Brevet FR3136271A1 — publié le 20231208

La présente invention dans le local du chauffage urbain, concerne un procédé de préchauffage de l’eau sanitaire par les condensats chauds issus du générateur à vapeur de l’immeuble. Les condensats sont récupérés pour préchauffer l’eau sanitaire par transferts thermiques. Montage avec système de préchauffage de l’eau sanitaire : ce système thermique est caractérisé par les 3 dispositifs thermiques principaux (6), (8), (9) de récupération de la chaleur fatale des condensats. Ce schéma montre que les condensats chauds (2) à environ 65°C s’écoulent en contre courant vis-à-vis de l’eau sanitaire froide (5) arrivant à 12°C. En traversant les 3 dispositifs thermiques (6), (8), et (9) l’eau sanitaire est préchauffée à environ 55°C. Tandis que les condensats (3) sont refroidis à environ 20°C pour réduire les dépôts de tartre dans les conduits de retour à la grande centrale productrice de vapeur du quartier. Figure à publier pour l’abrégé : Fig2. Procédé de préchauffage de l’eau sanitaire par les condensats chauds du générateur à vapeur d’immeuble en chauffage urbain. La présente invention, dans le local du chauffage urbain, concerne un procédé de préchauffage de l’eau sanitaire par les condensats chauds issus du générateur à vapeur de l’immeuble. Les condensats chauds sont récupérés pour préchauffer l’eau sanitaire par transferts thermiques. Solution technique La production d’eau chaude sanitaire (E.C.S.) constitue le deuxième poste de dépense énergétique des immeubles juste après le chauffage (12) compte tenu de l’énergie nécessaire pour le maintien thermique de la boucle d’E.C.S (15). La boucle d’E.C.S. est le circuit qui permet d’alimenter les appartements de l’immeuble. Ledit circuit doit être au moins à 50°C pour éviter la prolifération de certaines bactéries toxiques. A titre d’information un immeuble parisien de taille moyenne utilisant le chauffage urbain nécessite pour son chauffage (12) et l’eau chaude sanitaire (15) environ 2900tonnes de vapeur par an. En sortant du générateur d’énergie (1) cette vapeur se condense en 2900m3 d’eau chaude (2) à environ 65°C appelés les condensats. Tandis que la consommation d’eau chaude sanitaire est d’environ 3800m3 par an à environ 60°C. Globalement les quantités énergies thermiques des condensats et de l’E.C.S. sont comparables. Actuellement la chaleur des condensats est totalement perdue puisque renvoyée directement à la grande centrale de production de vapeur du quartier. D’où l’idée innovante de récupérer l’énergie thermique des condensats pour préchauffer l’eau sanitaire. De plus, le retour de ces condensats (3) à la centrale de production de vapeur du quartier nécessite de les refroidir à une température inférieure à 50°C afin de réduire les dépôts de tartre dans les conduits de retour. Le poste dit de livraison ou local de chaufferie des immeubles actuels peut être aisément équipé de dispositifs thermiques de type échangeurs thermiques et des réservoirs de stockage des condensats avant d’être renvoyés à la centrale de production de vapeur du quartier. Le stockage des condensats permet de répondre aux besoins intermittents d'eau chaude sanitaire. Brèves descriptions des figures Montage standard actuel pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire des immeubles : ce schéma indique que les condensats (2) passent par le réservoir (8) dite bâche pour être légèrement refroidit à environ 50°C afin de réduire les dépôts de tartre dans les conduits de retour à la centrale de vapeur du quartier (3). Actuellement ces condensats ne subissent aucune récupération thermique. Montage avec système de préchauffage de l’eau sanitaire : ce système est caractérisé par les 3 dispositifs thermiques principaux (6), (8), (9) de récupération de la chaleur fatale des condensats. Ce schéma montre que les condensats chauds (2) à environ 65°C s’écoulent en contre courant vis-à-vis de l’eau sanitaire froide (3) arrivant à 12°C. En traversant les 3 dispositifs thermiques (6), (8), et (9) l’eau sanitaire est préchauffée à environ 55°C. Tandis que les condensats (3) sont refroidis à environ 20°C pour être renvoyés à la grande centrale productrice de vapeur du quartier. Courbe de la demande moyenne journalière d’eau chaude sanitaire en fonction des horaires d’un immeuble de taille moyenne à Paris. [Tab1] Températures d’entrée et sortie des échangeurs thermiques. Techniques antérieures : Dans