FR2956475A3 - Device for permitting to utilize water-heater with electric resistor as hot water storage in solar panel or heat pump to provide hot water during winter, has connection device connected on cumulus and hot water dispensing system - Google Patents

Device for permitting to utilize water-heater with electric resistor as hot water storage in solar panel or heat pump to provide hot water during winter, has connection device connected on cumulus and hot water dispensing system Download PDF

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Abstract

The device has an external heat exchanger (1) i.e. reservoir, that exchanges heat to a standard water-heater. A connection device (4) is connected on a cumulus (6) and a hot water dispensing system (8). The connection device allows a connection to the cumulus without modification of the cumulus. The connection device permits to transfer water heated by the device to the cumulus or to directly heat the water toward the hot water dispensing system. A non-return valve allows rising of hot water in the cumulus.

Description

La présente invention concerne un dispositif permettant de produire et de stocker de l'eau chaude en provenance d'un panneau solaire ou d'une pompe à chaleur (chauffe-eau thermodynamique) en utilisant un chauffe-eau standard ou cumulus (avec ou sans résistance électrique) comme moyen de stockage [6] sans que celui-ci ne soit modifié intérieurement. Cette invention est caractérisée en ce qu'il comporte un échangeur de chaleur externe au cumulus [1] et un dispositif de connexion [4] sur le cumulus et sur le circuit de distribution d'eau chaude. Cette invention permet de transformer un cumulus standard en cumulus eau chaude solaire ou thermodynamique tout en augmentent la quantité d'eau chaude disponible sans changer la taille de chauffe-eau. Ceci est très important dans le domaine du solaire pour compenser les jours moins ensoleillés. The present invention relates to a device for producing and storing hot water from a solar panel or a heat pump (thermodynamic water heater) using a standard or cumulus water heater (with or without electrical resistance) as storage means [6] without the latter being modified internally. This invention is characterized in that it comprises an external cumulus heat exchanger [1] and a connection device [4] on the cumulus and on the hot water distribution circuit. This invention makes it possible to transform a standard cumulus into cumulus hot water solar or thermodynamic while increasing the amount of hot water available without changing the size of water heater. This is very important in the solar field to compensate for less sunny days.

L'accumulation d'eau chaude se fait traditionnellement soit à l'aide d'un cumulus spécial de 200 litres de capacité minimum avec échangeur thermique intégré, soit par un dispositif de modification du cumulus, soit par un stockage au dessus du panneau solaire voire un stockage intégré au panneau solaire. Dans le cadre de l'utilisation d'un chauffe- eau thermodynamique, la pompe à chaleur est généralement intégrée au cumulus. The accumulation of hot water is traditionally done either with a special cumulus of 200 liters of minimum capacity with integrated heat exchanger, or a cumulus modification device, or a storage above the solar panel or integrated storage in the solar panel. When using a thermodynamic water heater, the heat pump is usually integrated with the cumulus.

Dans la suite du document, nous utiliserons le terme cumulus en référence à tout système de stockage d'eau chaude du commerce permettant ou non un chauffage électrique et de capacité supérieure à 180 litres. In the remainder of the document, we will use the term cumulus with reference to any commercial hot water storage system with or without electric heating and capacity greater than 180 liters.

Le dispositif selon l'invention permet d'utiliser un cumulus standard du commerce comme moyen de stockage d'eau chaude sans le modifier. La production d'eau chaude peut être solaire ou thermodynamique (pompe à chaleur) avec en appoint, le chauffage électrique si cette fonction existe dans le cumulus. Dans le cas de présence d'une chaudière (gaz ou Fioul), ce dispositif peut également être utilisé en complément de chauffage d'eau. Dans le cas d'un chauffe-eau thermodynamique, la pompe à chaleur est séparée de l'échangeur de chaleur, ce qui permet d'utiliser des pompes à chaleur standards. The device according to the invention makes it possible to use a standard cumulus of commerce as a means of storing hot water without modifying it. The production of hot water can be solar or thermodynamic (heat pump) with extra, electric heating if this function exists in the cumulus. In the case of presence of a boiler (gas or oil), this device can also be used in addition to water heating. In the case of a thermodynamic water heater, the heat pump is separated from the heat exchanger, which allows the use of standard heat pumps.

