FR3031575A1 - Module de transfert thermique avec regulation associee pour systeme thermodynamique de production d'eau chaude sanitaire - Google Patents

Abstract

Le module de transfert thermique comporte : - une entrée chaude (32), - une sortie froide (34), - une entrée froide (28), et - une sortie chaude (30), Le système proposé (module de transfert et ballon associé) comporte : - une dérivation (36) réalisée en aval de la sortie chaude (30), entre le module de transfert thermique et le ballon (2), de manière à obtenir au moins deux branches (38, 40), chaque branche (38, 40) alimentant le ballon (2) en des points d'alimentation (16, 18) disposés à des hauteurs distinctes, - des moyens de régulation pour réguler un débit d'eau dans chaque branche (38, 40), - des capteurs de températures, et - des moyens de gestion et de commande sont reliés aux capteurs de température et aux moyens de régulation de débit.

Description

1 La présente invention concerne un module de transfert thermique avec régulation associée pour système thermodynamique de production d'eau chaude sanitaire. Le domaine de la présente invention est plus particulièrement celui du chauffage d'eau dans un ballon, notamment un ballon d'eau chaude sanitaire, couramment appelé par son sigle ECS. Pour produire de l'eau chaude, il est connu d'équiper un ballon de moyens de chauffage intégrés tels par exemple une (ou plusieurs) résistance(s) électrique(s) ou bien un brûleur à gaz. Lorsque le ballon est rempli d'eau, les moyens de chauffage sont mis en marche et l'eau chauffe. Ce type d'équipement n'est pas adapté par exemple pour réaliser un chauffage à partir d'une pompe à chaleur ou d'un capteur solaire. Pour de telles sources de chaleur, il est connu d'utiliser un échangeur de chaleur. Il est alors connu de faire passer un serpentin du circuit primaire dans le ballon d'eau chaude. Il est aussi connu d'avoir un circuit primaire, par exemple au sein d'une pompe à chaleur ou avec un capteur solaire, et un circuit secondaire avec l'eau à chauffer, un module de transfert assurant le passage des calories du circuit primaire vers le circuit secondaire. Le domaine de l'invention concerne ainsi un tel module de transfert, par exemple entre une pompe à chaleur et un ballon d'eau chaude sanitaire. De manière plus générale, un tel module de transfert pourra trouver sa place entre un système de production de chaleur, de préférence à partir d'énergies renouvelables. Un tel module de transfert peut être utilisé dans divers secteurs et notamment dans le tertiaire, pour des résidences, pour des petites et moyennes industries, etc.. Il est connu, par exemple pour des logements collectifs, ou des petites ou moyennes industries, de produire directement de l'eau chaude sanitaire, à la demande. Les systèmes commercialisés comportent un circuit primaire relié directement à la production de chaleur et un circuit secondaire d'eau chaude sanitaire, le circuit primaire et le circuit secondaire étant reliés par un module de transfert. De tels systèmes ne présentent généralement pas de régulation de température sur le circuit secondaire. Il convient alors de dimensionner le système de production d'eau chaude pour faire face à un pic de 3031575 2 consommation. On arrive ainsi à un surdimensionnement du système pour répondre à des besoins très ponctuels. Un tel système conduit aussi à des déperditions thermiques importantes. Du fait du surdimensionnement, on arrive aussi à un ballon encombrant et onéreux.

5 Il est connu de réaliser une régulation sur le circuit primaire avec une vanne trois voies utilisée pour la régulation. On trouve alors un système onéreux associant au sein d'un ballon complexe un réservoir de stockage et un réservoir de production. En outre, un tel système fonctionne en mode de production instantanée (production à la demande) et présente les mêmes 10 inconvénients que ceux cités précédemment : surdimensionnement, pertes importantes, prix de revient du matériel élevé. On remarque par ailleurs que la production d'eau chaude sanitaire collective nécessite de fournir rapidement de l'eau chaude en tout point de distribution du circuit. À cet effet, un circuit de distribution bouclé est réalisé et 15 est maintenu à température. Ce maintien est énergivore et la consommation énergétique pour maintenir à température l'eau dans le circuit bouclé peut être parfois plus importante que la production d'eau chaude elle-même. La présente invention a alors pour but de fournir un système de production d'eau chaude sanitaire particulièrement bien adapté pour utiliser les 20 énergies renouvelables dont le rendement est augmenté par rapport aux systèmes connus de l'art antérieur. De préférence, le prix de revient d'un système mettant en oeuvre l'invention sera limité en utilisant notamment un ballon "simple", c'est-à-dire avec un seul réservoir et sans équipement particulier.

