CH712665B1 - Dispositif de distribution d'énergie thermique pour site urbain ou industriel. - Google Patents

Abstract

Le dispositif de distribution d'énergie thermique selon l'invention comporte au moins un premier circuit (110) à haute température qui comprend une unité de production (140) d'énergie thermique, ledit premier circuit (110) de distribution de fluide caloporteur comportant une boucle fermée (111) avec un conduit aller (112) ayant une entrée qui correspond à une sortie (140a) de l'unité de production (140) d'énergie thermique et qui véhicule un premier fluide caloporteur A chaud. Un deuxième circuit (120) de distribution d'énergie thermique est décomposé en au moins deux sous-circuits complémentaires (120a, 120b) interconnectés par un échangeur de chaleur (230) qui assure un couplage thermique sans connexion hydraulique entre ces deux sous-circuits complémentaires. Les sous-circuits complémentaires peuvent être couplés en séries ou en série-parallèles en fonction de la configuration du terrain d'implantation.

Description

Domaine technique

[0001] La présente invention concerne un dispositif de distribution d'énergie thermique pour alimenter un site urbain et/ou industriel, ce dispositif comportant au moins une unité de production d'énergie thermique, un réseau de distribution qui est agencé pour véhiculer ladite énergie thermique en vue d'alimenter ledit site urbain et/ou industriel et une pluralité d'utilisateurs/consommateurs d'énergie thermique localisés sur ledit site urbain et/ou industriel et qui sont habilités à prélever de l'énergie thermique dans ledit réseau de distribution, ledit réseau de distribution comportant : au moins un premier circuit de distribution d'énergie thermique, à haute température (HT), composé d'une boucle fermée comprenant d'une part un conduit aller et d'autre part un conduit retour qui véhiculent un premier fluide caloporteur, au moins un deuxième circuit de distribution d'énergie thermique à basse température (BT), appelé circuit anergie, composé d'une boucle fermée comprenant d'une part un conduit aller et d'autre part un conduit retour qui véhiculent un second fluide caloporteur, au moins un premier échangeur de chaleur pour coupler thermiquement au moins ledit premier circuit de distribution d'énergie thermique avec ledit deuxième circuit de distribution d'énergie thermique, sans contact hydraulique entre lesdits premier et second fluides caloporteurs.

Technique antérieure

[0002] Les réseaux de chauffage à distance, appelés couramment chauffages urbains, comportent habituellement au moins une paire de conduits, dont le premier, appelé „tube aller“, est connecté entre une source chaude et au moins un dispositif consommateur d'énergie thermique par l'intermédiaire d'un point de soutirage, et dont le second, appelé „tube retour“ est connecté entre le point de soutirage et la source chaude pour ramener le fluide caloporteur refroidi dans le réseau. L'objectif de ces réseaux est d'alimenter un ensemble d'utilisateurs/consommateurs, qui peuvent par exemple être une maison, un local utilitaire ou similaire, en calories positives ou négatives également appelées frigories, prélevées dans le fluide caloporteur. Généralement, les conduits sont distincts, disposés parallèlement l'un par rapport à l'autre et bien isolés pour limiter les déperditions.

[0003] Ces installations utilisent habituellement comme source chaude, soit un générateur d'eau chaude, soit un générateur de vapeur d'eau et le fluide caloporteur est, selon le cas, de l'eau chaude, éventuellement mélangée à du glycol pour éviter le gel en cas de refroidissement intempestif, ou de la vapeur surchauffée, portée à une température élevée. La déperdition de chaleur dans les conduits qui véhiculent le fluide caloporteur est en principe proportionnelle à la différence entre la température du fluide caloporteur et l'environnement des conduits qui le véhiculent, de sorte que dans les installations connues soit les isolations sont très performantes et par conséquent très coûteuses, soit des installations moins efficaces enregistrent des pertes en énergie élevées. Dans les deux cas, le bilan énergétique est médiocre et les coûts des installations ainsi que les coûts d'exploitation sont très élevés.

