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EP3353473A1 - Dispositif de production d'eau chaude sanitaire par récupération de chaleur des eaux usées, une installation et un procédé de production associé - Google Patents

Dispositif de production d'eau chaude sanitaire par récupération de chaleur des eaux usées, une installation et un procédé de production associé

Info

Publication number
EP3353473A1
EP3353473A1 EP16770718.1A EP16770718A EP3353473A1 EP 3353473 A1 EP3353473 A1 EP 3353473A1 EP 16770718 A EP16770718 A EP 16770718A EP 3353473 A1 EP3353473 A1 EP 3353473A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hot water
wastewater
circuit
water
domestic hot
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16770718.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Joël WYTTENBACH
Pierre Dumoulin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP3353473A1 publication Critical patent/EP3353473A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D17/00—Domestic hot-water supply systems
    • F24D17/02—Domestic hot-water supply systems using heat pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D17/00—Domestic hot-water supply systems
    • F24D17/0005—Domestic hot-water supply systems using recuperation of waste heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D19/00—Details
    • F24D19/10—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F24D19/1006—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems
    • F24D19/1051—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for domestic hot water
    • F24D19/1054—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for domestic hot water the system uses a heat pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/54—Water heaters for bathtubs or pools; Water heaters for reheating the water in bathtubs or pools
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B25/00—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00
    • F25B25/005—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00 using primary and secondary systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25B30/00—Heat pumps
    • F25B30/02—Heat pumps of the compression type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D21/0001—Recuperative heat exchangers
    • F28D21/0012—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from waste water or from condensates
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E03—WATER SUPPLY; SEWERAGE
    • E03C—DOMESTIC PLUMBING INSTALLATIONS FOR FRESH WATER OR WASTE WATER; SINKS
    • E03C1/00—Domestic plumbing installations for fresh water or waste water; Sinks
    • E03C2001/005—Installations allowing recovery of heat from waste water for warming up fresh water
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
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    • F24D2200/12—Heat pump
    • F24D2200/123—Compression type heat pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24D2200/16—Waste heat
    • F24D2200/20—Sewage water
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B2339/00—Details of evaporators; Details of condensers
    • F25B2339/04—Details of condensers
    • F25B2339/047—Water-cooled condensers
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    • Y02B30/52—Heat recovery pumps, i.e. heat pump based systems or units able to transfer the thermal energy from one area of the premises or part of the facilities to a different one, improving the overall efficiency
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/56—Heat recovery units

Definitions

  • the present invention relates to a device for producing domestic hot water by heat recovery of wastewater, an installation and an associated production method.
  • the field of the invention relates to the optimization of hot water production and is part of sustainable development tending to reduce the use of energy.
  • the invention will find particular application for the recovery of heat energy from wastewater in individual dwellings for showers or other hot water consumption point or in public facilities for various hot water consumption points. shower types ....
  • the heat of wastewater is an energy available in large quantities in urban areas and therefore close to needs.
  • the recovery of their thermal energy also called “cloacothermy”
  • Cloacothermy is based on the same technical principles as those of ground-source geothermal energy, with the difference that the calories come from our own discharges of water, evacuated through a network sanitation.
  • hot water needs are such that the energy required for its production can far exceed that of heating.
  • the optimization of the production of hot water is therefore essential as well as that of heating.
  • wastewater also known as greywater.
  • wastewater has an average temperature of between 10 ° C and 20 ° C, up to 40 ° C directly at the outlet of certain evacuations, for example shower.
  • This poorly known caloric incontinence is the source of the 500 to 600 liters of wastewater consumed daily by an average family and then evacuated through the pipes.
  • Document CN2879027U a wastewater thermal energy recovery device including the passage of wastewater in a water collector and then in a cold-water preheating exchanger, is known, the preheated water then circulates towards a pump heat using a heat transfer fluid.
  • This type of device is used to generate hot water that can be used at multiple points of consumption from different sources of wastewater.
  • the different wastewater is stored in the wastewater collector. Wastewater is used when the production of hot water requires the recovery of extra calories.
  • Document EP 2 775 243 A1 discloses a device for producing hot water by recovering thermal energy from wastewater. However, this installation involves remanently placing an evaporator in a wastewater bath.
  • the present invention proposes for this purpose a device for producing domestic hot water by heat recovery of wastewater comprising a wastewater evacuation circuit, a heating circuit of cold water sanitary water domestic hot water, a first heat exchanger disposed on the wastewater circuit configured to ensure the transfer of heat from the wastewater to domestic cold water, resulting in preheated cold water, a heat pump comprising an evaporator and a condenser configured to heat cold water preheated to domestic hot water.
  • the evaporator is arranged on the downstream and series wastewater circuit of the first exchanger and the condenser is disposed on the cold water heating circuit downstream and in series of the first exchanger.
  • the device preferably does not include hot water storage or wastewater.
  • the device comprises a priming circuit for initiating the operation of the heat pump.
  • the priming circuit is in operation before the establishment of a stabilized flow of the wastewater stream and / or before the temperature of the domestic hot water produced has reached a set temperature of domestic hot water . This priming circuit makes it possible to shorten the temperature rise time of the water when the tap is opened, for a very modest overconsumption of water.
  • the present device allows optimal recovery of wastewater heat with limited heat losses.
  • the series assembly of a first heat exchanger and the condenser of the heat pump makes it possible to optimize the heating by transferring energy from the wastewater to the sanitary cold water and then by increasing the temperature of the heat pump. water preheated by the heat pump.
  • this preheating makes it possible with limited heat pump heat output to have optimized heating.
  • the lack of storage of either wastewater or domestic hot water avoids the loss of heat from the water during storage.
  • the production of hot water is advantageously synchronized with its use. In the same way the production of hot water is synchronized with the evacuation of the waste water.
  • the absence of storage also makes it possible to arrange the device as close as possible to the point of discharge of the wastewater and the point of consumption of hot water.
  • the device is arranged in a decentralized manner that is to say one per point of consumption and not centralized for several points of consumption or several parts of the house.
  • This invention makes it possible to produce domestic hot water in a direct and decentralized manner with exceptional energy performance.
  • the device of the invention can achieve a coefficient of performance exceeding 7.5; be one energy saving of 86.7% compared to an electric water heater, ideal moreover without thermal losses.
  • This performance is achieved through an optimal architecture of the device to both minimize the amount of energy required and the temperature levels at which it is exchanged.
  • This characteristic architecture allows a heating advantageously fully thermodynamic in a range of operation perfectly suitable for heat pumps as widely developed in the building, both in terms of power level and temperature level.
  • the absence of stock makes it possible to limit thermal losses to a minimum and advantageously the absence of additional heating makes it possible to obtain optimal energy performance without increasing the subscription to the energy supplier.
  • the invention in another aspect, relates to an installation comprising the device as described above and a single point of consumption and preferably a single point of wastewater production.
  • the invention in another aspect, relates to a method for producing domestic hot water by heat recovery of wastewater using the device as described above comprising two successive stages of heating the cold water.
  • Figure 1 Diagram of an installation according to the invention, the device is not detailed.
  • Figure 2 Diagram of an installation according to the invention with the detailed device according to a first embodiment.
  • Figure 3 Partial diagram of an installation according to a second embodiment with lifting of wastewater.
  • FIG. 4 Diagram of an installation according to the invention with the detailed device according to the second embodiment of FIG.
  • Figure 5 Graph illustrating the temperatures of the different streams (domestic hot water, sanitary cold water and waste water) in the heating circuit of cold water in domestic hot water.
  • Figure 6 Graph showing the rates of hot water consumption and wastewater production.
  • Figure 7 Graph illustrating the law regulating the boot rate in the boot circuit.
  • Figure 8 Graph illustrating the correction of the power factor of the heat pump as a function of the temperature of the wastewater at the outlet of the device
  • Figures 9 and 10 illustrate the simulation results of an installation according to the invention in the case of a flow rate of hot water adjustable by the user with a heat pump compressor with adjustable power or variable speed.
  • Figure 1 1 graph illustrating the flow of the priming circuit as a function of the difference between a hot water set temperature and the actual temperature of the hot water.
  • Figures 12 and 13 illustrate the simulation results of an installation according to the invention in the case of a flow of hot water adjustable by the device with a heat pump compressor with or without power adjustment.
  • Figure 14 illustrates a variant of the invention.
  • the invention relates to a device for producing domestic hot water by heat recovery of wastewater comprising
  • a first exchanger disposed on the wastewater circuit configured to ensure the transfer of heat from the wastewater to cold sanitary water resulting in preheated cold water
  • a heat pump comprising an evaporator and a condenser, configured to heat the cold water preheated to domestic hot water
  • the evaporator is arranged on the wastewater circuit downstream and in series of the first exchanger, and
  • the condenser is disposed on the downstream and series heating circuit of the first exchanger so as to heat the preheated water from the first exchanger, and the device does not include hot water storage or wastewater.
  • the device comprises a priming circuit configured to supply sanitary cold water to the evaporator of the heat pump.
  • the priming circuit is configured to temporarily supply sanitary cold water to the evaporator of the heat pump.
  • the priming circuit is configured to supply sanitary cold water to the evaporator of the heat pump before the establishment of a stabilized flow of the wastewater stream.
  • the device comprises a wastewater flow sensor in the wastewater circuit intended to control the establishment of a stabilized flow of the wastewater stream and thus the operation of the priming circuit.
  • the priming circuit is configured to supply sanitary cold water to the evaporator of the heat pump before the temperature of the domestic hot water produced has reached a set temperature of domestic hot water.
  • the device comprises a domestic hot water temperature sensor produced for controlling the adequacy between the temperature of domestic hot water produced and a target domestic hot water temperature and thus the operation of the priming circuit.
  • the initiation circuit comprises means for regulating the flow rate.
  • the flow regulation means comprise at least one of a connection on a sanitary cold water supply pipe, a shut-off valve, a flow sensor, a flow regulator and advantageously a connection. on the wastewater circuit arranged upstream of the evaporator.
  • the device is intended to supply a single point of consumption of domestic hot water
  • the device is configured to produce domestic hot water synchronously with the use of domestic hot water.
  • the device comprises a domestic hot water consumption sensor configured to activate the production of domestic hot water.
  • the use sensor comprises at least one of a contactor on a point of consumption of hot water, a sensor on a point of consumption of hot water, a pressure switch arranged on the cold water heating circuit.
  • a contactor on a point of consumption of hot water a sensor on a point of consumption of hot water
  • a pressure switch arranged on the cold water heating circuit.
  • the device comprises a temperature sensor on the heating circuit downstream of the heat pump so as to determine the outlet temperature of the domestic hot water produced.
  • the device comprises a temperature sensor on the wastewater circuit downstream of the heat pump so as to determine the outlet temperature of the wastewater.
  • the device comprises a flow control sensor arranged on the heating circuit downstream of the heat pump.
  • the first exchanger is configured to ensure a countercurrent flow of wastewater and sanitary cold water at said first exchanger.
  • the device comprises a lifting pump on the wastewater circuit upstream of the first exchanger.
  • a filtration device on the wastewater circuit upstream of the first exchanger may be present.
  • the filtration device preferably comprises a tank connected to a wastewater inlet pipe, a tube having a first end immersed in the tank and a second end connected to the lifting pump.
  • the filtration device advantageously comprises a settling pot connected to an outlet of the lifting pump and to a connecting pipe to the first exchanger.
  • the filtration device may comprise a first overflow pipe from an upper zone of the tank and connectable to a drain, a second overflow pipe connecting an inlet mouth of the inlet pipe to the drain, and a valve configured to selectively connect to the drain one of: an outlet of the filter pot, an outlet sewage stream.
  • the device comprises a receiver having a siphon function configured to receive the wastewater and in which the first exchanger and the evaporator dip.
  • the device does not include an auxiliary heating device.
  • the heat pump comprises a variable speed compressor or fixed; advantageously the compressor is with or without power adjustment.
  • the invention in another aspect, relates to an installation for the production of domestic hot water by heat recovery of wastewater comprising the device as described above and a single point of consumption of domestic hot water produced.
  • the installation comprises a single point of wastewater production.
  • the installation comprises a sewage pump upstream of the device.
  • the installation is configured so that the production of domestic hot water is synchronized with the use of domestic hot water.
  • the installation is configured so that the production of domestic hot water is simultaneous with the production of wastewater.
  • the invention in another aspect, relates to a method for producing domestic hot water by heat recovery of wastewater using the device as described above comprising two successive stages of heating the cold water.
  • the method comprises the following steps: a) preheating the domestic cold water by the first exchanger and b) heating the preheated water obtained in step a) by a heat pump.
  • the method comprises a step of priming the heat pump by activating a priming circuit configured to supply sanitary cold water to the evaporator of the heat pump before the establishment of a stabilized flow rate. wastewater in the sewage system.
  • the method comprises a step of priming the heat pump by activating a priming circuit configured to supply sanitary cold water to the evaporator of the heat pump before the temperature of the domestic hot water produced has reached a DHW setpoint temperature.
  • the present invention is a device for recovering heat energy from wastewater to produce hot water.
  • the device according to the invention is integrated in an installation, also object of the invention.
  • the installation is shown schematically in FIG.
  • the installation comprises a point of use of domestic hot water 13.
  • the installation comprises a single point of use, for example here is shown a shower.
  • the installation comprises a point of wastewater production 15, advantageously, the installation includes a single point of wastewater production, here represented by the evacuation of the shower water.
  • the production of hot water is said to be “decentralized” since production is associated with a single point of consumption 13.
  • the point of consumption 13 of the installation according to the invention is without accumulation, that is to say that the installation is intended for a point of consumption 13 not accumulating hot water type bath or sink with plug of closing.
  • the installation further comprises the device 100 according to the invention which is not detailed in FIG. 1.
  • the device 100 comprises two water flow inlets, respectively of wastewater 19 and of sanitary cold water 21 and two outlets of flow of water, respectively wastewater 20 and domestic hot water 23.
  • the device comprises a power supply 25.
  • this device 100 is installed as close as possible to the hot water consumption point 13 and the wastewater generation point 15.
  • the space requirement is rather limited, which means that the device can be installed directly in the room of the room. point of consumption of hot water 13 and wastewater production 15.
