Brevet FR2999684A1 — publié le 20140620

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un dispositif de pré- paration d'eau chaude sanitaire comportant un réservoir tampon principal couplé thermiquement à une installation de chauffage et ayant une sortie d'eau chaude reliée à une pompe, le réservoir étant relié en position géodésique basse par une conduite d'alimentation à une source d'alimentation, et au moins un point de puisage. L'invention se rapporte également à un procédé de gestion d'un tel dispositif de préparation d'eau chaude sanitaire. Etat de la technique Il est connu selon l'état de la technique d'alimenter un point de puisage par une conduite d'eau froide et une conduite d'eau chaude. La conduite d'eau froide relie en général directement la source d'alimentation au point de puisage par exemple le réseau public de dis- tribution d'eau ou d'une citerne. La source d'alimentation alimente la conduite d'eau chaude couplée à une installation de chauffage relevant de manière appropriée la température de l'eau. Pour disposer d'une quantité suffisante d'eau chaude, la conduite d'eau chaude est souvent équipée d'un réservoir tampon. Le réservoir contient le liquide qui est chauffé lorsque l'eau chaude n'est pas prélevée au point de puisage. Il suffit alors d'une installation de chauffage de faible puissance pour fournir toujours une quantité suffisante d'eau chaude. On connaît également des installations de chauffage équipées de collecteurs solaires et de pompes à chaleur dont l'apport thermique s'étend en général sur des périodes longues qui ne coïncident pas avec le puisage de l'eau. Pour prélever l'eau chaude au point de puisage la difficulté est que il faut tout d'abord rincer l'eau froide de la conduite d'eau chaude de sorte qu'au point de puisage on ne dispose de l'eau chaude qu'après un certain temps. Cela se traduit également par de l'eau froide gâchée. Pour y remédier on connaît selon l'état de la technique les systèmes à circuit, avec circulation d'eau dans une conduite de circulation reliant le point de puisage à la conduite d'eau chaude et à un réservoir tampon. Une pompe fait circuler au moins à des moments fixés de la journée, du fluide chaud par la conduite d'eau chaude et la con- duite de circulation de façon à disposer beaucoup plus rapidement d'eau chaude au point de puisage. Mais cela se fait au prix d'une forte déperdition calorifique dans les conduites. Cela correspond également à un coût de chauffage et aussi à des émissions polluantes dans le cas d'installation de chauffage utilisant du combustible fossile. Un autre inconvénient de l'état de la technique est que le volume important du réservoir tampon ne peut se chauffer que lentement, par exemple parce que l'installation qui fournit la chaleur est à puissance limitée. Or, précisément, les pompes à chaleur sont très effi- caces mais du fait de leurs coûts élevés les pompes à chaleur sont plu- tôt faiblement dimensionnées. En cas de fortes décharges du réservoir tampon, on ne disposera pas d'eau chaude pendant un temps relativement long. En outre, pour charger un réservoir tampon du point de vue énergétique, le volume d'eau chaude se met en partie haute. L'eau froide dans la région inférieure du réservoir tampon convient le mieux pour absorber l'énergie du fait de la plus forte différence de température et c'est pourquoi ce volume d'eau est de préférence équipé de l'installation de chauffage. Mais dans ces conditions, il n'y aura pas un volume d'eau chaude homogène dans le réservoir tampon, disponible pour le point de puisage. Dans le cas de collecteurs solaires, il faut en outre veiller à ce que l'eau chaude distribuée par la conduite d'eau chaude ne dépasse pas une température limite. En effet, les utilisateurs risquent de s'ébouillanter au point de puisage. C'est pourquoi la charge du réservoir tampon est souvent limitée à une température limite de sorte que l'énergie disponible n'est pas utilisée. En revanche au moment de fortes consommation d'eau chaude, il faut souvent chauffer en complément avec du courant électrique ou la chaleur fournie par un combustible fossile. But de l'invention La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des solutions connues et de développer un dispositif de préparation d'eau chaude sanitaire ainsi qu'un procédé de gestion d'un tel dispositif avec une efficacité élevée, une faible déperdition calorifique et une fourniture rapide d'eau chaude sanitaire au point de puisage. De plus, le dispositif de préparation d'eau chaude sanitaire doit être simple à installer, à réaliser et économique. