Brevet FR2366527A1 — publié le 19780428

La présente invention est relative à une installation thermique comportant mne pompe à chaleur. Elle concerne plus particulièrment un système dont l'une des sources de chaleur est constituée par le sol. On sait qu'une pompe a chaleur comprend un circuit fermé à l'inté- rieur duquel circule un fluide susceptible de passer de l'état gazeux à l'état liquide au cours d'un cycle. Le long du circuit fermé, on intercale t - un compresseur ; - au meins deux échangeurs thermiques à savoir un condenseur par lequel le fluide se refroidit en cédant de la chaleur et un évaporateur dans lequel le fluide se réchauffe en absorbant de la chaleur 3 - un moyen de détente disposé entre les deux échangeurs, pour faire passer le fluide de ltétat liquide à l'état gazeux ou inversement. On sait que le but d'une pompe à chaleur est de transporter des calories entre une source chaude et une source froide, chacune de ces sources étant en échange thermique avec itun des échangeurs ae la pompe. Dans la demande de brevet français n 73 25 143 du 4 juillet 1975 et dans la demande de premier certifioat d'addition n 74 11 887 du 28 mars 1947, demandes déposées aux noms des présents demandeurs pour "procédé et dispositif pour la climatisation thermique dtun local, dune cuve OU analogue', il est décrit un dispositif dans lequel la source froide est constituée par l'écorce terrestre. Pour chauffer un local, (source chau- de) on prélève les calories dans un trou foré dans le s@l. Pour éviter le givrage par refroidissement local du trou, on met en oeuvre un système auxiliaire constitué par une deuxième pompe à chaleur comprenant un fluide circulant également en circuit fermé.Un inconvénient de ce dispositif réside dans le fait qu'il exige au moins deux pompes à chaleur complètes, et notamment deux compresseurs. En particulier, dans le système connu, le ou les compresseurs auxiliaires ne fonctionnent que par à-coups. De même, le compresseur de la pompe principale est soumis à des arrêts et des démarrages fréquents. La présente invention a pour but de perfectionner une installation thermique comportant une pompe à chaleur tout en améliorant son rendement et en réduisant le prix de revient du dispositif de dégivrages Une installation de climatisation selon l'invention comprend au moins deux sources de chaleur, l'une au moins étant constituée par l'écorce terrestre, tandis qu'une pom@e à chaleur constituée par un circuit fermé est disposée entre une source chaude et une source froide et fonctionne entre des éohangeurs de chaleur, et elle est caractérisée en ce que elle comporte an seul compresseur monté sur le circuit fermé de la pompe à chaleur, des circuits auxiliaires de liquide étant disposes chacun entre l'une des @@urces de chaleur et l'un des échangeurs intercalés sur le circuit fermé, si bien que les échanges thermiques se font par l'intermédiaire dtun fluide qui circule à travers le compresseur unique. Suivant une autre caractéristique, l'installation comporte deux trous fords dans le sol et remplis d'un liquide antigel, chacun de ces trous étant reliésà un échangeur du circuit de la pompe par au moins un circuit de liquide muni d'une pompe de circulation et de clapets antiretour. Suivant une autre caractéristique, ltinstailation fonctionne pour le chauffage d'une cuve reliée,par une canalisation munie d'une pompe de circulation de liquide, à un échangeur condenseur de la pompe à chaleur qui, par l'intermédiaire d'un échangeur évaporateur, prélève les calories d'un premier trou tord dans le sol. Suivant une autre caractéristique, un deuxième trou foré dans le sol est, comme le premier forage, rempli d'un liquide antigel et relit à l'évaporateur de la pOmpe à chaleur par une canalisation munie dune pompe de circulation. Ce second forage constitue une source de chaleur auxiliaire utilisée lorsque l'installation fonctionne en dégivrage de la façon suivante s - les circuits de liquide reliant l'évaporateur au premier forage