Le dispositif comporte deux fonctions principales: 1/ un échangeur de chaleur autonome incorporant un stockage d'eau chaude 2/ un système de connexion au cumulus permettant une double utilisation : Fournir de l'eau chaude au cumulus et fournir de l'eau chaude directement au circuit de distribution en appoint du cumulus. The device has two main functions: 1 / a stand-alone heat exchanger incorporating a hot water storage 2 / a cumulus connection system allowing dual use: Provide hot water cumulus and provide hot water directly to the distribution circuit in addition to the cumulus.

La combinaison de ces deux fonctions et leur utilisation sur un cumulus sans le modifier intérieurement constitue l'invention. The combination of these two functions and their use on a cumulus without modifying it internally constitutes the invention.

Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1 représente schématiquement l'échangeur de chaleur dans son contexte avec un panneau solaire et un cumulus The attached drawings illustrate the invention: FIG. 1 schematically represents the heat exchanger in its context with a solar panel and a cumulus

La figure 2 représente une vue en coupe de l'échangeur de chaleur La figure 3 représente le schéma du régulateur du système de connexion se branchant sur la sortie d'eau chaude du cumulus FIG. 2 represents a sectional view of the heat exchanger. FIG. 3 represents the diagram of the regulator of the connection system connecting to the hot water outlet of the cumulus

La figure 4 représente le mode de fonctionnement en mode chauffage de l'eau directement consommée La figure 5 représente le mode de fonctionnement en mode chauffage de l'eau du cumulus FIG. 4 shows the mode of operation in heating mode of the water directly consumed. FIG. 5 represents the mode of operation in heating mode of the water of the cumulus

La figure 6 représente un exemple de réalisation en mode de fonctionnement de l'invention FIG. 6 represents an exemplary embodiment in the operating mode of the invention

L'échangeur de chaleur [1] est un réservoir de 30 à 60 litres [2] permettant de stocker de l'eau chaude en provenance d'un panneau solaire [9] ou d'une pompe à chaleur et d'échanger de la chaleur au travers un tuyau en cuivre [3] de 0,3 à 0,8 m2 de surface d'échange . Un thermostat permet de contrôler une pompe de circulation [10] dès que les conditions de température sont réunies avec le panneau solaire ou la pompe à chaleur The heat exchanger [1] is a tank of 30 to 60 liters [2] for storing hot water from a solar panel [9] or a heat pump and exchanging heat. heat through a copper pipe [3] of 0.3 to 0.8 m2 of exchange surface. A thermostat makes it possible to control a circulation pump [10] as soon as the temperature conditions are met with the solar panel or the heat pump

L'échangeur de chaleur [1] se branche sur un cumulus standard [6] sur son entrée d'eau 15 froide [15] [12] et sa sortie d'eau chaude [11] [16] The heat exchanger [1] is connected to a standard cumulus [6] on its cold water inlet [15] [12] and its hot water outlet [11] [16]

Un système de connexion [4] permet à l'échangeur d'avoir 2 modes de fonctionnement : Soit fournir de l'eau chaude vers le réseau [8] [Figure 4] en complément du cumulus, soit fournir de l'eau chaude au cumulus [6] [Figure 5]. Il se place entre la sortie de l'échangeur [16], la sortie d'eau chaude du cumulus [Il] et la sortie vers les points de 20 consommation d'eau chaude [8]. Le système de connexion est composé d'un clapet anti retour [18] et d'une vanne thermostatique [17] A connection system [4] allows the exchanger to have two operating modes: Either to supply hot water to the network [8] [Figure 4] in addition to the cumulus, or to supply hot water to the system. cumulus [6] [Figure 5]. It is located between the outlet of the exchanger [16], the hot water outlet of the cumulus [II] and the outlet to the points of 20 hot water consumption [8]. The connection system consists of a non-return valve [18] and a thermostatic valve [17]

