Brevet FR3029273A1 — publié le 20160603

Chauffe-eau thermodynamique à condenseur ou échangeur intégré au ballon. La présente invention a trait à un chauffe-eau de type thermodynamique, c'est-à-dire un chauffe-eau dans lequel une fraction de l'énergie calorifique destinée à chauffer l'eau dans le ballon d'accumulation d'eau chaude est fournie par une pompe à chaleur, l'autre fraction de l'énergie étant par exemple et le plus souvent électrique. La pompe à chaleur prélève les calories dans les sources habituellement utilisées dans l'habitat, à savoir l'air extérieur, l'air ambiant, l'air vicié extrait par un dispositif de ventilation mécanique contrôlée (VMC) ou - plus rarement - dans le sol par géothermie ou encore, selon un mode dit « aérosolaire », à l'aide d'un panneau extérieur qui récupère à la fois l'énergie de l'air extérieur et celle du rayonnement solaire. Dans la mesure où il capte de l'énergie déjà présente dans l'environnement, qui est par essence gratuite, un chauffe-eau thermodynamique consomme sensiblement moins d'énergie facturable qu'un chauffe-eau par exemple électrique traditionnel. Pour améliorer encore le rendement énergétique, ce type de chauffe-eau thermodynamique est souvent doté de moyens de contrôle permettant de gérer efficacement le chauffage combiné de l'eau du ballon, en fonctionnant sur la base de la pompe à chaleur seule lorsque la température de consigne le permet, ou en y associant la résistance électrique, cette dernière possibilité pouvant être mise en oeuvre de manière plus ou moins souple dépendant notamment de la durée acceptable pour atteindre la température de consigne. Les moyens de contrôle peuvent donc comporter plusieurs possibilités de réglage distinctes, actionnables manuellement ou gérées automatiquement, le passage de l'une à l'autre dans ce dernier cas impliquant la connaissance de paramètres de fonctionnement et d'états comme la température de consigne, la durée maximale allouée pour l'obtention de cette dernière, etc. Compte tenu des économies de coût au fonctionnement, les chauffe-eaux thermodynamiques remplacent progressivement ceux dont l'énergie dépend uniquement d'un approvisionnement en électricité, gaz, etc. Ce remplacement, qui marque une tendance actuelle forte, est également dû au fait que, la réglementation thermique aux niveaux français et européen évoluant, elle impose à présent l'emploi d'une part croissante d'énergie renouvelable, notamment pour la construction de nouvelles maisons individuelles. Ainsi, de nos jours, une chaudière murale est installée dans une construction pour la production d'eau de chauffage, alors que le système installé pour la production d'eau chaude sanitaire est dans la plupart des cas une solution thermodynamique. Or, les chauffe-eaux thermodynamiques disponibles sur le marché sont très différents des dispositifs classiques que l'on trouve fréquemment dans l'ancien, notamment des chauffe-eaux électriques. C'est la raison pour laquelle, actuellement, passer d'une solution tout électrique à une solution thermodynamique nécessite dans presque tous les cas le remplacement du chauffe-eau. Le champ d'application des produits thermodynamiques se limite par conséquent à des constructions nouvelles ou est assujetti à la dépose complète de produits existants pour y substituer des chauffe-eaux thermodynamiques. La présente invention remédie à ces limitations, dans la mesure où elle propose une solution technique qui permet d'utiliser l'existant, à savoir en particulier les chauffe-eaux électriques, et de les transformer en dispositifs thermodynamiques. Cela présente l'avantage supplémentaire de faire changer l'installation de catégorie au sens de la réglementation européenne, qui opère une classification liée à la performance, le chauffe-eau thermodynamique étant bien mieux classé. L'avantage économique est par ailleurs considérable, puisque seule une ou plusieurs adaptation(s) technique(s) relativement limitée(s), dont l'ampleur dépend de la solution effectivement mise en oeuvre comme on le verra dans la suite, est à présent requise. Pour