et le condenseur à la cuve à climatiser sont coupés 3 - on met en marche les pompes intercalées sur le circuit de liquide reliant le puits de dégivrage à l'évaporateux d*une part, et le condenseur au puits à dégivrer d'autre part 3 - l'échange thermique se fait par l'évaporateur, le compresseur et le condenseur de la pompe à chaleur, les calories prélevées dans le puits de dégivrage étant injectées dans le forage principal. Suivant une autre caractéristique,de l'invention, on monte, sur le refoulement du compresseur, un petit condenseur placé en amont du condenseur principal, ce petit condenseur permettant dtobtenir de l > eau chaude sanitaire à haute température à la sortie du compresseur. Suivant une autre caractéristique, pour éviter de remplir de liquide antigel toute la cuve de l'installation, le condenseur principal de la pompe à chaleur est cloisonné, l'échange thermique se faisant à travers cette cloisons alors que les liquides d1 antigel (eau glycolVe) circulant dans les trous forés dans le sol et dans le circuit fermé de la pompe à chaleur ne se mélangent pas avec le liquide non glycolé remplissant la capacité du volant thermique de la @uve. Ce volant thermique est par exemple constitué par une batterie de radiateurs lorsqu'il s'agit de chauffer un local d'habitation. Suivant ne autre caractéristique, un récupérateur calorifique est inséré sur le circuit du puits de dégivrage. Ce récupérateur est disposé entre la pompe de eirculation et l'évaperateur de la pompe de chaleur. Il est monté on parallèle sur une canalisation directe, ce qui permet de le courtecireuiter dans le cas et sa température serait inférieure à celle du liquide contenu dans le puits de dégivrage. Suivant une auter earactéristique, les clapets anti-retour montés sur les canalisations de liquide assurent une fermeture statique, auto matique ou commandée des circuits hydrauliques. On peut noter immédiatement quelques avantages de ce dispesitif à un seul compresseur t - le rendement du cycle de dégivrage est élevé, étant donné que la température de l'évaporateur et la température du condenseur de la pompe s.nt v@isines 3 - le dispositif ne comporte aucune commutation hydrauliqu@ (robinet à trois ou quatre voies) 3 - après un cycle de dégivrage, la pompe a un rendement amélieré, car la température de la source froide (trou foré dans le sol) a augmenté;; - le @ompresseur fonctionne en permanente, si bien quton réduit le risque de panne dû aur fréquents arrêts et démarrages des cempresseurs dans une installation à compresseur multiple. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, permettra de mieux comprendre les caractéristiques de l'invention. Fig. l est me vu schématique d@une installation de chauffage selon l'invention. Fig. 2 mentre d@installation au cours dtun cycle de dégivrage. Fig. 3 illustre un cycle de chauffage après dégivrage. Fig. 4 illustre une variante dans laquelle la pompe à chaleur est équipée d'un second condenseur relié à un circuit d'eau sanitaire. Fig. 9 est une variante de la fig. 4, oh le condenseur principal est cloisonné. Fig. 6 illustre une autre variante où le dispositif de dégivrage est équipé d'un ré@upérateur calorifique. Fig. 7 montre une construction simplifiée du dispositif dé dégivrago de la fig. 6. Fig. 8 est une tue analogue b la fig. 6 et montrant un dispositif amélioré permettant la récupération directe de toutes les calories disponibles. L'installation de chauffage illustrée sur la fig. 1 comprend une pompe à chaleur constituant un circuit fermé dans lequel circule un fluide. La nature de ce fluide est choisie de façon qu'il puisse se présenter soit à l'état gazeux soit à l'état liquide le long du circuit. De façon connue, le circuit fermé comprend s - un un compresseur 1 avec une entrée 2 et un refoulement 3 pour un fluide gazeux ; - un échangeur condenseur 4 3 - une canalisation de retour 5 et une vanne de détente 6 3 o un échangeur évaporateur 7 ; - des canalisations 8 et 9 disposées entre le compresseur