BE1025410B1 - Installation de chauffage - Google Patents

Abstract

Installation de production d'énergie thermique pour un circuit de chauffage utilisateur, comprenant un moyen de raccordement à un réseau électrique; un dispositif de cogénération d'énergie électrique et d'énergie thermique à partir d’une énergie primaire ; et une pompe à chaleur du type électrique apte à être alimentée en électricité par le dispositif de cogénération ou par le réseau électrique ; un système de stockage d’énergie thermique produite par le dispositif de cogénération et/ou ladite pompe à chaleur de sorte, ledit système de stockage d’énergie étant apte à être couplé à un circuit de chauffage utilisateur de sorte à chauffer un fluide caloporteur dudit circuit utilisateur. Une unité de commande est configurée pour opérer l’installation dans des modes de fonctionnement prédéfinis en fonction d’une information d’état du réseau lectrique.

Description

La présente invention concerne généralement le domaine des installations de production d'énergie thermique (ou installation de chauffage) en particulier pour des bâtiments de taille relativement importante.

Etat de la technique

La demande énergétique est croissante et proportionnelle à l'accroissement de la population démontrant de manière critique que la production d'énergie utilisant des matières fossiles ne peut constituer une solution durable. Dans un souci de transition énergétique, les énergies nouvelles dites vertes se développent.

Les systèmes de production d'énergie verte sont intéressants car leur source d'énergie est durable. En revanche cette source d'énergie est difficilement contrôlable lorsqu'elle est entièrement dépendante des conditions environnementales. Par exemple, l'énergie éolienne n'est produite qu'en présence de vent variable selon les périodes de l'année. De la même façon, l'énergie photovoltaïque dépend du soleil et ne peut être produite que durant la journée.

Le manque de contrôle de la source d'énergie et donc de la quantité d'énergie produite provoque aussi des phases de surproduction d'énergie. Ce phénomène semble plus remarquable dans les zones qui produisent de l'énergie photovoltaïque. La production est alors telle qu'une surtension se crée sur le réseau. Cette surtension entraîne le blocage des onduleurs et donc de la production. Ce phénomène peut aussi provoquer des dégâts sur les appareils électriques situés dans des rues suréquipées et qui sont par moment alimentés à plus de 20V supérieurs à la norme.

Le fonctionnement de centrales électriques classiques à partir d'énergies fossiles reste donc nécessaire afin de compenser les moments de nonproduction de ces énergies vertes. Le problème des centrales classiques est

BE2017/5517 leur rendement : en effet, seule l'énergie électrique produite est utilisée alors que l'énergie thermique produite et qui représente les deux tiers de la production est rejetée dans l'environnement.

Les réseaux de production d'énergie combinent dorénavant les productions classiques et vertes en même temps, de manière à optimiser la production d'électricité.

Toutefois, pour une demande en électricité constante par exemple, la production correspondante est périodiquement excessive ou déficitaire. Généralement, les producteurs d'électricité appliquent des prix qui dépendent de la quantité d'énergie produite par rapport à la demande. Le prix de l'électricité est plus élevé en cas de sous-production et faible ou négatif en cas de surproduction.

Pour les propriétaires qui utilisent cette énergie électrique pour se chauffer, le rendement énergétique reste leur principale préoccupation. En effet, s'ils ne sont pas en mesure d'intervenir sur le prix de l'électricité, ils sont en général propriétaires de leur installation de production d'énergie thermique, ou système de chauffage, comme par exemple de leur chaudière.

Les inconvénients d'un mode de production d'énergie thermique peuvent être compensés par la combinaison de plusieurs modes différents, par exemple en combinant le chauffage d’eau sanitaire ou du circuit de chauffage par énergie solaire avec la production d'énergie thermique par une chaudière au fioul, gaz naturel ou bois.

Objet de l’invention

L’objet de la présente invention est de proposer une installation de production d’énergie thermique combinant plusieurs sources de chaleur et permettant une meilleure régulation des problèmes de production d'énergie, notamment en minimisant les pertes dans l’environnement.

