Brevet FR3033033A1 — publié le 20160826

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention se situe dans le domaine des dispositifs de ballons d'eau chaude. La présente invention concerne plus précisément un dispositif de ballon d'eau chaude comprenant un volume de stockage d'eau chaude, des moyens de chauffage de l'eau contenue dans ce volume, une couche extérieure d'isolation thermique de ce volume et une jaquette externe apte à contenir de l'eau et qui se trouve en communication thermique avec ladite couche d'isolation thermique du ballon. L'invention concerne également un procédé de rénovation d'un ballon d'eau chaude existant. ETAT DE L'ART On connaît déjà, d'après le document FR 2 953 000, un dispositif de chauffe-eau, tel que représenté sur la Figure 1 jointe. Ce dispositif comprend un volume de stockage d'eau chaude 1 et des moyens de chauffage 11 de l'eau contenue dans ce volume. De plus, ce volume 1 est connecté d'une part à une sortie d'eau chaude 12, généralement raccordée à un circuit d'utilisation d'eau chaude sanitaire 13, et d'autre part, à une entrée d'eau froide 14, elle-même connectée à une arrivée d'eau froide 15. Le volume de stockage 1 est délimité par une paroi 16, entourée d'une couche extérieure 17 d'isolation thermique (constituée d'un matériau d'isolation approprié), afin que l'énergie dépensée pour chauffer l'eau via les moyens de chauffage 11 ne soit pas perdue rapidement par dissipation thermique de la paroi 16 du volume de stockage d'eau chaude 1. En outre, afin d'améliorer encore la récupération des pertes thermiques du volume de stockage 1, la couche d'isolation thermique 17 est elle-30 même entourée d'une jaquette isolante 18, remplie d'eau et en communication thermique avec la couche 17. La jaquette 18 est raccordée, de préférence à sa partie basse, à une entrée d'eau froide 181, elle-même connectée à l'arrivée d'eau froide 15. 3033033 2 En outre, la jaquette 18 est également raccordée, de préférence à sa partie haute, à une sortie d'eau 182, elle-même connectée à un mitigeur 19, agencé sur la sortie d'eau chaude 12 du volume de stockage 1. L'eau contenue dans la jaquette 18 permet ainsi de récupérer les 5 pertes thermiques résiduelles issues du volume de stockage 1 malgré l'existence de la couche d'isolation 17. L'eau ainsi réchauffée est ensuite mélangée à l'eau chaude sortant du volume 1, ce qui permet d'augmenter le rendement global du chauffe-eau. Cependant, ce dispositif de l'état de la technique présente 10 l'inconvénient que la jaquette 18 doit résister à la pression du réseau d'alimentation en eau froide, qui peut atteindre au maximum 7 bars (7.105 Pa). En conséquence, une telle jaquette doit être réalisée dans un matériau résistant à de telles pressions, de sorte qu'elle est relativement coûteuse. De ce fait, l'économie financière globale réalisée grâce à la 15 récupération des pertes thermiques résiduelles est modeste. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention a donc pour objectif de résoudre les inconvénients 20 précités de l'état de la technique. Elle a notamment pour objectif de fournir un dispositif de ballon d'eau chaude qui, tout en permettant de récupérer les pertes thermiques résiduelles du volume de stockage d'eau chaude, soit résistant à la pression du réseau d'alimentation en eau froide et ce, sans augmenter les coûts de façon importante. 25 A cet effet, l'invention concerne un dispositif de ballon d'eau chaude comprenant un volume de stockage d'eau chaude, des moyens de chauffage de l'eau contenue dans ce volume, ce volume de stockage comprenant une sortie d'eau chaude et une couche extérieure d'isolation thermique, le dispositif comprenant en outre une jaquette externe configurée pour contenir de 30 l'eau et en communication thermique avec ladite couche d'isolation thermique, afin de récupérer l'énergie thermique émanant de ladite couche d'isolation. Conformément à l'invention, ce dispositif comprend un échangeur de chaleur disposé à l'intérieur de ladite jaquette externe, afin de récupérer l'énergie thermique émanant de l'eau contenue dans ladite jaquette. 