supérieure du réservoir 3. Applications Le dispositif de l'invention peut être utilisé pour la récupération de chaleur sur les colonnes d'évacuation des eaux grises dans les habitations et 35 les immeubles, hôpitaux, industries avec rejets thermiques en particulier par fournées. Le dispositif peut également être utilisé pour la récupération de chaleur sur les eaux d'un traitement avec des rejets chargés ou non à différentes températures, ainsi que pour le stockage de chaleur provenant de l'eau de panneaux solaires ; dans ce cas, c'est le circuit d'eau propre qui réchauffera le stockage d'eaux grises. La chaleur récupérée par le dispositif de l'invention peut être utilisée pour le chauffage de bâtiments ou à des fins domestiques, notamment eau chaude sanitaire, préchauffage de l'eau d'un lave-vaisselle ou d'un lave-linge. La vanne de vidange hydrostatique 8 automatique est du type à manchon souple. L'échangeur externe 12 forme avantageusement évaporateur d'une 1 o pompe à chaleur. Le dispositif de l'invention permet une récupération maximale de la chaleur des eaux tièdes, une évacuation directe des eaux froides, une évacuation gravitaire des corps lourds, et aussi une évacuation des éléments légers (graisse, cheveux, etc.). 15 Le dispositif est fiable, mécaniquement simple, peu coûteux, et d'un entretien réduit. Le dispositif stocke l'eau tiède évacuée pour prolonger l'échange avec l'eau fraîche à réchauffer, tandis que l'eau froide est évacuée directement sans échange avec l'eau à réchauffer. Ceci est obtenu par stratification 20 naturelle séparant les flux froid et chaud. Le courant « méthodique » entre les fluides contribue à augmenter l'efficacité d'échange thermique du dispositif. REVENDICATIONS1. Dispositif de récupération de la chaleur sur les eaux grises comprenant un échangeur de chaleur entre les eaux grises et un fluide secondaire, en particulier de l'eau sanitaire hors WC, caractérisé en ce que : - il comprend un réservoir (3) de stockage d'eaux grises s'étendant verticalement, alimenté en partie inférieure en eaux grises et propre à assurer une séparation naturelle densimétrique de l'eau dont le flux le plus chaud se concentre en partie supérieure du réservoir, et le flux le plus froid 1 o en partie inférieure, - et l'échangeur de chaleur (12) est disposé au niveau de la partie supérieure du réservoir (3) pour une transmission de la chaleur à travers la paroi du réservoir, une évacuation de l'eau froide étant prévue à un niveau inférieur à celui de 15 l'arrivée (5) des eaux grises. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réservoir étanche (3) est fermé par une paroi (4) en partie haute. 20 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le réservoir (3) est cylindrique et comporte une entrée d'eau tangentielle, provoquant un effet cyclone. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 25 caractérisé en ce que le réservoir (3) comporte en partie inférieure une goulotte de sortie (6), en particulier tronconique. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'évacuation automatique, en 30 particulier par vanne à membrane ou par siphon. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (12) comprend une enveloppe (13) entourant la partie supérieure du réservoir et déterminant une chambre 35 annulaire (14) dont la paroi intérieure est constituée par la paroi du réservoir cylindrique. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (12) comporte des ailettes (17) immergées dans le fluide secondaire de récupération de chaleur. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (12) constitue l'évaporateur d'une pompe à chaleur. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 1 o caractérisé en ce qu'il comporte une vessie gonflable (18) disposée sous la paroi (4) de fermeture du réservoir avec un racleur (19) ajusté à la paroi du réservoir, le gonflage de la vessie permettant la vidange et le nettoyage du réservoir. 15 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte un mini compresseur (21) pour la production d'air comprimé pour le gonflage de la vessie (18). 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce qu'il comporte un bipasse (10) sur la conduite d'arrivée des eaux usées, avec clapet de commande (11), permettant une évacuation directe des eaux grises, en particulier en cas de nettoyage ou de colmatage du réservoir. 25 12. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la vanne de vidange (8) est une vanne à membrane à ouverture à la pression hydrostatique. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 3o caractérisé en ce que le réservoir (3) est construit en matériau métallique ou matériau composite résistant à la corrosion. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réservoir (3) et les conduites sont calorifugés. 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est couplé à au moins un panneau solaire de chauffage de fluide, le fluide chaud provenant du panneau solaire 35constituant le fluide secondaire et chauffant le liquide contenu dans le réservoir, lequel est utilisé comme un hydro accumulateur pour le stockage de chaleur.5