et les deux échangeurs thermiques. Dans les échangeurs 4 et 7, le fluide circulant à l'intérieur de e. cirduit fermé est en échange thermique avec des liquides qui cir@ulent à travers les sources de chaleur de l'installation. Sur un circuit 11, disposé entre le condenseur 4 et une @uve 12 à chauffer, on monte une pompe de circulation 13, taudis que des elapets de non-retour 14 et 15 sont intercalés sur chacune des canalisations 11a et 11b reliant le condenseur 4 à à la cuve 12. Les six autres circuits de liquide sont équipés de façon semblable ils sone disposés de la façon suivante s - le circuit 16 relie un trou 20 foré dans le sel 21 au condenseur 4 ; - le circuit 17 est positionné entre le forage 20 et l'échangeur évaporateur 7 3 le le circuit 18 est disposd entre un second puits 22 ou puits de dégivrage et l'échangeur évaporateur 7. Chacun les cirouits comporte des canalisations munies de clapets de non-retour et d'une pompe de circulation (fig. 1). le circuit fermé de la pompe à chaleur contient un fluide tel qu'un fréon. On sait que le compresseur 1 refoule, dans le condenseur 4 un fluide gazeux, comprimé et à haute température. L'échange thermique dans le condenseur refroidit ce fluide qui se condense au moins partiellement avant entre évacué par la canalisation de retour 5. Â la sortie du sys- tème de détente 6, ce fluide est liquide et à basse température (moins 20 C par exemple). Il pénètre alors dans ltévaporateur 7 où il se gazéi- fi@. Après échange thermique avec l'un des liquides issus des forage. 20 ou 22 il sort, à une température sensiblement constante, pour être renvoyé par la canalisation 9 à l'entrée 2 du compresseur 1. On remarque que les échanges thermiques dans le condenseur 4 (ou 1. évaporateur 7) sont réalisés par cession (ou absorption) de calories du fluide de la pompe à chaleur à l'un ou 11 autre des liquides des circuits Il ou 16 (dans le condenseur 4) et 17 oa 18 (dans l'évaporateur 7). Sur la fig. 1, on a schématisé, à l'intérieur des échangeurs de chaleur 4 et 7, des canalisations par des serpentins 24, 24, 25, 26 27 et 28. Lorsque l'appareil fonctionne en chauffage, les pompes 19 et 13 tournent. Dans le condensenr 42 le serpentin 24 chauffe le liquide cir- culant dans le serpentin 25. Dans l'évaporateur 7, le serpentin 24a prélève les calories appertées du forage 20 par le fluide circulant dans le serpentin 27. Au cours de cette opération, les pompes 23 et 29 du circuit de dégivrage sont arrêtées (fig. 1 et 3). Le liquide antigel 30 contenu dans le forage 20 est à l'origine par exemple à une température de 150. Au fur et à mesure que les calories fournies par le sol sont évacuées par échange thermique entre les serpen- tins 24a et 27, la température du forage 20 diminue. Les calories four- nies par le sol 21 sont transmises par la -pompe à chaleur et le comprevo seur 1 au serpentin 24 du condenseur 4 qui ohauffe l'eau de la cuve 12. Lorsque la température da sel au voisinage du forage 20 s*abaisse trop, on a un risque de givre et de toute fanon une diminution du rendement thermique de la pompe. On arrtte alors les pompes 13 et 19 et on met en route les pompes 23 et 29 qui constituent le circuit de dégivrage. Au cours de ce cycle, la circulation des fluides est représentée sur la fig. 2. Le puits auxiliaire 22 est rempli d'un liquide antigel 31 qui circule dans le serpentin 28 lorsque la pompe 29 tourne. Le coppresseur 1 conti- nae à fonctionner et le fluide réfrigérant circule dans le serpentin 24a à basse température. Ltéchange thermique dans l'évaporateur apporte des calories à la pompe à chaleur. Ces calories se retrouvent dans le serpentin 24 du condenseur 4. Elles sont cédées au serpentin 26 du circuit 16 dont -la pompe 23 fonctionne. Le liquide (antigel) circulant dans les canalisations 16a et 16b véhicule ces calories jusqu'au forage 20 qui est ainsi réchauffé et dégivré (fig. 2). Par ailleurs, si les pompes 19 et 13 sont indépendantes, on peut utiliser directement le puits 22 pour chauffer