Brevet FR3038367A1 — publié le 20170106

Domaine de l'invention La présente invention a pour objet une installation de préparation d'eau chaude sanitaire. Etat de la technique La stratification dans le réservoir d'eau chaude sanitaire repose sur la variation de la densité de l'eau en fonction de sa température. L'eau chaude est plus légère que l'eau froide de sorte que l'eau froide reste en dessous de l'eau chaude si l'eau n'est pas mise en circulation. Dans le cas d'un puisage avec un débit important, la différence de densité entre l'eau chaude et l'eau froide n'est pas suffisante pour éviter que les eaux ne se mélangent. Pour éviter de mélanger l'eau froide injectée dans le sys- tème à l'eau chaude du réservoir d'eau chaude sanitaire, le réservoir est conçu pour avoir sa propre stratification des couches d'eau. Cette stra- tification peut être perturbée par l'eau de mélange qui arrive pendant les puisages. La stabilité de la stratification dépend principalement du débit d'eau froide injectée, de la hauteur du réservoir par rapport à son diamètre et de l'efficacité de la buse d'injection. But de l'invention Le but de l'invention est d'éviter le mélange d'eau froide et d'eau chaude et de perturber la stratification des couches dans le réservoir de préparation d'eau chaude sanitaire pour une efficacité maximale de l'énergie de chauffage disponible. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention a pour objet une installation de préparation d'eau chaude sanitaire comprenant : un réservoir principal pour le puisage de l'eau chaude sanitaire par une sortie d'eau chaude sanitaire en partie haute, un réservoir auxiliaire de faible volume par rapport au volume du réservoir principal avec une arrivée d'eau froide en partie basse, une conduite de liaison débouchant dans le haut du réservoir auxiliaire et dans le bas du réservoir principal, une source principale de chaleur avec un échangeur installé dans la partie inférieure du réservoir principal, une dérivation reliant la partie inférieure du réservoir auxiliaire à la partie supérieure du réservoir principal et équipée d'une source de chaleur auxiliaire, un système de gestion com- 3038367 2 prenant un ensemble de capteurs de température et un circuit de commande, les capteurs de température équipant la partie haute, la partie basse du réservoir principal et la partie basse du réservoir auxiliaire, le circuit de commande étant relié à la source de chaleur principale et à la 5 source de chaleur auxiliaire pour les activer en fonction des tempéra- tures fournies par les capteurs, dépendant elles-mêmes du puisage d'eau chaude sanitaire. L'installation de préparation d'eau chaude sanitaire selon l'invention a l'avantage d'utiliser d'une manière particulièrement efficace 10 une pompe à chaleur, notamment une pompe à chaleur CO2, transcri- tique pour la préparation de l'eau chaude sanitaire de façon à utiliser l'énergie thermique au maximum tant pour les petits puisages que pour les puisages importants. Suivant une caractéristique avantageuse, la pompe à 15 chaleur est une pompe à chaleur CO2 transcritique. On bénéficie ainsi de la grande variation de température de CO2 lors du chauffage de l'eau ; l'eau est chauffée en une seule fois ce qui est avantageux pour ce concept de haute performance. Suivant une autre caractéristique avantageuse, le circuit 20 avec la chaudière comporte en dérivation un circuit de chauffage central relié à la conduite aller du circuit et par une vanne à trois voies à la conduite reliée à l'échangeur du réservoir principal, le circuit de chauffage central étant en dérivation de la conduite. Suivant une autre caractéristique avantageuse, la vanne 25 à trois voies à la jonction de la conduite aller de la chaudière et de l'entrée du circuit de chauffage central est reliée par une conduite à une vanne à trois voies dont la sortie est reliée d'une part à l'échangeur de chaleur du réservoir principal et d'autre part, à la conduite de retour du circuit en amont de la chaudière. 