FR3035484A1 - HOT WATER PRODUCTION SYSTEM - Google Patents
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Abstract
Ce système comporte une première capacité tampon (12) de préchauffage d'eau, associée à des moyens formant préparateur thermodynamique (16) comportant au moins une pompe à chaleur, et raccordée en entrée à une arrivée d'eau (14), et délivrant en sortie (18) de l'eau à une première température, et une deuxième capacité tampon (20) de chauffage d'eau, associée à des moyens formant module de cogénération (24) comportant des moyens de motorisation (26) à combustion interne d'entraînement de moyens de production d'énergie électrique (28) d'alimentation des moyens formant préparateur thermodynamique (16), et comportant des premiers moyens d'échange thermique (22) avec les moyens de motorisation (26), pour alimenter en eau à une deuxième température, supérieure à la première, des deuxièmes moyens d'échange thermique (32), recevant en entrée de l'eau à la première température de sortie de la première capacité tampon (12), pour délivrer de l'eau chaude notamment sanitaire ou de chauffage, à une troisième température, comprise entre les première et deuxième températures.This system comprises a first buffer capacity (12) for preheating water, associated with thermodynamic preparer means (16) comprising at least one heat pump, and connected at the inlet to a water inlet (14), and delivering at the outlet (18) water at a first temperature, and a second water heating buffer (20) associated with cogeneration module means (24) having internal combustion engine means (26) driving means for producing electrical energy (28) for supplying the thermodynamic preparer means (16), and comprising first heat exchange means (22) with the motorization means (26), for supplying power water at a second temperature, greater than the first, second heat exchange means (32), receiving at the inlet of the water at the first outlet temperature of the first buffer capacity (12), for delivering water hot particularly sanitary or heating, at a third temperature, between the first and second temperatures.
Description
1 Système de production d'eau chaude La présente invention concerne un système de production d'eau chaude notamment sanitaire ou de chauffage.The present invention relates to a system for producing hot water, particularly sanitary or heating water.
On connaît déjà dans l'état de la technique, des systèmes de production pour ce type d'applications. Ces systèmes de production sont, par exemple, des chauffe-eaux à accumulation, des chauffe-eaux instantanés, des pompes à chaleur ou encore des chauffe-eaux solaires.Already known in the state of the art, production systems for this type of applications. These production systems are, for example, storage water heaters, instantaneous water heaters, heat pumps or solar water heaters.
Ces systèmes utilisent diverses sources d'énergie comme, par exemple, l'électricité, le gaz naturel, l'air extérieur ou l'énergie solaire. Mais tous ces systèmes présentent un certain nombre d'inconvénients, en particulier de coût pour l'utilisateur, d'impact écologique et de continuité dans la production d'eau chaude en cas de défaillance du système de production.These systems use a variety of energy sources such as, for example, electricity, natural gas, outdoor air or solar energy. But all these systems have a number of drawbacks, in particular user cost, ecological impact and continuity in the production of hot water in the event of failure of the production system.
Le but de l'invention est de résoudre ces problèmes. A cet effet, l'invention a pour objet un système de production d'eau chaude notamment sanitaire ou de chauffage, caractérisé en ce qu'il comporte : - une première capacité tampon de préchauffage d'eau, associée à des moyens formant préparateur thermodynamique comportant au moins une pompe à chaleur, et raccordée en entrée à une arrivée d'eau, et délivrant en sortie de l'eau à une première température, et - une deuxième capacité tampon de chauffage d'eau, associée à des moyens formant module de cogénération comportant des moyens de motorisation à combustion interne d'entraînement de moyens de production d'énergie électrique d'alimentation des moyens formant préparateur thermodynamique, et comportant des premiers moyens d'échange thermique avec les moyens de motorisation, pour alimenter en eau à une deuxième température, supérieure à la première, des deuxièmes moyens d'échange thermique, recevant en entrée de l'eau à la première température de sortie de la première capacité tampon, pour délivrer de l'eau chaude notamment sanitaire ou de chauffage, à une troisième température, comprise entre les première et deuxième températures. Suivant d'autres caractéristiques du système selon l'invention prises seules ou en combinaison : - la première température est d'environ 40 °C ; - la deuxième température est d'environ 85°C; - la troisième température est d'environ 60 °C ; 3035484 2 - les moyens de motorisation à combustion interne comportent des moyens formant moteur choisis dans le groupe