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Title:
HYDRAULIC INTERCONNECTION SYSTEM FOR A THERMAL NETWORK
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/229368
Kind Code:
A1
Abstract:
Hydraulic interconnection unit (8) for a thermal energy distribution system (1) of a building connected to a low-temperature thermal energy (2) ("single-pipe energy network") remote distribution network, the building comprising a high-temperature thermal energy distribution network (3) ("HV network"), a building hot-water network (4) and a heat pump (5). The hydraulic interconnection unit comprises: - a heat exchanger (14); - a high-temperature connection circuit (16) passing through the heat exchanger (14) and comprising an inlet (32a) and an outlet (32b); - a low-temperature connection circuit (18) comprising an inlet (34a) and an outlet (34b), - a heating connection circuit (20) comprising an inlet (36a) and an outlet (36b), and - a heat pump connection circuit (22) comprising an evaporator circuit (22a) with an inlet (28a) and an outlet (28b) and a condenser circuit (22b) with an inlet (30a) and an outlet (30b), the inlet (36a) of the heating connection circuit being connected to the outlet (30b) of the condenser circuit of the heat pump connection circuit (22), the inlet (28a) of the evaporator circuit (22a) being connected to the outlet (34b) of the low-temperature connection circuit (18). The hydraulic interconnection unit further comprises: - a first mixing valve (V1) interconnecting the inlet (34a) of the low-temperature connection circuit (18) to the inlet (32a) of the high-temperature connection circuit (16) and to the outlet (28b) of the evaporator circuit (22a) so as to be able to inject heat transfer fluid coming from the low-temperature connection circuit (18) into the high-temperature connection circuit (16), and - a second mixing valve (V2) interconnecting the inlet (36a) of the heating connection circuit (20), via a bypass (38) passing through the heat exchanger (14), and the inlet (30a) of the condenser circuit (22b), to the outlet (36b) of the heating connection circuit (20) such that it is possible for the heat transfer fluid passing through the heat exchanger (14) to be injected with the heat transfer fluid returning from the condenser circuit (22b).

Inventors:
ORLANDO DAVID (CH)
Application Number:
PCT/EP2020/062944
Publication Date:
November 19, 2020
Filing Date:
May 08, 2020
Export Citation:
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Assignee:
APTERIX SA (CH)
International Classes:
F24D3/08; F24D3/10; F24D10/00; F24D11/00; F24D19/10; F25B25/00; F25B29/00
Foreign References:
CH712729A12018-01-31
EP2354677A12011-08-10
EP1992882A12008-11-19
DE202015004569U12016-09-29
DE19616885A11997-11-06
Attorney, Agent or Firm:
REUTELER & CIE SA (CH)
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Claims:
Revendications

1. Unité d’interconnexion hydraulique (8) pour un système de distribution d’énergie thermique (1) d’un bâtiment connecté à un réseau de distribution à distance d’énergie thermique basse température (2) (« réseau anergie »), le bâtiment comprenant un réseau de distribution d’énergie thermique haute température (3) (« réseau HT), un réseau d’eau chaude bâtiment (4) et une pompe à chaleur (5), l’unité d’interconnexion hydraulique comprenant :

- un échangeur de chaleur (14) ;

- un circuit de connexion haute température (16) passant à travers l’échangeur de chaleur (14) et comprenant une entrée (32a) et une sortie (32b) ;

- un circuit de connexion basse température (18) comprenant une entrée (34a) et une sortie (34b),

- un circuit de connexion chauffage (20) comprenant une entrée (36a) et une sortie (36b), et

- un circuit de connexion pompe à chaleur (22) comprenant un circuit évaporateur (22a) avec une entrée (28a) et une sortie (28b) et un circuit condenseur (22b) avec une entrée (30a) et une sortie (30b), l’entrée (36a) du circuit de connexion chauffage étant connecté à la sortie (30b) du circuit condenseur du circuit de connexion pompe à chaleur (22), l’entrée (28a) du circuit évaporateur (22a) étant connecté à la sortie (34b) du circuit de connexion basse température (18);

l’unité d’interconnexion hydraulique (8) comprenant en outre :

- une première vanne mélangeuse (V1) interconnectant l’entrée (34a) du circuit de connexion basse température (18) à l’entrée (32a) du circuit de connexion haute température (16) et à la sortie (28b) du circuit évaporateur (22a) de sorte à pouvoir injecter du fluide caloporteur venant du circuit de connexion basse température (18) dans le circuit de connexion haute température (16), et

- une deuxième vanne mélangeuse (V2) interconnectant l’entrée (36a) du circuit de connexion chauffage (20), via une dérivation (38) passant par l’échangeur de chaleur (14), et l’entrée (30a) du circuit condenseur (22b), à la sortie (36b) du circuit de connexion chauffage (20) afin de pouvoir injecter du fluide caloporteur passant par l’échangeur de chaleur (14) avec le fluide caloporteur retournant du circuit condenseur (22b).

2. Unité d’interconnexion hydraulique selon la revendication précédente caractérisée en ce que le circuit évaporateur (22a) comprend une pompe (P1) installé dans l’unité d’interconnexion hydraulique pour la circulation du fluide caloporteur du circuit évaporateur.

3. Unité d’interconnexion hydraulique selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le circuit condenseur (22b) comprend une pompe (P2) installé dans l’unité d’interconnexion hydraulique pour la circulation du fluide caloporteur du circuit condenseur.

4. Procédé de fonctionnement d’une unité d’interconnexion hydraulique selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant plusieurs modes de fonctionnement, un mode de fonctionnement comprenant la production d’eau chaude pour le réseau d’eau chaude bâtiment (4), caractérisée en ce que, le circuit de connexion basse température (18) est raccordé au réseau anergie (2) qui fournit l’énergie nécessaire au circuit évaporateur (22a) de la pompe à chaleur (5), le circuit condenseur (22b) de la pompe à chaleur portant la température du fluide caloporteur du réseau d’eau chaude bâtiment (4) à la température souhaitée pour permettre d’atteindre une consigne de température choisie, la première vanne mélangeuse (V1) étant dans une position dans laquelle la déviation du fluide caloporteur du circuit de connexion basse température (18) à travers l’échangeur de chaleur (14) est fermée, et la deuxième vanne mélangeuse (V2) étant dans une position dans laquelle la déviation du fluide caloporteur du circuit de connexion chauffage (20) à travers l’échangeur de chaleur (14) est fermée.