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, la présente invention a pour objet un dispositif de préparation d'eau chaude sanitaire comportant un réservoir tampon principal couplé thermiquement à une installation de chauffage et ayant une sortie d'eau chaude reliée à une pompe (10), le réservoir étant relié en position géodésique basse par une conduite d'alimentation à une source d'alimentation, et au moins un point de puisage, dispositif ayant les caractéristiques suivantes : - un point de puisage relié par une conduite d'eau froide à la source d'alimentation, - le point de puisage est relié par une conduite d'eau chaude à la sortie d'eau chaude, - le point de puisage étant caractérisé en ce que * la conduite d'eau chaude comporte un réservoir auxiliaire et la conduite d'eau chaude entre et sort du réservoir auxiliaire dans une position géodésique haute, * le réservoir auxiliaire est relié au réservoir tampon principal en position géodésique basse par une conduite de retour, et * la conduite de retour comporte un clapet anti-retour qui se ferme en direction du réservoir auxiliaire. Le réservoir auxiliaire encore appelé « réservoir-dépôt », réduit la longueur de la conduite d'eau chaude dans laquelle au mo- ment du prélèvement d'eau chaude au point de puisage, passe d'abord de l'eau froide. De façon préférentielle, le réservoir auxiliaire est installé à proximité du point de puisage, par exemple dans le local du point de puisage ou directement sur le point de puisage. Le confort est ainsi d'autant plus élevé et le gaspillage d'eau, réduit. Il est relativement fa- cile de bien isoler thermiquement le réservoir auxiliaire de sorte que les déperditions calorifiques sont réduites. Dans le cas d'un prélèvement dans le réservoir auxiliaire, l'eau passe du réservoir tampon principal dans le réservoir auxiliaire. Cette eau qui arrive se refroidit certes tout d'abord dans la conduite d'eau chaude mais elle se mélange à l'eau chaude du réservoir auxi- haire. Si le volume du réservoir auxiliaire correspond à un multiple du volume de la conduite d'eau chaude entre le réservoir tampon principal et le réservoir auxiliaire, l'eau refroidie qui arrive, ne produira qu'une variation de température à peine perceptible dans le réservoir auxiliaire. Suivant la quantité d'eau chaude prélevée au point de puisage, le vo- lume du réservoir auxiliaire doit être choisi de dimension appropriée. Par exemple, pour une douche, il faut prévoir environ 40 litres d'eau. Le volume du réservoir tampon principal doit être au moins égal au volume du plus grand réservoir auxiliaire et de préférence être au moins double de ce volume. La pompe et la première conduite de retour permettent de pomper de l'eau chaude dans le réservoir auxiliaire si la température de l'eau diminue dans le réservoir auxiliaire et l'eau refroidie revient par la conduite de retour dans le réservoir tampon principal. Un clapet anti- retour évite que l'eau de la conduite de retour n'arrive dans leur réser- voir auxiliaire lorsque de l'eau est prélevée au point de puisage. Le dispositif de préparation d'eau chaude sanitaire selon l'invention est simple à réaliser, à installer et il est économique. La source d'alimentation est par exemple le réseau public d'alimentation en eau ou une citerne. Le point de puisage est de préfé- rence sous la forme d'un robinet mélangeur permettant de mélanger en proportion appropriée de l'eau froide et de l'eau chaude. Le point de prélèvement peut également comporter plusieurs conduites de sortie, par exemple dans le cas d'un double lavabo et d'une douche. Ces équipe- ments sont alors alimentés en eau chaude à partir du même réservoir auxiliaire. La conduite de retour débouche de préférence