le domaine des installations de production d’eau chaude sanitaire (E.C.S.) intégrant un préchauffage les installations sont munies de préparateurs d’E.C.S. à énergie mixtes avec des moyens de chauffage supplémentaires. Mais ces installations connues ne visent pas la sobriété énergétique du montage actuel du chauffage urbaine. Ces innovations sont souvent complexes techniquement et donc très coûteuses en investissement et en entretien. La RE 2020 impose aux nouvelles constructions de produire plus d’énergie qu’elles en consomment (Bâtiment à Energie Positive : BEPOS). De ce fait, la RE 2020 nous obligent en priorité de diminuer voire supprimer les chaleurs fatales. Cette invention thermique est incontournable pour respecter la norme R2020 des immeubles dit passifs en récupérant la chaleur fatale des condensats des générateurs à vapeur (1) du chauffage urbain. Ce procédé de récupération thermique des condensats permet de préchauffer efficacement l’eau sanitaire des immeubles. Détaille de l’invention Le générateur d’énergie à vapeur (1) assure le chauffage des radiateurs (12) et l’alimentation de l’échangeur principal de l’eau sanitaire (11). Selon la taille des immeubles le ou les générateurs d’énergie (1) sont alimentés par un réseau de vapeur (4) à environ 180°C et à environ 10bars de la grande centrale productrice de vapeur du quartier. Cette vapeur (4) permet l’alimentation du ou des générateurs. Lesdits générateurs sont équipés d'un détendeur pour être alimentés à environ 1,5bars et à environ 170°C. Cette vapeur (4) se condense au bas du générateur d’énergie sous forme d’eau condensée à environ 65°C, appelés condensats (2). Ces condensats (2) issus du générateur d’énergie sont habituellement renvoyés directement à la centrale productrice de vapeur pour être à nouveau vaporisés. Actuellement ces condensats ne subissent aucune récupération thermique. Par contre ces condensats sont légèrement refroidis lors du séjour dans le réservoir (8) à une température inférieure à 50°C afin de réduire les dépôts de tartre dans les conduits menant à la centrale du quartier productrice de vapeur. L’innovation est basée sur la récupération thermique des condensats chauds à environ 65°C sortant du ou des générateurs à vapeur. Ces condensats traversent un ou plusieurs échangeurs thermiques et un ou plusieurs réservoirs de stockage pour optimiser le préchauffage de l’eau sanitaire froide alimentée à environ 12°C. Des essais thermiques ont montré qu’une combinaison optimale d’un système de 3 dispositifs thermiques (6), (8), (9) permet une efficacité thermique optimale thermiquement et économiquement. Ce système avec ses 3 dispositifs thermiques (6), (8), (9) permet de récupérer la chaleur des condensats pour préchauffer l’eau sanitaire. L’énergie pour chauffer l’eau sanitaire est réduite de 45 à 75% selon l’isolation thermique des conduits, la conception thermique des 3 dispositifs et la rigueur du climat. Ce système des 3 dispositifs thermiques ne nécessite qu’un surcoût d’environ 7% par rapport à l’investissement global du poste de chauffage urbain de l’immeuble. L’amortissement financier de ce système thermique n’est que de 1 à 3 ans selon la taille de l’immeuble. La durée de vie de ce système thermique est d’au moins 20ans avec une maintenance réduite car ce système ne nécessite pas les entretiens des dispositifs mécaniques comme les pompes, les vannes, ou les dispositifs de régulation thermique. Les condensats circulent par la pression de la vapeur dans du ou des générateurs à vapeur. Ensuite la pompe (13) dite de relevage, renvoie les condensats jusqu’au générateur de vapeur du quartier. Tandis que l’eau sanitaire circule grâce à la pression d’alimentation de l’arrivée d’eau potable. La modification du système actuel pour intégrer chacun des 3 dispositifs de recyclage est peu coûteuse car ces dispositifs utilisent des échangeurs thermiques ne nécessitant pas de pompe , ni système mécanique, ni source d’énergie supplémentaire, ni de composant électronique de régulation, ni mesures thermiques, ni contrôles thermiques. [Tab1] Les 3 dispositifs de récupérations caloriques (6), (8) et (9) sont positionnés judicieusement en cascade pour assurer des transferts thermiques efficaces. Ainsi l’échangeur (9) est situé au retour de la boucle d’eau chaude sanitaire car la température des condensats y est maximale à environ 65°C tandis que le retour d'eau chaude sanitaire est maximal