5. Procédé selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le circuit condenseur (22b) de l’unité d’interconnexion hydraulique comprend une pompe (P2) installé dans l’unité d’interconnexion hydraulique pour la circulation du fluide caloporteur du circuit condenseur, un mode de fonctionnement comprend la production d’eau chaude pour le réseau d’eau chaude bâtiment (4) en utilisant le réseau de distribution d’énergie thermique haute température (3), le transfert énergétique étant réalisé par l’intermédiaire de l’échangeur de chaleur (14), le transfert thermique étant contrôlé par la modulation de vitesse de la pompe (P2) de circulation du circuit d’eau de chauffage.

6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que un mode de fonctionnement comprend la production d’eau chaude pour le réseau d’eau chaude bâtiment (4) avec une mode sécurité lorsque la température du réseau anergie (2) est inférieure à 0°C, les deux vannes mélangeuses (V1 , V2) étant pilotés par un système de mesure, contrôle, et régulation (MCR) (6) connecté électriquement à l’unité d’interconnexion hydraulique (8) pour ajuster le transfert thermique du circuit condenseur (5b) de la pompe à chaleur au circuit évaporateur (5a) par l’entremise de l’échangeur de chaleur (14) afin de maintenir une température du fluide caloporteur à la sortie (28b) du circuit évaporateur à une température constante, le débit des deux fluides caloporteurs du circuit condenseur et du circuit évaporateur étant ajustés pour permettre d’obtenir ladite température.

7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que un mode de fonctionnement comprend un rafraîchissement naturel sans le fonctionnement de la pompe à chaleur (« free cooling »), selon lequel la production d’eau froide nécessaire au circuit de connexion chauffage est amenée du réseau anergie, le fluide caloporteur du circuit de connexion basse température (18) couplé au réseau anergie étant dévié, au moins en partie, par la première vanne mélangeuse (V1) à travers l’échangeur de chaleur, et le fluide caloporteur du circuit de connexion chauffage est dévié, au moins en partie, par la deuxième vanne mélangeuse (V2) à travers l’échangeur de chaleur, le débit des deux fluides caloporteurs étant ajustés pour permettre d’obtenir la température de consigne souhaitée.

8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que un mode de fonctionnement comprend la production de froid via le réseau de distribution d’énergie thermique haute température (3) couplé à une source de froid, le transfert énergétique étant réalisé par l’intermédiaire de l’échangeur de chaleur et contrôlé par la modulation de vitesse d’une pompe (P2) de circulation du circuit d’eau de chauffage et/ou la modulation de vitesse d’une pompe (P5) de circulation du fluide caloporteur du circuit HT (3).

9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que un mode de fonctionnement comprend la production d’eau chaude pour le réseau d’eau chaude bâtiment (4) en utilisant le réseau de distribution d’énergie thermique haute température (3) en combinaison avec la pompe à chaleur (5), le fluide caloporteur du réseau de distribution d’énergie thermique haute température (3) étant injecté dans le circuit évaporateur de la pompe à chaleur, le circuit ce connexion basse température (18) couplé au réseau anergie (2) étant en marche.

10. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que un mode de fonctionnement comprend la production d’eau chaude pour le réseau d’eau chaude bâtiment (4) en utilisant le réseau de distribution d’énergie thermique HT (3) en combinaison avec la pompe à chaleur (5), le gradient de température du fluide caloporteur provenant du réseau HT étant plus élevé que le gradient de température produit par la pompe à chaleur, le transfert thermique via l’échangeur de chaleur (14) étant contrôlé avec la modulation de la deuxième vanne mélangeuse (V2).

11. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que un mode de fonctionnement comprend la production d’eau chaude pour le réseau d’eau chaude bâtiment (4) en utilisant le réseau de distribution d’énergie thermique HT (3) en combinaison avec la pompe à chaleur (5) pour alimenter un autre bâtiment, une partie de l’énergie nécessaire au réseau HT étant produite par la pompe à chaleur, le gradient de température du fluide caloporteur provenant du réseau HT étant moins élevé que le gradient produit par la pompe à chaleur, le transfert thermique via l’échangeur de chaleur (14) étant contrôlé avec la modulation de la deuxième vanne mélangeuse (V2).

12. Système de distribution d’énergie thermique (1) d’un bâtiment comprenant une unité d’interconnexion hydraulique selon l’une quelconque des revendications précédentes 1-3 et un système de connexion d’un circuit hydraulique d’un réseau anergie (2) à une unité d’interconnexion hydraulique (8) d’un bâtiment, comprenant un dispositif de branchement (10) comportant deux raccords de branchement trois voies (12) interconnectant un tube principal (24) du réseau anergie à deux tubes de branchement (15a, 15b) connectés hydrauliquement à l’échangeur de chaleur (7), le raccord de branchement trois voies comprenant une partie de tube en ligne (12a) montée en ligne avec le tube principal du réseau anergie et une partie de tube en angle (12b) orienté de tel façon que le sens du fluide caloporteur du réseau anergie ait un angle de dérivation de sortie du tube principal, respectivement d’entrée dans le tube principal, entre 30 degrés et 60 degrés, de préférence environ 45 degrés.

13. Système de distribution d’énergie thermique selon la revendication précédente caractérisée en ce qu’il comprend un système de mesure, contrôle, et régulation (MCR) (6) connecté électriquement à l’unité d’interconnexion hydraulique (8) pour commander des pompes et vannes de l’unité d’interconnexion hydraulique en fonction de températures mesurés et des consignes de commande d’opération du système.

14. Système de distribution d’énergie thermique selon l’une des deux revendications précédentes, comprenant une vanne d’arrêt (Va, Vb) sur au moins une desdites tubes de branchement (15a, 15b).

Description:
SYSTEME D’INTERCONNEXION HYDRAULIQUE POUR RESEAU THERMIQUE

La présente invention concerne un système d’interconnexion hydraulique pour réseaux de distribution d’énergie thermique, notamment des réseaux comprenant des pompes à chaleur couplées à un réseau de distribution à distance basse température. Le réseau de distribution d’énergie thermique peut notamment servir à l’alimentation en chaleur ou en froid de bâtiments, par exemple de bâtiments d’un quartier urbain, raccordés au réseau.