[0004] Par ailleurs, on a développé des installations de distribution d'énergie thermique en réseau qui couplent une structure, parfois existante, de distribution d'énergie en réseau travaillant à haute température avec une structure de distribution d'énergie en réseau travaillant à basse température appelé réseau anergie, ayant comme avantages essentiels, des coûts d'installation plus réduits et des frais d'exploitation plus avantageux que ceux des réseaux fonctionnant uniquement à haute température. Dans ce cas, les réseaux, qui peuvent parfois travailler avec des fluides caloporteurs différents, sont hydrauliquement séparés tout en étant thermiquement couplés.

[0005] Sur divers sites d'implantation de réseaux de ce type, lorsque la dénivellation de certaines zones est importante, la pression du fluide caloporteur circulant dans les conduits du réseau peut devenir élevée, ce qui impose des précautions importantes lors de l'installation, notamment la mise en place de conduits à parois plus résistantes, donc plus lourds et plus coûteux. Ces précautions s'imposent sur tout le réseau, y compris dans les circuits domestiques sur le lieu de l'utilisation et de la consommation de l'énergie distribuée. L'ensemble de l'installation avec tous ses composants, y compris les vannes de raccordement, les échangeurs de chaleur et les pompes à chaleurs doit être adapté à cette contrainte de surpression. En outre, la sécurité de l'installation est plus difficile à assurer et les risques, en cas de défectuosité de l'un des composants sont beaucoup plus élevés, notamment si la pression devient élevée dans les conduits.

Exposé de l'invention

[0006] La présente invention se propose de pallier les inconvénients ci-dessus en fournissant des moyens pour confiner la pression dans des limites de valeurs acceptables, quelles que soient les dénivellations entre diverses zones du réseau.

[0007] Ce but est atteint par un dispositif de distribution d'énergie thermique tel que défini en préambule et caractérisé en ce que ledit deuxième circuit de distribution d'énergie thermique est décomposé en un premier sous-circuit complémentaire et au moins un deuxième sous-circuit complémentaire, montés en série, et en ce que ledit premier sous-circuit complémentaire est couplé thermiquement audit deuxième sous-circuit complémentaire sans qu'il n'y ait aucune connexion hydraulique entre les deux sous-circuits complémentaires.

[0008] Selon un mode de réalisation préféré, ledit couplage thermique entre ledit premier sous-circuit complémentaire et ledit deuxième sous-circuit complémentaire est réalisé par un deuxième échangeur de chaleur.

[0009] Ledit deuxième échangeur de chaleur monté entre ledit premier sous-circuit complémentaire et ledit deuxième sous-circuit complémentaire est de préférence un échangeur à plaques pourvu de deux circuits internes indépendants, un premier circuit interne étant connecté audit premier sous-circuit complémentaire de distribution d'énergie thermique et un second circuit interne étant connecté audit deuxième sous-circuit complémentaire de distribution d'énergie thermique, ledit deuxième échangeur de chaleur comportant d'une part une première entrée de fluide caloporteur et une première sortie de fluide caloporteur, ladite première entrée et ladite première sortie dudit fluide caloporteur étant raccordées audit premier sous-circuit complémentaire de distribution d'énergie thermique, et d'autre part une deuxième entrée de fluide caloporteur et une deuxième sortie de fluide caloporteur, ladite deuxième entrée et ladite deuxième sortie du fluide caloporteur étant raccordées audit deuxième sous-circuit complémentaire de distribution d'énergie thermique.

[0010] Lesdites plaques dudit deuxième échangeur de chaleur sont avantageusement des plaques parallèles et espacées entre elles pour définir deux réseaux indépendants d'espaces parallèles, constituant lesdits premier circuit interne et second circuit interne.

[0011] Ladite première entrée et ladite première sortie dudit fluide caloporteur sont de préférence équipées d'une vanne à au moins deux voies, ladite deuxième entrée et ladite deuxième sortie dudit fluide caloporteur étant également équipées d'une vanne à au moins deux voies, pour permettre la mise en court-circuit dudit échangeur de chaleur.

