Brevet FR2979976A1 — publié le 20130315

- 1 - DISPOSITIF DE PRODUCTION D'EAU CHAUDE À PARTIR D'UN CHAUFFE-EAU THERMODYNAMIQUE ET PROCÉDÉS DE FONCTIONNEMENT DOMAINE D'APPLICATION DE L'INVENTION La présente invention a trait au domaine de la production de l'eau chaude sanitaire dans un bâtiment d'habitation et notamment aux adaptations permettant d'optimiser les performances d'un chauffe-eau thermodynamique. DESCRIPTION DE L'ART ANTÉRIEUR On constate dans les maisons dites "basse consommation" que les besoins en eau chaude sanitaire deviennent le poste le plus consommateur d'énergie. Afin de réaliser des économies d'énergie sur ce poste, il existe des chauffe-eau thermodynamiques et notamment des chauffe-eau thermodynamiques sur air qui utilisent l'énergie de l'air pour chauffer, au moyen d'un module thermodynamique, l'eau sanitaire évitant ou diminuant ainsi le recours à d'autres énergies. Ces chauffe-eau, notamment lorsqu'ils fonctionnent grâce à un échange thermique avec l'air extérieur, présentent néanmoins des inconvénients. Par exemple, leur performance est soumise à variation. En effet, ce type de chauffe-eau nécessite un débit constant d'air pour faire fonctionner correctement son circuit frigorifique. Or, comme la température de l'air varie avec les saisons, les performances du chauffe-eau se dégradent quand l'air se refroidit et augmentent lorsque l'air est plus chaud. De plus, ce chauffe-eau ne supporte pas les températures extrêmes d'air extérieur. En effet, lorsque l'air extérieur est trop froid, le module thermodynamique est susceptible de givrer et est donc mis en arrêt de sécurité. De même, lorsque l'air extérieur est trop chaud, le module thermodynamique se met également en arrêt de - 2 - sécurité. DESCRIPTION DE L'INVENTION Partant de cet état de fait, la demanderesse a mené des recherches visant à apporter une solution pour 5 augmenter les performances d'un chauffe-eau thermodynamique fonctionnant avec de l'air extérieur. Ces recherches ont abouti à la conception d'un dispositif de chauffage de l'eau à des fins de production d'eau chaude sanitaire comprenant un chauffe-eau 10 thermodynamique utilisant l'air issu tout ou partiellement d'un capteur à air, où le chauffe-eau comprend un circuit primaire dans lequel circule l'eau chaude sanitaire et un circuit secondaire dans lequel circule l'eau chauffée par l'air issu du capteur à air au moyen d'un système 15 thermodynamique. Selon l'invention, ledit dispositif est remarquable en ce qu'il comprend une batterie air-eau par laquelle passe l'air issu du capteur à air avant de s'introduire dans le système thermodynamique du chauffe-eau, de façon à ce que l'énergie récupérée par l'eau de la 20 batterie contribue à la production d'eau chaude du chauffe-eau. Cette association nouvelle permet d'utiliser un air plus chaud que celui prélevé en plein air. Ainsi, l'air fourni au chauffe-eau est beaucoup moins froid et permet 25 d'agrandir la plage de température d'utilisation du chauffe-eau thermodynamique en rendant le risque de givrage beaucoup plus éloigné. L'association à un tel capteur permet ainsi d'augmenter les performances thermiques du dispositif 30 ainsi que sa durée de fonctionnement en atteignant moins rapidement son seuil bas de température. Bien que la technologie de chauffe-eau thermodynamique et que différentes mises en oeuvre d'un capteur à air existent, leur association n'est en rien 35 évidente. En effet, une telle association implique que le seuil haut de température de fonctionnement est atteint - 3 - plus rapidement. Le dispositif de l'invention solutionne ce problème technique en ce qu'il intercale une batterie air/eau entre le capteur à air et le système thermodynamique du chauffe- eau. L'utilisation d'une batterie air/eau permet de changer de fluide de transmission de l'énergie en passant d'un air chaud à une eau chaude qui vient contribuer au chauffage de l'eau du chauffe-eau. Comme il n'y a pas