Brevet FR2339813A1 — publié le 19770826

La présente invention a trait à un système de production de chaleur utilisant dans le cas de solution dite "tout électrique" le principe de la "pompe à chaleur". Le système décrit ci-après a été conçu à partir d'éléments de matériels existants (et ayant été installée auparavant mais soit séparement, soit réunis de manière traditionnelle.)Ces différents éléments ont été combinés de façon à aboutir à une solution telle que la production de chaleur puisse titre éffectuée-(en marche normale) à l'aide de groupes frigorifiques, sans recours à l'utilisa- tion directe par effet Joule de l'électricité. I1 est bien connu, que dans les schémas existants mettant en oeuvre le principe de la pompe à chaleur, la principale contrainte est celle de devoir consommer ou éliminer les frigories fournies par les groupes frigorifiques parallèlement à leur production de chaleur au niveau des condenseurs. En hiver, il arrive fréquemment que la consommation frigorifique soit insuffisante par rapport à la demande de chaud, malgré le recours dans certains cas à l'utilisation de batteries froides placées dans des conduits d'extraction d'air.Dans ces conditipns les groupes frigorifiques ne peuvent assurer la totalité de la productoe de cnaleur requise pour les besoins du chauffage et il est pratiquement toujours nécessaire de faire appel à l'utilisation directe de l'électricité au moyen de résistances ou de chaudières électri ques.Âfin de diminuer le montant de la prime d'abonnement annuelle E.D.F. et également de limiter les consommations, les différents concepteurs (Ingénieurs conseils, Bureaux d'Engeenering, Installateurs)ont, jusqu'à présent et à notre connaissance, orienté leurs efforts dans l'élaboration de divers systèmes et notamment sur le stockage de chaleur au moyen de ballons d'eau chaude; cette réserve étant utilisée afin de limiter les appels de courant électrique, principalement aut heures de "pointe". (ce stockage ayant été pro- duit et accumulé pendant les heures "creuses" de nuit).Il n'emp & che que ces procédés(a moins d'admettre la possibilité d'une accumulation couvrant également les consommations durant les heures "pleines", ce qui statère dans la pratique, rarement réalisable) laissent donc subsister une amande importante pendant les heures "pleinesn avec pour corrélation les inconvénients cités précédemment à propos de la prime d'abonnement et de l'exploitation. Ltintérêt principal de la présente invention réside dans le fait que ces inconvénients se trouvent éliminés grace à la combinaison spéciale de différent appareillages ou circuits frigorifiques et hydrauliques, d'où une économie importante en exploitation à la fois sur le plan des frais fixes et celui des consommations. Le présent système implique l'utilisation, en parallèle, de plusieurs ensembles frig rifiques (au minimum deux) constitués de façon identique et comprenant dans le sens de circulation du fluide frigorigène(cf. planche 1.5) - I moto compresseur frigorifique (à pistons, ou à "vis", ou centri fuge)I - I condenseur à eau 2 - I échangeur fluide frigorigene/air 3, celui-ci pouvant être uti lisé (suivant la saison) soit en tant que condenseur à air auxi liaire; soit seul à la place du condenseur à eau; soit comme éva- porateur. - I évaporateurlrefroidisseur d'eau .4 - I ensemble d'accessoires usuels tels que :séparateur d'huile 5, sous-refroidisseur 6, bouteilles, vannes solénoides, détendeurs... - I réseau de canalisatiorsErigorifiqu raccordant les divers éléments ci-dessus. Chaque ensemble est complété par les pompes de circulation d'eau glacée et d'eau de condenseur ainsi que par les réseaux hydrauliques et vannes motorisées d'isolement correspondants.(cf.planche I.5 et II.5) Les ensembles sont raccordés hydrauliquement en parallèle: 1) Côté évaporateurs - sur deux collecteurs de départ et retour eau glacée, bouclés par l'intermédiaire d'une bouteille d'équilibre et d'échange. 2) Côté condenseurs à eau a) régime "chauffage" - sur deux collecteurs de départ et retour eau chaude, bouclés également par l'intermédiaire d'une bouteille. b) régime "évacuation de :i;rigories" (HIVER) - sur deux collecteurs de départ et retour eau condenseur,bouclés sur une bouteille 7, pouvant elle-même, Stre mise en serie sur le circuit général eau glacée par l'intermédiaire d'une vanne moto risée 3 voies8. La circulation de l'eau glacée et de l'eau chaude vers les points d'utilisation est assurée par deux series de pompes installées respectivement en aval des bouteilles d'équilibre "chaud" et "froid". PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU SYSTèME. Le principe général de fonctionnement du système consiste en l'utilisation d'un ou de plusieurs ensembles fonctionnant en hiver, enflpompeaà chaleur" sur l'eau pour la production de calories; la ou les autres machines disponibles étant utilisées en pompe à chaleur air/eau, les calories récupérées étant ensuite transférées sur le circuit général d'eau glacée afin de compenser tout ou partie de la production de frigories résultant du fonctionnement en générateur de chaleur des premiers ensembles. Une des particularités du système baside dans le fait que-chaque ensemble, étant constitué de façon identique, peut fonctionner indifféremment et alternativement en générateur de chaleur ou en "consommateur/évacuateur de frigories", en fonction du programme de marche souhaité. DESCRIPTION DU FONCTIONNEMEN? ANNUEL TYPE REGIMS ETE.