Brevet FR2382656A1 — publié le 19780929

L'invention se rapporte à un dispositif de regulation d'une pompe a chaleur du type utilise principalement pour le chauffage des logements et de l'eau sanitaire. On sait que les pompes à chaleur comprennent generalement un circuit ferme de fluide frigorigene sur le parcours duquel sont disposes un compresseur, un detendeur, un evaporateur et un condenseur qui permettent de puiser des calories à un milieu ambiant et de les restituer à un fluide caloporteur. Le milieu ambiant peut être par exemple constitue par l'air vicie extrait du logement par ventilation mecanique et le fluide caloporteur par de l'eau. Les calories sont prelevees au milieu ambiant par evaporation du fluide frigorigene dans l'evapora- teur et ensuite restituees au fluide caloporteur par condensation dudit fluide frigorigène dans le condenseur. Le fluide frigorigène passe donc dans les radiateurs prevus dans les pieces à chauffer ou dans un réservoir à accumulation pour le rechauffage de l'eau sanitaire. Ces installations de chauffage et de production d'eau chaude sanitaire par pompe à chaleur fonctionnent de façon tout- -fait satisfaisante lorsque la difference entre la puissance disponible sur le fluide caloporteur et la puissance demandee n'est pas trop importante. Quand cette différence de puissance devient trop importante, notamment pendant les jours froids, un chauffage suffisant du logement avec une telle installation n'est pas possible. Une solution simple mais onéreuse consiste à avoir un ensemble de convecteurs electriques qui vienne completer l'action des radiateurs pour obtenir dans le logement la température souhaitee. On peut egalement jumeler le corps de chauffe à eau et le corps de chauffe electrique dans le même appareil qui devient ainsi un convecteur mixte. Mais ces differentes solutions conduisent à une double installation de tubes à eau et conducteurs electriques. On connait également un dispositif de chauffage par pompe à chaleur qui chauffe un courant principal du fluide caloporteur à une temperature situee en-dessous de la temperature maximale exigée et un chauffage d'appoint qui est monte en parallèle avec les convecteurs. Mais ce dispositif est complique car il necessite notamment le montage d'une vanne melangeuse et de son systeme de commande pour assurer le melange du courant d'appoint avec le courant principal. La solution la plus simple consiste à injecter les calories supplementaires directement sur le conduit du fluide caloporteur. Mais dans ce cas, si l'on veut que la pompe à chaleur fonctionne dans des conditions d'utilisation normales, il faut que la temperature de retour du fluide caloporteur n'augmente pas au-del d'une certaine température, sinon le coefficient de performance de ladite pompe à chaleur chutera rapidement. L'objet de l'invention est de définir un système qui permet denaintenir de façon automatique le régime de temperature au condenseur de la pompe à chaleur au voisinage des conditions de regime nominal quelles que soient les conditions de temperatures du circuit d'utilisation ce qui permet d'eviter les inconvénients lies aux régimes transitoires dans les circuits de type frigorifique dont font partie les pompes à chaleur en particulier en matière de givrage au niveau de 1 'évaporateur. Suivant l'invention, I'installation comprend une pompe à chaleur du type utilisé pour chauffer le fluide caloporteur alimentant soit un circuit de chauffage, soit un circuit de réchauffage de l'eau sanitaire contenue dans un réservoir d'accumulation et comportant en série avec la partie du fluide caloporteur du condenseur de ladite pompe à chaleur une source de chaleur d'appoint par exemple à deux degres de chauffe qui fournit l'énergie d'appoint au fluide caloporteur circulant dans le circuit d'utilisation et un organe de contrôle du débit de fluide caloporteur dans le circuit d'utilisation et dans le condenseur disposé en aval de l'échangeur d'appoint et entre une conduite de départ de fluide caloporteur et une conduite de retour de fluide caloporteur au condenseur. L'organe de contrôle est contitue par une conduite de derivation comportant une vanne de décharge formée par une soupape anti-retour tarée disposée sur ladite conduite de dérivation, l'ouverture de ladite soupape étant commandée par une vanne thermostatique montée sur la conduite de depart de fluide caloporteur et en aval de la conduite de dérivation par rapport au sens de circulation du fluide. Cette vanne thermostatique contrôle le débit du fluide caloporteur-dans le circuit de chauffage ou dans le circuit de réchauffage de l'eau sanitaire contenue dans le réservoir d'accumulation. Suivant une premiere variante de l'invention, le circuit de réchauffage de l'eau sanitaire du réservoir d'accumulation est alimenté en fluide caloporteur par une conduite branchée sur la conduite de depart dudit fluide caloporteur entre la conduite de dérivation et la vanne thermostatique de contrôle du debit du fluide dans le circuit de chauffage. Le débit du fluide caloporteur dans le circuit de réchauffage est également contrôlé par une vanne thermostatique montée en amont du réservoir d'accumulation et réglée à une température d'ouverture superieure à la température d'ouverture de la vanne thermostatique chauffage ce qui permet d'obtenir deux points de consigne de temperature du fluide caloporteur différents pour le circuit de chauffage et pour le circuit de rechauffage de l'eau sanitaire. Suivant une seconde variante de l'invention, un