Brevet FR2282606A1 — publié le 19760319

La présente invention concerne des perfectionnements aux systèmes de chauffage et de refroidissement de locaux, plus particulièrement aux systèmes dont la source d'énergie principale est l'électricité. De tels systèmes associant la production calorifique et la production frigorif i- que ont déjà été développés sous des formes diverses de pompes de chaleur qui assurent le transfert de chaleur ou de froid d'un milieu vers un autre. Le milieu utilisé pour assurer le chauffage ou le refroidissement des locaux se voit transférer avec un certain coefficient (plus gsand que l'unité en chauffage et plus petit que l'unité en réfrigération) les calories ou frigories, prélevées dans un autre milieu. D'une façon générale, les appareillages précédemaent décrits, sont de deux types principaux. Ceux du premier type, utilisent un fluide intermédiaire entre le circuit frigorifique, qui constitue llélément de base de la pompe de chaleur, et l'air traité distribué dans les locaux Cette disposition présente les inconvénients inhérents à un agent intermédiaire : perte d'efflcacité due aux écarts cumulés des températures d'échange et, nécessité d'un pompage du fluide intermédiaire. Ceci se traduit en fait, par une perte d'énergie non négligeable et par un coût d'investissement. important. Ceux du deuxième type, réalisent des échanges directs entre le circuit frigofifique et l'air traité distribué dans les locaux ; le changement de fonctionnement entre le régime de chauffage et le régime de refroidissement s'effectue par une modification du circuit frigorifique. D'une manière générale, le condenseur et l'évaporateur voient leurs rôles inversés par un système de vannes qui sont la cause d'une diminution de la fiabilité des appareillages. Suivant l'invention, un système de chauffage et de refroidissement de locaux, utilisant un groupe frigorifique en pompe de chaleur, réalise l'extraction de calories d'un milieu, qui peut être l'air extrait rejeté à l'extérieur, par circulation du seul fluide frigorigène mis en mouvement par le compresseur frigorifique, lorsque l'air destiné aux locaux desservis nécessite seulement du chauf-- fage. Ce même système réalise également l'extraction des frigories d'un milieu, qui peut etre encore l'air extrait, rejeté è llextérieur, par circulation du seul fluide frigorigène mis en mouvement par le compresseur frigorifique lorsque l'air destiné aux locaux desservis nécessite seulement du refroidissement. Le passage de l'un à l'autre des modes de fonctionnement s'effectue sans aucune modification du circuit véhiculant le fluide frigorigène mis en mouvement par le compresseur frigorifique, seuls les circuits d'air sont sont modifiés par des systèmes simples et fiables constitués de simples registres. Suivant l'invention également, un dispositif de régulation automatique définit le mode de fonctionnement nécessaire et contrôle le fonctionnement du compresseoe frigorifique, donc l'énergie qu'il absorbe. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation donné à l'aide de la figure 1 et de la figure 2. Le compresseur frigorifique 1 refoule vers une batterie d'échange 2, le fluide frigorigène gazeux qui est véhiculé ensuite vers une autre batterie d'échange 3 ot s'échève sa condensation. Le fluide frigorigène liquide, alimente une batterie d'échange 4 ou il s'évapore et est aspiré par le compresseur frigorifique 1. Le circuit frigorifique comporte les auxiliaires habituels tels que vannes solenoides, détendeurs, etc ... , bien connus par les hommes de l'art. L'air à traiter destiné aux locaux, qui peut être constitué en totalité ou en partie seulement d'air pris à l'extérieur, passe sur un filtre à air 4 puis accède à un jeu de deux registres 5 et 6. L'air extrait des locaux, ou tout autre fluide convenable accède à-un jeu de registres 7 et 8. Le jeu de registrss 5 et 6 permet de diriger l'air à traiter vers la batterie d'échange 3 pour en assurer le réchauffage ou vers la batterie d'échange 4 pour en assurer le refroidissement ; il en est de mne de façon inverse, de l'air extrait par l'action des registres 7 et 8. Le jeu des registres 11 et 12 permet de ramener vers le ventilateur