25 À cet effet, la présente invention propose un module de transfert thermique entre un premier circuit dit circuit primaire et un second circuit dit circuit secondaire, et ballon associé avec une partie basse et une partie haute disposée au-dessus de ladite partie basse, ledit module de transfert comportant : 30 - une entrée dite entrée chaude destinée à être connectée au circuit primaire, - une sortie dite sortie froide reliée au sein du module à l'entrée chaude et destinée à assurer un retour vers le circuit primaire, 3031575 3 - une entrée dite entrée froide reliée à la partie basse du ballon, et - une sortie dite sortie chaude reliée au sein du module à l'entrée froide et connectée à la partie haute du ballon. Selon la présente invention, une dérivation est réalisée en aval de la 5 sortie chaude, entre le module de transfert thermique et le ballon, de manière à obtenir au moins deux branches, chaque branche alimentant le ballon en des points d'alimentation disposés à des hauteurs distinctes ; des moyens de régulation sont prévus pour réguler un débit d'eau dans chaque branche ; des capteurs de températures sont disposés, d'une part, dans le ballon pour 10 déterminer dans le ballon à au moins deux hauteurs distinctes une température d'eau dans le ballon et, d'autre part, en amont de la dérivation, et des moyens de gestion et de commande sont reliés aux capteurs de température et aux moyens de régulation de débit. Avec un tel système, il est possible de créer un circuit secondaire avec 15 au moins deux entrées distinctes à des hauteurs différentes dans le ballon d'eau chaude. Il est donc possible d'effectuer une régulation sur l'alimentation en eau chaude du ballon en fonction, d'une part, de la température de l'eau qui alimente le ballon et de la température dans le ballon. Dans ce système, on peut prévoir que les moyens de régulation du 20 débit d'eau dans chaque branche sont à chaque fois une électrovanne. On peut prévoir une électrovanne deux voies dans chaque branche ou bien prévoir au niveau de la dérivation au moins une électrovanne trois voies en fonction du nombre de branches prévues. Pour bien connaitre la température dans le ballon sans avoir non plus 25 trop de capteurs, on prévoit de préférence que le ballon comporte un capteur de température en partie basse et un capteur de température associé à chaque point d'alimentation par les branches, sauf pour le point d'alimentation supérieur. Pour une meilleure régulation en température du système, celui-ci 30 comporte avantageusement un court-circuit permettant de faire passer de l'eau sortant par la sortie chaude vers l'entrée froide sans passer par le ballon et comportant des moyens de régulation pour contrôler le débit d'eau dans ledit court-circuit.

3031575 4 Un module de transfert thermique et ballon associé tels que décrits ci-dessus sont aussi adapté lorsqu'ils comportent en outre un circuit de distribution bouclé. Ce dernier peut alors être alimenté, d'une part, à partir de la sortie chaude, en amont de la dérivation et, d'autre part, à partir d'une sortie 5 disposée en position haute sur le ballon. La présente invention concerne également un système de production d'eau chaude, caractérisé en ce qu'il comporte un module de transfert thermique et un ballon associé tels que décrits plus haut. Dans un tel système, une pompe à chaleur peut être raccordée, d'une part, à l'entrée chaude et, 10 d'autre part, à la sortie froide du module de transfert thermique. Pour une telle application, la pompe à chaleur est de préférence une pompe à chaleur de type air/eau car elle permet d'obtenir des températures d'eau en sortie relativement élevées. Des détails et avantages de la présente invention apparaitront mieux 15 de la description qui suit, faite en référence au dessin schématique annexé sur lequel : La figure 1 est une vue schématique d'un système de production d'eau chaude intégrant un module de transfert thermique et un ballon associé selon la présente invention, 20 La figure 2 est une vue semblable à la figure 1 pour une variante de réalisation préférée de l'invention, et La figure 3 est une vue correspondant à la figure 2 pour un système intégrant un circuit de distribution bouclé. Actuellement, les bâtiments représentent environ 40% des besoins 25 (consommations) énergétiques de tous secteurs confondus. La réglementation thermique en vigueur en France, appelée RT2012, prévoit un plafond de consommation moyenne de 50 kWhep/m2/an (soit 50 kilowattheure énergie primaire par mètre carré et par an). La répartition de ces besoins pour la valeur donnée de 50 kWhep/m2/an est la suivante : 30 25 kWhe p/m2/an pour eau chaude sanitaire (ECS), soit 50% du besoin global, 15 kWhep/m2/an pour chauffage, soit 30% du besoin global, 5 kWhep/m2/an pour éclairage, soit 10% du besoin global, 3031575 5 5 kWhep/m2/an pour auxiliaires, soit 10% du besoin global. Ainsi, il ressort de ces chiffres que le poste d'eau chaude sanitaire devient prépondérant. Le système décrit ci-après permet de limiter sensiblement la consommation d'énergie pour la production d'eau chaude 5 sanitaire. Des études comparatives réglementaires ont mis en évidence la nécessité de l'intégration des procédés de la production d'eau chaude (chauffage et sanitaire) par d'énergies renouvelables, telles que solaire, pompes à chaleur, etc. pour être en conformité avec les exigences de la 10 nouvelle RT 2012. La présente invention concerne un système thermodynamique destiné à la production directe de l'eau chaude sanitaire. Dans l'exemple de réalisation décrit ci-après, il est prévu d'utiliser une pompe à chaleur (PAC) haute température (Température55°C). Le système décrit peut être mis en oeuvre 15 dans des secteurs tels que tertiaires, résidentiels et petites/moyennes industries, etc.. Un ballon d'ECS peut être considéré comme un réservoir d'énergie. On peut définir pour lui un rendement, appelé rendement du ballon, qui est le rapport entre le "volume utilisable" du ballon et du "volume stocké dans le 20 ballon". Autrement dit, on compare "l'énergie" stockée dans le ballon à celle qu'il stockerait s'il était entièrement rempli d'eau chaude. Ce rendement dépend essentiellement des phénomènes de la stratification d'eau chaude dans le ballon pendant la phase de la production (reconstitution) et celle du puisage (consommation).

