Brevet FR3130015A1 — publié le 20230609

La présente invention concerne une installation (2) de chauffage d’un fluide, comprenant au moins une chaudière à combustible (1,1’,1a, 1’a, 1b, 1’b), munie d’une cheminée (13) d’évacuation des fumées issues de la combustion du combustible, au moins une pompe à chaleur (3) comprenant un condenseur (32) et au moins un évaporateur (34, 34a, 34b), montés sur un circuit (30, 30a, 30b) de circulation d’un fluide caloporteur et un circuit de chauffage (4) qui raccorde la sortie (15) de la chaudière (1,1’,1a, 1’a, 1b, 1’b) à son entrée (14) en traversant l’élément chauffant (41), l’évaporateur (34, 34a, 34b) étant disposé dans la cheminée (13) et réalisant un échange thermique entre le fluide caloporteur et lesdites fumées. Figure pour l’abrégé : Fig. 3 Installation de chauffage d’un fluide comprenant au moins une chaudière et une pompe à chaleur DOMAINE DE L'INVENTION L'invention se situe dans le domaine des installations de chauffage d’un fluide circulant dans un circuit de chauffage, qui comprend des éléments chauffants, tels que par exemple des radiateurs, des planchers chauffants, des convecteurs, des ventilo-convecteurs ou tout autre moyen de chauffage par un fluide (notamment par de l’eau chaude). La présente invention concerne plus spécifiquement l’optimisation du rendement des chaudières à combustible, par exemple des chaudières à gaz ou des chaudières à fioul, utilisées dans de telles installations. ETAT DE LA TECHNIQUE On connaît dans l’état de la technique les chaudières classiques ou « chaudières atmosphériques ». Un exemple de réalisation d’une telle chaudière classique est représenté sur la jointe. Cette chaudière, référencée 1, comprend une enceinte 10, délimitant une chambre de combustion 11. Un brûleur à combustible 110 et un échangeur de chaleur 111 dit « principal » sont disposés à l’intérieur de la chambre de combustion 11. Le brûleur à combustible 110 est par exemple un brûleur à gaz ou un brûleur à fioul. Enfin, l’enceinte 10 est munie d’une cheminée 13 d’évacuation des fumées issues de la combustion du combustible. L’échangeur de chaleur principal 111 comprend une entrée 112 et une sortie 113, l’entrée 112 étant raccordée à l’entrée 14 de la chaudière et la sortie 113 étant raccordée à la sortie 15 de la chaudière 1. Le fluide à chauffer pénètre dans la chaudière 1 par l’entrée 14, circule à l’intérieur de l’échangeur de chaleur principal 111 et en ressort réchauffé par la sortie 15 (trajet matérialisé par les flèches F1). Inversement, les gaz chauds produits par le brûleur 110 circulent à contre-courant du fluide à chauffer (trajet matérialisé par les flèches F2). Les gaz chauds réchauffent le fluide circulant dans l’échangeur principal 111 puis les fumées issues de cette combustion s’échappent par la cheminée 13. La combustion du combustible produit des fumées qui contiennent majoritairement de la vapeur d’eau et du CO2 et de l’azote (N2). Cette vapeur d’eau contient de la chaleur qui peut être divisée en deux parties, la chaleur dite « sensible » et la chaleur dite « latente ». La chaleur sensible correspond à la chaleur due à la variation de température entre la température des fumées (par exemple 130°C environ) et la température ambiante (par exemple 10°C environ). La chaleur « latente » ou « chaleur de changement de phase », est celle qui est libérée lorsque l’eau passe de son état gazeux ou vapeur, à l’état liquide, sous forme de gouttes d’eau. Au contact d’un corps plus froid, la fumée échange sa chaleur, en réchauffant ainsi le corps et en se refroidissant en même temps. Au début, la vapeur cède sa chaleur sensible et se refroidit. En deçà d’une certaine température, dite « température de rosée », l’eau contenue dans les fumées se condense et libère ainsi sa chaleur latente. Celle-ci est bien plus importante que sa chaleur sensible (à titre d’exemple la chaleur latente contenue dans 1 kg de vapeur se condensant est la même que la chaleur sensible de 100 kg de vapeur se refroidissant de 10°C). Pour récupérer cette chaleur latente, il faut donc refroidir ces fumées jusqu’à la température de rosée de la vapeur d’eau contenue dans ces fumées. Dans le cas de fumées issues de la combustion de gaz naturel, cette température de rosée est de l’ordre de 57°C (et elle est de 47°C pour le fioul). Une grande partie des chaudières utilisées dans le logement collectif ou dans les centrales de chauffage urbain ou industriel sont des chaudières de type classique. Ces chaudières n’arrivent