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FR3041420B1 - Dispositif de production d'eau chaude sanitaire par recuperation de chaleur des eaux usees, une installation et un procede de production associe - Google Patents

Dispositif de production d'eau chaude sanitaire par recuperation de chaleur des eaux usees, une installation et un procede de production associe Download PDF

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FR3041420B1
FR3041420B1 FR1558903A FR1558903A FR3041420B1 FR 3041420 B1 FR3041420 B1 FR 3041420B1 FR 1558903 A FR1558903 A FR 1558903A FR 1558903 A FR1558903 A FR 1558903A FR 3041420 B1 FR3041420 B1 FR 3041420B1
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Joel Wyttenbach
Pierre Dumoulin
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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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, caractérisé en ce que l'évaporateur (4) est agencé sur le circuit d'eaux usées en aval et en série du premier échangeur, et que le condenseur (5) est 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, et que le dispositif (100) ne comprend 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

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.
Il 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.
Il 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 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 11 : 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 : Schéma partiel d’une installation où les échangeurs sont intégrés dans un siphon.
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.
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’intégre 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 4et 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 et 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 de 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 11. 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 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 11 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.
Suivant une variante de l’installation illustrée en figure 14, le dispositif est au moins partiellement intégré dans un siphon 30 dans. Cette disposition permet de réduire la hauteur nécessaire sous la collecte des eaux usées. Tel qu’illustré, sous le point de collecte des eaux usées 15, le dispositif comprend un receveur d’eaux usées 35 dans lequel plonge le premier échangeur 2 et avantageusement l’évaporateur 4 de la pompe à chaleur 3. Ainsi, le flux d’eau froide sanitaire 21 pénétrant dans le dispositif 100 pénètre directement dans le receveur 35 recevant les eaux usées, de même pour L’évaporateur 4 pour lequel le fluide frigorigène circule dans le receveur 35. Le receveur 35 ne stocke pas les eaux usées pour leur stockage. Le receveur 35 permet uniquement d’immerger les échangeurs et le volume peut être réduit au strict minimum.
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 11, 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 11. 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 35. Receveur 100. Dispositif

Claims (24)

  1. 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. 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. 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. 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 (11), un régulateur de débit (10) et un raccordement (12) sur le circuit d’eaux usées (1) disposé en amont de l’évaporateur (4).
  5. 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. 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. 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. 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. 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. 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.
  11. 11. 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. 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. 13. Dispositif (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant un receveur (35) ayant une fonction de siphon configuré pour recevoir les eaux usées et dans lequel plongent le premier échangeur (2) et l’évaporateur (4).
  14. 14. Dispositif (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes ne comprenant pas de dispositif de chauffage d’appoint.
  15. 15. 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.
  16. 16. Installation selon la revendication précédente comprenant un point unique de production d’eaux usées (15).
  17. 17. Installation selon l’une quelconque des revendications 15 ou 16 comprenant une pompe de relevage (29) des eaux usées en amont du dispositif (100).
  18. 18. Installation selon l’une quelconque des revendications 15 à 17 configurée pour que la production d’eau chaude sanitaire soit synchronisée à l’utilisation d’eau chaude sanitaire.
  19. 19. Installation selon l’une quelconque des revendications 15 à 18 configurée pour que la production d’eau chaude sanitaire soit simultanée à la production d’eaux usées.
  20. 20. 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 14 comprenant deux étapes successives de chauffage de l’eau froide sanitaire.
  21. 21. Procédé selon la revendication précédente dans lequel il n’y a pas de stockage des eaux usées ni de l’eau chaude sanitaire.
  22. 22. Procédé selon l’une quelconque des revendications 20 ou 21 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).
  23. 23. Procédé selon l’une quelconque des revendications 20 à 22 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).
  24. 24. Procédé selon l’une quelconque des revendications 20 à 23 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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