Il existe de nombreux modules de raccordement hydraulique pour pompes à chaleur, agencés pour distribuer, dans un circuit de chauffage classique d’un bâtiment, de l’eau chaude sanitaire et de l’eau chaude de chauffage du bâtiment. Certains modules hydrauliques comprennent également un échangeur de chaleur permettant de faire du refroidissement libre (connu sous le nom anglais « free cooling ») via un registre terrestre de type sonde verticales ou horizontales.

Les systèmes conventionnels ne permettent toutefois pas d’intégrer efficacement des réseaux de distribution d’énergie thermique à distance (appelés aussi des réseaux de chauffage à distance « CAD ») avec les réseaux d’énergie thermique locaux, tenant compte des différences de températures ainsi que les variations de température et des flux des fluides caloporteurs possibles entre les divers réseaux selon les conditions, par exemple les conditions d’usage, météorologiques, et géothermiques.

Notamment, la conciliation des réseaux de distribution d’énergie thermique à distance basse température (dite « réseau Anergie ») et des pompes à chaleur connectées sur ce réseau Anergie avec une grande résilience et une efficience maximale, n’est pas atteint par les systèmes existants. Pour une grande résilience et une efficience maximale, il est crucial de s’assurer que les températures moyennes de fonctionnement des registres terrestres sont positives afin d’éviter le gel du sous-sol, qui aurait des conséquences qui peuvent être très négatives sur le rendement et la résilience du dit réseau de distribution d’énergie thermique.

Un réseau Anergie comprend typiquement un tube dans lequel circule un fluide caloporteur connecté à une pluralité de clients consommateurs d’énergie et un ou plusieurs producteurs d’énergie. Il existe plusieurs façons de raccorder hydrauliquement les installations des clients ou producteurs au tube (aussi appelé « monotube ») du réseau d’Anergie. Le principe le plus simple est le circuit en série, ou le réseau monotube est raccordé en série sur les installations des clients consommateurs d’énergie. Un inconvénient de ce schéma est que les dernières installations auront potentiellement moins de chaleur. Un autre inconvénient est que l’énergie de pompage nécessaire à faire circuler l’eau sera importante à cause des pertes de charge linéique et singulière qui s’accumulent.

Un autre principe très utilisé aujourd’hui est le raccordement série avec vanne de by-pass qui permet de mieux transférer l’énergie de chaleur jusqu’aux derniers clients. Les pertes de charge du réseau et le coût additionnel du matériel restent malgré cela encore importants.

Un objet général de l’invention est de fournir un système d’interconnexion hydraulique pour réseaux de distribution d’énergie thermique qui pallie les inconvénients des systèmes existants.

Un premier objet particulier de l’invention est de permettre une intégration efficace et résiliant d’un réseau de distribution d’énergie thermique à distance basse température à un réseau d’énergie thermique local avec une pompe à chaleur, par exemple un réseau d’énergie thermique d’un bâtiment.

Un deuxième objet particulier de l’invention est de fournir un raccordement hydraulique permettent de raccorder hydrauliquement les installations des clients ou producteurs au tube du réseau d’Anergie présentant une haute efficience et une bonne résilience du réseau.

Des objets de l’invention sont réalisés par une unité d’interconnexion hydraulique selon la revendication 1.

Des objets de l’invention sont réalisés par un procédé de fonctionnement d’une unité d’interconnexion hydraulique selon la revendication 4.

Des objets de l’invention sont réalisés par un système de distribution d’énergie thermique d’un bâtiment selon la revendication 12.

Les revendications dépendantes décrivent des caractéristiques avantageuses de l’invention.

Dans la présente, on décrit une unité d’interconnexion hydraulique pour un système de distribution d’énergie thermique d’un bâtiment connecté à un réseau de distribution à distance d’énergie thermique basse température (« réseau anergie monotube »), le bâtiment comprenant un réseau de distribution d’énergie thermique haute température (« réseau HT), un réseau d’eau chaude bâtiment et une pompe à chaleur. L’unité d’interconnexion hydraulique comprend: - un échangeur de chaleur;

- un circuit de connexion haute température passant à travers l’échangeur de chaleur et comprenant une entrée et une sortie;

- un circuit de connexion basse température comprenant une entrée et une sortie ;

- un circuit de connexion chauffage comprenant une entrée et une sortie; et

- un circuit de connexion pompe à chaleur comprenant un circuit évaporateur avec une entrée et une sortie et un circuit condenseur avec une entrée et une sortie , l’entrée du circuit de connexion chauffage étant connecté à la sortie du circuit de connexion pompe à chaleur, l’entrée du circuit évaporateur étant connecté à la sortie du circuit de connexion basse température.

L’unité d’interconnexion hydraulique comprend en outre :

- une première vanne mélangeuse interconnectant l’entrée du circuit de connexion basse température à l’entrée du circuit de connexion haute température et à la sortie du circuit évaporateur de sorte à pouvoir injecter du fluide caloporteur venant du circuit de connexion basse température dans le circuit de connexion haute température, et

- une deuxième vanne mélangeuse interconnectant l’entrée du circuit de connexion chauffage, via une dérivation passant par l’échangeur de chaleur, et l’entrée du circuit condenseur, à la sortie du circuit de connexion chauffage afin de pouvoir injecter du fluide caloporteur passant par l’échangeur de chaleur avec le fluide caloporteur retournant du circuit condenseur.

Dans une forme d’exécution avantageuse, le circuit évaporateur comprend une pompe installé dans l’unité d’interconnexion hydraulique pour la circulation du fluide caloporteur du circuit évaporateur.

Dans une forme d’exécution avantageuse, le circuit condenseur comprend une pompe installé dans l’unité d’interconnexion hydraulique pour la circulation du fluide caloporteur du circuit condenseur.

