Brevet FR3035484A1 — publié le 20161028

Système de production d'eau chaude La présente invention concerne un système de production d'eau chaude notamment sanitaire ou de chauffage. On connaît déjà dans l'état de la technique, des systèmes de production pour ce type d'applications. Ces systèmes de production sont, par exemple, des chauffe-eaux à accumulation, des chauffe-eaux instantanés, des pompes à chaleur ou encore des chauffe-eaux solaires. Ces systèmes utilisent diverses sources d'énergie comme, par exemple, l'électricité, le gaz naturel, l'air extérieur ou l'énergie solaire. Mais tous ces systèmes présentent un certain nombre d'inconvénients, en particulier de coût pour l'utilisateur, d'impact écologique et de continuité dans la production d'eau chaude en cas de défaillance du système de production. Le but de l'invention est de résoudre ces problèmes. A cet effet, l'invention a pour objet un système de production d'eau chaude notamment sanitaire ou de chauffage, caractérisé en ce qu'il comporte : - une première capacité tampon de préchauffage d'eau, associée à des moyens formant préparateur thermodynamique comportant au moins une pompe à chaleur, et raccordée en entrée à une arrivée d'eau, et délivrant en sortie de l'eau à une première température, et - une deuxième capacité tampon de chauffage d'eau, associée à des moyens formant module de cogénération comportant des moyens de motorisation à combustion interne d'entraînement de moyens de production d'énergie électrique d'alimentation des moyens formant préparateur thermodynamique, et comportant des premiers moyens d'échange thermique avec les moyens de motorisation, pour alimenter en eau à une deuxième température, supérieure à la première, des deuxièmes moyens d'échange thermique, recevant en entrée de l'eau à la première température de sortie de la première capacité tampon, pour délivrer de l'eau chaude notamment sanitaire ou de chauffage, à une troisième température, comprise entre les première et deuxième températures. Suivant d'autres caractéristiques du système selon l'invention prises seules ou en combinaison : - la première température est d'environ 40 °C ; - la deuxième température est d'environ 85°C; - la troisième température est d'environ 60 °C ; 3035484 2 - les moyens de motorisation à combustion interne comportent des moyens formant moteur choisis dans le groupe comprenant : - un moteur à gaz naturel, - un moteur au biogaz, 5 - un moteur à l'huile ; - le système comporte des moyens formant automate de supervision du fonctionnement des différents moyens de celui-ci ; - l'automate est adapté pour mettre en oeuvre les modes de fonctionnement suivants : 10 - un mode de fonctionnement normal, dans lequel les moyens formant module de cogénération et les moyens formant préparateur thermodynamique fonctionnent nominalement, - un premier mode de fonctionnement dégradé, dans lequel les moyens formant module de cogénération sont à l'arrêt et les moyens formant préparateur 15 thermodynamique sont pilotés pour amener la première capacité tampon à délivrer une eau en sortie environ à la troisième température, - un deuxième mode de fonctionnement dégradé, dans lequel les moyens formant préparateur thermodynamique sont à l'arrêt et les moyens formant module de cogénération alimentent des moyens de chauffage électrique associés à la deuxième 20 capacité tampon, - un troisième mode de fonctionnement dégradé, dans lequel les moyens formant module de cogénération et les moyens formant préparateur thermodynamique sont à l'arrêt et les moyens de chauffage électrique associés à la deuxième capacité tampon, sont raccordés à un réseau de distribution électrique ; 25 - les moyens de chauffage électrique associés à la deuxième capacité tampon, comprennent des thermoplongeurs électriques ; - la pompe à chaleur des moyens formant préparateur thermodynamique comporte une batterie de récupération de chaleur de préchauffage, placée en amont de ceux-ci ; - la pompe à chaleur des moyens formant préparateur thermodynamique comporte 30 au moins un motoventilateur placé en amont de ceux-ci. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant au dessin annexé qui représente un schéma synoptique fonctionnel d'un système de production selon l'invention. Comme cela a été indiqué précédemment, l'invention se rapporte à un système de 35 production d'eau chaude. 