Brevet FR3102835A1 — publié le 20210507

Un dispositif (10) de chauffage d’eau destiné à alimenter un local (L) en eau chaude comprend un chauffe-eau (12) et un organe de calcul et de régulation (19) connecté à un système d’énergie renouvelable (16) et à un réseau électrique (17). Lorsque pour un jour j un surplus d’énergie produit par le système d’énergie renouvelable est disponible la carte de régulation détermine la consigne de température du jour j de telle sorte que : lorsqu’une prédiction de l’énergie Epvj+1 produite par le système d’énergie renouvelable le jour suivant j+1 est supérieure à la prédiction des consommations en énergie du local ce jour-là, la consigne de température pour le jour même j est fixée à une valeur de base T1, et lorsqu’une prédiction de l’énergie produite par le système d’énergie renouvelable le jour suivant j+1 est inférieure à la prédiction des consommations en énergie ce jour-là, la consigne de température pour le jour même j est fixée à une valeur de surplus T2. Figure de l’abrégé : Figure 1 DISPOSITIF DE CHAUFFAGE D’EAU La présente divulgation relève du domaine des dispositifs de chauffage d’eau sanitaire. Il est courant d’utiliser un ballon d’eau chaude pour alimenter un local (par exemple une maison) en eau chaude sanitaire. Le ballon est un réservoir de volume prédéfini avec un port d’entrée d’eau généralement disposé en partie basse du réservoir et un port de soutirage d’eau généralement disposé en partie haute du réservoir. Le ballon contient un ou plusieurs éléments de chauffe permettant de régler la température de l’eau. Le ou les éléments de chauffe peuvent être alimentés en énergie par le réseau électrique conventionnel ou par des énergies vertes, type panneaux photovoltaïques. Une carte de régulation permet d’ajuster la puissance de chauffe du (ou des) éléments chauffants. Le niveau d’eau ainsi que la température de l’eau dans le ballon peut fluctuer au cours du temps en fonction des consommations de l’habitation et/ou de contraintes extérieures telles que la météo. Ainsi, l’énergie photovoltaïque disponible pour l’habitation peut elle aussi varier en fonction de l’ensoleillement. Il se peut par exemple que dans certains cas, il y ait absence de stockage suite à un ensoleillement alors que les besoins du jour suivant dépasseront la capacité de stockage de ce jour-là. On peut aussi se retrouver dans un cas indésirable où l’eau du ballon est surchauffée par l’énergie photovoltaïque à pertes à cause des déperditions thermiques du ballon car les dépenses en eau chaudes du lendemain sont moindres que l’énergie disponible, alors que cette énergie aurait pu être utilisée pour un autre usage du local ou bien revendue sur le réseau. Résumé La présente divulgation vient améliorer la situation. Il est proposé un dispositif de chauffage d’eau destiné à alimenter un local en eau chaude, le dispositif comprenant : - un chauffe-eau comprenant : - un organe de chauffe pour chauffer de l’eau contenue dans le chauffe-eau, - une sonde de température pour mesurer une température de l’eau Teau contenue dans le chauffe-eau; et - un organe de calcul et de régulation connecté à l’organe de chauffe et à la sonde de température pour réguler l’organe de chauffe en fonction d’une consigne de température, l’organe de calcul et de régulation étant connecté à un système d’énergie renouvelable, par exemple un système photovoltaïque, et à un réseau électrique afin de livrer de l’énergie à l’organe de chauffe, la consigne de température ayant une valeur de base T1, et une valeur de surplus T2 supérieure ou égale à la valeur de base T1, lorsque pour un jour j un surplus d’énergie produit par le système d’énergie renouvelable est disponible l’organe de calcul et de régulation est adaptée à déterminer la consigne de température du jour j de telle sorte que : lorsqu’une prédiction de l’énergie Epvj+1 produite par le système d’énergie renouvelable le jour suivant j+1 est supérieure à la prédiction des consommations en énergie du local ce jour-là, la consigne de température pour le jour même j est fixée à la valeur de base T1, et lorsqu’une prédiction de l’énergie produite par le système d’énergie renouvelable le jour suivant j+1 est inférieure à la prédiction des consommations en énergie ce jour-là, la consigne de température pour le jour même j est fixée à la valeur de surplus T2 de sorte à chauffer l’eau contenue dans le chauffe-eau grâce au surplus d’énergie produit par le système d’énergie renouvelable disponible le jour j. Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en œuvre. Elles peuvent être mises en œuvre indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : - prédiction des consommations en énergie du local pour le jour j+1 est égale à une énergie de soutirage Sj+1 prédite pour le jour j+1 additionnée à une énergie de déperdition D(Tj) du chauffe-eau à la température de consigne appliquée le jour j, - l’énergie de soutirage Sj+1 prédite pour le jour j+1 prend en compte un historique des consommations du local, - la prédiction de l’énergie Epvj+1 produite par le système d’énergie renouvelable le jour suivant j+1 est calculée en fonction de prévisions météorologiques et/ou de données statistiques relatives au chauffe-eau reçues d’un serveur distant du dispositif, - dans lequel la valeur de surplus T2 est déterminée comme étant la valeur minimisant la fonction suivante [Math. 1] où m est la masse de l’eau, Sj est l’énergie de soutirage prélevée le jour j du chauffe-eau, Sj+1 est l’énergie de soutirage estimée prélevée le jour j+1 du chauffe-eau, Epvj+1 est l’énergie produite par le système d’énergie renouvelable le jour suivant j+1, D(T1) est l’énergie de déperdition du chauffe-eau à la température de base T1, D(T2) est l’énergie de déperdition du chauffe-eau à la température de surplus T2, Cp est la capacité thermique de l’eau, et C1 et C2 deux coefficients prédéfinis selon un profil d’optimisation, - dans lequel le coefficient C1 est représentatif d’une efficacité de transformation de l’énergie provenant du système d’énergie renouvelable, et le coefficient C2 est représentatif d’une efficacité de transformation de l’énergie provenant du système électrique conventionnel, par exemple C1 = 1 et C2 = 2.5 ou 2.1, - le coefficient C1 est représentatif d’un coût de l’énergie provenant du système d’énergie renouvelable, et le coefficient C2 est représentatif d’un coût de l’énergie provenant du système électrique conventionnel, par exemple C1 = 0 et C2 = 0.15, - le coefficient C1 est représentatif d’un bilan carbone pour une énergie renouvelable et le coefficient C2 est représentatif d’un bilan carbone pour une énergie provenant du système électrique conventionnel, par exemple C1 = 45 ou 11 et C2 = 60, - l’organe de calcul et de régulation inclut une carte de régulation commandant une puissance de chauffe à l’organe de chauffe en fonction de consignes de température, et - l’organe de calcul et de régulation inclut de plus un gestionnaire d’énergie connecté d’une part à la carte de régulation et d’autre part au système d’énergie renouvelable et au réseau électrique , le gestionnaire d’énergie étant adapté à déterminer des consignes de températures en fonction des prédictions de l’énergie Epvj+1 produite par le système d’énergie renouvelable et des prédictions des consommations en énergie du local ce jour-là, le gestionnaire d’énergie est adapté à communiquer avec la carte de régulation à intervalles réguliers les consignes de températures, par exemple d’environ 10 minutes. D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels : Fig. 1 montre un dispositif de chauffage d’eau selon un mode de réalisation. Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l’essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente divulgation, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant. La figure 1 montre généralement un dispositif de chauffage d’eau 10 alimentant un local, par exemple une habitation, en eau chaude sanitaire. Le dispositif de chauffage d’eau 10 inclut un chauffe-eau 12 destiné à alimenter l’habitation en eau chaude. Le chauffe-eau 12 a une direction longitudinale L et un volume V . Le volume V du chauffe-eau 12 est de préférence compris entre 100 et 300 litres. Le chauffe-eau 12 comprend un port d’approvisionnement en eau 11 , et un port de soutirage de l’eau 14 . Le port d’approvisionnement 11 sert à remplir le volume V du chauffe-eau en eau sanitaire, et le port de soutirage 14 sert à vider le chauffe-eau pour alimenter le local selon les besoin. Le chauffe-eau 12 inclut de plus un organe de chauffe 16 pour chauffer l’eau contenue dans le chauffe-eau 12. Selon un mode de réalisation, l’organe de chauffe est l’unique organe de chauffe du chauffe-eau. L’organe de chauffe 16 pourrait être une ou plusieurs résistances (fixes ou variables) connectées à une ou plusieurs épingles, un serpentin ou condenseur. L’organe de chauffe 16 pourrait être extérieur au volume V. Par exemple, l’organe de chauffe 16 pourrait être une ceinture thermodynamique ou électrique. Le chauffe-eau 12 peut ainsi être un chauffe-eau électrique ou thermodynamique et avoir ainsi des éléments de chauffage thermodynamique et électrique combinés, pompe à chaleur avec vitesse de compresseur variable. L’organe de chauffe 16 peut ainsi comprendre n organes de puissances de chauffe différentes, n étant supérieur ou égal à deux, où la puissance Pi de chaque organe de chauffe i est définie par [Math. 2] où Pmax est une puissance maximale de chauffe. Le chauffe-eau 12 comprend de plus une sonde de température 13 pour mesurer une température de l’eau Teau contenue dans le chauffe-eau. Il se pourrait que le chauffe-eau 12 comprenne plusieurs sondes de températures disposées à divers endroits du volume V. Le chauffe-eau 12 inclut de plus un organe de calcul et de régulation 19 qui inclut une carte de régulation 18 connectée à l’organe de chauffe 16 et à la sonde de température 13 pour réguler l’organe de chauffe en fonction d’une consigne de température. Le dispositif de chauffage d’eau 10 peut comprendre un système d’énergie renouvelable 22, dans le cas particulier illustré étant un système photovoltaïque, approvisionnant le dispositif en énergie pour le chauffage de l’eau. Le système photovoltaïque 22 comprend un ou plusieurs panneaux photovoltaïques qui convertissent une lumière reçue en courant continu, et un convertisseur qui convertit le courant continu produit par les panneaux photovoltaïques en courant alternatif. Il est entendu que le convertisseur pourrait être optionnel. Le dispositif de chauffage d’eau 10 est aussi alimenté en énergie par le réseau électrique conventionnel 23 . L’organe de calcul et de régulation 19 peut inclure un gestionnaire d’énergie 15 en communication avec la carte de régulation 18. Le gestionnaire d’énergie 15 permet de réguler l’apport en énergie au chauffe-eau en proportions variables d’énergie provenant du système photovoltaïque 22 et du réseau électrique conventionnel 23. La puissance de chauffe à commander à l’organe de chauffe 16 peut être calculée par la carte de régulation 18 ou déterminée par le gestionnaire d’énergie 15. La carte de régulation 18 en fonction de la puissance de chauffe commande l’organe de chauffe 16. Selon un mode de réalisation, le gestionnaire d’énergie 15 en coopération avec la carte de régulation 18 permet d’utiliser le chauffe-eau 14 comme moyen de stockage de surplus d’énergie produite par les panneaux photovoltaïques en énergie thermique. En effet, dans certains cas, il se peut que le système photovoltaïque 22 produise plus d’énergie que ce que le local ne requiert. Le dispositif 10 permet qu’au moins une partie de ce surplus d’énergie photovoltaïque produit peut-être réinjectée dans le dispositif de chauffage d’eau 