à 50°C. Puis le réservoir (8) est situé sous l’échangeur (9) pour stocker et continuer à récupérer des calories avec le serpentin (7) à environ 45°C. Enfin l’échangeur (6) est situé en sortie du réservoir (8) pour permettre de récupérer les dernières calories des condensats à environ 30°C avant leurs évacuations de l’immeuble. En contre courant l’eau sanitaire est préchauffée de 12°C à environ 20°C dans l’échangeur (6). Ensuite cette eau sanitaire est préchauffée une deuxième fois d'environ 20 à 30°C dans le serpentin (7). [Tab1] Enfin cette même eau sanitaire dans l’échangeur (9) est préchauffée une troisième fois d'environ 30°C à 55°C. Ces 3 dispositifs thermiques s’autorégulent naturellement car complémentaires aux niveaux des températures. Ainsi les températures des condensats décroissent tandis que les températures de l’eau sanitaire croissent. [Tab1] En fait ces 3 dispositifs d’écoulement des condensats sont en contre-courant vis-à-vis de l’eau sanitaire pour un transfert maximal des calories. La connexion des 3 dispositifs thermiques (6), (8), (9) permet un auto-équilibrage naturel des températures. Cet équilibre des températures est obtenu par l’ordre des décroissances des températures des condensats des 3 dispositifs thermiques en corrélation avec l’accroissement des températures de préchauffage de l’eau sanitaire. [Tab1] Ces 3 dispositifs thermiques peuvent être appliqués unitairement mais l’efficacité thermique globale est optimale avec les 3 dispositifs thermiques (6), (8), (9). Ce système thermique des 3 dispositifs est optimale thermiquement et économiquement. Par contre ces trois dispositifs (6), (8), (9) doivent être judicieusement dimensionnés pour chaque immeuble afin d’obtenir un rendement maximal d’extraction des calories des condensats pour préchauffer l’eau sanitaire de l’immeuble. Par contre, pour les immeubles de très grandes tailles pour optimiser les transferts thermiques entre les condensats et l’eau sanitaire il peut être nécessaire d’installer plusieurs d’échangeur et plusieurs réservoirs pour chaque dispositif thermique. Pour chaque dispositif thermique les échangeurs thermiques pourront être mis en parallèles ou en série. La disposition des échangeurs en série permet une meilleure extraction des calories des condensats. Par contre la disposition des échangeurs en parallèle permet un débit plus important des condensats et de l'eau sanitaire. Description des 3 dispositifs thermiques successifs : Le dispositif thermique (9) est caractérisé par au moins un échangeur thermique. Cet échangeur est alimenté en primaire par les condensats (2) à environ 65°C. Cette température étant relativement élevée elle permet de réchauffer le retour de boucle de l’eau sanitaire (10) avec l’ajout d’eau sanitaire préchauffée. Le mélange du retour d'eau sanitaire chaude avec l'eau sanitaire préchauffée est à environ 48°C. En circuit primaire les condensats entrent à environ 65°C et ressortent à environ 50°C. Tandis que dans le circuit secondaire le mélange du retour d'eau sanitaire avec l'eau sanitaire préchauffée entre à environ 48°C mais en ressort à 55°C. Ainsi l’échangeur final dit de préparation (11) n’a plus qu’à élever la température de l’eau sanitaire de 55°C à environ 60°C pour le renvoyer au départ de la boucle d’eau chaude sanitaire (14). C’est l’échangeur principal (11) dit préparateur a pour fonction de chauffer l’eau sanitaire à la température réglementaire d’environ 60°C pour alimenter la boucle d’eau sanitaire (15). Laquelle alimente tous les appartements de l’immeuble. Ainsi l’échangeur préparateur de l’eau chaude sanitaire (11) est amélioré en fonctionnement thermique. Ledit échangeur fonctionne à faible variation de température avec l’eau sanitaire préchauffée à 55°C au lieu des températures initiales à environ 12°C. De ce fait, la régulation thermique de l’eau sanitaire par l’échangeur thermique est nettement plus précise avec une réduction des dépôts de tartre dans cet échangeur (11) et donc une augmentation de la durée de vie des plaques thermiques car moins sollicitées thermo-mécaniquement. Cet échangeur (9) permet une économie importante d’énergie liée au préchauffage du retour de boucle de l’eau sanitaire. Le dispositif thermique (8) est caractérisé par au moins un réservoir pour le stockage des condensats chauds et au moins un serpentin (7) pour réchauffer l’eau sanitaire. Ce réservoir est rempli de condensats à environ 