FR3012873A1 - Methode et dispositif de transfert d'energie thermique en milieu urbain - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une méthode et un dispositif de transfert thermique (10) destiné à être installé entre, un circuit d'alimentation en fluide caloporteur (12) présentant une arrivée (14) et un retour (16), d'une part, et un premier circuit de chauffage (18) et un second circuit d'eau chaude sanitaire (20) d'autre part, ledit dispositif comprenant un premier échangeur (22) et un second échangeur (24), présentant chacun une entrée (26, 38) destinée à être raccordée à ladite arrivée (14) et une sortie (28, 40) destinée à être raccordée audit retour (16). Le dispositif comprend un conduit de captage (52) pour raccorder ladite sortie (28) dudit premier échangeur (22) à ladite entrée (38) dudit second échangeur (24) de manière à pouvoir capter au moins une fraction de fluide caloporteur refroidi à la sortie (28) dudit premier échangeur (22), et à la réinjecter à ladite entrée (38) dudit second échangeur (24).

Description

Méthode et dispositif de transfert d'énergie thermique en milieu urbain La présente invention se rapporte à une méthode et à un dispositif de transfert d'énergie thermique en milieu urbain.

Un domaine d'application envisagé est celui de la fourniture en énergie thermique de l'habitat urbain, où il doit être fourni aussi bien de l'eau chaude sanitaire, à des températures de l'ordre de 55°C ou 60°C, que de l'eau chaude pour le chauffage des bâtiments de l'ordre de 80°C. En zone urbaine, des réseaux de fluide caloporteur sont installés et au droit des bâtiments, un circuit de dérivation permet de fournir une arrivée en fluide caloporteur chaud et un retour en fluide caloporteur refroidi. Le fluide caloporteur est usuellement de l'eau. A l'intérieur des bâtiments, deux circuits sont installés, un premier circuit d'eau chaude de chauffage et un second circuit d'eau chaude sanitaire, distinct. La température du retour de l'eau de chauffage est supérieure à la température de l'eau froide destinée à produire de l'eau chaude sanitaire. Le transfert d'énergie thermique entre l'arrivée en fluide caloporteur chaud et les deux circuits d'eau chaude, de chauffage et sanitaire, s'effectue au moyen de deux échangeurs thermiques indépendants. Les deux 20 échangeurs thermiques présentant chacun une entrée raccordée à l'arrivée pour pouvoir être alimentés en fluide caloporteur chaud et une sortie raccordée au retour pour évacuer le fluide caloporteur refroidi. La température du fluide caloporteur doit être maintenue dans les réseaux à une valeur sensiblement supérieure à la température des circuits d'eau de 25 chauffage, pour pouvoir, malgré les pertes thermiques, maintenir une valeur de température nettement plus élevée par rapport à la température de l'eau chaude sanitaire, en particulier lorsque la température extérieure est basse. Aussi, l'échangeur destiné au circuit d'eau sanitaire est traversé par un fluide caloporteur chaud, alors qu'il pourrait l'être par un fluide caloporteur moins 30 chaud, et partant, moins générateur de tartre. Au surplus, le fluide caloporteur refroidi, demeure encore à une température relativement haute et est évacuée à travers le retour, alors qu'une partie de l'énergie thermique qu'il véhicule pourrait être utilisée. Aussi, un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention, est de fournir un dispositif