remplir ces objectifs, le chauffe-eau thermodynamique à ballon d'accumulation d'eau chaude sanitaire selon la présente invention, qui comporte classiquement une bride fixée au chauffe-eau, constituée d'une plaque-tampon obstruant un orifice traversant une paroi du ballon, sur laquelle sont fixés les équipements liés au chauffage électrique de l'eau, se caractérise à titre principal en ce qu'au moins le condenseur d'une pompe à chaleur ou au moins un échangeur relié au condenseur d'une pompe à chaleur est fixé sur la plaque-tampon, de telle sorte qu'il soit disposé à l'intérieur du ballon. L'invention permet en pratique d'adapter une pompe à chaleur, quel que soit son type, à tous les types de chauffe-eaux électriques, muraux ou verticaux. Ils disposent tous d'une telle bride à plaque tampon, qui permet originellement de supporter notamment la résistance électrique de chauffage de l'eau dans le ballon, ainsi que le dispositif de protection de la cuve, une anode par exemple en magnésium. L'usage de la plaque-tampon qui obstrue l'orifice résulte en fait d'autres nécessités inhérentes à la construction de telles cuves. Ainsi, celle-ci est munie d'une surface intérieure émaillée et l'orifice sert notamment à injecter l'émail, puis à favoriser son séchage. Cette bride est par ailleurs facilement démontable, notamment dans le but de changer la résistance chauffante d'appoint ou l'anode, s'il y a lieu, ou encore de vérifier l'état d'usure de ces composants. Selon l'invention, un équipement complémentaire est donc ajouté sur la bride, un condenseur ou un échangeur qui est plongé dans le liquide à chauffer au même titre que la résistance électrique des chauffe-eaux traditionnels. Le condenseur, comme on le verra, est relié aux autres composants d'une pompe à chaleur classique pour former ensemble une pompe à chaleur fonctionnelle, alors que l'échangeur est relié à une pompe à chaleur déjà complète, les deux solutions étant utilisées dans des hypothèses un peu différentes. Dans le cas d'un condenseur directement intégré au ballon d'eau chaude sanitaire, il s'agit de la mise en oeuvre d'une pompe à chaleur dite « split » 30 dont les composants essentiels sont séparés en le condenseur d'une part, et les autres composants traditionnels d'autre part, qui sont regroupés en un bloc indépendant placé, selon les besoins ou les configurations, plus ou moins loin du condenseur. L'installation de cette solution nécessite de réaliser une liaison de fluide frigorigène, c'est-à-dire la pose de conduits de fluides frigorigènes, nécessitant l'intervention d'un spécialiste, en l'occurrence un frigoriste. Dans l'hypothèse d'un échangeur intégré au ballon d'eau chaude sanitaire, la pompe à chaleur n'est pas modifiée, elle est qualifiée de « monobloc », et on délocalise en quelque sorte la fonction d'échange thermique avec l'eau du ballon. C'est une solution qui est souvent plus simple à mettre en oeuvre, la liaison ne nécessitant que l'installation de conduits de fluides caloporteurs, une intervention qui peut être effectuée par des installateurs classiques, et qui est par exemple adaptée si les locaux sont déjà équipés d'une pompe à chaleur. Ces solutions s'appliquent tout aussi simplement que la bride soit disposée en partie latérale de la cuve, lorsque celle-ci est installée au sol, ou qu'elle soit placée au niveau de la paroi inférieure, lorsqu'il s'agit d'une installation murale. Selon une possibilité, le condenseur ou l'échangeur intérieur peut prendre la forme d'un serpentin d'axe d'allure perpendiculaire à la plaque-tampon de la bride. Dans la version à condenseur fixé sur la plaque-tampon, selon une première variante, un bloc de pompe à chaleur relié à ce condenseur et comportant au moins un compresseur, un évaporateur et un dispositif réducteur de pression peut directement être fixé sur ladite plaque-tampon, ledit bloc étant alors recouvert d'un boîtier de protection. Il s'agit d'une solution techniquement très compacte et complète puisque le chauffe-eau comporte alors les deux moyens de chauffage de l'eau directement fixés au ballon accumulateur. Dans