dans la moitié géodésique inférieure du réservoir auxiliaire pour que l'eau plus chaude dans les couches supérieures ne se mélange pas à l'eau plus froide qui revient. Selon un développement de l'invention, le segment de la conduite d'eau chaude entre le réservoir auxiliaire et la sortie d'eau est plus long que le segment de la conduite d'eau chaude entre le réservoir auxiliaire et le point de puisage, ce qui réduit le gaspillage d'eau au moment du puisage de l'eau chaude et réduit aussi le temps d'attente d'au moins la moitié. Ces avantages sont particulièrement bons si le segment de la conduite d'eau chaude entre le réservoir auxiliaire et la sortie d'eau chaude est au moins de longueur double de celle du tronçon de la conduite d'eau chaude entre le réservoir tampon et le point de puisage. Selon un autre développement de l'invention, le réservoir auxiliaire est relié à la source d'alimentation par une conduite de mélange elle-même équipée d'une première vanne de réglage ou de régulation. Le réservoir tampon peut ainsi recevoir également de l'eau froide notamment par l'ouverture de la première vanne. Le réservoir tampon principal peut avoir sans difficulté d'eau dont la température est supé- rieure à la température maximale souhaitée dans le réservoir auxiliaire. L'efficacité des installations de chauffage telles que des pompes à chaleur et des collecteurs solaires est particulièrement élevée. En mélangeant de l'eau froide, on peut rapidement remettre la température dans le réservoir auxiliaire à une température constante ou dans une plage de température. Suivant un développement du procédé, le réservoir tam- pon contient de l'eau chaude venant de la conduite d'eau chaude si la température de l'eau dans le réservoir tampon passe en-dessous d'une limite inférieure et l'eau froide sera fournie si la température dépasse une limite supérieure. Il est intéressant que la première vanne soit ouverte en position de base pour que tout d'abord de l'eau froide arrive. En variante, on peut avoir une alimentation régulée de façon simultanée entre l'eau froide et l'eau chaude pour maintenir constante la tempéra- ture de l'eau dans le réservoir auxiliaire. Selon un développement, la conduite d'eau chaude entre la sortie d'eau chaude et le réservoir auxiliaire comporte une seconde vanne réglable ce qui permet de limiter l'arrivée d'eau chaude par la conduite d'eau chaude dans le réservoir auxiliaire sans nécessiter pour cela un étranglement du débit de la pompe. L'alimentation en eau chaude est ainsi réglable. De façon préférentielle, la seconde vanne est fermée dans sa position de base. La seconde vanne à d'autres avantages notamment si plusieurs points de puisage sont alimentés par des conduites d'eau chaude en parallèle avec chaque réservoir auxiliaire. En effet, une unique pompe suffira pour alimenter toutes les conduites d'eau chaude ou tous les réservoirs auxiliaires. Pour disposer toujours de l'eau à la température souhaitée dans le réservoir auxiliaire il est avantageux, à titre complémentaire, que le réservoir auxiliaire comporte un capteur de température qui détermine la température de l'eau dans ce réservoir auxiliaire. Pour surveiller et réguler la première température de l'eau, il est avantageux d'utiliser un équipement qui relie une unité de régulation dans le sens de l'échange de données avec le capteur de température et dans le sens de la régulation avec la pompe ainsi qu'avec la première et la seconde vanne. En plus, l'unité de régulation peut égale- ment être reliée à l'installation de chauffage ainsi qu'à d'autres capteurs de température notamment pour surveiller la température du réservoir tampon principal. Selon un autre développement de l'invention, le réservoir auxiliaire est équipé d'un chauffage électrique complémentaire qui per- met de réchauffer l'eau dans le réservoir auxiliaire. Comme le volume du réservoir auxiliaire est en général significativement plus petit que celui du réservoir tampon principal, cette solution fonctionne avec une consommation relativement faible d'énergie électrique. Le confort de l'utilisateur est garanti si la température de l'eau dans le réservoir