30 Suivant une autre caractéristique avantageuse, le circuit de la chaudière comporte en dérivation entre la conduite aller en sortie de chaudière et la conduite de retour, le circuit de chauffage dont la conduite de sortie est reliée à la conduite de retour à travers un échangeur de chaleur par une vanne à trois voies en amont de la chaudière, 35 cet échangeur de chaleur étant par ailleurs en dérivation sur la con- 3038367 3 duite aller du circuit par une dérivation, la sortie de l'échangeur étant reliée par une conduite à la conduite de retour du circuit par une vanne à trois voies. Dessins 5 La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation d'une installation de préparation d'eau chaude sanitaire représenté dans les dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est un schéma général de l'installation de préparation 10 d'eau chaude sanitaire selon l'invention, la figure 2 est un schéma d'une installation combinée à une installation de chauffage. la figure 3 est un schéma d'une variante de l'installation de la figure 2 combinant une installation de préparation d'eau chaude 15 sanitaire et une installation de chauffage central, la figure 4 est un schéma d'une variante du circuit combiné de l'installation de préparation d'eau chaude sanitaire avec une installation de chauffage central permettant une utilisation particulièrement efficace de la pompe à chaleur pour l'apport direct de 20 chaleur au circuit de chauffage central. Description de modes de réalisation de l'invention Selon la figure 1, l'installation de préparation d'eau chaude sanitaire se compose d'un réservoir principal 1 et d'un réservoir auxiliaire 2. Le réservoir principal 1 est de fort volume. L'eau chaude 25 sanitaire est prélevée en partie 6haute du réservoir 1. Le réservoir auxi- liaire 2 est un réservoir de faible volume par rapport à celui du réservoir principal 1. Il est relié au réservoir d'alimentation en eau froide 4, en partie basse 21. Le réservoir principal 1 et le réservoir auxiliaire 2 sont reliés par une conduite de liaison 3 débouchant librement 31, 32 dans 30 la partie basse 11 du réservoir principal 1 et dans la partie haute 22 du réservoir auxiliaire 2. La partie basse 21 du réservoir auxiliaire 2 est reliée par une conduite aller 51 d'un circuit de dérivation 5 à la partie haute 12 du réservoir principal 1. 3038367 4 Le circuit de dérivation 5 est équipé d'une pompe à cha- leur 6 avec une pompe de circulation 61 reliée au réservoir 1 par une conduite de retour 52 du circuit de dérivation. De façon générale, sous l'effet de la densité de l'eau en 5 fonction de sa température, il y a une stratification de couches d'eau à différentes températures dans le réservoir principal 1 et dans le réservoir auxiliaire 2. La partie basse 11, 21 de chacun des réservoirs 1, 2 contient de l'eau à la température la plus basse et la partie haute 12, 22, l'eau à la température la plus haute du réservoir 1, 2 respectif. 10 La partie basse 11 du réservoir principal 1 est équipée d'un échangeur de chaleur 13 relié à une chaudière 7 par un circuit 8 comprenant une conduite aller 82 et une conduite retour 81. Le circuit 13, 8, 7 est équipé d'une pompe de circulation 83. Les différents points de l'installation sont équipés de sondes de température (T') alimentant 15 une unité de commande 100 qui gère le fonctionnement de l'installation. La partie basse 11 est équipée d'une sonde de tempéra- ture T11. Il en est de même de sa partie haute 12 avec une souche T12. La partie haute 22 du réservoir auxiliaire 2 est munie d'une sonde de 20 température T22. La pompe à chaleur est équipée de sondes T6a, T6b ainsi que la chaudière 7 en entrée T7a et en sortie T7b. Les sondes de température sont reliées à l'unité de commande 100 qui reçoit les signaux de température STi et en fonction de ceux-ci, il gère le fonctionnement de l'installation de préparation d'eau chaude sanitaire par des 25 signaux de commande SCi. La température dans les différentes parties de l'installation (réservoir principal 1 et réservoir auxiliaire 2) dépend du puisage d'eau chaude sanitaire et du débit de puisage ou du volume d'eau chaude sanitaire puisée. Le circuit de commande 9 gère le fonctionnement du cir- 30 cuit de dérivation 51 et celui (8) de la chaudière 7 alimentant l'échangeur 13 installé dans la partie basse 11 du réservoir principal 1. Le fonctionnement de l'installation décrite ci-dessus est le suivant, en distinguant un puisage faible et un puisage important d'eau chaude sanitaire dans le réservoir principal 1 (sortie de puisage 10). 