Brevet FR2288278A1 — publié le 19760514

Le secteur technique de l'invention est celui du conditionnement de l'intérieur des batiments. Il est déjà connu d'utiliser, pour le traitement de ltatmosphbre intérieure des bGtients les plus divers, despompes de chaleur. Généralement les systèmes proposés ne sont valables que pour le chauffage ou que pour la réfrigération. Les systèmes mixtes sont généralement complexes et nécessitent de nombreuses manoeuvres de vannes en cas dtinversion., ctest-i-dire le passage du cycle de chauffage au cycle de réfrigération et réciproquement. Le but de la présente invention est principalement de simplifier de telles installations mixtes et leur manoeuvre. L'invention comprend à cet effet, un système à pompe de chaleur, comprenant un compresseur de fluide frigorigène, du genre de l'un de ceux qui sont connus sous le nou de Fréon-, associé à un évaporateur et un condenseur, respectivement source froide et source chaude et un réseau fluide caloporteur, en général de 1 t eau, caractérisé par le fait que ledit réseau comporte une pluralité de mailles, l'une, boucle courte chaude traversant ledit condenseur et un échangeur de chauffage, l'autre, boucle courte froide, traversant ledit évaporateur et un échangeur de refrigération, ces deux boucles courtes étant réunies en aval de leurs échangeurs et en amont par des liaisons, entre lesquelles s'étend une ligne sur laquelle est interposé un échangeur de récupération, des tiroirs à trois voies étant disposés aux Jonctions entre liaison amont et voies d'arrivée et de départ des boucles courtes respectivement avant et après ces tiroirs. Dans une forme exécution avantageuse, la commande de ces tiroirs est assurée, en cascade, à partir d'un régulateur thermométrique principal ayant son détecteur placé au contact de la boucle courte chaude, en amont de l'éehangeur chauffant correspondant. fl est également possible d'associer un régulateur d'énergie d'alimentation du compresseur, avec un détecteur au contact de la boucle courte de réfrigdration, en amont de l'échangeur réfrigérant. De mime, les échangeurs de boucles courtes peuvent Otre pourvus de by-pass commandés par vannes à deux voies et régulateurs thermostatiques. Le régulateur principal peut Outre à deux entrées, dont l'autre est sensible à la température extérieure. I1 y a avantage à prévoir sur les boucles courtes des pompes séparées dXimpulsion pour le fluide caloporteur, en amont des condenseur et évaporateur respectivement. Il y a également avantage à brancher en parallèle, dans la boucle courte de chauffage > en amont de l'échangeur correspondant, un générateur, accumulateur ou autre réserve d'eau, susceptible de recevoir en cas de besoin une énergie thermique d'appoint, De même, sur la ligne de récupération peut être branchée une source frigorifique d'appoint. De même, l'échangeur de récupération peut être parcouru par l'air extrait de l'immeuble en cause. Enfin, cet échangeur de récupération peut tre disposé, au moins pour partie, dans un fluide à haute capacité thermique et à température aussi constante que possible, comme l'eau d'une nappe phréatique. La description qui va suivre, en regard du dessin annexé à titre d'exemple non limitatif, permettra de bien compren- dre comment lXinvention peut autre mise en pratique. La figure unique représente un schéma d'une telle installation. Dans l'ensemble représenté, une installation de condi tionnement de locaux d'habitation comprend tout d'abord un circuit à pompe de chaleur comportant un compresseur Co entraîné par un moteur convenable, débitant par une tubulure 1 un fluide frigorigène et calorigbne, du genre connu-sous le nom de "Fréon" plus particulièrement dans un condenseur C, avec retour par une conduite 2 sur laquelle est interposé un détendeur D à un évaporateur E, duquel part une conduite 3 faisant retour à l'admission du compresseur Co. Un réseau de fluide caloporteur, le plus généralement de l'eau, en raison de son prix et de sa capacité calorifique, comprend une pompe à eau chaude Pc dont ltaspiration est reliée par une tubulure à un tiroir ou vanne 4 à trois voies 4a, 4b et 4c, plus spécialement à la voie 4a. Le refoulement de la pompe à eau chaude Pc est relié à une tubulure 5 qui alimente une série d'échangeurs, ou au moins un échangeur général ou batterie Bc chaude, au travers dtun autre échangeur contenu dans