Brevet FR3154485A1 — publié le 20250425

Système de chauffage de l'eau comprenant : - un circuit (2) dans lequel circule un fluide de travail ; ledit circuit (2) comprenant un moyen (20) pour chauffer le fluide de travail ; - une première ligne (31) pour l'alimentation en eau pour usage sanitaire ; - une deuxième ligne (32) pour l'alimentation en eau destinée au chauffage d'au moins un environnement d'un bâtiment ; - des premiers moyens d'échange de chaleur (5) pour échanger la chaleur entre le circuit (2) et la première ligne d'alimentation (31) ; - des seconds moyens d'échange de chaleur (4) pour échanger la chaleur entre le circuit (2) et la deuxième ligne d'alimentation (32). Le moyen de chauffage (20) est une pompe à piston (21). [FIG. 1] SYSTEME ET METHODE DE CHAUFFAGE DE L'EAU La présente invention concerne un système et une méthode de chauffage de l'eau chaude à utiliser à la fois pour le chauffage d'au moins un environnement d'un bâtiment et pour l'eau sanitaire utilisée dans un bâtiment. Il s'agit donc d'un système de chauffage de l'eau à usage civil. Les systèmes de chauffage de bâtiments sont connus. Dans ce cas, l'eau chaude à envoyer aux convecteurs et l'eau chaude à utiliser comme eau sanitaire peuvent être obtenues au moyen d'une chaudière qui brûle du combustible. Alternativement, une pompe à chaleur peut être utilisée dans laquelle les éléments classiques d'un cycle de réfrigération inversé sont utilisés : compresseur agissant sur un fluide au moins partiellement gazeux, condenseur, évaporateur, vanne de détente. Le COP (Coefficient de Performance) d'une pompe à chaleur de ce type est généralement inférieur à 7. Le COP est un indice d'efficacité d'une pompe à chaleur et correspond au rapport entre l'énergie délivrée (par exemple, la chaleur transférée à l'environnement à chauffer) et l'énergie électrique consommée. Dans ce contexte, l’objectif de la présente invention est de proposer un système et une méthode de chauffage qui permettent d'obtenir des performances élevées, tout en optimisant simultanément la consommation d'énergie. Un autre objectif est de permettre une maintenance facile. Un objectif supplémentaire est de fournir une solution qui soit silencieuse. Les objectifs spécifiés sont substantiellement atteints par un système et une méthode de chauffage décrits ci-dessous. Selon un premier aspect, l'invention concerne un système de chauffage de l'eau comprenant : - un circuit dans lequel circule un fluide de travail ; ledit circuit comprenant un moyen de chauffage du fluide de travail et étant dépourvu d'évaporateur, - une première ligne d'alimentation en eau pour usage sanitaire, - une deuxième ligne d'alimentation en eau destinée au chauffage d'au moins un environnement d'un bâtiment, - des premiers moyens d'échange de chaleur pour échanger la chaleur entre le circuit et la première ligne d'alimentation, - des seconds moyens d'échange de chaleur pour échanger la chaleur entre le circuit et la deuxième ligne d'alimentation. Le système est caractérisé en ce que le moyen de chauffage consiste en une pompe à piston. En d'autres termes, le circuit dans lequel circule le fluide de travail est dépourvu d'évaporateur et le moyen de chauffage consiste uniquement en une pompe à piston pour chauffer le fluide de travail circulant dans ledit circuit. En conséquence, le chauffage du fluide de travail ne nécessite pas d'air ou de liquide provenant de l'environnement extérieur. Cela signifie que le chauffage du système ne dépend pas de la température extérieure. Selon une autre caractéristique, le circuit comprend un moteur électrique pour entraîner la pompe à piston, ledit moteur électrique comprenant/étant un moteur électrique magnétique asynchrone. Dans un mode de réalisation préféré, le fluide de travail est choisi dans le groupe constitué de R1233ZD(E), R1234ZE et R295. Avantageusement, le fluide de travail est le R1233ZD(E) qui a un potentiel de réchauffement global (GWP) de 5, c'est-à-dire un faible effet de serre. Selon un mode de réalisation spécifique, les premiers moyens d'échange de chaleur comprennent : - une boucle qui est fermée sur elle-même, dans laquelle circule un fluide caloporteur, - un premier échangeur de chaleur qui met en communication thermique le fluide de travail circulant dans le circuit et le fluide caloporteur circulant dans ladite boucle, - un réservoir échangeur de chaleur en communication thermique avec ladite première ligne d'alimentation. Avantageusement, ladite première ligne d'alimentation en eau pour usage sanitaire