FR3023359A1 - Batiment equipe d'un chauffe-eau thermodynamique, d'un systeme de ventilation mecanique controlee et d'une ou plusieurs sources auxiliaires, et procede de regulation du chauffe-eau thermodynamique - Google Patents
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Abstract
La présente invention a pour objet un bâtiment comprenant une ou plusieurs pièces habitables et une ou plusieurs sources auxiliaires (21) distinctes de ladite ou desdites pièces habitables, ledit bâtiment étant équipé d'un chauffe-eau thermodynamique (6), d'un système de ventilation mécanique contrôlée (7) sur ladite ou lesdites pièces habitables, l'air ainsi mis en circulation étant utilisé pour chauffer l'eau présente dans le chauffe-eau thermodynamique (6), caractérisé par le fait que le bâtiment comprend en outre un ensemble conduit auxiliaire (22) reliant le chauffe-eau thermodynamique (6) à ladite ou auxdites sources auxiliaires (21) et un moyen de ventilateur pour faire circuler l'air de ladite ou desdites sources auxiliaires (21) vers le chauffe-eau thermodynamique (6), le bâtiment comprenant en outre un moyen de régulation (23) du débit de l'ensemble conduit auxiliaire (22) en fonction du débit du système de ventilation mécanique contrôlée (7) pour garantir un flux et une température d'air apporté au chauffe-eau thermodynamique (6) sensiblement constants.
Description
BATIMENT EQUIPE D'UN CHAUFFE-EAU THERMODYNAMIQUE, D'UN SYSTÈME DE VENTILATION MECANIQUE CONTROLEE ET D'UNE OU PLUSIEURS SOURCES AUXILIAIRES, ET PROCÉDÉ DE RÉGULATION DU CHAUFFE-EAU THERMODYNAMIQUE La présente invention concerne le domaine des chauffe-eau thermodynamiques, et porte plus particulièrement sur un bâtiment équipé d'un chauffe-eau thermodynamique, d'un système de ventilation mécanique contrôlée et d'une ou plusieurs sources auxiliaires et sur un procédé de régulation du chauffe-eau thermodynamique et un chauffe-eau thermodynamique associé. Un chauffe-eau thermodynamique est un système de production d'eau chaude sanitaire utilisant une pompe à 15 chaleur qui puise ses calories dans l'air provenant de l'extérieur ou d'un local non chauffé, par exemple de type garage, pour les transférer à l'eau par l'intermédiaire d'un cycle thermodynamique. Afin d'améliorer la qualité de la source froide, le chauffe-eau thermodynamique peut être 20 associé à des éléments actifs tels que des capteurs thermiques à air ou photovoltaïques ventilés. Des systèmes de ventilation mécanique contrôlée (VMC), comprenant un réseau aéraulique associé à un ventilateur, permettent l'extraction d'air vicié dans des 25 pièces humides (par exemple, WC, cuisine ou salle de bain) d'un bâtiment à travers des bouches d'extraction et sont associés à des entrées d'air positionnées dans les pièces de vie (par exemple, chambres, salon, salle à manger) du bâtiment prenant de l'air à l'extérieur du bâtiment afin de 30 ne pas dépressuriser le bâtiment, le débit d'air entrant devant être égal au débit d'air sortant, les bouches d'extraction et les entrées d'air pouvant être de section fixe, de type auto-réglable (le débit étant constant quelle que soit la différence de pression de part et d'autre) ou des bouches asservies à un paramètre caractéristique de la pollution de la pièce (par exemple, humidité, CO2, composants organiques volatils (COV), ou présence de personnes), les bouches asservies permettant de diminuer le débit d'air traversant le local afin de réduire les pertes énergétiques. Ainsi, l'air rejeté par les systèmes VMC, qui est généralement à une température supérieure à 18°C, représente une source énergétique attractive et valorisable pour un chauffe-eau thermodynamique, et des chauffe-eau thermodynamiques exploitant cette source énergétique ont été développés, le ventilateur du système VMC et du chauffe-eau thermodynamique ne faisant plus qu'un afin de réduire le nombre de ventilateurs. La demande de brevet français FR2941521 décrit une installation combinée de ventilation d'un local et de chauffe-eau, l'installation comprenant un conduit de dérivation de l'air du système de ventilation vers l'extérieur afin de rejeter vers l'extérieur l'air du système de ventilation lorsque celui-ci est trop pollué, évitant ainsi l'encrassement trop rapide de l'évaporateur du chauffe-eau thermodynamique. Cependant, cette installation présente l'inconvénient que le débit traversant l'évaporateur du chauffe-eau thermodynamique est imposé par l'état de pollution des pièces humides et peut varier de manière importante avec des systèmes de ventilation à forte modulation. Dans ces conditions, faible débit d'air, le temps de chauffe de l'eau contenue 30 dans le chauffe-eau thermodynamique est très important et des manques d'eau chaude peuvent être générés, ainsi que des problèmes de givrage sur l'évaporateur du fait d'un débit d'air très faible, dégradant considérablement le coefficient de performance (COP) du système. La demande de brevet français FR2954471 décrit une installation combinée de chauffe-eau thermodynamique et de ventilation, l'installation régulant le débit d'air du système de ventilation d'un local en fonction du temps de chauffe de l'eau contenue dans le chauffe-eau thermodynamique. Cependant, cette installation