pas à refroidir les fumées de combustion suffisamment pour atteindre la température de rosée et faire condenser la vapeur d’eau dans les fumées. La chaleur latente est ainsi perdue avec l’évacuation des fumées. En conséquence, ces chaudières classiques ont un rendement faible, compris entre 80 % et 90 %, en fonction de leur température de fonctionnement. Afin d’améliorer les chaudières classiques, les chaudières à condensation ont été mises au point. Un exemple de réalisation d’une telle chaudière à condensation est représenté sur la jointe. Cette chaudière est référencée 1’ et les éléments identiques à ceux de la chaudière classique 1 portent les mêmes références numériques. Cette chaudière à condensation 1’ diffère de la chaudière classique 1 décrite précédemment en ce que l’enceinte 10 délimite également une chambre de condensation 12, séparée de la chambre de combustion 11. Un échangeur de chaleur 121, dit « auxiliaire », est disposé à l’intérieur de la chambre de condensation 12. L’entrée 122 de l’échangeur auxiliaire 121 est raccordée à l’entrée 14 de la chaudière 1’et la sortie 123 de cet échangeur est raccordée à l’entrée 112 de l’échangeur principal 111. Le fluide à chauffer (généralement de l’eau) pénètre dans la chaudière 1 par l’entrée 122 de l’échangeur auxiliaire 121, circule à l’intérieur de cet échangeur, en ressort par la sortie 123, circule à l’intérieur de l’échangeur principal 111 et en ressort par la sortie 113 (trajet matérialisé par les flèches F1). Inversement, les gaz chauds produits par le brûleur 110 circulent à contre-courant du fluide à chauffer (trajet matérialisé par les flèches F2). Les gaz chauds réchauffent tout d’abord le fluide circulant dans l’échangeur principal 111 et perdent ainsi une partie de leur chaleur avant de pénétrer dans la chambre de condensation 12. Dans la chambre de condensation 12, ces gaz brûlés permettent de réchauffer (ou préchauffer) le fluide entrant, avant que celui-ci ne pénètre dans l’échangeur principal 111. Le principe d’une chaudière à condensation est donc de mettre en contact les fumées traversant la chambre de condensation 12, avec les parois de l’échangeur auxiliaire 121, à l’intérieur duquel circule un fluide suffisamment froid pour que ces parois soient elles-mêmes suffisamment froides et pour que la vapeur d’eau contenue dans les fumées condense et restitue sa chaleur latente à l’échangeur 121. Ainsi, pour un même besoin de chauffage, la chaudière utilise moins de combustible, car la chaleur contenue dans les fumées sous forme de vapeur d’eau, (soit entre 10 à 20% de l’énergie de la combustion), n’est plus perdue mais est récupérée pour préchauffer l’eau dans l’échangeur auxiliaire 121. Toutefois, même pour une installation bien dimensionnée, il peut arriver que la température de l’eau de retour, au niveau de l’entrée 14, soit trop élevée pour permettre une bonne condensation. A titre d’exemple si l’eau de retour du réseau de chauffage est à une température voisine de 60°C, ce qui est fréquent, alors elle ne permet pas de refroidir suffisamment les fumées pour atteindre la température de rosée. La chaleur latente est perdue et le rendement est diminué. C’est également le cas par exemple s’il fait très froid à l’extérieur. Dans ce cas, la consigne de température de l’eau au départ de la chaudière, au niveau de la sortie 15, augmente car il faut augmenter la puissance des éléments chauffants du bâtiment. Ainsi, l’eau de retour, (entrée 14), revient plus chaude et la condensation ne peut pas avoir lieu ou alors de manière partielle. C’est d’autant plus pénalisant que cette situation se rencontre les jours les plus froids et donc là où la consommation de combustible est la plus importante. Dans ce cas, les fumées ne condensent pas et la chaudière à condensation 1’ n’est pas plus efficace qu’une chaudière classique 1. Enfin, on connait également des installations de chauffage hybrides, qui combinent une chaudière et une pompe à chaleur (PAC) pour le chauffage et la production d’eau chaude. La chaleur produite par la PAC provient de l’air extérieur. Toutefois, l’efficacité de ces installations est perfectible. L’invention a donc pour but de proposer une installation de chauffage qui permette d’optimiser la condensation des fumées à l’intérieur d’une ou de plusieurs chaudières, afin d’en récupérer la chaleur latente et d’améliorer ainsi le rendement global de l’installation de chauffage et de diminuer les émissions de CO2. Un autre but de l’invention est de proposer une