25 Idéalement, il conviendrait d'arriver à soutirer d'un ballon d'eau chaude toute son eau à sa température nominale. On cherche à tendre vers cet idéal en augmentant autant que possible le volume d'eau que l'on peut puiser à une température supérieure à une température prédéterminée (inférieure à la température nominale) dans le ballon.

30 L'idée originale à la base du système proposé ci-après et de parvenir à un meilleur rendement du ballon en optimisant la stratification d'eau chaude dans ce ballon pendant les deux phases de la production et de la distribution (consommation).

303 15 75 6 La maîtrise de la stratification d'eau dans le ballon permet également au système thermodynamique d'obtenir un meilleur rendement énergétique lors de la phase de production (reconstitution). Le système proposé ci-après a pour but de répondre à tout moment 5 aux besoins en ECS selon le type et la nature de l'établissement auquel il est destiné, et de s'adapter à la situation géographique (conditions climatiques) tout en obtenant une meilleure efficience (performances, encombrement réduit, économie en investissement, etc.). Ainsi, il est proposé une régulation de température sur un circuit 10 secondaire associée à une injection d'eau chaude sanitaire produite par une pompe à chaleur à plusieurs niveaux (deux niveaux au minimum) dans un ballon simple type ECS. La figure 1 illustre un système thermodynamique comportant quatre éléments principaux : 15 - un ballon 2 de production et de stockage d'ECS, de préférence équipé avec des équipements d'appoint ou/et de secours (de type électrique ou réchauffeur tubulaire, etc.) répartis en partie inférieure ou/et partie supérieure du ballon, des sondes de températures et des piquages nécessaires au bon fonctionnement du système, 20 - une pompe à chaleur 4, par exemple haute température et de type Air/Eau ou Eau/Eau, permettant idéalement de produire directement de l'ECS à une température 55°C dans les conditions climatiques normales ; - un module de transfert thermique (MTT) permettant d'assurer des raccordements hydrauliques du ballon 2 et de la pompe à chaleur 4 d'une part, 25 le transfert thermique et la régulation destinés à la production d'ECS du système à l'aide notamment d'un échangeur thermique 6 d'autre part, et - une armoire électrique équipée avantageusement d'un automate de type AIP assurant le pilotage et la régulation du fonctionnement du système thermodynamique. Avec diverses options retenues, elle doit permettre 30 avantageusement d'établir le bilan énergétique du système. Le ballon 2 est, à quelques détails près, du même type qu'un ballon d'eau chaude sanitaire "classique". Il présente un seul réservoir destiné à contenir de l'eau. Le ballon 2 présente une partie basse et une partie haute qui 3031575 7 sont définies par la disposition du ballon selon un axe vertical. Une arrivée d'eau 8, par exemple à partir d'un réseau de distribution d'eau potable, alimente le ballon dans la partie basse de celui-ci. Un point de puisage 10 se trouve de préférence au point le plus haut du ballon 2. De manière classique, 5 on alimente alors le ballon 2 en eau à chauffer par l'arrivée d'eau 8 et une fois chauffée, l'eau est prélevée chaude au point de puisage 10. De manière classique, le ballon 2 présente, de préférence en son point le plus bas, une vidange 12. Ici l'orientation haut/bas est donnée par rapport à la gravité. En effet, 10 pour l'homme du métier, il est classique de prendre une telle orientation car dans un ballon d'ECS, du fait de la gravité, l'eau froide se trouvera plutôt en partie basse du ballon et l'eau chaude en partie haute. Comme évoqué plus haut, le ballon 2 est équipé ici de deux équipements d'appoint 14, classiquement composés essentiellement d'une 15 résistance électrique et d'un dispositif de régulation, disposés à des hauteurs distinctes. Ces équipements d'appoint 14 sont par exemple disposés sensiblement à 1/3 et à 2/3 de la hauteur du ballon 2. Le ballon 2 comporte aussi une première entrée haute 16, une seconde entrée haute 18 et une sortie basse 22. La première entrée haute 16 20 est disposée au-dessus de la seconde entrée haute 18, ou tout du moins à une hauteur supérieure sur le ballon que la première entrée haute 16. La sortie basse 22 est réalisée dans la partie basse du ballon 2. Elle peut, comme illustré sur la figure 1, être sensiblement à la même hauteur que l'arrivée d'eau 8, par exemple en position diamétralement opposée à cette arrivée d'eau 8.

