FR2954472A1 - Chauffe-eau solaire a double sonde thermique - Google Patents

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Abstract

La présente invention se rapporte à un procédé de régulation d'un chauffe-eau (1), ledit chauffe-eau comportant une cuve (3) et étant muni d'un moyen (8) de chauffage à énergie solaire et d'un moyen (10) de chauffage à énergie non solaire ; ledit procédé comportant les étapes suivantes : - on mesure une alimentation (29) du moyen (8) de chauffage à énergie solaire ; - on détermine si l'alimentation (29) permet au moyen (8) de céder de la chaleur à l'eau de la cuve (3) ; - si oui, alors la mise en route du moyen (10) de chauffage à énergie non solaire dépend d'une température (T2) mesurée dans une partie supérieure de la cuve ; - si non, alors selon un instant (t) d'une journée, la mise en route du moyen de chauffage à énergie non solaire dépend d'une température (T1, T2) mesurée dans une partie inférieure ou dans une partie supérieure de la cuve. Un tel procédé permet une utilisation optimale de l'énergie solaire tout en garantissant un volume minimal d'eau chaude aux usagers. La présente invention se rapporte également à un chauffe-eau muni de moyens (14, 16, 19) de mise en œuvre d'un tel procédé.

Description

1
Chauffe-eau solaire à double sonde thermique
La présente invention se rapporte à un chauffe-eau d'eau sanitaire, notamment à usage domestique.
Plus précisément, la présente invention se rapporte à un chauffe-eau muni d'un dispositif de chauffage solaire et d'un dispositif de chauffage non solaire. La présente invention se rapporte également à un procédé de régulation d'un tel chauffe-eau, de manière à optimiser l'utilisation de l'apport énergétique solaire.
Des chauffe-eaux domestiques utilisant deux sources d'énergie, notamment les chauffe-eaux électrosolaires, sont connus de l'art antérieur. Ce type d'appareil vise à utiliser une énergie renouvelable, comme l'énergie solaire, pour le chauffage de l'eau sanitaire. Lorsque la source d'énergie renouvelable fait défaut, elle est complétée par un moyen d'énergie d'appoint, par exemple de type électrique ou hydrocarbure. Une cuve de chauffe-eau est généralement dépourvue de moyens de brassage mécanique de l'eau. Or, l'eau chaude étant moins dense que l'eau froide, elle a tendance à se déplacer vers le haut de ladite cuve. L'eau contenue dans le haut de la cuve peut être plus chaude que l'eau contenue dans le bas de la cuve. Pour cette raison, l'eau chaude est en général prélevée en partie supérieure de la cuve, tandis que l'eau froide est en général introduite en partie inférieure de la cuve. Dans l'état de la technique, il est connu d'équiper les chauffe-eaux de sondes thermiques, afin de contrôler la température de l'eau contenue dans lesdits chauffe-eaux. Les mesures effectuées par ces sondes conditionnent la mise en route des dispositifs faisant appel aux sources d'énergie d'appoint. Le brevet FR2372398 décrit notamment un chauffe-eau comportant un dispositif de chauffage à énergie solaire. Ce chauffe-eau comporte deux dispositifs de chauffage d'appoint, sous forme de résistances électriques. Le premier dispositif est situé en partie supérieure de la cuve du chauffe-eau et vise à garantir un volume minimal d'eau chaude en cours de journée. Le second dispositif est situé en partie inférieure de la cuve et est destiné à
fonctionner la nuit, si l'ensoleillement de la journée précédente n'a pas permis de chauffer la totalité de l'eau de la cuve. A chacun de ces dispositifs de chauffage d'appoint est incorporée une sonde thermique, qui permet de réguler le fonctionnement dudit dispositif.
Lorsque la température de l'eau à proximité du dispositif atteint une température de consigne, le dispositif cesse de produire de la chaleur. Un dispositif de chauffage situé en haut de la cuve peut être environné d'eau chaude alors que le bas de la cuve contient de l'eau plus froide. Pour cette raison, un dispositif de chauffage situé en partie supérieure de la cuve permet de ne chauffer qu'un volume d'eau plus faible qu'un dispositif de chauffage situé en partie inférieure de la cuve. L'appareil décrit dans le brevet FR2372398 est tel que seul le premier dispositif de chauffage d'appoint fonctionne en cours de journée. Un tel dispositif ne garantit qu'un faible volume d'eau chaude, inférieur au volume total de la cuve. Ce volume d'eau chaude peut s'avérer insuffisant, notamment le matin. En effet, il est classique que plusieurs occupants d'une même habitation prennent une douche en début de matinée, ce qui mobilise un volume important d'eau chaude. Une amélioration de ce dispositif consisterait à mobiliser en journée le second dispositif de chauffage d'appoint, placé au bas de la cuve. Or, en raison de cette position basse, la température environnant ce second dispositif serait souvent inférieure à une température de consigne dudit dispositif. Le second dispositif d'appoint serait donc fréquemment sollicité. Cependant, il est avantageux de favoriser au maximum l'utilisation de l'énergie solaire, par rapport à celle d'une énergie non renouvelable comme l'énergie électrique. La présente invention permet d'optimiser l'utilisation de l'apport énergétique solaire, tout en le complétant opportunément par un apport d'énergie non renouvelable.