de transfert d'énergie thermique, qui permette de diminuer l'entartrage de l'échangeur destiné au circuit d'eau sanitaire. En outre, la présente invention vise également à faire échanger un maximum d'énergie thermique entre le fluide caloporteur et, les circuits d'eau chaude de chauffage et d'eau chaude sanitaire. Dans ce but, et selon un premier objet, la présente invention propose une méthode de transfert d'énergie thermique en milieu urbain entre, un circuit d'alimentation en fluide caloporteur présentant une arrivée et un retour, d'une part, et un premier circuit de fluide de chauffage et un second circuit d'eau chaude sanitaire d'autre part, ladite méthode étant du type comprenant une étape selon laquelle on fournit un premier échangeur thermique et un second échangeur thermique, destinés à venir coupler thermiquement ledit circuit d'alimentation en fluide caloporteur, respectivement auxdits premier et second circuits, lesdits premier et second échangeurs thermiques présentant chacun une entrée destinée à être raccordée à ladite arrivée pour alimenter lesdits premier et second échangeurs thermiques en fluide caloporteur chaud et une sortie destinée à être raccordée audit retour pour évacuer le fluide caloporteur refroidi. En outre, on capte au moins une fraction dudit fluide caloporteur refroidi à ladite sortie dudit premier échangeur thermique et on réinjecte ladite au moins une fraction captée à ladite entrée dudit second échangeur thermique de manière à pouvoir abaisser la température de ladite au moins une fraction captée. Ainsi, une caractéristique de l'invention réside dans l'injection d'une fraction du fluide caloporteur refroidi dans le premier échangeur, à l'entrée du second échangeur. De la sorte, non seulement on vient récupérer de l'énergie thermique du fluide caloporteur refroidi, mais aussi, le fluide caloporteur refroidi circulant dans le second échangeur est à une température plus basse, et la précipitation des carbonates de calcium est atténuée. Partant, l'exploitant du réseau de fluide caloporteur optimise la fourniture d'énergie thermique, car la différence entre la température d'arrivée et de retour du fluide caloporteur est plus importante, et aussi, la durée de vie des échangeurs thermiques est augmentée. Selon une caractéristique de l'invention particulièrement avantageuse, on capte ladite au moins une fraction lorsque la température du fluide caloporteur refroidi à la sortie dudit premier échangeur est supérieure à la température du fluide caloporteur à ladite sortie dudit second échangeur. En outre, on capte ladite au moins une fraction, lorsqu'il y a une demande d'énergie thermique pour le second circuit. De la sorte, on capte ladite au moins une fraction lorsque que l'on peut réellement tirer partie énergétiquement, du fluide caloporteur refroidi et lorsque cela est nécessaire. Selon une caractéristique de l'invention préférée, la température dudit second circuit d'eau chaude sanitaire est inférieure à la température dudit premier circuit de fluide de chauffage. Par exemple, le fluide de chauffage est de l'eau, dont la température est portée au voisinage de 80°C, par l'intermédiaire du premier échangeur, tandis que l'eau chaude sanitaire est portée, elle, à une température voisine de 60°C. Grâce aux échangeurs thermiques, le réseau de fluide caloporteur urbain est totalement distinct des circuits d'eau de chauffage et sanitaire.