12 au lieu d’être injectée à perte au réseau d’alimentation. Ainsi, l’énergie qui aurait dû être retournée au réseau (donc à perte) est transformée en énergie thermique en chauffant l’eau du chauffe-eau de façon additionnelle à son fonctionnement habituel. Le dispositif de chauffage d’eau 12 fonctionne alors comme un stockage d’énergie, en convertissant de l’énergie électrique produite en surplus par le système photovoltaïque 22 en énergie thermique (eau chauffée). Si le surplus est plus important que la puissance de chauffe possible par le chauffe-eau, la différence pourrait être réinjectée dans le réseau. Le gestionnaire d’énergie 15 détermine une consigne de température à transmettre à la carte de régulation 18 qui elle commande l’organe de chauffe 16. Cette consigne va dépendre des prédictions d’énergies renouvelables provenant du système photovoltaïque 22 et des habitudes et consignes de consommation du local. La consigne de température a une valeur de base T1 , et une valeur de surplus T2 supérieure ou égale à la valeur de base T1 correspondant à un surplus d’énergie photovoltaïque disponible. Selon un mode de réalisation, la valeur de surplus T2 est compris entre la valeur de base T1 et 75°C. Dans un mode de réalisation, la valeur de surplus T2 est déterminée afin de conserver l’intégrité de l’émail de la cuve et limiter la corrosion. Ainsi, lorsque pour un jour j un surplus d’énergie produit par le système photovoltaïque est disponible la carte de régulation 18 est adaptée à déterminer la consigne de température du jour j de telle sorte que : - lorsqu’une prédiction de l’énergie Epvj+1 produite par le système photovoltaïque 22 le jour suivant j+1 est supérieure à la prédiction des consommations en énergie du local ce jour-là, la consigne de température pour le jour même j est fixée à la valeur de base T1, et - lorsqu’une prédiction de l’énergie produite par le système photovoltaïque 22 le jour suivant j+1 est inférieure à la prédiction des consommations en énergie ce jour-là, la consigne de température pour le jour même j est fixée à la valeur de surplus T2 de sorte à chauffer l’eau contenue dans le chauffe-eau 12 grâce au surplus d’énergie produit par le système photovoltaïque disponible le jour j. À défaut, la consigne de température est la valeur de base T1. La détermination de la production de l’énergie produite par le système photovoltaïque 22 et la prédiction des consommations en énergie du local ce jour-là peut être faite par le gestionnaire d’énergie 15, par la carte de régulation 18 ou bien par les deux. Le gestionnaire d’énergie 15 peut communiquer avec la carte de régulation 18 à intervalles réguliers. Il a été trouvé qu’une communication toutes les 10 min permet d’assurer un optimum entre la réactivité du système, et la fiabilité (nombre de commutations relais). La prédiction des consommations en énergie du local pour le jour j+1 peut être égale à une énergie de soutirage Sj+1 prédite pour le jour j+1 additionnée à une énergie de déperdition D(Tj) du chauffe-eau 12 à la température de consigne appliquée le jour j. L’énergie de soutirage Sj+1 prédite pour le jour j+1 peut prendre en compte un historique des consommations du local. Elle peut aussi dépendre d’éléments transmis par le client lui-même, comme par exemple une absence programmée. Ainsi, même si un surplus est disponible, le fait que le consommateur ne soit pas présent permettra de revendre le surplus d’énergie photovoltaïque au lieu de surchauffer le chauffe-eau 12 à pertes. La prédiction de la production de l’énergie produite par le système photovoltaïque 22 peut être faite en prenant en compte des données météorologiques. Ces données peuvent être transmisses en temps réel, à intervalles réguliers, par voie filaire ou sans fil. De ce fait, le gestionnaire d’énergie 15 et/ou la carte de régulation 18 peuvent être adaptés à recevoir des données météorologiques d’un serveur distant