(cf, PL 1.5 et PL III 5) Le régime dit "été" est caractérisé par le fait que la demande de "froid" est maximum alors que la demande de "chaud" est minimum ou nulle. La totalité des machines frigorifiques se trouvent alors en état de fonctionnement "été"; d'est-à-dire que le démarrage et la montée en puissance des différents compresseurs, sont asservis par l'intermédiaire d'un régulateur R1 i une sonde controlant une température de départ d'eau glacée. Le cycle frigorifique s'éftectue de la manière suivante: Une fois comprimé par le compresseur, le fluide frigorigène sous forme de gaz H.P. transite au travers du condenseur à eau où il peut abandonner une partie des calories (si il y a demande de chaud à l'utilisation) et ensuite est dirigé sur l'échangeur fluide frigorigène/air qui assure alors le rôle de condenseur à air et termine la condensation. Venant de 11 échangeur fluide frigo/air, le liquide SP est dirigé -vers l1évaporateur/refroidisseur où il soutire à l'eau glacée, les calories nécessaires à sa vaporisation; à la sortie de l'évaporateur, le fluide frigorifique sous forme de gaz B.P. est aspiré par le compresseur et le cycle recommence. Pendant cette Période, la température de l'eau chaude produite éventuellement par le con denseur à eau est controlée par une sonde de départ agissant sur une vanne motorisée à 3 voies V 5.D'autre part les vannes motorisées 2 voies V 5 et V t sont en position de fermeture alors que les vannes V1 et V2 sont ouvertes, laissant la possibilité d'une libre circu lation d'eau (en cas de besoins de chauffage) vers la bouteille d' équilibre et d'échange "chaud". En ce qui concerne les circuits fri gorifiques, les vannes motorisées 2 voies VS 1, VS 3 et VS 6 sont ouvertes, les vannes VS 2, VS 4 et VS 5 étant fermées. REGIMBE DEMI-SAISON (cf. PL IV5) Pendant cette période, les besoins frigorifiques diminuent alors que la demande en "chaud" va en augmentant. Le principe de fonctionnement est identique à celui d'été. Seul le nombre d'ensemble en fonctionnement est susceptible de diminuer. En outre les condenseurs eau des différent os machines sont davantage sollicités. RESUME HIVER (cf. PL 1.5 et Pli V.5 ) L'époque où le régime "hiver" et atteint, est définie comme cel De où la demande de chauffage égale puis dépasse la production calorifique découlant de la demande de froid. A ce moment là, la température de départ d'eau chaude aura tendance à baisser et le régalateur R 3 piloté par la sonde de départ d'eau chaude, provo quera le démarrage dlune machine à I'arrêt A, non sans avoir aupara vant commandé, par l'intermédiaire de relais, l'ouverture de la vanne VS 5; la vanne VS6 étant maintenue ouverte et les vannes VS1, VS2,V53 et VS4 étant impérativement refermées.Les vannes du circuit hydraulique V1 à V4 demeurant dans l'état d'ouverture ou de ferme ture du régime "été".La production de froid de cette machine provoquera l'abaissement de le température de départ d'eau glacée générale au dessous du point de consigne de la sonde pilotant le régulateur R1, ce qui aura pour effet de réduire la puissance et bientôt de stopper la ou les machines demeurées en fonctionnement "été". Siinltanément et compte tenu de la disparition correspondante de la production de chaleur de ces machines, le régulateur R3 pro voquera le démarrage d'une autre machine ss suivant le même régime de fonctionnement que celui de la machine Â.Parallèlèment, si la demande de froid est inférieure à la production frigorifique des machines A et B, la température de départ d'eau glacée aura tendance à s'abaisser progressivement , jusqu'à descendre au dessous du point de consigne d'une sonde de température limite basse, cette sonde pilotera un régulateur R2, qui agira dtune part sur l'ouverture de de la vanne motorisée 3 voies 8 et d'autre part, sur la commande de démarrage et la montée en puissance d'un autre ensemble C. Avant démarrage de cette machine les opérations préliminaires suivantes auront été éffectuées par l'intermédiaire de relais: - ouverture des vannes VS2,VS4 et VS5, - fermeture des vannes VS1, VS3 et VS6. Sur le circuit hydraulique "condenseur d'eau", - ouverture des vannes V3 et V4, - fermeture des vannes V1 et V2. La production de calories de l'ensemble C, au niveau du conden