CH712646A1 - Dispositif de distribution d'énergie thermique en réseau pour alimenter un site urbain et/ou industriel. - Google Patents

Abstract

L’invention concerne un dispositif (100) de distribution d’énergie thermique en réseau pour alimenter un site urbain et/ou industriel (170), ce dispositif comportant au moins une unité (140) de production d’énergie thermique, un réseau de distribution (150) qui est agencé pour véhiculer ladite énergie en vue d’alimenter ledit site urbain et/ou industriel et une pluralité d’utilisateurs (160), consommateurs d’énergie thermique, localisés sur ledit site, et qui sont habilités à prélever de l’énergie thermique dans ledit réseau (150), caractérisé en ce que ledit réseau (150) comporte: au moins un premier circuit (110) de distribution d’énergie thermique, à haute température, composé d’une boucle fermée comprenant d’une part un conduit aller (111) et d’autre part un conduit retour (112) qui véhiculent un premier fluide caloporteur, au moins un deuxième circuit (120) de distribution d’énergie thermique à basse température, composé d’une boucle fermée comprenant d’une part un conduit aller et d’autre part un conduit retour (122) qui véhiculent un second fluide caloporteur, au moins un échangeur de chaleur (130) pour coupler thermiquement au moins ledit circuit à haute température de distribution d’énergie thermique avec ledit circuit à basse température de distribution d’énergie thermique, sans contact direct entre lesdits premier et second fluides caloporteurs, au moins une pompe de circulation dudit premier fluide caloporteur montée sur ledit premier circuit à haute température, et au moins une pompe de circulation dudit second fluide caloporteur montée sur ledit deuxième circuit à basse température.

Description

Description Domaine technique [0001] La présente invention concerne un dispositif de distribution d’énergie thermique en réseau pour alimenter un site urbain et/ou industriel, ce dispositif comportant au moins une unité de production d’énergie thermique, un réseau de distribution dans lequel circule un fluide caloporteur qui est agencé pour véhiculer ladite énergie thermique en vue d’alimenter ledit site urbain et/ou industriel, ainsi qu’une pluralité d’utilisateurs, consommateurs d’énergie thermique, localisés sur ledit site urbain et/ou industriel et qui sont habilités à prélever de l’énergie thermique dans ledit réseau.

Technique antérieure [0002] Les réseaux de chauffage à distance, appelés couramment chauffages urbains, comportent habituellement au moins une paire de conduits, dont le premier, appelé «tube aller» est connecté entre une source chaude et au moins un dispositif consommateur d’énergie thermique, par l’intermédiaire d’un point de soutirage, et dont le second, appelé «tube retour» est connecté entre le point de soutirage et la source chaude pour ramener le fluide caloporteur refroidi dans le réseau. L’objectif de ces réseaux est d’alimenter le dispositif consommateur, qui est par exemple une maison, un local utilitaire ou similaire, en calories prélevées dans le fluide caloporteur. Dans ce cas de réalisation, les conduits sont distincts et disposés parallèlement l’un par rapport à l’autre.

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

[0004] Il en résulte que les réseaux de chauffage urbain actuels, sont basés sur le principe suivant: - en phase 1, on chauffe un fluide caloporteur à température élevée pour qu’il puisse distribuer de l’énergie calorifique en suffisance pour donner satisfaction à l’ensemble des consommateurs du réseau alimenté par ledit fluide caloporteur; - en phase 2, on met ledit fluide caloporteur chaud en circulation dans le conduit «aller», de telle manière que les consommateurs puissent être approvisionnés à travers leur point de soutirage; en vue d’éviter au mieux les pertes, les conduits doivent être isolés efficacement; - en phase 3, on remet ledit fluide caloporteur, en circulation dans le conduit «retour», ce dernier étant en partie refroidi après avoir alimenté les consommateurs, pour le ramener vers la source de chaleur; comme pour la phase 2, les conduits doivent être isolés efficacement, en vue d’éviter au mieux les pertes de chaleur.