La présente invention se rapporte à un procédé de régulation d'un chauffe-eau, ledit chauffe-eau comportant une cuve et étant muni d'un moyen de chauffage à énergie solaire et d'un moyen de chauffage à énergie non solaire ; ledit procédé comportant les étapes suivantes : - on mesure une alimentation du moyen de chauffage à énergie solaire ; 3
- on détermine si ladite alimentation permet au moyen de chauffage à énergie solaire de céder de la chaleur à l'eau de la cuve ; - si oui, alors la mise en route du moyen de chauffage à énergie non solaire dépend d'une température mesurée dans une partie supérieure de la cuve ; - si non, alors selon un instant d'une journée, la mise en route du moyen de chauffage à énergie non solaire dépend d'une température mesurée dans une partie inférieure ou dans une partie supérieure de la cuve.
Selon une forme préférentielle de l'invention, pour déterminer si l'alimentation du moyen de chauffage à énergie solaire permet à ce dernier de céder de la chaleur à l'eau de la cuve, une mesure de ladite alimentation est comparée à une température de l'eau de la cuve. La présente invention se rapporte également à un chauffe-eau comportant une cuve, ladite cuve comportant : une entrée d'eau située en partie inférieure de la cuve, une sortie d'eau située en partie supérieure de la cuve ; ledit chauffe-eau étant muni des éléments suivants : un premier échangeur de chaleur, situé dans une partie inférieure de ladite cuve, relié à un moyen de chauffage à énergie solaire ; un second échangeur de chaleur, situé dans une partie inférieure de ladite cuve, relié à un moyen de chauffage à énergie non solaire ; une première sonde thermique, située dans une partie inférieure de ladite cuve, reliée à un dispositif de régulation du chauffe-eau ; une seconde sonde thermique, située dans une partie supérieure de ladite cuve, reliée au dispositif de régulation du chauffe-eau ; un moyen de mesure d'une alimentation du moyen de chauffage à énergie solaire, ledit moyen étant relié au dispositif de régulation du chauffe-eau ; ledit chauffe-eau étant équipé de moyens de mise en oeuvre d'un procédé tel que décrit précédemment. La présente invention se rapporte également à une installation de chauffage comportant un tel chauffe-eau, notamment une installation de chauffage d'un bâtiment. Préférentiellement, il s'agit d'une installation de chauffage domestique. Il peut également s'agir d'une installation équipant un bâtiment recevant du public. Le matin, notamment en raison des douches prises par les occupants d'une habitation équipée d'un chauffe-eau, la cuve dudit chauffe-eau
comporte en général une zone d'eau chaude au-dessus d'une zone d'eau froide. Au cours des heures les plus matinales, le soleil fournit une énergie faible ou nulle. Cependant, au cours de la journée, l'ensoleillement peut devenir important et délivrer suffisamment d'énergie pour chauffer entièrement l'eau de la cuve. La présente invention permet de retarder la mise en route de la source d'énergie d'appoint. Elle offre donc un délai supplémentaire pour la récupération d'une éventuelle énergie solaire, qui permettra d'économiser ladite énergie d'appoint. La présente invention garantit cependant un volume suffisant d'eau chaude aux utilisateurs, ledit volume étant situé au-dessus de la seconde sonde thermique. La présente invention permet donc une utilisation optimale de l'énergie solaire, tout en garantissant le confort des utilisateurs. Selon une forme préférentielle de l'invention, le moyen de chauffage à énergie non solaire est une pompe à chaleur. Ce type de dispositif est beaucoup plus efficace que les résistances électriques utilisées dans les chauffe-eaux électrosolaires de l'art antérieur.
En cas d'ensoleillement très faible, une pompe à chaleur est en mesure de chauffer la totalité de la cuve d'un chauffe-eau, tout en présentant un bilan énergétique intéressant. A cet effet, l'échangeur de la pompe à chaleur est placé dans une partie inférieure de la cuve. Selon une forme préférentielle de l'invention, un moyen de mesure de l'alimentation du moyen de chauffage à énergie solaire est une troisième sonde thermique, située sur le moyen de chauffage à énergie solaire. La sonde peut être située sur une surface extérieure d'un capteur d'énergie solaire, ou encore en contact avec un fluide caloporteur qui circule entre le moyen de chauffage à énergie solaire et le premier échangeur.
Selon l'invention, il est nécessaire de déterminer si l'alimentation du moyen de chauffage à énergie solaire lui permet de céder de la chaleur à l'eau de la cuve. A cet effet, on peut par exemple comparer une température mesurée par la troisième sonde thermique avec une température mesurée par la première ou la deuxième sonde thermique.
Selon une forme préférentielle de l'invention, il est possible de faire varier la température de consigne de la source de chauffage à énergie non solaire. Plus précisément, selon une forme préférentielle de l'invention : - si l'alimentation en énergie solaire ne permet pas de céder de la chaleur à l'eau de la cuve, alors on considère une première valeur comme température de consigne du moyen de chauffage à énergie non solaire ; - si l'alimentation en énergie solaire permet de céder de la chaleur à l'eau de la cuve, alors on considère une seconde valeur, inférieure à la première valeur, comme température de consigne du moyen de chauffage à énergie non solaire. Une telle variation de la température de consigne de la source de chauffage à énergie non solaire permet d'optimiser l'utilisation du chauffage à l'énergie solaire. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci sont données à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent : - Figure 1 : une vue schématique, en coupe, d'un chauffe-eau selon un mode de réalisation de l'invention ; - Figure 2 : une vue schématique d'un dispositif de régulation du chauffe-eau représenté à la figure 1 ; - Figure 3 : un exemple d'algorithme de programme de régulation du chauffe-eau représenté à la figure 1.