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Description générale de l’invention

Avec cet objectif en tête, la présente invention propose une installation de production d'énergie thermique pour un circuit de chauffage utilisateur, comprenant :

un moyen de raccordement à un réseau électrique ;

un dispositif de cogénération d'énergie électrique et d'énergie thermique à partir d’une énergie primaire ; et une pompe à chaleur du type électrique apte à être alimentée en électricité par le dispositif de cogénération ou par le réseau électrique ;

un système de stockage d’énergie thermique produite par le dispositif de cogénération et/ou ladite pompe à chaleur de sorte, ledit système de stockage d’énergie étant apte à être couplé à un circuit de chauffage utilisateur de sorte à chauffer un fluide caloporteur dudit circuit utilisateur.

une unité de commande est configurée pour opérer l’installation dans des modes de fonctionnement prédéfinis en fonction d’une information d’état du réseau électrique, parmi lesquels :

- un premier mode, activé lorsque l'information d’état indique que l’état du réseau est nominal, dans lequel le dispositif de cogénération et ladite pompe à chaleur sont en production, ladite pompe à chaleur étant alimentée par l’électricité produite par le dispositif de cogénération ;

- un deuxième mode, activé lorsque l'information d’état indique que le réseau électrique est en surproduction, dans lequel ladite pompe à chaleur est alimentée en électricité à partir du réseau électrique ; et

- un troisième mode, activé lorsque l'information d’état indique que le réseau électrique est en sous-production, dans lequel ledit dispositif de cogénération est en production, (au moins une partie de) l’énergie électrique produite par ce dernier étant transférée vers le réseau électrique.

L’invention propose donc une installation de production d'énergie thermique, ou plus simplement « installation de chauffage », exploitant un système de stockage d’énergie couplé à deux moyens d’apport de chaleur, c.-à-d. le

BE2017/5517 dispositif de cogénération et la pompe à chaleur, qui vont être sollicités individuellement ou en combinaison.

Un aspect remarquable de la présente installation est que son mode opératoire est dépendant de l’état du réseau électrique local (un réseau public ou privé). Le premier mode de fonctionnement est opéré lorsque le réseau électrique est dans un état nominal ou normal : la production électrique du cogénérateur permet l’alimentation électrique nécessaire au fonctionnement de la pompe à chaleur. Dans ce premier mode, l’installation est donc autonome pour ses besoins en électricité.

Le deuxième mode tire avantage des conditions de surcapacité du réseau électrique. Le coût d’achat de l’électricité sera très faible, voire négatif. Il est ainsi possible de faire fonctionner l’installation en mettant uniquement en production la pompe à chaleur, pour un coût d’exploitation très faible, voire même un gain.

Dans le troisième mode, on opère l’installation en chauffant le système de stockage au moyen du dispositif de cogénération. L’électricité produite par le cogénérateur est injectée dans le réseau électrique qui est en sous-capacité, permettant à l’exploitant de l’installation un rendement financier tout en chauffant son bâtiment.

Le système de stockage d’énergie thermique permet d’accumuler la chaleur produite par les sources de chaleur, et de les restituer vers le réseau utilisateur. Toute technologie de stockage d’énergie thermique peut être employée dans le cadre de l’invention, mais aura un lien avec l’efficacité de l’installation.

Avantageusement, l’énergie est stockée dans un matériau en mettant à profit ses changements de phase ou d'état, c'est-à-dire ses transitions entre les états gazeux, liquide et solide.

Comme on le sait, le principe physique utilisé dans ce cas est le transfert thermique par Chaleur Latente. Le matériau stocke ou cède de l'énergie par simple changement d'état, tout en conservant une température constante, celle du changement d'état.

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Pour des raisons de mise en œuvre industrielle, on préférera les MCP à changement d’état solide/liquide. Dans le cas du stockage dans un tel MCP, c’est l’enthalpie de changement d’état solide/liquide qui est valorisée. Cette énergie, qui est absorbée lors de la fusion et libérée lors de la solidification, résulte de l’établissement, ou de la rupture, de liaisons interatomiques ou intermoléculaires. Ce changement d’état s’accompagne d’une variation de volume. Pour un corps pur, il se fait à température constante.

La grandeur utilisée pour quantifier la Chaleur Latente échangée par un matériau est la Chaleur Latente de Changement de Phase usuellement notée Lf pour un changement de phase Liquide/Solide, et exprimée en J/kg. Le potentiel de stockage d'énergie par Chaleur Latente est sensiblement plus élevé que par Chaleur Sensible (stockage par changement de température, caractérisé par la chaleur massique usuellement notée Cp et exprimée en J/(kg.K)).

Pratiquement, la charge du système de stockage va s’accompagner de la fusion du MCP, tandis que la décharge est réalisée par la solidification dudit MCP. Le matériau est choisi en fonction de la température cible du système de stockage, afin que sa température de fusion soit dans la plage de température d’utilisation désirée.

Tous types de MCP appropriés (notamment au regard des températures de fusion, conductivité thermique, facilité de mise en œuvre), ou combinaisons de MCP, peuvent être utilisés dans le système de stockage. Ce dernier peut d’ailleurs prendre toute forme souhaitée. En général, le système de stockage pourra comprendre un récipient fermé contenant le MCP (ou mélange de MCP) et traversé par des conduites ou serpentins transportant des fluides caloporteurs, formant ainsi un échangeur de chaleur. Typiquement, le récipient accueille un serpentin associé à chaque source de chaleur, et un serpentin le circuit de chauffage associé au circuit de chauffage utilisateur.