[0005] Les réseaux de distributions actuels sont extrêmement coûteux à l’installation en raison du coût d’achat et de mise en place des matériaux isolants, ainsi qu’à l’exploitation en raison des coûts de production de l’énergie et des pertes dans les conduits. Par ailleurs, des installations de distribution d’énergie thermique en réseau travaillant à basse température ont été développées, avec pour avantages des coûts d’installation plus réduits et des frais d’exploitation plus avantageux que ceux des réseaux à haute température. Ces deux types de réseaux fonctionnent sur des principes fondamentalement différents, de sorte que la mise en place d’un réseau à basse température ne peut pas coexister, dans l’état actuel, avec un réseau à haute température. Il en résulte que la mise en place d’un réseau de distribution d’énergie thermique à basse température sous-entend la suppression du réseau existant à haute température. Or une telle opération est compliquée en raison des coûts et en raison des contraintes techniques et administratives, obligeant par exemple les gestionnaires du réseau à haute température existant à abroger des contrats d’exploitation, contraignant les promoteurs d’un réseau à basse température à obtenir les autorisations légales nécessaires et nécessitant des investissements préliminaires susceptibles de décourager les volontés d’implantation de ces réseaux. Il en découle que les deux systèmes sont et restent concurrents et ne sont, a priori, pas adaptés pour coopérer, ce qui constitue un obstacle majeur au développement des réseaux à basse température, dans les zones où un réseau à haute température est déjà implanté, malgré ses avantages économiques.

Exposé de l’invention [0006] La présente invention se propose de pallier l’ensemble des inconvénients mentionnés ci-dessus en fournissant les moyens pour concilier les deux types de réseaux en les rendant complémentaires, à la fois dans des zones où un réseau à haute température est déjà en place et dans des zones où une combinaison des deux types de réseaux peut être souhaitable pour exploiter des ressources existantes, notamment.

[0007] Ces buts sont atteints par le réseau de chauffage urbain, tel que défini en préambule et caractérisé en ce qu’il comporte: - au moins un premier circuit de distribution d’énergie thermique, à haute température, composé d’au moins une boucle fermée comprenant d’une part un conduit aller et d’autre part un conduit retour qui véhiculent un premier fluide caloporteur, - au moins un deuxième circuit de distribution d’énergie thermique à basse température, composé d’au moins une boucle fermée comprenant d’une part un conduit aller et d’autre part un conduit retour qui véhiculent un second fluide caloporteur, - au moins un échangeur de chaleur pour coupler thermiquement au moins ledit circuit à haute température de distribution d’énergie thermique avec ledit circuit à basse température de distribution d’énergie thermique, sans couplage hydraulique entre lesdits premier et second fluides caloporteurs, - au moins une pompe de circulation dudit premier fluide caloporteur montée sur ledit premier circuit à haute température, et - au moins une pompe de circulation dudit second fluide caloporteur montée sur ledit deuxième circuit à basse température.

[0008] Selon un mode de réalisation préféré, ledit échangeur de chaleur est un échangeur à plaques pourvu de deux circuits internes indépendants, un premier circuit interne à haute température connecté audit premier circuit de distribution d’énergie thermique à haute température, et un second circuit interne à basse température connecté audit deuxième circuit de distribution d’énergie thermique à basse température; ledit échangeur de chaleur comportant d’une part une entrée dudit premier fluide caloporteur et une sortie dudit premier fluide caloporteur, ladite entrée et ladite sortie dudit premier fluide caloporteur étant raccordées audit premier circuit de distribution d’énergie thermique, et d’autre part une entrée dudit second fluide caloporteur et une sortie dudit second fluide caloporteur, ladite entrée et ladite sortie étant raccordées audit deuxième circuit de distribution d’énergie thermique à basse température.

[0009] D’une manière avantageuse, lesdites plaques dudit échangeur de chaleur sont des plaques parallèles et espacées entre elles pour définir deux réseaux indépendants d’espaces parallèles, respectivement parcourus par ledit premier fluide caloporteur et ledit second fluide caloporteur.