comprend une bobine qui transite à l'intérieur du réservoir. Dans ce mode de réalisation, le système comprend avantageusement un échangeur de chaleur supplémentaire pour échanger la chaleur entre le circuit et la première ligne d'alimentation. De préférence, le système comprend une vanne de détente interposée entre ledit premier échangeur de chaleur et ledit échangeur de chaleur supplémentaire. L'invention concerne également une méthode de chauffage de l'eau impliquant le système précédemment divulgué. La méthode comprend les étapes suivantes : - faire circuler le fluide de travail dans le circuit, - chauffer le fluide de travail circulant dans ledit circuit, - transmettre la chaleur du fluide de travail à l'eau pour usage sanitaire ; ladite eau pour usage sanitaire circulant dans la première ligne d'alimentation, - transmettre la chaleur du fluide de travail à l'eau pour chauffer au moins un environnement d'un bâtiment ; ladite eau pour chauffage circulant dans la deuxième ligne d'alimentation. Avantageusement, le fluide de travail a une pression comprise entre 6 et 8 bars et reste de préférence toujours en phase liquide dans le circuit. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortent de la description donnée à titre d’information et donc non limitative d'un mode de réalisation préféré mais non exclusif d'un système et d'une méthode de chauffage, illustrée schématiquement à la FIG. 1 . Dans les figures annexées des dessins, le numéro de référence 1 désigne un système de chauffage de l'eau. Le système 1 comprend un circuit 2 dans lequel circule un fluide de travail. Le fluide de travail peut être un fluide à base d'HFO (hydrofluoro-oléfine) tel que le R1366Mzz ou le R1233 ZD, ou à base d'ammoniac ou de carbonate de calcium inhibé ou d'autres encore. Il est avantageusement le R1233ZD(E). En pratique, le fluide de travail dans le circuit 2 reste toujours en phase liquide et avantageusement entre 6 et 8 bars. Le circuit 2 comprend un moyen 20 pour chauffer le fluide de travail. Le circuit 2 comprend une première ligne 31 pour l'alimentation en eau pour usage sanitaire. La première ligne d'alimentation 31 reçoit typiquement de l'eau de réseau en entrée (typiquement à 3 bars et 15°C). Une telle entrée correspond à la référence 310. Le système 1 comprend une deuxième ligne 32 pour l'alimentation en eau de chauffage d'au moins un environnement d'un bâtiment. Il s'agit d'eau destinée à transiter dans des éléments adaptés à diffuser la chaleur dans un environnement du bâtiment (par exemple des convecteurs 7). La deuxième ligne d'alimentation 32 est fermée sur elle-même et définit donc une ligne de recirculation. La première et la deuxième ligne 31, 32 sont séparées et distinctes. Les adjectifs numéraux "premier" et "deuxième" sont utilisés précédemment uniquement pour distinguer les lignes d'alimentation, ils n'indiquent pas un ordre ou une priorité (il en va de même pour le reste du texte). Le système 1 comprend des premiers moyens d'échange de chaleur 5 pour échanger la chaleur entre le circuit 2 et la première ligne d'alimentation 31. Les premiers moyens d'échange de chaleur 5 comprennent une boucle 50 fermée sur elle-même dans laquelle circule un fluide caloporteur (la boucle fermée 50 est donc un circuit). Un tel fluide caloporteur dans la boucle 50 reste toujours à l'état liquide. Les premiers moyens d'échange de chaleur 5 comprennent un premier échangeur de chaleur 52 qui met en communication thermique le fluide de travail circulant dans le circuit 2 et le fluide caloporteur circulant dans ladite boucle 50. Dans un mode de réalisation particulier, le fluide de travail entre dans le premier échangeur 52 à une température comprise entre 110°C et 130°C et en sort à une température comprise entre 30°C et 50°C. Le fluide caloporteur circulant dans la boucle 50 dans ce mode de réalisation sort du premier échangeur 52 à une température supérieure à 80°C (par exemple comprise entre 80° et 90°C). Les premiers moyens d'échange de chaleur 5 comprennent un réservoir échangeur de chaleur 53 en communication thermique avec ladite première ligne d'alimentation 31. Par exemple, un tel réservoir 53 a une capacité comprise entre 10 et 30 litres, typiquement 15 litres. Le réservoir 53 comprend également un vase d'expansion 530. De manière appropriée, le système 1 comprend une pompe 501 (typiquement centrifuge) pour recirculer le fluide caloporteur dans la boucle 50. La pompe 501 est située en aval du premier échangeur 52 et en amont du réservoir 53. En particulier, la