45°C. Il permet un deuxième préchauffage en faisant circuler l’eau sanitaire dans le serpentin (7). Ce réservoir rempli de condensats permet un stockage de l’énergie thermique pour répondre aux besoins journaliers intermittents de l’eau chaude sanitaire . La demande journalière en eau chaude sanitaire est très variable voir la courbe journalière d’un immeuble parisien de taille moyenne. Le pic du volume maximal est atteint vers 8h tandis que la nuit les débits sont très faibles. Ce volume de condensats stockés dans ce réservoir (8) permet un rôle tampon surtout entre la production de condensats la nuit et la demande d’eau chaude sanitaire en matinée. Pour chaque immeuble on doit calculer le volume de condensat à stocker ainsi que les dimensions du serpentin(7). Ce tampon énergétique permet une économie d’énergie. Par ailleurs dans le réservoir (8) les températures des condensats sont stratifiées pour évacuer les condensats les moins chauds. Une stratification est obtenue par la position du ou des serpentins (7), la forme et les dimensions du réservoir (8), l’alimentation et la sortie des condensats en opposition, l’isolation thermique du réservoir et l’ajout d’un anti remous. De ce fait, les condensats les moins chauds à environ 30°C en bas du réservoir seront les premiers à être évacués du réservoir(8) afin de stocker les condensats les plus chauds à environ 45°C pour mieux préchauffer l’eau sanitaire. L’eau sanitaire est préchauffée une deuxième fois à environ 30°C tandis que les condensats rentrent dans le réservoir (8) à environ 45°C pour ressortir à environ 30°C. Ce dispositif permet une économie liée au préchauffage avec le serpentin de l’eau sanitaire mais aussi au stockage des condensats chauds pour suppléer aux demandes intermittentes d’eau sanitaire. Le dispositif thermique (6) est caractérisé par au moins un échangeur thermique. Cet échangeur permet le réchauffage de l’arrivée d’eau sanitaire à environ 12°C par les condensats sortants du réservoir (8) à environ 30°C. Le circuit primaire de l’échangeur est alimenté par les condensats sortant de l’échangeur à environ 30°C à l’aide de la pompe à relevage des condensats (13). Ensuite lesdits condensats sont évacués à environ 20°C vers le générateur de vapeur du quartier. Tandis que l’eau sanitaire en circuit secondaire entre à environ 12°C pour ressortir à environ 20°C . Une économie thermique est obtenue avec le préchauffage de l’eau sanitaire d’environ de 12 à 20°C. De plus, la pompe (13) permet de renvoyer les condensats à environ 20°C au lieu des 50°C actuel dans la grande centrale de vapeur du quartier avec le minimum de dépôt de tartre. Car les concentrations dans l’eau en carbonate et bicarbonate de calcium et de magnésium diminuent avec la baisse de la température. Procédé de préchauffage d’eau sanitaire dans une installation de production d’eau chaude sanitaire comprenant les étapes suivantes : récupérer les condensats chauds d’un générateur à vapeur et faire passer les condensats récupérés par au moins un échangeur thermique pour préchauffer l’eau sanitaire. L’installation comporte une boucle d’eau sanitaire (15) pour préchauffer l’eau sanitaire dans un échangeur dit préparateur (11). Procédé de préchauffage d’eau sanitaire selon la revendication précédente 1, est caractérisé par l’assemblage de 3 dispositifs thermiques (6), (8), (9). Ces 3 dispositifs sont situés de la manière suivante : d’abord le dispositif thermique (9) au retour de la boucle d’eau chaude sanitaire (15), ensuite le dispositif thermique (8) alimenté en condensats par le dispositif thermique (9) et enfin le dispositif thermique (6) alimenté en condensats par le dispositif thermique (8). Ces 3 dispositifs thermiques sont mis en contre-courant entre l’arrivée de l’eau sanitaire froide(5) et les condensats chauds (2) sortant du ou des générateurs à vapeur de l'immeuble. Le dispositif thermique (8) comprend un échangeur un réservoir(8) et un serpentin (7). Le dispositif thermique (9) comprend un échangeur thermique (9). Le dispositif thermique (6) comprend un échangeur thermique(6). Procédé de préchauffage d’eau sanitaire selon la revendication précédentes 2, est caractérisé par l’auto-équilibrage naturel des températures des dispositifs thermiques (6), (8), (9). Cet équilibre des températures est obtenu par l’ordre des décroissances des températures des condensats des 3 dispositifs thermiques en corrélation avec l’accroissement