3035484 3 Cette eau chaude produite est, par exemple, utilisée comme eau chaude sanitaire ou comme eau de chauffage. Le système selon l'invention est désigné par la référence générale 10 sur la figure et comporte une première capacité tampon 12 de préchauffage d'eau. 5 En entrée, cette première capacité tampon 12 est raccordée à une arrivée d'eau, désignée par la référence générale 14. Cette arrivée 14 est constituée par exemple par une arrivée d'eau fraîche délivrée par une source d'eau quelconque. Cette première capacité tampon 12 est associée à des moyens formant 10 préparateur thermodynamique 16. Ces moyens formant préparateur thermodynamique 16 comprennent de façon classique, par exemple, une pompe à chaleur et seront décrits plus en détails par la suite. Ceci permet alors à la première capacité tampon 12, de délivrer en sortie, telle que désignée par la référence générale 18, une eau chauffée à une première température. 15 Cette première température est, par exemple, de l'ordre de 40°C environ. Le système selon l'invention comporte également une deuxième capacité tampon 20 de chauffage d'eau. Cette deuxième capacité tampon 20 de chauffage d'eau est associée à des premiers moyens d'échange thermique 22 de refroidissement de moyens formant module 20 de cogénération 24. Ces moyens formant module de cogénération 24 comportent en effet des moyens de motorisation 26 à combustion interne, d'entrainement de moyens de production d'énergie électrique 28. L'énergie électrique produite par ces moyens de production 28, permet d'alimenter 25 les moyens formant préparateur thermodynamique 16 comme cela est schématisé sur cette figure. L'association avec les premiers moyens d'échange thermique 22 de refroidissement des moyens formant module de cogénération 24, permet alors à la deuxième capacité tampon 20 de délivrer en sortie 30, une eau chauffée à une deuxième 30 température, supérieure à la première température. Cette deuxième température est, par exemple, de l'ordre de 85°C environ. La sortie 30 de cette deuxième capacité tampon 20 est associée à des deuxièmes moyens d'échange thermique désignés par la référence générale 32. Ces deuxièmes moyens d'échange thermique 32 reçoivent, en outre, en entrée, 35 de l'eau chauffée à la première température délivrée par la première capacité tampon 12. 3035484 4 Ceci permet alors aux deuxièmes moyens d'échange thermique 32, de délivrer en sortie 34, une eau chauffée à une troisième température, comprise entre les première et deuxième températures. Cette troisième température est, par exemple, de l'ordre de 60°C environ. 5 Cette eau est alors utilisable comme eau sanitaire ou de chauffage. Les moyens de motorisation 26 à combustion interne d'entrainement de moyens de production d'énergie électrique 28 d'alimentation des moyens formant préparateur thermodynamique 16 peuvent, bien entendu, se présenter sous différentes formes. Ainsi, ces moyens de motorisation 26 à combustion interne comportent, par 10 exemple, des moyens formant moteur à gaz naturel, moteur au biogaz, moteur à huile, etc... Ceux-ci sont alors alimentés en carburant comme schématisé par la flèche C. Comme cela est illustré sur la figure, les moyens formant préparateur thermodynamique 16 présentent, par exemple, une structure de pompe à chaleur. 15 De façon classique, une telle structure de pompe à chaleur comporte un circuit formé par un évaporateur 36, un compresseur 38, un condenseur 40 et un détendeur 42. Avantageusement une batterie de récupération de chaleur de préchauffage désignée par la référence générale 44 sur cette figure, est placée en amont de l'évaporateur 36, par exemple de préférence au niveau d'une arrivée d'air neuf 46 des 20 moyens formant préparateur thermodynamique 16. Une telle batterie de récupération de chaleur 44 est propre, par exemple, à capter toute énergie de récupération comme par exemple, l'énergie contenue dans les fumées dégagées par les moyens formant module de cogénération 24. Bien entendu, d'autres sources d'énergie de récupération à capter par la batterie 25 de récupération de chaleur 44 sont envisageables. Cette batterie de récupération de chaleur 44 permet d'augmenter le coefficient de performance (COP) des moyens formant préparateur thermodynamique 16. Avantageusement, ces moyens formant préparateur thermodynamique 16 comportent également au moins un motoventilateur 48. 30 Ce motoventilateur 48 est également avantageusement placé en amont de l'évaporateur 36 pour augmenter de la même façon, le COR des moyens formant préparateur thermodynamique 16. Cette position du motoventilateur 48 permet en effet de transférer la chaleur dégagée lors de son fonctionnement à l'évaporateur 36. 35 Ainsi, le COR des moyens formant préparateur thermodynamique 16 est, par exemple, compris entre 4 et 5. 