Description détaillée de l'échangeur de chaleur : L'échangeur de changeur [1] est composé de 3 sous fonctions : 1/ le stockage d'eau [2] 25 2/ l'échange de chaleur [3] 3/ le contrôle des températures Detailed description of the heat exchanger: The changer exchanger [1] consists of 3 sub-functions: 1 / water storage [2] 25 2 / heat exchange [3] 3 / control of the heat exchanger temperatures

Voici une description détaillée des sous fonctions : Here is a detailed description of the subfunctions:

30 1/ Le stockage d'eau : Le stockage permet a) de créer un tampon entre la production d'eau chaude et la consommation d'eau qui ne se font pas forcément au même moment b) augmenter la quantité d'eau chaude stockée sans avoir à changer de cumulus c) d'avoir toute la surface de l'échangeur de chaleur toujours baignée dans le tampon d'eau d) de permettre à l'échangeur de chaleur de produire de l'eau chaude directement vers le circuit 35 de distribution sans passer par le cumulus e) de diminuer la taille et donc le coût de l'échangeur. Le stockage est en relation directe avec le système solaire ou thermodynamique. Le cumulus et le circuit de distribution ne sont pas en contact direct avec le stockage. Il apparait qu'une quantité d'eau stockée dans l'échangeur devrait se situer entre 30 et 60 litres pour avoir des performances acceptables pour un cumulus à 40 application familiale (rapidité de chauffage et quantité d'eau minimum à respecter). Au dessus de 60 litres, le stockage commence à avoir trop d'inertie (au minimum 90 minutes) avant de devenir efficace. En dessous de 30 litres, la quantité d'eau risque d'être trop faible pour baigner l'échangeur de chaleur. Du fait que le stockage n'est pas en contact direct avec le cumulus et le circuit de distribution, il n'est pas obligatoire d'avoir le stockage sous pression. Le stockage à pression atmosphérique permet d'utiliser une fonction d'auto purge des circuits en contact avec les panneaux solaires et ainsi éviter soit le gel soit une surchauffe. 3 matériaux pour la cuve ont été testés : acier émaillé ou vernis (technologie des cumulus standards), acier inoxydable, plastique PE haute densité (PEHD) 2/ L'échangeur de chaleur: L'échangeur de chaleur est un tuyau, de préférence en cuivre pour améliorer l'échange thermique, qui transmet la chaleur solaire ou thermodynamique au cumulus ou au circuit de distribution. Les essais montrent qu'une surface d'échange de 0,4 m2 est suffisante (soit 10 mètres d'un tuyau en cuivre de 14 mm de diamètre extérieur) pour assumer un échange performant (c'est-à-dire chauffer environ 40 litres d'eau par heure). Le fait de dépasser les 0,8 m2 rend l'invention trop chère par rapport à des technologies concurrentes. Il est à noter que l'eau chauffée dans l'échangeur se trouve sous pression du réseau de distribution. Le stockage doit permettre à l'échangeur d'être toujours immergé quelque soit le mode de fonctionnement, de ce fait il sera situé dans la partie basse du stockage. 3/ Le contrôle de température : un système thermostatique complète l'échangeur de chaleur pour permettre de 1) démarrer la circulation [10] de l'eau entre l'échangeur et les panneaux solaires ou le système thermodynamique 2) arrêter la circulation dès que l'échangeur arrive à sa température de fonctionnement maximale. 30 1 / Storage of water: The storage allows a) to create a buffer between the production of hot water and the consumption of water that is not necessarily done at the same time b) increase the amount of hot water stored without having to change the cumulus c) to have the entire surface of the heat exchanger always bathed in the water buffer d) to allow the heat exchanger to produce hot water directly to the circuit 35 distribution without going through the cumulus e) to reduce the size and therefore the cost of the exchanger. Storage is directly related to the solar or thermodynamic system. The cumulus and the distribution circuit are not in direct contact with the storage. It appears that a quantity of water stored in the exchanger should be between 30 and 60 liters to have acceptable performance for a cumulus 40 family application (speed of heating and minimum amount of water to meet). Above 60 liters, storage begins to have too much inertia (at least 90 minutes) before becoming effective. Below 30 liters, the amount of water may be too small to bathe the heat exchanger. Because the storage is not in direct contact with the cumulus and the distribution circuit, it is not mandatory to have pressure storage. Storage at atmospheric pressure makes it possible to use a self-purging function of the circuits in contact with the solar panels and thus avoid either freezing or overheating. 3 materials for the tank were tested: enamelled steel or varnish (standard cumulus technology), stainless steel, high density PE plastic (HDPE) 2 / The heat exchanger: The heat exchanger is a pipe, preferably in copper to improve heat exchange, which transmits solar or thermodynamic heat to the cumulus or the distribution circuit. The tests show that an exchange area of 0.4 m2 is sufficient (ie 10 meters of copper pipe of 14 mm outside diameter) to assume an efficient exchange (that is to say, heat about 40 liters of water per hour). Exceeding 0.8 m2 makes the invention too expensive compared to competing technologies. It should be noted that the water heated in the heat exchanger is under pressure from the distribution network. The storage must allow the exchanger to be always immersed whatever the mode of operation, so it will be located in the lower part of the storage. 3 / Temperature control: a thermostatic system completes the heat exchanger to allow 1) start the circulation [10] of the water between the exchanger and the solar panels or the thermodynamic system 2) stop the circulation as soon as the exchanger reaches its maximum operating temperature.

