FR3043181A1 - Installation thermodynamique de chauffage d'eau - Google Patents

Abstract

Installation de chauffage d'eau basée sur un chauffe-eau électrique à ballon (1) accumulateur d'eau chaude sanitaire comportant une arrivée d'eau froide (2), une tubulure (3) de sortie pour le soutirage d'eau chaude et des moyens électriques de chauffage de l'eau. Le ballon (1) accumulateur est relié à un circuit de chauffage d'eau, le chauffage s'effectuant à l'extérieur du ballon (1) par une pompe à chaleur (9), le circuit de chauffage comportant une prise d'eau froide dans le ballon (1) ou au niveau de l'arrivée d'eau froide (2) et une alimentation en eau chaude dans le ballon (1).

Description

La présente invention a trait à une installation de chauffage d'eau basée sur un chauffe-eau électrique à ballon accumulateur d'eau chaude sanitaire. Ces chauffe-eaux comportent une arrivée d'eau froide en provenance du réseau et un départ d'eau chauffée qui alimente le circuit d'eau chaude sanitaire. L'eau chaude y est obtenue par des moyens électriques de chauffage classiques tels que, par exemple, au moins une résistance électrique.

Ils sont de moins en moins utilisés, pour au moins deux raisons : la première tient à leurs coûts de fonctionnement directs, qui sont élevés du fait de l'augmentation constante des coûts de production de l'énergie électrique. La seconde relève plus de considérations politiques liées à la préservation de l'environnement et à l'utilisation, à présent officiellement recommandée, d'énergies renouvelables.

Dans cette perspective, les chauffe-eaux qui constituent clairement une alternative acceptable pour le futur sont de type thermodynamique. Dans ces chauffe-eaux, au moins une fraction de 1'énergie calorifique destinée à chauffer 1'eau du ballon provient d'une pompe à chaleur, l'autre fraction de l'énergie restant par exemple électrique. La pompe à chaleur prélève les calories dans les sources habituellement utilisées dans le cadre de l'habitat domestique.

La captation d'une énergie « gratuite », présente dans l'environnement, permet une diminution sensible des coûts de fonctionnement, par comparaison avec la charge économique que représente un chauffe-eau électrique traditionnel. Le rendement énergétique de ces dispositifs thermodynamiques est au surplus optimisé, en règle générale, par adjonction de moyens de contrôle permettant de gérer efficacement le chauffage combiné de l'eau. En bref, le chauffe-eau peut ne fonctionner qu'avec la pompe à chaleur lorsque la température de consigne le permet, ou en y associant la résistance électrique si besoin est. L'utilisation de cette résistance dépend non seulement de la température de consigne à atteindre, mais parfois également de la durée acceptable par l'utilisateur pour atteindre une température de consigne. Ά cet égard, les moyens de contrôle peuvent comporter plusieurs possibilités de réglage distinctes, actionnables manuellement ou gérées automatiquement.

Compte tenu des économies de coûts de fonctionnement, les chauffe-eaux thermodynamiques deviennent la norme dans l'équipement de l'habitat domestique, où ils remplacent progressivement les chauffe-eaux électriques traditionnels. Ce remplacement, qui marque une tendance actuelle forte accompagnant une réflexion générale sur les économies d'énergie, est également dû au fait que la réglementation thermique aux niveaux français et européen évolue. L’emploi d’une fraction croissante d’énergie renouvelable, notamment pour la construction de nouvelles maisons individuelles, est à présent imposé par les règlements national et communautaire. En conséquence, de nos jours, les systèmes nouvellement installés pour la production d'eau chaude sanitaire sont, dans une très large majorité des cas basés sur une solution thermodynamique.

Un chauffe-eau thermodynamique relève d'une conception sensiblement différente de celle des chauffe-eaux électriques. Dans une perspective de rénovation, passer d’une solution tout électrique à une solution thermodynamique nécessite dès lors dans presque tous les cas le remplacement pur et sinqple du chauffe-eau. Le chanq? d’application actuel des produits thermodynamiques se limite par conséquent en général à des constructions nouvelles, sauf à prévoir la dépose complète de l'installation existante pour lui substituer un dispositif thermodynamique.