En outre, préférentiellement, on alimente ledit second échangeur thermique en fluide caloporteur chaud selon un débit variable en fonction de la température dudit second circuit. Le fluide caloporteur refroidi est généralement trop froid, pour pouvoir alimenter seul le second échangeur et réchauffer suffisamment l'eau chaude sanitaire. Aussi, le second échangeur est parallèlement alimenté en fluide caloporteur chaud, en fonction de la température de l'eau chaude sanitaire, pour pouvoir maintenir la bonne température, et selon l'exemple ci-dessus, 60°C. Bien évidemment, cette régulation est plus ou moins nécessaire selon la saison, et les besoins en chauffage.

Selon un autre objet, la présente invention propose également un dispositif de transfert d'énergie thermique en milieu urbain destiné à être installé entre, un circuit d'alimentation en fluide caloporteur présentant une arrivée et un retour, d'une part, et un premier circuit de fluide de chauffage et un second circuit d'eau chaude sanitaire d'autre part, ledit dispositif comprenant un premier échangeur thermique et un second échangeur thermique, destinés à venir coupler thermiquement ledit circuit d'alimentation en fluide caloporteur, respectivement auxdits premier et second circuits, lesdits premier et second échangeurs thermiques présentant chacun une entrée destinée à être raccordée à ladite arrivée pour alimenter lesdits premier et second échangeurs thermiques en fluide caloporteur chaud et une sortie destinée à être raccordée audit retour pour évacuer le fluide caloporteur refroidi. Il comprend en outre un conduit de captage pour raccorder ladite sortie dudit premier échangeur thermique à ladite entrée dudit second échangeur thermique de manière à pouvoir capter au moins une fraction de fluide caloporteur refroidi à la sortie dudit premier échangeur thermique, et à réinjecter ladite au moins une fraction captée à ladite entrée dudit second échangeur thermique de manière à abaisser la température de ladite au moins une fraction captée. Ainsi, le conduit de captage est raccordé, à l'une de ses extrémités, en T à la sortie du premier échangeur thermique, et à son autre extrémité en T à l'entrée du second échangeur thermique. Préférentiellement, ledit conduit de captage est raccordé à ladite sortie dudit premier échangeur thermique par une vanne trois voies réglable. Ainsi, la vanne trois voies est montée sur la sortie du premier échangeur thermique et sur ladite une desdites extrémités dudit conduit de captage. De la sorte, le fluide caloporteur refroidi sortant du premier échangeur, peut être orienté vers l'un ou l'autre du retour ou de l'entrée du second échangeur, ou bien partagé entre les deux comme on l'expliquera ci- après. Avantageusement, ladite sortie dudit premier échangeur thermique comprend un premier capteur de température de sortie, tandis que ladite sortie dudit second échangeur thermique comprend un second capteur de température de sortie, et on capte ladite au moins une fraction de fluide caloporteur refroidi, lorsque ledit premier capteur de sortie fournit une valeur de température supérieure à la valeur de température dudit second capteur de 3012 873 5 température de sortie. Aussi, lorsque ledit premier capteur de sortie fournit une valeur de température inférieure à la valeur de température dudit second capteur de température de sortie, le fluide caloporteur refroidi est entièrement évacué vers le retour, grâce à la vanne trois voies réglable. 5 De plus, ladite arrivée dudit circuit d'alimentation en fluide caloporteur et ladite entrée dudit second échangeur thermique sont raccordés par un second conduit d'arrivée muni d'une vanne deux voies à débit réglable. De la sorte, en pilotant simultanément l'alimentation en fluide caloporteur chaud au moyen de la vanne à deux voies et l'alimentation en fluide caloporteur refroidi au moyen 10 de la vanne à trois voies, on peut atteindre la température de consigne du circuit d'eau chaude sanitaire. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins 15 annexés de la Figure unique, représentant un synoptique d'un dispositif de transfert thermique selon l'invention. L'unique Figure illustre un dispositif de transfert d'énergie thermique 10 conformément à l'invention. Il est installé entre, un circuit d'alimentation en fluide caloporteur 12 présentant une arrivée 14 et un retour 16, et deux circuits 20 de circulation d'eau, un premier de circulation d'eau de chauffage 18 et un second de circulation d'eau chaude sanitaire 20. Le dispositif 10 comprend deux échangeurs thermiques, un premier échangeur thermique 22 pour pouvoir coupler le circuit d'alimentation en fluide caloporteur 12 avec le premier circuit de circulation d'eau de chauffage 18, et 25 un second échangeur thermique 24 pour pouvoir coupler le circuit d'alimentation en fluide caloporteur 12 avec le second circuit de circulation d'eau chaude sanitaire 20. Le premier échangeur thermique 22 présente une première entrée 26 raccordée à l'arrivée 14 et une première sortie 28 raccordée au retour 16. A 30 l'intérieur du premier échangeur thermique 22, la première entrée 26 et la première sortie 28 sont par exemple couplées à un serpentin non représenté.