la cuve 12 en même temps qu'on dégivre le puits 20. I1 suffit pour cela de faire fonctionner la pompe 13, la pompe l9 étant arrêtée pour interdire tout prélèvement de calories à travers le circuit 17 et l'évaporateur 7. On peut ainsi descendre la température du liquide antigel du puits de dégivrage 22 jusqu'à moins 10 C. On voit que le cycle de chauffage de-la cuve 12 et le cycle de dégi- vrage du forage 20 sont réalisés par des échanges thermiques, par le con- denseur 4 et l'évaporateur 7 d'une pompe à chaleur unique,entre un fluide intermédiaire et le fluide calo-porteur circulant dans le circuit fermé sous lteffet du fonctionnement permanent du compresseur unique 1. Ainsi9 on assure à la fois le chauffage et le dégivrage à laide d'un seul compresseur fonctionnant entre deux échangeurs thermiques qui sont reliés aux sources de chaleur 12, 20 et 22 par Les canalisations et circulent des liquides. Dans la variante représentée sur la fig. 4, on a intercalé, à la sortie du compresseur 1s un petit condenseur 34 monté en série avec le condenseur principal 4. Ce petit échangeur 34 ne condense pas complè- tement le fluide calo-porteur. Il est en échange thermique avec uae canalisation d'eau chaude sanitaire à haute température, par exemple à 60 C. On a ainsi une pompe à chaleur fournissant une eau chaude sanitaire en priorité. Comme indiqué précédemment, le chauffage de l'eau de la cuve 12 ou le dégivrage du forage principal 20 sent assurés par les échanges thermiques dans le condenseur 4.On-remarquera que pour passer du circuit de dégivrage au circuit de chauffage, ou inversement, on utilise un seul compresseur dépourvu de commutation hydraulique. De plus, les circuits de fluide 11, 16, 17 et 18 sont à fermeture statique Le clapets anti-retour tels que 14 ou 15. Cette fermeture peut être automatique ou commandée. On a vu qu'au cours du cycle de dégivrage, le puits 22 (dont le fonctionnement n'est qu'intermittent) peut descendre jusqu'à une température voisine de moins 10 . Il se produit alors un givrage local du sol 21 qui n1 est pas important, ce puits ne fonctionnant qu'épisodi- quement. En revanche, tous les liquides utilisés doivent pouvoir rester fluides à cette température basse. Etant donné qu*on utilise générale- ment de l'eau, celle-gi doit atre additionnée d'un produit antigel, par exemple in glycol.Les calories prélevées en 22 passent par l'évapora- teur 7 et le condenseur 4. Le rendement du cycle de dégivrage est très élevé, étant donné que les températures de 11 évaporateur 7 et du conden- seur 4 sont très voisines l'une de l'autre. Par exemple, l'évaporateur s1 échauffe jusqu'à 15 Gt tandis que le fluide délivré au condenseur 4 varie de 20 à 40 . On a représenté sur la fig. 5 un condenseur 37 qui permet de ne pas additionner antigel à l'eau de chauffage circulant dans la cuve 12. Ce condenseur 37 comporte deux compartiments séparés par une cloison. Le compartiment inférieur 37a est sur le circuit du fluide de la pompe à chaleur* Le compartiment supérieur 37b reçoit 10 eau non glyoolée circulant dans la cuve 12. Les compartiments 37a et 37b sont intimement liés thermiquement mais il nty a pas de mélange entre l'eau non glycolée de la cuve et les liquides antigels circulant dans les puits forés. Le dégivrage du puits 20 est réalisé par échange thermique dans le petit condenseur 34. On a représenté sur la fig. 6 une variante plus élaborée de l'ins- lallation de chauffag@e. Entre l'évaporateur 7 et la pompe de circulation 29 du circuit 18 branché sur le puits de dégivrage 22, on intercale un récupérateur calorifique 38 monté en parallèle sur une canalisation 39. Ce récupérateur est par exemple un échangeur à eau, tel qu'une piscine. Le liquide circulant dans la pompe 29 s@rt du puits 22 à une température voisine de 0 . Si 10 eau de la piscine est par exemple à 15 , la canalisation 40 récupère une certaine quantité de calories et l'eau arrivant à l'évaporateur 7 est réchauffée. Ceoi facilit@ l'évaporation du fluide