d'extraction l'air extrait suivant qu'il a été dirigé vers 3 ou 4. Le jeu des registres 9 et 10 permet d'orienter vers le ventilateur de soufflage 14 l'air à traiter, suivant qu'il vient de 4 ou de 3. Le ventilateur 14 pulse l'air destiné aux locaux à travers la batterie 2 ou une possibilité de chauffa- ge existe du fait du fluide frigorigène qui est refoulé dans la batterie d'Echarr ge 2 par le compresseur frigorifique. Le fonctionnement de cet appareillage s'analyse comme suit suivant les figures -1 et 2. L'air extrait des locaux est en général à une température voisine de 200 on hi- ver et de 250 par exemple en été. La figure 1 correspond à un fonctionnement de type "HIVER" où l'air arrivant au filtre 4 doit etre réchauffé avant son envoi dans les locaux. Par lteffet d'un détecteur de température extérieure, thermostat par exemple, les registres 5, 8, 9 et 12 sont ouverts et les registres 6, 7, 10 et 11 sont fermés. L'air extrait, réchauffé, traverse la batterie 4 où le fluide frigorigène le refroidit et transmet les calories ainsi extraites augmentées, sensiblement, de celles correspondant à l'énergie absorbée par le compresseur, aux batteries 3 et 2 où l'air destiné aux locaux peut se réchauffer à un stade primaire sur 3 et à un stade secondaire sur 2 avant son envoi dans les locaux. I1 est évident que le chauffage de l'air à traiter peut s'effectuer sur une seule batterie d'échange correspondant à 3 ou 2, un tel système restant couvert par l'invention. On note, en général, que le chauffage est souvent souhaité en deux stades comme indiqué à la figure 1, de façon à permettre, soit un contrôle primaire après la batterie 3, soit une humidification (non représentée) après la batterie 3, le chauffage final s'effectuant sur la batterie 2. La figure 1 représente un système de volets d'air, sur la batterie 3, bien connus dits Nde face et de by pass", qui placés sous le contrôle d'un sonde de température d'air, après la batterie 3 permet de doser la quantité d'air échappant à la batterie 3, de façon à en régler l'démission calorifique sans modifier le circuit du fluide frigorigène. D'une façon analogue, la figure I représente un passage d'air échappant à la batterie 2, ce qui permet d'obtenir à la sortie de l'appareillage, un circuit 15 d'air réchauffé et un circuit 16 d'air non réchauffe, parla batterie 2.Les deux circuits sont mélangés automatiquement par la commandeiregistres 17 et 18, de façon à obtenir, suivant le procédé double gaine" ou nmulti-zones", des circuits 19 d'air d'alimentation des locaux dont la température est pour chacun adaptée à ses besoins. Le fonctionnement automatique du groupe frigorifique , en hiver, est command pour obtenir simultanément les températures désirées à l'arrivée des registres 9 et dans le circuit 15 ; ces températures pouvant filtre fixes ou variables en fonction de certains critères tels par exemple que la température extérieure, l'heure, la température obtenue dans les différents locaux, etc Le contrôle de la température du circuit d'air 15 peut être réalisé par un système de registres de "Face et de by-pass" sur la batterie d'échange 2 comme figure et décrit pour la batterie d'échange 3. La puissance calorifique mise à la disposition des batteries 2 et 3 est, comme indiqué plus haut, fonction de la puissance du groupe frigorifique, elle elle limitée par la possibilité de refroidissement sur la batterie 4. Dans le but d'augmenter le refroidissement par la batterie 4, on peut titre amené à descendre au dessins de 0 C la température de l'air sortant de cette batterie. Suivant la teneur en humidité de cet air, la batterie 4 peut se couvrir d'une épaisseur de givre nuisant au-fonctionnement. Un dispositif, parmi d'autres bien connus des hommes de l'art, consiste, pour pallier cette difficulté, à procéder à un dégivrage périodique automatique de la batterie 4, par exemple par dégivrage par gaz chauds. De tels dispositifs permettent d'étendre tres sensiblement la puissance calorifique des batteries 2 et 3 pour des mimes caractéris- tiques de l'air à l'entrée de la batterie 4. Uh antre procédé, donné également à titre d'exemple, consiste, si l'on dispose d'une source chaude économique, à