présente l'inconvénient de ne pas prendre en compte l'état de pollution de l'air extrait par le système de ventilation, le débit d'air étant imposé par le chauffe-eau thermodynamique en fonction de son temps de chauffe. Ainsi, pendant le temps de chauffe le débit d'air traversant le local est élevé ce qui augmente les pertes énergétiques, et pendant le temps de non-chauffe le débit d'air traversant le local est faible même dans le cas où l'air des pièces est très pollué ce qui ne permet pas une extraction efficace de l'air vicié. La présente invention vise à résoudre les 20 inconvénients de l'état antérieur de la technique, en proposant un bâtiment équipé d'un chauffe-eau thermodynamique et d'un système de ventilation mécanique contrôlée, le bâtiment comprenant en outre au moins une source auxiliaire passive d'énergie gratuite présente dans 25 le bâtiment, ladite au moins une source auxiliaire étant avantageusement associée à un procédé de régulation intelligent amenant le chauffe-eau thermodynamique fonctionner au plus près de son COP optimal et du temps de chauffe optimal. Ainsi, dans le cas où le débit d'air du 30 système de ventilation mécanique contrôlée est faible, la source auxiliaire d'air permet d'éviter un temps de chauffe très important ou des manques d'eau chaude du chauffe-eau thermodynamique. De plus, le chauffe-eau thermodynamique pouvant réguler uniquement le débit d'air de la source auxiliaire, le débit d'air du système de ventilation mécanique contrôlée est autorégulé ce qui permet une extraction efficace de l'air vicié dans les pièces du bâtiment, indépendamment du fonctionnement du chauffe-eau. La présente invention a donc pour objet un bâtiment comprenant une ou plusieurs pièces habitables et une ou plusieurs sources auxiliaires distinctes de ladite ou desdites pièces habitables, ledit bâtiment étant équipé d'un chauffe-eau thermodynamique, d'un système de ventilation mécanique contrôlée comprenant un réseau aéraulique ayant un ensemble conduit d'entrée relié à au moins une de ladite ou desdites pièces habitables et un ensemble conduit de sortie relié à l'ensemble conduit d'entrée et au chauffe-eau thermodynamique, et un moyen de ventilateur pour faire circuler l'air de l'ensemble conduit d'entrée vers le chauffe-eau thermodynamique par l'ensemble conduit de sortie, l'air ainsi mis en circulation étant utilisé pour chauffer l'eau présente dans le chauffe-eau thermodynamique, caractérisé par le fait que le bâtiment comprend en outre un ensemble conduit auxiliaire reliant le chauffe-eau thermodynamique à au moins l'une de ladite ou desdites sources auxiliaires et un moyen de ventilateur pour faire circuler l'air de ladite ou desdites sources auxiliaires vers le chauffe-eau thermodynamique, le bâtiment comprenant en outre un moyen de régulation du débit de l'ensemble conduit auxiliaire. Une pièce habitable du bâtiment est une pièce qui entre dans la définition de la surface habitable du bâtiment, telle que WC, cuisine, salle de bain, chambre, salon, salle à manger, etc. On appelle source auxiliaire du bâtiment toute pièce, zone ou élément du bâtiment contenant de l'air dont la température est relativement chaude car bénéficiant des apports solaires (toiture) ou géothermiques (vide sanitaire) de manière naturelle de part sa localisation dans le bâtiment, la source auxiliaire étant distincte des pièces habitables du bâtiment, et la source auxiliaire ne comprenant aucune bouche d'extraction et/ou entrée d'air de système VMC. Ainsi, dans le cas où le débit d'air du système de ventilation mécanique contrôlée est faible, le débit 10 d'air provenant de la ou des sources auxiliaires permet de compenser la baisse du débit d'air du système de ventilation mécanique contrôlée, ce qui permet d'éviter un temps de chauffe trop important ou des manques d'eau chaude du chauffe-eau thermodynamique. De plus, le chauffe-eau 15 thermodynamique pouvant réguler le débit d'air provenant de la ou des sources auxiliaires, le débit d'air traversant le chauffe-eau thermodynamique n'est plus imposé par l'état de pollution de l'air des pièces humides du bâtiment. Chaque ensemble conduit, c'est-à-dire l'ensemble 20 conduit d'entrée, l'ensemble conduit de sortie et l'ensemble conduit auxiliaire peut comprendre un ou plusieurs conduits/tuyaux, en structure arborescente (ramifiés) ou non. Selon une caractéristique particulière de 25 l'invention, le chauffe-eau thermodynamique est équipé d'un ventilateur, ledit ventilateur constituant ledit moyen de ventilateur du système de ventilation mécanique contrôlée et facultativement ledit moyen de ventilateur de l'ensemble conduit auxiliaire. 30 Ainsi, le nombre de ventilateurs dans le bâtiment est réduit, ce qui permet de réduire le coût et la taille de l'installation.
Selon une première variante de l'invention, l'ensemble conduit auxiliaire est branché directement sur le chauffe-eau thermodynamique, sur un piquage du chauffe-eau thermodynamique.
Ainsi, le chauffe-eau thermodynamique reçoit directement le flux d'air provenant de l'ensemble conduit auxiliaire et le moyen de régulation peut réguler le débit d'air provenant de l'ensemble conduit auxiliaire directement dans le chauffe-eau thermodynamique.