Préférentiellement, l'échangeur est un échangeur à plaques et non pas à serpentin. En outre, entre l'arrivée 14 et la première entrée 26, une première vanne d'entrée 30 permet de régler le débit d'entrée en fluide caloporteur à l'intérieur du premier échangeur thermique 22. La première vanne d'entrée 30 est alors asservie à un premier capteur de température de circulation 32 du premier circuit de circulation d'eau de chauffage 18 par l'intermédiaire d'un premier régulateur 34. De plus, la première sortie 28 du premier échangeur thermique 22 est 10 équipée d'un premier capteur de température de sortie 36 dont on expliquera ci-après la fonction. S'agissant du second échangeur thermique 24, il présente une seconde entrée 38 raccordée au retour 16 et une seconde sortie 40 raccordée également au retour 16. De la même façon que le premier, la seconde entrée 15 38 et la seconde sortie 40 sont couplées, par exemple à un serpentin, à l'intérieur de l'échangeur thermique 24. Préférentiellement, le second échangeur thermique est également un échangeur à plaques. Entre l'arrivée 14 et la seconde entrée 38, une seconde vanne d'entrée 42 permet de régler le débit d'entrée en fluide caloporteur à l'intérieur du 20 second échangeur thermique 24. La seconde vanne d'entrée 42 est également asservie à un second capteur de température de circulation 44 du second circuit de circulation d'eau chaude sanitaire 20 par l'intermédiaire d'un second régulateur 46. En outre, la seconde entrée 38 du second échangeur thermique 24 est 25 munie d'un second capteur de température d'entrée 48, tandis que la seconde sortie 40 est équipée d'un second capteur de température de sortie 50. Selon l'invention, un conduit de captage 52 est raccordé en T, à l'une de ses extrémités, entre la première sortie 28 du premier échangeur thermique 22 et le retour 16 au moyen d'une vanne trois voies 54, et à l'autre de ses 30 extrémités, à la seconde entrée 38. On observera que l'autre extrémité du conduit de captage 52 est raccordée à la seconde entrée 38, en amont de l'arrivée 14 via la seconde vanne d'entrée 42. Selon un autre mode de mise en oeuvre, non représenté, l'autre extrémité du conduit de captage 52 est raccordée en aval. Ainsi, grâce au conduit de captage 52, et aussi à la vanne trois voies 54, d'une part la température du fluide caloporteur traversant le second échangeur thermique 24 va pouvoir être abaissée à une température inférieure à la température du fluide caloporteur traversant le premier échangeur thermique 22, ce qui permet à la fois de diminuer la précipitation du carbonate de calcium et aussi d'épuiser plus encore le fluide caloporteur de son énergie thermique. En effet, selon l'art antérieur, la régulation de l'eau chaude sanitaire du second circuit de circulation d'eau chaude sanitaire 20, est réalisé par la seule seconde vanne d'entrée 42, laquelle est asservie au second capteur de température de circulation 44 par l'intermédiaire du second régulateur 46. Ainsi, c'est le débit du fluide caloporteur qui permet une régulation, de la température de l'eau chaude sanitaire.

Selon l'invention, le fluide caloporteur issu directement de l'arrivée 14 est refroidi à la seconde entrée 38 du second échangeur 24 en injectant simultanément une fraction du fluide caloporteur refroidi à travers le premier échangeur 22 et capté grâce à la vanne trois voies 54. De la sorte, en réglant la vanne trois voies 54 et la seconde vanne d'entrée 42 on mélange un fluide caloporteur chaud et un fluide caloporteur refroidi, pour réaliser un mélange de fluide à une température intermédiaire permettant de fournir l'énergie thermique nécessaire au chauffage de l'eau chaude sanitaire. De plus, l'ensemble du dispositif de transfert d'énergie thermique est piloté par un ou deux régulateurs non représentés. Ils permettent notamment, d'autoriser l'ouverture de la vanne trois voies 54 lorsque le premier capteur de température de sortie 36 fournit une valeur de température supérieure à la valeur fournie par le second capteur de température de sortie 50. Dans la négative, il ne sert en effet à rien de capter le fluide caloporteur pour alimenter le second échangeur thermique 24, car aucune énergie thermique supplémentaire ne pourra être prélevée. Aussi, aucune fraction ne sera prélevée.