Dans la présent, on décrit aussi un procédé de fonctionnement d’une unité d’interconnexion hydraulique, comprenant plusieurs modes de fonctionnement, un mode de fonctionnement comprenant la production d’eau chaude pour le réseau d’eau chaude bâtiment, dans lequel le circuit de connexion basse température est raccordé au réseau anergie qui fournit l’énergie nécessaire au circuit évaporateur de la pompe à chaleur, le circuit condenseur de la pompe à chaleur portant la température du fluide caloporteur du réseau d’eau chaude bâtiment à la température souhaitée pour permettre d’atteindre une consigne de température choisie, la première vanne mélangeuse étant dans une position dans laquelle la déviation du fluide caloporteur du circuit de connexion basse température à travers l’échangeur de chaleur est fermée, et la deuxième vanne mélangeuse étant dans une position dans laquelle la déviation du fluide caloporteur du circuit de connexion chauffage à travers l’échangeur de chaleur est fermée.

Dans une forme d’exécution avantageuse, un mode de fonctionnement comprend la production d’eau chaude pour le réseau d’eau chaude bâtiment en utilisant le réseau de distribution d’énergie thermique haute température, le transfert énergétique étant réalisé par l’intermédiaire de l’échangeur de chaleur, le transfert thermique étant contrôlé par la modulation de vitesse d’une pompe de circulation du circuit d’eau de chauffage et/ou la modulation de vitesse d’une pompe de circulation du fluide caloporteur du circuit HT.

Dans une forme d’exécution avantageuse, un mode de fonctionnement comprend la production d’eau chaude pour le réseau d’eau chaude bâtiment avec une mode sécurité lorsque la température du réseau anergie est inférieure à 0°C, les deux vannes mélangeuses étant pilotés par un système de mesure, contrôle, et régulation (MCR) connecté électriquement à l’unité d’interconnexion hydraulique pour ajuster le transfert thermique du circuit condenseur de la pompe à chaleur au circuit évaporateur par l’entremise de l’échangeur de chaleur afin de maintenir une température du fluide caloporteur à la sortie du circuit évaporateur à une température constante, le débit des deux fluides caloporteurs du circuit condenseur et du circuit évaporateur étant ajustés pour permettre d’obtenir ladite température.

Dans une forme d’exécution avantageuse, un mode de fonctionnement comprend un rafraîchissement naturel sans le fonctionnement de la pompe à chaleur (« free cooling »), selon lequel la production d’eau froide nécessaire au circuit de connexion chauffage est amenée du réseau anergie, le fluide caloporteur du circuit de connexion basse température couplé au réseau anergie étant dévié, au moins en partie, par la deuxième vanne mélangeuse à travers l’échangeur de chaleur, et le fluide caloporteur du circuit de connexion chauffage est dévié, au moins en partie, par la première vanne mélangeuse à travers l’échangeur de chaleur, le débit des deux fluides caloporteurs étant ajustés pour permettre d’obtenir la température de consigne souhaitée.

Dans une forme d’exécution avantageuse, un mode de fonctionnement comprend la production de froid via le réseau de distribution d’énergie thermique haute température couplé à une source de froid, le transfert énergétique étant réalisé par l’intermédiaire de l’échangeur de chaleur et contrôlé par la modulation de vitesse d’une pompe de circulation du circuit d’eau de chauffage et/ou la modulation de vitesse d’une pompe de circulation du fluide caloporteur du circuit HT.

Dans une forme d’exécution avantageuse, un mode de fonctionnement comprend la production d’eau chaude pour le réseau d’eau chaude bâtiment en utilisant le réseau de distribution d’énergie thermique haute température en combinaison avec la pompe à chaleur, le fluide caloporteur du réseau de distribution d’énergie thermique haute température étant injecté dans le circuit évaporateur de la pompe à chaleur, le circuit ce connexion basse température couplé au réseau anergie étant en marche.

Dans une forme d’exécution avantageuse, un mode de fonctionnement comprend la production d’eau chaude pour le réseau d’eau chaude bâtiment en utilisant le réseau de distribution d’énergie thermique HT en combinaison avec la pompe à chaleur, le gradient de température du fluide caloporteur provenant du réseau HT étant plus élevé que le gradient de température produit par la pompe à chaleur, le transfert thermique via l’échangeur de chaleur étant contrôlé avec la modulation de la deuxième vanne mélangeuse.

Dans une forme d’exécution avantageuse, un mode de fonctionnement comprend la production d’eau chaude pour le réseau d’eau chaude bâtiment en utilisant le réseau de distribution d’énergie thermique HT en combinaison avec la pompe à chaleur pour alimenter un autre bâtiment, une partie de l’énergie nécessaire au réseau HT étant produite par la pompe à chaleur, le gradient de température du fluide caloporteur provenant du réseau HT étant moins élevé que le gradient produit par la pompe à chaleur, le transfert thermique via l’échangeur de chaleur étant contrôlé avec la modulation de la deuxième vanne mélangeuse.

Dans la présente, selon un deuxième aspect de l’invention, on décrit un système de connexion d’un circuit hydraulique d’un réseau anergie à une unité d’interconnexion hydraulique d’un bâtiment, via un échangeur de chaleur, comprenant un dispositif de branchement comportant deux raccords de branchement trois voies interconnectant un tube principal du réseau anergie à deux tubes de branchement connectés hydrauliquement à l’échangeur de chaleur, le raccord de branchement trois voies comprenant une partie de tube en ligne montée en ligne avec le tube principal du réseau anergie et une partie de tube en angle orienté de tel façon que le sens du fluide caloporteur du réseau anergie ait un angle de dérivation de sortie du tube principal, respectivement d’entrée dans le tube principal, entre 30 degrés et 60 degrés, de préférence environ 45 degrés. Dans une forme d’exécution avantageuse, le système comprend une vanne d’arrêt sur au moins une desdites tubes de branchement.

Dans la présente, le système de distribution d’énergie thermique d’un bâtiment comprend unité d’interconnexion hydraulique comme décrit ci-dessus et un système de connexion d’un circuit hydraulique comme décrit ci-dessus.

Dans une forme d’exécution avantageuse, le système de distribution d’énergie thermique comprend en outre un système de mesure, contrôle, et régulation (MCR) connecté électriquement à l’unité d’interconnexion hydraulique pour commander des pompes et vannes de l’unité d’interconnexion hydraulique en fonction de températures mesurés et des consignes de commande d’opération du système.