[0012] Selon un mode de réalisation préféré, la température du fluide caloporteur dans ledit premier sous-circuit complémentaire et ledit deuxième sous-circuit complémentaire est comprise entre 2 et 20°C, et de préférence comprise entre 2 et 15°C, et en particulier avantageusement égale à 9°C.

[0013] Avantageusement ledit au moins un deuxième circuit de distribution d'énergie thermique est décomposé en n sous-circuits complémentaires, montés au moins partiellement en série, ledit premier sous-circuit complémentaire étant couplé thermiquement audit deuxième sous-circuit complémentaire par ledit deuxième échangeur de chaleur, sans connexion hydraulique, le deuxième sous-circuit complémentaire étant couplé thermiquement audit troisième sous-circuit complémentaire par un troisième échangeur de chaleur, le troisième sous-circuit complémentaire étant couplé thermiquement audit quatrième sous-circuit complémentaire par un quatrième échangeur de chaleur, et ainsi de suite, le n-1<ème>sous-circuit complémentaire étant couplé thermiquement au n<ème>sous-circuit complémentaire, par un n<ème>échangeur de chaleur, sans connexion hydraulique.

[0014] Les n échangeurs de chaleur sont préférentiellement des échangeurs à plaques.

[0015] Les fluides caloporteurs circulant dans tous les n sous-circuits complémentaires sont avantageusement identiques entre eux.

[0016] Ledit fluide caloporteur circulant dans lesdits sous-circuits complémentaires est de préférence constitué d'eau.

[0017] Le réseau de distribution d'énergie thermique comporte une unité de gestion des températures dans ledit deuxième circuit de distribution d'énergie thermique, cette unité de gestion des températures comportant des moyens de contrôle et de commande pour assurer le maintien du fluide caloporteur à une température constamment supérieure à zéro degré.

Description sommaire des dessins

[0018] La présente invention et ses principaux avantages apparaîtront mieux dans la description d'un mode de réalisation préféré, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique d'une forme de réalisation d'un dispositif de distribution d'énergie thermique selon l'invention, la figure 2 est une vue schématique partielle d'une forme généralisée d'une partie du dispositif de distribution d'énergie thermique selon l'invention, et la figure 3 est une vue schématique d'un échangeur de chaleur à plaques pour interconnecter des sous-circuits complémentaires du dispositif de distribution d'énergie thermique selon l'invention.

Meilleure(s) manière(s) de réaliser l'invention

[0019] En référence aux figures, et en particulier à la figure 1, le dispositif de distribution d'énergie thermique comporte notamment un réseau d'échange d'énergie thermique 100 comportant au moins un premier circuit 110 à haute température partant d'une unité de production140 d'énergie thermique, et comprenant au moins une boucle fermée 111 de distribution de fluide caloporteur à haute température. Ladite boucle fermée 111 est formée d'un conduit aller 112 ayant son entrée qui correspond à une sortie 140a de l'unité de production 140 d'énergie thermique et qui véhicule un premier fluide caloporteur A chaud, et un conduit de retour 113 ayant sa sortie qui correspond à une entrée 140b de l'unité de production 140 d'énergie thermique et qui véhicule le premier fluide caloporteur A, initialement chaud, mais qui a perdu une partie au moins de l'énergie thermique qu'il a véhiculé entre la sortie 140a de l'unité de production 140 et l'entrée 140b de l'unité de production 140. Cette première partie du réseau d'échange d'énergie thermique 100 peut être existante sur un site équipé antérieurement, ou nouvelle, selon les modalités d'implantation ou en fonction de ressources disponibles à proximité des sites.

[0020] Une deuxième partie du réseau d'échange d'énergie thermique 100 est composée d'au moins un deuxième circuit 120 de distribution d'énergie thermique qui forme une boucle fermée 122 avec un conduit aller 123 et un conduit retour 124. Le deuxième circuit 120 est un circuit anergie, à basse température qui véhicule un second fluide caloporteur B qui peut être identique ou différent dudit premier fluide caloporteur A. Avantageusement le fluide caloporteur B qui circule dans le ou les deuxièmes circuit 120 est de l'eau, en l'occurrence de l'eau pure, sans glycol, pour des raisons de coût, des raisons de sécurité en cas de rupture accidentelle d'un conduit et des raisons écologiques.