des températures de préchauffage de l’eau sanitaire. De ce fait ce système de 3 dispositifs thermiques ne nécessite aucun dispositif de régulation, ni de contrôle ou ni de mesures thermiques. Procédé de préchauffage d’eau sanitaire selon l’une des revendications précédentes de 2 à 3, est caractérisé par plusieurs échangeurs et plusieurs réservoirs dans les 3 dispositifs thermiques (6), (8), (9). Dans les très grands immeubles il peut être nécessaire, pour optimiser les transferts thermiques entre les condensats et l’eau sanitaire, d’augmenter le nombre des échangeurs thermiques et des réservoirs des condensats des 3 dispositifs thermiques (6), (8) et (9). Lesdits échangeurs et réservoirs peuvent être positionnés en série pour améliorer les transferts thermiques ou en parallèle pour augmenter les débits des condensats et de l’eau sanitaire. Procédé de préchauffage d’eau sanitaire selon l’une des revendications de 2 à 4, est caractérisé par l’absence de pompe supplémentaire, ni énergie supplémentaire par rapport à l’installation actuelle. Les condensats circulent par la pression de la vapeur du ou des générateurs à vapeur. Ensuite une pompe, dite de relevage, renvoie les condensats jusqu’au générateur de vapeur du quartier. Tandis que l’eau sanitaire circule grâce à la pression d’alimentation de l’arrivée d’eau potable. Procédé de préchauffage d’eau sanitaire selon l’une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que l’échangeur thermique de préchauffage (9) de l’eau sanitaire est alimenté en primaire par les condensats chauds sortant du ou des générateurs à vapeur de l’immeuble. Le secondaire est alimenté par le mélange du retour de la boucle d’eau chaude sanitaire avec l’eau sanitaire préchauffée dans le réservoir (8). Ledit mélange va subir un préchauffage avant d’alimenter l’échangeur (11) pour atteindre la température réglementaire afin d’alimenter le départ de la boucle d’eau sanitaire de l’immeuble (14). Procédé de préchauffage d’eau sanitaire selon l’une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le réservoir (8) des condensats et le serpentin (7) de préchauffage de l’eau sanitaire sont conçus pour préchauffer l’eau sanitaire et stocker l’énergie thermique des condensats. Ce réservoir est alimenté directement par les condensats chauds sortant de l’échangeur (9). Ce réservoir permet un stockage de chaleur pour pallier aux besoins journaliers intermittents d’eau chaude sanitaire. Ce serpentin parcouru par l’eau sanitaire permet un deuxième préchauffage de l’eau sanitaire sortant de l’échangeur (6). Cette eau sanitaire est préchauffée 2 fois. Ensuite ladite eau sanitaire se mélange avec le retour de la boucle d’eau chaude sanitaire (10) pour alimenter l’échangeur (9). Procédé de préchauffage d’eau sanitaire selon des revendications de 2 à 7, est caractérisé en ce que le réservoir (8) des condensats et le serpentin (7) de préchauffage de l’eau sanitaire, sont conçus pour obtenir une stratification des températures des condensats afin de soutirer les condensats les plus froids par le bas et garder les condensats les plus chauds pour mieux préchauffer l’eau sanitaire. Procédé de préchauffage d’eau sanitaire selon l’une des revendications 2 à 8, est caractérisé en ce que l’échangeur (6) est alimenté par les condensats sortant du réservoir (8). Ledit échangeur est alimenté en secondaire par l’arrivée d’eau sanitaire froide à environ 12°C. Cette eau sanitaire subit son premier préchauffage d’environ 12 à 20°C. Ladite eau sanitaire subira son deuxième préchauffage dans le serpentin (7). Procédé de préchauffage d’eau sanitaire selon l’une des revendications précédentes de 1 à 9 , est caractérisé en ce que les condensats sont renvoyés dans le circuit de retour de la centrale de vapeur à température ambiante à environ 20°C au lieu des 50°C afin de minimiser les dépôts de tartre dans les conduits. Procédé de préchauffage d’eau sanitaire selon l’une des revendications précédentes de 1 à 10, est caractérisé en ce qu’il est utilisé dans la chaufferie existante d’un immeuble pour améliorer le fonctionnement thermique de l’échangeur préparateur de l’eau chaude sanitaire (11). Ledit échangeur dit préparateur (11), étant alimenté en eau sanitaire préchauffée à environ 55°C au lieu d’eau sanitaire froide à environ 12°C. Ledit échangeur (11) est amélioré en précision thermique, en durée de vie et en réduisant fortement sa consommation d’énergie.