35 Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou en combinaison : 3033033 3 l'entrée dudit échangeur de chaleur est raccordée à une arrivée d'eau froide sanitaire ; la sortie de l'échangeur de chaleur est raccordée audit volume de stockage ; 5 la sortie de l'échangeur de chaleur est raccordée, via un mitigeur à la sortie d'eau chaude du volume de stockage ; le mitigeur est commandé par une unité de commande comprenant en entrée des informations relatives à la température de l'eau contenue ou sortant dudit volume de 10 stockage et/ou des informations relatives à la température de l'eau contenue ou sortant dudit échangeur de chaleur ; - l'échangeur de chaleur est un serpentin en matériau thermiquement bon conducteur ; - l'échangeur de chaleur est un tube à ailettes en matériau 15 thermiquement bon conducteur ; - l'échangeur de chaleur est un échangeur en forme de panneau ; - l'échangeur de chaleur est disposé au moins en partie dans la partie supérieure de la jaquette qui s'étend au-dessus du volume de stockage ; et 20 - la jaquette est dotée d'une entrée, située de préférence à sa partie supérieure. L'invention concerne également un procédé de rénovation d'un dispositif de ballon d'eau chaude qui comprend un volume de stockage d'eau chaude, des moyens de chauffage de l'eau chaude contenue dans ce volume, ce 25 volume comprenant une sortie d'eau chaude, et étant entouré d'une couche extérieure d'isolation thermique, ce procédé comprenant les étapes suivantes : la mise en place à l'extérieur de ladite couche d'isolation thermique d'une jaquette configurée pour contenir de l'eau, cette jaquette étant en communication thermique avec ladite couche d'isolation et contenant un échangeur de chaleur, le remplissage de la jaquette en eau, la connexion de l'entrée de cet échangeur de chaleur à une arrivée d'eau froide sanitaire et la connexion de la sortie de cet échangeur soit audit volume de stockage d'eau, soit d'un circuit d'utilisation d'eau chaude sanitaire, de préférence via un 3033033 4 mitigeur lui-même connecté à la sortie d'eau chaude dudit volume de stockage. 5 PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront de la description qui va maintenant en être faite, en référence aux dessins annexés, qui en représentent, à titre indicatif mais non limitatif, différents 10 modes de réalisation possibles. Sur ces dessins : la Figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif de ballon d'eau chaude selon l'état de la technique, la Figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif de 15 ballon d'eau chaude selon un premier mode de réalisation de la présente invention, la Figure 3 est une représentation schématique de l'échangeur de chaleur du dispositif de ballon d'eau chaude selon un plan de coupe transversal représenté par la ligne III-III en figure 2, 20 - la Figure 4 est une représentation schématique d'un dispositif de ballon d'eau chaude selon un autre mode de réalisation possible de la présente invention, et - la figure 5 est une vue en perspective d'un autre mode de réalisation de l'échangeur de chaleur du dispositif de ballon d'eau chaude selon 25 l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE Un premier mode de réalisation du ballon d'eau chaude conforme à 30 l'invention va maintenant être décrit en faisant référence à la Figure 2. Les éléments communs avec le dispositif connu de l'état de la technique, et décrits précédemment en référence à la Figure 1, portent les mêmes références numériques. Ce dispositif comprend un volume de stockage d'eau chaude 1, 35 dans lequel sont agencés des moyens de chauffage 11 de l'eau contenue dans ledit volume de stockage. Les moyens de chauffage 11 peuvent être de toute 3033033 5 nature dès lors qu'ils permettent l'apport d'énergie thermique à l'eau contenue dans le volume 1 afin de la chauffer. A titre d'exemple non limitatif, ces moyens de chauffage 1 peuvent être électriques (résistance électrique), hydrauliques (serpentin dans lequel circule un fluide caloporteur chauffé par une chaudière à 5 gaz, fuel ou bois, par exemple, ou par une pompe à chaleur ou par toute autre source de chaleur), solaires (serpentin dans lequel circule un fluide caloporteur chauffé par un capteur solaire). Le terme "volume de stockage" 1 désigne le ballon d'eau chaude en lui-même, délimité par une paroi 10. Ce volume 1 est entouré d'une couche 10 d'isolation 17. Le volume de stockage d'eau chaude 1 est généralement de géométrie cylindrique avec une section transversale circulaire ou sensiblement circulaire. Cependant, toute autre géométrie peut être utilisée sans pour autant sortir du cadre de l'invention. 