[0021] D'une manière générale, ledit deuxième circuit 120 est raccordé au premier circuit 110 par l'intermédiaire d'un premier échangeur de chaleur 230 qui a notamment pour fonction de séparer les flux des fluides caloporteurs respectivement A et B dans ledit au moins un premier circuit 110 et dans ledit au moins un deuxième circuit 120 et d'interconnecter thermiquement les deux circuits, l'un étant à haute température et l'autre étant à basse température.

[0022] Lorsque la dénivellation du terrain sur lequel le deuxième circuit est implanté est relativement importante, ledit deuxième circuit est par exemple, comme le montre la figure 1, décomposé en deux sous-circuits complémentaires, respectivement 120a et 120b, illustrés schématiquement par deux zones d'implantation 120'a et 120'b. Une telle réalisation a pour effet de limiter la pression du fluide caloporteur à l'intérieur des conduits du deuxième circuit 120, dans le but de réduire l'épaisseur des parois des conduits, leur poids et leur coût tout en réduisant les risques en cas de rupture. Dans ce cas, le premier sous-circuit complémentaire 120a est couplé thermiquement avec le premier circuit 110 par l'intermédiaire du premier échangeur de chaleur 230 pour assurer un couplage thermique, sans aucun couplage hydraulique. De façon similaire, le second sous-circuit complémentaire 120b est couplé thermiquement au premier sous-circuit complémentaire 120a par l'intermédiaire d'un deuxième échangeur de chaleur 230 pour assurer un couplage thermique, sans aucun couplage hydraulique.

[0023] Les échangeurs de chaleur 230 sont de préférence des échangeurs à plaques 300, pourvus de deux circuits internes indépendants qui sont connectés sur des entrées et des sorties indépendantes, de préférence au moyen de vannes à deux ou trois voies, pour permettre la mise en court-circuit desdits échangeurs de chaleur 230.

[0024] Des utilisateurs consommateurs, sont raccordés aux sous-circuits complémentaires, qui sont des circuits anergie, par l'intermédiaire d'une pompe à chaleur. Les raccordements au premier ou second sous-circuit complémentaire 120a ou 120b s'effectuent en fonction des implantations des utilisateurs/consommateurs dans les zones d'implantation correspondantes 120'a et 120'b.

[0025] La figure 2 illustre schématiquement et partiellement la réalisation d'un réseau d'échange et de distribution d'énergie thermique généralisé, c'est-à-dire comportant de multiples zones avec des dénivellations distinctes et parfois importantes, la configuration de l'installation étant adaptée à la configuration du site de manière à respecter des normes constructives prédéterminées en vue d'éviter les surpressions dans les conduits.

[0026] Le réseau d'échange d'énergie thermique 100 comprend le premier circuit 110 à haute température auquel est couplé le second circuit 120. Ce dernier est décomposé en n sous-circuits complémentaires, respectivement 120a, 120b,, 120n, illustrés schématiquement par n zones d'implantation 120'a, 120'b,..., 120'n-1, 120'n. Une telle réalisation a pour effet de limiter la pression du fluide caloporteur à l'intérieur des conduits des seconds circuits 120, dans le but de réduire l'épaisseur des parois des conduits, leur poids et leur coût tout en réduisant les risques en cas de rupture. Dans ce cas, le premier sous-circuit complémentaire 120a est couplé thermiquement au premier circuit 110 par l'intermédiaire dudit premier échangeur de chaleur 230a pour assurer un couplage thermique, sans aucun couplage hydraulique. De façon similaire, le deuxième sous-circuit complémentaire 120b est couplé thermiquement au premier sous-circuit complémentaire 120a par l'intermédiaire dudit deuxième échangeur de chaleur 230b pour assurer un couplage thermique, sans aucun couplage hydraulique. Ainsi de suite, le n<ème>sous-circuit complémentaire 120n est couplé thermiquement au n-1<ème>sous-circuit complémentaire 120n-1 par l'intermédiaire d'un n<ème>échangeur de chaleur 230n pour assurer un couplage thermique, sans aucun couplage hydraulique. Dans ce cas, les sous-circuits complémentaire peuvent être montés en série, mais également en série-parallèle, sachant que sur une boucle du réseau, les sous-circuits complémentaire sont couplés en série, mais que, pour des raisons liées à la structure du site, des boucles peuvent être greffées sur d'autres boucles, puis décomposées en sous-circuits complémentaire, de sorte que le réseau résultant présente des couplages du type série-parallèle.