tam- pon principal est en-dessous de la température souhaitée au niveau du point de puisage. Cela peut se produire par exemple avec des pompes à chaleur à air aux températures faibles de l'air ambiant ou en cas d'absence de rayonnement solaire dans le cas de collecteurs solaires. De plus, le premier chauffage auxiliaire détruit les légionelles dans le réser- voir auxiliaire. Pour cela, on chauffe l'eau du réservoir auxiliaire, brièvement au-dessus d'une température définie notamment au-dessus de 65°C. La destruction des légionelles peut également se faire avec de l'eau suffisamment chaude dans le réservoir tampon auxiliaire. Cette eau peut alors circuler dans le réservoir auxiliaire et passer par la con- duite de retour. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le dispo- sitif comporte au moins deux points de puisage ; plusieurs points de puisage par exemple un lavabo, une douche et un point de rinçage peu- vent être alimentés confortablement par un seul réservoir auxiliaire. Un avantage important est que les réservoirs auxiliaires peuvent avoir des volumes différents et la température de l'eau dans ces réservoirs auxiliaires peut être différente. C'est ainsi que par exemple un grand réservoir auxiliaire avec une température élevée dans le réservoir auxiliaire peut convenir pour une baignoire ou une douche et un petit réservoir auxiliaire à température plus faible, peut être associé à un lavabo de toilettes. L'association est toutefois également possible local par local, par exemple avec la cuisine ou avec la salle de bain. Ainsi, plusieurs réservoirs auxiliaires peuvent être asso- ciés selon un montage satellite à un réservoir tampon principal. Cela est particulièrement avantageux pour un grand nombre de points de puisage d'eau chaude tous alimentés à partir d'un même réservoir tampon principal. Les liaisons des conduites d'eau chaude à la sortie d'eau chaude ne nécessitent qu'une seule pompe pour régler plusieurs tempé- ratures de réservoirs auxiliaires. Les conduites d'eau froide peuvent être reliées, ce qui réduit la longueur nécessaire des conduites grâce à des tronçons de conduite communs. Pour les mêmes raisons la conduite d'alimentation est reliée aux conduites d'eau froide de même que les conduites de mé- lange. Il est également avantageux de relier les conduites de retour pour n'avoir qu'un seul branchement sur le réservoir tampon principal. Selon un autre développement de l'invention, l'installation de chauffage est une pompe à chaleur notamment une pompe à chaleur à air. Une telle pompe est efficace dans le dispositif de préparation d'eau chaude sanitaire car elle est utilisée en continu et en dehors des moments de puisage principal au niveau des points de puisage. L'invention a également pour objet un procédé de gestion du dispositif de préparation d'eau chaude sanitaire décrit ci-dessus se- lon lequel on chauffe l'eau dans le réservoir tampon principal à l'aide d'une installation de chauffage et la température de l'eau dans le réservoir auxiliaire est maintenue au-dessus d'une température minimale en fournissant de l'eau par la conduite d'eau chaude à partir du réservoir tampon principal lorsque la température dans le premier réservoir auxi- haire est inférieure à la température minimale. Ainsi, on dispose toujours d'eau à la température minimale souhaitée dans le réservoir auxiliaire et le confort au point de puisage est élevé. La fourniture en eau à partir de la source d'alimentation doit être coupée à ce moment. Selon un développement du procédé, on maintient la température de l'eau dans le réservoir auxiliaire en-dessous de la température maximale en fournissant de l'eau à partir de la source d'alimentation si la température dans le réservoir auxiliaire est supérieure à la température maximale. En fournissant de l'eau à partir de la source d'alimentation on évite de dépasser la température maximale et on améliore le confort au point de puisage notamment en respectant l'intervalle de température entre la température maximale et la température minimale. La fourniture d'eau à partir de la conduite d'eau chaude doit tou- jours être coupée si l'eau de la source