Description détaillée du système de connexion au cumulus Detailed description of the cumulus connection system

Le système [4] permet une connexion au cumulus sans modifier celui-ci. L'échangeur de chaleur sera branché directement sur l'entrée eau froide [12] et sur la sortie de l'eau chaude [Il] du cumulus au travers du système de régulation [4] The system [4] allows a connection to the cumulus without modifying it. The heat exchanger will be connected directly to the cold water inlet [12] and to the hot water outlet [Il] of the cumulus through the control system [4]

Le système de connexion au cumulus permet deux modes de fonctionnement : 30 1) Le chauffage de l'eau située dans le cumulus [Figure 6] 2) le chauffage direct de l'eau vers le circuit de distribution [Figure 5] The cumulus connection system allows two modes of operation: 1) The heating of the water in the cumulus [Figure 6] 2) direct heating of the water to the distribution circuit [Figure 5]

1) Le chauffage de l'eau située dans le cumulus : Si le cumulus est situé au dessus de 1 échangeur de chaleur, alors le réchauffage par thermosiphon sera utilisé. Si par contre, l'échangeur de chaleur ne peut pas être positionné en dessous du cumulus (cas des 35 cumulus posés au sol), alors une pompe sera nécessaire pour activer le flux. Dans ce mode de fonctionnement, l'eau froide ressort du cumulus par la connexion normalement utilisée pour l'arrivée d'eau froide. L'eau froide entre dans l'échangeur par la connexion inférieure et ressort réchauffée par la connexion supérieure. L'eau réchauffée entre dans le cumulus par la connexion normalement utilisée pour la sortie d'eau chaude. En ceci, 40 on peut dire que le cumulus fonctionne à l'envers par rapport à sa destination originale. 2/ le chauffage direct de l'eau vers le circuit de distribution [8] : afin de bénéficier de l'échangeur de chaleur directement sans passer par le cumulus, un système de mixage d'eau est utilisé entre la sortie de l'échangeur et la connexion sur la sortie eau chaude du cumulus. Deux éléments importants sont installés dans le mixeur : a) un clapet anti retour (sans ressort de rappel ou un ressort extrêmement souple) qui permet à l'eau chauffée de monter de l'échangeur vers le cumulus mais bloque la circulation dans l'autre sens b) une vanne thermostatique branchée en dérivation sur le clapet permet de mixer l'eau venant de l'échangeur de chaleur et du cumulus. Ce mode de fonctionnement permet d'augmenter la capacité du cumulus. Dans le cadre du chauffage solaire, et pendant une période ensoleillée, la capacité du cumulus se voit augmentée de la quantité d'eau stockée dans l'échangeur voire plus si l'eau chaude est utilisée pendant la période ensoleillée. 1) The heating of the water located in the cumulus: If the cumulus is located above 1 heat exchanger, then heating by thermosiphon will be used. If, on the other hand, the heat exchanger can not be positioned below the cumulus (case of cumulus on the ground), then a pump will be needed to activate the flow. In this mode of operation, the cold water comes out of the cumulus through the connection normally used for the cold water supply. Cold water enters the exchanger through the lower connection and spring reheated by the upper connection. The heated water enters the cumulus through the connection normally used for the hot water outlet. In this, it can be said that the cumulus works upside down from its original destination. 