La figure 1 montre un chauffe-eau 1 selon un mode de réalisation de l'invention. Le chauffe-eau 1 assure l'alimentation en eau chaude sanitaire d'une habitation 2. Le chauffe-eau 1 comporte une cuve 3, de forme sensiblement cylindrique selon un axe vertical. La cuve 3 comporte une entrée 4 d'eau provenant d'un circuit d'alimentation en eau sanitaire. L'entrée 4 est située en partie inférieure de la cuve. De manière préférentielle, l'entrée 4 est située dans le quart le plus bas de la cuve 3 selon un axe vertical. La cuve 3 comporte en outre une sortie 5 d'eau, reliée à un circuit 6 d'alimentation en eau chaude sanitaire de l'habitation 2. La sortie 5 est située
en partie supérieure de la cuve 3. De manière préférentielle, la sortie 5 est située dans le quart le plus haut de la cuve 3 selon un axe vertical. Le chauffe-eau 1 comporte un premier échangeur 7 de chaleur, relié à un capteur 8 solaire. L'échangeur 7 est situé dans une partie inférieure de la cuve 3. De manière préférentielle, au moins une partie de l'échangeur 7 est comprise dans le quart le plus bas de la cuve 3 selon un axe vertical. Dans l'exemple représenté à la figure 1, l'échangeur 7 comporte un tuyau plongeant dans l'eau contenue dans la cuve 3. L'échangeur 7 comporte également une pompe 30, permettant la circulation d'un fluide caloporteur dans ledit tuyau. Lorsque l'échangeur 7 est en fonctionnement, la pompe 30 fait circuler le fluide caloporteur entre le capteur 8 et le tuyau immergé. Ledit fluide transfère des calories à l'eau de la cuve 3. Le fluide caloporteur de l'échangeur 7 est par exemple de l'eau glycolée. Le chauffe-eau 1 comporte un second échangeur 9 de chaleur, relié à un moyen 10 de chauffage à l'énergie non solaire. Selon une forme préférentielle de l'invention et dans l'exemple représenté à la figure 1, le moyen 10 est une pompe à chaleur. L'échangeur 9 a une fonction de condenseur de ladite pompe à chaleur. L'échangeur 9 est situé dans une partie inférieure de la cuve 3. De manière préférentielle, au moins une partie de l'échangeur 9 est comprise dans le quart le plus bas de la cuve 3 selon un axe vertical. Dans l'exemple représenté à la figure 1, l'échangeur 9 comporte un serpentin enroulé autour d'une paroi externe de la cuve 3. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'échangeur 9 peut comporter une partie immergée dans l'eau de la cuve 3. Lorsque l'échangeur 9 et la pompe 10 à chaleur sont en fonctionnement, un compresseur de ladite pompe 10 à chaleur assure la circulation d'un fluide caloporteur dans le serpentin de l'échangeur 9. La chaleur se transmet à l'eau à travers la paroi de la cuve 3. Le fluide caloporteur de l'échangeur 9 est par exemple un fluide frigorigène approprié au fonctionnement d'une pompe à chaleur, comme par exemple un hydrofluorocarbone. La cuve 3 est entourée d'une enveloppe, non représentée, constituée d'un matériau isolant thermique. L'échangeur 9 est situé entre l'enveloppe et la cuve 3. 7
La cuve 3 n'est pas équipée de moyens de brassage mécanique de l'eau. Lorsque la cuve 3 contient de l'eau froide et que l'échangeur 7 et/ou la pompe 10 à chaleur sont en fonctionnement, l'eau chauffée au contact des échangeurs 7 et/ou 9 se déplace vers le haut de ladite cuve 3. Il peut se produire un phénomène naturel de stratification thermique de l'eau de la cuve 3. En d'autres termes, une couche 11 d'eau chaude peut se former au-dessus d'une couche 12 d'eau plus froide, les deux couches étant séparées par une zone 13 de transition thermique. Au fur et à mesure que l'échangeur 7 et/ou l'échangeur 9 chauffent l'eau de la cuve 3, la zone 13 de transition thermique se déplace vers le bas de la cuve. Pour une cuve 3 de 300 L contenant initialement de l'eau à 15 °C, il faut en général plusieurs heures de fonctionnement des sources de chauffage pour obtenir une température homogène, par exemple de 55 °C, dans la totalité de la cuve.
De plus, au cours de ce laps de temps, il est possible que de l'eau chaude soit utilisée par un consommateur. Une partie de l'eau chaude de la cuve 3 est alors évacuée par la sortie 5 vers un circuit 6 d'alimentation. Ladite eau chaude est remplacée par de l'eau froide introduite par l'entrée 4, située en bas de la cuve 3. La consommation d'eau chaude et l'alimentation en eau froide entretiennent un écart de température entre l'eau située en partie supérieure et l'eau située en partie inférieure de la cuve 3. Le chauffe-eau 1 est équipé d'un dispositif 14 de régulation, dont la figure 2 représente une vue schématique. Le dispositif 14 de régulation comporte notamment un microprocesseur 15, une mémoire 16 de données, une mémoire 17 de programme et au moins un bus 18 de communication. Le chauffe-eau 1 a pour source de chaleur principale l'énergie solaire, qui est gratuite et renouvelable. De manière préférentielle, l'eau de la cuve 3 est donc chauffée en priorité par l'échangeur 7, qui transmet l'énergie accumulée par le capteur 8 solaire.