  • the volume of the device is of the order of 20cm by 30cm by 50cm for a volume of thirty liters.
  • the device operates advantageously with a very small difference in altitude between the inlet and the outlet of the wastewater, according to an embodiment advantageously incorporating a lifting pump 29, this difference can be zero.
  • the sound level of the device in operation is low, preferably less than 40 dB.
  • the device according to the invention comprises a wastewater evacuation circuit 1 and a cold water heating circuit in domestic hot water.
  • the terms circuits include the pipes / tubes / fittings allowing the circulation of the different streams of water.
  • the device comprises a first heat exchanger 2, also called recuperative heat exchanger, placed on the wastewater circuit 1 downstream of the wastewater production point 15.
  • the first exchanger 2 comprises a sanitary cold water inlet.
  • the flow of wastewater and sanitary cold water is countercurrent in the first exchanger 2 so as to improve heat transfer.
  • This first exchanger 2 is intended to preheat the sanitary cold water by transferring the heat energy of the wastewater.
  • the preheated sanitary cold water flows from the first heat exchanger 2 and flows into the heating circuit of the sanitary cold water.
  • the device advantageously comprises a heat pump 3 which can also be called a refrigeration loop.
  • the heat pump 3 comprises an evaporator 4 and a condenser 5.
  • the heat pump 3 comprises between the evaporator 4 and the condenser 5 a compressor 26 and an expansion member 27.
  • the compressor 26 can be at a speed fixed or variable speed.
  • the evaporator 4 and the condenser 5 are heat exchangers.
  • the heat pump 3 circulates a refrigerant.
  • the refrigerant exchanges thermal energy with another fluid; in the evaporator 4, the refrigerant exchanges heat energy with the wastewater to heat up, in the condenser 5, the refrigerant exchanges the heat energy with the cold water preheated to increase its temperature.
  • the capacitor 5 is advantageously arranged on the circuit for heating cold water with domestic hot water downstream of the first heat exchanger 2.
  • the capacitor 5 is arranged in series with the first heat exchanger 2. This arrangement makes it possible to optimize the device by sub-dimensioning the 3.
  • the capacitor 5 makes it possible to significantly increase the temperature of the preheated water coming from the first heat exchanger 2.
  • the evaporator 4 is advantageously arranged on the wastewater discharge circuit 1 downstream of the first heat exchanger. 2. In this way, the evaporator 4 recovers thermal energy from the wastewater for transmission to the preheated water via the refrigerant.
  • the heat pump 3 comprises, according to an optional embodiment, an intermediate heat exchanger disposed between the evaporator 4 and the condenser 5 internal to the refrigerant loop of the heat pump 3 so as to optimize the recovery of sensible thermal energy from the heat exchanger. waste.
  • the heat pump 3 may optionally comprise an expansion energy recovery system and / or a refrigerant reserve and / or a filter and / or a set of solenoid valves and / or an economizer exchanger.
  • the set of solenoid valves makes it possible in particular to stop the heat pump, to seal the different parts of the refrigerant circuit between them to prevent the migration of fluid. At restart, this allows the heat pump to be more reactive.
  • other means for raising the temperature can be provided in the device, for example a magnetocaloric heat pump or by sorption (adsorption or absorption), or thermoelectric heat pump.
  • the device according to the invention does not include storage of wastewater or hot water storage.
  • the device according to the invention is configured to produce hot water synchronously to the consumption of hot water.
  • the production of hot water is called "direct", it is temporally synchronized with the use, it intervenes at the same time, they are simultaneous. Synchronized or simultaneous means that the production and use are performed simultaneously, however according to the invention the production and use may have an offset of less than one minute preferably of the order of 30 to 20 seconds without delivering in question the principle of the invention.
  • the direct production of domestic hot water allows the device to operate at the lowest hot water temperature possible, especially in the context of the invention where the production device is located close to the point of use.
  • the device according to the invention does not include a supplementary heating element. Indeed, the production of hot water being direct and the device according to the invention being optimized to have a good general arrangement that allows to make the most of the heat recovery on greywater, it is not necessary to provide a complementary water heating element type water heater for example.
  • the instantaneous power consumption of the device is 3000W maximum.
  • the device according to the invention advantageously comprises a priming circuit
  • the priming circuit 6 is configured to introduce sanitary cold water into the wastewater circuit 1 upstream of the evaporator 4 and advantageously downstream of the first exchanger 2.
  • the evaporator 4 and thus the pump 3 can operate directly from the identified hot water usage signal.
  • the temperature rise time of the water is shortened and the overconsumption of water very modest. This provision makes it possible not to use an additional electric heating or other.
  • the priming circuit 6 is actuated as soon as the hot water tap is opened at the point of consumption 13 (that is to say generally as soon as the detection of the use of domestic hot water) and / or according to a possibility until a preferentially stabilized and preferably predetermined waste water flow circulates in the wastewater evacuation circuit 1 .
  • the device comprises control means (or controller (s)) for measuring and / or operating operating parameters (such as domestic hot water consumption, wastewater temperature and wastewater flow rate).
  • the device comprises for example a flow sensor of the wastewater flow in the wastewater discharge circuit 1.
  • the sensor determines the flow rate of the wastewater stream in the wastewater discharge circuit 1 and advantageously the control means make it possible to determine its adequacy with a flow of wastewater of setpoint that is to say predetermined.
  • the priming circuit 6 is actuated until the difference between the temperature of the domestic hot water at the outlet of the device and the set temperature for the domestic hot water is zero As illustrated in Figure 1 1.
  • the device comprises a temperature sensor 28 for determining the temperature of the domestic hot water output of the device.
  • control means make it possible to determine the suitability with a set, ie predetermined, sanitary hot water temperature.
  • the priming circuit 6 comprises a connection 8 on the sanitary cold water inlet duct 7 in the device.
  • the ignition circuit 6 advantageously comprises a control means (or actuator) intended to activate or deactivate the ignition circuit 6.
  • the control means is at least one stop valve 9 arranged on the ignition circuit 6.
  • the priming circuit advantageously comprises a control means or means for regulating the flow rate of the cold water flow by way of example at least one sensor 1 1 and 10 flow regulator.
  • the priming circuit 6 is connected fluidically by a connection 12 to the wastewater circuit 1 upstream of the evaporator 4.
  • the priming circuit 6 brings sanitary cold water to the evaporator 4 before it is fed by the wastewater.
  • the priming circuit 6 allows the start of the device when a consumption of hot water is required to use the cold water as cold source.
  • the means for regulating the flow rate 10 of the sanitary cold water in the priming circuit 6 makes it possible to progressively increase the power of the device and to manage the cold source transition of the evaporator 4 between the cold water Sanitary priming and sewage in steady state.
  • the device according to the invention comprises temperature sensors for controlling the temperature of the different streams of water circulating in the device.
  • the device advantageously comprises a temperature sensor 28 for the domestic hot water stream 23 at the outlet of the device, downstream of the heat pump 3, so as to identify the outlet temperature and possibly adjust it.
  • the device comprises a temperature sensor 17 at the inlet of the device for the stream of sanitary cold water inlet 21, upstream of the first exchanger 2 and the priming circuit 6.
  • This temperature sensor 17 allows to limit the risk of freezing in the device in case of sanitary water of very low temperature.
  • the device comprises a temperature sensor 16 disposed on the wastewater stream 20 at the outlet of the device, preferably downstream of the evaporator 4.
  • the production of domestic hot water is simultaneous with the consumption of domestic hot water.
  • the device advantageously comprises a domestic hot water consumption sensor so as to detect a withdrawal of hot water and trigger the actuation of its production.
  • the device comprises a pressure switch 14 located on the circuit for heating the cold water with domestic hot water downstream of the heat pump 3, preferably on the hot water outlet stream 23.
  • D Other sensors located at the point of consumption 13 can be used as a sensor directly at the point of consumption, for example the hot water tap, a contactor on the tap or a position sensor on the tap.
  • the device comprises a thermostat located on the domestic hot water stream 23, downstream of the heat pump 3, more precisely the condenser 5.
  • This component provides flow control in temperature function. It may be replaced by a flow regulator 18 connected by the regulation to the temperature measured downstream of the condenser 5 on the flow 23 by the temperature sensor 28.
  • the device advantageously comprises a controller or regulator of the device not shown in the figures.
  • This regulating member is intended to control the device according to the invention and in particular the set temperature of the hot water flow at the outlet 23 of the device.
  • This regulator is preferably accessible to the user for viewing and / or modifying the operating parameters of the device.
  • the installation comprises a sewage lifting element.
  • the lifting element can also be integrated in the device as such.
  • the lifting of wastewater makes it possible to use better exchangers whose loss of load would be unacceptable in the context of a gravity system.
  • the sewage lifting allows the device to adapt to almost any situation since the modification of the existing wastewater evacuation network 33 is reduced to a minimum, the flow in the evacuation network 33 remains almost identical to the initial flow without the device according to the invention.
  • the lift makes it possible to deport the device according to the invention and to free it from gravity constraints, in particular as regards the minimum difference in height required.
  • This arrangement leaves the flow in the evacuation network 33 free in case of maintenance of the device and makes possible the combination with another system for producing domestic hot water.
  • the present invention can be fully installed on the cold water pipe for installing or keeping in parallel a hot water pipe from a balloon or a boiler for example
  • the device comprises a sewage lifting pump 29.
  • the lifting pump 29 is disposed on the incoming flow of the waste water 19 in the device, more precisely in the first exchanger 2.
  • FIGS. 3 and 4 there is illustrated a siphon 30 at the base of the wastewater production point 15.
  • a connection 31 advantageously disposed in the siphon 30 makes it possible to separate the wastewater produced in two streams: a flow entering 19 into the device 100 of the invention and a wastewater discharge stream 32 in an evacuation network 33.
  • the device comprises a device for detecting wastewater. presence of water in the siphon 30, for example by reading the level. This detection member is configured to activate or not the lift pump 29 located between the connection 31 and the first exchanger 2 of the device.
  • the regulation being made so that the flow of wastewater passes completely into the device 100 during a hot water demand.
  • the flow of wastewater downstream of the device is connected downstream of the siphon 30 to the wastewater evacuation network 33, advantageously located on a downwardly sloping portion of the network 33 to avoid parasitic recirculation to the connection 31 making the water intake for the device.
  • the outflow of the wastewater 20 from the device returns to the discharge network 33 via the connection 34.
  • an anti-return valve is placed on the initial wastewater discharge network 33 between the two connections 31 and 34. .
  • the device is equipped with wastewater treatment means of the incoming stream 19.
  • the processing means comprise, for example at least filter and / or grinder.
  • the treatment of the incoming wastewater stream 19 makes it possible to use exchangers having efficiencies greater than those of the exchangers generally used directly on the wastewater. Indeed, the fouling being less after treatment, the characteristic dimensions of the exchangers can be reduced without risk of clogging. The overall performance is improved by the use of such exchangers.
  • FIG. 14 A more complex embodiment is illustrated in FIG. 14, as a variant of FIG. 4.
  • the passage of gray water in the exchangers induces a gradual fouling of these.
  • the invention preferably comprises a filter device upstream of the first changer 2.
  • the hydraulic architecture described below allows for several alternative or cumulative actions:
  • This hydraulic solution has an advanced integration in the circuit realizing the main function of heat recovery.
  • the branch dedicated to priming also makes it possible to perform the cleaning of the exchangers.
  • it provides passive safety by automatically short-circuiting the system in the event of a fault, by means of an overflow or a bypass. It also allows to degas the flow of wastewater.
  • the hydraulic assembly preferably adapts to the system of this invention in its version comprising a lifting pump. It then includes the following additional elements:
  • a reservoir 206 (which is small because it does not provide storage) allowing the pump located directly downstream to suck a completely liquid fluid.
  • This tank 206 is provided
  • a gray water inlet to about 1/3 (between 20% and 40% of the height) of its height (pipe 205), from the shower drain or the hand washer 15;
  • a dip tube 207 through the top of the tank and down to about 1 cm from the bottom (preferably between 0.5 cm and 2 cm). This tube is connected in the upper part to the lifting pump 29
  • a pressure sensor 208 situated at the bottom of the tank and making it possible to evaluate its filling level. This information makes it possible to maintain this constant level by regulating the flow of the lifting pump.
  • settling pot This is arranged directly downstream of the lifting pump 29.
  • the gray water filtered by the settling pot is directed towards the recuperator 2 while the polluting particles are stored momentarily in this pot and periodically drained by an opening in part low (pipe 213)
  • a 3-way mains valve 203 for periodically evacuating the impurities filtered by the settling pot.
  • the flow being gravity, the valve is full passage. It makes it possible to orient the impurities gravitarily towards the junctions 204 then 241 and toward the drain 32. This valve also makes it possible to carry out the cleaning circuits.
  • Heat recovery circuit valve 10 closed, valve 203 position 20 to 201 (recovery), pump 29 activated
  • valve 10 open, valve 203 position 20 to 201 (recovery) and pump 29 stopped
  • the tap water is then entirely directed to the pipe 22 and the point 12, then upside down in the exchanger 2 and the pipe 21 1 to the pot 209.
  • the pump is stopped and equipped with an anti return, the flow of water is oriented at the bottom by the emptying via the conduit 201, the valve (open) 203 and joined the gravity flow circuit from point 204.
  • the flow then passes through the point 241 and is evacuated through the drain 32.
  • circuit configuration 3 identical to circuit 2 up to point 12, then the flow is directed to exchanger 4 and to the valve
  • circuit configuration 4 (priming): this circuit combines circuits 1 and 2.
  • the city water flow 7 joins the gray water flow at point 12 and the mixture of the two is directed towards the exchanger 4
  • the overflow tank 206 is only used when a failure prevents pumping of the water from this tank.
  • the gray water flows in the pipe 210 and joins the drain by the points 204 and 241.
  • Short-circuit 212 is an alternative to overflow.
  • the latter fills up, as well as the pipe 205 until the level of the point 30 is reached. Since the gray water can no longer flow in line 205, it is evacuated after line 212 to point 241 and drain 32.
  • the following components should preferably be arranged at strictly decreasing altitude: overflow 209; overflow outlet (line) 213; valve 203; valve outlet line for connection 201; connection point 204; connection point 241; the drain 32.