Ce problème lié à la rénovation d'installations existantes a cependant déjà été posé, et il existe des solutions dans lesquelles l'énergie calorifique produite par une pompe à chaleur est utilisée en combinaison avec un chauffe-eau électrique. Dans ces solutions, un échangeur est enroulé autour de la cuve, ce qui limite cependant la puissance de l'installation, et impose au surplus un volume minimal pour le ballon d'eau chaude. L'échangeur est en pratique enroulé sur toute la hauteur du ballon, ce qui aboutit à dégrader les performances et le confort, notamment du fait d'une mauvaise homogénéité de l'opération de chauffage. Cette solution nécessite en outre que les ballons soient accessibles et inqplantés dans un espace permettant de les équiper d'un enroulement. Toutes ces contraintes et limitations limitent de manière inqportante les possibilités de « mise à niveau thermodynamique » des chauffe-eaux électriques installés.

La présente invention propose une nouvelle approche qui permet largement d'utiliser 1'existant, à savoir les chauffe-eaux électriques, quels que soient leur type et leur site d'inqplantation, en vue de les transformer en dispositifs thermodynamiques. Alternativement, l'approche de l'invention inqplique de ne modifier que dans un mesure minimale les chauffe-eaux existants. Elle pallie donc les insuffisances présentées auparavant et, moyennant des adaptations relativement mineures, procure un gain économique non négligeable. Au titre des avantages, la mise en œuvre de l'invention permet de faire changer 1’installation de catégorie au sens de la réglementation européenne, qui opère une classification liée à la performance, les installations thermodynamiques étant bien mieux classées.

Pour remplir ces objectifs, et d'autres qui apparaîtront dans la suite, l'installation de chauffage d'eau selon la présente invention, basée comme indiqué sur un chauffe-eau électrique classique à ballon accumulateur d'eau chaude sanitaire comportant une arrivée d'eau froide, une tubulure de sortie pour le soutirage d'eau chaude et des moyens électriques de chauffage de l'eau, se caractérise à titre principal en ce que le ballon accumulateur est relié à un circuit de chauffage d'eau, le chauffage s'effectuant à l'extérieur du ballon par une pompe à chaleur, le circuit de chauffage comportant une prise d'eau froide dans le ballon ou au niveau de l'arrivée d'eau froide et une alimentation en eau chaude dans le ballon.

Plus précisément, la prise d'eau froide est reliée via une conduite d'eau froide à l'entrée du secondaire d'un condenseur de pompe à chaleur ou d'un échangeur relié au condenseur d'une pompe à chaleur, dont la sortie est connectée à une conduite d'alimentation en eau chaude du ballon. L'invention permet en somme d'adapter une pompe à chaleur, quel que soit son type, à tous les types de chauffe-eaux électriques, muraux ou verticaux, moyennant quelques modifications principalement externes dans la circuiterie hydraulique et sans toucher fondamentalement à la structure dudit chauffe-eau. Cette adaptation peut en pratique prendre différentes formes.

Ainsi, selon une première possibilité, la prise d'eau froide peut s'effectuer via une dérivation de l'arrivée d'eau froide et la conduite d'alimentation en eau chaude peut être connectée à la tubulure de soutirage d'eau chaude, la dérivation d'eau froide et la connexion d'eau chaude étant disposées à l'extérieur du ballon. Cette configuration est conçue pour ne pas toucher à la structure du chauffe-eau.

Dans ce cas, un clapet anti-retour est disposé, sur la conduite d'alimentation en eau chaude, entre le condenseur de la pompe à chaleur et la connexion à la tubulure de soutirage d'eau chaude, en vue de séparer les deux circuits hydrauliques qui ne fonctionnent pas simultanément.

Dans cette configuration, le chauffage via la pompe à chaleur et le soutirage d'eau chaude sont en effet impossibles en même temps. Le chauffage via la pompe à chaleur est mis en œuvre la nuit, pendant les heures creuses. C'est la solution la plus performante sur le plan de la stricte rénovation.

Alternativement, la conduite d'eau froide et la conduite alimentant en eau chaude le ballon accumulateur peuvent être disposées coaxialement respectivement à l'arrivée d'eau froide et à la tubulure de soutirage d'eau chaude, et déboucher dans le ballon d'accumulation.

Cette disposition nécessite une modification des chauffe-eaux, mais qui est relativement minime et industriellement facilement adaptable. Elle est avantageuse en ce qu'elle permet d'une part un soutirage d'eau chaude en même temps que le chauffage de l'eau du ballon pour le circuit de chauffage extérieur, et d'autre part de réutiliser les orifices de passage des tubulures d'eau chaude et froide dans la paroi de la cuve du chauffe-eau traditionnel, sans autres modifications ailleurs sur le ballon d'accumulation. Le circuit hydraulique traditionnel du chauffe-eau et le circuit de chauffage de l'eau par la pompe à chaleur fonctionnent dans ce cas en parallèle.