D’autres buts et aspects avantageux de l’invention apparaîtront à la lecture des revendications et/ou de la description détaillée ci-après de formes d’exécution de l’invention en relation avec les figures, dans lesquelles :

La Fig. 1 est une vue schématique d’un système de distribution d’énergie thermique comprenant une unité d’interconnexion hydraulique selon une forme d’exécution de l’invention ;

La Fig. 1a est une vue schématique d’une portion de circuit d’interface entre un réseau de distribution à distance d’énergie thermique basse température (réseau Anergie) et une unité d’interconnexion hydraulique selon une forme d’exécution de l’invention ;

La Fig. 2a est une vue schématique d’une unité d’interconnexion hydraulique selon une forme d’exécution de l’invention, illustrant les entrées et sorties ;

La Fig. 2b est une vue schématique d’une unité d’interconnexion hydraulique selon une forme d’exécution de l’invention, illustrant schématiquement le circuit hydraulique du système ;

Les Figs. 3a à 3h sont des vues de l’unité d’interconnexion hydraulique des figures 2a et 26, illustrant différentes modes d’opération du système selon des formes d’exécution de l’invention ;

La Fig. 4 est une vue d’un dispositif de branchement hydraulique pour le raccordement d’un monotube à une installation consommateur selon une forme d’exécution de l’invention ;

Les Figs. 5a à 5b sont des schémas simplifiés illustrant des modes d’opération du dispositif de branchement hydraulique de la figure 4 ;

La figure 6a illustre un exemple d’une vanne mélangeuse trois voies utilisée dans une unité d’interconnexion hydraulique selon une forme d’exécution de l’invention ; La figure 6b illustre les débits des circuits de la vanne de la figure 6a en fonction de la position de la vanne.

Faisant référence aux figures, commençant par la figure 1 , un système de distribution d’énergie thermique 1 comprend une unité d’interconnexion hydraulique 8 connectée hydrauliquement à un réseau de distribution à distance d’énergie thermique basse température 2, appelé réseau Anergie, un réseau de distribution d’énergie thermique haute température 3, un réseau d’eau chaude bâtiment 4, et une pompe à chaleur 5. Le système de distribution d’énergie thermique 1 comprend en outre un système de mesure, contrôle, et régulation (système MCR) 6 connecté électriquement à l’unité d’interconnexion hydraulique 8 pour, entre autres, commander des pompes et vannes de l’unité d’interconnexion hydraulique.

Le système de distribution d’énergie thermique 1 peut comprendre en outre un échangeur de chaleur 7 couplant le réseau Anergie 2 à l’unité d’interconnexion hydraulique 8.

La pompe à chaleur comprend un circuit évaporateur 5a et un circuit condenseur 5b. Le circuit évaporateur 5a est la partie basse pression de la pompe à chaleur et le circuit condenseur 5b est la partie haute pression de la pompe à chaleur. La pompe à chaleur peut être une pompe à chaleur géothermique, ou une pompe à chaleur à aire.

Le circuit évaporateur 5a comprend une entrée 28a et une sortie 28b, connectés au réseau Anergie 2 via échangeur de chaleur 7, ainsi qu’au réseau HT 3.

Le circuit condenseur 5b comprend une entrée 30a et une sortie 30b, connectés au réseau d’eau chaude bâtiment 4.

Le réseau Anergie 2 comprend au moins un tube, que nous appelons ici « monotube », dans lequel circule un fluide caloporteur entre au moins un émetteur de chaleur et une pluralité de consommateurs de chaleur situés à distance de l’émetteur. Le réseau Anergie 2 est typiquement un réseau urbain interconnectant une pluralité de bâtiments d’un quartier résidentiel ou industriel, ou d’un quartier mixte résidentiel et industriel. Le réseau Anergie est en grande partie enterré et peut utiliser le sol pour accumuler de l’énergie thermique, par exemple dû à la production de chaleur solaire en été ou pour un refroidissement de bâtiments, ou pour libérer de l’énergie thermique, par exemple en hiver pour le chauffage des bâtiments ou de l’eau sanitaire. Les réseaux de distribution à distance d’énergie thermique basse température 2 de ce type sont en soi connus et n’ont pas besoin d’être décrit en détail dans la présente.

Le réseau Anergie 2 peut avantageusement être couplé à l’unité d’interconnexion hydraulique 8 par un échangeur de chaleur 7, de sorte à ce que le fluide caloporteur du réseau Anergie est indépendant du fluide caloporteur circulant dans l’unité d’interconnexion hydraulique 8.

Le fluide caloporteur circulant dans le réseau Anergie 2 peut typiquement être de l’eau ou de la saumure. La saumure permet au réseau Anergie de circuler le fluide caloporteur à des températures inférieures à 0°C.

Le fluide caloporteur circulant dans l’échangeur de chaleur 7 du côté de l’unité d’interconnexion hydraulique 8, et qui circule aussi dans un circuit évaporateur 5a de la pompe à chaleur 5 et dans le réseau HT 3, doit pouvoir supporter des températures inférieures à 0°C et supérieures à la température du réseau HT 3, notamment dans une gamme de températures allant typiquement de -20°C à 90°C. Ce fluide peut par exemple être de l’eau glycolée, bien connu dans les systèmes thermiques.