de risque de surchauffe de l'eau, il n'y a plus de risque lié à la surchauffe de l'air. Cette caractéristique est particulièrement avantageuse en ce qu'elle solutionne le problème technique résultant de l'association entre un chauffe-eau thermodynamique fonctionnant avec l'air extérieur avec un capteur à air proposant un air plus chaud et donc susceptible de faire atteindre le seuil haut de température de fonctionnement plus rapidement. Selon une caractéristique particulièrement avantageuse, ladite batterie air-eau est raccordée sur le circuit secondaire du chauffe-eau thermodynamique pour directement assurer le chauffage de l'eau circulant dans ledit circuit secondaire. Pour mettre en oeuvre cette solution technique, la batterie air/eau est associée à des canalisations se raccordant aux deux extrémités du circuit secondaire au moyen de vannes trois voies. La mise en oeuvre de la solution de l'invention est donc particulièrement simple et peu onéreuse. Le dispositif de l'invention permet ainsi l'utilisation des chauffe-eau thermodynamiques actuels et peut être adapté aux installations existantes utilisant des chauffe-eau thermodynamiques sur air extérieur ou même en association avec les chauffe-eau thermodynamiques sur air extrait. Le dispositif de l'invention permet une augmentation 35 des performances thermiques toute l'année et une augmentation de la période d'utilisation. - 4 - Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, ledit chauffe-eau est du type à deux serpentins, un des serpentins étant dédié à la circulation de l'eau issue de la batterie air-eau. Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse, ledit chauffe-eau comprend un serpentin à détente directe et un serpentin dédié à la circulation de l'eau issue de la batterie air-eau. Le capteur à air est un air extérieur soumis à un 10 réchauffement grâce à une installation, comme par exemple l'air de ventilation sous toiture, l'air de ventilation du dos d'un capteur photovoltaïque, l'air circulant dans un capteur solaire à air dédié, etc... Un autre objet de l'invention concerne le procédé de 15 fonctionnement du dispositif qui répartit les rôles entre le système thermodynamique classique dont le seuil bas de température extérieure de fonctionnement a été repoussé et le module comprenant la batterie air-eau qui vient assurer le chauffage de l'eau par le circuit secondaire du 20 chauffe-eau, une fois le seuil haut de température extérieure de fonctionnement atteint. Selon l'invention, ce procédé est remarquable en ce qu'il consiste, lorsque l'air issu du capteur atteint une température que ne peut supporter le système 25 thermodynamique, à arrêter la circulation de l'eau du circuit secondaire dans le système thermodynamique du chauffe-eau thermodynamique et à faire circuler dans ledit circuit secondaire l'eau de la batterie air/eau intermédiaire. 30 Selon une autre caractéristique ledit procédé consiste à faire fonctionner simultanément la batterie air-eau et le système thermodynamique du chauffe-eau. POur ce faire, les débits des différents circuits sont ajustés selon les températures et les rendements thermiques des 35 deux systèmes. Les concepts fondamentaux de l'invention venant - 5 - d'être exposés ci-dessus dans leur forme la plus élémentaire, d'autres détails et caractéristiques ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui suit et en regard des dessins annexés, donnant à titre d'exemple non limitatif, de plusieurs modes de réalisation conformes à l'invention. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 est un dessin schématique d'un mode de réalisation d'un dispositif de production d'eau chaude 10 sanitaire conforme à l'invention illustrant le premier type de fonctionnement; La figure 2 est le dessin schématique de la figure 1 illustrant le deuxième type de fonctionnement; La figure 3 est un dessin schématique d'un autre 15 mode de réalisation d'un dispositif de production d'eau chaude sanitaire conforme à l'invention; La figure 4 est un dessin schématique d'un autre mode de réalisation d'un dispositif de production d'eau chaude sanitaire conforme à l'invention. 