comprenant : - un moteur à gaz naturel, - un moteur au biogaz, 5 - un moteur à l'huile ; - le système comporte des moyens formant automate de supervision du fonctionnement des différents moyens de celui-ci ; - l'automate est adapté pour mettre en oeuvre les modes de fonctionnement suivants : 10 - un mode de fonctionnement normal, dans lequel les moyens formant module de cogénération et les moyens formant préparateur thermodynamique fonctionnent nominalement, - un premier mode de fonctionnement dégradé, dans lequel les moyens formant module de cogénération sont à l'arrêt et les moyens formant préparateur 15 thermodynamique sont pilotés pour amener la première capacité tampon à délivrer une eau en sortie environ à la troisième température, - un deuxième mode de fonctionnement dégradé, dans lequel les moyens formant préparateur thermodynamique sont à l'arrêt et les moyens formant module de cogénération alimentent des moyens de chauffage électrique associés à la deuxième 20 capacité tampon, - un troisième mode de fonctionnement dégradé, dans lequel les moyens formant module de cogénération et les moyens formant préparateur thermodynamique sont à l'arrêt et les moyens de chauffage électrique associés à la deuxième capacité tampon, sont raccordés à un réseau de distribution électrique ; 25 - les moyens de chauffage électrique associés à la deuxième capacité tampon, comprennent des thermoplongeurs électriques ; - la pompe à chaleur des moyens formant préparateur thermodynamique comporte une batterie de récupération de chaleur de préchauffage, placée en amont de ceux-ci ; - la pompe à chaleur des moyens formant préparateur thermodynamique comporte 30 au moins un motoventilateur placé en amont de ceux-ci. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant au dessin annexé qui représente un schéma synoptique fonctionnel d'un système de production selon l'invention. Comme cela a été indiqué précédemment, l'invention se rapporte à un système de 35 production d'eau chaude.The object of the invention is to solve these problems. For this purpose, the subject of the invention is a system for producing hot water, particularly sanitary or heating water, characterized in that it comprises: a first water preheating buffer capacity associated with means forming a thermodynamic preparer comprising at least one heat pump, and input connected to a water inlet, and delivering water at a first temperature, and - a second water heating buffer, associated with module means cogeneration system comprising internal combustion drive means for driving electric power generation means for supplying the thermodynamic preparer means, and comprising first heat exchange means with the motorization means, for supplying water to a second temperature, greater than the first, of the second heat exchange means, receiving at the inlet of the water at the first temperature of of the first buffer capacity, to deliver hot water including sanitary or heating, at a third temperature, between the first and second temperatures. According to other features of the system according to the invention taken alone or in combination: the first temperature is approximately 40 ° C .; the second temperature is approximately 85 ° C .; the third temperature is approximately 60 ° C .; - the internal combustion engine means comprise engine means selected from the group consisting of: - a natural gas engine, - a biogas engine, 5 - an oil engine; the system comprises means forming an automaton for supervising the operation of the various means thereof; the automaton is adapted to implement the following operating modes: a normal operating mode, in which the cogeneration module means and the thermodynamic preparer means function nominally, a first degraded mode of operation, in which wherein the cogeneration module means is stopped and the thermodynamic preparer means is driven to cause the first buffer capacity to deliver a water output at about the third temperature, a second degraded mode of operation, wherein thermodynamic preparer means are stopped and the cogeneration module means supply electric heating means associated with the second buffer capacity; a third degraded mode of operation in which the cogeneration module means and the means forming thermodynamic preparator are stopped and the electric heating means associated with the second buffer capacitor are connected to an electrical distribution network; The electric heating means associated with the second buffer capacity comprise electric immersion heaters; the heat pump of the thermodynamic preparer means comprises a preheating heat recovery battery placed upstream of them; the heat pump of the thermodynamic preparer means comprises at least one motor-fan placed upstream of them. The invention will be better understood with the aid of the description which follows, given solely by way of example and with reference to the appended drawing which represents a functional block diagram of a production system according to the invention. As previously indicated, the invention relates to a hot water production system.
