Brevet FR3087457A1 — publié le 20200424

Description Titre de l'invention : Procédé et dispositif pour la récupération de chaleur sur eaux usées Domaine technique [0001] L'invention concerne le domaine de l'amélioration de l'efficacité énergétique de bâtiments, et plus particulièrement la récupération d'énergie sur eaux usées. Technique antérieure [0002] Ces dernières années, d' importants efforts ont porté sur l'efficacité énergétique des bâtiments résidentiels et tertiaires. En France en 2014, les bâtiments résidentiels représentaient 26% de la consommation finale d'énergie, davantage que les industries et un peu moins que les transports. Cette part monte à près de 50% si l'on ajoute les bâtiments tertiaires. La consommation unitaire des bâtiments, exprimée en kilowattheure par mètre carré, a été sensiblement réduite grâce à l'amélioration de l'isolation des bâtiments et à la généralisation de progrès technologiques dans les systèmes de chauffage (pompes à chaleur, chaudières à condensation, et cætera). [0003] L'un des objectifs est par exemple que les bâtiments à énergie positive deviennent ra- pidement la norme pour les bâtiments résidentiels neufs. [0004] Afin de poursuivre l'amélioration de l'efficacité énergétique des bâtiments, l'attention s'est dernièrement portée sur d'autres ressources d'énergie renouvelable, notamment sur la récupération de la chaleur fatale des eaux usées. [0005] L'énergie fatale représente l'énergie produite par un processus dont la finalité n'est pas la production de cette énergie. Elle est le plus souvent perdue si elle n'est pas récupérée ou valorisée. Dans le domaine des bâtiments, une partie de l'énergie injectée est fatale car elle est évacuée sans être valorisée, par exemple dans l'air en sortie de ventilation ou sous forme d'eau usée chaude (bains, douches, vaisselle). [0006] Des dispositifs et procédés de récupération de chaleur sur eaux usées ont d'abord été conçus pour des contextes industriels rejetant de l'eau usée à haute température. Puis d'autres procédés de récupération de chaleur sur eaux usées ont été développés pour de grands bâtiments ou immeubles, comme des hôpitaux, voire des quartiers, au moyen de centrales de valorisation des eaux usées dont la puissance est fréquemment. comprise entre 1 et. 8 mégawatts. [0007] Pour une utilisation dans des logements individuels ou dans des petits bâtiments collectifs, deux types de dispositifs et procédés sont connus. Ils se focalisent sur la récupération de chaleur sur eaux usées pour diminuer la consommation énergétique liée à la production d'eau chaude sanitaire. [0008] Un premier type regroupe les récupérateurs sans stockage qui permettent de pré- I chauffer l'eau froide en la faisant circuler au sein d'un échangeur thermique au sein duquel circule également les eaux usées. Dans certains modèles verticaux, la canalisation d'arrivée d'eau froide s'enroule autour du tuyau de vidange des eaux usées (également appelées eaux grises), afin d'avoir un rapport entre la surface de contact et le volume le plus élevé possible, pour extraire un maximum de chaleur des eaux grises. Ce type de procédé et. de dispositif est par exemple utilisé dans des bâtiments résidentiels collectifs en pied de chute des canalisations d'évacuation des eaux usées. [0009] Des systèmes de récupération de chaleur sur eaux usées sans stockage encore plus compacts ont été développés afin d'être placés directement sous un bac à douche ou sous une baignoire. Naturellement ils ne permettent de récupérer la chaleur qu'à partir des eaux usées produites par les équipements sanitaires sous lesquels ils sont installés. [0010] Les principaux avantages de ces systèmes sans stockage sont leur simplicité de conception et d'utilisation, et leur faible coût à l'installation et à l'utilisation. Lcur principal inconvénient est l'instantanéité de la récupération de chaleur qui conduit à des pertes importantes. [0011] Un second type regroupe les récupérateurs de chaleur sur eaux usées avec stockage, permettant d'utiliser le potentiel des eaux grises à tout moment, le plus souvent pour des applications