installation de chauffage qui permette de récupérer la chaleur des fumées de plusieurs chaudières, y compris des chaudières fonctionnant éventuellement avec des combustibles différents (tels que gaz, fioul, bois) ou présentant des puissances nominales différentes. A cet effet, l’invention concerne une installation de chauffage d’un fluide, tel que de l’eau, comprenant au moins une chaudière à combustible, au moins une pompe à chaleur et un circuit fermé de chauffage comprenant au moins un élément chauffant et à l’intérieur duquel circule ledit fluide, ladite chaudière à combustible comprenant une enceinte à l’intérieur de laquelle sont disposés un brûleur à combustible, tel que du gaz ou du fioul et au moins un échangeur de chaleur, le brûleur permettant de chauffer le fluide circulant dans ledit échangeur, ladite enceinte étant munie d’une cheminée d’évacuation des fumées issues de la combustion du combustible, ladite pompe à chaleur étant munie d’un compresseur, d’un condenseur, d’un détendeur principal et d’au moins un évaporateur, montés sur un circuit fermé de circulation d’un fluide caloporteur, l’évaporateur de la pompe à chaleur étant disposé à l’intérieur de la cheminée d’évacuation des fumées de l’enceinte et réalisant un échange thermique entre le fluide caloporteur et les fumées issues de la combustion du combustible, de façon à faire condenser la vapeur d’eau contenue dans les fumées issues de la combustion du combustible et à réchauffer le fluide caloporteur, ledit circuit fermé de chauffage comprenant une canalisation qui raccorde la sortie de la chaudière à l’entrée de celle-ci en traversant ledit au moins un élément chauffant. Conformément à l’invention, cette installation comprend un circuit de dérivation, au travers duquel circule une fraction du fluide à chauffer, ce circuit de dérivation raccorde un point de raccordement de la canalisation du circuit de chauffage, situé en amont de l’entrée de la chaudière à un point de raccordement de la canalisation du circuit de chauffage, situé en aval de la sortie de la chaudière, et le condenseur de la pompe à chaleur est monté sur ledit circuit de dérivation pour réaliser un échange thermique entre ladite fraction du fluide à chauffer et le fluide caloporteur de la pompe à chaleur, de façon à refroidir le fluide caloporteur et à réchauffer ladite fraction de fluide à chauffer avant son retour dans ledit au moins un élément chauffant du circuit de chauffage. Grâce à ces caractéristiques de l'invention, la pompe à chaleur permet de récupérer une partie de la chaleur sensible et latente des fumées d’une ou de différentes chaudières pour chauffer une partie du fluide à réchauffer et diriger ensuite ce complément de fluide réchauffé en aval de la ou des chaudières, dans le circuit de chauffage, ce qui contribue à diminuer la consommation de carburant de ladite ou desdites chaudières. De plus, le rendement global de l’installation de chauffage est augmenté. Enfin, une telle installation est plus flexible et particulièrement bien adaptée aux centrales thermiques pour le chauffage urbain ou aux centrales industrielles. Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou en combinaison : -l’installation comprend au moins deux chaudières à combustible montées en parallèle sur le circuit de chauffage, en ce que la pompe à chaleur comprend autant d’évaporateurs qu’il y a de cheminée d’évacuation des fumées, chaque évaporateur étant disposé à l’intérieur d’une cheminée d’évacuation des fumées et en ce que si il y a plusieurs évaporateurs, ceux-ci sont montés en parallèle sur le circuit fermé de circulation du fluide caloporteur ; -au moins deux desdites chaudières à combustible possèdent une cheminée commune d’évacuation des fumées, et en ce qu’au moins l’un des évaporateurs est disposé dans la cheminée commune d’évacuation des fumées ; -une vanne à deux voies est disposée sur le circuit de dérivation en amont du condenseur ; -la pompe à chaleur comprend au moins un détendeur secondaire, ledit au moins un détendeur secondaire étant disposé sur le circuit de circulation du fluide caloporteur, en aval du détendeur principal et en amont dudit au moins un évaporateur ; -l’installation comprend un capteur de mesure de la température des fumées qui est disposé dans la cheminée de ladite au moins une chaudière à combustible, en amont de l’évaporateur, ce capteur de température permettant de mesurer la température des fumées en sortie de ladite chaudière ; -l’installation comprend au moins un capteur