par exemple. Le gestionnaire d’énergie 15 et/ou la carte de régulation 18 peuvent être adaptés à recevoir aussi ou en alternative des données basées sur un historique ou des statistiques internes au chauffe-eau. La valeur de surplus T2 peut être déterminée comme étant la valeur minimisant la fonction suivante [Math. 3] où m est la masse de l’eau, Sj est l’énergie de soutirage prélevée le jour j du chauffe-eau, Sj+1 est l’énergie de soutirage estimée prélevée le jour j+1 du chauffe-eau, Epvj+1 est l’énergie produite par le système photovoltaïque le jour suivant j+1, D(T1) est l’énergie de déperdition du chauffe-eau à la température de base T1, D(T2) est l’énergie de déperdition du chauffe-eau à la température de surplus T2, Cp est la capacité thermique de l’eau, et C1 et C2 deux coefficients prédéfinis selon un profil d’optimisation. Selon un mode de réalisation, le coefficient C1 est représentatif d’une efficacité de transformation de l’énergie provenant du système photovoltaïque, et le coefficient C2 est représentatif d’une efficacité de transformation de l’énergie provenant du système électrique conventionnel. Le coefficient C1 peut être 1 pour désigner une première efficacité de transformation d’une énergie renouvelable (par exemple photovoltaïque) et le coefficient C2 peut être 2.5 ou de 2.1 pour désigner une deuxième efficacité de transformation moins importante que la première relatif à l’efficacité des moyens de production d’énergie en France et pertes dans les réseaux électriques. Selon un autre mode de réalisation, le coefficient C1 est représentatif d’un coût de l’énergie provenant du système photovoltaïque, et le coefficient C2 est représentatif d’un coût de l’énergie provenant du système électrique conventionnel. Par exemple, C1 = 0 et C2 = 0.15. Le coefficient C1 correspond au cout moyen du kW/h en euros pour septembre 2019 pour l’énergie photovoltaïque et le coefficient C2 correspond au cout moyen du kW/h en euros pour septembre 2019 pour l’énergie provenant du réseau électrique français. Selon un autre mode de réalisation, le coefficient C1 est représentatif d’un bilan carbone pour une énergie renouvelable et le coefficient C2 est représentatif d’un bilan carbone pour une énergie provenant du système électrique conventionnel. Par exemple C1 = 45 ou 11 et C2 = 60. Le coefficient C1 correspond par exemple à 45 gCO2eq/kWh dans le cas d’une énergie photovoltaïque ou correspond par exemple à 11 gCO2eq/kWh dans le cas d’une énergie éolienne. Le coefficient C2 correspond par exemple à 60 gCO2eq/kWh dans le cas d’une énergie provenant du réseau électrique français. D ispositif (1 0 ) de chauffage d’eau destiné à alimenter un local en eau chaude, le dispositif comprenant : - un chauffe-eau (12) comprenant : - un organe de chauffe (24) pour chauffer de l’eau contenue dans le chauffe-eau, - une sonde de température (13) pour mesurer une température de l’eau Teau contenue dans le chauffe-eau; et - un organe de calcul et de régulation ( 19 ) connecté à l’organe de chauffe et à la sonde de température pour réguler l’organe de chauffe en fonction d’une consigne de température, l’organe de calcul et de régulation étant connecté à un système d’énergie renouvelable (16 ) , par exemple un système photovoltaïque, et à un réseau électrique ( 17 ) afin de livrer de l’énergie à l’organe de chauffe, la consigne de température ayant une valeur de base T1 , et une valeur de surplus T2 supérieure ou égale à la valeur de base T1, lorsque pour un jour j un surplus d’énergie produit par le système photovoltaïque est disponible l’organe de calcul et de régulation est adapté à déterminer la consigne de température du jour j de telle sorte que : lorsqu’une prédiction de l’énergie Epvj+1 produite par le système d’énergie renouvelable le jour suivant j+1 est supérieure à la prédiction des consommations en énergie du local ce jour-là, la consigne de température pour le jour même j est