L’usage de MCP permet de décaler sensiblement dans le temps la disponibilité de la chaleur. On peut produire la chaleur à un temps t et la restituer plusieurs heures après.

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Selon les modes de réalisation, l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

- le matériau à changement de phase présente une transition liquide/solide située entre 50° et 80°C, de préférence entre 55 et 65°C,

- le système de stockage comporte un ballon comprenant trois serpentins baignant dans le PCM : un premier serpentin est raccordé à un circuit caloporteur associé au cogénérateur ; un deuxième serpentin est raccordé à un circuit caloporteur associé à la pompe à chaleur ; et un troisième serpentin raccordé au circuit de chauffage utilisateur,

- une chaudière d'appoint pour apporter de la chaleur sur le circuit de chauffage utilisateur.

Selon les modes de réalisation, dans le deuxième mode de fonctionnement le dispositif de cogénération est arrêté, et/ou dans le troisième mode de fonctionnement la pompe à chaleur est arrêtée.

L’invention concerne aussi un système comprenant une installation de chauffage telle que décrite dans la présente, et un réseau électrique connecté au moyen de raccordement de l’installation, dans lequel le réseau électrique comprend des unités de production d'électricité photovoltaïque ou éolienne.

Selon un autre aspect, l’invention concerne un procédé de fonctionnement d’une installation de production d'énergie thermique pour un circuit de chauffage utilisateur, ladite installation étant raccordée à un réseau électrique et comprenant un dispositif de cogénération d'énergie électrique et d'énergie thermique à partir d’une énergie primaire ; une pompe à chaleur du type électrique ; et un système de stockage d’énergie thermique produite par le dispositif de cogénération et/ou ladite pompe à chaleur, ledit système de stockage d’énergie étant couplé à un circuit de chauffage utilisateur de sorte à chauffer un fluide caloporteur dudit circuit utilisateur ; dans lequel procédé on opère l’installation selon l’un des modes de fonctionnement suivants, en fonction d’une information d’état du réseau électrique :

un premier mode, lorsque l'information d’état indique que l’état du réseau électrique est nominal, dans lequel le dispositif de cogénération et ladite pompe

BE2017/5517 à chaleur sont en production, ladite pompe à chaleur étant alimentée par l’électricité produite par le dispositif de cogénération ;

un deuxième mode, lorsque l'information d’état indique que le réseau électrique est en surproduction, dans lequel ladite pompe à chaleur est alimentée en électricité à partir du réseau électrique ; et un troisième mode, activé lorsque l'information d’état indique que le réseau électrique est en sous-production, dans lequel ledit dispositif de cogénération est en production, et on transfère (au moins une partie de) l’énergie électrique produite par ledit dispositif de cogénération vers le réseau électrique.

Description détaillée à l’aide des figures

D’autres particularités et caractéristiques de l’invention ressortiront de la description détaillée d'au moins un mode de réalisation avantageux présenté cidessous, à titre d’illustration, en se référant aux dessins annexés. Ceux-ci montrent :

Figure 1 : un schéma de principe d'une installation de production d'énergie thermique selon un mode de réalisation de l'invention dans son environnement ; et

Figure 2 : un schéma en perspective d'un mode de réalisation du système de stockage de l'installation de la figure 1.

Comme montré à la Figure 1, une variante de la présente installation de production d'énergie thermique 10 est associée à un bâtiment 12 à chauffer.

Le signe de référence 14 désigne un réseau électrique apte à fournir un courant électrique à l'installation 10 pour son fonctionnement. Il s’agit d’un réseau électrique qui peut être public ou privé ; il assure typiquement la distribution d’électricité également au niveau du bâtiment 12 et des bâtiments environnants. L’électricité distribuée par le réseau 14 peut être produite dans des centrales à énergie fossile ou nucléaire, proches ou éloignées, et/ou dans des installations de production d'énergie dite verte. Dans ce contexte, s’agissant de la partie d’un réseau électrique qui assure la distribution à des abonnés, on parle généralement de réseau de distribution électrique.

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A la Figure 1, le réseau électrique 14 constitue donc un réseau de distribution d’électricité produite à distance (acheminée par des lignes hautes-tensions) mais également produite localement, par exemple dans une unité de production d'énergie photovoltaïque symbolisée par des panneaux solaires 16, et dans une installation de production d'énergie éolienne symbolisée par une éolienne 18. Comme il a été décrit plus haut, ces installations vertes ont une production d'électricité qui dépend des conditions environnementales. En temps normal, la production d'électricité suffit à répondre aux besoins des bâtiments connectés au réseau. Mais, il arrive régulièrement que la production soit excédentaire ou déficitaire par rapport au besoin instantané des bâtiments qui sont connectés au réseau électrique 14.