3035484 3 Cette eau chaude produite est, par exemple, utilisée comme eau chaude sanitaire ou comme eau de chauffage. Le système selon l'invention est désigné par la référence générale 10 sur la figure et comporte une première capacité tampon 12 de préchauffage d'eau.This hot water produced is, for example, used as domestic hot water or as heating water. The system according to the invention is designated by the general reference 10 in the figure and comprises a first buffer capacity 12 for preheating water.
5 En entrée, cette première capacité tampon 12 est raccordée à une arrivée d'eau, désignée par la référence générale 14. Cette arrivée 14 est constituée par exemple par une arrivée d'eau fraîche délivrée par une source d'eau quelconque. Cette première capacité tampon 12 est associée à des moyens formant 10 préparateur thermodynamique 16. Ces moyens formant préparateur thermodynamique 16 comprennent de façon classique, par exemple, une pompe à chaleur et seront décrits plus en détails par la suite. Ceci permet alors à la première capacité tampon 12, de délivrer en sortie, telle que désignée par la référence générale 18, une eau chauffée à une première température.In inlet, this first buffer capacity 12 is connected to a water inlet, designated by the general reference 14. This inlet 14 is constituted for example by a fresh water supply delivered by any water source. This first buffer capacity 12 is associated with thermodynamic preparer means 16. These thermodynamic processor means 16 typically comprise, for example, a heat pump and will be described in more detail later. This then allows the first buffer capacity 12, to output, as designated by the general reference 18, a water heated to a first temperature.
15 Cette première température est, par exemple, de l'ordre de 40°C environ. Le système selon l'invention comporte également une deuxième capacité tampon 20 de chauffage d'eau. Cette deuxième capacité tampon 20 de chauffage d'eau est associée à des premiers moyens d'échange thermique 22 de refroidissement de moyens formant module 20 de cogénération 24. Ces moyens formant module de cogénération 24 comportent en effet des moyens de motorisation 26 à combustion interne, d'entrainement de moyens de production d'énergie électrique 28. L'énergie électrique produite par ces moyens de production 28, permet d'alimenter 25 les moyens formant préparateur thermodynamique 16 comme cela est schématisé sur cette figure. L'association avec les premiers moyens d'échange thermique 22 de refroidissement des moyens formant module de cogénération 24, permet alors à la deuxième capacité tampon 20 de délivrer en sortie 30, une eau chauffée à une deuxième 30 température, supérieure à la première température. Cette deuxième température est, par exemple, de l'ordre de 85°C environ. La sortie 30 de cette deuxième capacité tampon 20 est associée à des deuxièmes moyens d'échange thermique désignés par la référence générale 32. Ces deuxièmes moyens d'échange thermique 32 reçoivent, en outre, en entrée, 35 de l'eau chauffée à la première température délivrée par la première capacité tampon 12.This first temperature is, for example, of the order of about 40 ° C. The system according to the invention also comprises a second buffer capacity 20 for heating water. This second buffer water heating capacity 20 is associated with first heat exchange means 22 for cooling the cogeneration module means 24. These cogeneration module means 24 have indeed internal combustion engine means 26. The electrical energy produced by these means of production 28 makes it possible to feed the thermodynamic preparer means 16 as shown schematically in this figure. The association with the first heat exchange means 22 for cooling the means forming a cogeneration module 24, then allows the second buffer capacity 20 to deliver at the outlet 30, a water heated to a second temperature, higher than the first temperature. . This second temperature is, for example, of the order of 85 ° C. The outlet 30 of this second buffer capacity 20 is associated with second thermal exchange means designated by the general reference 32. These second heat exchange means 32 additionally receive, at the inlet, water heated to the first temperature delivered by the first buffer capacity 12.
3035484 4 Ceci permet alors aux deuxièmes moyens d'échange thermique 32, de délivrer en sortie 34, une eau chauffée à une troisième température, comprise entre les première et deuxième températures. Cette troisième température est, par exemple, de l'ordre de 60°C environ.This then allows the second thermal exchange means 32, to output 34, a water heated to a third temperature, between the first and second temperatures. This third temperature is, for example, of the order of 60 ° C.