Selon une seconde variante de l'invention, l'ensemble conduit auxiliaire est branché sur l'ensemble conduit de sortie du réseau aéraulique du système de ventilation mécanique contrôlée en amont du chauffe-eau thermodynamique.
Ainsi, le chauffe-eau thermodynamique ne possédant qu'une seule entrée de flux d'air, un seul ventilateur est nécessaire pour faire circuler l'air de l'ensemble conduit de sortie du réseau aéraulique du système de ventilation mécanique contrôlée et de l'ensemble conduit auxiliaire vers le chauffe-eau thermodynamique, réduisant ainsi le coût de l'installation. De plus, selon l'emplacement de la ou des sources auxiliaires par rapport au système de ventilation mécanique contrôlée, cela peut également permettre de réduire la longueur de l'ensemble conduit auxiliaire et ainsi de réduire le coût de l'ensemble conduit auxiliaire et donc de l'installation. Selon une troisième variante de l'invention, le système de ventilation mécanique contrôlée comporte un caisson de distribution sur lequel est branché l'ensemble conduit auxiliaire, ainsi que l'ensemble conduit d'entrée et l'ensemble conduit de sortie, l'ensemble conduit auxiliaire étant branché en amont de l'ensemble conduit de sortie. Ainsi, le chauffe-eau thermodynamique ne possédant qu'une seule entrée de flux d'air, un seul ventilateur est nécessaire pour faire circuler l'air de l'ensemble conduit de sortie du système de ventilation mécanique contrôlée et de l'ensemble conduit auxiliaire vers le chauffe-eau thermodynamique, réduisant ainsi le coût de l'installation.
De plus, selon l'emplacement de la ou des sources auxiliaires par rapport au réseau aéraulique du système de ventilation mécanique contrôlée, cela peut également permettre de réduire la longueur de l'ensemble conduit auxiliaire et ainsi de réduire le coût de l'ensemble conduit auxiliaire et donc de l'installation. En outre, le caisson de distribution du système de ventilation mécanique contrôlée comportant plusieurs bornes de branchement, le branchement de l'ensemble conduit auxiliaire sur le caisson de distribution est ainsi plus aisé. Il est ainsi possible de facilement adapter un système existant, par simple raccordement de l'ensemble conduit auxiliaire sur le caisson de distribution de VMC. Selon une caractéristique particulière de l'invention, le moyen de régulation du débit de l'ensemble conduit auxiliaire est une vanne de régulation tout-ou-rien disposée en sortie de l'ensemble conduit auxiliaire et commandée par le chauffe-eau thermodynamique. On appelle sortie de l'ensemble conduit auxiliaire l'extrémité de l'ensemble conduit auxiliaire la 30 plus proche du chauffe-eau thermodynamique. Ainsi, le chauffe-eau thermodynamique commande l'ouverture ou la fermeture de la vanne de régulation toutou-rien afin de faire circuler ou de couper le flux d'air provenant de l'ensemble conduit auxiliaire, un dispositif de réglage de débit, tel qu'un régulateur de débit à bouche auto-réglable, étant placé sur l'ensemble conduit auxiliaire afin de maîtriser le débit d'air de l'ensemble conduit auxiliaire, la décision d'ouverture ou non de la vanne de régulation tout-ou-rien étant ainsi basée sur un débit d'air de l'ensemble conduit auxiliaire imposé. Selon une caractéristique particulière de l'invention, le moyen de régulation du débit de l'ensemble conduit auxiliaire est une vanne de régulation à degré d'ouverture variable disposée en sortie de l'ensemble conduit auxiliaire et commandée par le chauffe-eau thermodynamique. Ainsi, le chauffe-eau thermodynamique commande le 15 degré d'ouverture de la vanne de régulation à degré d'ouverture variable afin de faire varier le débit d'air provenant de l'ensemble conduit auxiliaire. Il est à noter que le chauffe-eau thermodynamique peut imposer la fermeture de la vanne de régulation de 20 l'ensemble conduit auxiliaire dès lors que la condition de pression différentielle délivrée par le ventilateur du chauffe-eau thermodynamique n'est pas respectée. En effet, cette condition de dépression minimale permet d'assurer le débit réglementaire du système VMC. Si l'utilisation d'une 25 ou plusieurs sources auxiliaires ne permet plus de respecter ce débit réglementaire, il convient de réduire le débit d'air de l'ensemble conduit auxiliaire de manière à respecter cette condition. Selon une caractéristique particulière de 30 l'invention, le chauffe-eau thermodynamique comporte un conduit d'échappement, ledit conduit d'échappement débouchant sur l'extérieur du bâtiment afin d'expulser vers l'extérieur l'air reçu par le chauffe-eau thermodynamique.
