Brevet FR3130016A1 — publié le 20230609

La présente invention concerne une installation (2) de production d’eau chaude sanitaire comprenant au moins une chaudière à combustible (1, 1’,1a, 1’a, 1b, 1’b) et un circuit fermé d’eau chaude sanitaire (7), ladite chaudière à combustible (1, 1’,1a, 1’a, 1b, 1’b) comprenant une enceinte (10) dans laquelle sont disposés un brûleur à combustible (110), et au moins un échangeur de chaleur (111, 121), le brûleur (110) permettant de chauffer un 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, ledit circuit fermé d’eau chaude sanitaire (7) raccordant la sortie (71) d’un ballon (72) de stockage d’eau chaude sanitaire à son entrée (73). Figure pour l’abrégé : Fig. 3 Installation de production d’eau chaude sanitaire comprenant au moins une chaudière et une pompe à chaleur DOMAINE DE L'INVENTION L'invention se situe dans le domaine des installations de production d’eau chaude sanitaire. 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. Une telle installation peut également permettre le chauffage d’un fluide, (notamment de l’eau), circulant dans un circuit de chauffage annexe comprenant des éléments chauffants. 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 (par exemple l’eau chaude sanitaire) 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 pour la production d’eau chaude sanitaire 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. En effet, l’eau sanitaire à réchauffer circule dans l’échangeur 111 avec un débit élevé et le brûleur 110 est réglé pour chauffer fortement cette eau sanitaire. En conséquence, les fumées rejetées dans la cheminée 13 sont à température élevée et n’atteignent pas leur température de rosée. La chaleur latente est ainsi perdue avec l’évacuation des fumées. En conséquence, ces chaudières classiques ont un rendement faible pour le chauffage, compris entre 80 % et 90 %, en fonction de leur température de fonctionnement. Pour la production d’eau chaude sanitaire (ECS), ces chaudières ont un rendement compris entre 50% et 75%. 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. L’eau chaude sanitaire 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 de l’eau (trajet matérialisé par les flèches F2). Les gaz chauds réchauffent tout d’abord l’eau 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) l’eau entrant, avant que celle-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 production d’eau chaude sanitaire, 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, comme expliqué précédemment, que la température de l’eau sanitaire pénétrant au niveau de l’entrée 14, ne soit pas suffisamment froide pour refroidir les fumées très chaudes et permettre leur condensation. La chaleur latente est perdue, le rendement de l’installation est diminué et la chaudière à condensation 1’ n’est alors pas plus efficace qu’une chaudière classique 1. L’invention a donc pour but de proposer une installation de production d’eau chaude sanitaire, qui permette de produire de l’eau chaude sanitaire en optimisant 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 tout en diminuant les émissions de CO2. Un autre but de l’invention est de proposer une telle installation 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 production d’eau chaude sanitaire comprenant au moins une chaudière à combustible et un circuit fermé d’eau chaude sanitaire, 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 un fluide circulant dans ledit échangeur, ladite enceinte étant munie d’une cheminée d’évacuation des fumées issues de la combustion du combustible, ledit circuit fermé d’eau chaude sanitaire comprenant une canalisation, qui raccorde la sortie d’un ballon de stockage d’eau chaude sanitaire à son entrée et une pompe de mise en circulation de l’eau chaude sanitaire dans cette canalisation. Conformément à l’invention, cette installation comprend au moins une pompe à chaleur 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 est disposé à l’intérieur de la cheminée d’évacuation des fumées de ladite au moins une chaudière à combustible et réalise 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 et le condenseur de la pompe à chaleur est monté sur ledit circuit fermé d’eau chaude sanitaire en amont de l’entrée du ballon de stockage d’eau chaude sanitaire et réalise un échange thermique entre l’eau chaude sanitaire et le fluide caloporteur de la pompe à chaleur, de façon à refroidir le fluide caloporteur et à chauffer l’eau chaude sanitaire avant son retour dans ledit ballon de stockage d’eau chaude sanitaire. 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 le fluide caloporteur, puis grâce au condenseur chauffer l’eau chaude sanitaire. De plus, le rendement global de l’installation de production d’eau chaude est augmenté par rapport aux installations de l’art antérieur utilisant une chaudière pour chauffer directement l’eau chaude sanitaire. Enfin, une telle installation est plus flexible et particulièrement bien adaptée aux centrales de production d’eau chaude sanitaire d’un immeuble ou de plusieurs groupes de bâtiments. 