Le réseau de distribution d’énergie thermique haute température 3 comprend au moins deux tubes 26a, 26b dans lequel circule, en circuit fermé, un fluide caloporteur entre l’unité d’interconnexion hydraulique 8 et une source de chaleur haute température (HT), telle qu’un générateur thermique photovoltaïque, solaire, ou à combustible. La source de chaleur HT peut être une source de chaleur local, à savoir une source d’énergie généré dans le bâtiment dans lequel se trouve l’unité d’interconnexion hydraulique 8, ou une source de chaleur à distance, par exemple résultant d’une opération industrielle, telle qu’une usine de transformation de matériaux, ou d’un central de production d’énergie. Dans ce dernier cas, le circuit fermé du réseau HT connecté à l’unité d’interconnexion hydraulique, peut être couplé à la source de chaleur produit à distance par un échangeur de chaleur (variante non- illustrée), de sorte à ce que circuit fermé du réseau HT 3 soit disposé localement (dans le bâtiment dans lequel l’unité d’interconnexion est montée, de préférence proche de l’unité d’interconnexion 8)

Le réseau d’eau chaude bâtiment 4 peut typiquement comprendre un réseau de chauffage bâtiment 4a et un réseau d’eau chaude sanitaire (réseau ECS) 4b, qui peut par exemple comprendre un (ou plusieurs) ballon(s) pour le stockage d’eau chaude sanitaire. Le ballon ECS peut en outre comprendre un élément de chauffage électrique pour un chauffage d’appoint de l’eau chaude sanitaire stockée dan le ballon ECS. La distribution d’eau chaude circulant dans le réseau de chauffage bâtiment 4a et le réseau ECS 4b peut être contrôlée par des vannes dans le réseau en dehors de l’unité d’interconnexion hydraulique 8. Les circuits du réseau de chauffage bâtiment 4a et du réseau ECS 4b peuvent aussi être indépendants hydrauliquement l’un de l’autre, par exemple en couplant le circuit de chauffage avec le circuit ECS par un échangeur de chaleur (variante non-illustrée).

Le système MCR 6 est typiquement et de préférence installé dans le bâtiment dans lequel l’unité d’interconnexion est montée, et est connecté à divers sondes de température (y compris une sonde extérieure) et aux divers unités du système de distribution d’énergie thermique dans le bâtiment, pour la régulation de l’unité d’interconnexion hydraulique 8 et la pompe à chaleur 5 ainsi que des vannes et pompes du réseau d’eau chaude bâtiment 4, réseau HT 3 et circuit de connexion basse température 18 couplé au réseau Anergie 2.

L’unité d’interconnexion hydraulique 8 comprend un échangeur de chaleur 14, un circuit de connexion haute température 16 comprenant une entrée 32a et une sortie 32b, un circuit de connexion basse température 18 comprenant une entrée 34a et une sortie 34b, un circuit de connexion chauffage 20 comprenant une entrée 36a et une sortie 36b, et un circuit de connexion pompe à chaleur 22. Le circuit de connexion pompe à chaleur, comme mentionné précédemment, comprend un circuit évaporateur 22a avec une entrée 28a et une sortie 28b et un circuit condenseur 22b avec une entrée 30a et une sortie 30b.

L’utilisation des termes « entrée » et « sortie » ci-dessus indique l’entrée de fluide, respectivement la sortie de fluide de l’unité d’interconnexion hydraulique.

Le terme «circuit de connexion» utilisé dans la présente description peut comprendre seulement une petite portion de conduit, ou plusieurs portions de conduit, un «circuit de connexion» étant défini principalement par son entrée et sa sortie de l’unité d’interconnexion hydraulique.

L’unité d’interconnexion hydraulique 8 comprend en outre des vannes mélangeuses V1 , V2.

Une vanne mélangeuse V1 interconnecte l’entrée 34a du circuit de connexion basse température 18 à l’entrée 32a du circuit de connexion haute température 16 et à la sortie 28b du circuit évaporateur 28b de sorte à pouvoir injecter du fluide caloporteur venant du réseau basse température 18 dans le réseau HT 3 passant à travers l’échangeur de chaleur 14, de sorte à diminuer le transfert d’énergie au circuit de connexion chauffage 20 et à augmenter l’énergie conservé dans le circuit évaporateur 22a.

Une deuxième vanne mélangeuse V2 interconnecte l’entrée 36a du circuit de connexion chauffage 20, via une dérivation 38 passant par l’échangeur de chaleur 14, et l’entrée 30a du circuit condenseur 22b de la pompe à chaleur 5, à la sortie 36b du circuit de connexion chauffage 20 afin de pouvoir injecter du fluide caloporteur passant par l’échangeur de chaleur 14 avec le fluide caloporteur retournant du circuit condenseur de la pompe à chaleur.

Un exemple d’une vanne mélangeuse trois voies est illustré dans la figure 6a, montrant trois positions différentes de la vanne : (i) circuit A connecté avec la sortie avec circuit B fermé (90°), (ii) circuit B connecté avec la sortie avec circuit A fermé (0°) et (iii) les deux circuits A, B connectés avec la sortie (45°) pour un mélange des flux des deux circuits. La figure 6b illustre les débits des circuits A et B en fonction de la position de la vanne.

Les circuits évaporateur 22a et condenseur 22b peuvent comprendre chacun une pompe P1 , P2 installé dans l’unité d’interconnexion hydraulique pour la circulation du fluide caloporteur. Les pompes peuvent toutefois, dans une variante, aussi être disposés en dehors de l’unité d’interconnexion hydraulique 8.

Faisant référence à la figure 3a, dans une première mode de fonctionnement il y a la production de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire. Le circuit de connexion basse température 18 est raccordé au réseau Anergie 2 qui fournit l’énergie nécessaire au circuit évaporateur 22a de la pompe à chaleur 5. Le circuit condenseur 22b de la pompe à chaleur porte la température du fluide caloporteur du réseau d’eau chaude bâtiment 4 à la température souhaitée pour permettre d’atteindre la consigne de température choisie. Cela va de même pour l’obtention de la température souhaitée pour la production de l’eau chaude sanitaire. Dans ce mode, la vanne mélangeuse V1 est dans une position dans laquelle la déviation du fluide caloporteur du circuit de connexion basse température 18 à travers l’échangeur de chaleur 14 est fermée, et la vanne mélangeuses V2 est dans une position dans laquelle la déviation du fluide caloporteur du circuit de connexion chauffage 20 à travers l’échangeur de chaleur 14 est fermée.

Faisant référence à la figure 3b, dans une deuxième mode de fonctionnement il y a le chauffage par le réseau de distribution d’énergie thermique haute température 3 du réseau d’eau chaude bâtiment 4. Dans ce mode de fonctionnement, l’énergie nécessaire pour l’eau de chauffage du bâtiment et l’eau chaude sanitaire est produite par une autre unité que la pompe à chaleur. Le transfert énergétique est réalisé par l’intermédiaire de l’échangeur de chaleur 14, le transfert thermique étant contrôlé par la modulation de vitesse de la pompe P2 de circulation du circuit d’eau de chauffage et/ou la modulation de vitesse d’une pompe P5 (voir fig. 1) de circulation du fluide caloporteur du circuit HT 3.