25 Enfin, on remarque sur le ballon 2 la présence de deux sondes de températures, appelées T1 et T2. Comme illustré, la sonde T1 se trouve sensiblement à la hauteur de la sortie basse 22 tandis que la sonde T2 se trouve de préférence sensiblement à la hauteur de la seconde entrée haute 18. Le module de transfert thermique comporte comme élément principal 30 l'échangeur thermique 6 qui se présente ici comme un échangeur à contre- courant entre deux circuits hydrauliques : un premier circuit ou circuit primaire 24 qui apporte les calories produites par la pompe à chaleur 4 et un second circuit dit circuit secondaire 26 qui fournit les calories reçues dans le module de 3031575 8 transfert thermique à l'eau contenue dans le ballon 2. L'échangeur thermique 6 se présente par exemple sous la forme d'un échangeur à plaques. Du côté du ballon 2, le module comporte une entrée froide 28 reliée via l'échangeur à une sortie chaude 30. Du côté de la pompe à chaleur 4, le 5 module de transfert thermique présente une entrée chaude 32 reliée à une sortie froide 34. Au niveau du circuit primaire 24, l'entrée chaude 32 du module de transfert thermique est reliée à la sortie de la pompe à chaleur 4 fournissant un fluide caloporteur, de l'eau ou de l'eau glycolée par exemple, à relativement 10 haute température (de préférence supérieure à 55°C) et la sortie froide 34 est reliée à une entrée de la pompe à chaleur 4. L'homme du métier connaissant le fonctionnement d'une pompe à chaleur, la pompe à chaleur 4 n'est pas décrite en détail ici. On précise uniquement qu'il s'agit d'une pompe à chaleur permettant de fournir un fluide à 15 haute température et qui est de préférence de type air/eau. Toutefois, d'autres types de pompes à chaleur, par exemple eau/eau, pourraient également convenir. Le circuit primaire 24 comporte des éléments que l'on trouve habituellement sur un circuit hydraulique et qui ne sont pas décrits ici 20 (soupape, purgeur, vase d'expansion, vanne de remplissage, vanne de vidange, ...). Une pompe P2 assure la circulation du fluide dans le circuit primaire 24. Le circuit secondaire 26 présente une première partie appelée partie haute et une seconde partie appelée partie basse.