une deuxième variante, le condenseur intégré au ballon est relié au moyen de conduits de fluide frigorigène aux autres composants d'un bloc pompe à chaleur placé à distance du ballon et comportant également au moins un compresseur, un évaporateur et un dispositif réducteur de pression. Dans la configuration alternative à ballon intégrant un échangeur fixé à la plaque-tampon et raccordé en série à un condenseur d'une pompe à chaleur monobloc comportant en outre au moins un compresseur, un évaporateur et un dispositif réducteur de pression, il y a également une première variante compacte selon laquelle la pompe à chaleur monobloc est fixée directement sur la plaque-tampon et recouverte d'un boîtier de protection. Dans une seconde variante de la configuration à échangeur intégré au ballon d'eau chaude sanitaire, ledit échangeur est relié au moyen de conduits de fluide caloporteur à la pompe à chaleur monobloc. Les différentes configurations et variantes présentées se différencient en particulier par le raccordement entre les divers éléments fonctionnels du système, qui ne sont pas toujours proches. Dans cette optique, et selon l'invention, des moyens de connexion rapide fixés sur la plaque-tampon permettent le raccordement à des conduits de fluide frigorigène ou caloporteur reliant respectivement le condenseur ou l'échangeur intégré au ballon d'une part aux composants respectivement d'un bloc pompe à chaleur ou d'une pompe à chaleur monobloc d'autre part. L'idée est de préparer à l'avance la fixation rapide et sûre d'une unité distante de la pompe à chaleur à son ou ses composants fixé(s) au ballon d'eau chaude sanitaire. Selon une configuration possible, le bloc de pompe à chaleur peut par ailleurs comporter un ventilateur dédié au système de ventilation contrôlée de la maison (VMC), qui s'ajoute par conséquent à la fonction initiale de chauffage de l'eau de la pompe à chaleur. L'invention va à présent être décrite plus en détail au moyen des figures suivantes : la figure 1 est une vue en perspective d'un chauffe-eau selon l'invention dans lequel le bloc pompe à chaleur, sous forme de bloc partiel ou monobloc, est directement fixé sur le ballon d'eau chaude du chauffe-eau ; - la figure 2 représente une variante dans laquelle le bloc pompe à chaleur est séparé du ballon d'eau chaude et constitue une unité extérieure, placée hors de la maison ; et - la figure 3 montre une variante de la figure 2, dans laquelle le bloc pompe à chaleur, bien que séparé du ballon d'eau chaude sanitaire, n'est pas installé à l'extérieur de l'habitation. En référence à la figure 1, le ballon d'eau chaude sanitaire représenté est tout à fait classique, constitué d'une cuve (1) munie d'une bride à plaque-tampon (2) fixée à la paroi inférieure de la cuve (1) et qui supporte normalement les composants traditionnels notamment de chauffage de l'eau, c'est-à-dire une résistance chauffante, une anode de protection, des moyens de connexion autant pour les raccordements d'énergie que pour les conduites de fluide, etc.. Selon l'invention, cette plaque-tampon (2) comporte en outre un condenseur (3) d'une pompe à chaleur dont les autres composants sont intégrés dans un bloc pompe à chaleur (4) fixé par exemple directement à la bride dans le prolongement inférieur de la cuve (1). Pour simplifier la description ci-après, la configuration dans laquelle le condenseur (3) est placé dans le ballon d'eau chaude sanitaire est explicitement décrite, en liaison avec un bloc pompe à chaleur qui n'est par conséquent que partiel. Mais les mêmes références s'appliquent mutatis mutandis à un échangeur remplaçant ledit condenseur, à la pompe à chaleur monobloc remplaçant le bloc pompe à chaleur partiel, et aux conduits de fluide respectivement frigorigène et caloporteur, Alternativement, comme représenté à la figure 2, le bloc pompe à chaleur (4') peut être séparé du ballon d'eau chaude sanitaire (1). Dans ce cas, seul le condenseur (3) reste intégré sur la plaque tampon (2) du ballon (1), avec la résistance électrique, l'anode de protection et des moyens de connectique