collectives. [0012] Dans ces récupérateurs, les eaux usées sont stockées dans au moins une cuve. Un échangeur thermique permet de préchauffer de l'eau froide alimentant par exemple le système de production d'eau chaude sanitaire. Des pompes à chaleur sont fréquemment utilisées. L'intérêt principal de ces procédés et dispositifs est de rendre la ressource énergétique disponible dans le temps, les inconvénients étant l'utilisation de pompes supplémentaires et la nécessité de nettoyer et d'entretenir la cuve ce qui augmente les coûts à l'installation et à l'utilisation. Ces systèmes sont donc d'une conception et d'une utilisation beaucoup plus complexes que les systèmes sans stockage. Objectifs de l'invention [0013] L'invention a notamment pour objectif de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur, en proposant un procédé et un dispositif de récupération de chaleur sur eaux usées avec stockage, compact, à la fois performant et simple dans sa conception et son utilisation. [0014] Plus précisément, un objectif de l'invention est de proposer un dispositif pour la ré- cupération de chaleur sur eau usée comprenant une cuve de stockage destinée à recevoir de l'eau usée en provenance d'une canalisation d'entrée, un échangeur thermique placé au sein de la cuve et destiné à être traversé par un fluide. Selon l'invention, le dispositif comprend également un siphon apte à vidanger la cuve de stockage dans une canalisation de sortie par auto-amorçage lorsque le volume d'eau usée stockée dans la cuve est supérieur à un seuil Vmin et le débit d'eau usée arrivant 3 dans la cuve par la canalisation d'entrée est supérieur à un seuil Dmin. Ainsi le dispositif est à la fois performant et simple dans son utilisation, tout en étant très compact. [0015] Un mode de réalisation avantageux comprend un siphon extérieur à la cuve et placé sur la canalisation de sortie, ce qui facilite les interventions de maintenance. [0016] Un mode de réalisation particulièrement compact comprend un siphon cloche placé à l'intérieur de la cuve, comprenant un tube d'évacuation recouvert d'une cloche. Avantageusement, une partie de l'échangeur thermique est un serpentin qui peut alors être enroulé autour du siphon cloche pour améliorer l'efficacité du dispositif tout en conservant sa grande compacité. [0017] Dans un mode de réalisation particulier, l'échangeur thermique comprend une seconde partie, placée au-dessus de la cloche du siphon cloche et sur laquelle ruisselle l'eau usée arrivant dans la cuve par la canalisation d'entrée. Ainsi l'échangeur thermique permet de récupérer la chaleur par convection et par ruissellement. Avantageusement, cette seconde partie comprend un serpentin placé au-dessus d'au moins une surface de forme conique présentant une faible inclinaison par rapport à l'horizontale et sur laquelle ruisselle l'eau usée arrivant dans la cuve par la canalisation d'entrée, ce qui permet d'obtenir d'améliorer l'échange thermique par ruissellement. [0018] Dans un mode de réalisation alternatif, le dispositif conforme à l'invention comprend un deuxième siphon auto-amorçant apte à vidanger la cuve de stockage dans une canalisation de sortie lorsque le volume d'eau usée stockée dans la cuve est supérieur à un deuxième seuil Vmin2 et le débit d'eau usée arrivant dans la cuve par la canalisation d'entrée est supérieur à un deuxième seuil Dmin2. Le dispositif est ainsi parfaitement adapté à une utilisation pour un contexte connu dans lequel différentes configurations de volumes et de débits d'eau usée arrivant par la canalisation d'entrée 1 ont été clairement identifiées. [0019] L'invention concerne également une installation de récupération de chaleur sur eau usée comprenant un dispositif conforme à l'invention, le fluide traversant l'échangeur thermique étant de l'eau sanitaire. Une telle installation est extrêmement simple. Alternativement, le fluide traversant l'échangeur peut être de l'eau « qualité chauffage » ou un fluide frigorigène ou un fluide caloporteur, pour répondre à des exigences sanitaires particulières. [0020] L'invention concerne également un procédé de récupération de chaleur