Comme on le comprendra mieux ci-après, la présente installation de production d'énergie thermique 10, ou plus simplement installation de chauffage 10, est raccordée au réseau électrique 14 pour, selon les modes de fonctionnement, consommer de l’électricité du réseau électrique 14, ou bien injecter de l’électricité vers celui-ci.

L'installation 10 comporte un dispositif de cogénération 20, que l'on appellera aussi cogénérateur 20, qui produit de l'énergie électrique et thermique à partir d’une énergie primaire, par exemple du gaz naturel ou du fioul; et une pompe à chaleur 22 électrique (PAC). Ces deux sources de chaleur sont prévues pour apporter de la chaleur à un système de stockage 24 d'énergie thermique couplé à un circuit de chauffage utilisateur 26 du bâtiment 14. Une unité de commande 28 gère le fonctionnement de l’installation. Le signe de référence 29 désigne un boitier électrique par lequel l’installation 10 est raccordée au réseau électrique 14, via une ou plusieurs lignes électriques 19 (ou tout moyen approprié).

Dans la variante, le cogénérateur 20 comporte classiquement un moteur à gaz couplée à un récupérateur de chaleur alimenté par les gaz d'échappement du moteur. Tout type de cogénérateur 20 approprié peut être employé.

La pompe à chaleur 22 est apte à être alimentée, pour son fonctionnement, en électricité par le dispositif de cogénération 20 ou le réseau électrique 14. La PAC 22 est préférablement du type aérothermique air/eau et comprend un

BE2017/5517 compresseur (pour le fluide caloporteur de la pompe à chaleur) électrique. Tout type approprié de PAC peut être utilisé.

Le système de stockage thermique 24 est avantageusement conçu comme un accumulateur à matériau à changement de phase (MCP). Prenant ici la forme d’un ballon, le système de stockage 24 est conçu pour stocker l'énergie thermique produite alternativement ou simultanément par le cogénérateur 20 et par la PAC 22. Le ballon 24 contient un ou plusieurs MCP, de préférence à transition solide/liquide.

L'unité de commande 28 est configurée pour opérer l'installation 10 dans des modes de fonctionnement prédéfinis. La sélection du mode de fonctionnement se fait au niveau de l'unité de commande 28 en fonction d’une information d’état du réseau électrique 14. On a ici trois modes de fonctionnement prédéfinis.

Dans un premier mode de fonctionnement, le cogénérateur 20 et la PAC 22 sont en production. Ce premier mode de fonctionnement est activé lorsque l'information d’état indique que l’état du réseau est nominal. Le générateur produit d’une part de la chaleur qui est apportée vers le ballon 24 via un premier circuit thermique 30 à fluide caloporteur, et d’autre part de l’électricité. L’électricité produite par le cogénérateur 20 est transférée à la PAC 22 via un premier circuit électrique 32, ce qui permet la production de chaleur par la PAC. La chaleur produite par la PAC 22 est apportée au ballon 24 via un second circuit thermique 34.

Un deuxième mode est activé lorsque l'information d’état indique que le réseau électrique 14 est en surproduction d'électricité. Dans le deuxième mode, la pompe à chaleur 22 est alimentée en électricité à partir du réseau électrique 14 via un deuxième circuit électrique 35 et produit de la chaleur qui est transmise au ballon 24 via le deuxième circuit thermique 34 à fluide caloporteur. Le cogénérateur 20 n’est normalement pas utilisé.

Un troisième mode est activé lorsque l'information d’état indique que le réseau électrique 14 est en sous-production. Dans ce troisième mode de fonctionnement, le dispositif de cogénération 20 est en production : la chaleur produite est apportée au ballon 24 via le premier circuit 30 et au moins une

BE2017/5517 partie de l’énergie électrique produite est transférée vers le réseau électrique 14 via un troisième circuit électrique 36.

Les premier, deuxième et troisième circuits électriques ne seront pas détaillés ici. L'homme du métier comprendra que tout circuit électrique adapté peut être utilisé.

Par état nominal, on entend un état de fonctionnement normal du réseau, apte à fournir l’énergie demandée, par opposition à un état de sous-production (lié à une forte demande ou un déficit de production des installations vertes) ou à un état de surproduction (lié à un excès de production, notamment au niveau des installations vertes du réseau électrique). Ces états dits ‘nominal’, ‘surproduction’ ou ‘sous-production’ sont déterminés par l’opérateur du réseau électrique 14 et sont mis à disposition par celui-ci.