Ainsi, l'air vicié provenant du système de ventilation mécanique contrôlée est rejeté vers l'extérieur du bâtiment afin de ne pas polluer l'air du bâtiment. Selon une caractéristique particulière de 5 l'invention, la ou les sources auxiliaires du bâtiment sont un ou plusieurs parmi un vide sanitaire, des combles, des tuiles ventilées, une sous-toiture ventilée, etc. L'invention a également pour objet un procédé de régulation du fonctionnement d'un chauffe-eau 10 thermodynamique équipant un bâtiment tel que défini ci-dessus, caractérisé par le fait qu'il comprend la mesure en temps réel de la température de flux d'air arrivant au chauffe-eau thermodynamique depuis le réseau aéraulique du système de ventilation mécanique contrôlée et l'ensemble 15 conduit auxiliaire, l'utilisation de ladite température pour calculer, dans une table à consulter préenregistrée représentant la matrice de performance du chauffe-eau thermodynamique en fonction d'un débit d'air courant alimenté au chauffe-eau thermodynamique, d'une température 20 d'air alimenté au chauffe-eau thermodynamique et de la température de l'eau du chauffe-eau thermodynamique, un débit optimal d'air alimenté au chauffe-eau thermodynamique pour la température mesurée, et la commande en temps réel du ou des moyens de ventilateur et/ou du moyen de 25 régulation pour obtenir le débit optimal calculé d'air alimenté au chauffe-eau thermodynamique. D'autres paramètres que le débit d'air alimenté au chauffe-eau thermodynamique, la température d'air alimenté au chauffe-eau thermodynamique et la température 30 de l'eau du chauffe-eau thermodynamique peuvent être utilisés dans la table à consulter. Ainsi, les performances du chauffe-eau thermodynamique sont optimisées en temps réel, permettant de garantir un flux et une température d'air apporté au chauffe-eau thermodynamique appropriés, réduisant ainsi le temps de chauffe de l'eau contenue dans le chauffe-eau thermodynamique ou améliorant le coefficient de performance du chauffe-eau thermodynamique. Il est à noter que le chauffe-eau thermodynamique équipant le bâtiment selon la présente invention est un chauffe-eau thermodynamique conventionnel comprenant un circuit thermodynamique d'échange thermique entre le flux d'air provenant du système de ventilation mécanique contrôlée et de l'ensemble conduit auxiliaire et l'eau à chauffer, le circuit comprenant un évaporateur traversé par le flux d'air provenant du système de ventilation mécanique contrôlée et de l'ensemble conduit auxiliaire, dans lequel le flux d'air perd des calories au profit d'un fluide caloporteur, un condenseur pour transférer des calories du fluide caloporteur à l'eau à chauffer dans le chauffe-eau thermodynamique, et un moyen de mise en circulation du fluide caloporteur dans le circuit thermodynamique, de préférence sous la forme d'un compresseur, le circuit d'échange thermique comprenant un détendeur en aval du condenseur et en amont de l'évaporateur. L'invention a également pour objet un chauffe-eau thermodynamique pour bâtiment tel que décrit ci-dessus, caractérisé par le fait qu'il comprend un piquage additionnel sur lequel se branche l'ensemble conduit auxiliaire, ledit piquage comportant le moyen de régulation du débit de l'ensemble conduit auxiliaire, asservi par le chauffe-eau thermodynamique. Le moyen de régulation peut en particulier être un volet motorisé. L'asservissement se fait par l'intermédiaire de la carte électronique présente dans le chauffe-eau thermodynamique.
Pour mieux illustrer l'objet de la présente invention, on va en décrire ci-après, à titre illustratif et non limitatif, trois variantes préférées, avec référence aux dessins annexés.
Sur ces dessins : - la Figure 1 est une vue en coupe d'un bâtiment selon l'état antérieur de la technique ; - la Figure 2 est une vue schématique d'une installation de chauffe-eau thermodynamique et de ventilation mécanique contrôlée d'un bâtiment selon une première variante de la présente invention ; - la Figure 3 est une vue schématique d'une installation de chauffe-eau thermodynamique et de ventilation mécanique contrôlée d'un bâtiment selon une seconde variante de la présente invention ; - la Figure 4 est une vue schématique d'une installation de chauffe-eau thermodynamique et de ventilation mécanique contrôlée d'un bâtiment selon une troisième variante de la présente invention ; et - la Figure 5 est un graphique de matrice de performance du chauffe-eau thermodynamique d'un bâtiment selon la présente invention. Si l'on se réfère à la Figure 1, on peut voir 30 qu'il y est représenté un bâtiment 1 selon l'état antérieur de la technique. Le bâtiment 1 comporte des cloisons externes 2 et une toiture 3, une ou plusieurs pièces habitables 4 étant disposées à l'intérieur du volume délimité par les cloisons externes 2. Par souci de simplification, une seule pièce habitable 4 a été représentée dans le bâtiment 1.