20 DESCRIPTION DES MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS Tel qu'illustré sur le dessin des figures 1 et 2, le dispositif, référencé D dans son ensemble, assure la production d'eau chaude EC sanitaire pour l'habitation H qu'il équipe. 25 Ce dispositif D comprend un chauffe-eau thermodynamique 100 exploitant l'air extérieur et, conformément à l'invention, l'air extérieur issu d'un capteur à air 200 disposé sur la toiture de l'habitation H. Ce chauffe-eau 100 comprend un circuit primaire 30 comportant un réservoir d'eau 110 alimenté en eau froide EF et produisant de l'eau chaude sanitaire EC grâce à un échange thermique avec un circuit secondaire comprenant un serpentin 120 dans lequel circule une eau chauffée. Cette eau est chauffée par l'air issu du capteur à air 200 au 35 moyen d'un module thermodynamique 130 qui comprend notamment un condenseur d'eau 131. Pour ce faire, une - 6 - conduite 210 relie le capteur d'air 200 au module thermodynamique 130 du chauffe-eau. Comme illustrée sur le dessin de la figure 1, la circulation de l'air chauffé issu du capteur vers le module thermodynamique 130 est symbolisée par les flèches Fl. La circulation de l'eau du circuit secondaire venant échanger avec ledit air est illustrée par les flèches F2. Comme cela est expliqué plus haut, l'utilisation d'un air extérieur issu d'un capteur à air évite d'utiliser l'air extérieur direct, lequel en cas de chute de température, pouvait mettre en arrêt le module thermodynamique. L'utilisation d'un module intermédiaire de type capteur à air permet de chauffer préalablement ledit air extérieur avant qu'il ne soit introduit dans le module thermodynamique et de faire fonctionner ce dernier malgré la chute de température de l'air extérieur et au-delà du seuil bas habituellement défini. Conformément à l'invention, le dispositif D est en outre équipé d'une batterie air/eau 300 qui, lorsque l'air issu du capteur à air 200 dépasse le seuil haut de fonctionnement, va elle-même servir d'interface entre l'air trop chaud issu de capteur et le chauffe-eau 100. Cette batterie 300 est intercalée entre le capteur à air 200 et l'entrée d'air du système thermodynamique 130 du chauffe-eau 100 de sorte que l'air issu du capteur 200 passe systématiquement préalablement par ladite batterie 300. Conformément à l'invention, à partir d'une certaine température d'air, l'eau de la batterie 300 va être mise en mouvement pour proposer un échange thermique. L'eau de la batterie 300 va alors venir directement alimenter le circuit secondaire et donc le serpentin 120, le module thermodynamique d'échange avec l'air 130 étant alors à l'arrêt. La circulation de l'eau issue de la batterie 300 et venant circuler dans le circuit secondaire est illustrée par les flèches F3. Pour ce faire, une - 7 - dérivation est installée sur le circuit secondaire au moyen de canalisations 310 et 230 venant se connecter aux deux extrémités du circuit secondaire en aval du condenseur 131. Des vannes trois voies 311 et 321 assurent l'activation ou l'arrêt de la dérivation selon le seuil de température prédéfini. Selon un autre procédé de fonctionnement non illustré, les deux échangeurs fonctionnent simultanément en ajustant les débits des différents circuits selon les températures et les rendements thermiques des deux systèmes. L'eau circulerait alors aussi bien selon les flèches F2 (dans le serpentin 120 jusqu'au condenseur 131) que F3 (dans le serpentin 120 jusqu'à la batterie 300). La figure 3 illustre un autre mode de réalisation d'un dispositif D' conforme à l'invention où le chauffe- eau 100' est du type à deux serpentins 120' et 140'. Comme illustré, un des serpentins 140' est alors dédié à la circulation de l'eau issue de la batterie air/eau 