L’unité de commande 28 reçoit cette information d’état du réseau par tout moyen approprié : elle peut être transmise par le réseau électrique lui-même, par des réseaux d’information (internet ou autre) ou déterminée par une caractéristique du réseau (mesure de tension ou autre).

Comme montré à la figure 1, les différents éléments de l’installation, c.-à-d. le cogénérateur 20, le système de stockage 24 d'énergie thermique, et la pompe à chaleur 22 peuvent être installés dans une salle commune ou placés dans conteneur de manière à former un module 37 de chauffage (symbolisé par le rectangle en pointillés).

L'unité de commande 28 est ici montée dans le module 37 de chauffage et raccordée par connexion filaire ou sans fil (non montrée) à chacun des éléments pour leur commande, notamment pour mettre en œuvre le cogénérateur 20 et/ou la pompe à chaleur 22 selon le mode de fonctionnement actif. L’unité 28, préférablement du type à microprocesseur, comprend est raccordée à internet, notamment pour recevoir les informations sur l’état du réseau électrique 14 et éventuellement pour prendre la main à distance. L’unité 28 comprend de préférence un module GSM qui permet la communication à distance lorsque la connexion internet par défaut est défaillante.

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Alternativement, l'unité 28 peut être placée à l’extérieur du module 37, et éventuellement associée à un relais (non montré) situé dans le module 37, avec lequel elle communique par connexion type modbus ou GSM.

Concernant les premier et deuxième circuits thermiques 30, 34, ils comprennent typiquement chacun un vase d’expansion, une pompe de circulation et des vannes de régulation (non montrés). Le fluide caloporteur peut être de l’eau ou tout autre fluide adapté.

Le système de stockage 24 comprend typiquement une boucle 38 de circuit ouverte, sur lequel on vient brancher le circuit de chauffage utilisateur 26, ici du bâtiment 12. Le point de raccord entre les circuits 26 et 38 est indiqué par le trait 33 sur la figure. Dans le système de stockage 24, la chaleur stockée est cédée au fluide caloporteur circulant dans la boucle 38.

La régulation de la température du système de stockage est réalisée par le l’unité de commande 28 qui va mettre en production les sources de chaleur 20 ou 22 conformément aux modes de fonctionnement. Un ou plusieurs capteurs de température (non montrés) sont placés dans le système de stockage et connectés à l’unité de commande 28.

Le cogénérateur 20 et la PAC 22 sont typiquement dimensionnés de manière à pouvoir délivrer une puissance thermique prédéfinie. Un module 37 est donc conçu pour une puissance de chauffage donnée. Pour varier la puissance de chauffage on peut modifier la capacité du cogénérateur 20 ou de la PAC 22, ou multiplier ceux-ci. Alternativement, on pourra augmenter la puissance de chauffe en combinant plusieurs modules.

On notera par contre que dans un même module, le cogénérateur est avantageusement dimensionné pour produire (au moins) l’énergie électrique requise pour le fonctionnement de la PAC. Ainsi le cogénérateur 20 et PAC 22 peuvent fonctionner de manière autonome pour produire l'énergie thermique nécessaire au chauffage du bâtiment. De plus, l’ensemble cogénérateur 20 et PAC 22 ne dépend alors pas du réseau électrique 14.

Le dimensionnement du module 37 se fait, par exemple, en deux versions selon le type de bâtiment ou le besoin en énergie thermique : un petit module, et un

BE2017/5517 grand module. Le petit module comprenant des éléments de plus faible puissance que le grand module. En revanche, de manière à simplifier la méthode d'installation et de fabrication, les dimensions extérieures des modules sont identiques, avec par exemple un encombrement au sol d'environ 4,5m sur 2m.

Par exemple, le petit module comporte un cogénérateur avec une puissance de 9 kWh électrique et 20 kWh thermique associé avec une pompe à chaleur de 24 kWh thermique, alors que le grand module comporte un cogénérateur avec une puissance de 20 kWh électrique et 44 kWh thermique associé avec une pompe à chaleur de 48 kWh thermique.

Comme indiqué ci-avant, plusieurs modules peuvent être utilisés sur un même site.

Avantageusement, on peut prévoir une chaudière d’appoint 40 à énergie primaire, par ex. gaz, fuel ou bois. La chaudière d’appoint 40 est mise en production en cas de manque de puissance thermique du module 37, dans des conditions de grand froid. Le circuit de la chaudière 42 est branché en parallèle sur la boucle de circuit 38 en sortie du ballon. La chaudière 40 chauffe donc directement une partie du fluide caloporteur du circuit utilisateur 26. Le circuit de chaudière 42 comprend un vase d’expansion, une pompe de circulation et des vannes d’arrêt (non montrées) pour couper la circulation lorsque la chaudière 40 n’est pas en production.