Pour améliorer la préservation de la température de l'eau en sortie du ballon, des moyens d'isolation peuvent être disposés autour de la conduite alimentant en eau chaude le ballon accumulateur et autour de la conduite d'eau froide, sur au moins une portion de leur trajet commun avec respectivement la tubulure de soutirage d'eau chaude et l'arrivée d'eau froide, à l'extérieur du ballon.

Selon une autre variante encore, qui permet également un soutirage et un chauffage de l'eau simultanés, la prise d'eau froide dans le ballon et l'alimentation du ballon en eau chaude s'effectuent via une bride du chauffe-eau au travers de laquelle passent la conduite d'eau froide et la conduite d'alimentation en eau chaude. Cette bride, qui équipe tous les chauffe-eaux électriques, porte notamment la résistance électrique et permet d'avoir accès à l'intérieur de la cuve.

En pratique, dans les deux versions précédentes à tubes coaxiaux et à tubes fixés sur la bride, la conduite d'eau froide débouche dans ledit ballon à un niveau voisin de l'arrivée d'eau froide, emplacement de la cuve où l'eau est la plus froide. Pour les mêmes raisons de localisation des eaux chaudes et froides notamment dues à la stratification qui s'opère dans les cuves, la conduite alimentant en eau chaude le ballon accumulateur est de préférence orientée sensiblement verticalement, et elle débouche dans ledit ballon à un niveau inférieur à l'orifice terminal de captage d'eau chaude de la tubulure de sortie d'eau chaude, à l'intérieur du ballon. L'installation de l'invention comporte d'autres composants qui équipent le circuit hydraulique externe et optimisent son fonctionnement. Ainsi, une pompe de circulation peut être placée dans le circuit de chauffage d'eau à l'extérieur du ballon. L'utilisation d'une telle pompe peut en fait dépendre de la configuration du circuit hydraulique extérieur, et notamment de la proximité relative du ballon accumulateur et de la pompe à chaleur, et plus particulièrement du condenseur de cette dernière. La pompe à chaleur peut être monobloc, impliquant potentiellement une distance supérieure entre elle et le ballon du chauffe-eau, ou être une pompe communément désignée pompe à chaleur « split », signalant sa division en deux parties distinctes localisées en deux endroits différents, avec une possibilité pour l'échangeur, typiquement le condenseur, d'être plus proche du ballon d'eau chaude. Le circuit hydraulique propre à l'invention peut dans ce cas être plus compact.

De même, selon une configuration possible, un détecteur de débit peut être placé sur la tubulure de sortie d'eau chaude. Il sert notamment à empêcher un fonctionnement commun dans la première configuration expliquée ci-dessus. L'invention va à présent être décrite plus en détail, au moyen des figures suivantes, pour lesquelles : - la figure 1 est une vue schématique d'une installation thermodynamique pour le chauffage de l'eau sanitaire selon la première configuration de l'invention, avec un repiquage d'eau froide et une alimentation en eau chaude extérieurs ; - la figure 2 montre une même vue schématique correspondant à la seconde configuration ou variante de l'invention, avec des tubulures coaxiales ; - la figure 3 représente en vue perspective la configuration du conduit double côté eau chaude, incluant la tubulure de sortie de soutirage d'eau chaude et la conduite d'alimentation en eau chauffée par la pompe à chaleur ; et - la figure 4 montre un détail agrandi dudit double conduit et un moyen de connexion possible à la conduite d'alimentation en eau chauffée par la pompe à chaleur.

En référence à la figure 1, le ballon (1) d'eau chaude sanitaire représenté est constitué d'une cuve comportant une tuyauterie (2) de raccordement à l'eau froide sanitaire et une tubulure de sortie (3) de soutirage de l'eau chaude produite à l'intérieur du ballon (1), notamment par au moins une résistance électrique (14). Un repiquage est effectué en (4) sur l'arrivée d'eau froide (2), point de départ d'une conduite de dérivation (5) d'eau froide qui est connectée, en passant par une ponqpe de recirculation (6), à l'entrée (7) du secondaire d'un condenseur (8) appartenant à une pompe à chaleur (9) . Le primaire du condenseur (8) est donc relié au circuit du fluide frigorigène de la pompe à chaleur (9). Un échangeur additionnel pourrait le cas échéant être prévu entre le condenseur (8) et le ballon (1), et le même raisonnement s'appliquerait alors au secondaire de cet échangeur additionnel.