sur eau usée selon lequel l'eau usée d'un bâtiment est collectée et stockée dans une cuve, et un fluide circule dans un échangeur de chaleur placé au sein de la cuve. Conformément à l'invention, une vidange de la cuve dans une canalisation de sortie est automatiquement effectuée par effet siphoïde auto-amorcé lorsque le volume d'eau usée stockée dans la cuve dépasse un seuil Vmin et le débit d'eau usée arrivant dans la cuve 4 par une conduite d'arrivée dépasse un seuil Dmin. Avantageusement, le seuil Dmin est sensiblement. égal à 0,1 litre par seconde. Optionnellement, la vidange de la cuve (10) est partielle et ne concerne que 50% à 75% du volume Vmin. Brève description des dessins [0021] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de modes de réalisation particuliers, donnés à titre de simples exemples illustratifs et non limitatifs, et des dessins annexés, parmi lesquels : [0022] Fig. 1 représente schématiquement un dispositif de récupération de chaleur sur eau usée conforme à l'invention ; [0023] Fig. 2 représente schématiquement différents types de siphons utilisables pour mettre en oeuvre l'invention ; [0024] Fig. 3 représente schématiquement un siphon de type siphon-cloche ; [0025] Fig. 4 et Fig. 5 représentent schématiquement différentes configurations d'utilisation d'un dispositif de récupération de chaleur conforme à l'invention ; [0026] Fig.6 représente schématiquement un siphon-cloche ; [0027] Fig. 7 représente schématiquement un mode de réalisation comprenant deux siphons externes. [0028] Fig. 8 représente schématiquement un mode de réalisation comprenant un siphon cloche et un échangeur thermique composé d'une première et d'une seconde partie. [0029] Fig. 9 et Fig. 10 représentent schématiquement des coupes transversales du dispositif représenté Fig. 10. [0030] Fig. 11 représente schématiquement un autre mode de réalisation avec un échangeur thermique comprenant une seconde partie. [0031] Fig. 12 représente schématiquement un autre mode de réalisation de dispositif de ré- cupération de chaleur sur eau usée conforme à l'invention. Description des modes de réalisation 100321 On décrit, en relation avec les figures Fig. 1 à Fig. 12, différents modes de réalisation conformes à l'invention. 100331 Un exemple de dispositif 1 de récupération de chaleur sur eau usée conforme à l'invention est représenté schématiquement Fig. I. Le dispositif 1 est destiné à être utilisé dans des habitations individuelles ou des bâtiments collectifs. Le dispositif 1 comprend une cuve de stockage 10 destinée à recevoir, par une canalisation d'entrée 11, les eaux grises en provenance des bains, douches voire lavabos et éviers ainsi que des appareils de type lave-linge ou lave-vaisselle. Ces eaux grises sont généralement à une température proche de 36° pour les douches et bains et entre 30° et 90° pour les lave-linges et lave-vaisselles selon le programme choisi par l'utilisateur. La contenance de la cuve 10 est typiquement comprise entre 75 litres et 150 litres et sa forme est quelconque, par exemple cylindrique ou parallélépipédique. [0034] Avantageusement la cuve 10 est isolée thermiquement afin de limiter les déperditions d'énergie. [0035] Un échangeur thermique 20 est placé au sein de la cuve 10. De façon classique de l'eau sanitaire froide, dont la température est typiquement comprise entre 12° et 18', est envoyée à l'entrée 21 de l'échangeur thermique 20. Lors de la circulation au sein de l'échangeur thermique 20, l'eau est réchauffée par le transfert de chaleur récupérée sur les eaux grises contenues au sein de la cuve. En sortie de l'échangeur thermique 22, l'eau réchauffée peut être utilisée de différentes manières. L'échangeur thermique 20 peut être de différents types, par exemple à plaques. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, l'échangeur thermique prend la forme d'un serpentin, comme illustré schématiquement Fig. 1, réalisé dans un matériau présentant une bonne conductivité thermique, par exemple en cuivre. [0036] Une canalisation de sortie 12 permet d'évacuer eaux grises de la cuve 10. Elles re- joignent un collecteur 40 assurant leur évacuation de façon traditionnelle. [0037] Lc dispositif 1 comprend également un siphon 30 auto-amorçant. L'effet siphoïde du siphon 30 se déclenche automatiquement lorsque, le volume d'eau contenu dans la cuve 10 dépassant un seuil Vmin, il y a une arrivée d'eau grise dans la cuve 10 par la canalisation d'entrée 11 avec un débit dépassant un seuil minimum Dmin. Le siphon 30 permet ainsi de vidanger la cuve 10 de manière naturelle et passive, sans aucun dispositif supplémentaire mécanique, électrique et/ou électronique. En particulier, l'absence de pompe permet de simplifier l'installation et d'économiser de l'énergie, et l'absence de vanne diminue les interventions de maintenance. [0038] Le débit Dmin seuil de déclenchement d'une vidange, la fréquence des vidanges, le volume d'eau grise vidangé, et le débit de l'eau grise évacuée de la cuve 10 lors d'une vidange sont déterminés par les dimensions et les formes de la cuve 10 et du siphon 30. Préférentiellement, le débit seuil de déclenchement est supérieur à 0,1 litre par seconde. [0039] Pour un seuil Vmin donné, de nombreux types de siphons 30 peuvent être utilisés conformément à l'invention, comme représenté schématiquement Fig. 2. Dans certains modes de réalisation, le siphon 30 est extérieur à la cuve 10, ce qui procure l'avantage d'une plus grande facilité d'accès et de démontage pour éventuellement nettoyer le siphon 30 et faciliter la maintenance. L'inconvénient est une augmentation de l'encombrement du dispositif 1. [0040] D'autres modes de réalisation proposent un dispositif 1 avec un siphon 30 majori- tairement voire totalement placé au sein de la cuve 10, ce qui rend le dispositif 1 plus compact. Dans l'exemple de mise en oeuvre représenté schématiquement Fig. 3, le siphon 30 est du type siphon cloche, comprenant un tube d'évacuation 31 placé au sein 6 d'une cloche 32. Ce mode de réalisation particulièrement avantageux permet de placer un échangeur thermique 20 de type serpentin enroulé autour de la cloche 32 du siphon cloche 30, le tube d'évacuation 31 traversant la base de la cuve de stockage 10. Le dispositif 1 est ainsi extrêmement compact. [0041] L'eau sanitaire tiède 55 disponible à la sortie 22 de l'échangeur thermique 20 peut être utilisée de nombreuses façons différentes. Dans les exemples d'utilisation représentés schématiquement Fig. 4 et Fig. 5, elle alimente respectivement une pluralité de chaudières individuelles 50 ou une chaudière collective 50 collective produisant de l'eau chaude sanitaire 56. Dans les deux cas sont représentés trois logements sur trois étages, équipés chacun d'une douche 51, d'un lavabo 52, d'un évier 53 et d'une machine à laver le linge ou la vaisselle 54. Comme les chaudières 50 sont alimentées en eau sanitaire 55 déjà tiède au lieu d'être alimentées de façon classique en eau sanitaire froide 57, elles consomment moins d'énergie pour atteindre la température souhaitée pour l'eau chaude sanitaire 56. [0042] Dans les exemples d'installations représentés schématiquement Fig. 4 et Fig. 5, les mitigeurs des douches 51 sont alimentés en eau sanitaire tiède 55 et en eau sanitaire chaude 56. De l'eau 55 déjà tiède étant utilisée à la place d'eau sanitaire froide 57, la consommation d'eau chaude sanitaire 56 produite par la ou les chaudières est réduite dans les mitigeurs. Les lavabos 52, éviers 53 et machines à laver 54 sont, dans ces exemples, alimentés en eau sanitaire chaude 56 et en eau sanitaire froide 57. [0043] Naturellement, de multiples utilisations peuvent être envisagées, combinant l'alimentation de chaudières 50, et/ou de mitigeurs de douches 51, de lavabo 52, d'évier 53, ou de machines à laver 54 qui ont alors besoin de moins d'énergie pour atteindre la température du programme sélectionné par l'utilisateur. [0044] Les eaux usées sont collectées en sortie des douches 51, lavabo 52, éviers 53 et machines à laver 54, dans une canalisation d'évacuation 58 reliée à la canalisation d'entrée 11 du dispositif 1. En sortie du dispositif 1, les eaux usées sont évacuées vers un collecteur 40 assurant leur évacuation de façon traditionnelle. Des compteurs 