[0010] Ladite entrée et ladite sortie dudit premier fluide caloporteur sont équipées d’une vanne à au moins deux voies, ladite entrée et ladite sortie dudit second fluide caloporteur, étant également équipées d’une vanne à au moins deux voies pour mettre ledit échangeur de chaleur en court-circuit.

[0011] Le dispositif comporte préférentiellement une unité centrale de gestion équipée d’au moins un capteur de température agencé pour mesurer la température dudit premier fluide caloporteur sur le conduit aller dudit premier circuit de distribution d’énergie thermique, au moins un deuxième capteur de température, agencé pour mesurer la température dudit premier fluide caloporteur sur le conduit retour dudit premier circuit de distribution d’énergie thermique, au moins un troisième capteur de température sur ledit deuxième circuit de distribution d’énergie thermique.

[0012] La température dudit premier fluide caloporteur est avantageusement comprise entre 50 et 100 °C et de préférence comprise entre 60 et 95 °C et en particulier avantageusement égale à 90 °C.

[0013] La température dudit second fluide caloporteur est avantageusement comprise entre 2 et 20 °C et de préférence comprise entre 2 et 15 °C et en particulier avantageusement égale à 9 °C.

[0014] Chacun desdits au moins un réseau à basse température est connecté audit au moins un premier circuit de distribution d’énergie thermique sur son conduit de retour.

[0015] La connexion d’entrée et la connexion de sortie dudit au moins un réseau à basse température sont espacées d’une distance prédéterminée.

Description sommaire des dessins [0016] La présente invention et ses principaux avantages apparaîtront mieux dans la description d’un mode de réalisation préféré, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la fig. 1 est une vue schématique d’un réseau d’échange thermique selon l’invention, la fig. 2 est une vue schématique en coupe transversale d’une forme de réalisation d’un échangeur de chaleur utili sable dans le réseau d’échange thermique selon l’invention, et la fig. 3 est une vue schématique d’un dispositif central de gestion de la circulation des fluides caloporteurs. Meilleure(s) manière(s) de réaliser l’invention [0017] En référence aux figures, et en particulier à la fig. 1, le réseau d’échange d’énergie thermique 100 comporte au moins un premier circuit 110 à haute température partant d’un générateur 140 d’énergie thermique, et comprenant au moins une boucle fermée 111 de distribution de fluide caloporteur à haute température. Ladite boucle fermée 111 est formée d’un conduit aller 112 ayant son entrée qui correspond à une sortie 140a du générateur 140 d’énergie thermique et qui véhicule un premier fluide caloporteur chaud A, et un conduit de retour 113 ayant sa sortie qui correspond à une entrée 140b du générateur 140 d’énergie thermique et qui véhicule le premier fluide caloporteur A, initialement chaud, mais qui a perdu une partie au moins de l’énergie thermique qu’il a véhiculé entre la sortie 140a du générateur 140 et le retour par la sortie 140b dans le générateur à son retour.

[0018] Cette première partie du réseau d’échange thermique 100 peut être existante, sur un site équipé antérieurement, ou nouvelle, selon les modalités d’implantation ou en fonction de ressources disponibles à proximité des sites.

[0019] Une deuxième partie du réseau d’échange thermique 100 est composée de préférence d’une pluralité de deuxièmes circuits 120 de distribution d’énergie thermique dont chacun forme une boucle fermée 122 avec un conduit aller 123 et un conduit retour 124. Lesdits deuxièmes circuits 120 sont des circuits à basse température qui véhiculent un second fluide caloporteur B. Le second fluide caloporteur B présent dans les deuxièmes circuits à basse température 120 peut être différent dudit premier fluide caloporteur A ou identique à ce dernier, sachant que les températures moyennes des deux fluides sont très différentes. De ce fait, le choix des fluides caloporteurs A et B pourra être effectué de telle manière que chacun d’eux ait une efficacité optimale à sa température de fonctionnement.