5 Cette eau est alors utilisable comme eau sanitaire ou de chauffage. Les moyens de motorisation 26 à combustion interne d'entrainement de moyens de production d'énergie électrique 28 d'alimentation des moyens formant préparateur thermodynamique 16 peuvent, bien entendu, se présenter sous différentes formes. Ainsi, ces moyens de motorisation 26 à combustion interne comportent, par 10 exemple, des moyens formant moteur à gaz naturel, moteur au biogaz, moteur à huile, etc... Ceux-ci sont alors alimentés en carburant comme schématisé par la flèche C. Comme cela est illustré sur la figure, les moyens formant préparateur thermodynamique 16 présentent, par exemple, une structure de pompe à chaleur.This water is then usable as domestic water or heating. The drive means 26 for internal combustion of driving means for producing electrical energy 28 for supplying the thermodynamic processor means 16 may, of course, be in various forms. Thus, these internal combustion engine means 26 comprise, for example, means forming a natural gas engine, a biogas engine, an oil engine, etc. These are then supplied with fuel as shown by the arrow C As illustrated in the figure, the thermodynamic processor means 16 have, for example, a heat pump structure.
15 De façon classique, une telle structure de pompe à chaleur comporte un circuit formé par un évaporateur 36, un compresseur 38, un condenseur 40 et un détendeur 42. Avantageusement une batterie de récupération de chaleur de préchauffage désignée par la référence générale 44 sur cette figure, est placée en amont de l'évaporateur 36, par exemple de préférence au niveau d'une arrivée d'air neuf 46 des 20 moyens formant préparateur thermodynamique 16. Une telle batterie de récupération de chaleur 44 est propre, par exemple, à capter toute énergie de récupération comme par exemple, l'énergie contenue dans les fumées dégagées par les moyens formant module de cogénération 24. Bien entendu, d'autres sources d'énergie de récupération à capter par la batterie 25 de récupération de chaleur 44 sont envisageables. Cette batterie de récupération de chaleur 44 permet d'augmenter le coefficient de performance (COP) des moyens formant préparateur thermodynamique 16. Avantageusement, ces moyens formant préparateur thermodynamique 16 comportent également au moins un motoventilateur 48.Typically, such a heat pump structure comprises a circuit formed by an evaporator 36, a compressor 38, a condenser 40 and an expander 42. Advantageously a preheating heat recovery battery designated by the general reference 44 on this FIG. 1 is placed upstream of the evaporator 36, for example preferably at a fresh air inlet 46 of the thermodynamic processor means 16. Such a heat recovery battery 44 is clean, for example, at capture any energy recovery such as, for example, the energy contained in the fumes generated by the CHM unit 24. Of course, other sources of recovery energy to be captured by the heat recovery battery 44 are conceivable. This heat recovery battery 44 makes it possible to increase the coefficient of performance (COP) of the thermodynamic preparer means 16. Advantageously, these thermodynamic preparer means 16 also comprise at least one motor fan 48.
30 Ce motoventilateur 48 est également avantageusement placé en amont de l'évaporateur 36 pour augmenter de la même façon, le COR des moyens formant préparateur thermodynamique 16. Cette position du motoventilateur 48 permet en effet de transférer la chaleur dégagée lors de son fonctionnement à l'évaporateur 36.This fan motor 48 is also advantageously placed upstream of the evaporator 36 to increase in the same way the COR of the thermodynamic preparer means 16. This position of the fan motor 48 makes it possible to transfer the heat released during its operation to the engine. evaporator 36.
35 Ainsi, le COR des moyens formant préparateur thermodynamique 16 est, par exemple, compris entre 4 et 5.Thus, the COR of the thermodynamic preparer means 16 is, for example, between 4 and 5.
3035484 5 Bien sûr, d'autres modes de réalisation sont possibles. Dans le mode de réalisation décrit, les moyens formant préparateur thermodynamique 16 comportent par exemple, comme on l'a vu, une pompe à chaleur. Selon les besoins de puissance, il est possible d'utiliser plusieurs pompes à 5 chaleur modulaires en association les unes avec les autres. Il est également possible, selon les besoins, de coupler plusieurs modules de cogénération tels qu'ils viennent d'être décrits. Le fonctionnement de l'ensemble du système 10 selon l'invention et des différents moyens décrits est, par exemple, piloté par des moyens formant automate de supervision.Of course, other embodiments are possible. In the embodiment described, the thermodynamic preparer means 16 comprise, for example, as has been seen, a heat pump. Depending on the power requirements, it is possible to use several modular heat pumps in combination with each other. It is also possible, as needed, to couple several cogeneration modules as just described. The operation of the entire system 10 according to the invention and the various means described is, for example, controlled by means forming supervisory automaton.