le condenseur C.A lXentrée de la batterie Bc est disposé un tiroir 6 à deux voies 6a et 6b dont la voie 6a commande l'entrée dans la batterie Bc et la voie 6b commande ltentrée d'une tubulure 7 de by-pass contournant ladite batterie et se raccordant à une tubulure 8 de sortie de batterie. Cette tubulure 8 se branche sur une tubulure 9 ae retour à la voie 4b du tiroir 4 pour retour à l'admission de pompe Pc. De même, du cté de l'évaporateur E, le réseau à fluide caloporteur comporte devant cet évaporateur E une pompe à eau glacée Pg qui est reliée par son refoulement à une tubulure 10 traversant l'échangeur intérieur à cet évaporateur puis aboutissant à un tiroir 11 à deux voies lia et llb; par la voie lla est alimentée une batterie EE froide. La voie llb est à l'entrée d t un by-pass 12 rejoignant la tubulure 13 de sortie de batterie BF.Cette tubulure 13 est branchée sur une tubulure 14 de retour à l'aspiration de la pompe Pg au travers d'un second tiroir à trois voies 15, par une voie 15b > puis une voie isba. La voie l5c est directement réunie par une tubulure 16 à la voie 4c du tiroir 4. Une tubulure 17 réunit directement les tubulures 8 et 13. Une tubulure 18 réunit les tubulures 16 et 17 et sur cette tubulure 18 est disposée une batterie de réchauffage ou de refroidissement LR. Cette batterie peut être disposée dans le courant d'air sortant, après utilisation à l'intérieur de l'iniiïeuble en cause. La régulation de cette ensemble est confiée à un régulateur thermique RT convenablement alimenté par raccordement sur une source de courant alternatif, offrant un detecteur dl au contact avec la tubulure 5 d'entrée à la batterie oe et dont la commande agit en cascade sur les tiroirs 4 et 15, c'est-à-dire provoque la manoeuvre d'un tiroir lorsque l'autre a achevé son mouvement. Un autre régulateur énergétique RE alimenté de même, possède un détecteur thermique q au contact de la tubulure 10 de sortie de la pompe à eau glacée Pg et agit sur l'alimentation du compresseur Co. I1 est possible de brancher en parallèle sur la tubulure 5 un dispositif auxiliaire qui peut être un échangeur A thermique alimenté par une énergie extérieure - combustible par exemple un accumulateur thermique ou les deux à la fois. De m8mesur la tubulure i8 peut être branché en dérivation un échangeur F à groupe frigorigène. Ces dérivations comportent des vannes d'isolement et une vanne d'interruption de la liaison directe. Le fonctionnement de cet ensemble est le suivant Le régulateur RTss réglé par exemple sur 50"C est destiné à agir sur les tiroirs 4 et 15 en vue de maintenir une température constante à la batterie BC. Ce régulateur peut être avantageusement à deux entrées, afin de définir, par préaffichage, une température de sortie d'eau de condenseur C qui soit fonction de la température extérieure à llimmeuble en cause. Le régulateur RE est dans la majorité des cas, formé par un thermostat à plusieurs étages dont le bulbe de mesure sur l1eau glacée de la tubulure 10 agit sur la puissance développée sur le compresseur Co. Des régulateurs thermostatiques sont associés aux deux tiroirs à deux entrées 6 et 11, régulateurs pouvant être intégrés auxdits tiroirs, pour maintenir constantes les températures régnant dans les batteries 30 et BF. Dans une phase correspondant aux besoins calorifiques maximals du système, la ou les batteries BC consomment des calories et la température de liteau dans le circuit de condenseur C a tendance à s'abaisser. Le régulateur RT met en positions les tiroirs 4 et 15 de telle sorte que - dans le tiroir 4, l'ouverture est réalisée entre les voies 4b et l'a, la voie 4c étant fermée - dans le tiroir 15, ltouverture est réalisée entre les voies 15c et 15a, la voie 15b étant fermée. L'eau chaude produite au condenseur C sous l'action du compresseur Co parcourt le circuit PC-+ C -EC - > voies 4b, 4a dans le tiroir 4 (la voie 4c étant obturée)- > retour à PC. L'eau glacée produite à ltévaporateur E parcourt le circuit Pg- > E- > BF- > BR- > voies 15c, 15a dans le tiroir 15 (la vote 15b étant obturée)- > retour à Pg. Les frigories consommées par la batteries BF et la batterie BR sont transférées par l'action du compresseur Co au condenseur C, augmentées du travail nécessaire à ce transfert. Remarque doit être faite qu'aulx très basses températures extérieures, si le bilan énergétique est tel que les calories