Brevet FR3130946A1 — publié le 20230623

Système de production d'eau chaude sanitaire et de chauffage intégré à un réseau de chaleur basse température L’invention concerne un système de production d'eau chaude sanitaire et de chauffage comprenant - un circuit primaire (1) apte à recevoir un fluide caloporteur comprenant : une arrivée de fluide caloporteur chaud (2) et un retour de fluide caloporteur froid (3), - un ballon de stockage (4) de fluide caloporteur stratifié en température, - un circuit secondaire d'eau chaude sanitaire (10),- un circuit secondaire de chauffage (20),- un circuit de bouclage (30), - un échangeur thermique d'eau chaude sanitaire (13),- un échangeur thermique de bouclage (31), - le circuit primaire (1) comprend un échangeur thermique de chauffage (22),- l'échangeur thermique d'eau chaude sanitaire (13) et l'échangeur thermique de chauffage (22) sont agencés en parallèle sur le circuit primaire (1), et - l'échangeur thermique de bouclage (31) et l'échangeur thermique de chauffage (22) sont agencés en série sur le circuit primaire (1). Figure pour l’abrégé : Fig.1 Système de production d'eau chaude sanitaire et de chauffage intégré à un réseau de chaleur basse température La présente invention concerne le domaine des systèmes de production d'eau chaude sanitaire et de chauffage. La présente invention trouvera son application plus particulièrement dans un réseau de chaleur avantageusement décarboné et à basse température pour proposer une architecture de sous-station améliorée. ÉTAT DE LA TECHNIQUE Un réseau de chaleur urbain est un ensemble d’installations qui produisent et distribuent de la chaleur, à plusieurs bâtiments pour le chauffage et/ou l’eau chaude sanitaire. Un réseau de chaleur comprend une unité de production de chaleur et un réseau de distribution primaire de canalisation transportant la chaleur et la distribuant aux sous-stations, également dénommés postes de livraison aux utilisateurs. Formant une boucle fermée, le réseau de distribution primaire est composé de canalisations dans lesquelles la chaleur est transportée par un fluide caloporteur depuis l’unité de production de chaleur jusqu’à la sous-station d’échange. Un circuit aller transporte le fluide caloporteur chaud issu de l’unité de production. Un circuit retour rapporte le fluide caloporteur, qui s’est délesté de ses calories au niveau de la sous-station d’échange. Le fluide est alors à nouveau chauffé par l’unité de production de chaleur puis renvoyé dans le circuit. Les sous-stations d’échange, classiquement disposées aux pieds des immeubles comprennent classiquement au moins un échangeur thermique qui permet le transfert de la chaleur entre le réseau de distribution primaire et le réseau de distribution de l’immeuble ou sous-groupe d’immeuble. Les réseaux de chaleur se développent de plus en plus et commencent à bien s’établir avec des sources de chaleur variées notamment issues de la chaleur fatale. Les réseaux de chaleur permettent la fourniture de chaleur pour le chauffage et pour l’eau chaude sanitaire. Une des problématiques des réseaux de chaleur concerne la gestion rationnelle de l'énergie notamment en limitant les appels de puissance et en contrôlant la température de retour du fluide caloporteur. En effet, une température de retour du fluide caloporteur trop élevée est néfaste pour le rendement de l'unité de production de chaleur. Une température de retour élevée conduit également à avoir des débits de fluides importants (pour une même puissance échangée) et donc à augmenter la consommation électrique des pompes de circulation et donc à réduire l’efficacité globale du système. À cet effet, une solution technique connue consiste à utiliser sur le circuit primaire un ballon de stockage du fluide caloporteur qui est stratifié en température. Ainsi, ce type de stockage permet de lisser les appels de puissance en puisant du chaud sur sa partie haute et il permet d’abaisser au maximum la température de retour réseau en puisant du froid stockée dans sa partie basse. Il est également prévu dans les systèmes de l'état de la technique un échangeur de rebouclage qui sert à maintenir la température de l'eau chaude sanitaire à une température cible par exemple de 60°C lorsqu’il n’y a pas de puisage d'eau chaude sanitaire. On connait par exemple le système décrit dans le document EP2375175 qui est un système de production d'eau chaude sanitaire utilisant un premier échangeur de chaleur pour la production d'eau chaude sanitaire, un deuxième échangeur de bouclage et un stockage tampon qui stocke du chaud en partie haute lorsqu’il n’y a pas de puisage et du froid en partie basse lorsqu’il y a des puisages ECS. Ce système ne permet pas de fonctionner sur tout type de réseau et notamment pas sur les réseaux basses températures. Il existe donc le besoin de proposer une solution qui soit adaptable à tout type de réseau et qui soit à la fois facilement mis en œuvre tout en étant fiable. Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés. RÉSUME Pour atteindre cet objectif, selon un mode de réalisation l'invention prévoit un système de production d'eau chaude sanitaire et de chauffage comprenant: un circuit primaire apte à recevoir un fluide caloporteur comprenant : une arrivée de fluide caloporteur chaud et un retour de fluide caloporteur froid, un ballon de stockage apte à stocker le fluide caloporteur stratifié en température et comprenant un piquage supérieur connecté fluidiquement à l'arrivée de fluide caloporteur chaud et un piquage inférieur connecté fluidiquement au retour de fluide caloporteur froid, un circuit secondaire d'eau chaude sanitaire comprenant une arrivée d'eau froide sanitaire et un point de tirage d'eau chaude sanitaire, un circuit secondaire de chauffage comprenant un module de chauffage, un circuit de bouclage, un échangeur thermique d'eau chaude sanitaire configuré pour assurer les échanges thermiques entre le circuit primaire et le circuit secondaire d'eau chaude sanitaire, un échangeur thermique de bouclage configuré pour assurer les échanges thermiques entre le circuit primaire et le circuit de bouclage, caractérisé en ce que: le circuit primaire comprend un échangeur thermique de chauffage configuré pour assurer les échanges thermiques entre le circuit primaire et le circuit de chauffage, et l'échangeur thermique d'eau chaude sanitaire et l'échangeur thermique de chauffage sont agencés en parallèle sur le circuit primaire, et l'échangeur thermique de bouclage et l'échangeur thermique de chauffage sont agencés en série sur le circuit primaire. La présente invention permet de limiter les appels de puissance sur le réseau par l'usage simultané d'un ballon de stockage et d'une mise en série du circuit de bouclage et du circuit de chauffage. Ainsi, l'énergie thermique restant en sortie du circuit de bouclage est utilisée dans le circuit de chauffage sans nécessiter de faire appel ou en limitant l'appel de puissance sur le réseau. De plus, la mise en série de l'échangeur de bouclage et de l'échangeur de chauffage permet avantageusement de réduire la température de retour du fluide caloporteur dans le réseau, favorisant ainsi la production de chaleur en amont du réseau. Cette disposition permet également de diminuer les débits de fluide caloporteur pour une même puissance échangée. Le système selon l'invention permet également avec la mise en parallèle de l'échangeur thermique d'eau chaude sanitaire et de l'échangeur de chauffage d’avoir une faible température en sortie de l'échangeur thermique d'eau chaude sanitaire et donc d’avoir un stockage froid efficace dans le ballon de stockage ou une température de fluide caloporteur en retour réseau réduite. En outre, la mise en parallèle de l'échangeur de bouclage et de l'échangeur thermique d'eau chaude sanitaire permet au système de fonctionner à faible température. Le système selon l'invention présente le grand avantage de pouvoir fonctionner sur une plage de température réseau préférentiellement comprise entre 63 et 110 °C. Un autre aspect concerne un procédé de production d'eau chaude sanitaire et/ ou de chauffage par un système tel que décrit ci-dessus comprenant dans une configuration hiver, la circulation de fluide caloporteur de l'échangeur thermique de bouclage vers l'entrée de l'échangeur thermique de chauffage. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels : La représente l'architecture d'un système de production d'eau chaude sanitaire et de chauffage selon un premier mode de réalisation de l'invention La représente l'architecture d'un système de production d'eau chaude sanitaire et de chauffage selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. Système de production d'eau chaude sanitaire et de chauffage comprenant : un circuit primaire (1) apte à recevoir un fluide caloporteur comprenant : une arrivée de fluide caloporteur chaud (2) et un retour de fluide caloporteur froid (3), un ballon de stockage (4) apte à stocker le fluide caloporteur stratifié en température et comprenant un piquage supérieur (5) connecté fluidiquement à l'arrivée de fluide caloporteur chaud (2) et un piquage inférieur (6a, 6b) connecté fluidiquement au retour de fluide caloporteur froid (3), un circuit secondaire d'eau chaude sanitaire (10) comprenant une arrivée d'eau froide sanitaire (11) et un point de tirage (2) d'eau chaude sanitaire, un circuit secondaire de chauffage (20) comprenant un module de chauffage (21), un circuit de bouclage (30), un échangeur thermique d'eau chaude sanitaire (13) configuré pour assurer les échanges thermiques entre le circuit primaire (1) et le circuit secondaire d'eau chaude sanitaire (10), un échangeur thermique de bouclage (31) configuré pour assurer les échanges thermiques entre le circuit primaire (1) et le circuit de bouclage (30), Caractérisé en ce que: le circuit primaire (1) comprend un échangeur thermique de chauffage (22) configuré pour assurer les échanges thermiques entre le circuit primaire (1) et le circuit de chauffage (20), et l'échangeur thermique d'eau chaude sanitaire (13) et l'échangeur thermique de chauffage (22) sont agencés en parallèle sur le circuit primaire (1), et l'échangeur thermique de bouclage (31) et l'échangeur thermique de chauffage (22) sont agencés en série sur le circuit primaire (1). Système selon la revendication précédente dans lequel l'échangeur thermique de bouclage (31) comprend une arrivée de fluide caloporteur chaud (32) et une sortie de fluide caloporteur refroidi (33) connectée fluidiquement à une entrée de l'échangeur thermique de chauffage (23) . Système selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le circuit primaire (1) comprend une alimentation (102) de l'échangeur thermique de chauffage (22) configuré pour raccorder fluidiquement l'arrivée de caloporteur chaud (2) et l'entrée de fluide caloporteur (23) de l'échangeur thermique de chauffage (22). Système selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le circuit primaire (1) comprend une pompe à vitesse variable (7) agencée en amont de l'entrée du fluide caloporteur chaud (14) dans l'échangeur thermique d'eau chaude sanitaire. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le piquage inférieur (6a, 6b) comprend deux branches (6a, 6b) montées en parallèle configurées pour respectivement assurer la circulation de fluide caloporteur depuis le retour de fluide caloporteur froid (3) vers le ballon de stockage (4) et depuis le ballon de stockage (4) vers le retour de fluide caloporteur froid (3). Système selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le circuit primaire (1) comprend un ballon de stockage complémentaire (40) comprenant un piquage supérieur (50) connecté fluidiquement à l'arrivée de fluide caloporteur chaud (2), un piquage inférieur (60) connecté fluidiquement au retour de fluide caloporteur froid (3) et un piquage supérieur complémentaire (51) connecté fluidiquement à la sortie de fluide caloporteur refroidi (33) de l'échangeur thermique de bouclage. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel l'échangeur thermique d'eau chaude sanitaire (13) et l'échangeur thermique de bouclage (31) sont agencés en parallèle sur le circuit primaire (1). Système selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel l'échangeur thermique de bouclage (31) et le ballon de stockage (4) sont agencés en parallèle sur le circuit primaire (1) Système selon quelconque des revendications précédentes comprenant une unité de commande comprenant des organes de commande et une commande centrale configurée pour commander les organes de commande. Système selon la revendication précédente en combinaison de la revendication 2 dans lequel l'unité de commande est configurée de sorte que le système prenne une configuration hiver dans laquelle la sortie de fluide caloporteur refroidi (3) de l'échangeur thermique de bouclage est en connexion fluidique avec l'entrée de l'échangeur thermique de chauffage (23). Système selon l'une quelconque des deux revendications précédentes en combinaison de la revendication 6 dans lequel l'unité de commande est configurée de sorte que le système prenne une configuration été dans laquelle la sortie de fluide caloporteur refroidi (33) de l'échangeur thermique de bouclage est en connexion fluidique avec le piquage supérieur complémentaire (51) du ballon de stockage complémentaire (40). Système selon la revendication précédente dans lequel l'échangeur thermique d'eau chaude sanitaire (13) est agencé en aval du ballon de stockage complémentaire (40) de sorte que le ballon de stockage complémentaire (40) alimente au moins partiellement l'échangeur thermique d'eau chaude sanitaire (13). Système selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant un module de mesure comprenant au moins un capteur de température. Procédé de production d'eau chaude sanitaire et/ ou de chauffage par un système selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant dans une configuration hiver, la circulation de fluide caloporteur de l'échangeur thermique de bouclage (31) vers l'entrée (23) de l'échangeur thermique de chauffage (22). Procédé de production d'eau chaude sanitaire et/ou de chauffage selon la revendication précédente par un système selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 en combinaison avec la revendication 6 comprenant dans une configuration été, la circulation de fluide caloporteur de l'échangeur thermique de bouclage (31) vers le ballon de stockage complémentaire (40). Procédé de production d'eau chaude sanitaire et/ou de chauffage selon la revendication précédente comprenant la circulation de fluide caloporteur depuis le ballon de stockage complémentaire (40) vers l'échangeur thermique d'eau chaude sanitaire (13).