25 La partie haute du circuit secondaire 26 relie la sortie chaude 30 (du module de transfert thermique) à la première entrée haute 16 et à la seconde entrée haute 18 du ballon 2. Cette partie haute présente une dérivation 36 en aval de laquelle on trouve une première branche 38 reliée à la première entrée haute 16 et une seconde branche 40 reliée à la seconde entrée haute 18. La 30 première branche 38 comporte une électrovanne EVa tandis que la seconde branche 40 comporte une électrovanne EV1. La partie basse du circuit secondaire 26 présente du côté du ballon 2 tout d'abord un vase d'expansion 44 en aval duquel se trouve un clapet anti- 3 0 3 1 5 7 5 9 retour 46, puis un régulateur de débit 48 et une pompe P1. Entre la partie basse et la partie haute du circuit secondaire 26 se trouve un court-circuit 50 comportant une électrovanne EV2. Lorsque cette dernière est ouverte, du liquide, de l'eau, peut passer directement vers l'entrée 5 froide 28 sans être passée dans le ballon 2. Ce court-circuit 50 est par exemple connecté à la partie haute du circuit secondaire au niveau de la dérivation 36 et rejoint la partie basse du circuit secondaire 26 en aval du clapet anti-retour 46. Pour assurer la régulation du système, il est prévu de disposer plusieurs capteurs de température. On dispose ainsi : 10 - un capteur de température Tef pour mesurer la température de l'eau à l'arrivée d'eau 8, - un capteur de température T3 pour mesurer la température de l'ECS à l'entrée froide 28, - un capteur de température T4 pour mesurer la température de l'ECS 15 à la sortie chaude 30, et - des capteurs de température T5, T6, T7 et T8 pour le contrôle de la température au sein de la pompe à chaleur 4. Tous les capteurs de températures, toutes les vannes de régulation, ainsi que d'autres composants sont reliés à un dispositif de contrôle et de 20 gestion qui se trouve de préférence dans une armoire électrique (non représentée au dessin). Ce dispositif de commande se présente par exemple sous la forme d'un automate de type AIP (sigle pour Automate Industriel Programmable). La forme de réalisation de la figure 2 diffère principalement de la forme 25 de réalisation de la figure 1 en ce que la partie haute du circuit secondaire comporte trois branches. Pour la description de cette figure 2 et de la figure 3, on utilise les références déjà utilisées dans la description de la figure 1 pour désigner des éléments similaires. Ainsi sur la figure 2 on trouve, en plus des éléments illustrés sur la 30 figure 1, une troisième branche 42 dans la partie supérieure du circuit secondaire 26. Cette branche "supplémentaire" vient alimenter une troisième entrée haute 20 réalisée dans le ballon 2 en dessous de la deuxième entrée haute 18 mais toujours dans la partie supérieure du ballon 2 (par exemple dans 3 0 3 1 5 7 5 10 la moitié supérieure du ballon 2). Cette troisième branche 42 présente une électrovanne EVb pour la régulation de l'eau circulant dans la troisième branche 42. À la troisième entrée haute 20, on associe aussi un capteur de 5 température T2a destiné à mesurer la température de l'ECS se trouvant dans le ballon 2 à la hauteur de cette troisième entrée haute 20. On trouve en outre dans la forme de réalisation de la figure 2 deux compteurs d'eau pour mesurer le débit d'eau : un compteur d'eau Dl mesure la quantité d'eau entrant dans le ballon 2 par l'arrivée d'eau 8 et un compteur 10 d'eau D2 mesure la quantité d'eau sortant par la sortie chaude 30. La figure 3 donne un exemple de circuit de distribution alimenté par le système de la figure 2 (qui est repris sur cette figure 3). Le circuit de distribution comporte des points de distribution symbolisés par des robinets 52. Une boucle 54 de réchauffage est prévue. Cette boucle 54 comporte des 15 moyens de réchauffage, par exemple une résistance électrique 56 disposée dans la boucle. Cette boucle est naturellement alimentée en eau chaude à partir du point de puisage 10 du ballon 2. Pour chauffer l'eau dans la boucle 54 à partir de la production de chaleur de la pompe à chaleur 4, il est aussi prévu de relier la boucle 54 au 20 système de la figure 2 à partir directement de la sortie chaude 30, ou entre cette dernière et la dérivation 36. La liaison entre la sortie chaude 30 et la boucle 54 est munie d'une électrovanne EVrc2. Elle injecte de l'eau chaude de préférence juste en amont de la résistance électrique 56. Un retour de la boucle 54 vers le circuit secondaire 26 est également prévu. Ce retour est 25 réalisé juste en amont dans la boucle 54 de l'arrivée d'eau chaude du circuit secondaire 26. Pour éviter que de l'eau chaude ne retourne directement dans le circuit secondaire 26, un clapet anti-retour 46' est prévu entre les deux liaisons de la boucle 54 avec le circuit secondaire 26. La liaison de retour de la boucle 54 vers le circuit secondaire 26 présente également une électrovanne 30 EVrc1 ainsi qu'éventuellement un régulateur de débit 58. Les systèmes décrits ci-dessus permettent de réaliser une régulation de température du circuit secondaire 26 afin d'obtenir des performances du système thermodynamique meilleures que celles de systèmes comparables de 3 0 3 1 5 7 5 11 l'art antérieur. En se référant par exemple au système illustré sur la figure-2, il est possible de réaliser les opérations suivantes : Mode de production dite "instantanée" 5 Lorsqu'un seuil prédéfini mesuré par le compteur d'eau D1 (qui peut être par exemple muni d'un émetteur d'impulsion pour communiquer avec l'automate de gestion) est dépassé (ce qui correspond à de forts volumes de puisage), la régulation se fait selon le principe suivant : quand la température de l'eau chaude mesurée par la sonde de température T4 est égale ou 10 légèrement supérieure à une température de consigne de production, les électrovannes EVb, EV1 et EV2 seront fermées et EVa ouverte. Ainsi de l'eau chaude est envoyée, via la première branche 38 (la branche la plus haute), dans le ballon 2. Sinon l'eau chaude repasse, via le court-circuit 50 (c'est-à-dire avec les électrovannes EVa, EVb et EV1 fermées, et l'électrovanne EV2 15 ouverte) dans l'échangeur thermique 6 du module de transfert thermique pour être réchauffée jusqu'à ce que sa température soit égale ou légèrement supérieure à la température de consigne de production et alors être introduite dans le ballon 2. Cette régulation assure alors un mode de production "instantanée", 20 permettant de produire directement de l'eau à la température de production (distribution) au moment de grands puisages (consommation) et de rajouter ainsi un certain volume supplémentaire (le volume produit dépend de la puissance de la pompe à chaleur 4 et des conditions climatiques) au volume tampon du stockage dans le ballon 2.