[0020] Chacun desdits deuxièmes circuits 120 est raccordé au premier circuit 110 par l’intermédiaire d’un échangeur de chaleur 130 qui a notamment pour fonction de séparer les flux des fluides caloporteurs respectivement A et B dans ledit au moins un premier circuit 110 et dans lesdits deuxièmes circuits 120 et d’interconnecter thermiquement les deux types de circuits, l’un étant à haute température et l’autre étant à basse température.

[0021] Les échangeurs de chaleur 130 sont de préférence des échangeurs à plaques 300, illustrés schématiquement par la fig. 2, pourvus de deux circuits internes indépendants, à savoir un premier circuit interne à haute température 210 connecté audit premier circuit 110 de distribution d’énergie thermique, et un second circuit interne à basse température 220 connecté audit deuxième circuit 120 de distribution d’énergie thermique. Pour assurer l’échange thermique entre les deux circuits internes, les plaques 300 sont disposées parallèlement en délimitant des espaces pour le passage des fluides caloporteurs A et B, chaque plaque 330 ayant une face en contact avec le fluide caloporteur A du circuit à haute température et la face parallèle en contact avec le fluide caloporteur B du circuit à basse température. Les échanges thermiques entre les deux fluides caloporteurs A et B s’effectuent à travers les plaques 300, thermiquement bonnes conductrices, sans qu’il y ait un quelconque échange hydraulique entre les deux circuits.

[0022] L’échangeur de chaleur 130 comporte par ailleurs une entrée 131a dudit premier fluide caloporteur A et une sortie 131b dudit premier fluide caloporteur A, ladite entrée 131a et ladite sortie 131b étant raccordées audit premier circuit 110 de distribution d’énergie thermique. Le premier circuit interne à haute température 210 est situé entre ladite entrée 131a et ladite sortie 131b de l’échangeur de chaleur 130.

[0023] Pour faciliter une éventuelle intervention ou un remplacement d’un échangeur de chaleur 130, les entrées des deux fluides caloporteurs A et B et leurs sorties, sont protégées par des vannes, à deux ou trois voies, en vue de les mettre en court-circuit, le cas échéant.

[0024] On notera que les deux raccords correspondant à l’entrée 131a et à la sortie 131b sont montés sur le conduit de retour du premier circuit 110 à haute température (voir fig. 1). Ils sont disposés à une distance prédéterminée l’un de l’autre pour éviter que le fluide puisse circuler en circuit fermé entre l’entrée 131a et la sortie correspondante 131b. Dans ce but la circulation du premier fluide caloporteur A dans le circuit à haute température est contrôlée par des capteurs de mesure de la pression, du débit et bien entendu des températures dans les différents circuits.

[0025] L’échangeur de chaleur 130 comporte en outre une entrée 132a dudit second fluide caloporteur et une sortie 132b dudit second fluide caloporteur B, chaque entrée 132a et chaque sortie 132b étant raccordées à l’un des seconds circuits 120 de distribution d’énergie thermique à basse température. Le second circuit interne à basse température 220 de l’échangeur de chaleur 130 est situé entre ladite entrée 132a et ladite sortie 132b. Comme pour le circuit à haute température, la circulation du second fluide caloporteur dans le circuit à basse température est contrôlée par des capteurs de mesure de la pression, du débit et bien entendu des températures dans les différents circuits. Pour des raisons de sécurité, les échangeurs de chaleur sont raccordés aux circuits respectifs par des vannes à deux ou à trois voies pour permettre un remplacement rapide ou une réparation d’un échangeur de chaleur sans perturber l’ensemble du réseau.

[0026] On notera qu’un ou plusieurs deuxièmes circuits 120 peuvent être raccordés à un autre deuxième circuit 120, selon la configuration du site d’implantation d’un réseau. Cette interconnexion s’effectue également par l’intermédiaire d’un échangeur de chaleur 130 (voir fig. 1).