seur sera utilisée, par l'intermédiaire de la bouteille 7 et de la vanne motorisée 8, pour compenser l'absence ou ltinsuffisanee de consommation de la production frigorifique développée par les ensembles À et B.Si le compresseur de l'ensemble C atteint son régime de pleine puissance et que la sonde du régulateur R2 détecte un nouvel abaissement de la température de départ eau glacée, le régulateur commandera le démarrage d'un autre ensemble D suivant le même principe de fonctionnement que celui de l'ensemble a. TEKERÀTEHRS FLUIDE FRIGORIGENE ET CIRCUITS HYDRAULlOUES Dans le domaine du chauffage/conditionnement d'air,pourront etB adoptées par exemple, les températures de fonctionnement suivantes: I) Régime été et demi-saison (toutes machines:A,B,C,D) - Température condensation fluide frigorigène +42 à 45oC - Température évaporation fluide frigorigène + 2 à 3 C - Température d'eau sortie condenseur (encas de besoins de chauffage) +38 à 40 C - Température d'eau sortie évaporateur + 5 à +6QC 2) Régime Hiver ( pour T2 air extérieur:: -7QCpar exemple) - Ensembles fonctionnant en générateur de chaleur (A,B) - Température condensation fluide frigorigène +45 à 50eC - Température évaporation fluide frigorigène + 3 à + 42C - Température d'eau sortie condenseur (pour besoins de chauffage ) +40 à +45nu - Température dteau sortie évaporateur + 6 à + 72C Ensembles fonctionnant en "consommateur de froid" (C,D) - Température condensation fluide frigorigène +20 à +25OC - Température évaporation fluide frigorigène -I5 à -I2QC - Température d'eau sortie condenseur +15 à +20oc BCCESSOIRS PRIGORIFIQUE DE MARCHE ET DE SE CURI TE Chaque ensemble est doté: - d'une première serie de préssostats HP,BP et détendeurs réglés aux conditions de fonctionnement été. - d'une deuxième serie d'appareils réglés aux conditions neces saires pour la marche en hiver des ensembles fonctionnant en "consommateurs de froid". LIMITES D'APPLICATION DU SYSTEME L'emploi au rendement maximum du présent système implique qu'il soit utilisé pour la production frigorifique et calorifique d'insta Rations dont les besoins calorifiques d'été soient nettement supérieurs aux besoins calorifiques d'hiver de façon à pouvoir disposer (sans investissements supplémentaires qui devront être amortissables) d'un nombre suffisant d'ensembles . Cette condition doit être remplie pour permettre le fonctionnement du système, tel que décrit précédemment. REVENDICÀTIONS 1.Système permettant d'assurer une production calorifique par "pom pe à chaleur" au moyen d'un groupe d'ensembles frigorifiques en dépit de l'insuffisance ou de l'absence de besoins ou de consom mations artificielles d'eau glacée,caractérié par le fait que le procédé consiste à utiliser en hiver, un ou plusieurs ensembles frigorifiques assurant la production de calories nécessaires pour les besoins du chauffage par fonctionnement en pompe à chaleur eau/eau; le ou les autres ensembles disponibles sont utilisés en pompes à chaleur air extérieur/eau, les calories récupérées sur l'air extérieur grace à leurs échangeurs fluide frigorigène/air étant transférées par l'intermédiaire des condenseurs à eau(après amplification de au travail des compresseurs) sur la boucle géng rale d'eau glacée de façon à compenser tout ou partie de la pro- duction de frigories résultant du fonctionnement du ou des pre miers ensembles en producteurs de chaleur. 2.Système selon la revendication 1 caractérisé par le fait que cha que ensemble comporte dans son circuit frigorifique (outre le com presseur, le condenseur à eau, et ltévaporateur/reSroidisseur d'eau) un échangeur fluide frigorigène/air pouvant fonctionner, suivant la saison et les régimes de marche du groupe d'ensembles soit en tant que condenseur à air principal ou auxiliaire, soit en tant qu'évaporateur, soit être mis hors service. 3.système selon la revendication 2 caractérisé par le fait que le passage automatique d'un régime de marche à 11 autre est assuré au moyen d'un ensemble de régulation constitué par: (outre les régu lateurs de départ d'eau glande et eau chaude condenseur) un troi sième régulateur commandant, si nécessaire, c'est-à-dire en cas de baisse de la température de départ d'eau glacée au-dessous dhn certain seuil pré-établi, le démarrage et la montée en puissance des compresseurs d'un ou plusieurs ensembles fonctionnant en régi me "consommation/évacuation des frigories; leurs échangeurs fluide frigorigène/air assurant alors les fonctions d'évaporateurs. 4.Système selon la revendication 3 caractérisé par le fait que le transfert des calories produites au niveau des condenseurs par ceux des ensembles fonctionnant en "consommateurs de frigories", est effectué sur le collecteur général de retour d'eau glacée au moyen d'une bouteille d'échange elle-meme reliée au dit collecteur par deux tuyauteries aller et retour et une vanne 3 voies.