d'alimentation notamment par la conduite de mélange arrive dans le réservoir auxiliaire. La température dans le réservoir tampon principal peut se situer au-dessus de la température maximale du réservoir auxiliaire. Ainsi, le fonctionnement de la pompe à chaleur ou du collecteur solaire ne sera arrêté que rare- ment. Dans la mesure où l'installation de chauffage ne peut pas toujours relever la température de l'eau dans le réservoir auxiliaire à un niveau de température supérieur à l'intervalle de température, il est avantageux d'équiper le réservoir auxiliaire d'un moyen de chauffage complémentaire (petit moyen de chauffage). Ce moyen de chauffage est activé lorsque la température minimale ne peut être atteinte par la fourniture d'eau à partir de la conduite d'eau chaude. Pour respecter la température minimale et la température maximale, il est avantageux de prévoir une position de base ouverte pour la première vanne dans la conduite de mélange et une position de base fermée pour la seconde vanne dans la conduite d'eau chaude. Ainsi, en position de base, l'eau froide passe de la conduite d'eau froide dans le réservoir auxiliaire lorsque de l'eau est prélevée au point de prélèvement. Ce n'est que si la température dans le réservoir auxiliaire descend en-dessous de la température minimale que l'on inverse la po- sition de base des deux vannes. Cette solution à l'avantage de n'avoir une circulation active avec la pompe que pour relever la température sans prélèvement d'eau. La conduite de mélange ne nécessite ni pompe ni circulation. Dessin La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation d'un dispositif de préparation d'eau chaude sanitaire représenté par un schéma dans l'unique figure annexée. Description d'un mode de réalisation de l'invention La figure montre un dispositif de préparation d'eau chaude sanitaire 1 comprenant une conduite d'eau froide 2 reliant une source d'alimentation 3 à un premier point de puisage 4. La source d'alimentation 3 est en outre reliée par une conduite d'alimentation 17 à un réservoir tampon principal 5 en position géodésique basse. Ce ré- servoir est couplé thermiquement à une installation de chauffage 6. La conduite d'alimentation 17 et la première conduite d'eau froide 2 ont un segment de conduite commun jusqu'à la source d'alimentation 3 avant leur dérivation. Le réservoir tampon principal 5 comporte une sortie d'eau chaude 20 équipée d'une pompe 10. La sortie d'eau chaude 20 débouche notamment dans la région supérieure du réservoir tampon principal 5. Une première conduite d'eau chaude 7 relie la sortie d'eau chaude 20 au premier point de puisage 4. La première conduite d'eau chaude 7 comporte un premier réservoir auxiliaire ou réservoir-dépôt 8. La première conduite d'eau chaude 7 débouche en position géodésique haute dans le premier réservoir auxiliaire 8 pour en sortir également dans cette position. On remarque la sortie d'eau chaude 20 avec le tronçon de la première conduite d'eau chaude 7 entre le premier réser- voir auxiliaire 8 et la sortie d'eau chaude 20 qui est plus long que le tronçon de la première conduite d'eau chaude 7 entre le premier réservoir auxiliaire 8 et le premier point de puisage 4. En amont du premier réservoir auxiliaire 8, la première conduite d'eau chaude 7 comporte une seconde vanne réglable 14 qui est fermée en position de base. Pour créer une circulation en boucle, le premier réservoir auxiliaire 8 est en outre relié en position géodésique basse par une première conduite de retour 9 au réservoir tampon principal 5. La première conduite de retour 9 comporte un premier clapet anti-retour 11 qui se bloque en direction du premier réservoir auxiliaire 8. Pour que le premier réservoir auxiliaire 8 puisse également recevoir de l'eau froide, il est relié à la source d'alimentation 3 par une première conduite de mélange 12 ; cette première conduite de mélange 12 comporte une première vanne réglable 13 ouverte en position de base. Ainsi, la première conduite de mélange 12 se divise en tron- çons de conduite comprenant la conduite d'eau froide 2 et la conduite d'alimentation 17. A la fois la première conduite de mélange 12 et