La Figure 2 illustre un mode de réalisation du ballon 24 de stockage d’énergie thermique, qui forme un échangeur de chaleur. Le ballon 24 comprend un support 44 pour son installation et son maintien en position dans le module 37 et un récipient fermé cylindrique 46 en métal, appelé coque. Le volume du ballon 24 est défini par rapport au besoin de stockage thermique. Pour les petit et grand modules mentionnés ci-dessus, le ballon peut avoir un volume 1000 à 1200 L, par exemple de 1140 L.

A l'intérieur de la coque 46, le ballon 24 comporte trois enroulements de tuyaux en serpentin 48, 50 et 52 qui communiquent chacun avec un circuit thermique

BE2017/5517 respectif, et constituent donc des portions de ces circuits évoluant dans le ballon 24.

Ces trois enroulements en serpentins forment des cylindres concentriques sensiblement sur toute la hauteur de la coque 46 du ballon 24 et baignent dans le MCP. Les serpentins sont parcourus par le liquide caloporteur des circuits de transfert d'énergie thermique respectifs. En particulier, le premier circuit 30 est raccordé au serpentin 48 externe, dit de cogénérateur, présentant l'enroulement de plus grand diamètre dans le ballon 24. Le serpentin de cogénérateur 48 reçoit à son entrée le fluide caloporteur chauffé par le cogénérateur 20, lequel cède de la chaleur au MCP, et renvoie depuis sa sortie le fluide caloporteur refroidi vers le cogénérateur 20.

Le serpentin de chauffage 50 est connecté au circuit de chauffage. Le serpentin de chauffage 50 reçoit à son entrée le liquide refroidi provenant du bâtiment 12 et renvoie depuis sa sortie le liquide chauffé vers le bâtiment 12.

L’enroulement en serpentin 52 central est raccordé au deuxième circuit de 34. Il reçoit à son entrée fluide caloporteur chauffé par la pompe à chaleur 22, lequel cède de la chaleur au MCP, et renvoie depuis sa sortie le fluide caloporteur refroidi vers la pompe à chaleur 22.

Le serpentin de chauffage 50 intermédiaire est raccordé au circuit de chauffage 26. Il reçoit à son entrée le fluide caloporteur refroidi provenant du bâtiment 12, lequel reçoit de la chaleur du MCP, et renvoie depuis sa sortie le fluide caloporteur chauffé vers le bâtiment 12.

Le sens de circulation du liquide caloporteur dans les enroulements est indiqué par des flèches à la figure 2. On remarque que le liquide dans les enroulements de cogénérateur 48 et de pompe à chaleur 52 circule du haut vers le bas de la coque 46, alors que le liquide dans l'enroulement de chauffage 50 circule en sens inverse, c'est-à-dire du haut vers le bas de la coque 46.

Pour un meilleur échange thermique entre le MCP et les fluides circulant dans les serpentins, ces derniers peuvent être pourvus sur leur face extérieure d’ailettes ou de mousses métalliques, afin d’augmenter la surface d’échange.

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A l'intérieur de la coque 46, les serpentins sont intégralement baignés dans le MCP. Le MCP est un matériau capable de changer d'état physique dans une plage de température restreinte. En passant d'une phase solide à une phase liquide, le matériau emmagasine une grande quantité d'énergie. Lorsque le matériau passe de sa phase liquide à sa phase solide, il restitue l'énergie qu'il avait emmagasinée, sous forme de chaleur.

La coque 46 présente aussi des ouvertures de maintenance 54 pour introduire ou retirer le MCP de la coque 46.

Lorsque le MCP change de phase son volume varie. La coque 46 est de préférence remplie de MCP à 80 - 85% du volume disponible de manière à anticiper un changement de volume du MCP.

La température de changement de phase du MCP est choisie pour correspondre à la température désirée de sortie du liquide vers le circuit de chauffage 26. Ainsi lorsque le ballon 24 est alimenté en chaleur, le MCP se liquéfie et emmagasine de la chaleur. Lorsque le ballon 24 n'est plus alimenté en chaleur et que le liquide qui traverse le serpentin de chauffage 50 refroidit, le MCP en refroidissant sous sa température de fusion restitue de la chaleur et chauffe le liquide du serpentin de chauffage 50.

Dans le cadre de l’invention, on pourra notamment employer comme MCP le PCM-60 qui a une température de fusion de 60°C.

Le fonctionnement de l'installation va maintenant être explique plus en détails.