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, la pompe à chaleur comprend autant d’évaporateurs qu’il y a de cheminées d’évacuation des fumées dans l’installation, chaque évaporateur étant disposé à l’intérieur d’une cheminée d’évacuation des fumées et s’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 au moins l’un des évaporateurs est disposé dans la cheminée commune d’évacuation des fumées ; -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 ; -ladite pompe de mise en circulation de l’eau chaude sanitaire est montée sur la canalisation dudit circuit fermé d’eau chaude sanitaire en aval de la sortie du ballon de stockage d’eau chaude sanitaire et en amont du condenseur ; -l’installation comprend un circuit fermé de chauffage à l’intérieur duquel circule ledit fluide à chauffer, ce circuit fermé de chauffage comprenant une canalisation qui raccorde la sortie de ladite au moins une chaudière à l’entrée de celle-ci en traversant au moins un élément chauffant, monté sur ledit circuit fermé de chauffage ; -l’installation comprend au moins un capteur de mesure de la température, disposé sur la canalisation du circuit fermé de chauffage, choisi parmi un capteur de mesure de la température du fluide entrant dans ladite chaudière ou dans lesdites chaudières, dit «capteur amont », disposé en amont de l’entrée de la chaudière ou des chaudières et un capteur de mesure de la température du fluide sortant de ladite chaudière ou desdites chaudières, dit «capteur aval», disposé en aval de la sortie de la chaudière ou des chaudières ; -l’installation comprend au moins 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 et qui permet de mesurer la température des fumées en sortie de ladite chaudière ; -l’installation comprend un capteur de mesure de la température du fluide caloporteur, disposé sur le circuit fermé de circulation du fluide caloporteur, en aval du ou des évaporateurs et en amont du compresseur ; -l’installation comprend au moins un capteur de mesure de la température de l’eau chaude sanitaire, disposé sur la canalisation du circuit fermé d’eau chaude sanitaire, choisi parmi un capteur de mesure de la température de l’eau chaude sanitaire, disposé à l’intérieur dudit ballon de stockage et un capteur, dit « aval », de mesure de la température de l’eau chaude sanitaire, disposé en aval du condenseur et en amont de l’entrée dudit ballon de stockage de l’eau chaude sanitaire, de façon à mesurer la température de l’eau chaude sanitaire en sortie du condenseur ; -l’installation comprend une unité centrale de pilotage et cette unité pilote le fonctionnement de la pompe de mise en circulation de l’eau chaude sanitaire, du compresseur, du détendeur principal et éventuellement de l’au moins un détendeur secondaire s’il est présent, en fonction des valeurs de température mesurées par au moins l’un des capteurs de mesure choisi parmi ledit au moins un capteur de mesure de la température des fumées, le capteur amont de mesure de la température du fluide, le capteur aval de mesure de la température du fluide, le capteur de mesure de la température du fluide caloporteur, le capteur de mesure de la température de l’eau chaude sanitaire stockée dans le ballon et le capteur de mesure aval de la température de l’eau chaude sanitaire. -l’unité centrale de pilotage pilote le fonctionnement de ladite au moins une chaudière à combustible. On notera que dans le cas où l’installation de production d’eau chaude sanitaire comprend également un circuit fermé de chauffage, le rendement global de l’installation de production de chauffage et d’eau chaude est augmenté par rapport aux installations de l’art antérieur utilisant une chaudière pour le chauffage et une chaudière pour chauffer directement l’eau chaude sanitaire. 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 production d’eau chaude sanitaire conforme à l’invention. est un schéma représentant la régulation de cette installation. Installation (2) de production d’eau chaude sanitaire comprenant au moins une chaudière à combustible (1, 1’,1a, 1’a, 1b, 1’b) et un circuit fermé d’eau chaude sanitaire (7), 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 un 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, ledit circuit fermé d’eau chaude sanitaire (7) comprenant une canalisation (70), qui raccorde la sortie (71) d’un ballon (72) de stockage d’eau chaude sanitaire à son entrée (73) et une pompe (74) de mise en circulation de l’eau chaude sanitaire dans cette canalisation (70), l’installation (2) de production d’eau chaude sanitaire étant caractérisée en ce qu’elle comprend au moins une pompe à chaleur (3) 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, en ce que l’évaporateur (34, 34a, 34b) de la pompe à chaleur (3) est disposé à l’intérieur de la cheminée d’évacuation