59 permettent de mesurer la consommation en eau sanitaire tiède 55, chaude 56 et froide 57. [0045] Optionnellement les dimensions du siphon 30 et son positionnement dans la cuve de stockage 10 permettent de ne vidanger qu'une partie du volume d'eau usée contenu dans la cuve 10, par exemple 50% ou 75% du volume d'eau. Une telle configuration permet ainsi d'optimiser la récupération de chaleur en adaptant le volume d'une vidange au volume moyen d'une arrivée d'eau grise dans le dispositif 1, et en garantissant qu'il y a toujours un niveau d'eau minimum permettant de récupérer de la chaleur. [0046] Avantageusement, lorsque le siphon 30 est du type siphon cloche, la forme du 7 sommet du tube d'évacuation 31 et la forme du sommet de la cloche 32 peuvent être adaptées afin de faciliter l'écoulement des eaux usées lors de la vidange automatique. Comme représenté schématiquement Fig. 6, en évasant le sommet du tube d'évacuation 31, on peut par exemple faciliter l'amorçage du siphon 30, et donc abaisser la valeur Dmin du débit seuil de déclenchement de l'effet siphoïde. [0047] Dans certains cas, le dispositif 1 de récupération de chaleur sur eaux usées peut être utilisé dans un contexte connu dans lequel différentes configurations de volumes et de débits d'eau usée arrivant par la canalisation d'entrée 1 ont été clairement identifiées. Par exemple une configuration de type bain avec un grand volume d'une eau usée à environ 38', et une configuration de type lave-linge, avec un plus faible volume d'une eau usée beaucoup plus chaude. Dans un tel cas, le dispositif 1 peut comprendre un deuxième siphon 35 auto-amorçant, comme représenté schématiquement Fig. 7. Les caractéristiques du premier siphon 30 et du deuxième siphon 35 permettent de définir deux débit seuils Dmin, deux volumes d'eau vidangée et deux débits de vidange distincts afin d'optimiser la récupération de chaleur aux deux configurations identifiées et de présenter ainsi une plus grande plage de débit d'auto-amorçage. [0048] Par exemple l'un des deux siphons 30 et 35 construit avec un faible diamètre dé- clenchera une vidange avec un faible débit seuil Dmin et un faible débit de vidange. En cas de fort débit d'eau usée arrivant par la canalisation d'entrée 11, le niveau d'eau dans la cuve 10 continuera de monter jusqu'au déclenchement automatique de l'effet siphoïde du deuxième siphon 35 ou 30, construit avec un diamètre plus élevé et déclenchant alors par auto-amorçage une vidange avec un fort débit de vidange. [0049] Les dispositifs de récupération de chaleur sur eau usée conformes à l'invention ont comme particularités communes d'être extrêmement simples d'utilisation et compacts avec une grande efficacité, mais l'exemple de mode de réalisation représenté schématiquement Fig. S à Fig. 10 est particulièrement avantageux dans ces deux domaines [0050] Dans cet exemple la cuve 10 possède une forme parallélépipédique et elle est munie d'un tuyau d'évacuation de trop-plein 13 optionnel. Le siphon 30 est du type siphon cloche, dont le tube d'évacuation 31 présente un sommet évasé optionnel. Un échangeur thermique 20 de type serpentin comprend une première partie 25 présentant un profil sensiblement cylindrique placée autour de la cloche 32 du siphon cloche 30. Lorsque la cuve 10 contient de l'eau usée, cette première partie 25 de l'échangeur thermique 20 réchauffe, par convection, l'eau sanitaire qui la traverse. [0051] Dans le prolongement de la première partie 25, l'échangeur thermique 20 comprend également une seconde partie 26 placée au-dessus de la cloche 32 du siphon cloche 30, et présentant une angulation par rapport à l'horizontale. [0052] Lorsque l'eau usée arrive dans la cuve 10 par la canalisation d'entrée 11, elle ruisselle sur la seconde partie 26 en réchauffant l'eau sanitaire qui la traverse. Ce ré- 8 chauffement est le résultat d'un échange par ruissellement à contre-courant, qui est l'un des échanges thermiques les plus efficaces. [0053] Dans l'exemple de réalisation représenté Fig. 8 à Fig. 10, la seconde partie 26 est elle aussi de type serpentin dont les spires ont des diamètres