15 La couche extérieure d'isolation 17 est réalisée dans tout matériau permettant de réaliser une isolation thermique entre l'eau contenue dans le volume de stockage 1 et l'extérieur du dispositif. Une telle couche d'isolation thermique 17 est bien connue de l'état de la technique et ne sera pas décrite plus en détail. 20 Le volume de stockage 1 comprend également une sortie d'eau chaude 12, connectée par exemple à un réseau d'utilisation d'eau chaude sanitaire 13. De préférence, la sortie d'eau chaude 12 débouche dans la partie supérieure du volume de stockage 1, là où se trouve l'eau la plus chaude. 25 La jaquette 18 est à la fois apte à contenir de l'eau et à être en communication thermique avec la couche d'isolation thermique 17. En conséquence, cette jaquette 18 est avantageusement réalisée dans tout type de matériau permettant une absorption de l'énergie thermique émanant de la couche d'isolation 17, afin de pouvoir chauffer l'eau qui se trouve 30 à l'intérieur de cette jaquette. La jaquette 18 présente également une géométrie telle qu'elle peut s'adapter au volume d'eau chaude 1, plus précisément au contour des parois extérieures 10 de la couche d'isolation 17. De façon avantageuse, la jaquette 18 comprend une 35 membrane 183 qui constitue l'enveloppe de la jaquette et au sein de laquelle est contenue l'eau de la jaquette. 3033033 6 De façon avantageuse, cette membrane 183 est à la fois étanche à l'eau, suffisamment flexible pour épouser la forme de la couche d'isolation thermique 17, résistante à la crevaison et à la déchirure, et, enfin, adhérante aux métaux et/ou aux matières plastiques, de façon à permettre sa fixation à 5 l'extérieur de la couche d'isolation 17. De façon avantageuse, la membrane 183 est réalisée dans un matériau présentant une bonne résistance à la flexion et à la traction, ainsi qu'un bon vieillissement. De préférence, la membrane 183 de la jaquette est réalisée en 10 matériau élastomère ou en matériau thermoplastique, tel que par exemple le polypropylène ou le PVC souple dont les propriétés sont proches de celles des élastomères. La jaquette 18 est dotée d'une entrée d'eau 187, avec un bouchon de fermeture, située de préférence à la partie haute 185 de la jaquette. Le 15 remplissage de la jaquette 18 se fait ainsi par cette entrée 187, par gravité, sans utiliser le réseau d'eau froide pour ne pas faire monter la pression dans la jaquette. De préférence également, la jaquette 18 est munie d'un dispositif 184 de vidange, situé de préférence à sa partie basse, afin de procéder 20 à l'évacuation de l'eau contenue dans la jaquette, si nécessaire. Comme expliqué précédemment, l'eau contenue dans la jaquette 18 se réchauffe grâce aux pertes thermiques provenant de la chaleur qui passe à travers la couche d'isolation thermique 17. Conformément à l'invention, un échangeur de chaleur est disposé à 25 l'intérieur de ladite jaquette externe 18. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, cet échangeur de chaleur est tubulaire et porte la référence numérique 20. Selon une première variante de réalisation, l'échangeur de chaleur tubulaire 20 est constitué d'un serpentin réalisé en un matériau thermiquement 30 bon conducteur de chaleur, par exemple en cuivre, disposé entre la membrane 183 et la couche d'isolation thermique 17. De préférence, le serpentin 20 circule dans la partie supérieure 185 de la jaquette 18, c'est-à-dire celle qui s'étend au-dessus du volume 1 recouvert de la couche d'isolant 17. Cette partie 185 correspond également à la 35 zone de la jaquette 18, dans laquelle se trouve l'eau à la température la plus 3033033 7 élevée, compte tenu de la stratification de l'eau dans la jaquette. Cette disposition particulière du serpentin 20 est représentée sur la Figure 3. Toutefois, on notera que le serpentin 20 pourrait également s'étendre en partie ou totalement dans la partie annulaire verticale 186 de la 5 jaquette qui entoure le volume 1 sur toute sa hauteur. L'échangeur tubulaire 20 présente une entrée d'eau froide 201 connectée à l'arrivée d'eau froide sanitaire 15 et une sortie d'eau sanitaire 202. Dans le mode de réalisation représenté sur la Figure 2, cette sortie 202 est raccordée à l'intérieur du volume de stockage 1, de préférence à la partie basse 10 de celui-ci. Selon une variante de réalisation non représentée sur les figures, l'échangeur de chaleur tubulaire 20 peut également être un serpentin en matériau bon conducteur de chaleur, entouré d'ailettes qui augmentent encore sa surface d'échange de chaleur. 