de température, disposé sur la canalisation du circuit fermé de chauffage, choisi parmi : un capteur de mesure de la température disposé en amont du point de raccordement et en aval d’une pompe disposée sur ladite canalisation pour faire circuler le fluide dans le circuit, un capteur de température, disposé en aval de la sortie de la chaudière ou des chaudières et en amont du point de raccordement et un capteur de température, disposé en aval du point de raccordement et en amont du premier élément chauffant situé sur la canalisation, ce capteur de température disposé sur la canalisation permettant de mesurer la température du fluide à réchauffer circulant dans ladite canalisation au point où il se trouve ; -l’installation comprend un capteur de mesure de la température, disposé sur le circuit de dérivation en aval du condenseur, et qui permet de mesurer la température de la fraction de fluide à réchauffer circulant dans ledit circuit de dérivation, en aval du condenseur ; -l’installation comprend un capteur de mesure de la température, disposé sur le circuit de circulation du fluide caloporteur, en aval du ou des évaporateurs et en amont du compresseur, afin de mesurer la température du fluide caloporteur ; -l’installation comprend une unité centrale de pilotage et en ce que celle-ci pilote le fonctionnement de la vanne à deux voies, du compresseur, du détendeur principal et de l’au moins un détendeur secondaire, en fonction des valeurs de température mesurées par au moins l’un des capteurs de mesure de la température choisi parmi les capteurs de température des fumées, les capteurs de température du fluide à réchauffer circulant dans le circuit fermé de chauffage, le capteur de température de la fraction de fluide à réchauffer et le capteur de température du fluide caloporteur. DESCRIPTION DES FIGURES D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : est un schéma représentant une chaudière classique. est un schéma représentant une chaudière à condensation. est un schéma représentant un mode de réalisation de l’installation de chauffage conforme à l’invention. est un schéma représentant la régulation de cette installation. Installation (2) de chauffage d’un fluide, tel que de l’eau, comprenant au moins une chaudière à combustible (1,1’,1a, 1’a, 1b, 1’b), au moins une pompe à chaleur (3) et un circuit fermé de chauffage (4) comprenant au moins un élément chauffant (41) et à l’intérieur duquel circule ledit fluide, -ladite chaudière à combustible (1,1’,1a, 1’a, 1b, 1’b) comprenant une enceinte (10) à l’intérieur de laquelle sont disposés un brûleur à combustible (110), tel que du gaz ou du fioul et au moins un échangeur de chaleur (111, 121), le brûleur (110) permettant de chauffer le fluide circulant dans ledit échangeur (111, 121), ladite enceinte (10) étant munie d’une cheminée (13) d’évacuation des fumées issues de la combustion du combustible, -ladite pompe à chaleur (3) étant munie d’un compresseur (31), d’un condenseur (32), d’un détendeur principal (33) et d’au moins un évaporateur (34, 34a, 34b), montés sur un circuit fermé (30, 30a, 30b) de circulation d’un fluide caloporteur, l’évaporateur (34, 34a, 34b) de la pompe à chaleur étant disposé à l’intérieur de la cheminée d’évacuation des fumées (13) de l’enceinte (10) et réalisant un échange thermique entre le fluide caloporteur et les fumées issues de la combustion du combustible, de façon à faire condenser la vapeur d’eau contenue dans les fumées issues de la combustion du combustible et à réchauffer le fluide caloporteur, - ledit circuit fermé de chauffage (4) comprenant une canalisation (40) qui raccorde la sortie (15) de la chaudière (1,1’,1a, 1’a, 1b, 1’b) à l’entrée (14) de celle-ci en traversant ledit au moins un élément chauffant (41), l’installation de chauffage (2) étant caractérisée en ce qu’elle comprend un circuit de dérivation (43), au travers duquel circule une fraction du fluide à chauffer, en ce que ce circuit de dérivation raccorde un point de raccordement (403) de la canalisation (40) du circuit de chauffage (4), situé en amont de l’entrée (14) de la chaudière (1,1’,1a, 1’a, 1b, 1’b) à un point de raccordement (404) de la canalisation (40) du circuit de chauffage (4), situé en aval de la sortie (15) de la chaudière (1,1’,1a, 1’a, 1b, 1’b), et en ce que le condenseur (32) de la pompe à chaleur (3) est monté sur ledit circuit de dérivation (43) pour réaliser un échange thermique entre ladite fraction du fluide à chauffer et le fluide caloporteur de la pompe