engendrées dans ce système sont insuffisantes, on peut mettre en action le dispositif A qui peut être un échangeur recevant de léner1,e calorifique extérieure chauffe-eau à combustible ou accumu- lateur d'eau à énergie électrique de nuit, ou autre. On obvient ainsi le complément calorifique voulu dans de telles circonstances. I1 est à remarquer que la batterie BR, parcourue par l'air expulsé du bâtiment en cause, récupère ainsi par consommation des frigories dans le circuit d'eau glacée ainsi établi , une grande partie de chaleur, le système en cause n' ayant alors à fournir que la compensation des pertes, aux rendements près, inhérentes à l'édifice lui-même et à d'autres facteurs tels que diminution de fréquentation ou autres. Dans une autre phase correspondant à des besoins calorifiques réduits du système et ce, Jusqu'à l'approche de l'équilibre thermique moyen naturel de celui-ci, la consommation de frigories du circuit d'eau glacée est strictement adaptée aux besoins. En effet, la vanne thermostatique 11 module le taux de passage de cette eau dans la ou les batteries BF et le régulateur RE énergétique module l'action du compresseur Co. Dans une autre phase correspondant à des besoins calorifiques nuls du système et donc pour son point d'équilibre thari- que moyen naturel, le régulateur thermique RT fait bzscUkr le tiroir 15 pour fermer la yoie 15c et établir la communication directe 15b, 15a isolant ainsi la batterie BR, puisque le tiroir 4 n'a pas changé de position. L'eau chaude produite au condenseur C parcourt le circuit : PCC -iSC voies 4b, l'a (la voie 4c demeurant obturée)oeretour à PC. L'eau glacée produite à l'évaporateur E parcourt le circuit Pg- > E- > BF- > voies 15b (ouverte), voie 15a, retour à Pg. Le compresseur, tout en assurant les besoins éventuels de consommation de frigories des batteries froides BF - réglés par la vanne 11, est modulé à une puissance mécanique minimale par le régulateur énergétique RE. Dès que cet équilibre thermique moyen naturel du système est atteint, ceci correspond au fait qu'il est en léger excès de calories et il est alors possible d'absorber ces calories dans un chauffe-eau tel que A, qui au lieu de consommateur d'énergie externe devient producteur d'eau chaude, utilisable sur place pour les besoins sanitaires et autres. La dernière phase nvisager ici est celle des besoins frigorifiques du système. Dans cette phase, le régulateur thermique RT agit sur le tiroir 4 pour mettre en communication les voies 4a et 4c en fermant la voie 4b. Le tiroir 15 maintient établi le circuit court par la tubulure 14 (voie 15c obturée, voies l5b et 15a en communication) alors que le tiroir 4 établit le circuit long pour liteau chaude, la faisant ainsi passer par la batterie BR qui joue alors le role d'un aéro condenseur, évacuant l'excès de calories à l1extérieur, en rechauffant ainsi dès sa sortie l'air expul- sé de l'édifice où le système en cause est installé. I1 est à souligner que la batterie BR pourrait être agencée autrement que sur le parcours de l'air sortant de l'édifloe et qu'elle pourrait au moins partiellement être plongée dans un autre milieu, tel qu'une nappe phréatique à haute possibilité d'échange et à température quasiment constante, pour des raisons d'économie d'investissement notamment, mais alors à moindre rEeu- opération des calories ou frigories développées à l'intérieur du bâtiment. En conclusion, l'installation décrite comprend une boucle hydraulique unique, à configuration modulable, faisant nattre les avantages ci-après : - transfert permanent d'un lieu à un autre d'un édifice pourvu d'une telle installation des frigories ou calories consom- muées : des frig@ries consommées sur BF ou BR, par exemple, entratnent l'apparition d'un nombre sensiblement égal de calories à disposition sur BC, avec augmentation due à l'énergie mécanique nécessaire au transfert, d'où consomiation énergétique globale réduite:: - mise à disposition, été comme hiver (sans aucune discontinuité de demi-saison, due à une inversion de cycle, comme dans les installations traditionnelles) de toute la puissance potentielle calorifique ou frigorifique; - récupération totale Jusqu'd une température extérieure de +60C de toute l'énergie nécessaire au chauffage de l'air neuf alimentant l'édifice en cause; - récupérauon des calories de l'air extérieur introduit à titre d'air neuf