première ligne 31 pour l'alimentation en eau pour usage sanitaire comprend une bobine 311 qui transite à l'intérieur du réservoir 53. Le fluide caloporteur est présent dans le réservoir 53 et baigne l’extérieur de la bobine 311. De manière appropriée, dans le mode de fonctionnement décrit ci-dessus, l'eau sanitaire en sortie du réservoir 53 est à une température comprise entre 55°C et 65°C. De manière appropriée, une sonde de température 531 au niveau du réservoir 53 mesure la température du fluide caloporteur. Avantageusement, le système comprend un échangeur de chaleur supplémentaire 54 dans lequel transitent ledit fluide de travail et ladite eau pour usage sanitaire. De manière appropriée, l'échangeur de chaleur supplémentaire 54 remplit la fonction de préchauffeur de l'eau sanitaire (avant que celle-ci n'entre dans le réservoir 53 ou plutôt dans la bobine 311 présente dans le réservoir 53). L'échangeur 54 est situé après le réservoir 53 dans la direction de l'écoulement de l'eau sanitaire. Le premier échangeur 52 et l'échangeur supplémentaire 54 sont séparés l’un de l’autre. De manière appropriée, le circuit 2 comprend une vanne de détente 23 interposée entre ledit échangeur de chaleur 52 et ledit échangeur de chaleur supplémentaire 54. La vanne de détente 23 est située à l'entrée de l'échangeur de chaleur supplémentaire 54. De manière appropriée, la vanne de détente 23 peut recevoir un signal d’entrée en fonction de la pression en aval de l'échangeur de chaleur supplémentaire 54. Comme illustré sur la FIG. 1 , le premier échangeur de chaleur 52, le deuxième échangeur de chaleur 55 et ledit échangeur supplémentaire 54 sont disposés en série le long du circuit 2. Le premier échangeur 52 est en aval du deuxième échangeur 55 et en amont de l'échangeur supplémentaire 54. Le système 1 comprend des deuxièmes moyens d'échange de chaleur 4 entre le circuit 2 et la deuxième ligne d'alimentation 32. Les deuxièmes moyens d'échange de chaleur 4 comprennent/sont par exemple un deuxième échangeur de chaleur 55, typiquement un échangeur à plaques. Ils définissent une zone dans laquelle le circuit 2 et la deuxième ligne d'alimentation 32 sont en contact thermique. Le deuxième échangeur 55 affecte donc à la fois le circuit 2 et la deuxième ligne d'alimentation 32. Par exemple, le fluide de travail pourrait entrer dans les deuxièmes moyens d'échange de chaleur 4 à une température comprise entre 150 et 130°C et en sortir à une température comprise entre 130°C et 110°C. De manière appropriée, l'eau de chauffage d'au moins un environnement d'un bâtiment sort de l'échangeur à une température comprise entre 80 et 90°C. De manière appropriée, le fluide de travail et l'eau de chauffage d'au moins un environnement d'un bâtiment circulent à contre-courant dans les deuxièmes moyens d'échange de chaleur 4. Une sonde de température 321 est placée le long de la deuxième ligne 32. Le système 1 comprend une pompe de recirculation d'eau 322 le long de la deuxième ligne 32. La pompe de recirculation d'eau 322 est typiquement une pompe centrifuge. Elle permet de recirculer l'eau le long de la deuxième ligne entre les deuxièmes moyens d'échange de chaleur et les convecteurs 7. Le moyen de chauffage 20 est une pompe à piston 21. Typiquement, il s'agit d'une pompe à piston haute pression 21. Le système 1 peut être considéré comme une pompe à chaleur dans le sens où il a un COP supérieur à 7, de préférence supérieur à 10. Le COP (Coefficient de Performance) est un indice d'efficacité d'une pompe à chaleur et est donné par le rapport entre l'énergie délivrée et l'énergie électrique consommée. Néanmoins, contrairement à une pompe à chaleur standard, le système de l'invention ne comprend pas d'évaporateur. La pompe 21 entraine ainsi le chauffage du fluide de travail. Cela se produit en raison de l'action de compression sur le fluide de travail incompressible. Une telle compression force le fluide de travail le long des conduits de la pompe 21, provoquant une augmentation de l'énergie cinétique et un chauffage par friction. De manière appropriée, le circuit 2 comprend uniquement ladite pompe à piston 21 pour chauffer le fluide de travail y circulant. La pompe à piston 21 est une pompe volumétrique de type connu, si elle est considérée en elle-même. La pompe à piston pourrait être une pompe à piston axial, mais aussi une pompe à piston d'un autre type. Par exemple, elle comprend des pistons logés dans des chambres de pompage correspondantes. Les chambres de pompage sont commodément intégrées dans un corps