Faisant référence à la figure 3c, dans une troisième mode de fonctionnement il y a le chauffage d’eau de chauffage et d’eau chaude sanitaire avec une mode sécurité lorsque la température du réseau Anergie 2 est inférieure à 0°C. Dans ce cas, les deux vannes mélangeuses V1 , V2, sont pilotés par un automate programmable du MCR 6 pour ajuster le transfert thermique du circuit condenseur 5b de la pompe à chaleur au circuit évaporateur 5a par l’entremise de l’échangeur de chaleur 14 afin de maintenir une température du fluide caloporteur à la sortie 28b à une température constante, par exemple à une température de - 5°C. Le débit des deux fluides caloporteurs seront ajustés pour permettre d’obtenir la température de consigne souhaitée. Dans ce mode de fonctionnement, le circuit ce connexion haute température 16 peut être en arrêt (i.e. la pompe P5 est à l’arrêt et il n’y a pas de circulation de fluide caloporteur à haute température).

Faisant référence à la figure 3d, dans une quatrième mode de fonctionnement il y a un rafraîchissement naturel sans le fonctionnement de la pompe à chaleur (« free cooling »). La production d’eau froide nécessaire au circuit de connexion chauffage et amenée du réseau anergie dont ladite température est inférieure en été à la température de l’air extérieure et ainsi permettre un transfert de la chaleur du réseau d’eau chaude bâtiment 4 au réseau anergie 2. Les deux vannes mélangeuses V1 , V2 via leur commande progressive piloté par un automate programmable vont ajuster le transfert thermique par l’entremise de l’échangeur de chaleur 14. Le fluide caloporteur du circuit de connexion basse température 18 couplé au réseau Anergie 2 est dévié, au moins en partie, par la vanne mélangeuse V2 à travers l’échangeur de chaleur 14, et le fluide caloporteur du circuit de connexion chauffage 20 est dévié, au moins en partie, par la vanne mélangeuse V1 à travers l’échangeur de chaleur 14. Le débit des deux fluides caloporteurs sont ajustés pour permettre d’obtenir la température de consigne souhaitée. Dans ce mode de fonctionnement, le circuit de connexion haute température 16 est à l’arrêt, et la pompe à chaleur 5 est à l’arrêt.

Faisant référence à la figure 3e, dans une cinquième mode de fonctionnement il y a la production de froid via le réseau de distribution d’énergie thermique haute température 3. Dans ce mode de fonctionnement, la production d’eau froide nécessaire au réseau d’eau chaude bâtiment 4 est produite, au moins en partie, par une source de froid venant du réseau de distribution d’énergie thermique haute température 3, non pas de la pompe à chaleur. Le transfert énergétique est réalisé par l’intermédiaire de l’échangeur de chaleur 14. Le transfert thermique peut être contrôlé par la modulation de vitesse de la pompe P2 de circulation du circuit d’eau de chauffage et/ou la modulation de vitesse de la pompe P5 (voir fig. 1) de circulation du fluide caloporteur du circuit HT 3. Dans ce mode de fonctionnement, le circuit ce connexion basse température 18 couplé au réseau Anergie 2 peut être à l’arrêt, et la pompe à chaleur 5 est à l’arrêt. Il est également possible, dans une variante, de faire fonctionner le circuit basse température 18 (comme pour le mode « free cooling ») en plus du réseau HT.

Faisant référence à la figure 3f, dans une sixième mode de fonctionnement il y a la production d’eau de chauffage et d’eau chaude sanitaire en utilisant le réseau de distribution d’énergie thermique haute température 3 en combinaison avec la pompe à chaleur 5, ce qui permet de produire plus de chaleur que la puissance nominale de la pompe à chaleur 5. Le fluide caloporteur du réseau de distribution d’énergie thermique haute température 3 est injecté dans le circuit évaporateur de la pompe à chaleur, ce qui permet d’augmenter l’énergie transféré du circuit évaporateur au circuit condenseur. Dans ce mode de fonctionnement, le circuit ce connexion basse température 18 couplé au réseau Anergie 2 est en marche.

Faisant référence à la figure 3g, dans une septième mode de fonctionnement il y a la production de d’eau de chauffage et d’eau chaude sanitaire en utilisant le réseau de distribution d’énergie thermique haute température 3 en combinaison avec la pompe à chaleur 5, dans lequel le gradient de température du fluide caloporteur provenant du réseau HT 3 est plus élevé que le gradient de température produit par la pompe à chaleur. Le transfert est fait via l’échangeur de chaleur 14 avec la modulation de la vanne mélangeuse V2. Avec cette combinaison il est possible de produire plus de chaleur que la puissance nominale de la pompe à chaleur 5.

Faisant référence à la figure 3h, dans une huitième mode de fonctionnement il y a la production de d’eau de chauffage et d’eau chaude sanitaire en utilisant le réseau de distribution d’énergie thermique haute température 3 en combinaison avec la pompe à chaleur 5 pour alimenter un autre bâtiment ou unité défectueuse (mode dite « maitre- esclave »). Dans ce mode de fonctionnement, une partie de l’énergie nécessaire au réseau HT 3 est produite par la pompe à chaleur 5, le gradient de température du fluide caloporteur provenant du réseau HT étant moins élevé que le gradient produit par la pompe à chaleur 5. Le transfert est fait via l’échangeur de chaleur 14 avec la modulation de la vanne mélangeuse V 2. Avec cette combinaison il est possible de produire de chaleur pour une unité qui est défectueuse par le biais du réseau HT.

Faisant référence à la figure 4 et 5a à 5c, un dispositif de branchement (piquage) 10 d’un circuit hydraulique, notamment du circuit hydraulique du réseau anergie 2, est illustré. Le dispositif de branchement permet de connecter le réseau anergie 2 à une unité d’interconnexion hydraulique 8 d’un bâtiment, notamment via l’échangeur de chaleur 7.

Le dispositif de branchement 10 comprend deux raccords de branchement trois voies 12 interconnectant un tube principal 24 à deux tubes de branchement 15a, 15b connectés hydrauliquement à l’échangeur de chaleur 7 couplé au circuit de connexion basse température 18 de l’unité d’interconnexion hydraulique 8.