des fumées (13) de ladite au moins une chaudière à combustible et réalise 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, et en ce que le condenseur (32) de la pompe à chaleur (3) est monté sur ledit circuit fermé d’eau chaude sanitaire (7) en amont de l’entrée (73) du ballon (72) de stockage d’eau chaude sanitaire et réalise un échange thermique entre l’eau chaude sanitaire et le fluide caloporteur de la pompe à chaleur (3), de façon à refroidir le fluide caloporteur et à chauffer l’eau chaude sanitaire avant son retour dans ledit ballon (72) de stockage d’eau chaude sanitaire. Installation (2) de production d’eau chaude sanitaire 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, en ce que la pompe à chaleur (3) comprend autant d’évaporateurs (34, 34a, 34b) qu’il y a de cheminées d’évacuation des fumées (13) dans l’installation, 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 production d’eau chaude sanitaire 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 production d’eau chaude sanitaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce 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 production d’eau chaude sanitaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite pompe (74) de mise en circulation de l’eau chaude sanitaire est montée sur la canalisation (70) dudit circuit fermé d’eau chaude sanitaire (7) en aval de la sortie (71) du ballon (72) de stockage d’eau chaude sanitaire et en amont du condenseur (32). Installation (2) de production d’eau chaude sanitaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comprend un circuit fermé de chauffage (4) à l’intérieur duquel circule ledit fluide à chauffer, ce circuit fermé de chauffage (4) comprenant une canalisation (40) qui raccorde la sortie (15) de ladite au moins une chaudière (1, 1’, 1a, 1’a, 1b, 1’b) à l’entrée (14) de celle-ci en traversant au moins un élément chauffant (41), monté sur ledit circuit fermé de chauffage (4). Installation (2) de production d’eau chaude sanitaire selon la revendication 6, 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 (54) de mesure de la température du fluide entrant dans ladite chaudière ou dans lesdites chaudières (1, 1’, 1a, 1’a, 1b, 1’b), dit «capteur amont », disposé en amont de l’entrée (14) de la chaudière ou des chaudières, - et un capteur (55) de mesure de la température du fluide sortant de ladite chaudière ou desdites chaudières (1, 1’, 1a, 1’a, 1b, 1’b), dit «capteur aval», disposé en aval de la sortie (15) de la chaudière ou des chaudières. Installation (2) de production d’eau chaude sanitaire 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) et qui permet de mesurer la température des fumées en sortie de ladite chaudière. Installation (2) de production d’eau chaude sanitaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comprend un capteur (56) de mesure de la température du fluide caloporteur, disposé sur le circuit fermé (30) de circulation du fluide caloporteur, en aval du ou des évaporateurs (34, 34a et 34b) et en amont du compresseur (31). Installation (2) de production d’eau chaude sanitaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins un capteur de mesure de la température de l’eau chaude sanitaire, disposé sur la canalisation (70) du circuit fermé d’eau chaude sanitaire (7), choisi parmi : -un capteur (57) de mesure de la température de l’eau chaude sanitaire, disposé à l’intérieur dudit ballon de stockage (72), - et un capteur (58), dit « aval », de mesure de la température de l’eau chaude sanitaire, disposé en aval du condenseur (32) et en amont de l’entrée (73) dudit ballon de stockage (72) de l’eau chaude sanitaire, de façon à mesurer la température de l’eau chaude sanitaire en sortie du condenseur (32). Installation (2) de production d’eau chaude sanitaire selon les revendications 7 à 10, caractérisée en ce qu’elle comprend une unité centrale de pilotage (6) et en ce que cette unité (6) pilote le fonctionnement de la pompe (74) de mise en circulation de l’eau chaude sanitaire, du compresseur (31), du détendeur principal (33) et éventuellement de l’au moins un détendeur secondaire (36, 36a, 36b) s’il est présent, en fonction des valeurs de température mesurées par au moins l’un des capteurs de mesure choisi parmi ledit au moins un capteur de mesure de la température des fumées (51, 52, 53), le capteur amont (54) de mesure de la température du fluide, le capteur aval (55) de mesure de la température du fluide, le capteur (56) de mesure de la température du fluide caloporteur, le capteur (57) de mesure de la température de l’eau chaude sanitaire stockée dans le ballon (72) et le capteur de mesure (58) aval de la température de l’eau chaude sanitaire. Installation (2) de production d’eau chaude sanitaire selon la revendication 11, caractérisée en ce que l’unité centrale de pilotage (6) pilote le fonctionnement de ladite au moins une chaudière à combustible (1, 1’, 1a, 1’a, 1b, 1’b).