  • the greywater pump 29 is advantageously provided with a functional anti-return system even when the pump is stopped. If this is not the case, an external check valve must be placed downstream of the pump. It must be able to circulate a flow of laden water such as gray water out of the shower.
  • This pump is preferably variable flow regulated by a pressure sensor 208 located at the base of the tank.
  • the point 30 connects the pipe from the siphon 200 to the downstream pipes 205 and 212.
  • the flow being advantageously gravity, this point is arranged so that the entire flow from the siphon 200 is oriented towards the pipe 205. The latter must then be connected to the low point of the connection 30.
  • the pipe 212 is used only in case of overflow of the pipe 205.
  • the gray water pipe 200 connecting the connection point 204 to the connection point 241 is preferably such that, the flow being gravity, the point 241 is disposed at an altitude lower than the point 204.
  • the valve 203 is advantageously a full-bore zone 3-way valve for draining the settling pot 209 or connecting the flow of the pipe 20 to the connection point 204.
  • the drain flow being gravity, the elements 209, 203 and 204 are arranged at decreasing altitude.
  • the gray water connection point 204 is at the junction between the upstream pipes 201, 210 and the downstream pipe 202 leading to the connection point 241.
  • the flow being gravitational from the overflow of the reservoir 206, the point 204 is disposed at an altitude lower than this overflow.
  • the upstream flows (lines 201 and 210) must be arranged in the upper part of this connection point 204 so that the only gravitational output possible is the line 202.
  • the gray water pipe 205 makes it possible to supply the reservoir 206 with the water coming from the shower tray. This pipe is downhill between the connection point 30 and the reservoir 206. On the other hand, it must, if necessary, be below the optional conduit 212.
  • the reservoir 206 preferably has a position must be such that the altitude of the overflow disposed in the upper lateral position is lower than that of the shower bung. If there is a bypass 212, this overflow can be removed.
  • the tube 207 immersed in the reservoir 206 allows a totally liquid supply of the pump 29.
  • the pressure sensor 208 in the lower part of the reservoir 206 makes it possible to know the level of filling.
  • the settling pot 209 is preferably provided with an air trap at the top.
  • the gray water pipe 210 connects the overflow of the reservoir 206 to the connection point 204.
  • the pipe 21 1 of gray water connects the settling pot 209 to the exchanger 2.
  • the pipe 212 is optional and connects the connection points 30 and 241. This pipe can be downhill from 30 to 241. It can replace the overflow of the tank.
  • the hot water produced exceeds the desired target. It is then a defect outside the device that must lead to the security of it.
  • the device advantageously comprises a bypass of sanitary cold water to the outlet stream of domestic hot water 23 produced.
  • a flow control valve assures the dosing of the amount of cold water sufficient to cool the hot water produced by the device in order to lower it to the temperature setpoint chosen, unless there is has a lack of cold water flow as mentioned above.
  • the method for producing domestic hot water by heat recovery of the wastewater comprises at least two steps of heating the water.
  • the first step is a sensible heat recovery by circulating the sanitary cold water, advantageously against the current, wastewater in a first exchanger 2 which can be of low efficiency, typically 60%.
  • Another subsequent step is the heating of cold water at intermediate temperature, also called water preheated in domestic hot water by the condenser 5 of a heat pump 3 whose evaporator 4 is located on the wastewater circuit 1 .
  • the increase in the temperature of the sanitary cold water entering the device increase in two times represented by two inclinations of the curve corresponding to the passages of the water to be heated first in the first exchanger 2 and then in the condenser 5.
  • the graph illustrates the temperature of the wastewater between the inlet and the outlet in the device. At the level of the condenser 5 and the evaporator 4 is shown in dotted line the temperature of the refrigerant circulating in the heat pump 3.
  • the user opens the hot water faucet.
  • This hot water withdrawal information is transmitted to the device according to the invention.
  • the valve 9 is activated and the flow regulator 10 adjusts the flow rate of the domestic cold water circulating in the ignition circuit 6 as a function of the difference between the setpoint and the actual value of the the hot water temperature, advantageously measured at the outlet of the device by the temperature sensor 28.
  • the compressor 26 is turned on. If the compressor 26 is at variable power, the starting power setpoint depends on the cold water temperature at the inlet of the device, advantageously measured by the temperature sensor 17.
  • Wastewater begins to flow through the sewage system 1, usually the arrival of sewage occurs less than a minute after opening the hot water faucet.
  • the speed reference changes according to the difference between the set point and the measurement of the hot water temperature, as well as according to the safety against freezing in the wastewater circuit 1 downstream of the evaporator 4.
  • valve 9 is closed, the device then operates in steady state:
  • the flow rate is set by the device.
  • the flow of domestic hot water can be set by the user and the compressor power setpoint depends on the latter.
  • the user closes the hot water faucet. End of hot water withdrawal. This information is transmitted to the device.
  • the compressor 26 is cut and the valve 9 of the ignition circuit remains closed
  • the device according to the invention has at least two operating modes depending on the compressor 26 of the heat pump 3 chosen:
  • variable flow set by the user is meant that the flow of domestic hot water produced by the device is set by the user when he uses the hot water at the consumption point 13 and is meant fixed flow operation set by the device that the flow of domestic hot water produced by the device is set by device and that the user can not change the flow of hot water at the point of consumption 13.
  • the priming circuit 6 is not necessary because the compressor 26 can adapt its flow rate as a function of the flow rate of the wastewater entering the heat pump 3. Its activation accelerates still the temperature rise of hot water from the withdrawal of hot water at the point of consumption 13.
  • the efficiency of the recovery device according to the invention is in particular functions of external conditions.
  • the temperature of the cold water that itself depends on several factors, including the location and the time of year.
  • the device according to the invention is configured to operate whatever the temperature of cold sanitary water, preferably above 6 ° C; the minimum temperatures are the most critical, the device is advantageously sized for cold water temperatures between 6 and 10 ° C.
  • Domestic hot water at the point of consumption 13 is generally between 37 and 39 ° C, especially for shower use.
  • the temperature of the wastewater depends on several factors related in particular to the geometry and the configuration of the water point, as well as to the characteristics of the place.
  • the decrease in hot water temperature results from the passage of hot water in a colder environment before reaching the wastewater network.
  • This passage can be considered as a heat exchanger for the purpose of dimensioning the device according to the invention.
  • the regulation laws for the device according to the invention are described below, the flow of hot water produced is regulated by the user in dynamic mode (via the opening of the valve for example).
  • the parameters being variable during this phase, the computation is carried out by dynamic simulation, that is to say that it describes the evolution of the parameters as a function of time.
  • the regulated magnitudes are 2 in number: a) Power factor of compressor 26 (or proportional speed)
  • the temperature limit of the wastewater is given by a direct acting law coupled to a derivative action.
  • the direct acting law takes the form of the first quarter of a sinusoid whose abscissae are the limiting temperature and the tilting temperature. Above a so-called temperature of rocking temperature, no corrective action is made to the power factor of the compressor 26 as illustrated in FIG. 8.
  • FIG. 8 illustrates the correction of the power factor of the compressor 26 as a function of the temperature. wastewater at the outlet of the device.
  • the minimum temperature is 0 ° C and the rocking temperature is here 3 ° C.
  • the derivative action consists in observing the variations in the wastewater temperature at the outlet of the device, preferably by the temperature sensor 16, in order to anticipate the necessary correction of the power factor.
  • the response of this derived function is processed by an integral delay function to stabilize the device.
  • a dynamic thermal simulation study makes it possible to observe the behavior of the complete device with its own regulation during a "cold" start. For this, the performance of a compressor 26 commercially available have been reproduced. Similarly, the modeled exchangers have comparable performances to commercially available products, for example with an efficiency of 60% for the first exchanger 2.
  • This quantity is regulated as a function of the difference between the hot water set point temperature and the measurement of this temperature by the temperature sensor 28 on the hot water outlet stream 23 of the device.
  • a maximum flow rate constant of the priming circuit is set at manufacture. As shown in Figure 7, when this difference is greater than 20 K equivalents at 20 ° C, the maximum firing rate is provided. Between 20K and 1K, it is gradually reduced to 0. The slope of this flow law must be continuous, to promote the stability of the device regulation.
  • FIGS 9 and 10 illustrate the different temperatures and flow rates in the device according to the operating mode of the compressor with power adjustment.
  • the hot water temperature at the outlet of the device stabilizes after 28 s. This delay corresponds to the introduction of the priming flow and then the flow of wastewater and finally the gradual reduction of the priming flow rate illustrated in FIG. 10.
  • the priming circuit 6 becomes place (Fig. 10) and the temperature of hot water produced increases very rapidly.
  • the priming flow rate decreases and the temperature of the preheated water after the first exchanger 2 increases gradually as well as the temperature of the hot water produced.
  • the regulated magnitudes are 2 in number:
  • the advantage of this case lies in the fact of being able to use a compressor 26 at a single speed.
  • This type of compressor 26 has very good performance and may have a commercial advantage.
  • a variable speed compressor may also be suitable.
  • the device In steady state, the device aims to provide hot water at the temperature requested by the user.
  • the regulation acts on the flow of hot water produced: an increase in this flow rate reduces the temperature of hot water because the thermal power supplied to the device by the heat pump 3 is almost constant. Conversely, a decrease in the flow of hot water increases its temperature. In this way, the flow of water is no longer defined by the user but by the device.
  • the transient start phase can be realized in two different ways. In both cases, the delay of occurrence of the wastewater flow rate illustrated in FIG. 6 necessitates the use of priming circuit 6 to accelerate the start-up process. - The nominal flow is generated from the start of the withdrawal, the temperature of the water at the point of consumption 13 is first cold and then gradually warms up.
  • the priming is done through the flow of cold water to the first heat exchanger 2. For each given cold water temperature, there is a sufficient minimum flow of priming to avoid the risk of freezing in the first exchanger 2. In the case of the system presented in the example below and for cold water at 9 ° C, an initial priming flow rate of 101 / min is sufficient to avoid the risk of freezing. Apart from the parameter of the maximum value, the flow control law is the same as in the case of the device where the flow rate is set by the user and using a variable speed compressor 26.
  • the performance table presented below shows that there is a single hot water flow for a given device, a given cold water temperature and a given hot water temperature.
  • the values of such a table are calculated from the performance of the device components, and can also be measured on a real device.
  • this correction makes it possible to avoid overheating by increasing the setpoint flow if the set temperature is exceeded.
  • the appearance of this correction function is illustrated in FIG. 11, where the slope of the first part of the curve depends in particular on the power of the compressor installed, its value is typically -1.5 for a flow rate expressed in L / min. This correction is added to the flow initially fixed by calculation.
  • FIGS. 12 and 13 illustrate the start-up operation of a device equipped with a single-speed compressor, the flow rate of which is set to nominal at start-up. This value is deliberately underestimated in this example to illustrate the operation of the flow rate correction as a function of the hot water temperature produced.
  • the hot water temperature at the outlet of the device stabilizes after 16s.
  • This delay corresponds to the introduction of the priming flow and then the flow of wastewater and finally the gradual reduction of the flow rate
  • the delay is shorter than in the previous operating mode illustrated in FIGS. 9 and 10 because the flow of hot water is not maximum from the beginning of the withdrawal but only increases once the setpoint temperature is reached.
  • the seeding rate is set up, the reduction of the priming flow rate in favor of the wastewater flow is faster than in the previous operating mode. In this case, the boot rate is stronger at the beginning, resulting in a faster decrease.
  • the rate of decrease of this flow rate is also related to the general dynamics of the device since this flow rate is inversely calibrated to the rise in temperature of the domestic hot water.
  • the flow is initially limited to reach very quickly the set temperature requested by the user. The flow then increases gradually to the nominal point.
  • domestic hot water and hot water temperature flow In this case, the domestic hot water flow is the addition of the nominal flow rate with a proportional and integral correction in relation to the difference between the temperature setpoint and the measured temperature. This law must be particularly reactive.
  • the energy study makes it possible to define the power factor necessary for the hot water temperature to be reached with the flow rate desired by the user.
  • the coefficients of performance are of the same order as for the case of the fixed speed compressor.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif (100) de production d'eau chaude sanitaire par récupération de chaleur d'eaux usées comprenant un circuit d'évacuation des eaux usées (1), un circuit de chauffage d'eau froide sanitaire en eau chaude sanitaire, un premier échangeur (2) disposé sur le circuit d'eaux usées configuré pour assurer le transfert de la chaleur des eaux usées vers de l'eau froide sanitaire résultant en de l'eau froide préchauffée, une pompe à chaleur (3) comprenant un évaporateur (4) et un condenseur (5), configurée pour chauffer l'eau froide préchauffée en eau chaude sanitaire, l'évaporateur (4) étant agencé sur le circuit d'eaux usées en aval et en série du premier échangeur, le condenseur (5) étant disposé sur le circuit de chauffage en aval et en série du premier échangeur (2) de sorte à chauffer de l'eau préchauffée issue du premier échangeur, le dispositif (100) comprenant un circuit d'amorçage configuré pour alimenter an eau froide sanitaire l'évaporateur (4) de la pompe à chaleur (3), et le dispositif (100) ne comprenant pas de stockage d'eau chaude sanitaire ni d'eaux usées. Le domaine de l'invention concerne l'optimisation de la production d'eau chaude et s'inscrit dans le développement durable tendant à réduire l'utilisation d'énergie. L'invention trouvera une application particulière pour la récupération d'énergie thermique d'eaux usées dans des habitations individuelles pour les douches ou autre point de consommation d'eau chaude ou bien dans des installations publiques pour des points de consommation d'eau chaude divers types douches...

Description

«Dispositif de production d'eau chaude sanitaire par récupération de chaleur des usées, une installation et un procédé de production associé »
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un dispositif de production d'eau chaude sanitaire par récupération de chaleur des eaux usées, une installation et un procédé de production associé.
Le domaine de l'invention concerne l'optimisation de la production d'eau chaude et s'inscrit dans le développement durable tendant à réduire l'utilisation des énergies.
L'invention trouvera une application particulière pour la récupération d'énergie thermique d'eaux usées dans des habitations individuelles pour les douches ou autre point de consommation d'eau chaude ou bien dans des installations publiques pour des points de consommation d'eau chaude divers types douche....