Selon l'invention, la sortie (10) du condenseur est reliée, via une conduite (11) munie d'un clapet anti-retour (12), à la tubulure (3) de soutirage d'eau chaude en provenance du ballon (1) . L'eau chauffée par le condenseur (8) de la pompe à chaleur (9) en sortie (10) est donc véhiculée vers le ballon (1) via la tubulure (3), se mélangeant à l'eau déjà présente dans le ballon (1) , laquelle peut le cas échéant être en cours de chauffage par la résistance (14). L'apport d'eau chaude en provenance du condenseur (8) de la pompe à chaleur (9) permet d'économiser de l'énergie électrique puisque le recours au chauffage par la résistance peut alors n'être que partiel. Aucun soutirage n'est possible pendant la période de chauffage par la pompe à chaleur (9) , qui intervient de préférence pendant les heures creuses où l'énergie est moins chère. Un détecteur de débit (13) peut être placé en sortie de la tubulure (3) pour mesurer le débit d'eau chaude sanitaire produit par l'installation et arrêter la pompe à chaleur lors d'un soutirage puisque le fonctionnement est alternatif.

Dans la configuration de la figure 2, la tubulure (3) et la conduite (11) sont coaxiales pendant, au moins une fraction de leurs trajets respectifs, de même que l'arrivée d'eau (2) et la conduite d'eau froide (5'),l'eau froide soutirée par la conduite (5') étant captée au voisinage du débouché de l'arrivée d'eau (2) et l'eau amenée par la conduite (11) débouchant à un niveau inférieur au niveau du captage par la tubulure de soutirage (3). L'eau est la plus chaude en haut de la cuve du ballon (1), là où elle est captée par la tubulure de sortie (3). L'eau froide se trouve en bas de la cuve et devient chaude vers le haut par strates. Le fonctionnement parallèle de la boucle de chauffage par la pompe à chaleur et du chauffage par la résistance (14) n'impose plus l'existence d'un clapet antiretour .

Les figures 3 et 4 illustrent la mise en oeuvre schématisée en la figure 2. On utilise en pratique ces orifices qui sont prévus dans le bas de la cuve du ballon (1) pour le passage, d'une part, de la tubulure de sortie (3) de l'eau chaude et, d'autre part, de l'arrivée d'eau froide (2) pour faire passer respectivement la conduite (11) et la conduite d'eau froide (5'), ainsi qu'un manchon d'isolation (16,16'). La tubulure (3) et la conduite (11) sont alors disposées coaxialement, la conduite (11) entourant la tubulure (3), dans leurs parties verticales communes. Il en va de même pour les conduites d'eau froide (5') et l'arrivée d'eau (2). Un embout fileté (15, 15') est prévu pour réaliser la liaison, via un conduit additionnel intermédiaire (non représenté), respectivement avec la sortie (10) du secondaire du condenseur (8) et avec l'entrée (7) dudit secondaire. La disposition de la conduite (11) à l'extérieur de la tubulure (3) est nécessaire car elle débouche, dans la cuve, à un niveau inférieur à l'extrémité supérieure de la tubulure (3) par laquelle se fait le captage d'eau chaude, comme cela apparaît clairement en figure 3. De l'eau chaude en provenance de la pompe à chaleur (9) est donc déversée dans la cuve, à un niveau intermédiaire, aidant au réchauffage de la masse d'eau contenue dans la cuve du ballon (1).

Dans la configuration à double tuyau des figures 2 à 4, la tubulure (3) de sortie d'eau chaude se prolonge dans une direction verticale sous l'écrou (17) de la figure 3 en vue d'alimenter le circuit d'eau chaude sanitaire de l'habitat équipé de l'installation de chauffage d'eau selon la présente invention. Un écrou (17') est également utilisé pour le circuit froid. La solution montrée est simple à mettre en œuvre, étanchéifiée avec des joints classiques plats et raccordable au moyen d'écrous libres (voir en particulier en figure 3).

Selon une alternative non représentée, la prise d'eau froide dans le ballon (1) et l'alimentation en eau chaude dans le ballon (1) s'effectuent via une bride du chauffe-eau au travers de laquelle passent la conduite d'eau froide (5') et la conduite d'alimentation (11) en eau chaude. L'ensemble décrit ci-dessus permet de faire évoluer un chauffe-eau électrique standard en une installation à forte efficacité, et est implantable dans des constructions neuves aussi bien qu'utilisable pour des opérations de rénovation puisque la solution est aisément adaptable aux ballons existants. La mise en œuvre de l'invention est très souple parce qu'elle s'effectue pour l'essentiel à l'extérieur des ballons. Elle est particulièrement adaptée aux configurations à pompes à chaleur (9) de type « split » : si le ballon d'accumulation (1) le permet, c'est-à-dire s'il est placé dans un endroit accessible avec du volume disponible, le module échangeur (8) de sortie de la pompe à chaleur (9) peut alors y être directement fixé. Dans l'hypothèse contraire, ce module pourra néanmoins être fixé au mur à proximité du ballon (1). L'installation de l'invention est également avantageuse en ce qu'elle offre des facilités de maintenance, et permet de limiter sensiblement les frais de réparation, s'il y a lieu. En cas de problème par exemple sur le ballon (fuite) , seul le ballon (1) est à changer, puisque la solution est prévue pour s'ajouter à l'extérieur de celui-ci, et en est par conséquent et pour l'essentiel distincte.