L'échangeur 9 et le moyen 10 de chauffage non solaire constituent une source de chauffage d'appoint, destinée à fonctionner lorsque l'ensoleillement est insuffisant. Le fonctionnement des échangeurs 7 et 9 est commandé par un programme 19, mémorisé dans la mémoire 17 de programme. Des instructions de fonctionnement sont transmises à la pompe 30 de circulation
de l'échangeur 7 et à la pompe 10 à chaleur par l'intermédiaire d'une interface 20 de sortie. Par une interface 21 d'entrée, le dispositif 14 de régulation est relié à une première sonde SI thermique équipant le chauffe-eau 1. La sonde SI est située dans une partie inférieure de la cuve 3 (voir figure 1). Par « partie inférieure », on entend que la sonde SI est située à une hauteur proche de celle de l'échangeur 7. Par exemple, la sonde SI est située dans le tiers le plus bas de la cuve 3 selon un axe vertical. La sonde SI mesure une température TI de l'eau de la cuve 3. Il s'agit de la température de l'eau située à proximité de ladite sonde, donc de l'eau située en bas de la cuve 3. La valeur de TI est transmise au dispositif 14. Le chauffe-eau 1 est équipé d'une seconde sonde S2 thermique, reliée au dispositif 14 de régulation par l'interface 21 d'entrée. La sonde S2 est située en partie supérieure de la cuve 3. Par « partie supérieure », on entend ici que la sonde S2 est située au-dessus des échangeurs 7 et 9 et de la sonde Si. Préférentiellement, la différence 24 de hauteur entre les sondes SI et S2 représente au moins 20% de la hauteur 25 totale de la cuve 3. Plus préférentiellement, la différence 24 de hauteur représente au moins 33% de la hauteur 25.
La position de la sonde S2 est notamment choisie en fonction du volume d'eau de la cuve 3, situé au-dessus de ladite position. Ce volume d'eau est destiné à servir de réserve minimale d'eau chaude pour l'habitation 2. Dans l'exemple représenté à la figure 1, la sonde S2 est située sensiblement à mi-hauteur de la cuve 3. La sonde S2 mesure une température T2 de l'eau de la cuve 3. Comme il sera développé plus bas, la mise en route de la pompe 10 à chaleur est contrôlée dans certains cas par SI et dans d'autres cas par S2. On appelle Si la sonde qui contrôle la mise en route de la pompe 10 à chaleur. On appelle Ti la température mesurée par cette sonde Si. Ti correspond à TI ou à T2 selon le cas. Une température Tc.PAC de consigne de la pompe 10 à chaleur et de son échangeur 9 est mémorisée dans la mémoire 16 de données. Lorsque Ti est inférieure à Tc.PAC, la pompe 10 à chaleur et son échangeur 9 sont en fonctionnement. Ils s'arrêtent lorsque Ti atteint Tc.PAc. 9
Tc.PAC est préférentiellement choisie proche de la température souhaitée pour l'eau d'un chauffe-eau. De manière préférentielle, Tc.PAC est comprise entre 50 °C et 60 °C ; plus préférentiellement, Tc.PAC est choisie proche de 55 °C.
La sonde S2 étant située significativement au-dessus de la sonde SI, il est possible que S2 se trouve dans la couche 11 d'eau la plus chaude, tandis que SI se trouve dans la couche 12 d'eau la plus froide. Par exemple, il est possible d'avoir, au même instant, TI inférieure à Tc.PAC et T2 supérieure ou égale à Tc.PAc.
Lorsque l'ensoleillement permet d'avoir recours à l'énergie solaire pour chauffer l'eau de la cuve 3, il est avantageux que la mise en route de la pompe 10 à chaleur soit contrôlée par la sonde S2. En effet, lorsque T2 est supérieure ou égale à Tc.PAC, une réserve d'eau chaude est disponible pour les utilisateurs dans la partie supérieure de la cuve 3. Tant que cette réserve existe, il n'est pas nécessaire de recourir au moyen 10 de chauffage d'appoint de l'eau de la cuve 3. Selon l'invention, au moins un moyen de mesure de l'alimentation 29 en énergie solaire du capteur 8 permet de mesurer l'ensoleillement. Ce moyen de mesure permet au programme 19 de déterminer si le capteur 8 est à même de transférer de l'énergie à l'eau de la cuve 3, via l'échangeur 7. Selon une forme préférentielle de l'invention, un moyen de mesure de l'alimentation 29 est une troisième sonde thermique S3. La sonde S3 est située sur le capteur 8, en sortie du fluide caloporteur circulant vers l'échangeur 7. La sonde S3 est reliée au dispositif 14 de régulation par l'interface 21 d'entrée. La sonde S3 mesure une température T3 du fluide caloporteur sortant du capteur 8. La valeur de T3 est transmise au dispositif 14, qui compare cette valeur à une valeur Ti mesurée par une sonde Si. La comparaison de ces températures permet au programme 19 de déterminer si le capteur 8 peut transférer de l'énergie à l'eau de la cuve 3, via l'échangeur 7. La sonde Si est choisie parmi SI et S2. Ce choix dépend des paramètres du programme 19. Le choix de Si peut être constant, par exemple on considère que Si est la première sonde thermique Si. Selon une autre forme de l'invention, il est possible de changer de sonde Si en fonction de l'étape du programme 19 en cours.
