FR2956475A3 - Dispositif permettant d'utiliser un chauffe-eau standard (cumulus) non modifie interieurement comme moyen de stockage d'eau chaude en provenance d'un panneau solaire ou d'une pompe a chaleur - Google Patents
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Abstract
L'invention comporte un échangeur de chaleur externe au cumulus [1] et un dispositif de connexion [4] sur le cumulus et sur le circuit de distribution permettant d'utiliser un cumulus sans modifications pour le stockage d'eau chaude et également de chauffer l'eau pour une utilisation directe dans le circuit de distribution. La taille de l'échangeur augmente le volume total d'eau chaude stockée. La connexion du dispositif se fait sur l'entrée d'eau froide [12] et sur la sortie d'eau chaude [11] du cumulus [6]. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à équiper les habitations en chauffage d'eau chaude solaire ou thermodynamique lorsque qu'il y a un chauffe-eau standard en place que l'on ne souhaite pas remplacer.
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.
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.
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.
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.
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.
La combinaison de ces deux fonctions et leur utilisation sur un cumulus sans le modifier intérieurement constitue l'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
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
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
La figure 6 représente un exemple de réalisation en mode de fonctionnement de l'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
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]
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]
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
Voici une description détaillée des sous fonctions :
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.
Description détaillée du système de connexion au cumulus
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]
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]
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.
Exemple de réalisation
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
Application industrielle
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.
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
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