L'invention n'est cependant évidemment pas limitée à cet égard, et le bâtiment 1 peut comprendre plus d'une pièce habitable 4. Le bâtiment 1 comporte en outre une installation de chauffe-eau thermodynamique et de ventilation mécanique 10 contrôlée (VMC) 5 disposée à l'intérieur du bâtiment 1. L'installation de chauffe-eau thermodynamique et de VMC 5 comporte un chauffe-eau thermodynamique 6 et un système de ventilation mécanique contrôlée (VMC) 7, le chauffe-eau thermodynamique 6 étant disposé à l'intérieur 15 du volume délimité par les cloisons externes 2 l'intérieur d'une pièce habitable 4. Le système VMC 7 comprend un réseau aéraulique ayant un ou plusieurs conduits d'entrée 8, formant un ensemble conduit d'entrée, reliés à ladite ou auxdites 20 pièces habitables 4, un conduit de sortie 9 relié au chauffe-eau thermodynamique 6, et un caisson de distribution 10 reliant lesdits conduits d'entrée 8 audit conduit de sortie 9, le caisson de distribution 10 étant généralement situé sous la toiture 3 du bâtiment 1. 25 Bien que dans les modes de réalisation représentés, il n'y ait qu'un conduit de sortie, on peut également envisager dans le cadre de la présente invention plusieurs conduits de sortie, en structure arborescente, avec une unique sortie arrivant sur le chauffe-eau 30 thermodynamique. Il est à noter que le système de VMC 7 pourrait ne pas comporter de caisson de distribution 10, les conduits d'entrée 8 du système de VMC 7 étant directement branchés sur le conduit de sortie 9 du système de VMC 7, sans s'écarter du cadre de la présente invention. Les conduits d'entrée 8 du système de VMC 7 sont, de préférence, reliés aux pièces habitables 4 humides du 5 bâtiment 1 afin de permettre l'extraction de l'air vicié de celles-ci. Par exemple, l'un des conduits d'entrée 8 pourrait être relié aux WC du bâtiment 1, l'un des conduits d'entrée 8 pourrait être relié à la salle de bain du bâtiment 1, l'un des conduits d'entrée 8 pourrait être 10 relié à la cuisine du bâtiment 1 et l'un des conduits d'entrée 8 pourrait être relié à la buanderie du bâtiment 1. Le chauffe-eau thermodynamique 6 comporte l'intérieur de celui-ci un ventilateur (non représenté sur 15 la Figure 1) pour faire circuler l'air dudit ou desdits conduits d'entrée 8 vers le chauffe-eau thermodynamique 6, l'air ainsi mis en circulation étant utilisé pour chauffer l'eau présente dans le chauffe-eau thermodynamique 6 afin de produire de l'eau chaude sanitaire pour les habitants du 20 bâtiment 1. Dans le mode de réalisation, dans un but de simplification, le ventilateur du chauffe-eau thermodynamique 6 forme avec le réseau aéraulique (conduits d'entrée 8, conduit de sortie 9, caisson 10) le système de 25 ventilation mécanique contrôlée 7. Il est à noter que le ventilateur du système de VMC 7 pourrait être disposé à l'extérieur du chauffe-eau thermodynamique 6, sans s'écarter du cadre de la présente invention. Le chauffe-eau thermodynamique 6 comporte en 30 outre un conduit d'échappement 11, ledit conduit d'échappement 11 débouchant sur l'extérieur du bâtiment 1 afin d'expulser vers l'extérieur l'air reçu par le chauffe- eau thermodynamique 6 en provenance du ou des conduits d'entrée 8 du système de VMC 7. Cependant, ce bâtiment 1 selon l'état antérieur de la technique présente l'inconvénient que le débit traversant le chauffe-eau thermodynamique 6 est imposé par l'état de pollution des pièces habitables 4 humides et peut varier de manière importante avec des systèmes de VMC 7 à forte modulation. Dans ces conditions, à faible débit d'air, le temps de chauffe de l'eau contenue dans le chauffe-eau thermodynamique 6 est très important et des manques d'eau chaude peuvent être générés, ainsi que des problèmes de givrage sur l'évaporateur du chauffe-eau thermodynamique 6 du fait d'un débit d'air très faible, dégradant considérablement le coefficient de performance (COP) du chauffe-eau thermodynamique 6. Si l'on se réfère à la Figure 2, on peut voir qu'il y est représenté une installation de chauffe-eau thermodynamique et de ventilation mécanique contrôlée 20 selon une première variante de l'invention.
Les éléments communs entre l'état antérieur de la technique sur la Figure 1 et cette première variante de l'invention sont référencés de manière identique, et non décrits plus en détail ici. L'installation de chauffe-eau thermodynamique et 25 de VMC 20 selon la première variante de l'invention comprend en outre une ou plusieurs sources auxiliaires 21 distinctes de ladite ou desdites pièces habitables du bâtiment, une source auxiliaire 21 étant une pièce, zone ou un élément du bâtiment contenant de l'air dont la 30 température est relativement chaude bénéficiant des apports solaires ou géothermiques de manière naturelle de part sa localisation dans le bâtiment, et une source auxiliaire 21 ne comprenant aucune bouche d'extraction et/ou entrée d'air de système de VMC 7. Bien que dans les modes de réalisation représentés, il n'y ait qu'un conduit auxiliaire, on peut également envisager dans le cadre de la présente invention plusieurs conduits auxiliaires, en structure arborescente, avec une unique sortie, chacun relié à une source auxiliaire. La ou les sources auxiliaires 21 sont un ou 10 plusieurs parmi un vide sanitaire, des combles, des tuiles ventilées, une