[0027] Les consommateurs 160 sont tous connectés sur les circuits à basse température 120, par l’intermédiaire d’une pompe à chaleur 170. Cette pompe à chaleur est nécessaire étant donné que les deuxièmes réseaux 120 véhiculent le second fluide caloporteur à basse température, capable de se charger en énergie calorifique au cours de son trajet dans le sol environnant. Un ensemble de gestion des températures des fluides caloporteurs desdits seconds circuits à basse température assure une régulation appropriée des températures pour maintenir la température moyenne du second fluide caloporteur à une valeur supérieure à au moins 2 °C, afin d’éviter le gel, sachant que, pour des raisons économiques, l’eau est privilégiée en tant que fluide caloporteur, et inférieure à environ 9»C afin de permettre le captage d’énergie thermique dans le sol environnant ou dans d’autres sources de chaleur disponible sur le passage du circuit.

[0028] La fig. 3 illustre schématiquement le dispositif de gestion du réseau 100 comportant un module central de gestion 180 équipé d’un écran 181 et de surfaces d’affichage des températures et des pressions des fluides qui circulent dans le réseau. La face frontale du module de gestion 180 comporte notamment un premier afficheur C10 qui coopère avec un capteur de température agencé pour mesurer la température dudit premier fluide caloporteur sur le conduit aller dudit premier circuit 110 de distribution d’énergie thermique. Un deuxième afficheur C-π qui coopère avec un capteur de tem

Claims (10)

1. pérature agencé pour mesurer la température dudit premier fluide caloporteur sur le conduit retour dudit premier circuit 110 de distribution d’énergie thermique, est monté sur la face frontale du module 180. Au moins un troisième capteur de température (C12), coopère avec un capteur de température disposé sur ledit deuxième circuit (120) de distribution d’énergie thermique. Le suivi des températures et des pressions des fluides caloporteurs A et B permet de faire fonctionner le réseau de telle manière que les échanges soient les plus efficaces et les plus économiques. [0029] On notera qu’une partie des circuits à basse température 120, qui sont prioritairement représentés comme étant couplés à des circuits à haute température 110, pourraient également être connectés à d’autres circuits à basse température 120 du réseau, par l’intermédiaire d’un échangeur de chaleur. Le module de gestion permet, dans ce cas de gérer les températures des circuits du réseau de manière à rendre compatibles les différents circuits pour assumer leur fonction de distribution appropriée d’énergie thermique. [0030] Diverses variantes pourraient être imaginées par l’homme de l’art, en ce qui concerne la réalisation et la disposition des conduits qui constituent le réseau, mais elles restent incluses dans les caractéristiques définies par les revendications. Le système décrit est a priori utilisé pour distribuer des calories en vue d’apporter de l’énergie thermique chaude aux consommateurs. Toutefois, en modifiant les paramètres, il serait envisageable de distribuer des calories négatives et de gérer un réseau de réfrigération. Revendications