2 / the direct heating of water to the distribution circuit [8]: in order to benefit from the heat exchanger directly without going through the cumulus, a water mixing system is used between the outlet of the exchanger and the connection on the hot water outlet of the cumulus. Two important elements are installed in the mixer: a) a check valve (without return spring or an extremely flexible spring) which allows heated water to rise from the heat exchanger to the cumulus but blocks the circulation in the other direction b) a thermostatic valve connected bypass on the valve makes it possible to mix the water coming from the heat exchanger and cumulus. This mode of operation makes it possible to increase the cumulus capacity. In solar heating, and during a sunny period, the capacity of the cumulus is increased by the amount of water stored in the exchanger or more if the hot water is used during the sunny period.

Exemple de réalisation Example of realization

Un exemple de réalisation est montré en [Figure 6] montrant un cumulus standard de 200 litres [6] et un échangeur de chaleur [1] réalisé à partir d'un cumulus de 50 litres utilisé à l'envers (dessus dessous) et modifié pour accueillir le tuyau d'échange thermique. La sortie vers le panneau solaire [14] et le retour [13], la sortie du tuyau d'échange thermique se trouve sur la partie supérieure de l'échangeur et l'entrée du tuyau d'échange thermique [15] est connectée en bas de l'échangeur pour bénéficier de l'effet thermosiphon An exemplary embodiment is shown in [Figure 6] showing a standard cumulus of 200 liters [6] and a heat exchanger [1] made from a cumulus of 50 liters used upside down (upside down) and modified to accommodate the heat exchange pipe. The output to the solar panel [14] and the return [13], the outlet of the heat exchange pipe is on the upper part of the heat exchanger and the inlet of the heat exchange pipe [15] is connected in bottom of the exchanger to benefit from the thermosiphon effect

Application industrielle Industrial application

Cette invention permet de remplacer avantageusement les systèmes basés sur le remplacement d'un cumulus standard par un cumulus spécial à échangeur de chaleur intégré tout en augmentant la quantité d'eau chaude stockée. Les premiers calculs effectués avec des industriels montrent que le coût de fabrication de la solution complète (panneau solaire ou pompe à chaleur, échangeur de chaleur et système de connexion au cumulus) peut être divisé par 2 permettant ainsi une rentabilité d'une installation en moins de 7 ans à comparer au 14 ans et plus pour les systèmes basés sur des systèmes à cumulus spécial. La taille réduite de l'échangeur permet son installation aisée dans beaucoup de cas y compris en appartement. Le dispositif de connexion permet d'obtenir de l'eau tiède l'hiver alors que les systèmes traditionnels sont à l'arrêt. This invention advantageously replaces systems based on the replacement of a standard cumulus with a special cumulus with integrated heat exchanger while increasing the amount of hot water stored. Initial calculations carried out with industrialists show that the cost of manufacturing the complete solution (solar panel or heat pump, heat exchanger and cumulus connection system) can be divided by two, thus making the installation less profitable. 7 years compared to 14 years and over for systems based on special cumulus systems. The reduced size of the exchanger allows its easy installation in many cases including apartment. The connection device makes it possible to obtain lukewarm water in the winter while the traditional systems are at a standstill.