15 L'échange thermique s'effectue entre l'eau contenue dans la jaquette 18 et l'eau froide sanitaire circulant dans le serpentin 20, de sorte que l'eau contenue dans la jaquette 18 transfère des calories à l'eau circulant dans le serpentin 20. L'échangeur de chaleur 20 permet ainsi de préchauffer l'eau qu'il contient avant de l'introduire à l'intérieur du volume 1. 20 Selon une autre variante de réalisation, représentée sur la Figure 5, l'échangeur de chaleur peut être un panneau constitué par deux plaques en matériaux thermiquement bons conducteurs, par exemple en métal, par exemple en aluminium soudées entre elles, sauf à délimiter un circuit 300, par exemple en forme de serpentin, à l'intérieur duquel peut circuler l'eau froide 25 sanitaire. Un tel échangeur de chaleur est référencé 30. Il peut par exemple être fabriqué par un procédé connu sous la marque Roll-Bond. Cet échangeur 30 est avantageusement disposé dans la partie supérieure 185 de la jaquette 18. Son entrée 301 est raccordée à l'arrivée d'eau froide sanitaire 15, 30 tandis que sa sortie 302 est raccordée par exemple à l'intérieur du volume de stockage 1. L'échangeur 20, 30 est en outre conçu pour résister aux fortes pressions régnant à l'intérieur du réseau d'alimentation 15 en eau froide sanitaire et qui peuvent atteindre 7 bars (7.105 Pa). 35 Un deuxième mode de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en faisant référence à la Figure 4. Les éléments communs au dispositif de 3033033 8 ballon d'eau chaude de la Figure 2 portent les mêmes références numériques et ne seront donc pas décrits de nouveau en détail. Ce dispositif de ballon d'eau chaude diffère du précédent en ce que le volume de stockage 1 comprend une entrée d'eau froide 14, connectée à 5 l'arrivée d'eau froide 15, cette entrée 14 étant de préférence située à la partie inférieure du volume 1. Le dispositif diffère également de celui de la Figure 2 en ce que la sortie d'eau chaude 12 est raccordée au circuit d'utilisation d'eau chaude sanitaire 13, via un mitigeur 3, et enfin en ce que la sortie 202 ou 302 de 10 l'échangeur de chaleur 20, respectivement 30, est également raccordée à ce mitigeur 3. Le mitigeur 3 est ainsi alimenté par de l'eau chaude provenant du volume de stockage 1 et par de l'eau préchauffée issue de l'échangeur de chaleur 20 ou 30. 15 De façon avantageuse, le mitigeur 3 est piloté par une unité de contrôle 4, tel que par exemple un ordinateur, via des moyens de transmission d'informations 45 qui peuvent être filaires, sans fil ou tout autre moyen connu de l'état de la technique. De façon avantageuse, l'unité de contrôle 4 reçoit, en entrée, une 20 information relative à la température de l'eau contenue ou sortant de l'échangeur de chaleur 20, 30. Pour ce faire, un capteur de température 41 est placé sur la sortie 202, respectivement 302 ou en un point quelconque de l'échangeur de chaleur 20, respectivement 30. Ce capteur de température 41 est connecté à l'unité de contrôle 4 par un moyen de transmission d'informations 42. 25 De façon avantageuse, un capteur de température 43 peut également être disposé soit sur la sortie 12 du volume de stockage (comme représenté sur la figure 4), soit à l'intérieur de ce volume de stockage 1. Le capteur de température 43 est connecté à l'unité de contrôle 4 par un moyen de transmission d'informations 44. Les moyens de transmission d'informations 42, 44 30 peuvent être filaires, sans fil ou tout autre moyen connu de l'état de la technique. En fonction d'informations concernant la température souhaitée au niveau du réseau d'utilisation d'eau chaude sanitaire 13, l'unité de contrôle 4 pilote le mitigeur 3, afin que ce dernier ajoute à l'eau provenant de la sortie 35 d'eau chaude 12, une ou plus ou moins grande quantité de l'eau provenant de l'échangeur de chaleur 20, respectivement 30. 