sous-toiture ventilée. L'installation de chauffe-eau thermodynamique et de VMC 20 comprend en outre un conduit auxiliaire 22 reliant le chauffe-eau thermodynamique 6 à ladite ou 15 auxdites sources auxiliaires 21 et branché directement sur le chauffe-eau thermodynamique 6, l'air de ladite ou desdites sources auxiliaires 21 étant mis en circulation vers le chauffe-eau thermodynamique 6 par l'intermédiaire du ventilateur disposé dans le chauffe-eau thermodynamique 20 6. Il est à noter que l'installation de chauffe-eau thermodynamique et de VMC 20 pourrait comprendre un ventilateur supplémentaire dédié au conduit auxiliaire 22, et disposé ou non à l'intérieur du chauffe-eau 25 thermodynamique 6, sans s'écarter du cadre de la présente invention. L'installation de chauffe-eau thermodynamique et de VMC 20 comporte en outre, disposé à l'intérieur du chauffe-eau thermodynamique 6, un moyen de régulation 23 du 30 débit du conduit auxiliaire 22 en fonction du débit du système de VMC 7 pour garantir un flux et une température d'air apporté au chauffe-eau thermodynamique 6 appropriés à son fonctionnement, comme décrit ci-après plus en détail en référence au procédé de régulation du chauffe-eau thermodynamique, par une vanne à l'extrémité aval (vers le chauffe-eau thermodynamique 6) du conduit auxiliaire 22. Si l'on se réfère à la Figure 3, on peut voir 5 qu'il y est représenté une installation de chauffe-eau thermodynamique et de ventilation mécanique contrôlée 30 selon une seconde variante de l'invention. Les éléments communs entre la première variante de l'invention sur la Figure 2 et cette seconde variante de 10 l'invention sont référencés de manière identique, et non décrits plus en détail ici. L'installation de chauffe-eau thermodynamique et de VMC 30 selon la seconde variante de l'invention est identique à l'installation de chauffe-eau thermodynamique 15 et de VMC 20 selon la première variante, à l'exception du fait que le conduit auxiliaire 22 est branché sur le conduit de sortie 9 du réseau aéraulique du système de VMC 7 en amont du chauffe-eau thermodynamique 6. Le moyen de régulation 23 comporte un dispositif 20 de commande et une vanne de régulation 24 à degré d'ouverture variable disposée en sortie du conduit auxiliaire 22 et commandée par le dispositif de commande du moyen de régulation 23 par l'intermédiaire d'un câble de commande 25. 25 Il est à noter que la vanne de régulation 24 pourrait être une vanne de régulation tout-ou-rien, sans s'écarter du cadre de la présente invention. Si l'on se réfère à la Figure 4, on peut voir qu'il y est représenté une installation de chauffe-eau 30 thermodynamique et de ventilation mécanique contrôlée 40 selon une troisième variante de l'invention. Les éléments communs entre la seconde variante de l'invention sur la Figure 3 et cette troisième variante de l'invention sont référencés de manière identique, et non décrits plus en détail ici. L'installation de chauffe-eau thermodynamique et de VMC 40 selon la troisième variante de l'invention est 5 identique à l'installation de chauffe-eau thermodynamique et de VMC 30 selon la seconde variante, l'exception du fait que le conduit auxiliaire 22 est branché sur le caisson de distribution 10 du système VMC 7. Si l'on se réfère à la Figure 5, on peut voir 10 qu'il y est représenté un graphique de matrice de performance d'un chauffe-eau thermodynamique 6. L'installation de chauffe-eau thermodynamique et de VMC 20, 30, 50 selon la présente invention peut être utilisée selon un procédé de régulation du fonctionnement 15 du chauffe-eau thermodynamique 6, caractérisé par le fait qu'il comprend la mesure en temps réel de la température de flux d'air arrivant au chauffe-eau thermodynamique 6 depuis le système de ventilation mécanique contrôlée 7 et le conduit auxiliaire 22, l'utilisation de ladite température 20 pour calculer, dans une table à consulter préenregistrée représentant la matrice de performance du chauffe-eau thermodynamique 6 en fonction du débit d'air alimenté au chauffe-eau thermodynamique 6, de la température de l'air alimenté au chauffe-eau thermodynamique 6, et de la 25 température de l'eau dans le chauffe-eau thermodynamique 6, un débit optimal d'air alimenté pour la température mesurée, et la commande en temps réel du ou des moyens de ventilateur et/ou du moyen de régulation 23 pour obtenir le débit optimal d'air alimenté calculé. 30 Le procédé ayant pour objectif d'optimiser chaque instant les performances du chauffe-eau thermodynamique 6, le paramètre à optimiser est le coefficient de performance (COP). Le COP de la pompe à chaleur aérothermique du chauffe-eau thermodynamique 6 est défini comme le rapport entre l'énergie calorifique apportée par le condenseur à l'eau de la cuve et l'énergie électrique absorbée par le système.
Le COP de la pompe à chaleur peut être décrit comme une fonction de premier ordre de la température d'air en entrée de l'évaporateur, du débit d'air et de la température de l'eau, des paramètres secondaires non explicités étant à titre d'exemple l'humidité de l'air ou l'altitude du lieu. Le COP peut donc être décrit comme suit : COP = f (Tair, Te', Qair), où Tair est la température d'air en entrée de l'évaporateur, l'eau est la température de l'eau et Qair est le débit d'air.