25 Par rapport aux systèmes existants, le système proposé ici permet de réduire le volume tampon de stockage du ballon utilisé. Mode de production "sem i-instantanée" ou "semi-accumulation" Lorsque le seuil prédéfini selon le compteur d'eau D1 n'est pas 30 dépassé (faibles volumes de puisage), la régulation se fait selon le principe suivant : la température de l'eau chaude mesurée par le capteur de température T4 est systématiquement comparée aux températures d'eau dans le ballon mesurées par les capteurs de température T2 et T2a et à la consigne 3031575 12 de production. Selon la valeur mesurée par le capteur de température T4, les orientations de l'eau chaude sont ainsi régulées : Si la valeur mesurée par le capteur de température T4 est égale ou légèrement supérieure à la consigne de production, de l'eau chaude est 5 directement envoyée dans la partie supérieure du ballon via la première branche 38 (les électrovannes EV1, EV2 et EVb seront fermées et EVa ouverte). Si la valeur mesurée par le capteur de température T4 est égale ou légèrement supérieure à celle mesurée par le capteur de température T2 dans 10 le ballon 2, les électrovannes EV2, EVa et EVb seront fermées et EV1 ouverte. De l'eau chaude est envoyée à travers de l'électrovanne EV1 dans le ballon 2 via la deuxième branche 40. Si la valeur mesurée par le capteur de température T4 est inférieure à celle mesurée par le capteur de température T2, mais égale ou supérieure à 15 celle mesurée par le capteur de température T2a dans le ballon 2, les électrovannes EV1, EV2 et EVa seront fermées et EVb ouverte. De l'eau chaude est ainsi envoyée, à travers l'électrovanne EVb, dans le ballon (troisième branche 42). Si la valeur mesurée par le capteur de température T4 est inférieure à 20 celle mesurée par le capteur de température T2a dans le ballon 2, les électrovannes EV1, EVa et EVb seront fermées et EV2 ouverte. De l'eau chaude est renvoyée, via le court-circuit 50, vers l'échangeur thermique 6 du module de transfert thermique pour être réchauffée jusqu'à ce que sa température atteigne au moins la valeur de T2a afin d'être introduite dans le 25 ballon 2 via la troisième branche 42 ou la deuxième branche 40. Par rapport aux systèmes existants, ce mode de régulation, correspondant au mode de production "semi-instantané" ou "semiaccumulation", permet de maîtriser parfaitement les phénomènes de stratification d'eau dans le ballon, d'une part, et de réduire le volume tampon 30 du stockage aux conditions identiques, d'autre part. Plus l'installation est importante (en termes de volume et de puissance), plus ce mode de régulation est performant en termes des gains (économies en investissement et consommation énergétique).

3031575 13 Ce mode de régulation est également applicable pour la gestion des réseaux de chauffage ayant des régimes de température différents, mais avec une production centralisée.

5 Mode de production dite "accumulation" Ici, le profil de la consommation en ECS et le rapport du "volume de ballon/puissance de PAC" sont adaptés. Les dispositifs décrits plus haut peuvent s'adapter facilement à ce mode de production "accumulation" dont le but est de contrôler et d'enregistrer la quantité d'ECS consommée pendant la 10 période de consommation (par exemple dans la journée) et de reconstituer dans le ballon celle-ci dans les conditions favorables (par exemple dans la nuit). Les adaptations se réalisent par exemple comme suit : Cas 1 simple -> Consommation journalière régulière : La régulation est simple pour ce cas. Avec une quantité d'ECS 15 suffisante et préalablement stockée dans le ballon, le puisage dans le ballon 2 (consommation) se fait pendant la période de consommation (par exemple dans la journée) et le contenu du ballon 2 n'est reconstitué que pendant la période sans consommation (par exemple dans la nuit). La configuration du système thermodynamique illustrée sur la figure 1 20 avec deux niveaux d'injection d'eau chaude dans le ballon 2 et deux sondes de température T1 et T2 mais sans compteur d'eau D2 est suffisante et bien adaptée. La gestion de la production d'ECS se réalise ainsi : la température mesurée par la sonde de température T4 est comparée aux valeurs de la 25 consigne de production et de la mesure effectuée par le capteur de température T2 : Si la valeur mesurée par le capteur de température T4 est égale ou légèrement supérieure à la consigne de production, de l'eau chaude est directement envoyée dans la partie supérieure du ballon via la première 30 branche 38 (les électrovannes EV1 et EV2 seront fermées et EVa ouverte) ; Si la valeur mesurée par le capteur de température T4 est inférieure à la consigne de production, mais égale ou légèrement supérieure à la valeur mesurée par le capteur de température T2, de l'eau chaude est envoyée dans 3031575 14 le ballon via la seconde branche 40 (les électrovannes EV2 et EVa seront fermées et EV1 ouverte) ; Si la valeur mesurée par le capteur de température T4 est inférieure à la valeur mesurée par le capteur de température T2, de l'eau tiède est 5 envoyée, via le court-circuit 50 (les électrovannes EV1 et EVa seront fermées et EV2 ouverte), vers l'échangeur thermique 6 du module de transfert thermique pour être réchauffée jusqu'à ce que sa température atteigne la valeur mesurée par la sonde de température T2.

10 Cas 2 -> Consommations journalières relativement variables dans la semaine (mois) : Évidemment, le système (volume du ballon 2 et puissance de la pompe à chaleur 4) doit être dimensionné pour répondre à la consommation journalière maximale.