3035484 5 Bien sûr, d'autres modes de réalisation sont possibles. Dans le mode de réalisation décrit, les moyens formant préparateur thermodynamique 16 comportent par exemple, comme on l'a vu, une pompe à chaleur. Selon les besoins de puissance, il est possible d'utiliser plusieurs pompes à 5 chaleur modulaires en association les unes avec les autres. Il est également possible, selon les besoins, de coupler plusieurs modules de cogénération tels qu'ils viennent d'être décrits. Le fonctionnement de l'ensemble du système 10 selon l'invention et des différents moyens décrits est, par exemple, piloté par des moyens formant automate de supervision. 10 En particulier, ces moyens formant automate de supervision sont adaptés pour assurer le bon fonctionnement des moyens formant préparateur thermodynamique 16 avec les moyens formant module de cogénération 24. A titre d'exemple, les moyens formant automate de supervision contrôlent le démarrage ou l'arrêt des moyens formant module de cogénération 24, gèrent l'équilibre 15 des différentes énergies électriques consommées et produites, calculent en temps réel le coût de l'eau chaude produite par le système, remontent par exemple vers un centre délocalisé de supervision, des informations de caractérisation technique et de performance du système, etc... En outre, les moyens formant automate de supervision régulent la production de 20 chaleur par les moyens formant préparateur thermodynamique 16 et par les moyens formant module de cogénération 24. Les moyens formant automate de supervision sont, par exemple, intégrés aux moyens formant préparateur thermodynamique 16. Mais là encore, d'autres variantes sont envisageables. 25 Les moyens formant automate de supervision sont ainsi adaptés pour mettre en oeuvre plusieurs modes de fonctionnement dont au moins un mode normal et un ou plusieurs modes dégradés. Dans un premier mode de fonctionnement dit normal, les moyens formant automate de supervision mettent en oeuvre un pilotage nominal tel qu'il vient d'être décrit 30 des moyens formant module de cogénération 24 et des moyens formant préparateur thermodynamique 16. Dans un premier mode de fonctionnement dégradé, les moyens formant module de cogénération 24 sont à l'arrêt. Les moyens formant préparateur thermodynamique 16 sont alors pilotés pour 35 amener la première capacité tampon 12 à délivrer en sortie 18, une eau à environ la troisième température, c'est-à-dire 60°C. 3035484 6 Une vanne trois voies, désignée par la référence générale 50 sur cette figure, permet alors notamment d'isoler la deuxième capacité tampon 20 des deuxièmes moyens d'échange thermique 32. Les moyens formant automate de supervision sont également adaptés pour gérer 5 un deuxième mode de fonctionnement dégradé, dans lequel les moyens formant préparateur thermodynamique 16 sont à l'arrêt. Dans ce cas, l'électricité produite par les moyens de production 28 des moyens formant module de cogénération 24, alimente des moyens de chauffage électrique 52, intégrés dans la deuxième capacité tampon 20. 10 Ces moyens de chauffage électrique 52 sont, par exemple, des thermoplongeurs électriques. Bien entendu, d'autres variantes sont envisageables. Ceci permet alors à la deuxième capacité tampon 20 de délivrer en sortie une eau à environ la troisième température, c'est-à-dire 60°C. 15 Enfin, dans un troisième mode de fonctionnement dégradé, les moyens formant préparateur thermodynamique 16 et les moyens formant module de cogénération 24 sont tous à l'arrêt. Les moyens de chauffage électrique 52 intégrés dans la deuxième capacité tampon 20, sont alors raccordés à un réseau de distribution électrique désigné par la 20 référence générale 54 sur cette figure. Le fonctionnement du système 10 selon l'invention va maintenant être décrit en fonctionnement normal. Les moyens formant préparateur thermodynamique 16 préchauffent l'eau contenue dans la première capacité tampon 12, alimentée par une arrivée d'eau 14. L'eau 25 délivrée par cette première capacité tampon 12, est alors à une température d'environ 40°C. Parallèlement, les premiers moyens d'échange thermique 22 de refroidissement de moyens formant module de cogénération 24, chauffent l'eau contenue dans la deuxième capacité tampon 20, à une température d'environ 85°C. 30 Les moyens de motorisation 26 à combustion interne entraînent les moyens de production d'énergie électrique 28, cette énergie électrique alimentant alors les moyens formant préparateur thermodynamique 16. L'eau contenue dans la deuxième capacité tampon 20 circule en circuit fermé, dans les deuxièmes moyens d'échange thermique 32, alimentés en eau en entrée, par la 35 première capacité tampon 12. 3035484 7 Ces deuxièmes moyens d'échange thermique 32 délivrent alors en sortie 34, une eau chauffée à une troisième température d'environ 60°C. On conçoit qu'un tel système, qui fait fonctionner en simultané des moyens formant préparateur thermodynamique 16 avec des moyens formant module de 5 cogénération 24, présente l'avantage de produire de l'eau chaude à un coût réduit, les moyens formant module de cogénération 24 alimentant en électricité les moyens formant préparateur thermodynamique 16 et chauffant l'eau préchauffée par ces derniers. L'impact écologique d'un tel système selon l'invention est, par ailleurs, plus faible que les systèmes connus dans l'état de la technique. 