Le ou les régulateurs permettent également le réglage de la quantité de fluide caloporteur dérivé dans le conduit de captage 52 afin d'obtenir une température mesurée par le second capteur de température d'entrée 48, correspondant à la température choisie, par exemple entre 65°C et 70°C.

On illustrera ci-après le fonctionnement du dispositif par des valeurs de température. Ainsi, on refroidi le fluide caloporteur sortant du premier échangeur thermique 22 grâce au second échangeur 24, car la température du fluide caloporteur refroidi à la première sortie 28, mesurée par le capteur de température de sortie 36 est par exemple comprise entre 35°C et 65°C, tandis que la température d'arrivée d'eau froide dans le second circuit 20 est, toute l'année, comprise entre 5°C et 15°C, ce qui peut physiquement permettre d'obtenir à la seconde sortie 40, entre 10°C et 20°C. Il est avantageux que le second échangeur 24 puisse fournir la puissance nécessaire pour satisfaire les besoins d'eau chaude sanitaire, avec d'une part une température modérée à la seconde entrée 38, par exemple 65°C ou 70°C, de manière à réchauffer de l'eau sanitaire jusqu'à 60°C, et d'autre part une température assez basse à la seconde sortie 40, au maximum de 40°C. De la sorte, tout d'abord on minimise le risque d'entartrage du côté eau chaude sanitaire, grâce à la température du fluide caloporteur à la seconde entrée 38.

Ensuite, on va pouvoir, plus fréquemment, au cours de la saison de chauffage, sous refroidir le fluide caloporteur sortant du premier échangeur 22, à la première sortie 28. Enfin, on va limiter le besoin de fluide caloporteur admis par la seconde vanne d'entrée 42. En effet, si la température est de 65°C à la première sortie 28 et si la température du fluide caloporteur à l'arrivée 14 est de 105°C, on aura besoin à la seconde entrée 38 d'un débit valant 1/8 du débit capté par le conduit de captage 52. Ainsi, s'agissant de la régulation, la vanne trois voies 54 captera une partie du débit de la première sortie 28, si la température affichée par le premier capteur de température de sortie 36 est sensiblement supérieure, par exemple d'au moins 5°C, à celle affichée par le second capteur de température de sortie 50, de telle façon que la température du fluide caloporteur à la seconde entrée 38 soit selon le choix, effectué pour dimensionner le second échangeur 24, de 65°C ou 70°C, la seconde vanne d'entrée 42, amènera un débit suffisant pour obtenir, une valeur affichée du second capteur de température de circulation 44, correspondant à la température souhaitée, par exemple entre 55°C et 60°C. Aussi, la vanne trois voies 54 et la seconde vanne d'entrée 42 sont coordonnées par les régulateurs, de telle sorte que : - la vanne trois voies 54 s'ouvre, quand le premier capteur de température de sortie 36 fournit une valeur de température supérieure à la valeur fournie par le second capteur de température de sortie 50, afin d'obtenir une température mesurée par le second capteur de température d'entrée 48 suffisante, par exemple comprise entre 65°C et 70°C, pour, compte tenu des besoins d'eau chaude sanitaire et du dimensionnement du second échangeur 24, réchauffer l'eau chaude sanitaire, - la seconde vanne d'entrée 42 s'ajuste afin d'obtenir la température de consigne de l'eau chaude sanitaire mesurée par le second capteur de température de circulation 44, par exemple entre 55°C et 60°C.