ETAT DE LA TECHNIQUE
La chaleur des eaux usées est une énergie disponible en quantité importante en milieu urbain et donc proche des besoins. La récupération de leur énergie thermique encore appelée « cloacothermie » s'appuie sur les mêmes principes techniques que ceux de la géothermie sur nappe, à la différence que les calories sont issues de nos propres rejets d'eaux, évacués au travers d'un réseau d'assainissement. Dans les constructions hautes performances, notamment dans les maisons passives, les besoins d'eau chaude sont tels que l'énergie nécessaire à sa production peut dépasser très largement celle du chauffage. L'optimisation de la production d'eau chaude est donc indispensable au même titre que celle du chauffage.
II s'agit de récupérer la chaleur des eaux usées, également dénommées eaux grises. Lors de leur évacuation, les eaux usées ont une température moyenne comprise entre 10°C et 20°C, pouvant aller jusqu'à 40°C directement à la sortie de certaines évacuations, par exemple douche. Cette incontinence calorique mal connue a pour source les quelques 500 à 600 litres d'eaux usées quotidiennement consommés par une famille moyenne puis évacués par les canalisations.
Plusieurs solutions de récupération de l'énergie thermique des eaux usées sont connues de l'état de la technique.
On connaît notamment du document CN2879027U, un dispositif de récupération d'énergie thermique des eaux usées comprenant le passage des eaux usées dans un collecteur d'eau puis dans un échangeur de préchauffage d'eau froide, l'eau préchauffée circule ensuite vers une pompe à chaleur utilisant un fluide caloporteur. Ce type de dispositif est utilisé pour générer de l'eau chaude pouvant être utilisée sur plusieurs points de consommation à partir de différentes sources d'eaux usées. Les différentes eaux usées sont stockées dans le collecteur d'eaux usées. Les eaux usées sont utilisées lorsque la production d'eau chaude nécessite la récupération de calories supplémentaires.
L'inconvénient de ce type d'installation est d'avoir un rendement limité. En effet, peu d'énergie thermique est récupérée des eaux usées par les différents échangeurs qui nécessitent une alimentation électrique en parallèle et des pertes importantes constatées.
Le document EP 2 775 243 A1 divulgue un dispositif de production d'eau chaude par récupération d'énergique thermique issue d'eaux usées. Cette installation implique néanmoins de placer de manière rémanente un évaporateur dans un bain d'eaux usées.
II existe le besoin d'améliorer les dispositifs de récupération de chaleur des eaux usées pour la production d'eau chaude sanitaire.
EXPOSE DE L'INVENTION
La présente invention propose à cet effet un dispositif de production d'eau chaude sanitaire par récupération de chaleur des eaux usées comprenant un circuit d'évacuation des eaux usées, un circuit de chauffage d'eau froide sanitaire en eau chaude sanitaire, un premier échangeur disposé sur le circuit d'eaux usées configuré pour assurer le transfert de la chaleur des eaux usées vers de l'eau froide sanitaire, résultant en une eau froide préchauffée, une pompe à chaleur comprenant un évaporateur et un condenseur configurée pour chauffer l'eau froide préchauffée en eau chaude sanitaire. De manière caractéristique l'évaporateur est agencé sur le circuit d'eaux usées en aval et en série du premier échangeur et le condenseur est disposé sur le circuit de chauffage d'eau froide sanitaire en aval et en série du premier échangeur. Le dispositif ne comprend de préférence pas de stockage d'eau chaude sanitaire ou d'eaux usées. De manière avantageuse, le dispositif comprend un circuit d'amorçage permettant d'initier le fonctionnement de la pompe à chaleur. Avantageusement, le circuit d'amorçage est en fonctionnement avant l'établissement d'un débit stabilisé du flux d'eaux usées et/ou avant que la température de l'eau chaude sanitaire produite ait atteint une température de consigne d'eau chaude sanitaire. Ce circuit d'amorçage permet de raccourcir le temps de montée en température de l'eau lors de l'ouverture du robinet, pour une surconsommation d'eau très modeste.
Par cette disposition de l'invention, le présent dispositif permet une récupération optimale de la chaleur des eaux usées avec pertes thermiques limitées. Tout d'abord, l'assemblage en série d'un premier échangeur et du condenseur de la pompe à chaleur permet une optimisation du chauffage en transférant de l'énergie des eaux usées vers l'eau froide sanitaire puis en augmentant la température de l'eau préchauffée par la pompe à chaleur. En outre ce préchauffage permet avec une puissance thermique de pompe à chaleur limitée d'avoir un chauffage optimisé. De plus, l'absence de stockage que ce soit des eaux usées ou de l'eau chaude sanitaire permet d'éviter la perte de la chaleur de l'eau pendant son stockage.
La production d'eau chaude est avantageusement synchronisée à son utilisation. De même la production d'eau chaude est synchronisée à l'évacuation des eaux usées.
L'absence de stockage permet également de disposer le dispositif au plus près du point d'évacuation des eaux usées et du point de consommation d'eau chaude. Le dispositif est agencé de manière décentralisé c'est-à-dire un par point de consommation et non pas centralisé pour plusieurs points de consommation ou plusieurs pièces de l'habitation.
Cette invention permet de produire de l'eau chaude sanitaire de manière directe et décentralisée avec une performance énergétique exceptionnelle. Le dispositif de l'invention peut atteindre un coefficient de performance dépassant 7,5 ; soit une économie d'énergie de 86,7% par rapport à un chauffe-eau électrique, idéal de surcroît sans pertes thermiques.
Cette performance est atteinte grâce à une architecture optimale du dispositif permettant à la fois de minimiser la quantité d'énergie nécessaire et les niveaux de température à laquelle celle-ci est échangée. Cette architecture caractéristique permet de réaliser un chauffage avantageusement totalement thermodynamique dans une plage de fonctionnement parfaitement adaptée pour les pompes à chaleur tels que largement développés dans le bâtiment, tant en niveau de puissance qu'en niveau de température. L'absence de stock permet de limiter au strict minimum les pertes thermiques et avantageusement l'absence de chauffage d'appoint permet d'obtenir une performance énergétique optimale sans augmenter l'abonnement au fournisseur d'énergie.
Suivant un autre aspect, l'invention concerne une installation comprenant le dispositif tel que décrit ci-dessus et un point unique de consommation et avantageusement un point unique de production d'eaux usées.
Suivant un autre aspect, l'invention concerne un procédé de production d'eau chaude sanitaire par récupération de chaleur des eaux usées en utilisant le dispositif tel que décrit ci-dessus comprenant deux étapes successives de chauffage de l'eau froide sanitaire.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description détaillée d'un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les figures d'accompagnement suivantes dans lesquelles :
Figure 1 : Schéma général d'une installation selon l'invention, le dispositif n'étant pas détaillé.
Figure 2 : Schéma d'une installation selon l'invention avec le dispositif détaillé suivant un premier mode de réalisation.
Figure 3 : Schéma partiel d'une installation suivant un deuxième mode de réalisation avec relevage des eaux usées.
Figure 4 : Schéma d'une installation selon l'invention avec le dispositif détaillé suivant le deuxième mode de réalisation de la figure 3.
Figure 5 : Graphe illustrant les températures des différents flux (eau chaude sanitaire, eau froide sanitaire et eaux usées) dans le circuit de chauffage de l'eau froide en eau chaude sanitaire. Figure 6 : Graphe illustrant les débits de consommation d'eau chaude et de production d'eaux usées.
Figure 7 : Graphe illustrant la loi de régulation du débit d'amorçage dans le circuit d'amorçage.
Figure 8 : Graphe illustrant la correction du facteur de puissance de la pompe à chaleur en fonction de la température des eaux usées en sortie du dispositif
Figures 9 et 10 illustrent les résultats de simulation d'une installation selon l'invention dans le cas d'un débit d'eau chaude réglable par l'utilisateur avec un compresseur de pompe à chaleur à réglage de puissance ou vitesse variable.
Figure 1 1 : graphe illustrant le débit du circuit d'amorçage en fonction de l'écart entre une température de consigne d'eau chaude et la température réelle de l'eau chaude.
Figures 12 et 13 illustrent les résultats de simulation d'une installation selon l'invention dans le cas d'un débit d'eau chaude réglable par le dispositif avec un compresseur de pompe à chaleur avec ou sans réglage de puissance.
Figure 14 illustre une variante de l'invention.
EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS
Avant d'entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l'invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement.
On rappelle tout d'abord que l'invention concerne un dispositif de production d'eau chaude sanitaire par récupération de chaleur d'eaux usées comprenant
un circuit d'évacuation des eaux usées,
- un circuit de chauffage d'eau froide sanitaire en eau chaude sanitaire,
un premier échangeur disposé sur le circuit d'eaux usées configuré pour assurer le transfert de la chaleur des eaux usées vers de l'eau froide sanitaire résultant en de l'eau froide préchauffée,
une pompe à chaleur comprenant un évaporateur et un condenseur, configurée pour chauffer l'eau froide préchauffée en eau chaude sanitaire,
caractérisé en ce que l'évaporateur est agencé sur le circuit d'eaux usées en aval et en série du premier échangeur, et
que le condenseur est disposé sur le circuit de chauffage en aval et en série du premier échangeur de sorte à chauffer de l'eau préchauffée issue du premier échangeur, et que le dispositif ne comprend pas de stockage d'eau chaude sanitaire ni d'eaux usées.
Avantageusement, le dispositif comprend un circuit d'amorçage configuré pour alimenter en eau froide sanitaire l'évaporateur de la pompe à chaleur.
Avantageusement, le circuit d'amorçage est configuré pour alimenter temporairement en eau froide sanitaire l'évaporateur de la pompe à chaleur
Avantageusement, le circuit d'amorçage est configuré pour alimenter en eau froide sanitaire l'évaporateur de la pompe à chaleur avant l'établissement d'un débit stabilisé du flux d'eaux usées. Préférentiellement, le dispositif comprend un capteur de débit des eaux usées dans le circuit des eaux usées destiné à contrôler l'établissement d'un débit stabilisé du flux d'eaux usées et ainsi le fonctionnement du circuit d'amorçage.
Avantageusement, le circuit d'amorçage est configuré pour alimenter en eau froide sanitaire l'évaporateur de la pompe à chaleur avant que la température de l'eau chaude sanitaire produite ait atteint une température de consigne d'eau chaude sanitaire. Préférentiellement, le dispositif comprend un capteur température d'eau chaude sanitaire produite destiné à contrôler l'adéquation entre la température d'eau chaude sanitaire produite et une température d'eau chaude sanitaire de consigne et ainsi le fonctionnement du circuit d'amorçage.
Avantageusement, le circuit d'amorçage comprend des moyens de régularisation du débit.
Selon une possibilité, les moyens de régularisation du débit comprennent au moins l'un parmi un raccordement sur un conduit d'amenée d'eau froide sanitaire, une vanne d'arrêt, un capteur de débit, un régulateur de débit et avantageusement un raccordement sur le circuit d'eaux usées disposé en amont de l'évaporateur.
Avantageusement, le dispositif est destiné à approvisionner un unique point de consommation en eau chaude sanitaire
Avantageusement, le dispositif est configuré pour produire de l'eau chaude sanitaire de manière synchronisé à l'utilisation d'eau chaude sanitaire.
Avantageusement, le dispositif comprend un capteur d'utilisation d'eau chaude sanitaire configuré pour activer la production d'eau chaude sanitaire.
Avantageusement, le capteur d'utilisation comprend au moins l'un parmi un contacteur sur un point de consommation d'eau chaude, un capteur sur un point de consommation d'eau chaude, un pressostat agencé sur le circuit de chauffage d'eau froide sanitaire en aval de la pompe à chaleur, c'est-à-dire au niveau de l'eau chaud sanitaire. Avantageusement, le dispositif comprend un capteur de température sur le circuit de chauffage en aval de la pompe à chaleur de sorte à déterminer la température de sortie de l'eau chaude sanitaire produite.
Avantageusement, le dispositif comprend un capteur de température sur le circuit d'eaux usées en aval de la pompe à chaleur de sorte à déterminer la température de sortie des eaux usées.
Avantageusement, le dispositif comprend un capteur régulateur de débit agencé sur le circuit de chauffage en aval de la pompe à chaleur.
Avantageusement, le premier échangeur est configuré pour assurer une circulation à contrecourant des eaux usées et de l'eau froide sanitaire au niveau dudit premier échangeur.
De préférence, le dispositif comprend une pompe de relevage sur le circuit d'eaux usées en amont du premier échangeur.
Un dispositif de filtration sur le circuit d'eaux usées en amont du premier échangeur peut être présent. Le dispositif de filtration comporte de préférence un réservoir raccordé à une conduite d'entrée d'eaux usées, un tube présentant une première extrémité plongeant dans le réservoir et une deuxième extrémité raccordée à la pompe de relevage.
Le dispositif de filtration comporte avantageusement un pot de décantation raccordé à une sortie de la pompe de relevage et à une conduite de liaison au premier échangeur.
Le dispositif de filtration peut comporter une première conduite de trop-plein depuis une zone supérieure du réservoir et raccordable à un drain, une deuxième conduite de trop-plein reliant une embouchure d'entrée de la conduite d'entrée au drain, et une vanne configurée pour raccorder au drain sélectivement l'une parmi : une sortie du pot de filtration, une conduite de flux d'eaux usées en sortie.
Avantageusement, le dispositif comprend un receveur ayant une fonction de siphon configuré pour recevoir les eaux usées et dans lequel plongent le premier échangeur et l'évaporateur.
Avantageusement, le dispositif ne comprend pas de dispositif de chauffage d'appoint.
Avantageusement, la pompe à chaleur comprend un compresseur à vitesse variable ou fixe ; avantageusement le compresseur est avec ou sans réglage de puissance.
Suivant un autre aspect, l'invention concerne une installation de production d'eau chaude sanitaire par récupération de chaleur des eaux usées comprenant le dispositif tel que décrit ci-dessus et un point unique de consommation de l'eau chaude sanitaire produite.
Avantageusement, l'installation comprend un point unique de production d'eaux usées.
Avantageusement, l'installation comprend une pompe de relevage des eaux usées en amont du dispositif.