[0027] Par ailleurs, on notera que le même réseau est en mesure de distribuer simultanément de l'énergie thermique chaude et de l'énergie thermique froide, prélevées sur le fluide caloporteur à basse température du réseau anergie, au moyen d'une pompe à chaleur. Avantageusement l'énergie thermique froide est destinée au rafraichissement ou à l'approvisionnement de zones de froid dit positif, comme par exemple des caves à vin ou similaires.

[0028] Diverses variantes pourraient être imaginées par l'homme de l'art, en ce qui concerne la réalisation et la disposition des conduits qui constituent le réseau, mais elles restent incluses dans les caractéristiques définies par les revendications. Le système décrit est a priori utilisé pour distribuer des calories en vue d'apporter de l'énergie thermique chaude aux consommateurs. Toutefois, en modifiant les paramètres, il serait envisageables de distribuer des calories négatives et de gérer un réseau de réfrigération. En outre, la consommation de chaleur et la consommation de froid peuvent être effectuées par le même réseau à condition de modifier les paramètres en fonction des besoins spécifiques des utilisateurs/consommateurs.

Claims (11)

1. Dispositif de distribution d'énergie thermique pour alimenter un site urbain et/ou industriel, ce dispositif comportant au moins une unité de production (140) d'énergie thermique, un réseau de distribution qui est agencé pour véhiculer ladite énergie thermique en vue d'alimenter ledit site urbain et/ou industriel et une pluralité d'utilisateurs/consommateurs d'énergie thermique localisés sur ledit site urbain et/ou industriel et qui sont habilités à prélever de l'énergie thermique dans ledit réseau de distribution, dans lequel ledit réseau de distribution comporte : – au moins un premier circuit (110) de distribution d'énergie thermique à haute température composé d'une boucle fermée (111) comprenant d'une part un conduit aller (112) et d'autre part un conduit retour (113) qui véhiculent un premier fluide caloporteur (A), – au moins un deuxième circuit (120) de distribution d'énergie thermique à basse température, appelé circuit anergie, composé d'une boucle fermée comprenant d'une part un conduit aller (123) et d'autre part un conduit retour (124) qui véhiculent un second fluide caloporteur (B), – au moins un premier échangeur de chaleur (230) pour coupler thermiquement au moins ledit premier circuit (110) de distribution d'énergie thermique audit deuxième circuit (120) de distribution d'énergie thermique, sans contact direct entre lesdits premier et second fluides caloporteurs, caractérisé en ce que : ledit deuxième circuit (120) de distribution d'énergie thermique est décomposé en un premier sous-circuit complémentaire (120a) et au moins un deuxième sous-circuit complémentaire (120b) montés en série, et en ce que ledit premier sous-circuit complémentaire (120a) est couplé thermiquement audit deuxième sous-circuit complémentaire (120b) sans qu'il n'y ait aucune connexion hydraulique entre les deux sous-circuits complémentaires (120a, 120b).

2. Dispositif de distribution d'énergie thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit couplage thermique entre ledit premier sous-circuit complémentaire (120a) et ledit deuxième sous-circuit complémentaire (120b), est réalisé par un deuxième échangeur de chaleur (230).