qui peut être rotatif. La rotation de ce corps et donc des chambres de pompage provoque la rotation des pistons et détermine ainsi un mouvement alternatif de va-et-vient des pistons dans les chambres de pompage correspondantes. En fait, les pistons ont une extrémité pressée par des moyens élastiques contre une plaque inclinée par rapport à l'axe de rotation des chambres de pompage. Le système 1 comprend un moteur électrique 22 pour entraîner la pompe à piston 21. Le moteur électrique 22 comprend de préférence/est un moteur électrique magnétique asynchrone 22. Cela contribue au silence du système 1. De manière appropriée, le moteur 22 comprend un onduleur. Le fonctionnement du moteur 22 est également régulé en fonction du retour d'information fourni par les sondes de température 321 placées le long de la deuxième ligne 32. L'échangeur supplémentaire 54 est interposé entre le premier échangeur 52 et la pompe à piston 21. Le système 1 peut comprendre un filtre 61, un trou d'inspection 62, un réservoir de liquide 63. Ils sont commodément disposés en aval du premier échangeur 52 et en amont de l'échangeur de chaleur supplémentaire 54. Le système 1 comprend de manière appropriée un boîtier insonorisé abritant la pompe à piston 21. Le système 1 comprend également une unité de contrôle pour contrôler le fonctionnement global et la régulation des températures et de la pression requises pour maintenir en phase liquide le fluide de travail circulant dans le circuit 2. Un objet de la présente invention est également une méthode de chauffage de l'eau. La méthode est avantageusement mise en œuvre par un système 1 ayant une ou plusieurs des caractéristiques décrites ci-dessus. La méthode comprend les étapes suivantes : - faire circuler un fluide de travail dans un circuit 2 ; de manière appropriée, un tel fluide de travail reste toujours liquide en recirculant à l'intérieur du circuit 2 (il pourrait donc également être appelé aussi liquide de travail) ; - chauffer le fluide de travail circulant dans le circuit 2. La phase de chauffage du fluide de travail transitant dans le circuit 2 se produit lors du passage du fluide de travail dans la pompe à piston 21 placée le long du circuit 2. Par conséquent, la pompe à piston 21 chauffe le fluide de travail. De manière appropriée, au moins au niveau de la pompe 21 (mais de préférence partout), le fluide de travail est liquide. La pompe à piston 21 agit sur ledit fluide de travail de sorte que la pression du fluide de travail soit comprise entre 6 et 8 bars, par exemple lorsque le R1233ZD(E) est utilisé. Dans certains modes de réalisation, la pompe à piston 21 agit sur ledit fluide de travail, provoquant une augmentation de la pression d'au moins 10 bars et/ou une augmentation de la température d'au moins 90°C. En aval de la pompe à piston 21, on obtient des températures du fluide de travail, qui sont supérieures à 110°C ou 120°C. La pompe 21, en plus de provoquer le chauffage du fluide de travail, est également seule responsable de son mouvement. La méthode comprend l'étape de réaliser transmettre de chaleur du fluide de travail présent dans le circuit 2 à l'eau pour usage sanitaire. Typiquement, un débit compris entre 12 et 16 litres/minute est envisagé. L'eau pour usage sanitaire circule dans la première ligne d'alimentation 31. Une telle transmission de chaleur du fluide de travail présent dans le circuit 2 à l'eau pour usage sanitaire se produit indirectement. En fait, on prévoit un transfert de chaleur entre le fluide de travail circulant dans le circuit 2 et le fluide caloporteur circulant dans la boucle fermée 50 et un transfert de chaleur du fluide caloporteur circulant dans la boucle fermée 50 et l'eau pour usage sanitaire circulant dans la première ligne 31. Le transfert de chaleur du fluide caloporteur circulant dans la boucle fermée 50 à l'eau pour usage sanitaire circulant dans la première ligne 31 se produit dans un échangeur de chaleur comprenant de préférence : - un réservoir 53 dans lequel le fluide caloporteur est présent ; - une section de la première ligne 31 transitant dans le réservoir 53. Typiquement, une telle section définit une bobine 311. De manière appropriée, la bobine 311 est immergée dans le fluide caloporteur présent dans le réservoir 53. Le fluide caloporteur est liquide. Par exemple, il peut être du même type que le fluide de travail. La première ligne 31 est une boucle qui serpente entre une zone d'introduction d'eau de réseau jusqu'à un ou plusieurs robinets qui rendent l'eau disponible à l'utilisateur (typiquement sous forme d'eau courante). La méthode comprend également l'étape de transmettre la chaleur du fluide de travail présent dans le circuit 2 à l'eau pour chauffer au moins un environnement d'un bâtiment. Cela se produit par exemple par des seconds moyens d'échange de chaleur 4. Typiquement, les seconds moyens d'échange de chaleur 4 comprennent un échangeur à plaques. L'eau pour chauffage circule dans la seconde ligne d'alimentation 32. En particulier, la seconde ligne 32 recircule sur elle-même. Par conséquent, l'eau pour chauffage reçoit la chaleur, atteint les convecteurs 7 pour chauffer au moins un environnement du bâtiment, puis retourne pour être chauffée à nouveau. La présente invention présente des avantages importants. Tout d'abord, elle permet d'obtenir des performances de chauffage considérables parfaitement compatibles avec celles liées au chauffage d'au moins une partie d'un bâtiment et au chauffage de l'eau pour usage sanitaire. De plus, elle permet de faciliter la maintenance. Il est également possible d'obtenir une solution compacte et silencieuse. L'invention telle qu'elle est conçue est susceptible de nombreuses modifications et variantes, toutes relevant du concept inventif qui la caractérise. En outre, tous les caractéristiques peuvent être remplacés par d'autres éléments techniquement équivalents. En pratique, tous les matériaux utilisés, ainsi que les dimensions, peuvent être quelconques, selon les besoins. Système de chauffage de l'eau comprenant : - un circuit (2) dans lequel circule un fluide de travail ; ledit circuit (2) comprenant un moyen (20) pour chauffer le fluide de travail et étant dépourvu d'évaporateur, - une première ligne (31) pour l'alimentation en eau pour usage sanitaire, - une deuxième ligne (32) pour l'alimentation en eau destinée au chauffage d'au moins un environnement d'un bâtiment, - des premiers moyens d'échange de chaleur (5) pour échanger la chaleur entre le circuit (2) et la première ligne d'alimentation (31), - des seconds moyens d'échange de chaleur (4) pour échanger la chaleur entre le circuit (2) et la deuxième ligne d'alimentation (32), caractérisé en ce que le moyen de chauffage (20) consiste en une pompe à piston (21). Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un moteur électrique (22) pour entraîner la pompe à piston (21) ; ledit moteur électrique (22) comprenant/étant un moteur électrique magnétique asynchrone (22). Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide de travail est le R1233ZD(E). Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens d'échange de chaleur (5) comprennent : - une boucle (50) qui est fermée sur elle-même, dans laquelle circule un fluide caloporteur, - un premier échangeur de chaleur (52) qui met en communication thermique le fluide de travail circulant dans le circuit (2) et le fluide caloporteur circulant dans ladite boucle (50), - un réservoir échangeur de chaleur (53) en communication thermique avec ladite première ligne d'alimentation (31). Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite première ligne d'alimentation (31) d'eau pour usage sanitaire comprend une bobine (311) qui transite à l'intérieur du réservoir (53). Système selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur de chaleur supplémentaire (54) pour échanger la chaleur entre le circuit (2) et la première ligne d'alimentation (31). Système selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend une vanne de détente (23) interposée entre ledit premier échangeur de chaleur (52) et ledit échangeur de chaleur supplémentaire (54). Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une unité de contrôle pour réguler les températures et la pression requises pour maintenir en phase liquide le fluide de travail circulant dans le circuit (2). Méthode de chauffage de l'eau impliquant le système selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 comprenant les étapes suivantes : - faire circuler le fluide de travail dans le circuit (2), - chauffer le fluide de travail circulant dans ledit circuit (2), - transmettre la chaleur du fluide de travail à l'eau pour usage sanitaire ; ladite eau pour usage sanitaire circulant dans la première ligne d'alimentation (31), - transmettre la chaleur du fluide de travail à l'eau pour chauffer au moins un environnement d'un bâtiment ; ladite eau pour chauffage circulant dans la deuxième ligne d'alimentation (32). Méthode selon la revendication 9, caractérisée en ce que le fluide de travail a une pression comprise entre 6 et 8 bars.