3038367 5 En cas de puisage faible, le prélèvement d'eau chaude sanitaire (sortie 10) se traduit par l'arrivée d'eau froide du réseau 4 à la base 21 du réservoir auxiliaire 2 ; le volume d'eau prélevé dans le réservoir principal 1 est remplacé en partie basse 11 du réservoir principal, 5 l'eau chaude du réservoir auxiliaire arrivant par la sortie 31 de la con- duite 3. La sonde de température T22 du réservoir auxiliaire 2 dé- tecte certes une baisse de température de l'eau mais si cette baisse reste supérieure au seuil fixé puisque le puisage est de faible volume, 10 alors l'unité de commande 100 n'intervient pas pour activer le circuit de dérivation 5 à travers la pompe à chaleur 6. En cas de puisage suffisamment important, l'eau froide qui arrive dans le réservoir auxiliaire 2 abaisse fortement sa température. Cette température détectée (T22) est transmise à l'unité de com- 15 mande 100 qui réagit en activant le circuit de dérivation 5 par la pompe de circulation 61 qui prend l'eau à la base 21 du réservoir auxiliaire 2 pour la réchauffer à travers la pompe à chaleur 6 et injecter l'eau mise en température dans la partie supérieure 12 du réservoir principal 1. La pompe 61 du circuit de dérivation 5 fonctionne en pa- 20 rallèle à la conduite de liaison 3. Le débit de la pompe 61 est adapté pour que la température de sortie d'eau chaude (T6b) soit égale à la température de consigne d'eau chaude sanitaire. Ce débit n'a aucun rapport avec le débit de puisage. Si la chaleur fournie par la pompe de chaleur 6 n'est pas 25 suffisante c'est-à-dire lorsque le puisage d'eau chaude est si important que la température T12 devient froide, le complément peut être fourni par la chaudière 7 et l'échangeur 13 installé dans la partie inférieure 11 du réservoir principal 1. Selon l'invention, la pompe à chaleur 6 est en particulier, 30 une pompe à chaleur CO2 transcritique. Elle chauffe directement l'eau de sa température d'arrivée du réseau 4 jusqu'à la température de consigne pour l'eau chaude sanitaire. La pompe à chaleur CO2 a ses meilleures performances pour chauffer l'eau à partir de la température la plus basse dans le réseau d'eau. Plus la température de l'eau 35 d'alimentation est élevée et moindre sera le rendement de cette pompe à 3038367 6 chaleur pour atteindre la température de consigne de l'eau chaude sanitaire. Le réservoir principal 1 est conçu pour améliorer l'obtention d'eau chaude par la pompe à chaleur 6 après le puisage de 5 petits volumes d'eau (inférieurs à 15 L). Les puisages de volumes relati- vement faibles sont les plus courants (lavage des mains, lavage de la vaisselle,...) et ils se traduisent par l'injection de petites quantités d'eau froide dans le réservoir 2. Il convient de remarquer que pour bénéficier des caracté- 10 ristiques élevées d'une pompe à chaleur notamment d'une pompe CO2 transcritique, il est plus efficace de chauffer l'eau froide (température inférieure à 30°C), plutôt que de chauffer de l'eau tiède (dont la température est comprise entre 30° et 50°). Les petits puisages sont les plus difficiles à traiter car ce sont ceux qui se mélangent facilement avec 15 l'eau chaude, ce qui génère de l'eau tiède dans le réservoir. Mais le sys- tème hydraulique à deux réservoirs 1, 2 selon l'invention évite le mélange d'eau froide par de petits puisages d'eau chaude dans le système. La pompe à chaleur 6 permet de prélever de l'eau froide injectée pour la chauffer directement et efficacement à la température de consigne de 20 l'eau chaude sanitaire. La figure 2 montre une installation de préparation d'eau chaude sanitaire selon la revendication 1, combinée à une installation de chauffage central CH alimentée par l'eau chaude en sortie de la chaudière 7. L'installation de chauffage central CH est reliée par une 25 dérivation 821 de la conduite aller 82 du circuit 8 de la chaudière et par une vanne à trois voies 822 à l'échangeur 13 par la conduite 823. Le réservoir principal 1 constitue à la fois la réserve de puisage de l'eau chaude sanitaire et le réservoir de chaleur pour le circuit 8 lorsque celui-ci alimente le chauffage central CH. 30 La figure 3 montre une autre variante de l'installation avec le chauffage central CH de la figure 2. Elle comprend en plus, une dérivation 825 en amont de l'échangeur 13 avec une vanne à trois voies 824 dans la conduite 823 pour dériver une fraction de l'eau du circuit de chauffage central, directement à l'entrée de la chaudière 7, en court- 35 circuitant l'échangeur 13 et le réservoir principal 1. 3038367 7 La figure 4 montre une autre variante de l'installation combinée de préparation d'eau chaude sanitaire et de chauffage central CH comportant un échangeur de chaleur 9 relié à une dérivation 91 de la conduite aller 52 du circuit de dérivation 5 à travers la pompe à cha- 5 leur 6, avec un retour 92 et une vanne à trois voies 93 sur la conduite retour 51 du circuit de dérivation 5. La commande de la vanne à trois voies 93 permet d'ouvrir partiellement ou totalement la dérivation 91 à travers l'échangeur 9 ou de couper cette dérivation pour répartir ou non le flux d'eau chaude (fluide caloporteur) dans la conduite aller 52 de la 10 pompe à chaleur 6. L'échangeur 9 est aussi traversé par le retour 826 du circuit de chauffage CH relié au retour 81 du circuit 8 en amont de la chaudière 7 (pompe 83) par une vanne à trois voies 827 qui règle le débit de fluide caloporteur (eau) à travers d'une part le circuit de chauf- 15 fage CH et d'autre part l'échangeur 13. 