fixée à la valeur de base T1, et lorsqu’une prédiction de l’énergie produite par le système d’énergie renouvelable le jour suivant j+1 est inférieure à la prédiction des consommations en énergie ce jour-là, la consigne de température pour le jour même j est fixée à la valeur de surplus T2 de sorte à chauffer l’eau contenue dans le chauffe-eau grâce au surplus d’énergie produit par le système d’énergie renouvelable disponible le jour j. Dispositif de chauffage selon la revendication 1, dans lequel la prédiction des consommations en énergie du local pour le jour j+1 est égale à une énergie de soutirage Sj+1 prédite pour le jour j+1 additionnée à une énergie de déperdition D( Tj ) du chauffe-eau à la température de consigne appliquée le jour j. Dispositif de chauffage d’eau selon la revendication 2, dans lequel l’énergie de soutirage Sj+1 prédite pour le jour j+1 prend en compte un historique des consommations du local. Dispositif de chauffage d’eau selon l’une des revendication 1 à 3, dans lequel la prédiction de l’énergie Epvj+1 produite par le système d’énergie renouvelable le jour suivant j+1 est calculée en fonction de prévisions météorologiques et/ou de données statistiques relatives au chauffe-eau reçues d’un serveur distant du dispositif. Dispositif de chauffage d’eau selon l’une des revendication 1 à 4, dans lequel la valeur de surplus T2 est déterminée comme étant la valeur minimisant la fonction suivante [Math. 4] où m est la masse de l’eau, Sj est l’énergie de soutirage prélevée le jour j du chauffe-eau, Sj+1 est l’énergie de soutirage estimée prélevée le jour j+1 du chauffe-eau, Epvj+1 est l’énergie produite par le système d’énergie renouvelable le jour suivant j+1, D(T1) est l’énergie de déperdition du chauffe-eau à la température de base T1, D(T2) est l’énergie de déperdition du chauffe-eau à la température de surplus T2, Cp est la capacité thermique de l’eau, et C1 et C2 deux coefficients prédéfinis selon un profil d’optimisation. Dispositif de chauffage d’eau selon la revendication précédente, dans lequel le coefficient C1 est représentatif d’une efficacité de transformation de l’énergie provenant du système d’énergie renouvelable, et le coefficient C2 est représentatif d’une efficacité de transformation de l’énergie provenant du système électrique conventionnel, par exemple C1 = 1 et C2 = 2.5 ou 2.1. Dispositif de chauffage d’eau selon la revendication 5, dans lequel le coefficient C1 est représentatif d’un coût de l’énergie provenant du système d’énergie renouvelable, et le coefficient C2 est représentatif d’un coût de l’énergie provenant du système électrique conventionnel, par exemple C1 = 0 et C2 = 0.15. Dispositif de chauffage d’eau selon la revendication 5, dans lequel le coefficient C1 est représentatif d’un bilan carbone pour une énergie renouvelable et le coefficient C2 est représentatif d’un bilan carbone pour une énergie provenant du système électrique conventionnel, par exemple C1 = 45 ou 11 et C2 = 60. Dispositif de chauffage d’eau selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’organe de calcul et de régulation inclut une carte de régulation (18) commandant une puissance de chauffe à l’organe de chauffe en fonction de consignes de température. Dispositif de chauffage d’eau selon la revendication précédente, dans lequel l’organe de calcul et de régulation inclut de plus un gestionnaire d’énergie (15) connecté d’une part à la carte de régulation et d’autre part au système d’énergie renouvelable et au réseau électrique , le gestionnaire d’énergie étant adapté à déterminer des consignes de températures en fonction des prédictions de l’énergie Epvj+1 produite par le système d’énergie renouvelable et des prédictions des consommations en énergie du local ce jour-là, le gestionnaire d’énergie est adapté à communiquer avec la carte de régulation à intervalles réguliers les consignes de températures, par exemple d’environ 10 minutes.