Avantageusement, l'installation est configurée pour que la production d'eau chaude sanitaire soit synchronisée à l'utilisation d'eau chaude sanitaire.
Avantageusement, l'installation est configurée pour que la production d'eau chaude sanitaire soit simultanée à la production d'eaux usées.
Suivant un autre aspect, l'invention concerne un procédé de production d'eau chaude sanitaire par récupération de chaleur des eaux usées en utilisant le dispositif tel que décrit ci-dessus comprenant deux étapes successives de chauffage de l'eau froide sanitaire.
Avantageusement, il n'y a pas de stockage des eaux usées ni de l'eau chaude sanitaire.
Avantageusement, le procédé comprend les étapes suivantes a) de préchauffage de l'eau froide sanitaire par le premier échangeur et b) de chauffage de l'eau préchauffée obtenue à l'étape a) par une pompe à chaleur.
Avantageusement, le procédé comprend une étape d'amorçage de la pompe à chaleur par activation d'un circuit d'amorçage configuré pour alimenter en eau froide sanitaire l'évaporateur de la pompe à chaleur avant l'établissement d'un débit stabilisé d'eaux usées dans le circuit d'évacuation des eaux usées.
Avantageusement, le procédé comprenant une étape d'amorçage de la pompe à chaleur par activation d'un circuit d'amorçage configuré pour alimenter en eau froide sanitaire l'évaporateur de la pompe à chaleur avant que la température de l'eau chaude sanitaire produite ait atteint une température de consigne d'eau chaude sanitaire. La présente invention est un dispositif de récupération d'énergie thermique des eaux usées pour produire de l'eau chaude sanitaire. Le dispositif selon l'invention s'intègre dans une installation, également objet de l'invention.
L'installation est schématisée en figure 1 . L'installation comprend un point d'utilisation d'eau chaude sanitaire 13. Avantageusement, l'installation comprend un point unique d'utilisation, par exemple ici est représentée une douche. L'installation comprend un point de production d'eaux usées 15, avantageusement, l'installation comprend un point unique de production d'eaux usées, ici représenté par l'évacuation des eaux de douche.
La production d'eau chaude est dite « décentralisée » puisque la production est associée à un point unique de consommation 13.
Le point de consommation 13 de l'installation selon l'invention est sans accumulation c'est-à-dire que l'installation est destinée à un point de consommation 13 n'accumulant pas l'eau chaude type bain ou évier avec bouchon de fermeture.
L'installation comprend en outre le dispositif 100 selon l'invention qui est non détaillé en figure 1. Le dispositif 100 comprend deux entrées de flux d'eau, respectivement d'eaux usées 19 et d'eau froide sanitaire 21 et deux sorties de flux d'eau, respectivement d'eaux usées 20 et d'eau chaude sanitaire 23. Le dispositif comprend une alimentation électrique 25.
Avantageusement, ce dispositif 100 est installé au plus près du point de consommation d'eau chaude 13 et du point de production d'eaux usées 15. L'encombrement est assez limité ce qui fait que le dispositif peut être installé directement dans la pièce du point de consommation d'eau chaude 13 et de production d'eaux usées 15. A titre d'exemple non limitatif, le volume du dispositif est de l'ordre de 20cm par 30cm par 50cm pour un volume d'une trentaine de litres. De plus, le dispositif fonctionne avantageusement avec une différence d'altitude très réduite entre l'entrée et la sortie des eaux usées, selon un mode de réalisation intégrant avantageusement une pompe de relevage 29, cette différence peut être nulle.
Le niveau sonore du dispositif en fonctionnement est faible, préférentiellement inférieur à 40dB.
Le dispositif selon l'invention comprend un circuit d'évacuation des eaux usées 1 et un circuit de chauffage d'eau froide sanitaire en eau chaude sanitaire. Les termes circuits englobent les canalisations/tubes /raccords permettant la circulation des différents flux d'eaux.
Le dispositif comprend un premier échangeur 2, également dénommé échangeur récupérateur, placé sur le circuit d'eaux usées 1 en aval du point de production des eaux usées 15. Le premier échangeur 2 comprend une arrivée d'eau froide sanitaire. Avantageusement, la circulation des eaux usées et de l'eau froide sanitaire se fait à contre-courant au sein du premier échangeur 2 de manière à améliorer les transferts thermiques. Ce premier échangeur 2 est destiné à préchauffer l'eau froide sanitaire par transfert de l'énergie thermique des eaux usées. L'eau froide sanitaire préchauffée ressort du premier échangeur 2 et circule dans le circuit de chauffage de l'eau froide sanitaire. Le dispositif comprend avantageusement, une pompe à chaleur 3 pouvant être également dénommée boucle de réfrigération. La pompe à chaleur 3 comprend un évaporateur 4 et un condenseur 5. Avantageusement, la pompe à chaleur 3 comprend entre l'évaporateur 4 et le condenseur 5 un compresseur 26 et d'un organe de détente 27. Le compresseur 26 peut être à vitesse fixe ou à vitesse variable.
On entend par là que dans des conditions données, le compresseur dispose ou non d'un moyen de réglage pour moduler la puissance thermique. On parle de vitesse ou cylindrée, par exemple en vitesse ou cylindrée fixe, la puissance thermique dépend des conditions de fonctionnement, sans ajustement possible. On entend par là que le compresseur est respectivement sans ou avec réglage de puissance. L'évaporateur 4 et le condenseur 5 sont des échangeurs thermiques. Dans la pompe à chaleur 3 circule un fluide frigorigène. Dans les échangeurs le fluide frigorigène échange de l'énergie thermique avec un autre fluide ; dans l'évaporateur 4, le fluide frigorigène échange l'énergie thermique avec les eaux usées pour se réchauffer, dans le condenseur 5, le fluide frigorigène échange l'énergie thermique avec l'eau froide préchauffée pour augmenter sa température.
Le condensateur 5 est avantageusement disposé sur le circuit de chauffage d'eau froide en eau chaude sanitaire en aval du premier échangeur 2. Le condensateur 5 est disposé en série du premier échangeur 2. Cette disposition permet d'optimiser le dispositif en sous dimensionnant la performance de la pompe à chaleur 3. Le condensateur 5 permet d'augmenter significativement la température de l'eau préchauffée issue du premier échangeur 2. L'évaporateur 4est avantageusement disposé sur le circuit d'évacuation des eaux usées 1 en aval du premier échangeur 2. De cette manière, l'évaporateur 4 récupère à nouveau de l'énergie thermique des eaux usées pour les transmettre à l'eau préchauffée par l'intermédiaire du fluide frigorigène.
La pompe à chaleur 3 comprend selon un mode de réalisation optionnel un échangeur intermédiaire disposé entre l'évaporateur 4 et le condenseur 5 interne à la boucle de fluide frigorigène de la pompe à chaleur 3 de sorte à optimiser la récupération d'énergie thermique sensible des eaux usées.
La pompe à chaleur 3 peut comprendre de manière optionnelle, un système de récupération d'énergie de détente et/ou une réserve de fluide frigorigène et/ou un filtre et/ou un jeu d'électrovannes et/ou un échangeur économiseur. Le jeu d'électrovannes permet notamment à l'arrêt de la pompe à chaleur, d'étancher entre elles les différentes parties du circuit frigorigène pour éviter la migration de fluide. Au redémarrage, ceci permet à la pompe à chaleur d'être plus réactive. Suivant des variantes de l'invention, d'autres moyens de relevage des températures peuvent être prévus dans le dispositif par exemple une pompe à chaleur magnétocalorique ou par sorption (adsorption ou absorption), ou pompe à chaleur thermoélectrique.
De manière caractéristique, le dispositif selon l'invention ne comprend pas de stockage d'eaux usées, ni de stockage d'eau chaude.
L'absence de stockage liquide signifie qu'il n'y a pas de point de stagnation dans le dispositif, ce qui présente plusieurs avantages. L'inertie est réduite et le temps de démarrage est donc plus rapide. La température de production est plus faible puisqu'il ne faut pas prévoir les pertes thermiques dues au stockage et au transport. Les contraintes visant à éviter la prolifération de bactéries ne s'appliquent pas, ce qui permet d'éviter les cycles à haute température coûteux en énergie.
Le dispositif selon l'invention est configuré pour produire de l'eau chaude de manière synchronisée à la consommation d'eau chaude. La production d'eau chaude est dite « directe », elle est temporellement synchronisée avec l'utilisation, elle intervient dans un même temps, elles sont simultanées. On entend par synchronisées ou simultanées que la production et l'utilisation sont réalisées en même temps, cependant selon l'invention la production et l'utilisation peuvent avoir un décalage inférieur à une minute préférentiellement de l'ordre de 30 à 20 secondes sans remettre en cause le principe de l'invention.
La production directe d'eau chaude sanitaire permet au dispositif de fonctionner à la plus basse température d'eau chaude possible, surtout dans le cadre de l'invention où le dispositif de production est situé à proximité directe du point d'utilisation.
Le dispositif selon l'invention ne comprend pas d'organe de chauffage d'appoint. En effet, la production d'eau chaude étant directe et le dispositif selon l'invention étant optimisé pour avoir un bon agencement général qui permet de tirer le meilleur parti de la récupération de chaleur sur les eaux grises, il n'est pas nécessaire de prévoir un organe de chauffage de l'eau complémentaire de type chauffe-eau par exemple.
La consommation électrique instantanée du dispositif est de 3000W maximum. Le dispositif selon l'invention comprend avantageusement un circuit d'amorçage
6. Le circuit d'amorçage 6 est configuré pour introduire de l'eau froide sanitaire dans le circuit d'eaux usées 1 en amont l'évaporateur 4 et avantageusement en aval du premier échangeur 2. Ainsi, l'évaporateur 4et donc la pompe à chaleur 3 peut directement fonctionner dès le signal d'utilisation d'eau chaude identifié. Le temps de montée en température de l'eau est raccourci et la surconsommation d'eau très modeste. Cette disposition permet notamment de ne pas avoir recours à un appoint de chauffage électrique ou autre.
En effet, comme illustré en figure 6, lors de la consommation d'eau chaude, c'est-à-dire l'ouverture du robinet d'eau chaude, le débit d'eaux usées n'apparaît pas instantanément dans le dispositif. Un retard pur avec un effet amorti est constaté. Le circuit d'amorçage permet de réduire ce retard au niveau l'évaporateur 4. Avantageusement, le circuit d'amorçage 6 est actionné dès l'ouverture du robinet d'eau chaude au point de consommation 13 (c'est-à-dire de manière générale dès la détection d'une utilisation d'eau chaude sanitaire) et/ou selon une possibilité jusqu'à ce qu'un débit d'eau usées préférentiellement stabilisé et préférentiellement prédéterminé circule dans le circuit d'évacuations des eaux usées 1 . Avantageusement, le dispositif comprend des moyens de contrôle (ou contrôleur(s)) permettant de mesurer et/ou d'exploiter des paramètres de fonctionnement (tels que consommation d'eau chaude sanitaire, température d'eaux usées et débit d'eaux usées) et comprend par exemple un capteur de débit du flux d'eaux usées dans le circuit d'évacuation des eaux usées 1. Le capteur détermine le débit du flux d'eaux usées dans le circuit d'évacuation des eaux usées 1 et avantageusement des moyens de contrôle permettent de déterminer son adéquation avec un débit d'eaux usées de consigne c'est-à-dire prédéterminé. Selon une deuxième possibilité alternative ou cumulative, le circuit d'amorçage 6 est actionné jusqu'à ce que l'écart entre la température de l'eau chaude sanitaire en sortie du dispositif et la température de consigne pour l'eau chaude sanitaire soit nulle telle qu'illustrée en figure 1 1. Telle qu'illustré aux figures 2 et 4, le dispositif comprend un capteur de température 28 destiné à déterminer la température de l'eau chaude sanitaire en sortie du dispositif. Avantageusement des moyens de contrôle permettent de déterminer l'adéquation avec une température d'eau chaude sanitaire de consigne, c'est-à-dire prédéterminé.
Le circuit d'amorçage 6 comprend un raccordement 8 sur le conduit d'arrivée d'eau froide sanitaire 7 dans le dispositif. Le circuit d'amorçage 6 comprend avantageusement un moyen de commande (ou actionneur) destiné à activer ou désactiver le circuit d'amorçage 6. Le moyen de commande est au moins une vanne d'arrêt 9 disposée sur le circuit d'amorçage 6. Le circuit d'amorçage comprend avantageusement un moyen de contrôle ou moyen de régularisation du débit du flux d'eau froide à titre d'exemple au moins un capteur 1 1 et régulateur 10 de débit.
Le circuit d'amorçage 6 est raccordé fluidiquement par un raccordement 12 au circuit d'eaux usées 1 en amont de l'évaporateur 4. Ainsi, le circuit d'amorçage 6 apporte de l'eau froide sanitaire à l'évaporateur 4 avant qu'il ne soit alimenté par les eaux usées.
Avantageusement, le circuit d'amorçage 6 permet au démarrage du dispositif lorsqu'une consommation d'eau chaude est demandée d'utiliser l'eau froide sanitaire comme source froide. Préférentiellement, le moyen de régulation du débit 10 de l'eau froide sanitaire dans le circuit d'amorçage 6 permet de réaliser une montée en puissance progressive du dispositif et de gérer la transition de source froide de l'évaporateur 4 entre l'eau froide sanitaire à l'amorçage et les eaux usées en régime établi.
Avantageusement, le dispositif selon l'invention comprend des capteurs de températures destinés à contrôler la température des différents flux d'eau circulant dans le dispositif. Le dispositif comprend avantageusement un capteur de température 28 pour le flux d'eau chaude sanitaire 23 en sortie du dispositif, en aval de la pompe à chaleur 3, de sorte à identifier la température de sortie et éventuellement l'ajuster.
Selon une possibilité avantageuse, le dispositif comprend un capteur de température 17 en entrée du dispositif pour le flux d'entée d'eau froide sanitaire 21 , en amont du premier échangeur 2 et du circuit d'amorçage 6. Ce capteur de température 17 permet de limiter les risques de gels dans le dispositif en cas d'eau sanitaire de très basse température.
Préférentiellement, le dispositif comprend un capteur de température 16 disposé sur le flux d'eaux usées 20 en sortie du dispositif, préférentiellement en aval de l'évaporateur 4.