la première conduite de retour 9 débouche dans une position géodésique située dans la moitié inférieure du premier réservoir auxiliaire 8. Le premier réservoir auxiliaire 8 comporte un premier capteur de température 15 pour déterminer une première température d'eau T dans le premier réservoir auxiliaire 8. Ce capteur est relié à une unité de régulation 16 pour échanger des données. L'unité de régulation 16 est reliée à la pompe 10 ainsi qu'à la première et à la seconde vanne 13, 14 pour assurer la régulation. Le dispositif de préparation d'eau chaude sanitaire 1, tel que représenté, est complété par un second point de puisage 4A avec un second réservoir auxiliaire 8A ainsi qu'un autre point de puisage 4X et un autre réservoir auxiliaire 8X, hydrauliquement parallèle au pre- mier point de puisage 4 et au premier réservoir auxiliaire 8. Pour cela, la conduite d'eau froide 2 est divisée en conduites 2A, 2X et se termine en plus du premier point de puisage 4, par le second point de puisage 4A et l'autre point de puisage 4X. En plus, il y a une seconde conduite d'eau chaude 7A et une autre conduite d'eau chaude 7X partant de la sortie d'eau chaude 20. Ces conduites arrivent au second point de puisage 4A et à l'autre point de puisage 4X. La seconde conduite d'eau chaude 7A est reliée au second réservoir auxiliaire 8A et l'autre conduite d'eau chaude 7X est reliée à l'autre réservoir auxiliaire 8X. La seconde conduite et l'autre conduite d'eau chaude 7A, 7X débouchent chacune dans une position géodésique haute dans le second réservoir auxiliaire 8A ou autre un réservoir auxiliaire 8X pour en sortir également. En amont de chaque réservoir auxiliaire 8A, 8X, il y a une seconde vanne 14A, 14X respective correspondant à la seconde vanne 14 décrite ci-dessus, dans chacune des conduites d'eau chaude 7A, 7X. Le second réservoir et l'autre réservoir auxiliaire 8A, 8X sont reliés en position géodésique basse par une seconde ou autre conduite de retour 9A, 9X avec le réservoir tampon principal 5 et notamment par un tronçon commun avec la conduite de retour 9. Chacune des conduites de retour 9A, 9X comporte un clapet anti-retour 11A, 11X qui se ferme en direction du réservoir auxiliaire 8A, 8X associé. Une conduite de mélange 12A, 12X respective débouche dans le second réservoir et dans l'autre réservoir auxiliaire 8A, 8X ; chacune de ces conduites de mélange comporte une première vanne 13A, 13X correspondantes, analogues à la première 13 déjà décrite. Un capteur de température 15A, 15X est associé respectivement au second réservoir et à l'autre réservoir auxiliaire 8A, 8X pour déterminer la température de l'eau TA, TX dans le réservoir auxiliaire 8A, 8X respectif. Les lignes tracées en pointillés dirigées vers l'autre point de prélèvement 4X symbolisent graphiquement un nombre quelconque de points de puisage et de réservoirs auxiliaires correspondants c'est-à-dire d'autres points de puisage 4X et de réservoirs auxiliaires 8A associés. Toutes les vannes 13, 13A, 13X, 14, 14A, 14X, les cap- teurs de température 15, 15A, 15X, la pompe 10 et l'installation de chauffage 6 sont reliés à l'unité centrale de régulation 16 qui assure la régulation en température des réservoirs auxiliaires 8, 8A, 8X. Pour cela, l'unité de régulation 16 contient les températures minimales Tmin, TirdnA, TminX et les températures maximales Tm, TmaxA, Tmaxx pour les différents réservoirs auxiliaires 8, 8A, 8X. L'unité de régulation 16 ap- plique le procédé de l'invention. NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 1 2, 2A, 2X 3 4, 4A, 4X 5 6 7, 7A, 7X 8, 8A, 8X 9, 9A, 9X 10 11, 11A, 11X 12, 12A, 12X 13, 13A, 13X 14, 14A, 14X 15, 15A, 15X 16 17 20 TnainA, Tminx Tmax, TmaxA, Tmax.x 30 Installation de préparation d'eau chaude sani- taire Conduites d'eau froide Source d'alimentation Points de puisage Réservoir tampon principal Installation de chauffage Conduites d'eau chaude Réservoirs auxiliaires Conduites de retour Pompe Clapets anti-retour Conduites de mélange Premières vannes Secondes vannes Capteurs de température Unité de régulation Conduite d'alimentation Sortie d'eau chaude Températures minimales Températures maximales