circulant dans le compresseur 1.Il est évident que si la température du récupérateur 38 est inférieure à celle du liquide 31 du puits 22, on court-circuite se récupérateur pars la canalisation 39 laquelle est équipée d'un clapet anti-retour à ouverture et fermeture commandées. Les autres éléments de l'installation restent inchangés. Le condenseur peut être soit @loisonné (37, fig. 6) soit ordinaire (installation simplifiée de la fig. 7). Dans ce dernier cas il faut glycoler l'ensemble de l'installation. Le récupérateur calorifique peat être d'un type quelconque, par exemple un gros radiateur, un ventilateur convecteur, un échangeur à air ou à eau, un réoupérateur solaire... Il permet d'améliorer le rendement de la pompe à chaleur et de réaliser des forages 20 ou 22 plus simples donc moins onéreux. On a illustré sur la fig. 8 un système plus élaboré La pompe à chaleur comprend un évaporateur 7, un compresseur 1 et trois condenseurs en série, à savoir 2 - un premier échangeur 34 fournissant des calories à un cireuit d'eau chaude sanitaire ; un second échangeur 41 en échange thermique avec un volant thermique 12 peur la climatisation d'un local * - un troisième échangeur 42 fournissant des calories de dégivrage au forage principal 20. Bans nette installation, le récupérateur 43 reçoit le maximum de calories par exemple des eaux encore chaudes sortant du circuit sanitaire 44 ou de la ventilation des locaux climatisés. Ce récupéra- tueur intercalé sur le circuit du puits 22 de dégivrage est commandé par un thermostat 47. Le circuit de liquide du puits principal ntest pas directement relié à l'évaporateur.Il porte un piquage 48, 49, constituant un circuit 50, 51 traversant le récupérateur 43. Comme les autres circuits de liquide, le circuit 50, 51 comprend une pompe de ciroula- tion 52 (jumelée avec la pompe 13) et des clapets hydrauliques de retenue 53o Le fonctionnement de base reste inchangé. Mais on de 30 aspiré par les pompes 10 ou 52 traverse t a) en cycle de chauffage s l'évaporateur 7 où il est refroidi puis le récupérateur 43 où il est réchauffé avant entre réinjeeté dans les puits 20 et 22. Les pompes 52 et 13 tournent0 Les pompes 10 et 29 sont arrêtées.La pompe 54 fonctionne suivant l'état dnn thermostat 55 de commande (circuit en traits pleins, forts, fig. 8) 3 b) en cycle de dégivrage s les pompes 29 et 10 tournent. Le liquide antigel contenu dans le puits 22 fournit des calories à l'évaporateur 7, traverse le récupérateur calorifique 43 et est injecté en 49 sur le eircuit hydraulique 16 dent l'eau est réchauffe dans le condenseur 42 de la pompe h chaleur. De plus, le liquide étant préchauffé On 43 avant entre réinjecté dans le paies 22, le givrage de ce puits auxiliaire est ralenti. (circuits en traits interrompus, fig. 8). Le procédé de fonctionnement de l'installation reste le procédé de base. Cette amélioration (fig. 8) vise à encore améliorer le rendement de la pompe à chaleur. Pour cela on élève la température moyenne de fonctionnement en ré@upérant le maximum de chaleur (habituellement per due). Aussi bien en chauffage qu'en dégivrage le liquide antigel des puits traverse au moins an échangeur 42 ou 43 où il est réchauffé. REVENDICATIONS 1 - Installation de climatisation comprenant une pompe à chaleur constituée par un circuit fermé, fonctionna=$ entre deux échangeurs de chaleur et disposée entre au moins une source chaude et au moins une source froide de chaleur, caractérisée en ce qu' elle compotte des circuit auxiliaires de liquides disposés chacun entre lune des sources de chaleur et ltun des échangeurs du circuit fermé de la pompe à chaleur dont le compresseur constitue le compresseur unique de ltinstallation, ce compresseur fonctionnant constamment pour assurer les échanges thermiques entre une source principale constituée par ltéeorce terrestre, une source de chaleur auxiliaire également constituée par ltécorce terrestre et une troisième source de chaleur, l'installation et le compris seur unique étant prévus pour permettre, par l'intermédiaire de la pompe à chaleur, des cycles de chauffage, de refroidissement et de dégivrage 2 - Installation de climatisation suivant la revendication 1, caractérisée en ce quelle comporte deux trous forés dans le sol et remplis d'un liquide antigel, chacun de ces trous étant relié à un échangeur du circuit de la pompe à chaleur par au moins un circuit de liquide muni d'une pompe de circulation et de clapets anti-retour, ces deux trous constituant deux sources de chaleur géothermique. 