Selon l'invention, la production d'eau chaude sanitaire est simultanée avec la consommation d'eau chaude sanitaire. Le dispositif comprend avantageusement, un capteur de consommation d'eau chaude sanitaire de sorte à détecter un soutirage d'eau chaude et enclencher l'actionnement de sa production. A titre d'exemple illustré, le dispositif comprend un pressostat 14 situé sur le circuit de chauffage de l'eau froide en eau chaude sanitaire en aval de la pompe à chaleur 3, préférentiellement sur le flux de sortie d'eau chaude 23. D'autres capteurs disposés au niveau du point de consommation 13 peuvent être utilisés comme un capteur directement sur le point de consommation, par exemple le robinet d'eau chaude, un contacteur sur le robinet ou un capteur de position sur le robinet.
Suivant un mode de réalisation préféré, particulièrement dans le cas d'un compresseur 26 de pompe à chaleur 3 à vitesse unique, le dispositif comprend un thermostat situé sur le flux d'eau chaude sanitaire 23, en aval de la pompe à chaleur 3, plus précisément du condenseur 5. Ce composant assure une régulation du débit en fonction de la température. Il peut être remplacé par un organe de régulation de débit 18 lié par la régulation à la température mesurée en aval du condenseur 5 sur le flux 23 par le capteur de température 28.
Le dispositif comprend avantageusement un organe de commande ou de régulation du dispositif non représenté sur les figures. Cet organe de régulation est destiné à commander le dispositif selon l'invention et notamment la température de consigne du flux d'eau chaude en sortie 23 du dispositif. Cet organe de régulation est préférentiellement accessible à l'utilisateur pour visualiser et/ou modifier les paramètres de fonctionnement du dispositif. A titre d'exemple, par recopie de la position du mitigeur, c'est-à-dire un capteur de la position mitigeur pour transmettre l'information au dispositif, soit par un panneau de commande indépendant de la robinetterie en place.
Suivant une variante illustrée en figure 3, l'installation comprend un élément de relevage des eaux usées. L'élément de relevage peut également être intégré dans le dispositif en tant que tel. Le relevage des eaux usées permet d'utiliser de meilleurs échangeurs dont la perte de charge serait rédhibitoire dans le cadre d'un système gravitaire. D'autre part, le relevage des eaux usées permet au dispositif de s'adapter quasiment à toutes les situations puisque la modification du réseau d'évacuation 33 des eaux usées existant est réduite au minimum, l'écoulement dans le réseau d'évacuation 33 reste quasi identique à l'écoulement initial sans le dispositif selon l'invention. En effet, le relevage permet de déporter le dispositif selon l'invention et de l'affranchir des contraintes gravitaires, notamment en ce qui concerne la différence de hauteur minimale nécessaire. Cette disposition laisse l'écoulement dans le réseau d'évacuation 33 libre en cas de maintenance du dispositif et rend possible la combinaison avec un autre système de production d'eau chaude sanitaire. On entend par là que la présente invention peut être intégralement installée sur la canalisation d'eau froide permettant d'installer ou de conserver en parallèle une canalisation d'eau chaude provenant d'un ballon ou d'une chaudière par exemple
Suivant cette variante, le dispositif comprend une pompe de relevage d'eaux usées 29. La pompe de relevage 29 est disposée sur le flux entrant des eaux usées 19 dans le dispositif, plus précisément dans le premier échangeur 2.
En figures 3 et 4, est illustré un siphon 30 à la base du point de production d'eaux usées 15. Un raccordement 31 disposé avantageusement dans le siphon 30 permet de séparer les eaux usées produites en deux flux : un flux entrant 19 dans le dispositif 100 de l'invention et un flux d'évacuation des eaux usée 32 dans un réseau d'évacuation 33. Préférentiellement, le dispositif comprend un organe de détection de présence d'eau dans le siphon 30, par exemple par lecture du niveau. Cet organe de détection est configuré pour activer ou non la pompe de relevage 29 située entre le raccordement 31 et le premier échangeur 2 du dispositif.
Avantageusement, la régulation étant faite pour que le flux d'eaux usées passe totalement dans le dispositif 100 lors d'une demande en eau chaude.
Préférentiellement, tel qu'illustré aux figures 3 et 4, l'écoulement des eaux usées en aval du dispositif est raccordé en aval du siphon 30 sur le réseau d'évacuation 33 des eaux usées par raccordement avantageusement situé sur une partie de pente descendante du réseau 33 pour éviter une recirculation parasite vers le raccordement 31 réalisant la prise d'eau usées pour le dispositif. Le flux sortant d'eau usées 20 du dispositif retourne vers le réseau d'évacuation 33 par le raccordement 34. Optionnellement, un clapet anti retour est disposé sur le réseau d'évacuation 33 d'eaux usées initial entre les deux raccordements 31 et 34.
Avantageusement, le dispositif est équipé de moyens de traitement des eaux usées du flux entrant 19. Les moyens de traitements comprennent par exemple au moins filtre et/ou un broyeur. Le traitement du flux entrant d'eaux usées 19 permet d'utiliser des échangeurs ayant des efficacités supérieures à celles des échangeurs généralement utilisés directement sur les eaux usées. En effet, l'encrassement étant moindre après traitement, les dimensions caractéristiques des échangeurs peuvent être réduites sans risque d'obturation. La performance globale est améliorée par l'utilisation de tels échangeurs.
Un mode de réalisation plus complexe est illustré en figure 14, en variante de la figure 4. Le passage d'eau grise dans les échangeurs induit un encrassement progressif de ceux-ci. Pour y remédier, l'invention comporte de préférence un dispositif de filtration en amont du premier changeur 2. L'architecture hydraulique décrite ci- après permet de réaliser plusieurs actions alternatives ou cumulatives:
- Filtration statistique des eaux grises en amont des échangeurs
- Vidange automatique des boues issues de la filtration
- Nettoyage des échangeurs avec un flux d'eau propre
Cette solution hydraulique présente une intégration avancée dans le circuit réalisant la fonction principale de récupération de chaleur. Notamment, la branche dédiée à l'amorçage permet également de réaliser le nettoyage des échangeurs. De plus elle assure une sécurité passive en permettant de court-circuiter automatiquement le système en cas de défaillance, ceci par l'intermédiaire d'un trop plein ou d'un bypass. Elle permet également de dégazer le flux d'eaux usées. L'assemblage hydraulique s'adapte de préférence au système de cette invention dans sa version comportant une pompe de relevage. Il comprend alors les éléments supplémentaires suivants:
- un réservoir 206 (qui est être de petite taille car il n'assure pas de stockage) permettant à la pompe située directement en aval d'aspirer un fluide totalement liquide. Ce réservoir 206 est muni
- d'une arrivée d'eau grise à environ 1/3 (entre 20% et 40% de la hauteur) de sa hauteur (conduite 205), en provenance du drain de douche ou du lave- main 15 ;
- d'un trop plein en partie latérale haute (conduite 210) raccordé à la sortie des eaux grises du système (204), elle-même reliée au drain 32 du bâtiment par le point 241 , situé en aval du piquage 30 d'arrivée d'eau grise en provenance de la douche ou du lave-main ;
- d'un tube plongeant 207 traversant le sommet du réservoir et descendant jusqu'à environ 1 cm du fond (de préférence entre 0.5 cm et 2cm). Ce tube est raccordé en partie supérieure à la pompe de relevage 29
-d'un capteur de pression 208 situé en partie basse du réservoir et permettant d'évaluer son niveau de remplissage. Cette information permet de maintenir ce niveau constant en régulant le débit de la pompe de relevage.
- un système de filtration statistique 209 appelé pot de décantation. Celui- ci est disposé directement en aval de la pompe de relevage 29. L'eau grise filtrée par ce pot de décantation est orientée vers le récupérateur 2 tandis que les particules polluantes sont stockées momentanément dans ce pot et vidangées périodiquement par une ouverture en partie basse (conduite 213)
- une vanne de secteur 3 voies 203 pour évacuer périodiquement les impuretés filtrées par le pot de décantation. L'écoulement étant gravitaire, la vanne est à passage intégral. Elle permet d'orienter les impuretés gravitairement vers les jonctions 204 puis 241 et vers le drain 32. Cette vanne permet également de réaliser les circuits de nettoyage.
Cet assemblage permet de réaliser avantageusement au moins une des fonctions auxiliaires suivantes en plus des fonctions principales de récupération d'énergie et d'amorçage :
- la filtration statistique de l'eau grise avant que celle-ci ne passe dans les échangeurs
- le nettoyage des échangeurs sans démontage et automatisable. - Le dégazage du flux d'eaux usées
- La sécurité par trop plein en cas de panne.
Il permet également de satisfaire à plusieurs contraintes :
- pertes de charge minimales sur le flux d'eau grise, et non dépendant du niveau d'encrassement de l'organe de filtration ;
- Pas de maintenance sur l'organe de filtration ;
- Pas d'intervention de maintenance pour nettoyer les échangeurs ;
- Nombre de composants limité par la double utilisation des conduites prévues pour l'amorçage.
On donne ci-après un exemple de fonctionnement et du passage des eaux selon les cas. L'agencement hydraulique proposé permet en effet de réaliser les différentes fonctions par des circuits spécifiques, notamment du flux d'eau grise, avec les configurations de circuits qui suivent.
1 . Circuit récupération de chaleur : vanne 10 fermée, vanne 203 position 20 vers 201 (récupération), pompe 29 activée
2. Circuit nettoyage de l'évaporateur : vanne 10 ouverte, vanne 203 position 20 vers 201 (récupération) et pompe 29 à l'arrêt
3. Circuit nettoyage du récupérateur à contre-courant : vannes 10 ouverte, vanne 203 en position 213 vers 201 (vidange), pompe 29 à l'arrêt
4. Circuit d'amorçage : combinaison des circuits « nettoyage évaporateur » et « récupération de chaleur » : vanne 10 ouverte (régulée), vanne 203 position 20 vers 201 (récupération) et pompe 29 activée
5. Circuit trop plein et court-circuit : ce sont des circuits gravitaires fonctionnels quelques soient les positions des actionneurs
6. Circuit vidange du pot de décantation 209 : vanne 10 fermée, vanne 203 en position 213 vers 201 (vidange), pompe 29 à l'arrêt.
Dans la configuration de circuit 1 (récupération de chaleur) : L'eau grise issue de la douche ou du lave main coule dans le siphon 200 jusqu'au point 30 où elle tombe par gravité dans la conduite 205 jusqu'au réservoir 206. Elle est aspirée dans le tube 207 par la pompe 29 qui la refoule vers le pot 209 où le flux est dégazé. L'eau passe par l'échangeur 2, par la conduite 21 1 , puis par le point 12 et l'échangeur 4, puis par le point 204 à partir duquel l'écoulement est gravitaire, puis vers le point 241 et le drain 32. Dans la configuration de circuit 2 (nettoyage de l'évaporateur) : l'eau de ville sous pression arrive par le point 21. Aucun soutirage d'eau chaude ne doit être détecté par le capteur 28 pendant cette phase de nettoyage, la vanne 18 peut être préventivement fermée. Au point 8, l'eau de ville est alors intégralement orientée vers la conduite 22 et le point 12, puis à l'envers dans l'échangeur 2 et la conduite 21 1 vers le pot 209. La pompe étant à l'arrêt et munie d'un anti retour, le flux d'eau est orienté en partie basse par la vidange via la conduit 201 , la vanne (ouverte) 203 et rejoint le circuit à écoulement gravitaire à partir du point 204. Le flux passe alors par le point 241 et est évacué par le drain 32.
Dans la configuration de circuit 3 (nettoyage du récupérateur) : identique au circuit 2 jusqu'au point 12, puis le flux est orienté vers l'échangeur 4 et vers la vanne
203. L'écoulement devient alors gravitaire, il passe par les points de raccordement
204, 241 et est évacué par le drain 32.
Dans la configuration de circuit 4 (amorçage) : ce circuit combine les circuits 1 et 2. Le flux d'eau de ville 7 rejoint le flux d'eau grise au point 12 et le mélange des deux est orienté vers l'échangeur 4
Dans la configuration de circuit 5 : Le trop plein du réservoir 206 ne sert que lorsqu'une panne empêche le pompage de l'eau de ce réservoir. Lorsque le niveau atteint la hauteur du piquage latéral supérieur, l'eau grise coule dans la conduite 210 et rejoint le drain par les points 204 et 241 .
Le court-circuit 212 est une alternative au trop plein. En cas de défaillance du pompage dans le mini réservoir 206, ce dernier se remplit, ainsi que la conduite 205 jusqu'à ce que le niveau du point 30 soit atteint. L'eau grise ne pouvant plus s'écouler dans la conduite 205, elle est évacuée apr la conduite 212 vers le point 241 et le drain 32.
Dans la configuration de circuit 6 (vidange) : Les résidus issus du filtrage dans le pot de décantation sont évacués par la conduite 213 et rejoignent le drain 32 par la vanne 203 et les points 204 et 241 . Cette fonction de vidange est également assurée lors d'un nettoyage évaporateur selon le circuit 2.
Pour assurer correctement l'ensemble des configurations d'écoulement, les composants suivants doivent de préférence être disposés à altitude strictement décroissante : trop-plein 209 ; sortie de trop plein (conduite) 213 ; vanne 203 ; conduite de sortie de vanne pour raccordement 201 ; point de raccordement 204 ; point de raccordement 241 ; le drain 32.
C'est aussi de préférence le cas pour : le point 30 ; le point 241 ; le drain 32 ;
Et de préférence pour : le point 30 ; la conduite 205 ; le capteur 208 Et aussi de préférence pour le point de production d'eau usées 15 ; la conduite 210 ; le point de raccordement 204 ; le point de raccordement 241 ; le drain 32
La pompe de relevage 29 des eaux grises est avantageusement munie d'un système anti retour fonctionnel même à l'arrêt de la pompe. SI ce n'est pas le cas, un clapet anti retour externe doit être disposé en aval de la pompe. Elle doit être capable de faire circuler un flux d'eau chargé tel que les eaux grises en sortie de douche. Cette pompe est de préférence à débit variable régulé par un capteur de pression 208 situé à la base du réservoir.