10 De plus, en cas de panne des moyens formant préparateur thermodynamique 16 et/ou des moyens formant module de cogénération 24, les modes dégradés pilotés par les moyens formant automate de supervision décrits ci-dessus, permettent d'assurer une continuité dans la production d'eau chaude. REVENDICATIONS1.- Système de production d'eau chaude (10) notamment sanitaire ou de chauffage, caractérisé en ce qu'il comporte : - une première capacité tampon (12) de préchauffage d'eau, associée à des moyens formant préparateur thermodynamique (16) comportant au moins une pompe à chaleur, et raccordée en entrée à une arrivée d'eau (14), et délivrant en sortie (18) de l'eau à une première température, et - une deuxième capacité tampon (20) de chauffage d'eau, associée à des moyens formant module de cogénération (24) comportant des moyens de motorisation (26) à combustion interne d'entraînement de moyens de production d'énergie électrique (28) d'alimentation des moyens formant préparateur thermodynamique (16), et comportant des premiers moyens d'échange thermique (22) avec les moyens de motorisation (26), pour alimenter en eau à une deuxième température, supérieure à la première, des deuxièmes moyens d'échange thermique (32), recevant en entrée de l'eau à la première température de sortie de la première capacité tampon (12), pour délivrer de l'eau chaude notamment sanitaire ou de chauffage, à une troisième température, comprise entre les première et deuxième températures. 2.- Système de production d'eau chaude, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première température est d'environ 40°C. 3.- Système de production d'eau chaude, selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la deuxième température est d'environ 85°C. 4.- Système de production d'eau chaude, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la troisième température est d'environ 60°C. 5.- Système de production d'eau chaude, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de motorisation (26) à combustion interne comportent des moyens formant moteur choisis dans le groupe comprenant : - un moteur à gaz naturel, - un moteur au biogaz, - un moteur à l'huile. 3035484 9 6.- Système de production d'eau chaude, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens formant automate de supervision du fonctionnement des différents moyens de celui-ci. 5 7.- Système de production d'eau chaude, selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'automate est adapté pour mettre en oeuvre les modes de fonctionnement suivants : - un mode de fonctionnement normal, dans lequel les moyens formant module de 10 cogénération (24) et les moyens formant préparateur thermodynamique (16) fonctionnent nominalement, - un premier mode de fonctionnement dégradé, dans lequel les moyens formant module de cogénération (24) sont à l'arrêt et les moyens formant préparateur thermodynamique (16) sont pilotés pour amener la première capacité tampon (12) à 15 délivrer une eau en sortie environ à la troisième température, - un deuxième mode de fonctionnement dégradé, dans lequel les moyens formant préparateur thermodynamique (16) sont à l'arrêt et les moyens formant module de cogénération (24) alimentent des moyens de chauffage électrique (52) associés à la deuxième capacité tampon (20), 20 - un troisième mode de fonctionnement dégradé, dans lequel les moyens formant module de cogénération (24) et les moyens formant préparateur thermodynamique (16) sont à l'arrêt et les moyens de chauffage électrique (52) associés à la deuxième capacité tampon (20), sont raccordés à un réseau de distribution électrique (54). 25 8.- Système de production d'eau chaude, selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de chauffage électrique (52) associés à la deuxième capacité tampon (20), comprennent des thermoplongeurs électriques. 9.- Système de production d'eau chaude, selon l'une quelconque des 30 revendications précédentes, caractérisé en ce que la pompe à chaleur des moyens formant préparateur thermodynamique (16) comporte une batterie de récupération de chaleur (44) de préchauffage, placée en amont de ceux-ci. 10.- Système de production d'eau chaude, selon l'une quelconque des 35 revendications précédentes, caractérisé en ce que la pompe à chaleur des moyens 3035484 10 formant préparateur thermodynamique (16) comporte au moins un motoventilateur (48) placé en amont de ceux-ci.