Le raccord de branchement trois voies 12 comprend une partie de tube en ligne 12a et une partie de tube en angle 12b. La partie de tube en ligne 12a est montée en ligne avec le monotube 24 du réseau anergie 2, les emboitures aux extrémités de la partie de tube en ligne 12a ayant un diamètre nominal du tube 24 du réseau anergie.

La partie de tube en angle 12b peut avoir un diamètre plus petit que le monotube 12a et est orienté de tel façon que le sens du fluide caloporteur du réseau anergie 2 ait un angle de dérivation de sortie du tube 24, respectivement d’entrée dans le tube 24, entre 30 degrés et 60 degrés, de préférence environ 45 degrés.

L’angle de dérivation de la partie de tube en angle 12 permet de réduire la perte de charge sur le flux de liquide caloporteur du réseau anergie en réduisant la turbulence dans les flux linéaire et dérivés.

Un tube de liaison 17 entre les deux raccords de branchement trois voies 12 peut être de diamètre nominal identique au tube 24 réseau anergie avec une longueur minimal permettant une distance minimale entre les deux tubes sortant de branchement 15a, 15b afin de permettre de la pose des deux vannes d’arrêt Va, Vb, un sur chaque tube de branchement 15a, 15b.

Dans une variante, les deux raccords de branchement 12 et le tube de liaison 17 peuvent être formés d’une seule pièce. La partie de tube en angle 12b est connecté à l’un des tubes de branchement 15a, 15b via un tube de liaison coudé 13 qui permet de connecter le raccord aux tubes de branchement s’étendant orthogonalement par rapport au monotube 24 du réseau anergie 2.

Dans une variante, le raccord de branchement 12 et le tube de liaison coudé 13 peuvent être formés d’une seule pièce.

Dans une variante, l’ensemble formé par les deux raccords de branchement 12, le tube de liaison 17 et les tubes de liaison coudés 13 peut être en une seule pièce.

Le dispositif de branchement 10 permet avantageusement un piquage hydraulique du fluide caloporteur circulant dans le réseau anergie 2 selon les besoins en minimisant la perte de charge.

Faisant référence à la figure 5a, lorsqu’aucune demande d’énergie n’est demandée par une unité d’interconnexion hydraulique 8 d’un bâtiment, tout le flux caloporteur passe dans le tube principal 24 du réseau anergie 2 sans dérivation vers l’unité d’interconnexion hydraulique 8. De cette façon l’efficience est maximale car on n’utilise aucune consommation parasite pour alimenter un bâtiment qui ne demande pas d’énergie du réseau anergie 2. La pompe P4 sur le réseau anergie 4, qui peut par exemple être pilotée par un automate programmable via un variateur de fréquence, fonctionne à sa vitesse minimale avec une consommation électrique également minimale. La pompe P3 sur le circuit de branchement à travers l’échangeur de chaleur 7, qui peut par exemple aussi être pilotée par un automate programmable via un variateur de fréquence, ne fonctionne pas, et par conséquent a une consommation nulle. Les vannes d’entrée Va et de sortie Vb des tubes de branchement dans ce mode d’opération peuvent être fermées.

Faisant référence à la figure 5b, lorsqu’une demande d’énergie est demandée par une unité d’interconnexion hydraulique 8 d’un bâtiment, une fraction du flux caloporteur du réseau anergie 2 est dérivé dans les branchements 15a, 15b vers l’échangeur de chaleur 7 couplé au circuit de connexion basse température 18 de l’unité d’interconnexion hydraulique 8. Le flux caloporteur qui est dérivé est pompé par la pompe P3 sur le circuit de branchement de tel façon à obtenir la meilleure efficience possible sur la pompe à chaleur 5 du bâtiment concerné en évitant que le flux puisse ré-circuler du tube de branchement de sortie 15b via le tube de liaison 17 vers le tube de branchement d’entrée 15a. Faisant référence à la figure 5c, lorsque la demande énergétique par une ou plusieurs unités d’interconnexion hydraulique 8 d’un ou plusieurs bâtiments est faible, la pompe principale P4 du réseau anergie 2 peut être arrêtée et la pompe de circulation P3 sur le circuit de branchement est en fonction. Le flux du fluide caloporteur est dans ce cas faible et le transfert thermique peut se faire avec le flux ré-circulant du tube de branchement de sortie 15b via le tube de liaison 17 vers le tube de branchement d’entrée 15a. Dans ce cas de figure, l’efficience globale est élevée mais avec une puissance de transfert énergétique limitée, ce qui est souvent le cas en été par exemple.

Liste des références

Système de distribution d’énergie thermique 1

réseau de distribution (à distance) d’énergie thermique basse température 2 (réseau Anergie)

monotube 24

réseau de distribution d’énergie thermique haute température 3

(réseau HT)

tubes 26a, 26b

réseau d’eau chaude bâtiment 4

réseau de chauffage bâtiment 4a

réseau d’eau chaude sanitaire (réseau ECS) 4b

ballon ECS

pompe à chaleur 5

circuit évaporateur 5a

entrée 28a

sortie 28b

circuit condenseur 5b

entrée 30a

sortie 30b

système de Mesure, Contrôle, et Régulation (système MCR) 6

échangeur de chaleur 7

unité d’interconnexion hydraulique 8

échangeur de chaleur 14

circuit de connexion haute température 16

entrée 32a

sortie 32b

circuit de connexion basse température 18

pompe P1

entrée 34a

sortie 34b

circuit de connexion chauffage 20

pompe P2

entrée 36a

sortie 36b

dérivation échangeur de chaleur 38

circuit de connexion pompe à chaleur 22

circuit évaporateur 22a entrée 28a

sortie 28b

circuit condenseur 22b

entrée 30a sortie 30b

vannes mélangeuses V1, V2 circuit hydraulique 9

dispositif de branchement (piquage) 10

raccord de branchement trois voies 12 partie de tube en ligne 12a partie de tube en angle 12b tube de liaison coudé 13 tube de liaison 17

tube de branchement d’entrée 15a vanne d’entrée Va

tube de branchement de sortie 15b vanne de sortie Vb