Le point 30 raccorde la conduite provenant du siphon 200 aux conduites aval 205 et 212. L'écoulement étant avantageusement gravitaire, ce point est disposé de telle sorte que l'intégralité du flux provenant du siphon 200 soit orientée vers la conduite 205. Cette dernière doit donc alors être connectée au point bas du raccordement 30. La conduite 212 n'est utilisée qu'en cas de trop plein de la conduite 205.
La conduite 200 d'eau grise reliant le point de raccordement 204 au point de raccordement 241 est de préférence telle que, l'écoulement étant gravitaire, le point 241 est disposé à une altitude inférieure au point 204.
La vanne 203 est avantageusement une vanne à 3 voies de zone à passage intégral permettant de vidanger le pot de décantation 209 ou de connecter l'écoulement de la conduite 20 vers le point de raccordement 204. L'écoulement de vidange étant gravitaire, les éléments 209, 203 et 204 sont disposés à altitude décroissante.
Le point de raccordement 204 d'eau grise est à la jonction entre les conduites amont 201 , 210 et la conduite aval 202 menant au point de raccordement 241 . L'écoulement étant gravitaire depuis le trop plein du réservoir 206, le point 204 est disposé à une altitude inférieure à ce trop-plein. Les flux amont (conduites 201 et 210) doivent être disposés en partie haute de ce point de raccordement 204 pour que la seule sortie gravitaire possible soit la conduite 202.
La conduite 205 d'eau grise permet d'alimenter le réservoir 206 avec l'eau provenant du receveur de douche. Cette conduite est en pente descendante entre le point de raccordement 30 et le réservoir 206. D'autre part, elle doit le cas échéant se situer au-dessous de la conduite optionnelle 212.
Le réservoir 206 a de préférence une position doit être telle que l'altitude du trop- plein disposé en position latérale haute soit inférieure à celle de la bonde de douche. En cas de présence d'un bypass 212, ce trop-plein peut être supprimé.
Le tube 207 plongeant dans le réservoir 206 permet une alimentation totalement liquide de la pompe 29. Le capteur de pression 208 en partie basse du réservoir 206 permet de connaître le niveau de remplissage.
Le pot de décantation 209 est de préférence muni d'un purgeur d'air en partie haute.
La conduite 210 d'eau grise relie le trop plein du réservoir 206 au point de raccordement 204.
La conduite 21 1 d'eau grise relie le pot de décantation 209 à l'échangeur 2.
La conduite 212 est optionnelle et relie les points de raccordement 30 et 241. Cette conduite peut être en pente descendante de 30 à 241 . Elle peut remplacer le trop plein du réservoir.
Dans le cas d'un dispositif dont le compresseur 26 est à vitesse unique, et en cas de manque de débit d'eau froide sanitaire et/ou d'eaux usées dans l'installation par rapport au débit minimal suffisant pour le fonctionnement du dispositif, l'eau chaude produite dépasse la consigne recherchée. Il s'agit alors d'un défaut extérieur au dispositif qui doit conduire à la mise en sécurité de celui-ci. Le dispositif comprend avantageusement une dérivation d'eau froide sanitaire vers le flux de sortie d'eau chaude sanitaire 23 produite. Sur cette dérivation, avantageusement une vanne de contrôle de débit assure le dosage de la quantité d'eau froide suffisante à refroidir l'eau chaude produite par le dispositif afin de l'abaisser au niveau de la consigne de température choisie, sauf si il y a un manque de débit d'eau froide comme mentionné ci-dessus.
Selon l'invention, le procédé de production d'eau chaude sanitaire par récupération de chaleur des eaux usées comprend au moins deux étapes de chauffage de l'eau. La première étape est une récupération de chaleur sensible par circulation de l'eau froide sanitaire, avantageusement à contre-courant, des eaux usées dans un premier échangeur 2 qui peut être d'efficacité peu élevée, typiquement 60%. Une autre étape postérieure est le chauffage de l'eau froide à température intermédiaire, également appelée eau préchauffée en eau chaude sanitaire par le condenseur 5 d'une pompe à chaleur 3 dont l'évaporateur 4 est situé sur le circuit d'eaux usées 1 .
Ces deux principales phases de chauffage de l'eau sont identifiables sur la figure
5. A cette figure, on peut voir l'augmentation de la température de l'eau froide sanitaire entrant dans le dispositif augmenter en deux temps représentés par deux inclinaisons de la courbe correspondant aux passages de l'eau à chauffer d'abord dans le premier échangeur 2 puis dans le condenseur 5. En parallèle, le graphe illustre la température des eaux usées entre l'entrée et la sortie dans le dispositif. Au niveau du condenseur 5 et de l'évaporateur 4 est illustrée en pointillés la température du fluide frigorigène circulant dans la pompe à chaleur 3.
Description chronologique d'un cycle de fonctionnement d'une installation selon l'invention :
L'utilisateur ouvre le robinet d'eau chaude. Cette information de soutirage d'eau chaude est transmise au dispositif selon l'invention.
Dans le circuit d'amorçage 6, la vanne 9 est activée et le régulateur de débit 10 adapte le débit de l'eau froide sanitaire circulant dans le circuit d'amorçage 6 en fonction de l'écart entre la consigne et la valeur réelle de la température d'eau chaude sanitaire, avantageusement mesurée en sortie du dispositif par le capteur de température 28.
Le compresseur 26 est mis en marche. Si le compresseur 26 est à puissance variable, la consigne de puissance au démarrage dépend de la température d'eau froide en entrée du dispositif, avantageusement mesurée par le capteur de température 17.
Les eaux usées commencent à arriver par le circuit d'évacuation des eaux usées 1 , généralement l'arrivée des eaux usées se produit moins d'une minute après l'ouverture du robinet d'eau chaude.
Dans le cas d'un compresseur 26 à vitesse (ou cylindrée) variable, la consigne de vitesse évolue en fonction de l'écart entre consigne et mesure de la température d'eau chaude, ainsi qu'en fonction de la sécurité contre le gel dans le circuit d'eaux usées 1 en aval de l'évaporateur 4.
La vanne 9 est fermée, le dispositif fonctionne alors en régime établi :
Dans le cas d'un compresseur 26 à puissance fixe, le débit est réglé par le dispositif.
Dans le cas d'un compresseur 26 à puissance variable, le débit d'eau chaude sanitaire peut être réglé par l'utilisateur et la consigne de puissance du compresseur dépend de ce dernier.
L'utilisateur ferme le robinet d'eau chaude. Fin du soutirage d'eau chaude. Cette information est transmise au dispositif.
Le compresseur 26 est coupé et la vanne 9 du circuit d'amorçage reste fermée Le dispositif selon l'invention possède au moins deux modes de fonctionnement en fonction du compresseur 26 de la pompe à chaleur 3 choisi :
un fonctionnement à débit variable réglé par l'utilisateur avec un compresseur 26 avec réglage de puissance, ou un fonctionnement à débit fixe réglé par le dispositif : avec un compresseur 26 sans ou avec réglage de puissance.
On entend par débit variable réglé par l'utilisateur que le débit d'eau chaude sanitaire produite par le dispositif est réglé par l'utilisateur lorsqu'il utilise l'eau chaude au point de consommation 13 et on entend fonctionnement à débit fixe réglé par le dispositif que le débit d'eau chaude sanitaire produite par le dispositif est réglé par dispositif et que l'utilisateur ne peut pas modifier le débit d'eau chaude au point de consommation 13.
Lorsque le compresseur 26 est un compresseur à vitesse variable, le circuit d'amorçage 6 n'est pas nécessaire car le compresseur 26 peut adapter son débit en fonction du débit du flux des eaux usées pénétrant dans la pompe à chaleur 3. Son activation accélère quand même la montée en température de l'eau chaude dès le soutirage d'eau chaude au point de consommation 13.
L'efficacité du dispositif de récupération selon l'invention est notamment fonctions de conditions externes. Notamment, la température de l'eau froide sanitaire qui elle-même dépend de plusieurs facteurs, notamment la localisation et la période de l'année. Le dispositif selon l'invention est configuré pour fonctionner quelques soit la température d'eau froide sanitaire, préférentiellement au-dessus de 6°C ; les températures minimales sont les plus critiques, le dispositif est avantageusement dimensionné pour des températures d'eau froide entre 6 et 10°C.
L'eau chaude sanitaire au point de consommation 13 est généralement comprise entre 37 et 39°C, notamment pour un usage de douche.
La température des eaux usées dépend par contre de plusieurs facteurs liés notamment à la géométrie et à la configuration du point d'eau, ainsi qu'aux caractéristiques du lieu. La baisse de température de l'eau chaude résulte du passage de l'eau chaude dans un environnement plus froid avant d'atteindre le réseau d'eaux usées. Ce passage peut être considéré comme un échangeur thermique pour les besoins du dimensionnement du dispositif selon l'invention. Sont décrites ci-après les lois de régulation pour le dispositif selon l'invention dont le débit d'eau chaude produite est réglé par l'utilisateur en régime dynamique (via l'ouverture du robinet par exemple). On analyse la phase la plus critique : le démarrage. Les paramètres étant variables durant cette phase, le calcul est réalisé par simulation dynamique, c'est-à-dire qu'il décrit l'évolution des paramètres en fonction du temps.
Les grandeurs régulées sont au nombre de 2 : a) Facteur de puissance du compresseur 26 (ou proportionnel de vitesse)
Celui-ci est régulé en fonction d'une consigne et d'une contrainte :
Consigne de température sur l'eau chaude produite
Contrainte de limite de gel sur les eaux usées en sortie du dispositif. La régulation du facteur de puissance est à action proportionnelle, intégrale et dérivée, elle est bornée à l'intervalle [0, 1 ].
La contrainte de limite en température des eaux usées est donnée par une loi à action directe couplée à une action dérivée. La loi à action directe prend la forme du premier quart d'une sinusoïde dont les abscisses sont la température limite et la température de bascule. Au-dessus d'une température dite température de bascule, aucune action corrective n'est apportée au facteur de puissance du compresseur 26 comme illustré en figure 8. La figure 8 illustre la correction du facteur de puissance du compresseur 26 en fonction de la température des eaux usées en sortie du dispositif. La température minimale est de 0°C et la température de bascule est ici de 3°C.
L'action dérivée consiste à observer les variations de la température d'eaux usées, en sortie du dispositif, préférentiellement par le capteur de température 16, pour anticiper la correction nécessaire du facteur de puissance. La réponse de cette fonction dérivée est traitée par une fonction de retard intégral permettant de stabiliser le dispositif.
Une étude en simulation thermique dynamique permet d'observer le comportement du dispositif complet avec sa régulation propre lors d'un démarrage « à froid ». Pour cela, les performances d'un compresseur 26 disponible dans le commerce ont été reproduites. De même, les échangeurs modélisés ont des performances comparables à des produits disponibles dans le commerce, avec par exemple une efficacité de 60% pour le premier échangeur 2.
Les résultats sont illustrés aux figures 9 et 10 démontrent que la mise en œuvre proposée permet de réaliser la production d'eau chaude sanitaire en respectant les contraintes de l'utilisateur et les éléments de l'environnement influant sur le dispositif. La réponse du dispositif réel pourra être optimisée avec une régulation affinée et grâce à des composants potentiellement plus performants que ceux modélisés dans ce cas.
b) Débit du circuit d'amorçage
Cette grandeur est régulée en fonction de l'écart entre la température de consigne d'eau chaude et la mesure de cette température par le capteur de température 28 sur le flux de sortie d'eau chaude 23 du dispositif. Une constante de débit maximal du circuit d'amorçage est fixée à la fabrication. Comme illustré à la figure 7, lorsque cet écart est supérieur à 20 K équivalents à 20°C, le débit d'amorçage maximal est fourni. Entre 20K et 1 K, celui-ci est réduit progressivement jusqu'à atteindre 0. La pente de cette loi de débit doit être continue, pour favoriser la stabilité de la régulation du dispositif.
Les figures 9 et 10 illustrent les différentes températures et débits dans le dispositif selon le mode de fonctionnement du compresseur avec réglage de puissance.
On constate que la température d'eau chaude en sortie du dispositif se stabilise après 28 s. ce délai correspond à la mise en place du débit d'amorçage puis du débit d'eaux usées et enfin la réduction progressive du débit d'amorçage illustré en figure 10. Dès le soutirage d'eau chaude, le circuit d'amorçage 6 se met place (fig. 10) et la température d'eau chaude produite augmente très rapidement. Quand le débit d'eaux usées augmente, le débit d'amorçage diminue et la température de l'eau préchauffée après le premier échangeur 2 augment progressivement de même que la température de l'eau chaude produite.
Sont décrites ci-après les lois de régulation pour le dispositif selon l'invention dont le débit est fixé par le dispositif en régime dynamique.
Les grandeurs régulées sont au nombre de 2 :
a) Le débit d'eau chaude produite
L'intérêt de ce cas repose sur le fait de pouvoir utiliser un compresseur 26 à vitesse unique. Ce type de compresseur 26 a de très bonnes performances et peut présenter un avantage commercial. Par extension, un compresseur à vitesse variable peut également convenir.
En régime établi, le dispositif a pour objectif de fournir de l'eau chaude à la température demandée par l'utilisateur. Pour cela, la régulation agit sur le débit d'eau chaude produite : une augmentation de ce débit réduit la température d'eau chaude du fait que la puissance thermique fournie au dispositif par la pompe à chaleur 3 est quasi constante. A l'inverse, une diminution du débit d'eau chaude augmente sa température. De cette façon, le débit d'eau n'est plus défini par l'utilisateur mais par le dispositif.
La phase transitoire de démarrage peut être réalisée de deux manières différentes. Dans les deux cas, le retard d'apparition du débit d'eaux usées illustré à la figure 6 nécessite d'avoir recours au circuit d'amorçage 6 pour accélérer le processus de démarrage. - Le débit nominal est généré dès le début du soutirage, la température de l'eau au point de consommation 13 est d'abord froide puis se réchauffe progressivement.