10 En particulier, ces moyens formant automate de supervision sont adaptés pour assurer le bon fonctionnement des moyens formant préparateur thermodynamique 16 avec les moyens formant module de cogénération 24. A titre d'exemple, les moyens formant automate de supervision contrôlent le démarrage ou l'arrêt des moyens formant module de cogénération 24, gèrent l'équilibre 15 des différentes énergies électriques consommées et produites, calculent en temps réel le coût de l'eau chaude produite par le système, remontent par exemple vers un centre délocalisé de supervision, des informations de caractérisation technique et de performance du système, etc... En outre, les moyens formant automate de supervision régulent la production de 20 chaleur par les moyens formant préparateur thermodynamique 16 et par les moyens formant module de cogénération 24. Les moyens formant automate de supervision sont, par exemple, intégrés aux moyens formant préparateur thermodynamique 16. Mais là encore, d'autres variantes sont envisageables.In particular, these supervisory automaton means are adapted to ensure the proper operation of the thermodynamic preparer means 16 with the cogeneration module means 24. By way of example, the supervisory automaton means control the start or the stopping the cogeneration module means 24, manage the balance 15 of the different electrical energy consumed and produced, calculate in real time the cost of the hot water produced by the system, for example go back to a delocalized center of supervision, information In addition, the means forming a supervisory automaton regulate the production of heat by the thermodynamic preparer means 16 and by the means forming a cogeneration module 24. supervision are, for example, integrated with the means forming a thermodynamic 16. But here again, other variants are conceivable.
25 Les moyens formant automate de supervision sont ainsi adaptés pour mettre en oeuvre plusieurs modes de fonctionnement dont au moins un mode normal et un ou plusieurs modes dégradés. Dans un premier mode de fonctionnement dit normal, les moyens formant automate de supervision mettent en oeuvre un pilotage nominal tel qu'il vient d'être décrit 30 des moyens formant module de cogénération 24 et des moyens formant préparateur thermodynamique 16. Dans un premier mode de fonctionnement dégradé, les moyens formant module de cogénération 24 sont à l'arrêt. Les moyens formant préparateur thermodynamique 16 sont alors pilotés pour 35 amener la première capacité tampon 12 à délivrer en sortie 18, une eau à environ la troisième température, c'est-à-dire 60°C.The supervisory automaton means are thus adapted to implement several modes of operation including at least one normal mode and one or more degraded modes. In a first so-called normal operating mode, the supervisory automation means implement a nominal control such as has just been described means cogeneration module 24 and thermodynamic preparer means 16. In a first mode degraded operation mode, the cogeneration module means 24 are stopped. The thermodynamic preparer means 16 are then driven to cause the first buffer capacity 12 to deliver at the outlet 18, a water at about the third temperature, i.e. 60 ° C.
3035484 6 Une vanne trois voies, désignée par la référence générale 50 sur cette figure, permet alors notamment d'isoler la deuxième capacité tampon 20 des deuxièmes moyens d'échange thermique 32. Les moyens formant automate de supervision sont également adaptés pour gérer 5 un deuxième mode de fonctionnement dégradé, dans lequel les moyens formant préparateur thermodynamique 16 sont à l'arrêt. Dans ce cas, l'électricité produite par les moyens de production 28 des moyens formant module de cogénération 24, alimente des moyens de chauffage électrique 52, intégrés dans la deuxième capacité tampon 20.A three-way valve, designated by the general reference 50 in this figure, then allows in particular to isolate the second buffer capacity 20 of the second heat exchange means 32. The supervisory automaton means are also adapted to manage a second degraded mode of operation, in which the thermodynamic preparer means 16 are at a standstill. In this case, the electricity produced by the means of production 28 of the cogeneration module means 24 supplies electrical heating means 52 integrated in the second buffer capacity 20.
10 Ces moyens de chauffage électrique 52 sont, par exemple, des thermoplongeurs électriques. Bien entendu, d'autres variantes sont envisageables. Ceci permet alors à la deuxième capacité tampon 20 de délivrer en sortie une eau à environ la troisième température, c'est-à-dire 60°C.These electric heating means 52 are, for example, electric immersion heaters. Of course, other variants are possible. This then allows the second buffer capacity 20 to output water at about the third temperature, i.e. 60 ° C.