20 3038367 8 NOMENCLATURE 1 Réservoir principal 10 Sortie de puisage d'eau chaude sanitaire 5 11 Partie basse du réservoir principal 12 Partie haut du réservoir principal 2 Réservoir auxiliaire 20 Entrée de l'eau froide du réseau 21 Partie basse du réservoir auxiliaire 10 22 Partie haut du réservoir auxiliaire 3 Conduite de liaison 31 Extrémité inférieure de la conduite de liaison 32 Extrémité supérieure de la conduite de liaison 4 Réseau d'alimentation d'eau froide 15 5 Circuit de dérivation 51 Conduite retour 52 Conduite aller 53 Pompe de circulation 6 Pompe à chaleur 20 61 Pompe 7 Chaudière 71 Pompe 8 Circuit de la chaudière 7 81 Conduite retour 25 82 Conduite aller 821 Dérivation/conduite aller 822 Vanne à trois voies 823 Conduite 824 Vanne à trois voies 30 825 Conduite 826 Conduite de sortie du circuit CH 827 Vanne à trois voies 9 Echangeur 91 Dérivation de la conduite de retour 52 35 92 Conduite de retour REVENDICATIONS1°) Installation de préparation d'eau chaude sanitaire comprenant : un réservoir principal (1) pour le puisage de l'eau chaude sanitaire par une sortie d'eau chaude sanitaire (10) en partie haute (11), un réservoir auxiliaire (2) de faible volume par rapport au volume du réservoir principal (1) avec une arrivée d'eau froide (4) en partie basse (11), une conduite de liaison (3) débouchant (31, 32) dans la partie haute (22) du réservoir auxiliaire (2) et dans la partie basse (11) du réservoir principal (1), un circuit (8) avec une chaudière (7) reliée à un échangeur (13) installé dans la partie basse (11) du réservoir principal (1), un circuit de dérivation (5) reliant la partie basse (21) du réservoir auxiliaire (2) à la partie haute (12) du réservoir principal (1) et équipé d'une pompe à chaleur (6), un ensemble de sondes de température (T...) reliées à un circuit de commande (100), les sondes de température équipant la partie haute (12), la partie basse (11) du réservoir principal (1) et la partie haute (22) du réservoir auxiliaire (2), le circuit de commande (100) étant relié à la chaudière (7) et à la pompe de chaleur (6) pour les activer en fonction des températures fournies par les sondes, dépendant elles-mêmes du puisage d'eau chaude sanitaire. 2°) Installation de préparation d'eau chaude sanitaire selon la revendi- cation 1, caractérisée en ce que la pompe à chaleur (6) est une pompe à chaleur CO2 transcritique. 3°) Installation de préparation d'eau chaude sanitaire selon la revendi- cation 1, caractérisée en ce que le circuit (8) avec la chaudière (7) comporte en dérivation un circuit de chauffage central CH relié à la conduite aller (82) du circuit (8) et par une vanne à trois voies (822) à la conduite (823) reliée à l'échangeur 3038367 11 (13) du réservoir principal (1), le circuit de chauffage central CH étant en dérivation de la conduite (82). 4°) Installation de préparation d'eau chaude sanitaire selon la revendi- 5 cation 3, caractérisée en ce que la vanne à trois voies (822) à la jonction de la conduite aller (82) de la chaudière (7) et de l'entrée (821) du circuit de chauffage central CH est reliée par une conduite (823) à une vanne à trois voies (824) dont la 10 sortie est reliée d'une part à l'échangeur de chaleur (13) du réservoir principal et d'autre part, à la conduite de retour (825) du circuit (8) en amont de la chaudière (7). 5°) Installation de préparation d'eau chaude sanitaire selon la revendi- 15 cation 1, caractérisée en ce que le circuit (8) de la chaudière (7) comporte en dérivation entre la conduite aller (82) en sortie de chaudière (7) et la conduite de retour (81), le circuit de chauffage (CH) dont la conduite de sortie (826) est reliée à la 20 conduite de retour (81) à travers un échangeur de chaleur (9) par une vanne à trois voies (827) en amont de la chaudière (7), cet échangeur de chaleur (9) étant par ailleurs en dérivation sur la conduite aller (52) du circuit (5) par une dérivation (91), la sortie de l'échangeur (9) étant reliée par une conduite (92) à la conduite de retour (51) du circuit (5) par 25 une vanne à trois voies (93).