réchauffer l'air entrant à la batterie 4. Dans un certain nombre de cas, l'air à traiter se trouve être à une température inférieure à 00C à son arrive sur la batterie d'échange 3, ce qui crée des risques de gel dans les installations comportant des batteries de chauffe alimentées en eau. Un avantage supplémentaire du dispositif objet de l'invention réside dans le fait que le gel de la batterie 3 alimentée en fluide frigorigène est impossible. La figure 2 correspond à un fonctionnement de type "ETE" où l'air arrivant au filtre 4 doit être refroidi et éventuellement deshumidifié avant son envoi dans les locaux. Comme précédemment, un détecteur ouvre les registres 6, 7, 10 et 11 et ferme les registres 5, 8, 9 et 12. L'air extrait frais traverse la batterie 3 où le fluide frigorigène le réchauffe et transmet les frigories ainsi extraites diminuées, sensiblement, de l'équivalent des calories correspondant à l'énergie absorbée par le compresseur 1 à la batterie 4 ou l'air destiné aux locaux est refroidi et éventuellement deshumidifié avant son arrivée au ventilateur 14. Le fonctionnement automatique du groupe frigorifique en été, est commandé pour obtenir à la sortie de la batterie 4, de l'air à une température fixe ou variant en fonction de certains critères. La batterie 2 peut dans certains cas être laissée en service en "ETt' de façon à disposer encore de deux circuits 15 et 16 à températures différentes pour alimenter des locaux nécessitant des températures d1air traité différentes; la batterie 2 peut aussi être éliminée en "' par exemple, en fermant son accès à l'air par un registre. La batterie 3 peut etre arrosée en "ETC" pour offrir pour -une meme surface d'échange, une plus grande possibilité d'évacuation de calories. D'une façon générale, les descriptions précédentes font état d'un seul groupe frigorifique et d1un seul jeu de batteries de refroidissement et de réchauffage. Des appareillages restant dans le cadre de la présente invention peuvent comporter évidemment plusieurs groupes frigorifiques (unités à multi-compresseurs) et également plusieurs batteries de refroidissement et plusieurs groupes de batteries de réchauffage ; ces différentes possibilités pouvant ou non se cumuler. Les figures 1 et 2 font apparattre un élément 20, constitué par un échangeur supplémentaire placé au refoulement du circuit frigorifique et n'intéressant pas les circuits d'air. Cet appareil permet de réchauffer tout fluide et par exemple de l'eau ; il permet différentes possibilités. A titre d'exemple, alimenté en eau 20 peut permettre de réchauffer un circuit d'eau sanitaire ou de constituer une réserve d'eau chaude aidant au démarrage des installations lorsque l'air arrivant aux registres 7 et 8 ntest pas suffisamment chaud ; 20 peut également permettre de procéder à un stockage pour étaler les heures de forte demande de chaleur. Il faut noter que le réchauffage du fluide traversant l'appareil 20 peut être permanent ou limité automatiquement aux seules périodes où les batteries de chauffe n'absorbent pas toute la puissance calorifique que peut émettre le groupe frigorifique -1. L'échangeur 20 est représenté à la sortie du compresseur frigorifique ; cette disposition est d'un intérêt certain pour obtenir, par exemple dans le cas de réchauffage d'un circuit d'eau, la plus haute température possible sur le fluide traversant l'échangeur 20. L'échangeur 20 peut, toujours dans le cadre de l'invention, être placé entre les batteries 2 et 3 ou après la batterie 3. Cette dernière disposition sera adoptée par exemple pour compléter la condensation du fluide frigorigène Si les batteries 2 et 3 ne l'assurent pas en totalité. De la mime façon qu'un échangeur 20 peut être placé sur le refoulement du circuit frigorifique ; un échangeur,non representé, peut astre placé sur le circuit d'aspiration du circuit frigorifique pour assurer, de façon permanente ou non permanente, le refroidissement d'un fluide, tel que l'eau par exemple, devant assurer un service lié ou non à l'appareillage de refroidissement. L'eau refroidie par un tel échangeur peut alimenter soit une réfrigération d'eau de boisson, soit des conditionneurs comportant une batterie de refroidissement