3033033 9 Ceci est possible car la température de l'eau chaude produite par le ballon d'eau chaude est généralement plus élevée (par exemple voisine de 60°C), que la température de l'eau chaude sanitaire issue de l'échangeur de chaleur 20, 30, qui est généralement au maximum de 30°C par exemple. A titre 5 d'exemple purement illustratif, pour un ballon de 300 litres, on peut utiliser une jaquette contenant entre 3 et 20 litres et un échangeur tubulaire d'une capacité allant de 0,2 litre à 4 litres. De façon avantageuse, on notera que le dispositif de ballon d'eau chaude conforme à l'invention et qui vient d'être décrit, peut être adapté à la 10 rénovation de ballons d'eau chaude existants qui comprennent un volume de stockage d'eau chaude, des moyens de chauffage de l'eau chaude contenue dans ce volume, une sortie d'eau chaude, et une couche extérieure d'isolation thermique. Un tel procédé de rénovation comprend alors les étapes suivantes : 15 - la mise en place à l'extérieur de ladite couche d'isolation thermique 17 d'une jaquette 18 dotée un échangeur 20, 30, - le remplissage de la jaquette 18 en eau, - la connexion de l'entrée 201, 301 et de la sortie 202, 302 de l'échangeur 20, 30 respectivement à l'arrivée d'eau froide sanitaire 15 et soit au volume 1, soit au 20 circuit 13, de préférence via le mitigeur 3. REVENDICATIONS1. Dispositif de ballon d'eau chaude comprenant un volume de stockage d'eau chaude (1), des moyens de chauffage (11) de l'eau contenue dans ce volume, ce volume de stockage (1) comprenant une sortie d'eau chaude (12) et une couche extérieure d'isolation thermique (17), le dispositif comprenant en outre une jaquette externe (18) configurée pour contenir de l'eau et en communication thermique avec ladite couche d'isolation thermique (17), afin de récupérer l'énergie thermique émanant de ladite couche d'isolation (17), caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur de chaleur (20, 30) disposé à l'intérieur de ladite jaquette externe (18), afin de récupérer l'énergie thermique émanant de l'eau contenue dans ladite jaquette (18). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entrée (201, 301) dudit échangeur de chaleur (20, 30) est raccordée à une arrivée d'eau froide sanitaire (15). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la sortie (202, 302) de l'échangeur de chaleur (20, 30) est raccordée audit volume de stockage (1). 4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la sortie (202, 302) de l'échangeur de chaleur (20, 30) est raccordée, via un mitigeur (3) à la sortie d'eau chaude du volume de stockage (1). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le mitigeur (3) est commandé par une unité de commande (4) comprenant en entrée des informations relatives à la température de l'eau contenue ou sortant dudit volume de stockage (1) et/ou des informations relatives à la température de l'eau contenue ou sortant dudit échangeur de chaleur (20, 30). 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (20) est un serpentin en métal. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (20) est un tube à ailettes en métal. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (30) est un échangeur en forme de panneau. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (20, 30) est disposé au moins en partie dans la partie 3033033 11 supérieure (185) de la jaquette (18) qui s'étend au-dessus du volume de stockage (1). 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ta jaquette (18) est dotée d'une entrée (187), située de préférence à sa 5 partie supérieure (185). 11. Procédé de rénovation d'un dispositif de ballon d'eau chaude qui comprend un volume de stockage d'eau chaude (1), des moyens (11) de chauffage de l'eau chaude contenue dans ce volume, ce volume (1) comprenant une sortie d'eau chaude (12), et étant entouré d'une couche extérieure d'isolation 10 thermique (17), ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - ta mise en place à l'extérieur de ladite couche d'isolation thermique (17) d'une jaquette (18) configurée pour contenir de l'eau, cette jaquette (18) étant en communication thermique avec ladite couche 15 d'isolation (17) et contenant un échangeur de chaleur (20, 30), - te remplissage de la jaquette (18) en eau, - la connexion de l'entrée (201, 301) de cet échangeur de chaleur (20, 30) à une arrivée d'eau froide sanitaire (15) et la connexion de la sortie (202, 302) de cet échangeur soit audit volume de stockage d'eau 20 (1), soit à un circuit d'utilisation d'eau chaude sanitaire (13), de préférence via un mitigeur (3) lui-même connecté à ta sortie d'eau chaude (12) dudit volume de stockage (1).