Il apparait ainsi que la régulation peut à la fois agir sur le débit d'air et sur la température de l'air pour fonctionner au plus proche du point de rendement optimal, la température d'eau étant quant à elle une conséquence du fonctionnement du chauffe-eau thermodynamique et non un paramètre d'entrée. La Figure 5 représente un graphique de matrice de performance d'un chauffe-eau thermodynamique 6, et plus particulièrement la performance de COP (ventilateur inclus) et la performance de temps de chauffe du chauffe-eau thermodynamique 6 en fonction de la température d'air pour différents débits d'air. Sur ce graphique, on représente le COP et le temps de chauffe en fonction de la température de l'air en entrée de l'évaporateur, pour une chauffe de l'eau dans la 30 cuve de 10°C à 60°C, pour trois débits d'air différents, savoir Q1, Q2 et Q3 (m3/h), avec Q1<Q2<Q3.
Les courbes COP1, COP2et COP3 représentent respectivement le COP du chauffe-eau thermodynamique 6 pour un débit d'air de Q1, Q2 et Q3. Les courbes Tpsl, Tps2 et Tps3 représentent 5 respectivement le temps de chauffe du chauffe-eau thermodynamique 6 pour un débit d'air de Q1, Q2 et Q3. On remarque ainsi sur le graphique de la Figure 5 que plus la température de l'air en entrée de l'évaporateur est élevée, plus le COP est élevé. Au contraire, plus la 10 température de l'air en entrée de l'évaporateur est élevée, moins le temps de chauffe est important. Ainsi, l'utilisation d'une source auxiliaire 21 peut permettre l'amélioration du COP même lorsque sa température est plus faible que celle de l'air du système 15 de VMC 7. En effet, bien que dans ces conditions le mélange d'air en entrée du chauffe-eau thermodynamique 6 se trouve à une température plus faible que celle de l'air du système de VMC 7, l'apport en débit peut, suivant sa valeur, compenser cette perte et même améliorer le COP. Cependant, 20 l'augmentation du débit d'air entraîne une consommation plus élevée du ventilateur, ce qui a pour effet de dégrader le COP. Par exemple, on peut voir sur le graphique de la Figure 5 que le COP2 à Q2 est meilleur qu'à Q3 alors que le débit est plus faible. Il convient donc de prendre en 25 compte la surconsommation du ventilateur lors de la prise de décision de l'ajout d'une source auxiliaire 21. Le procédé de régulation ne consiste pas seulement à exploiter la source auxiliaire 21 lorsque sa température dépasse celle de l'air du système de VMC 7, 30 mais également à utiliser les matrices de performance du chauffe-eau thermodynamique 6 pour déterminer à chaque instant si l'exploitation de la source auxiliaire 21 peut permettre ou non l'amélioration des performances.
Pour ce faire, il est nécessaire de connaître le débit d'air traversant le chauffe-eau thermodynamique 6. Afin de réaliser une estimation de ce débit, celui-ci est décrit comme une fonction Qair estimé = f (Tai, Teau, Tévap) de la température d'air Tair, de la température d'évaporation Tévap et de la température d'eau Te, Ce débit estimé est ensuite comparé au débit maximum pouvant être transféré par le ventilateur du chauffe-eau thermodynamique 6 en fonction de son pilotage, 10 permettant ainsi de borner le débit d'air (QVNC= m_ estimér QvmC MAX) ) - Selon une variante de régulation, le moyen de régulation 23 commande l'ouverture ou la fermeture de la vanne de régulation 24 tout-ou-rien. Dans ces conditions, 15 afin de maîtriser le débit du conduit auxiliaire 22, un dispositif de réglage du débit, par exemple un régulateur de débit à bouche auto-réglable, est placé sur le conduit auxiliaire 22 de la source auxiliaire 21. La décision d'ouverture ou non de la vanne de régulation 24 tout-ou- 20 rien est donc basée sur un débit de conduit auxiliaire 22 imposé. Selon une autre variante de réalisation, le moyen de régulation 23 commande le degré d'ouverture et la fermeture de la vanne de régulation 24 à degré d'ouverture 25 variable de manière à pouvoir faire varier le débit du conduit auxiliaire 22. Le procédé de régulation calcule le débit additionnel permettant d'atteindre le COP optimal en fonction de la température de l'air du système de VMC 7, de la température de la source auxiliaire 21 et du débit d'air 30 du système de VMC 7. Le débit cible du conduit auxiliaire 22 étant ainsi déterminé, le moyen de régulation 23 modifie la position de la vanne de régulation 24 à degré d'ouverture variable de manière à atteindre ce débit cible.
Il est à noter que la fermeture de la vanne de régulation 24 peut être imposée dès lors que la condition de pression différentielle délivrée par le ventilateur du chauffe-eau thermodynamique 6 n'est pas respectée. En 5 effet, cette condition de dépression minimale permet d'assurer le débit réglementaire du système de VMC 7. Si l'utilisation d'une source auxiliaire ne permet plus de respecter ce débit réglementaire, il convient donc de réduire le débit de cette source auxiliaire de manière à 10 respecter cette condition. Le procédé de régulation dans le chauffe-eau thermodynamique 6 est mis en oeuvre par une carte électronique séparée ou par la carte électronique du chauffe-eau thermodynamique 6. Le procédé de régulation 15 peut être mis en oeuvre de manière classique par une unité de calcul associée à de la mémoire, et peut donc être mis en oeuvre sur processeur, microprocesseur, microcontrôleur, dispositif de traitement numérique du signal (DSP), composant logique programmable (matrice prédiffusée 20 programmable (FPGA) ou composant spécifique à une application (ASIC)).