de l'air par l'eau froide ou tout autre équipement nécessitant une alimentation en eau froide, soit servir à constituer une réserve d'eau froide. Dans le cadre de l'économie d'exploitation, l'invention présente un intér8t tout particulier, car le fait de pouvoir constituer une réserve d'eau chaude peut permettre de ne pas consommer d'énergie électrique pour l'entratnement du compresseur frigorifique, ou de limiter cette demande d'énergie, aux heures dites "De pointe" où le coat de l'énergie électrique est particulièrement élevé : la réserve d'eau chaude étant utilisée durant ces heures "de pointent. Durant cette période, l'eau chaude stockée est mise en circulation par une pompe et apporte ses calories à l'air traité par l'intermédiaire d'une batterie de réchauffage placêede la meme façon que la batterie 3, ou d'une batterie de ré- chauffage placée de la meme façon que la batterie 2 ; étant bien entendu que les deux batteries peuvent exister. A ce moment l'énergie consommée est seulement celle nécessaire aux ventilateurs 13 et 14, à la pompe de circulation d'eau chaude et aux autres auxiliaires éventuels. Des économies d'exploitation peuvent etre réalisées dune façon analogue par la constitution et l'utilisation d'une réserve d'eau froide. Il est bien entendu évideent que l'invention couvre également les cas où la réserve de chaleur et, ou, la réserve de froid sont constituées par l'intermé- diaire d'un fluide caloporteur différent de lteau,par exemple saumure, solution d'eau glycolée, etc ... Le fait de disposer d'un fluide chaud et, ou, froid comme indiqué ci-dessus, permet d'alimenter des surfaces d'échange, par exemples des batteries secondaires, réparties dans un bâtiment et procure une souplesse d'installation fort intéressante. R E V E N D I C A T I O N S I - Système de chauffage et de refroidissement de locaux, fonctionnant avec une source d'énergie electrique, comprenant un groupe frigorifique fonctionnant en pompe de chaleur et des batteries d'échange sur lesquelles s'effectue le chauffage et le refroidissement, caractérise par le fait qu'il réalise l'extraction des calories et des frigories de l'air extrait avant son rejet à par circulation du fluide frigorigène mis en mouvement par le groupe frigorifique, les calories ou frigories extraites de la sorte entant transferees directement par le fluide frigorigène, qui circule toujours de la même façon, à l'air introduit dans les locaux. 2 - Système de chauffage et de refroidissement suivant la revendication I cidessus, caractérisé par le fait que le chauffage de l'air s'effectue en deux paliers par passages successifs sur deux surfaces d'échange. 3 - Système de chauffage et de refroidissement suivant l'une quelconque des revendications I et 2 ci-dessus caracterise par le fait qu'il comporte un échan- geur supplémentaire, sur le circuit de refoulement du compresseur frigorifique, permettant d'assurer le réchauffage d'eau sanitaire ou le chauffage d'une réser- ve de calories. 4 - Système de chauffage et de refroidissement suivant llune quelconque des revendications I à 3 ci-dessus, caracterise par le fait qu'il comporte un echan- geur supplementaire sur le circuit d'aspiration du compresseur frigorifique permettant d'assurer le refroidissement d'un fluide independant de l'air extrait et de l,air d'alimentation des locaux. 5 - Système de chauffage et de refroidissement suivant l'une quelconque des revendications I à 4 ci-dessus, caracterise par le fait que le fonctionnement du compresseur frigorifique est contrôlé par un équipement de régulation automati- que. 6 - Système de chauffage et de refroidissement suivant l'une quelconque des revendications I à 5 ci-dessus, caractérisé par le fait que la quantité de calories extraites de l'air extrait avant son rejet à ltesterieur est augmente par l'utilisation d'un équipement de dégivrage automatique de la batterie échange de reeuperation de calories. 7 - Système de chauffage et de refroidissement suivant l'une quelconque des revendications 4, 5 ou 6 ci-dessus, caracterise par le fait qu'une réserve de chaleur et, ou, de froid permet de réduire la consommation d'énergie pendant les heures où le cott de celle-ci est eleve.