Les exenqples de configuration qui sont décrits en référence aux figures ne sont pas exhaustifs de l'invention, qui englobe également les variantes de formes et de configurations qui sont dans la portée des revendications.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS

   1.Installation de chauffage d'eau basée sur un chauffe-eau électrique à ballon (1) accumulateur d'eau chaude sanitaire comportant une arrivée d'eau froide (2), une tubulure (3) de sortie pour le soutirage d'eau chaude et des moyens électriques de chauffage de l'eau, caractérisée en que le ballon (1) accumulateur est relié à un circuit de chauffage d'eau, le chauffage s'effectuant à l'extérieur du ballon (1) par une pompe à chaleur (S) , le circuit de chauffage comportant une prise d'eau froide dans le ballon (1) ou au niveau de l'arrivée d'eau froide (2) et une alimentation en eau chaude dans le ballon (1).
2. 2.Installation de chauffage d'eau selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la prise d'eau froide est reliée via une conduite d'eau froide (5, 5') à l'entrée (7) du secondaire d'un condenseur (8) de pompe à chaleur (9) ou d'un échangeur relié au condenseur (8) d'une pompe à chaleur (9) , dont la sortie (10) est connectée à une conduite d'alimentation (11) en eau chaude du ballon (1).
3. 3.Installation de chauffage d'eau selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la prise d'eau froide s'effectue via une dérivation (5) de l'arrivée d'eau froide (2), et la conduite d'alimentation (11) en eau chaude est connectée à la tubulure (3) de soutirage d'eau chaude, la dérivation d'eau froide et la connexion d'eau chaude étant disposées à l'extérieur du ballon (1).
4. 4.Installation de chauffage d'eau selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'un clapet anti-retour (12) est disposé sur la conduite ' (11) d'alimentation en eau chaude entre le condenseur (8) de la pompe à chaleur (9) et la connexion à la tubulure (3) de soutirage d'eau chaude.
5. 5.Installation de chauffage d'eau selon la revendication 2, caractérisée en ce que la conduite (5') cl'eau froide et la conduite (11) alimentant en eau chaude le ballon (1) accumulateur sont disposées coaxialement respectivement à l'arrivée d'eau froide (2) et à la tubulure (3) de soutirage d'eau chaude, et débouchent dans le ballon (1) d'accumulation.
6. 6.Installation de chauffage d'eau - selon la revendication précédente, caractérisée en ce que des moyens désolation (16, 16') sont disposés autour dé la conduite (11) alimentant en eau chaude le ballon (1) accumulateur et autour de la conduite d'eau froide (5'), sur au moins une portion de leur trajet commun avec, respectivement la tubulure (3) de sortie d'eau chaude et l'arrivée d'eau froide (2), à l'extérieur du ballon (1).
7. 7.Installation de chauffage d'eau selon la revendication 2, caractérisée en ce que la prise d'eau froide dans le ballon (1) et l'alimentation du ballon (1) en eau chaude s'effectuent via une bride du chauffe-eau au travers de laquelle passent la conduite d'eau froide (5') et la conduite d'alimentation (11) en eau chaude.
8. 8.Installation de chauffage d'eau selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que la conduite d'eau froide (5') débouche dans ledit ballon (1) à un niveau voisin de celui de l'arrivée (2) d'eau froide.
9. 9.Installation de chauffage d'eau selon l'une des revendications 5 à 8T .caractérisée en ce que la conduite (11) alimentant en eau chaude le ballon (1) accumulateur est orientée sensiblement verticalement et débouche dans ledit ballon (1) à un niveau inférieur à l'orifice terminal de captage d'eau chaude de la tubulure (3) de sortie à l'intérieur du ballon (1).
10. 10. Installation de chauffage d'eau selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une pompe de circulation (6) est placée dans le circuit de chauffage d'eau à 1'extérieur du ballon.
11. 11. Installation de chauffage d'eau selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'un détecteur de débit (13) est placé sur la tubulure de sortie d'eau chaude.