La figure 3 représente un exemple d'algorithme du programme 19. Dans cet exemple, le programme 19 considère en permanence que Si est la première sonde thermique SI, qui se trouve la plus proche de l'échangeur 7. On a donc Ti = TI.
Une première étape 31 du programme 19 représenté à la figure 3 est l'interrogation des sondes S3 et Si (soit ici SI), afin d'obtenir les valeurs de T3 et de Ti. Dans l'étape 32 suivante, T3 est comparée à Ti + AT. La valeur AT, mémorisée dans la mémoire 16, est un écart minimal requis entre Ti et T3 pour prendre en compte l'énergie solaire captée. Par exemple, AT = 5 °C. Si T3 est supérieure ou égale à Ti + AT, le programme 19 considère que le capteur 8 peut transférer de l'énergie à l'eau de la cuve 3, via le fluide caloporteur circulant dans l'échangeur 7. Dans ce cas, la mise en route de la pompe 10 à chaleur est contrôlée par la sonde S2 (étape 33). Le programme 19 interroge alors la sonde S2 (étape 34) et compare la valeur de T2 obtenue avec une température Tc.PAC de consigne de la pompe 10 à chaleur (étape 35). Si T2 est inférieure à Tc.PAC, la pompe 10 est en fonctionnement (étape 36) et le programme est renvoyé à l'étape 31. Si T2 est supérieure ou égale à Tc.PAC, la pompe 10 est arrêtée (étape 37) et le programme est renvoyé à l'étape 31. De plus, lorsque T3 est supérieure ou égale à Ti + AT, le programme 19 interroge une sonde Sk, pour connaître une température Tk (étape 38). Sk est choisie parmi SI et S2, selon les paramètres du programme 19. Par exemple, Sk est la deuxième sonde S2.
La température Tk est alors comparée (étape 39) avec une température Tc.so, de consigne de l'échangeur 7, mémorisée dans la mémoire 16 de données. Si Tk est inférieure à Tc.s01, la pompe 30 de l'échangeur 7 fonctionne (étape 40) et le programme est renvoyé à l'étape 31. Si Tk est supérieure ou égale à Tc.s01, la pompe 30 est arrêtée (étape 41) et le programme est renvoyé à l'étape 31. Le choix d'une température maximale Tc.so, pouvant être atteinte par une partie de l'eau de la cuve 3 permet notamment d'éviter l'ébullition de ladite eau, ou encore d'éventuelles brûlures d'utilisateurs. Selon l'invention, Tc.so, est supérieure à Tc.PAC•
Il est classique que la température recherchée pour l'eau d'un chauffe-eau soit d'environ 55 °C. Cependant, dans le cas d'un chauffe-eau solaire, il est utile de stocker un maximum d'énergie en prévision de périodes d'ensoleillement faible. De manière préférentielle, Tc.so, est comprise entre 60 °C et 80 °C ; plus préférentiellement, Tc.so, est choisie proche de 70 °C. Si T3 est inférieure à Ti + AT, le programme 19 considère que l'alimentation 29 du capteur 8 en énergie solaire ne permet pas à l'échangeur 7 de transférer de chaleur à l'eau de la cuve 3. Dans ce cas, l'échangeur 7 n'est pas en fonctionnement, c'est-à-dire que la pompe 30 est arrêtée (étape 42). En effet, si l'échangeur 7 demeurait en fonctionnement, il risquerait de refroidir l'eau de la cuve 3. De plus, dans ce cas, la sonde Si qui contrôle la mise en route de la pompe 10 à chaleur dépend de l'instant de la journée. Par exemple, le dispositif 14 est muni d'une horloge 26 interne (voir figure 2). Le programme 19 interroge l'horloge 26 (étape 43) pour connaître l'instant t de la journée. L'instant t correspond à l'heure de la journée et est par exemple compris entre Oh et 24h. L'instant t est alors comparé (étape 44) à deux instants t1 et t2, mémorisés dans la mémoire 16. L'instant t2 correspond à une heure plus tardive de la journée que l'instant ti. Si t est supérieur ou égal à t1 et inférieur à t2, alors c'est la deuxième sonde S2 thermique qui contrôle la mise en route de la pompe 10 à chaleur (étape 50). Le programme est ensuite renvoyé à l'étape 34 d'interrogation de la sonde S2, tel que décrit précédemment.