Claims (1)

Revendications1/ Dispositif permettant d'utiliser un chauffe-eau standard (avec une résistance électrique ou non) comme stockage d'eau chaude [6] en provenance d'un panneau solaire ou d'une pompe à chaleur caractérisé en ce qu'il comporte un échangeur de chaleur externe au chauffe-eau [1] et un dispositif de connexion [4] sur le cumulus et sur le circuit de distribution d'eau chaude 2/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif de connexion [4] permet une connexion au cumulus [6] sans modification de celui-ci. 3/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif de connexion [4] permet soit de transférer de l'eau chauffée par le dispositif au cumulus soit de chauffer directement l'eau vers le circuit de distribution. Il comporte un clapet anti-retour permettant la montée d'eau chaude dans le cumulus mais empêchant le sens inverse. Une vanne mitigeur complémentée par le clapet anti retour permet d'utiliser l'eau chaude produite par le cumulus et le dispositif pour produire l'eau chaude vers le circuit de distribution 4/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur du dispositif [1] comporte un stockage d'eau de 30 à 60 litres [2] connecté à un panneau solaire [9] ou à une pompe à chaleur, un tuyau échangeur de chaleur [3] de 0,3 à 0,8m2 de surface d'échange et connecté au cumulus par l'intermédiaire de le connexion [4] décrite dans la revendication 3 et un système thermostatique de régulation de température 5/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'échange de chaleur entre le dispositif et le cumulus se fait par effet thermosiphon si le dispositif est positionné sous le cumulus 6/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif augmente la capacité de stockage d'eau chaude disponible dans le cumulus de part sa taille (30 à 60 litres) car il permet de continuer à chauffer l'eau de distribution et stockée dans le cumulus après l'arrêt de la source de chauffage (panneau solaire ou pompe à chaleur)30 Claims 1 / Device for using a standard water heater (with an electrical resistance or not) as hot water storage [6] from a solar panel or a heat pump characterized in that it comprises a heat exchanger external to the water heater [1] and a connection device [4] on the cumulus and the hot water distribution circuit 2 / Device according to claim 1 characterized in that the connection device [4] ] allows a connection to cumulus [6] without modification of it. 3 / Apparatus according to claim 1 characterized in that the connection device [4] allows either to transfer water heated by the cumulus device or to directly heat the water to the distribution circuit. It includes a non-return valve allowing the rise of hot water in the cumulus but preventing the opposite direction. A mixing valve complemented by the non-return valve makes it possible to use the hot water produced by the cumulus and the device for producing the hot water to the distribution circuit 4. The device according to claim 1, characterized in that the heat exchanger heat of the device [1] comprises a water storage of 30 to 60 liters [2] connected to a solar panel [9] or to a heat pump, a heat exchanger pipe [3] of 0.3 to 0, 8 m 2 of exchange surface and connected to the cumulus via the connection [4] described in claim 3 and a thermostatic temperature control system 5 / device according to claim 1 characterized in that the heat exchange between the device and the cumulus is by thermosiphon effect if the device is positioned under cumulus 6 / Device according to claim 1 characterized in that the device increases the hot water storage capacity available in the cumulus from its size (30 to 60 liters) because it allows to continue to heat the mains water and stored in the cumulus after the shutdown of the heating source (solar panel or heat pump) 30
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN105865039A (en) * 2015-01-18 2016-08-17 吴钦凡 Multi-energy-gathered hot-water tank

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