Les régulations et réglage nécessaires sont décrits ci-après :
• Débit d'amorçage :
L'amorçage se fait grâce au flux d'eau froide sanitaire dirigé vers le premier échangeur 2. Pour chaque température d'eau froide donnée, il existe un débit minimal d'amorçage suffisant pour éviter le risque de gel dans le premier échangeur 2. Dans le cas du système présenté en exemple plus bas et pour une eau froide à 9°C, un débit d'amorçage initial de 101/min est suffisant pour éviter le risque de gel. En dehors du paramètre de la valeur maximale, la loi de régulation du débit est la même que dans le cas du dispositif où le débit est réglé par l'utilisateur et faisant appel à un compresseur 26 à vitesse variable.
• Débit d'eau chaude sanitaire et température de l'eau chaude produite :
Le tableau de performances présenté ci-dessous montre qu'il existe un unique débit d'eau chaude pour un dispositif donné, une température d'eau froide donnée et une température de consigne d'eau chaude donnée. Les valeurs d'un tel tableau sont calculées à partir des performances des composants du dispositif, et peuvent également être mesurées sur un dispositif réel.
Sur un dispositif réel, une correction est avantageusement appliquée à ce débit pour augmenter la robustesse du dispositif face aux aléas possibles : manque de débit, variation de performance des composants. Principalement, cette correction permet d'éviter les surchauffes en augmentant le débit de consigne en cas de dépassement de la température de consigne. L'allure de cette fonction de correction est illustrée à la figure 1 1 , où la pente de la première partie de la courbe dépend notamment de la puissance du compresseur installé, sa valeur est typiquement de -1 .5 pour un débit exprimé en L/min. Cette correction s'ajoute au débit fixé initialement par calcul.
Les figures 12 et 13 illustrent le fonctionnement au démarrage d'un dispositif équipé d'un compresseur à vitesse unique, dont le débit est réglé au nominal dès le démarrage. Cette valeur est volontairement sous-estimée dans cet exemple pour illustrer le fonctionnement de la correction de débit en fonction de la température d'eau chaude produite.
Dans ce mode de fonctionnement, on constate que la température d'eau chaude en sortie du dispositif se stabilise après 16s. Ce délai correspond à la mise en place du débit d'amorçage puis du débit d'eaux usées et enfin la réduction progressive du débit d'amorçage illustré en figure 13. Le délai est plus court que selon le mode de fonctionnement précédent illustré aux figures 9 et 10 car le débit d'eau chaude n'est pas maximal dès le début du soutirage mais augmente seulement une fois que la température de consigne est atteinte. Dès le soutirage d'eau chaude, le débit d'amorçage se met en place, la diminution du débit d'amorçage au profit du débit des eaux usées est plus rapide que dans le mode de fonctionnement précédent. Dans ce cas, le débit d'amorçage est plus fort au début, d'où une diminution plus rapide. La vitesse de diminution de ce débit est aussi liée à la dynamique générale du dispositif puisque ce débit est inversement calé sur la montée en température de l'eau chaude sanitaire.
- Le débit est d'abord limité pour atteindre très rapidement la température de consigne demandée par l'utilisateur. Le débit augmente ensuite progressivement jusqu'au point nominal.
Comme dans le cas précédent, la régulation porte sur les paramètres suivants :
a) Débit d'amorçage
Les mêmes remarques et principe que pour le cas à débit nominal au démarrage s'appliquent ici.
b) Débit d'eau chaude sanitaire et de température de l'eau chaude produite Dans ce cas, le débit d'eau chaude sanitaire est l'addition du débit nominal avec une correction proportionnelle et intégrale par rapport à l'écart entre la température de consigne et la température mesurée. Cette loi doit être particulièrement réactive.
Exemples de Performance du dispositif en en régime établi
Exemple 1 : cas du compresseur à vitesse unique
L'étude énergétique du dispositif montre qu'il existe, avec des composants donnés, un unique débit d'eau chaude sanitaire pour lequel la température d'eau produite atteint une consigne choisie, soit environ 39°C pour l'eau chaude sanitaire directe. Avec des hypothèses semblables à celles retenues pour la simulation dynamique du dispositif, les résultats des bilans énergétiques montrent que les coefficients de performance (COP) dépassent 7.5, soit une économie de 86.7% par rapport à un chauffage par effet joule, sans prendre en compte l'avantage causé par la réduction des pertes thermiques du fait du caractère décentralisé de l'installation et de l'absence de stock. Performances avec un compresseur à vitesse unique, pour 3 températures d'eau froide :
Exemple 2 : cas du compresseur à vitesse variable
Dans ce cas, l'étude énergétique permet de définir le facteur de puissance nécessaire pour que la température d'eau chaude soit atteinte avec le débit souhaité par l'utilisateur. Les coefficients de performance sont du même ordre que pour le cas du compresseur à vitesse fixe.
REFERENCES
1 . Circuit d'évacuation des eaux usées
2. Premier échangeur
3. Pompe à chaleur
4. Evaporateur
5. Condenseur
6. Circuit d'amorçage
7. Conduit d'amené d'eau froide sanitaire
8. Raccordement circuit d'amorçage
9. Vanne d'arrêt
10. Régulateur de débit
1 1 . Capteur de débit
12. Raccordement circuit d'amorçage
13. Point de consommation d'eau chaude
14. Pressostat
15. Point de production d'eaux usées
16. Capteur de température
17. Capteur de température
18. Capteur régulateur de débit
19. Flux d'eaux usées en entrée du dispositif
20. Flux d'eaux usées en sortie du dispositif
21 . Flux d'arrivée d'eau froide sanitaire dans le dispositif
22. Flux d'eau froide sanitaire dans le circuit d'amorçage
23. Flux d'eau chaude sanitaire en sortie du dispositif
24. Flux d'eau intermédiaire du dispositif
25. Alimentation électrique
26. Compresseur
27. Organe de détente
28. Capteur de température
29. Pompe de relevage des eaux usées
30. Siphon
31 . Raccordement à la pompe de relevage
32. Flux d'eaux usées d'évacuation
33. Réseau d'évacuation des eaux usées
34. Raccordement 100. Dispositif
200. Siphon
201 . Raccordement de vidange du pot de décantation 209
202. Conduite d'eau grise
203. Vanne 3 voies de zone à passage intégral
204. Point de raccordement d'eau grise
205. Conduite d'eau grise
206. Réservoir
207. Tube plongeant
208. Capteur de pression
209. Pot de décantation muni d'un purgeur d'air en partie haute.
210. Conduite d'eau grise
21 1 . Conduite d'eau grise
212. Conduite
213. Conduite
241 . Point de raccordement

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif (100) de production d'eau chaude sanitaire par récupération de chaleur d'eaux usées comprenant
un circuit d'évacuation des eaux usées (1 ),
un circuit de chauffage d'eau froide sanitaire en eau chaude sanitaire, un premier échangeur (2) disposé sur le circuit d'eaux usées (1 ) configuré pour assurer le transfert de la chaleur des eaux usées vers de l'eau froide sanitaire résultant en de l'eau froide préchauffée,
une pompe à chaleur (3) comprenant un évaporateur (4) et un condenseur (5), configurée pour chauffer l'eau froide préchauffée en eau chaude sanitaire, l'évaporateur (4) étant agencé sur le circuit d'eaux usées en aval et en série du premier échangeur (2), le condenseur (5) étant disposé sur le circuit de chauffage en aval et en série du premier échangeur (2) de sorte à chauffer de l'eau préchauffée issue du premier échangeur,
caractérisé en ce que le dispositif (100) comprend un circuit d'amorçage (6) configuré pour alimenter en eau froide sanitaire l'évaporateur (4) de la pompe à chaleur (3),
et en ce que le dispositif (100) ne comprend pas de stockage d'eau chaude sanitaire, ni d'eaux usées.
2. Dispositif (100) selon la revendication précédente, dans lequel le circuit d'amorçage (6) est configuré pour alimenter en eau froide sanitaire l'évaporateur (4) de la pompe à chaleur (3), le circuit d'amorçage (6) comprenant des moyens de contrôle de débit d'eaux usées dans le circuit d'évacuation d'eaux usées (1 ) et des moyens de commande qui sont configurés pour activer l'alimentation en eau froide sanitaire de l'évaporateur (4) jusqu'à génération d'une information d'établissement d'un débit d'eaux usées stabilisés dans le circuit d'évacuation des eaux usées (1 ) par les moyens de contrôle de débit.
3. Dispositif (100) selon l'une quelconque des deux revendications précédentes dans lequel le circuit d'amorçage (6) est configuré pour alimenter en eau froide sanitaire l'évaporateur (4) de la pompe à chaleur (3), le circuit d'amorçage (6) comprenant des moyens de contrôle de température d'eau chaude sanitaire produite et des moyens de commande qui sont configurés pour activer l'alimentation en eau froide sanitaire de l'évaporateur (4) jusqu'à génération d'une information par les moyens de contrôle de température révélant que la température de l'eau chaude sanitaire produite a atteint une température de consigne d'eau chaude sanitaire.
4. Dispositif (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le circuit d'amorçage (6) comprend au moins l'un parmi un raccordement (8) sur un conduit d'amenée d'eau froide sanitaire (7), une vanne d'arrêt (9), un capteur de débit (1 1 ), un régulateur de débit (10) et un raccordement (12) sur le circuit d'eaux usées (1 ) disposé en amont de l'évaporateur (4).
5. Dispositif (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le dispositif (100) est destiné à approvisionner un unique point de consommation (13) en eau chaude sanitaire.
6. Dispositif (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le circuit d'amorçage (6) est configuré pour alimenter en eau froide sanitaire l'évaporateur (4) de la pompe à chaleur (3), le dispositif (100) comprenant un capteur d'utilisation d'eau chaude sanitaire, le circuit d'amorçage (6) comprenant des moyens de commande configurés pour activer l'alimentation en eau froide sanitaire de l'évaporateur (4) à génération d'une information de consommation d'eau chaude sanitaire par le capteur d'utilisation d'eau chaude sanitaire.
7. Dispositif (100) selon l'une des revendications précédentes comprenant un capteur d'utilisation d'eau chaude sanitaire configuré pour activer la production d'eau chaude sanitaire de sorte à produire de l'eau chaude sanitaire de manière synchronisé à l'utilisation d'eau chaude sanitaire.
8. Dispositif (100) selon l'une des deux revendications précédentes dans lequel le capteur d'utilisation comprend au moins l'un parmi un contacteur sur un point de consommation d'eau chaude, un capteur sur un point de consommation d'eau chaude, un pressostat (14) agencé sur le circuit de chauffage en aval de la pompe à chaleur (3).
9. Dispositif (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un capteur de température (28) sur le circuit de chauffage en aval de la pompe à chaleur (3) de sorte à déterminer la température de sortie de l'eau chaude sanitaire produite.
10. Dispositif (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un capteur de température (17) sur le circuit d'eaux usées (1 ) en aval de la pompe à chaleur (3) de sorte à déterminer la température de sortie des eaux usées.
1 1 . Dispositif (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un capteur régulateur (18) de débit agencé sur le circuit de chauffage en aval de la pompe à chaleur (3).
12. Dispositif (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le premier échangeur (2) est configuré pour assurer une circulation à contrecourant des eaux usées et de l'eau froide sanitaire au niveau dudit premier échangeur (2).
13. Dispositif (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant une pompe de relevage sur le circuit d'eaux usées en amont du premier échangeur (2).
14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un dispositif de filtration sur le circuit d'eaux usées en amont du premier échangeur (2).
15. Dispositif selon les deux revendications précédentes en combinaison, dans lequel le dispositif de filtration comporte un réservoir (206) raccordé à une conduite (205) d'entrée d'eaux usées, un tube (207) présentant une première extrémité plongeant dans le réservoir (206) et une deuxième extrémité raccordée à la pompe de relevage (29).
16. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif de filtration comporte un pot de décantation (209) raccordé à une sortie de la pompe de relevage (29) et à une conduite (21 1 ) de liaison au premier échangeur (2).
17. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif de filtration comporte une première conduite (210) de trop-plein depuis une zone supérieure du réservoir (29) et raccordable à un drain (32), une deuxième conduite de trop-plein (212) reliant une embouchure d'entrée de la conduite (205) d'entrée au drain (32), et une vanne (203) configurée pour raccorder au drain (32) sélectivement l'une parmi : une sortie du pot de filtration (209), une conduite de flux d'eaux usées en sortie (20).
18. Dispositif (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes ne comprenant pas de dispositif de chauffage d'appoint.
19. Installation de production d'eau chaude sanitaire par récupération de chaleur des eaux usées comprenant le dispositif (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes et un point unique de consommation (13) de l'eau chaude sanitaire produite.
20. Installation selon la revendication précédente comprenant un point unique de production d'eaux usées (15).
21 . Installation selon l'une quelconque des revendications 19 à 20 configurée pour que la production d'eau chaude sanitaire soit synchronisée à l'utilisation d'eau chaude sanitaire.
22. Installation selon l'une quelconque des revendications 19 à 21 configurée pour que la production d'eau chaude sanitaire soit simultanée à la production d'eaux usées.
23. Procédé de production d'eau chaude sanitaire par récupération de chaleur des eaux usées en utilisant le dispositif (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 18 comprenant deux étapes successives de chauffage de l'eau froide sanitaire.
24. Procédé selon la revendication précédente dans lequel il n'y a pas de stockage des eaux usées ni de l'eau chaude sanitaire.
25. Procédé selon l'une quelconque des revendications 23 ou 24 comprenant les étapes suivantes :
a. Préchauffage de l'eau froide sanitaire par le premier échangeur (2) b. Chauffage de l'eau préchauffée obtenue à l'étape a. par une pompe à chaleur (3).
26. Procédé selon l'une quelconque des revendications 23 à 25 comprenant une étape d'amorçage de la pompe à chaleur (3) par activation d'un circuit d'amorçage (6) configuré pour alimenter en eau froide sanitaire l'évaporateur (4) de la pompe à chaleur (3) avant l'établissement d'un débit d'eaux usées stabilisé dans le circuit d'évacuation des eaux usées (1 ).
27. Procédé selon l'une quelconque des revendications 23 à 26 comprenant une étape d'amorçage de la pompe à chaleur (3) par activation d'un circuit d'amorçage (6) configuré pour alimenter en eau froide sanitaire l'évaporateur (4) de la pompe à chaleur (3) avant que la température de l'eau chaude sanitaire produite ait atteint une température de consigne d'eau chaude sanitaire.
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