Les différents modes de fonctionnement de l'installation sont déclenchés par une information d’état du réseau électrique 14 reçue par l'unité de commande 28. Cette information est fournie par le gestionnaire du réseau qui a connaissance de l'installation et qui participe à son fonctionnement en tant que partenaire. La génération de l'information d’état ne fait pas partie du cadre de l'invention.

Comme expliqué plus haut, il y a trois modes de fonctionnement prédéfinis qui correspondent à trois situations de production en électricité du réseau.

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Ces trois modes de fonctionnement sont des modes de gestion des sources d'énergie à l'intérieur de l'installation 10. Le mode de fonctionnement étant sélectionné, l’unité de commande mettra en œuvre les sources d’énergie correspondantes selon la demande du circuit utilisateur, respectivement du système de stockage 24. Le cas échéant, l’unité de commande peut comprendre un module de régulation de chauffage dans le bâtiment utilisateur.

Dans le premier mode de fonctionnement, le cogénérateur 20 et la pompe à chaleur 22 fonctionnent indépendamment du réseau 14. Le cogénérateur 20 produit de l'électricité qui alimente la pompe à chaleur 22 via un premier circuit électrique 32, et de l'énergie thermique qui est transférée vers le ballon 24 via le premier circuit thermique 30. Cette énergie thermique peut ensuite être transférée vers le circuit de chauffage 26 par un échange de chaleur entre l'enroulement de chauffage 50 et l'enroulement de cogénérateur 48.

Dans le premier mode de fonctionnement de l'installation 10, la pompe à chaleur 20 est aussi en production d'énergie thermique transférée vers le ballon 24 via le second circuit thermique 34. De manière analogue au fonctionnement du cogénérateur 20, l'énergie thermique de la pompe à chaleur 22 peut être transférée vers le circuit de chauffage 26 par un échange entre l'enroulement de chauffage 50 et l'enroulement de pompe à chaleur 52.

Le transfert de chaleur vers le circuit de chauffage 26 n'a lieu que si le bâtiment 12 est en demande de chaleur. Si le bâtiment 12 n'a pas besoin d'être chauffé, ou si son besoin est inférieur à la capacité de transfert du ballon 24, l'énergie thermique produite en surplus est emmagasinée dans le MCP comme expliqué plus haut.

Dans le premier mode de fonctionnement, l'installation 10 n'est pas considérée comme étant connectée au réseau 14.

Dans le deuxième mode de fonctionnement de l'installation 10, le cogénérateur 20 est de préférence arrêté. La pompe à chaleur 22 est alimentée en électricité par le réseau 14 via le deuxième circuit électrique. L'installation est alors connectée au réseau et participe à la consommation électrique sur celui-ci. La surtension dans le réseau est réduite par l'ajout d'un nouvel appareil connecté.

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Dans ce mode, le ballon 24 n'est alimenté en énergie thermique que par la pompe à chaleur 22, ce qui est suffisant pour assurer le chauffage du bâtiment

12.

Dans le deuxième mode, l'installation 10 est connectée au réseau en tant que client. Dans le cadre du partenariat entre l'installation 10 et le réseau 14, l'installation achète le surplus d'électricité produite par le réseau. Ce surplus est en général vendu avec un prix négatif et permet à l'installation de réduire le prix global de l'énergie thermique qu'elle fournit au bâtiment 12.

Dans le troisième mode de fonctionnement, la pompe à chaleur 22 est arrêtée et le cogénérateur 20 est mis en production. Le cogénérateur 20 génère de l'électricité qui est transférée vers le réseau via le troisième circuit électrique 36, et de l'énergie thermique transférée vers le ballon 24 via le premier circuit thermique 30.

Dans le troisième mode le ballon 24 n'est alimenté en énergie thermique que par le cogénérateur 20 qui comme décrit plus haut est dimensionné de façon à pouvoir répondre au besoin en chauffage du bâtiment 12.

Dans ce mode de fonctionnement, l'installation 10 est connectée au réseau 14 en tant que fournisseur d'énergie. L'installation 10 fourni de l'énergie électrique au réseau 14 de manière à réduire la sous-tension sur le réseau. Dans le cadre du partenariat entre l'installation et le réseau, l'installation vend son électricité au réseau de manière à de nouveau réduire le prix global de l'énergie thermique qu'elle fournit au bâtiment 12.

On notera que l’unité de commande est typiquement configurée pour gérer les différents circuits électriques du module et opérer le boitier électrique 29, notamment lorsqu’il s’agit d’injecter le courant produit par l’installation 10 vers le réseau électrique 14.