Claims (8)

1. REVENDICATIONS1. Méthode de transfert d'énergie thermique en milieu urbain entre, un circuit d'alimentation en fluide caloporteur (12) présentant une arrivée (14) et un retour (16), d'une part, et un premier circuit de fluide de chauffage (18) et un second circuit d'eau chaude sanitaire (20) d'autre part, ladite méthode étant du type comprenant une étape selon laquelle on fournit un premier échangeur thermique (22) et un second échangeur thermique (24), destinés à venir coupler thermiquement ledit circuit d'alimentation en fluide caloporteur (12), respectivement auxdits premier (18) et second (20) circuits, lesdits premier (22) et second (24) échangeurs thermiques présentant chacun une entrée (26, 38) destinée à être raccordée à ladite arrivée (14) pour alimenter lesdits premier (22) et second (24) échangeurs thermiques en fluide caloporteur chaud et une sortie (28, 40) destinée à être raccordée audit retour (16) pour évacuer le fluide caloporteur refroidi, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une étape selon laquelle on capte au moins une fraction dudit fluide caloporteur refroidi à ladite sortie (28) dudit premier échangeur thermique (22) et on réinjecte ladite au moins une fraction captée à ladite entrée (38) dudit second échangeur thermique (24) de manière à pouvoir abaisser la température de ladite au moins une fraction captée.
2. 2. Méthode de transfert selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'on capte ladite au moins une fraction lorsque la température du fluide caloporteur refroidi à la sortie (28) dudit premier échangeur (22) est supérieure à la température du fluide caloporteur à ladite sortie (40) dudit second échangeur (24).
3. 3. Méthode de transfert selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la température dudit second circuit d'eau chaude sanitaire (20) est inférieure à la température dudit premier circuit de fluide de chauffage (18).
4. 4. Méthode de transfert selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'on alimente ledit second échangeur thermique (24) enfluide caloporteur chaud selon un débit variable en fonction de la température dudit second circuit (20).
5. 5. Dispositif de transfert d'énergie thermique (10) en milieu urbain destiné à être installé entre, un circuit d'alimentation en fluide caloporteur (12) présentant une arrivée (14) et un retour (16), d'une part, et un premier circuit de fluide de chauffage (18) et un second circuit d'eau chaude sanitaire (20) d'autre part, ledit dispositif comprenant un premier échangeur thermique (22) et un second échangeur thermique (24), destinés à venir coupler thermiquement ledit circuit d'alimentation en fluide caloporteur (12), respectivement auxdits premier (18) et second (20) circuits, lesdits premier (22) et second (24) échangeurs thermiques présentant chacun une entrée (26, 38) destinée à être raccordée à ladite arrivée (14) pour alimenter lesdits premier (22) et second (24) échangeurs thermiques en fluide caloporteur chaud et une sortie (28, 40) destinée à être raccordée audit retour (16) pour évacuer le fluide caloporteur refroidi ; caractérisé en ce qu'il comprend en outre un conduit de captage (52) pour raccorder ladite sortie (28) dudit premier échangeur thermique (22) à ladite entrée (38) dudit second échangeur thermique (24) de manière à pouvoir capter au moins une fraction de fluide caloporteur refroidi à la sortie (28) dudit premier échangeur thermique (22), et à réinjecter ladite au moins une fraction captée à ladite entrée (38) dudit second échangeur thermique (24) de manière à abaisser la température de ladite au moins une fraction captée.
6. 6. Dispositif de chauffage urbain selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit conduit de captage (52) est raccordé à ladite sortie (28) dudit premier échangeur thermique (22) par une vanne trois voies réglable (54).
7. 7. Dispositif de chauffage urbain selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que ladite sortie (28) dudit premier échangeur thermique (22) comprend un premier capteur de sortie (36), tandis que ladite sortie (40) dudit second échangeur thermique (24) comprend un second capteur de température de sortie (50), et en ce qu'on capte ladite au moins une fraction de fluide caloporteur refroidi, lorsque ledit premier capteur de sortie (36) fournitune valeur de température supérieure à la valeur de température dudit second capteur de température de sortie (50).
8. 8. Dispositif de chauffage urbain selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que ladite arrivée (14) dudit circuit d'alimentation en fluide caloporteur (12) et ladite entrée (38) dudit second échangeur thermique (24) sont raccordées par un second conduit d'arrivée muni d'une vanne deux voies à débit réglable (42).