nécessaire à combattre les déperditions pour toutes les températures extérieures supérieures à +6 C. Cette limite de +6 C est fixée par la nature du fluide caloporteur choisi dans le cas de cette valeur numérique comme étant de l'eau, pour éviter tout givrage et tout gel. - régulation simple, à l'aide du régulateur principal RT qui agit sur la circulation du fluide caloporteur en répartition dans les diverses mailles du réseau; avec adjonction supplémentaire éventuelle des régulateurs thermostatiques de batteries et régulateur d'énergie RE donnée au compresseur Co; - possibilité d'isoler eonplèterent des échangeurs de condenseur et d'évaporàtion la batterie de récupération BR surtout dans le cas d'utilisation d'une nappe phréatique, ce qui élimine des deux premiers échangeurs les risques d'encrassement; - réduction de la température de bulbe humide d'entrée d'air en tour de refroidissement. Cas dans lequel l'échangeur BR est ainsi utilisé - par envoi de l'air extrait du bAatinent sur cet échangeur de récupération en vue du refroidissement de l'eau du circuit traversant le condenseur C, en régime de fonctionnement "d'été"; - possibilité de foyrniture d'eau chaude par extraction des calories de 1 'ambiancé- intérieure au batiment, à usage sanitaire notamment, en régime d'été. Il-va de soi que, sans sortir du cadre de l'invention, il est possible d'apporter des modifications aux formes d'exécution qui viennent autre décrites. -REVEUDICATIONS- 1.- Système à pompe de chaleur comprenant un compresseur à fluide frigorigène associé à un évaporateur et un condenseur, respectivement source froide et source chaude dans un réseau à fluide caloporteur, caractérisé par le fait que ledit réseau comporte une pluralité de mailles, l'unes boucle courte chaude traversant ledit condenseur et un échangeur au moins de chauffage, l'autre,boucle courte froide, traversant ledit évaporateur et au moins un échangeur de réfrigération, ces deux boucles étant retirées, en aval de leurs échangeurs et en amont des condenseurs d'évaporateur par des liaisons, entre lesquelles s'tend une ligne de récupération sur laquelle est interposé un échangeur correspondant au moins, des tiroirs à trois voies étant placés entre liaison en amont du condenseur et de l'évaporateur et boucles courtes correspondantes. 2.- Système selon la revendication 1, cartérisé par le fait que la commande de ces tiroirs à trois voies est assurée, en cascade, par un régulateur principal dont l'élément détecteur thermométrique est placé sur la boucle courte chaude, en amont de 1 'échangeur chauffant correspondant. 3.- Système selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé par le fait qu'un régulateur d'énergie secondaire est pourvu d'un élément détecteur thermométrique placé sur la boucle courte froide, en amont de l'échangeur correspondant et dort ltéldment de conande dose l'énergie fournie audit compresseur. 4. - Système selon 1'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé payse fait que les échangeurs des boucles chaude et froide sont pourvus de by-pass à ouverture réglée par vannes à deux voies actionnées par régulateurs thermostatiques, sensibles aux températures d'entrez de fluide caloporteur dans lesdits échangeurs. 5.- Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que ledit régulateur principal est à deux entrées dont l'une est sur ladite boucle chaude et l'autre sensible à la température extérieure. 6.- Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que les boucles courtes comportent chacunSune pompe cixulatoire du fluide caloporteur correspondant, situées en amont des échangeurs respectifs. 7.- Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la boucle courte chaude con- porte, en amont de l'échangeur correspondant, un accuiulateur, un générateur, ou les deux à la lis, susceptible de recevoir un appointjd'énergie thermique extérieure. 8.- Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que la ligne de récupération traverse en outre un élément formant source frigorigène d'appoint. 9.- Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que l'échangeur de récupération est exposé à l'air extrait de l'i-euble. 10.- Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que ledit échangeur de récupération est exposé, au soins pour partie,à un fluide à haute capacité thermique de température annuelle sensiblement constante.