Claims (9)

BE2017/5517 Revendications

1. Installation (10) de production d'énergie thermique pour un circuit de chauffage utilisateur (26), comprenant :

un moyen de raccordement (29) à un réseau électrique (14) ;

un dispositif de cogénération (20) d'énergie électrique et d'énergie thermique à partir d’une énergie primaire ;

une pompe à chaleur (22) du type électrique apte à être alimentée en électricité par le dispositif de cogénération (20) ou par le réseau électrique (14);

un système de stockage (24) d’énergie thermique produite par le dispositif de cogénération (20) et/ou ladite pompe à chaleur (22), ledit système de stockage (24) d’énergie étant apte à être couplé à un circuit de chauffage utilisateur (26) de sorte à chauffer un fluide caloporteur dudit circuit utilisateur (26) ; et une unité de commande (28) configurée pour opérer l’installation (10) dans des modes de fonctionnement prédéfinis selon une information d’état du réseau électrique (14), parmi lesquels :

un premier mode, activé lorsque l'information d’état indique que l’état du réseau électrique (14) est nominal, dans lequel le dispositif de cogénération (20) et ladite pompe à chaleur (22) sont en production, ladite pompe à chaleur (22) étant alimentée par l’électricité produite par le dispositif de cogénération (20) ;

un deuxième mode, activé lorsque l'information d’état indique que le réseau électrique (14) est en surproduction, dans lequel ladite pompe à chaleur (22) est alimentée en électricité à partir du réseau électrique (20) ; et un troisième mode, activé lorsque l'information d’état indique que le réseau électrique (14) est en sous-production, dans lequel ledit dispositif de cogénération (20) est en production, de l’énergie électrique produite par ce dernier étant transférée vers le réseau électrique (14).

2. Installation (10) selon la revendication 1, dans laquelle le système de stockage (24) comporte un matériau à changement de phase, en particulier à transition liquide/solide.

BE2017/5517

3. Installation (10) selon la revendication 2, dans laquelle le matériau à changement de phase présente une transition liquide/solide située entre 50° et 80°C, de préférence entre 55 et 65°C.

4. Installation (10) selon la revendication 2 ou la revendication 3, dans laquelle le système de stockage (24) comporte un ballon comprenant trois serpentins (48, 50, 52) baignant dans le PCM :

- un premier serpentin (48) est raccordé à un circuit caloporteur (30) associé au cogénérateur (20) ;

- un deuxième serpentin (50) est raccordé à un circuit caloporteur (34) associé à la pompe à chaleur (22) ;

- un troisième serpentin (52) raccordé au circuit de chauffage utilisateur (26).

5. Installation (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour laquelle dans le deuxième mode de fonctionnement le dispositif de cogénération (20) est arrêté.

6. Installation (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour laquelle dans le troisième mode de fonctionnement la pompe à chaleur (22) est arrêtée.

7. Installation (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une chaudière (40) d'appoint pour apporter de la chaleur sur le circuit de chauffage utilisateur (26).

8. Système comprenant une installation (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes et un réseau électrique (14) connecté audit moyen de raccordement, dans lequel le réseau électrique (14) comprend des unités de production d'électricité photovoltaïque (16) ou éolienne (18).

9. Procédé de fonctionnement d’une installation (10) de production d'énergie thermique pour un circuit de chauffage utilisateur (26), ladite installation étant raccordée à un réseau électrique (14) et comprenant un dispositif de cogénération (20) d'énergie électrique et d'énergie thermique à partir d’une énergie primaire ; une pompe à chaleur (22) du type électrique ; et un système de stockage (24) d’énergie thermique produite par le dispositif de cogénération (20) et/ou ladite pompe à chaleur (22) ledit système de

BE2017/5517 stockage (24) d’énergie étant couplé à un circuit de chauffage utilisateur (26) de sorte à chauffer un fluide caloporteur dudit circuit utilisateur (26) ; dans lequel procédé on opère l’installation selon l’un des modes de fonctionnement suivants, en fonction d’une information d’état du réseau 5 électrique (14) :

un premier mode, lorsque l'information d’état indique que l’état du réseau électrique (14) est nominal, dans lequel le dispositif de cogénération (20) et ladite pompe à chaleur (22) sont en production, ladite pompe à chaleur (22) étant alimentée par l’électricité produite par le dispositif de cogénération 10 (20);

un deuxième mode, lorsque l'information d’état indique que le réseau électrique (14) est en surproduction, dans lequel ladite pompe à chaleur (22) est alimentée en électricité à partir du réseau électrique (14) ; et un troisième mode, activé lorsque l'information d’état indique que le réseau 15 électrique (14) est en sous-production, dans lequel ledit dispositif de cogénération (20) est en production, et on transfère de l’énergie électrique produite par ledit dispositif de cogénération (20) vers le réseau électrique (14).