Si t est inférieur à t1 ou supérieur ou égal à t2, alors c'est la première sonde SI thermique qui contrôle la mise en route de la pompe 10 à chaleur (étape 45). Le programme 19 interroge alors la sonde SI (étape 46) et compare la valeur de TI obtenue avec une température Tc.PAC de consigne de la pompe 10 à chaleur (étape 47). Si TI est inférieure à Tc.PAC, la pompe 10 à chaleur est en fonctionnement (étape 48) et le programme est renvoyé à l'étape 31. Si TI est supérieure ou égale à Tc.PAC, la pompe 10 à chaleur est arrêtée (étape 49) et le programme est renvoyé à l'étape 31. Selon une forme préférentielle de l'invention, on considère qu'au cours de la nuit, il est judicieux de permettre le chauffage de la totalité de l'eau de
la cuve 3, en prévision des consommations matinales. C'est donc la sonde SI, située en bas de la cuve 3, qui contrôle la mise en route de la pompe 10 à chaleur durant la nuit. Si l'ensoleillement de la journée précédente a été faible, il se peut que la cuve contienne de l'eau froide à proximité de la sonde Si. Dans ce cas, la pompe 10 à chaleur et l'échangeur 9 fonctionnent pour chauffer l'eau de la cuve 3. La pompe 10 à chaleur s'arrête lorsque TI atteint Tc. PAC Typiquement, dans une habitation 2 (voir figure 1), une consommation importante d'eau chaude a lieu le matin, par l'intermédiaire d'équipements 22 sanitaires de type douche. Une quantité significative d'eau chaude est donc prélevée de la cuve 3 par la sortie 5. Cette eau est remplacée par de l'eau froide, introduite dans la cuve 3 par l'entrée 4. Comme décrit précédemment, en raison de la stratification thermique, la cuve 3 peut alors comporter une couche 11 d'eau chaude au-dessus d'une couche 12 d'eau plus froide.
La sonde SI est située en partie inférieure de la cuve 3. Lorsqu'une quantité importante d'eau chaude a été prélevée et remplacée par de l'eau froide, la sonde SI se retrouve dans la couche 12 d'eau la plus froide. Il est avantageux de faire appel en priorité à l'énergie solaire pour chauffer l'eau de la cuve 3.
Or, en période matinale, il est possible que le capteur solaire 8 ne reçoive pas encore d'énergie solaire. Par exemple, le capteur 8 peut être installé sur un pan 23 du toit de l'habitation 2, ledit pan 23 n'étant pas orienté à l'est ou au sud. Il faut parfois attendre quelques heures, par exemple le milieu de la matinée, pour que le capteur 8 reçoive directement des rayons solaires. En début de matinée, il est donc possible que la température T3, mesurée par S3, soit inférieure à Ti + AT. L'échangeur 7 n'est pas en fonctionnement. En outre, si une grande quantité d'eau froide a été ajoutée à la cuve 3, il est possible que TI soit inférieure à Tc.PAC. En effet, SI se trouve alors dans la couche 12 d'eau la plus froide, située en bas de la cuve 3. Dans les systèmes connus de l'état de la technique, le moyen de chauffage d'appoint tel que la pompe 10 à chaleur se met alors en route pour chauffer l'eau de la cuve 3.
Or, il est possible que la cuve 3 contienne encore de l'eau chaude, à savoir la couche 11 d'eau située en haut de ladite cuve. Cette couche 11 constitue une réserve d'eau chaude, utilisable par les équipements 22 sanitaires de l'habitation 2.
De plus, il est possible qu'au cours de la journée, le capteur 8 accumule assez d'énergie solaire pour chauffer l'eau contenue dans la couche 12 du bas de la cuve 3, jusqu'à atteindre une température TI supérieure ou égale à Tc. PAC Si la pompe 10 à chaleur se met en route dès le matin, la couche 12 est chauffée par de l'énergie non renouvelable. Il est donc avantageux de retarder la mise en route de la pompe 10 à chaleur, afin de laisser au capteur 8 le temps d'accumuler de l'énergie solaire apte à chauffer ladite couche 12. A cet effet, à l'instant t1 de la journée, le contrôle de la mise en route de la pompe 10 à chaleur est transféré de la sonde SI à la sonde S2. C'est alors la température T2, mesurée à mi-hauteur de la cuve 3, qui est comparée à Tc.PAC. La pompe 10 à chaleur se met en route lorsque T2 est inférieure à Tc.PAC. L'instant t1 est préférentiellement situé en fin de nuit, par exemple à 5h du matin, soit peu de temps avant les consommations matinales d'eau chaude liées à la toilette des occupants de l'habitation 2.
Il est possible que lesdites consommations matinales soient peu importantes. Dans ce cas, la zone 13 de transition thermique entre les couches 11 et 12 reste au-dessous de la sonde S2. La température T2 peut donc rester supérieure ou égale à Tc.PAC. La pompe 10 à chaleur et l'échangeur 9 ne sont pas mis en fonctionnement.