15 Les quantités nécessaires, correspondant par exemple aux consommations journalières de la semaine (ou du mois) d'un ERP (sigle pour "Établissement recevant du public"), et la période de reconstitution souhaitée sont préalablement enregistrées dans le régulateur (automate AIP) ; Avec l'aide du compteur d'eau D1 sur l'arrivée d'eau 8, la 20 consommation en ECS lors du puisage est enregistrée, calculée en cumul et contrôlée dans le régulateur ; La valeur cumulée à la fin de la période de consommation se compare à la valeur de la consommation journalière du lendemain préalablement enregistrée. Les résultats de cette comparaison déterminent le volume d'eau 25 chaude à reconstituer pour le lendemain : Si la valeur cumulée est inférieure à celle du lendemain (majorée éventuellement par un coefficient de sécurité ou pour un événement exceptionnel, possibilité importante pour les ERP), c'est la consommation (besoin) en ECS du lendemain qui sera le volume à reconstituer pendant la 30 période sans consommation. Dans tout le cas, la production au niveau de la pompe à chaleur 4 s'arrête lorsque la température mesurée au niveau du capteur de température T1 atteint la valeur de consigne, correspondant au niveau maximal du volume utile du ballon.

3031575 15 Dans le cas contraire, c'est-à-dire si la valeur cumulée est supérieure à celle du lendemain (majorée éventuellement par un coefficient de sécurité ou pour un événement exceptionnel), c'est encore la consommation (besoin) en ECS du lendemain qui sera le volume à reconstituer pendant la période sans 5 consommation. Cette solution permet de garantir le volume nécessaire en ECS pour les besoins du lendemain, d'évaluer les comportements des usagers en ECS si besoin est et en même temps de limiter au maximum les pertes statiques inutiles du stockage. Avec l'aide du compteur d'eau D2, la régulation est relativement 10 simple : La gestion de la production d'ECS pendant la période sans consommation suit le même principe décrit ci-dessus en référence à la figure 1. La différence est toutefois que tout le (petit) volume d'eau ayant une température égale ou légèrement supérieure à la température de consigne de 15 production (température de consigne au niveau du capteur de température T4) est enregistré et comptabilisé. Une fois que le volume comptabilisé en cumul est égal ou légèrement supérieur au volume du lendemain à produire, le régulateur arrête le fonctionnement de la pompe à chaleur 4.

20 Avec la présence des compteurs d'eau D1 ou/et D2, associés à des sondes de température Tef et T4 (ou sonde de température Tec placée au niveau du point de puisage 10, suivant la configuration de l'installation), il est facile d'établir le bilan énergétique du système destiné à la production d'ECS.

25 Pour la forme de réalisation de la figure 3, concernant plus particulièrement des installations collectives de production et de distribution d'ECS, dans lesquelles le circuit de distribution d'ECS est généralement bouclé avec un maintien de la température à une valeur généralement supérieure à 50°C (selon les réglementations en vigueur) afin de garantir la disponibilité à 30 tout moment d'eau chaude et aussi la qualité sanitaire (prévention contre les légionnelles). Ce maintien en température de l'eau consomme une quantité d'énergie considérable. La plupart des installations d'ECS collectives fonctionnent en mode 3031575 16 "semi-instantané" ou "semi-accumulation". Selon les profils de la consommation d'ECS dans les secteurs tertiaires et des logements collectifs, il y a généralement au moins deux périodes relativement longues sans consommation et dans lesquelles la pompe à chaleur est en arrêt.

5 Avec un système tel que décrit ci-dessus, la pompe à chaleur 4 sera utilisée pour participer au maintien de la température du bouclage afin de réduire la consommation d'énergie électrique grâce au coefficient de performance de la pompe à chaleur 4 qui est le plus souvent bien supérieur à 1.

10 Le principe de la participation de la pompe à chaleur 4 au maintien de la température de l'eau dans la boucle 54 est illustré sur la figure 3.La gestion du maintien de la température du bouclage par la pompe à chaleur 4 s'effectue par exemple comme suit : La production d'ECS par le système thermodynamique est toujours 15 prioritaire. L'emploi de la pompe à chaleur 4 se fait à condition que la consigne de la production dans le ballon 2 soit atteinte ou bien le volume à reconstituer dans le ballon 2 soit réalisé. Avant de démarrer l'opération du maintien en température de l'eau dans la boucle 54, les électrovannes (EV1, EV2, EVa et EVb) sont en position 20 fermée. En fonction du débit (vitesse) du bouclage et la puissance de la pompe à chaleur 4, le débit est réglé à l'aide de l'électrovanne EVrc1 de réglage, destinée à envoyer de l'eau de la boucle vers la pompe à chaleur 4. Le réglage du débit se fait à une valeur pour que la température de l'eau réchauffée par la 25 pompe à chaleur 4 soit proche de la température de distribution prévue. L'opération du maintien se réalise par exemple ainsi : Après l'ouverture des deux électrovannes EVrc1 et EVcr2, le régulateur redémarre la pompe à chaleur 4 et le circulateur P1 afin d'envoyer de l'eau de la boucle 54 vers l'échangeur thermique 6 du module de transfert thermique 30 pour être réchauffée. Comme la puissance réelle de la pompe à chaleur 4 varie en fonction des conditions climatiques, il est souhaitable que de l'eau réchauffée soit renvoyée vers le réchauffeur de boucle avant de l'introduire directement dans le circuit de la distribution.