300'. La figure 4 illustre un autre mode de réalisation d'un dispositif D" conforme à l'invention où ledit chauffe-eau comprend un serpentin à détente directe 120" et un serpentin 140" dédié à la circulation de l'eau issue de la batterie air-eau 300". Ces configurations évitent l'installation d'une dérivation du circuit secondaire. Néanmoins, les principes de fonctionnement restent les mêmes. On comprend que le dispositif et les procédés, qui viennent d'être ci-dessus décrits et représentés, l'ont été en vue d'une divulgation plutôt que d'une limitation. Bien entendu, divers aménagements, modifications et améliorations pourront être apportés à l'exemple ci-dessus, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Ainsi par exemple, selon un autre mode de réalisation 35 non illustré, la boucle d'eau passant dans l'échangeur supplémentaire (la batterie) est disposé non en parallèle - 8 - tel que présenté ci-dessus mais en série avec le passage dans l'échangeur fluide-eau de sorte que l'eau passe en série dans les deux échangeurs. 10 15 20 25 30 35 REVENDICATIONS1. Dispositif (D) de chauffage de l'eau à des fins de production d'eau chaude sanitaire, comprenant un chauffe-eau thermodynamique (100) utilisant l'air issu tout ou partiellement d'un capteur à air (200), où le chauffe-eau (100) comprend un circuit primaire dans lequel circule l'eau chaude sanitaire et un circuit secondaire dans lequel circule l'eau chauffée par l'air issu du capteur à air (200) au moyen d'un système thermodynamique (130), CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QU'il comprend une batterie air-eau (300) par laquelle passe l'air issu du capteur à air (200) avant de s'introduire dans le système thermodynamique du chauffe-eau (130), de façon à ce que l'énergie récupérée par l'eau de la batterie (300) contribue à la production d'eau chaude du chauffe-eau. 2. Dispositif (D) selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE le capteur à air (200) est mis en oeuvre par : - de l'air de ventilation sous toiture, ou - de l'air de ventilation du dos d'un capteur photovoltaïque, ou - de l'air circulant dans un capteur solaire à air dédié. 3. Dispositif (D) selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE ladite batterie air-eau (300) est raccordée sur le circuit secondaire du chauffe-eau thermodynamique (100) pour directement assurer le chauffage de l'eau circulant dans ledit circuit secondaire. 4. Dispositif (D) selon la revendication 1, 30 CARACTÉRISÉE PAR LE FAIT QUE la batterie air-eau (300) est associée à des canalisations (310, 320) se raccordant aux deux extrémités du circuit secondaire au moyen de vannes à trois voies (311, 321). 5. Dispositif (D') selon la revendication 1, 35 CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE ledit chauffe-eau (100') est du type à deux serpentins (120', 140'), un des serpentins- 10 - (140') étant dédié à la circulation de l'eau issue de la batterie air-eau (300'). 6. Dispositif (D") selon la revendication 1 CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT ledit chauffe-eau (100") comprend un serpentin à détente directe (120") et un serpentin (140") dédié à la circulation de l'eau issue de la batterie air-eau (300"). 7. Procédé de fonctionnement du dispositif (D) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, CARACTÉRISÉ EN CE QU'il consiste, lorsque l'air issu du capteur (200) atteint une température que ne peut supporter le système thermodynamique (130), à arrêter la circulation de l'eau du circuit secondaire dans le système thermodynamique du chauffe-eau thermodynamique et à faire circuler dans ledit circuit secondaire l'eau de la batterie air/eau intermédiaire (300). 8. Procédé de fonctionnement du dispositif (D) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, CARACTÉRISÉ EN CE QU'il consiste à faire fonctionner simultanément la batterie air-eau (300) et le système thermodynamique (130) du chauffe-eau (100). 30 35