fluidiques et autres. Ce système, couramment dénommé « split », permet de connecter le condenseur (3) de la plaque-tampon (2) vers une unité extérieure (4') équipée des autres composants de la pompe à chaleur. L'unité extérieure (4') et le condenseur (3) sont alors reliés par le biais de conduits (5) véhiculant du liquide frigorigène. Le bloc pompe à chaleur (4') peut donc être installé en dehors de l'habitation (en tant qu'unité extérieure comme représenté en figure 2), ou simplement déporté du ballon d'eau chaude sanitaire pour des raisons d'encombrement, constituant alors un bloc pompe à chaleur (4") intérieur installé à un emplacement adapté à l'intérieur de l'habitation. Dans l'autre hypothèse, le bloc pompe à chaleur (4, 4', 4") est complet et coopère avec un échangeur (3). Ils peuvent également être reliés, selon leur éloignement, par le biais de conduits transportant du fluide caloporteur tel que de l'eau, voire de l'eau glycolée. Le bloc pompe à chaleur (4, 4', 4"), qui constitue alors une pompe à chaleur complète couramment dénommée « monobloc », comprendra alors tous les composants du circuit frigorifique. Les exemples de configuration qui sont décrits en référence aux figures ne sont pas exhaustifs de l'invention, qui englobe également les variantes de formes et de configurations qui sont dans la portée des revendications. REVENDICATIONS1. Chauffe-eau thermodynamique à ballon (1) accumulateur d'eau chaude sanitaire comportant une bride fixée au chauffe-eau, constituée d'une plaque-tampon (2) obstruant un orifice traversant une paroi du ballon (1), sur laquelle sont fixés les équipements liés au chauffage électrique de l'eau, caractérisé en ce qu'au moins le condenseur (3) d'une pompe à chaleur ou au moins un échangeur (3) relié au condenseur d'une pompe à chaleur est fixé sur la plaque-tampon (2) de telle sorte qu'il soit disposé à l'intérieur du ballon (1). Chauffe-eau thermodynamique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le condenseur (3) ou l'échangeur (3) intérieur prend la forme d'un serpentin d'axe d'allure perpendiculaire à la plaque-tampon (2). Chauffe-eau thermodynamique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ballon intègre le condenseur d'une pompe à chaleur fixé sur la plaque-tampon (2), un bloc pompe à chaleur (4) relié audit condenseur (3) et comportant au moins un compresseur, un évaporateur et un dispositif réducteur de pression étant fixé sur la plaque-tampon (2), ledit bloc (4) étant recouvert d'un boîtier de protection. Chauffe-eau thermodynamique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le condenseur (3) intégré au ballon (1) est relié au moyen de conduits (5) de fluide frigorigène aux autres composants d'un bloc pompe à chaleur (4', 4") placé à distance du ballon (1) et comportant au moins un compresseur, un évaporateur et un dispositif réducteur de pression. 5. Chauffe-eau thermodynamique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le ballon intègre un échangeur fixé à la plaque- 30 tampon et raccordé en série à un condenseur d'une pompe à chaleur (4) monobloc comportant en outre au moins un compresseur, unévaporateur et un dispositif réducteur de pression, la pompe à chaleur monobloc (4) étant fixée sur la plaque-tampon (2) et recouverte d'un boîtier de protection. 6. Chauffe-eau thermodynamique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'échangeur intégré à la cuve (1) est relié au moyen de conduits (5) de fluide caloporteur à la pompe à chaleur (4', 4") monobloc. 7. Chauffe-eau thermodynamique selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que des moyens de connexion rapide fixés sur la plaque-tampon (2) permettent le raccordement à des conduits (5) de fluide frigorigène ou caloporteur reliant respectivement le condenseur (3) ou l'échangeur intégré au ballon (1) d'une part aux composants respectivement d'un bloc pompe à chaleur (4', 4") ou d'une pompe à chaleur monobloc (4', 4") d'autre part. 8. Chauffe-eau thermodynamique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pompe à chaleur (4, 4', 4") comporte un ventilateur.