En cas de consommation importante d'eau chaude, il est possible que la zone 13 passe au-dessus de la sonde S2 et que T2 devienne inférieure à Tc.PAC. La pompe 10 à chaleur et l'échangeur 9 sont alors mis en fonctionnement. L'eau chauffée par l'échangeur 9 se déplace vers le haut de la cuve 3 et la zone 13 redescend progressivement. La pompe 10 s'arrête lorsque T2 redevient supérieure ou égale à Tc.PAC. Ainsi, seul un volume tampon d'eau chaude, situé au-dessus de la sonde S2, a été généré par la mise en fonctionnement de la pompe 10. Le chauffage de la totalité du volume situé au-dessus de la sonde SI aurait consommé une plus grande quantité d'énergie non renouvelable. 14
Au cours de la matinée, il est possible que l'ensoleillement devienne suffisant pour que le capteur 8 puisse transférer de l'énergie à l'eau de la cuve 3. Lorsque T3 est supérieure ou égale à Ti + AT, l'échangeur 7 est mis en fonctionnement. L'eau chauffée par l'échangeur 7 contribue à faire descendre la zone 13 de transition thermique vers le bas de la cuve 3. Au bout d'un certain temps, on considère que la matinée est assez avancée pour permettre de juger de la qualité de l'ensoleillement de la journée en cours. On considère plus précisément qu'à partir de l'instant t2, le capteur 8 reçoit une quantité significative d'énergie solaire lorsque la journée est ensoleillée. L'instant t2 est préférentiellement situé postérieurement à une période classique de consommation matinale d'eau chaude. De plus, t2 est préférentiellement situé à une heure où le soleil se trouve suffisamment haut dans le ciel pour que son rayonnement direct atteigne le capteur 8. Par exemple, on choisit t2 correspondant à midi. Postérieurement à t2, si T3 est supérieure ou égale à Ti + AT, le contrôle de la mise en route de la pompe 10 à chaleur est à la deuxième sonde S2. Dans le cas contraire, le contrôle de la mise en route de la pompe 10 à chaleur est à la première sonde Si.
Ledit contrôle revient à la sonde SI au plus tard vers le coucher du soleil, lorsque le capteur 8 n'est plus alimenté en énergie solaire. Dans le cas d'une journée à ensoleillement important, la température T3 peut devenir supérieure ou égale à Ti + AT entre l'instant t1 et l'instant t2. L'échangeur 7 entre alors en fonctionnement. A ce moment, c'est la deuxième sonde S2 qui contrôle la mise en route de la pompe 10 à chaleur. Cependant, suite aux consommations importantes d'eau chaude du matin, il est possible qu'une grande quantité d'eau froide ait été récemment introduite dans la cuve 3. On a alors T2 inférieure à Tc.PAC, ce qui implique le fonctionnement de la pompe 10 à chaleur.
Or, puisque l'ensoleillement vient d'atteindre un niveau suffisant pour transférer de l'énergie à l'eau de la cuve 3, il est souhaitable de favoriser l'utilisation d'énergie solaire pour chauffer ladite eau. En conséquence, selon une forme préférentielle de l'invention, le programme 19 prévoit que, si T3 est supérieure ou égale à Ti + AT, alors on considère, comme température de consigne de la pompe 10 à chaleur, une 15
valeur T'c.PAC, telle que T'C.PAC est inférieure à Tc.PAC. La valeur de T'C.PAC est mémorisée dans la mémoire 16. De manière avantageuse, on peut notamment choisir T'c.PAC = Tc.PAC ù 10 °C. Par exemple, Tc.PAC = 55 °C et T'c.PAC = 45 °C.
Dans le cas d'une journée ensoleillée, on a par exemple T2 = 46 °C à l'instant où T3 devient supérieure ou égale à Ti + AT. La diminution de la température de consigne de la pompe 10 à chaleur permet à l'échangeur 7 de chauffer l'eau de la cuve 3 sans mise en route de ladite pompe 10 à chaleur.
Si T2 est inférieure à T'c.PAC, la pompe 10 à chaleur vient assister l'échangeur 7 afin de maintenir une température minimale, égale à T'c.PAC, au niveau et au-dessus de la deuxième sonde S2. En début de journée, il peut se produire une période où la température T3 est très proche de Ti + AT. La température T3 peut fluctuer plusieurs fois autour du seuil Ti + AT dans un laps de temps très court. Une telle fluctuation génère un battement marche/arrêt de la pompe 30 de l'échangeur 7. Selon une forme préférentielle de l'invention, si la pompe 30 est en fonctionnement (étape 40) durant une itération du programme 19, alors au cours de l'étape 32 de l'itération suivante, la température T3 est comparée à Ti + A'T avec A'T inférieur à AT. On choisit par exemple AT = 5 °C et A'T = 2 °C. Un tel cycle d'hystérésis permet d'éviter un battement de la pompe 30 et une permutation trop fréquente du contrôle de la pompe 10 à chaleur entre les sondes SI et S2.