   1. Dispositif (100) de distribution d’énergie thermique en réseau pour alimenter un site urbain et/ou industriel (170), ce dispositif comportant au moins une unité (140) de production d’énergie thermique, un réseau de distribution (150) qui est agencé pour véhiculer ladite énergie thermique en vue d’alimenter ledit site urbain et/ou industriel et une pluralité d’utilisateurs (160), consommateurs d’énergie thermique, localisés sur ledit site urbain et/ou industriel, et qui sont habilités à prélever de l’énergie thermique dans ledit réseau (150), caractérisé en ce que ledit réseau (150) comporte: - au moins un premier circuit (110) de distribution d’énergie thermique, à haute température (HT), composé d’une boucle fermée comprenant d’une part un conduit aller (111) et d’autre part un conduit retour (112) qui véhiculent un premier fluide caloporteur, - au moins un deuxième circuit (120) de distribution d’énergie thermique à basse température (BT), composé d’une boucle fermée comprenant d’une part un conduit aller (121) et d’autre part un conduit retour (122) qui véhiculent un second fluide caloporteur, -au moins un échangeur de chaleur (130) pour coupler thermiquement au moins ledit circuit à haute température (HT) de distribution d’énergie thermique avec ledit circuit à basse température (BT) de distribution d’énergie thermique, sans contact direct entre lesdits premier et second fluides caloporteurs, - au moins une pompe de circulation dudit premier fluide caloporteur montée sur ledit premier à haute température (HT), et - au moins une pompe de circulation dudit second fluide caloporteur montée sur ledit deuxième circuit à basse température (BT).
2. 2. Dispositif (100) de distribution en réseau d’énergie thermique selon la revendication 1, dans lequel ledit échangeur de chaleur (130) est un échangeur à plaques (300) pourvu de deux circuits internes indépendants (210, 220), un premier circuit interne à haute température (210) connecté audit premier circuit (110) de distribution d’énergie thermique à haute température, et un second circuit interne à basse température (220) connecté audit deuxième circuit (120) de distribution d’énergie thermique à basse température, ledit échangeur de chaleur (130) comportant d’une part une entrée (131 a) dudit premier fluide caloporteur et une sortie dudit premier fluide caloporteur (131b), ladite entrée (131 a) et ladite sortie (131b) dudit premier fluide caloporteur étant raccordées audit premier circuit (110) de distribution d’énergie thermique, et d’autre part une entrée (132a) dudit second fluide caloporteur et une sortie (132b) dudit second fluide caloporteur, ladite entrée (132a) et ladite sortie (132b) étant raccordées audit deuxième circuit (120) de distribution d’énergie thermique à basse température.
3. 3. Dispositif (100) de distribution en réseau d’énergie thermique, selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites plaques (300) dudit échangeur de chaleur (130) sont des plaques parallèles et espacées entre elles pour définir deux réseaux indépendants d’espaces parallèles, respectivement parcourus par ledit premier fluide caloporteur et ledit second fluide caloporteur.
4. 4. Dispositif (100) de distribution en réseau d’énergie thermique, selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite entrée (131a) et ladite sortie (131b) dudit premier fluide caloporteur sont équipées d’une vanne à au moins deux voies ainsi que ladite entrée (132a) et ladite sortie (132b) dudit second fluide caloporteur, sont équipées d’une vanne à au moins deux voies, pour mettre ledit échangeur de chaleur en court-circuit.
5. 5. Dispositif (100) de distribution en réseau d’énergie thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comporte une unité centrale de gestion (180) équipée d’au moins un capteur de température (C10) agencé pour mesurer la température dudit premier fluide caloporteur sur le conduit aller dudit premier circuit (110) de distribution d’énergie thermique, au moins un deuxième capteur de température (C-n), agencé pour mesurer la température dudit premier fluide caloporteur sur le conduit retour dudit premier circuit (110) de distribution d’énergie thermique, au moins un troisième capteur de température (C12) sur ledit deuxième circuit (120) de distribution d’énergie thermique.
6. 6. Dispositif (100) de distribution en réseau d’énergie thermique, selon la revendication 1, dans lequel la température dudit premier fluide caloporteur est comprise entre 50 et 100 °C et de préférence comprise entre 60 et 95 °C et en particulier avantageusement égale à 90 °C.
7. 7. Dispositif (100) de distribution en réseau d’énergie thermique, selon la revendication 1, dans lequel la température dudit second fluide caloporteur est comprise entre 2 et 20 °C et de préférence comprise entre 2 et 15 °C et en particulier avantageusement égale à 9 °C.
8. 8. Dispositif (100) de distribution en réseau d’énergie thermique, selon la revendication 1, dans lequel chacun desdits au moins un deuxième circuit (120) de distribution d’énergie thermique à basse température (BT) est connecté audit au moins un premier circuit (110) de distribution d’énergie thermique à haute température (HT), sur son conduit de retour.
9. 9. Dispositif (100) de distribution en réseau d’énergie thermique, selon la revendication 8, dans lequel la connexion d’entrée et la connexion de sortie dudit au moins un réseau à basse température (BT) sont espacés d’une distance prédéterminée.
10. 10. Dispositif (100) de distribution en réseau d’énergie thermique, selon la revendication 1, dans lequel au moins un deuxième circuit (120) de distribution d’énergie thermique à basse température (BT) est connecté à un autre deuxième circuit (120) de distribution d’énergie thermique à basse température (BT).