décroissants de façon à présenter un profil favorisant le ruissellement, par exemple un profil conique. [0054] Dans un mode de réalisation alternatif non représenté, la seconde partie 26 de l'échangeur thermique 20 est constitué de deux surfaces sensiblement parallèles entre lesquelles circule l'eau sanitaire. Ces deux surfaces peuvent alors définir un profil favorisant le ruissellement, par exemple un profil conique, et présenter une très faible angulation par rapport à l'horizontale de façon à maximiser l'échange thermique par ruissellement tout en réduisant l'encombrement du dispositif. Ce mode de réalisation alternatif est particulièrement adapté aux forts débits d'arrivée d'eau usée dans la cuve. [0055] Un dispositif 1 tel que représenté Fig. 8 à Fig. 10 est très compact et permet de ré- chauffer l'eau sanitaire de façon particulièrement efficace à la fois par ruissellement à contre-courant et par convection dans un réservoir 10, lequel est vidangé automatiquement par le siphon 30 auto-amorçant en procurant ainsi une grande facilité de fabrication, d'installation et d'utilisation. [0056] Fig. 11 représente schématiquement un mode de réalisation particulièrement avantageux, dans lequel la seconde partie de l'échangeur thermique 26 comprend un serpentin 27 placé au-dessus d'une pluralité de surfaces 28 de forme conique présentant une faible inclinaison par rapport à l'horizontale. [0057] L'eau usée arrivant dans la cuve 10 par la canalisation d'entrée 11, ruisselle succes- sivement sur les différentes surfaces 28 en réchauffant l'eau sanitaire qui traverse le serpentin 27, grâce à un échange thermique par ruissellement à contre-courant. Dans le mode de réalisation représenté Fig. 11, l'inclinaison des surfaces 28 est alternativement positive et négative de façon à optimiser l'échange thermique en augmentant la durée du ruissellement. [0058] Optionnellement, les surfaces 28 peuvent être construites dans une matière thermo conductrice. Les surfaces 28 sont alors également réchauffées par l'eau usée qui ruisselle. Les surfaces 28 étant en contact avec le serpentin 27, elles participent alors également au réchauffement de l'eau sanitaire qui le traverse. [0059] Dans les exemples de mise en oeuvre de l'invention exposés précédemment, de l'eau froide sanitaire 57 alimente l'échangeur thermique 20 placé dans la cuve 10 au sein de laquelle se trouve de l'eau usée. Or pour des raisons de traitement sanitaire, il peut être souhaitable que la cuve 10 ne contienne pas à la fois de l'eau sanitaire potable transitant dans l'échangeur thermique 20, et des eaux usées arrivant par la conduite d'entrée 11. L'installation représentée schématiquement Fig. 12 répond à cette problématique en utilisant un dispositif 1 possédant une structure identique à celle des dis- 9 positifs précédemment décrits, mais dont l'échangeur thermique 20 n'est pas alimenté par son entrée 21 en eau sanitaire froide 57, mais en fluide à réchauffer. Ce fluide peut par exemple être de l'eau « qualité chauffage » qui est ensuite utilisée dans un échangeur 60 pour préchauffer l'eau froide sanitaire 57, ou bien un fluide frigorigène d'un système thermodynamique 60 de type pompe à chaleur, ou bien encore un fluide caloporteur alternant vaporisation et condensation dans un circuit fermé étanche formant une boucle diphasiquc ou une boucle thermosiphon 60. [0060] L'invention concerne également un procédé de récupération de chaleur sur eau usée, selon lequel l'eau usée est stockée dans une cuve 10 dans laquelle est placée un échangeur thermique 20. Un fluide étant envoyé à l'entrée 21 de l'échangeur thermique 20, il est réchauffé à la sortie 22 de l'échangeur thermique. Le procédé selon l'invention comprend des phases de vidange automatique par effet siphoïde auto-amorcé déclenchées lorsque le volume d'eau usée stockée dépasse un seuil Vmin, et lorsque le débit d'eau usée arrivant dans la cuve 10 dépasse un seuil Dmin d'amorçage de l'effet siphoïde. Avantageusement Dmin est supérieur à 0,1 litre par seconde. Optionnellement, la vidange de la cuve 10 est partielle et ne concerne que 50% à 75% du volume Vrnin. 10