Dans le mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 1, le chauffe-eau 1 comporte un thermoplongeur 27, relié à une source d'énergie électrique. Le thermoplongeur 27 constitue une source de chaleur d'appoint, destiné à fonctionner lorsque la température extérieure à l'habitation 2 est particulièrement froide. Typiquement, une pompe 10 à chaleur qui utilise l'air extérieur comme source de chaleur ne permet pas d'obtenir un bon rendement énergétique lorsque la température extérieure est inférieure à -5 °C. De manière préférentielle, le thermoplongeur 27 est situé dans la moitié la plus haute de la cuve 3 selon un axe vertical. En effet, contrairement aux échangeurs 7 et 9, le thermoplongeur 27 n'est pas destiné à chauffer la
totalité de l'eau contenue dans la cuve 3. Il assure uniquement le chauffage d'une quantité limitée d'eau chaude, contenue dans une partie supérieure de la cuve 3. La mise en fonctionnement du thermoplongeur 27 est contrôlée par le programme 19, au moyen d'une sonde S4 thermique, incorporée audit thermoplongeur (figure 1). La sonde S4 est reliée au dispositif 14 de régulation du chauffe-eau 1. Selon une forme préférentielle de l'invention, la pompe 10 à chaleur peut transférer des informations au dispositif 14 de régulation, par l'intermédiaire d'une interface 20 (figure 2). Lorsque le rendement de la pompe 10 à chaleur devient inférieur à un certain seuil, ladite pompe 10 cesse de fonctionner et en informe le dispositif 14. Le programme 19 compare alors la température T4 mesurée par la sonde S4 avec une valeur minimale, mémorisée dans la mémoire 16. Si T4 est inférieure à ladite valeur minimale, alors le thermoplongeur 27 est mis en fonctionnement. Selon une forme préférentielle de l'invention, le fonctionnement du thermoplongeur 27 est arrêté automatiquement dès que la température extérieure à l'habitation 2 permet à la pompe 10 à chaleur de fonctionner à nouveau avec un rendement énergétique satisfaisant.20

Claims (1)

  1. REVENDICATIONS1.- Procédé de régulation d'un chauffe-eau (1), ledit chauffe-eau comportant une cuve (3) et étant muni d'un moyen (8) de chauffage à énergie solaire et d'un moyen (10) de chauffage à énergie non solaire ; ledit procédé comportant les étapes suivantes : - on mesure une alimentation (29) du moyen (8) de chauffage à énergie solaire , - on détermine si l'alimentation (29) permet au moyen (8) de céder de la chaleur à l'eau de la cuve (3) ; - si oui, alors la mise en route du moyen (10) de chauffage à énergie non solaire dépend d'une température (T2) mesurée dans une partie supérieure de la cuve ; - si non, alors selon un instant (t) d'une journée, la mise en route du moyen de chauffage à énergie non solaire dépend d'une température (TI, T2) mesurée dans une partie inférieure ou dans une partie supérieure de la cuve.
    2.- Procédé selon la revendication 1, tel que, pour déterminer si l'alimentation (29) permet au moyen (8) de céder de la chaleur à l'eau de la cuve (3), on compare une mesure (T3) de ladite alimentation avec une température (Ti) de l'eau de la cuve.
    3.- Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, tel que, si l'alimentation (29) ne permet pas au moyen (8) de céder de la chaleur à l'eau de la cuve (3), alors : - si l'instant (t) de la journée est compris entre deux valeurs (t1, t2), alors la mise en route du moyen (10) de chauffage à énergie non solaire dépend d'une température (T2) mesurée dans une partie supérieure de la cuve ; - si l'instant (t) n'est pas compris entre deux valeurs (t1, t2), alors la mise en route du moyen (10) de chauffage à énergie non solaire dépend d'une température (TI) mesurée dans une partie inférieure de la cuve ;
    4.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, tel que : - si l'alimentation (29) en énergie solaire ne permet pas au moyen (8) de céder de la chaleur à l'eau de la cuve, alors on considère une première valeur (Tc.pAc) comme température de consigne du moyen (10) de chauffage à énergie non solaire ; - si l'alimentation (29) en énergie solaire permet au moyen (8) de céder de la chaleur à l'eau de la cuve (3), alors on considère une seconde valeur (T'c.PAc), inférieure à la première valeur, comme température de consigne du moyen (10) de chauffage à énergie non solaire.
    5.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, tel que l'étape de mesure de l'alimentation (29) correspond à une étape de mesure de température (T3) dans le moyen (8) de chauffage à énergie solaire ou à proximité dudit moyen.
    6.- Chauffe-eau (1) comportant une cuve (3), ladite cuve comportant : - une entrée (4) d'eau située en partie inférieure de la cuve, - une sortie (5) d'eau située en partie supérieure de la cuve, ledit chauffe-eau étant muni des éléments suivants : - un premier échangeur (7) de chaleur, situé dans une partie inférieure de ladite cuve, relié à un moyen (8) de chauffage à énergie solaire ; - un second échangeur (9) de chaleur, situé dans une partie inférieure de ladite cuve, relié à un moyen (10) de chauffage à énergie non solaire ; - une première sonde (SI) thermique, située dans une partie inférieure de ladite cuve, reliée à un dispositif (14) de régulation du chauffe-eau ; - une seconde sonde (S2) thermique, située dans une partie supérieure de ladite cuve, reliée au dispositif de régulation du chauffe-eau ; - un moyen (S3) de mesure d'une alimentation (29) du moyen (8) de chauffage à énergie solaire, ledit moyen (S3) étant relié au dispositif de régulation du chauffe-eau ; ledit chauffe-eau étant équipé de moyens (14, 16, 19) de mise en oeuvre d'un procédé selon l'une des revendications précédentes.
    7.- Chauffe-eau selon la revendication 6, tel qu'un moyen (S3) de mesure de l'alimentation (29) est une sonde thermique située sur le moyen (8) de chauffage à énergie solaire.
    8.- Chauffe-eau selon la revendication 7, tel que la sonde (S3) est au contact d'un fluide caloporteur circulant entre le premier échangeur (7) et le moyen (8) de chauffage à énergie solaire.
    9.- Chauffe-eau selon l'une des revendications 6 à 8, tel que le moyen (10) 10 de chauffage à énergie non solaire est une pompe à chaleur.
    10.- Chauffe-eau selon l'une des revendications 6 à 9, tel qu'il est équipé d'un moyen (27) supplémentaire de chauffage d'appoint, situé dans une moitié supérieure de la cuve (3).
    11.- Installation de chauffage comportant un chauffe-eau (1) selon l'une des revendications 6 à 10. 15
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