Claims (9)
- REVENDICATIONS1 - Bâtiment (1) comprenant une ou plusieurs pièces habitables (4) et une ou plusieurs sources auxiliaires (21) distinctes de ladite ou desdites pièces habitables (4), ledit bâtiment (1) étant équipé d'un chauffe-eau thermodynamique (6), d'un système de ventilation mécanique contrôlée (7) comprenant un réseau aéraulique ayant un ensemble conduit d'entrée (8) relié à au moins une de ladite ou desdites pièces habitables (4) et un ensemble conduit de sortie (9) relié à l'ensemble conduit d'entrée et au chauffe-eau thermodynamique (6), et un moyen de ventilateur pour faire circuler l'air de l'ensemble conduit d'entrée (8) vers le chauffe-eau thermodynamique (6) par l'ensemble conduit de sortie (9), l'air ainsi mis en circulation étant utilisé pour chauffer l'eau présente dans le chauffe-eau thermodynamique (6), caractérisé par le fait que le bâtiment (1) comprend en outre un ensemble conduit auxiliaire (22) reliant le chauffe-eau thermodynamique (6) à au moins l'une de ladite ou desdites sources auxiliaires (21) et un moyen de ventilateur pour faire circuler l'air de ladite ou desdites sources auxiliaires (21) vers le chauffe-eau thermodynamique (6), le bâtiment (1) comprenant en outre un 25 moyen de régulation (23) du débit de l'ensemble conduit auxiliaire (22).
- 2 - Bâtiment (1) selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le chauffe-eau thermodynamique (6) est équipé d'un ventilateur, ledit ventilateur 30 constituant ledit moyen de ventilateur du système de ventilation mécanique contrôlée (7) et facultativement ledit moyen de ventilateur de l'ensemble conduit auxiliaire (22).
- 3 - Bâtiment (1) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé par le fait que l'ensemble conduit auxiliaire (22) est branché directement sur le chauffe-eau thermodynamique (6).
- 4 - Bâtiment (1) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé par le fait que l'ensemble conduit auxiliaire (22) est branché sur l'ensemble conduit de sortie (9) du réseau aéraulique du système de ventilation mécanique contrôlée (7) en amont du chauffe-eau thermodynamique (6).
- 5 - Bâtiment (1) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé par le fait que le système de ventilation mécanique contrôlée (7) comporte un caisson de distribution (10) sur lequel est branché l'ensemble conduit auxiliaire (22), en amont de l'ensemble conduit de sortie (9) .
- 6 - Bâtiment (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le moyen de régulation (23) du débit de l'ensemble conduit auxiliaire (22) est une vanne de régulation (24) tout-ou-rien disposée en sortie de l'ensemble conduit auxiliaire (22) et commandée par le chauffe-eau thermodynamique (6).
- 7 - Bâtiment (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le moyen de régulation (23) du débit de l'ensemble conduit auxiliaire (22) est une vanne de régulation (24) à degré d'ouverture variable disposée en sortie de l'ensemble conduit auxiliaire (22) et commandée par le chauffe-eau thermodynamique (6).
- 8 - Bâtiment (1) selon l'une des revendications 1 30 à 7, caractérisé par le fait que le chauffe-eau thermodynamique (6) comporte un conduit d'échappement (11), ledit conduit d'échappement (11) débouchant sur l'extérieurdu bâtiment (1) afin d'expulser vers l'extérieur l'air reçu par le chauffe-eau thermodynamique (6).
- 9 - Bâtiment (1) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que la ou les sources auxiliaires (21) du bâtiment (1) sont un ou plusieurs parmi un vide sanitaire, des combles, des tuiles ventilées, une sous-toiture ventilée. - Procédé de régulation du fonctionnement d'un chauffe-eau thermodynamique (6) équipant un bâtiment (1) 10 selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'il comprend la mesure en temps réel de la température de flux d'air arrivant au chauffe-eau thermodynamique (6) depuis le réseau aéraulique du système de ventilation mécanique contrôlée (7) et l'ensemble conduit auxiliaire (22), l'utilisation de ladite température pour calculer, dans une table à consulter préenregistrée représentant la matrice de performance du chauffe-eau thermodynamique (6) thermodynamique en fonction d'un débit d'air courant alimenté au chauffe-eau thermodynamique (6), d'une température d'air alimenté au chauffe-eau thermodynamique (6) et de la température de l'eau du chauffe-eau thermodynamique (6), un débit optimal d'air alimenté au chauffe-eau thermodynamique (6) pour la température mesurée, et la commande en temps réel du ou des moyens de ventilateur et/ou du moyen de régulation (23) pour obtenir le débit optimal calculé d'air alimenté au chauffe-eau thermodynamique (6). 11 - Chauffe-eau thermodynamique pour bâtiment selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comprend un piquage additionnel sur lequel se branche l'ensemble conduit auxiliaire (22), ledit piquage comportant le moyen de régulation (23) du débit del'ensemble conduit auxiliaire (22), asservi par le chauffe-eau thermodynamique (6).5
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| FR3115098A1 (fr) * | 2020-10-14 | 2022-04-15 | Compagnie Industrielle Des Chauffe-Eau | Appareil de chauffage thermodynamique à régulation optimisée |
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2014
- 2014-07-04 FR FR1456442A patent/FR3023359B1/fr active Active
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