15 Enfin, dans un troisième mode de fonctionnement dégradé, les moyens formant préparateur thermodynamique 16 et les moyens formant module de cogénération 24 sont tous à l'arrêt. Les moyens de chauffage électrique 52 intégrés dans la deuxième capacité tampon 20, sont alors raccordés à un réseau de distribution électrique désigné par la 20 référence générale 54 sur cette figure. Le fonctionnement du système 10 selon l'invention va maintenant être décrit en fonctionnement normal. Les moyens formant préparateur thermodynamique 16 préchauffent l'eau contenue dans la première capacité tampon 12, alimentée par une arrivée d'eau 14. L'eau 25 délivrée par cette première capacité tampon 12, est alors à une température d'environ 40°C. Parallèlement, les premiers moyens d'échange thermique 22 de refroidissement de moyens formant module de cogénération 24, chauffent l'eau contenue dans la deuxième capacité tampon 20, à une température d'environ 85°C.Finally, in a third degraded mode of operation, the thermodynamic processor means 16 and the cogeneration module means 24 are all at a standstill. The electric heating means 52 integrated in the second buffer capacity 20 are then connected to an electrical distribution network designated by the general reference 54 in this figure. The operation of the system 10 according to the invention will now be described in normal operation. The thermodynamic preparer means 16 preheat the water contained in the first buffer capacity 12 fed by a water inlet 14. The water 25 delivered by this first buffer capacity 12 is then at a temperature of approximately 40 ° C. . In parallel, the first heat exchange means 22 for cooling the cogeneration module means 24 heat the water contained in the second buffer capacity 20 at a temperature of about 85 ° C.
30 Les moyens de motorisation 26 à combustion interne entraînent les moyens de production d'énergie électrique 28, cette énergie électrique alimentant alors les moyens formant préparateur thermodynamique 16. L'eau contenue dans la deuxième capacité tampon 20 circule en circuit fermé, dans les deuxièmes moyens d'échange thermique 32, alimentés en eau en entrée, par la 35 première capacité tampon 12.The internal combustion engine means 26 drive the electrical energy generating means 28, this electrical energy then supplying the thermodynamic preparer means 16. The water contained in the second buffer capacity 20 circulates in closed circuit, in the second heat exchange means 32, supplied with water at the inlet, by the first buffer capacity 12.
3035484 7 Ces deuxièmes moyens d'échange thermique 32 délivrent alors en sortie 34, une eau chauffée à une troisième température d'environ 60°C. On conçoit qu'un tel système, qui fait fonctionner en simultané des moyens formant préparateur thermodynamique 16 avec des moyens formant module de 5 cogénération 24, présente l'avantage de produire de l'eau chaude à un coût réduit, les moyens formant module de cogénération 24 alimentant en électricité les moyens formant préparateur thermodynamique 16 et chauffant l'eau préchauffée par ces derniers. L'impact écologique d'un tel système selon l'invention est, par ailleurs, plus faible que les systèmes connus dans l'état de la technique.These second heat exchange means 32 then deliver at the outlet 34, a water heated to a third temperature of about 60 ° C. It is conceivable that such a system, which simultaneously operates thermodynamic preparer means 16 with CHM module means 24, has the advantage of producing hot water at a reduced cost, the module forming means being able to produce hot water at a reduced cost. cogeneration 24 supplying electricity to the thermodynamic processor means 16 and heating the water preheated by the latter. The ecological impact of such a system according to the invention is, moreover, lower than the systems known in the state of the art.
10 De plus, en cas de panne des moyens formant préparateur thermodynamique 16 et/ou des moyens formant module de cogénération 24, les modes dégradés pilotés par les moyens formant automate de supervision décrits ci-dessus, permettent d'assurer une continuité dans la production d'eau chaude.In addition, in the event of failure of the thermodynamic processor means 16 and / or the cogeneration module means 24, the degraded modes controlled by the supervisory automaton means described above make it possible to ensure continuity in the production. hot water.
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2015
- 2015-04-23 FR FR1553643A patent/FR3035484B1/en active Active
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