à chaleur (3), de façon à refroidir le fluide caloporteur et à réchauffer ladite fraction de fluide à chauffer avant son retour dans ledit au moins un élément chauffant (41) du circuit de chauffage (4). Installation (2) de chauffage selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins deux chaudières à combustible (1,1’,1a, 1’a, 1b, 1’b) montées en parallèle sur le circuit de chauffage (4), en ce que la pompe à chaleur (3) comprend autant d’évaporateurs (34, 34a, 34b) qu’il y a de cheminée d’évacuation des fumées (13), chaque évaporateur (34, 34a, 34b) étant disposé à l’intérieur d’une cheminée d’évacuation des fumées (13) et en ce que si il y a plusieurs évaporateurs (34, 34a, 34b), ceux-ci sont montés en parallèle sur le circuit fermé (30) de circulation du fluide caloporteur. Installation (2) de chauffage selon la revendication 2, caractérisée en ce qu’au moins deux desdites chaudières à combustible (1,1’,1a, 1’a, 1b, 1’b) possèdent une cheminée commune d’évacuation des fumées (13), et en ce qu’au moins l’un des évaporateurs (34, 34a, 34b) est disposé dans la cheminée commune d’évacuation des fumées (13). Installation (2) de chauffage selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une vanne à deux voies (44) est disposée sur le circuit de dérivation (43) en amont du condenseur (32). Installation (2) de chauffage selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la pompe à chaleur (3) comprend au moins un détendeur secondaire (36, 36a, 36b), ledit au moins un détendeur secondaire (36, 36a, 36b) étant disposé sur le circuit (30, 30a, 30b) de circulation du fluide caloporteur, en aval du détendeur principal (33) et en amont dudit au moins un évaporateur (34, 34a, 34b). Installation (2) de chauffage selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins un capteur de mesure de la température des fumées (51, 52, 53), qui est disposé dans la cheminée (13) de ladite au moins une chaudière à combustible (1,1’,1a, 1’a, 1b, 1’b), en amont de l’évaporateur (34, 34a, 34b), ce capteur de température (51, 52, 53) permettant de mesurer la température des fumées en sortie de ladite chaudière. Installation (2) de chauffage selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins un capteur de mesure de la température, disposé sur la canalisation (40) du circuit fermé de chauffage (4), choisi parmi : -un capteur de température (54) disposé en amont du point de raccordement (403) et en aval d’une pompe (42) disposée sur ladite canalisation (40) pour faire circuler le fluide dans le circuit (4), - un capteur de température (55), disposé en aval de la sortie (15) de la chaudière ou des chaudières (1,1’,1a, 1’a, 1b, 1’b) et en amont du point de raccordement (404), - et un capteur de température (56), disposé en aval du point de raccordement (404) et en amont du premier élément chauffant (41) situé sur la canalisation (40), ce capteur de température (54, 55, 56) disposé sur la canalisation (40) permettant de mesurer la température du fluide à réchauffer circulant dans ladite canalisation (40) au point où il se trouve. Installation (2) de chauffage selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comprend un capteur de mesure de la température (57), disposé sur le circuit de dérivation (43) en aval du condenseur (32), et qui permet de mesurer la température de la fraction de fluide à réchauffer circulant dans ledit circuit de dérivation (43), en aval du condenseur (32). Installation (2) de chauffage selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comprend un capteur de mesure de la température (58), disposé sur le circuit (30) de circulation du fluide caloporteur, en aval du ou des évaporateurs (34, 34a et 34b) et en amont du compresseur (31), afin de mesurer la température du fluide caloporteur. Installation (2) de chauffage selon les revendications 4 à 9, caractérisée en ce qu’elle comprend une unité centrale de pilotage (6) et en ce que celle-ci pilote le fonctionnement de la vanne à deux voies (44), du compresseur (31), du détendeur principal (33) et de l’au moins un détendeur secondaire (36, 36a, 36b), en fonction des valeurs de température mesurées par au moins l’un des capteurs de mesure de la température choisi parmi les capteurs de température des fumées (51, 52, 53), les capteurs de température (54, 55, 56) du fluide à réchauffer circulant dans le circuit fermé de chauffage (4), le capteur de température (57) de la fraction de fluide à réchauffer et le capteur de température du fluide caloporteur (58).