3 - Installation de climatisation suivant l'une quelconque des revendications 7 ou 2, caractérisée en ce le premier et le second trou forés dans le sol sont remplis d'un liquide antigel qui circule entre l'évaporateur de la pompe à chaleur et, d'une part le premier forage ou source de chaleur principale et, d'autre part, le second forage ou source dë chaleur auxiliaire utilisée lorsque ltinstallation fonctionne en dégivrage. 4 - Installation de climatisation suivant la revendication 3, caractérisée en ce que son fonctionnement en dégivrage est obtenu de la façon suivante - les circuite de liquide reliant l'évaporateur au premier forage et le condenseur à la cuve (ou analogue) à climatiser sont coupés ; - on met en marche les pompes intercalées sur le circuit de liquide reliant lesecond forage ou puits de dégivrage à ltéva- porateur, d'une part, et le condenseur au premier forage ou puits à dégivrer d'autre part change thermique se fait par l'évaporateur, le compresseur et le condenseur de la pompe à chaleur, les calories prélevées dans le puits auxiliaire étant injectes dans le puits principal.;; 5 - Installation de climatisation suivant ltune quelconque des revendications précrdentes, caractérisée en ce qu'un petit condenseur est placé sur le refoulement du compresseur, en amont du con- denseur principal, ce petit condenseur permettant d'pbtenir de l'eau chaude sanitaire à haute température à-la sortie du compresu seur. 6 - Installation de climatisayion suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le condenseur principal de la pompe à chaleur est cloisonné, l'échange thermique se faisant a' travers cettes cloison, alors que les liquides d'antigel (eau glycolée) circulant dans les forages et dans le circuit fermé de la pompe à chaleur ne se mélangent pas avec le liquide remplissant la capacité du volant thermique de la cuve, ce cloisinnement permettant d'éviter de remplir d'antigel toute la cu@e de l'installation. 7 - Installation de climatisation suivant l'une quelconque des revendications précédentes; caractérisée en ce qu'un récupérateur calorifique est inséré sur le circuit de fluide du puits de dégivrage et disposé entre la pompe de circulation et l'évaporateur de la pompe à chaleurs ce qui permet de la court-circuiter par une canalisatioh directe montee en parallèle. 8~Installation de climatisation suivant les revendications 1 et 7, caractérisée en ce que la pompe à chaleur comprend un éva- po@ateur, un compresseur et trois condenseurs montés en série, à savoir : - un premier condenseur fournissant des calories à un circuit d'eau chaude sanitaire - un second condenseur en échange thermique avec une capacité pour la climatisation d'un local - un troisième condenseur fournissant des calories de degivrage au forage principal, tandis que le circuit de liquide du puits principal comporte une dérivation constituant un circuit parallèle traversant le récupé- rateur calorifique inséré sur le circuit du puits dé dégivrage, si bien que les calories absorbées par le récupérateur élèvent la température moyenne de fonctionnement de l'installation et amé liorent son rendement, aussi bien en chauffage qu'en dégivrage. 9 - Installation de climatisation suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les clapets anti-retour montés sur les circuits hydrauliques sont à fonctionnement automatique ou commandé, définissent le sens de circulation dessliquides et permettent de supprimer toutes les commutations hydrauliques.