3031575 17 Cette opération s'arrêtera dès qu'il y a un puisage d'ECS (besoin), détectable par la présence du compteur d'eau Dl ou un autre instrument sur le circuit du départ d'ECS. La production d'ECS redémarre selon les principes définis ci-dessus après la fermeture des deux électrovannes EVrc1 et EVcr2.

5 Comme il ressort de la description qui précède, l'invention fournit un système qui à l'aide d'électrovannes à deux voies (ou électrovannes à trois voies, voire quatre voies) et avec la régulation de la température d'ECS produite par la pompe à chaleur, la température de l'ECS introduite dans le 10 ballon aura au moins une température égale à celle de l'eau à l'endroit (niveau) où est introduite de l'ECS produite par la pompe à chaleur. De ce fait, la stratification d'eau chaude dans le ballon est maintenue. Suivant le profil de la consommation d'ECS et la configuration de l'installation (volume du ballon et la puissance de pompe à chaleur), le système 15 peut s'adapter, grâce à la régulation, à trois modes de la production d'eau chaude sanitaire, selon besoin, soit : Accumulation Semi-instantané ou semi-accumulation Instantané 20 Comme le sait l'homme du métier, le coefficient de performance (COP) d'une pompe à chaleur est souvent très largement supérieur à 1 sauf dans certains cas particuliers (par exemple lors d'une phase de dégivrage). Avec les systèmes décrits plus haut, l'emploi de la pompe à chaleur peut être optimisé afin de réduire également la consommation électrique pour un circuit de 25 distribution bouclé. Par exemple, pour un COP de 3, on peut produire 3 kWh en chaleur pour 1 kWh consommé, soit une économie de 2 kWh d'énergie électrique consommée par rapport à une solution en réchauffeur électrique seul. Bien entendu, la présente invention ne se limite pas aux modes de 30 réalisation préférés décrits ci-dessus et aux variantes évoquées mais elle concerne toutes les variantes de réalisation dans le cadre des revendications ci-après.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1. Module de transfert thermique entre un premier circuit dit circuit primaire (24) et un second circuit dit circuit secondaire (26), et ballon (2) 5 associé avec une partie basse et une partie haute disposée au-dessus de ladite partie basse, ledit module de transfert thermique comportant : - une entrée dite entrée chaude (32) destinée à être connectée au circuit primaire (24), - une sortie dite sortie froide (34) reliée au sein du module à l'entrée 10 chaude (32) et destinée à assurer un retour vers le circuit primaire (24), - une entrée dite entrée froide (28) reliée à la partie basse du ballon (2), et - une sortie dite sortie chaude (30) reliée au sein du module à l'entrée froide (28) et connectée à la partie haute du ballon (2), 15 caractérisé en ce qu'une dérivation (36) est réalisée en aval de la sortie chaude (30), entre le module de transfert thermique et le ballon (2), de manière à obtenir au moins deux branches (38, 40), chaque branche (38, 40) alimentant le ballon (2) en des points d'alimentation (16, 18) disposés à des hauteurs distinctes, 20 en ce que des moyens de régulation sont prévus pour réguler un débit d'eau dans chaque branche (38, 40), en ce que des capteurs de températures sont disposés, d'une part, dans le ballon (2) pour déterminer dans celui-ci à au moins deux hauteurs distinctes une température d'eau dans le ballon et, d'autre part, en amont de la 25 dérivation, et en ce que des moyens de gestion et de commande sont reliés aux capteurs de température et aux moyens de régulation de débit.
2. 2. Module de transfert thermique et ballon associé selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque branche (38, 40) est munie 30 d'une électrovanne.
3. 3. Module de transfert thermique et ballon associé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le ballon (2) comporte un capteur de température en partie basse et un capteur de température associé à chaque 3031575 19 point d'alimentation (16, 18) par les branches (38, 40), sauf pour le point d'alimentation supérieur.
4. 4. Module de transfert thermique et ballon associé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un court-circuit (50) permettant de faire passer de l'eau sortant par la sortie chaude (30) vers l'entrée froide (28) sans passer par le ballon (2) et comportant des moyens de régulation pour contrôler le débit d'eau dans ledit court-circuit (50).
5. 5. Module de transfert thermique et ballon associé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit de distribution bouclé (54), et en ce que ce circuit de distribution bouclé (54) est alimenté, d'une part, à partir de la sortie chaude (30), en amont de la dérivation (36) et, d'autre part, à partir d'une sortie (10) disposée en position haute sur le ballon (2).
6. 6. Système de production d'eau chaude, caractérisé en ce qu'il comporte un module de transfert thermique et un ballon (2) associé selon l'une des revendications 1 à 5
7. 7. Système de production d'eau chaude selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte une pompe à chaleur (4) raccordée, d'une part, à l'entrée chaude (32) et, d'autre part, à la sortie froide (34) du module de transfert thermique.