3. Dispositif de distribution d'énergie thermique selon la revendication 2, dans lequel ledit deuxième échangeur de chaleur (230) monté entre ledit premier sous-circuit complémentaire (120a) et ledit deuxième sous-circuit complémentaire (120b) est un échangeur à plaques (300) pourvu de deux circuits internes indépendants, un premier circuit interne étant connecté audit premier sous-circuit complémentaire (120a) de distribution d'énergie thermique et un second circuit interne étant connecté audit deuxième sous-circuit complémentaire (120b) de distribution d'énergie thermique, ledit deuxième échangeur de chaleur (230) comportant d'une part une première entrée de fluide caloporteur et une première sortie de fluide caloporteur, ladite première entrée et ladite première sortie dudit fluide caloporteur étant raccordées audit premier sous-circuit complémentaire (120a) de distribution d'énergie thermique, et d'autre part une deuxième entrée de fluide caloporteur et une deuxième sortie de fluide caloporteur, ladite deuxième entrée et ladite deuxième sortie de fluide caloporteur étant raccordées audit deuxième sous-circuit complémentaire (120b) de distribution d'énergie thermique.

4. Dispositif de distribution d'énergie thermique selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites plaques dudit deuxième échangeur de chaleur (300) sont des plaques parallèles et espacées entre elles pour définir deux réseaux indépendants d'espaces parallèles, constituant lesdits premier circuit interne et second circuit interne.

5. Dispositif de distribution d'énergie thermique selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite première entrée et ladite première sortie dudit fluide caloporteur sont équipées d'une vanne à au moins deux voies, et en ce que ladite deuxième entrée et ladite deuxième sortie dudit fluide caloporteur sont également équipées d'une vanne à au moins deux voies, pour permettre la mise en court-circuit dudit échangeur de chaleur (230).

6. Dispositif de distribution d'énergie thermique selon la revendication 1, dans lequel la température du fluide caloporteur dans ledit premier sous-circuit complémentaire (120a) et ledit deuxième sous-circuit complémentaire (120b) est comprise entre 2 et 20°C, et de préférence comprise entre 2 et 15°C, et en particulier avantageusement égale à 9°C.

7. Dispositif de distribution d'énergie thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit au moins un deuxième circuit (120) de distribution d'énergie thermique est décomposé en au moins trois n sous-circuits complémentaires (120a, 120b, 120c, ... 120n), montés au moins partiellement en série, et en ce que le premier sous-circuit complémentaire (120a) est couplé thermiquement audit deuxième sous-circuit complémentaire (120b) par ledit deuxième échangeur de chaleur (230a) sans connexion hydraulique, en ce que le deuxième sous-circuit complémentaire (120b) est couplé thermiquement audit troisième sous-circuit complémentaire (120c) par un troisième échangeur de chaleur (230b), en ce que le troisième sous-circuit complémentaire (120c) est couplé thermiquement audit quatrième sous-circuit complémentaire (120d), par un quatrième échangeur de chaleur (230c), et ainsi de suite, le n-1<ème>sous-circuit complémentaire (120n-1) étant couplé thermiquement audit n<eme>sous-circuit complémentaire (120n), par un n-1<ème>échangeur de chaleur (230n), sans connexion hydraulique.

8. Dispositif de distribution d'énergie thermique selon la revendication 7, caractérisé en ce que les n échangeurs de chaleur sont des échangeurs à plaques.

9. Dispositif de distribution d'énergie thermique selon la revendication 7, caractérisé en ce que les fluides caloporteurs circulant dans tous les n sous-circuits complémentaires sont identiques entre eux.

10. Dispositif de distribution d'énergie thermique selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit fluide caloporteur circulant dans les n sous-circuits complémentaires est constitué d'eau.

11. Dispositif de distribution d'énergie thermique, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une unité de gestion des températures dans ledit deuxième circuit (120) de distribution d'énergie thermique, cette unité de gestion des températures comportant des moyens de contrôle et de commande pour assurer le maintien du fluide caloporteur à une température constamment supérieure à zéro degré.