dispositif de détec- tion monté sur la conduite de retour du fluide caloporteur au condenseur détecte la température de retour dudit fluide de façon à régler la vitesse de la pompe de circulation en fonction de cette température. Les dispositions particulières selon la presente invention permettent en particulier d'obtenir une autoregularisation de la température de condensation en regime transitoire d'alimentation en fluide caloporteur d'un circuit d'utilisation notamment pour une pompe à chaleur fonctionnant éventuellement avec une source de chaleur additionnelle. D'autres caractéristiqueset avantages de l'invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description suivante en référence aux dessins annexes qui représentent figure 1 : une vue schématique d'une pompe à chaleur alimentant un circuit d'u tilisation. figure 2 : une variante de l'invention. On a représenté sur la figure 1 une pompe à chaleur désignée dans son ensemble par la référence 1 comprenant un compresseur 10, un échangeur chaud ou condenseur 11, un détendeur 12 et un évaporateur 13, ces organes étant parcourus par un fluide frigorigène et constituant le circuit frigorifique proprement dit de la pompe à chaleur. Un ventilateur 2 assure la circulation du flux d'air d'une gaine 3 vers l'évaporateur puis dans la gaine-4. Le condenseur 11 est du type condenseur à eau, l'eau constituant un fluide caloporteur alimentant en boucle fermée un circuit d'utilisation par une conduite de depart 20 et une conduite de retour 21 reliées respectivement à la sortie et à l'entrée du condenseur 11. Le circuit d'utilisation comporte plusieurs convecteurs ou radiateurs 22 et un serpentin 28 d'un réservoir de production d'eau sanitaire 23 montés en parallèle entre les conduites de départ et de retour (20-21). Un clapet de commutation 24 à commande automatique est dispose entre les conduites de retour du serpentin et des convecteurs et la conduite de retour générale 21, de façon à passer d'une position de production d'eau de chauffage à une-position de production d'eau sanitaire. Le réservoir d'accumulation 23 est relié à une conduite 25 pour l'arrivée d'eau sanitaire et une conduite de puisage 26 commandée par des robinets de puisage 27. L'eau sanitaire contenue dans le réservoir d'accumulation 23 est réchauffée d'une part par le serpentin 28 dans lequel circule l'eau chaude fournie par la pompe à chaleur et d'autre part par une resistance électrique additionnelle 29. Sur la conduite de départ 20, un échangeur de chaleur d'appoint-30 qui peut être à deux degrés de chauffe est monte en serie avec l'échangeur thermique du condenseur 11 de la pompe à chaleur. Cet echangeur 30 fournit par con saquent, suivant les besoins, l'énergie d'appoint, et peut être constitué par un corps de chauffe de chauffe-eau à gaz, un échangeur alimenté par une résistance électrique ou tout autre système. Une conduite de dérivation 31 comportant une soupape tarée 32 est disposée entre l'entrée et la sortie du condenseur 11 en aval de l'échangeur d'appoint 30, et en aval du clapet de commutation 24 sur la conduite de retour 21. Une vanne thermostatique 33 est montée sur la conduite de depart 20 en aval du branchement de la conduite de dérivation 31 et en amont du circuit d'utilisation.Cette vanne thermostatique 33 court circuitée par une conduite de fuite 34 à forte perte de charge s'ouvre seulement quand la température du fluide caloporteur en amont de celle-ci est supérieure à une température T2. Une poupe de circulation 37 montée dans la conduite de retour 21 en aval du clapet de commutation 24 et du branchement de la conduite de derivation 31 assure la circulation du fluide caloporteur dans le circuit d'utilisation. Suivant la variante de réalisation illustrée à la figure 2, le serpentin 28 est relié à la conduite de départ 20 par une conduite d'alimentation 38 branchee sur ladite conduite 20 entre la conduite de dérivation 31 et la vanne thermostatique 33. Une seconde vanne thermostatique 35 est montée sur la conduite 38 en amont du serpentin 28 du réservoir d'accumulation 23. Cette seconde vanne thermostatique 35, court circuitée par une conduite de fuite 36, s'ouvre seulement quand la temperature du fluide caloporteur en amont de celle-ci est superieure à une température T3 supérieure à la température T2 d'ouverture de la vanne thermostatique 33. Le dispositif fonctionne de la manière suivante La source de chaleur est constituée par de l'air extrait d'un local par exemple à une température voisine de 200C. Cet air est aspiré à travers lte- vaporateur 13 et cède une partie de ses calories au fluide caloporteur, l'air ainsi refroidi etant évacue à l'extérieur par le ventilateur 2. Ces calories récupérées, ainsi que la majeure partie des calories dissipées par le compresseur 10 sont cédées au fluide caloporteur circulant dans le condenseur 11. En considérant tout d'abord le fonctionnemerten regime nominal sur le circuit chauffage, le clapet de commutation 24 est orienté vers le circuit de chauffage comportant les convecteurs 22 et le fluide caloporteur est porté à la sortie du condenseur 11 à une température T1 par exemple 50au. La vanne thermostatique 33, sélectionnée pour s'ouvrir progressivement à partir d'une tem pérature prédéterninée T2 par exemple 400C, fonction des niveaux de température pour lesquels on a dimensionne l'installation en régime naninal, s'ouvre donc. Simultanement, la soupape tarée 32 se trouve en position de fermeture car la résistance au passage de l'eau vers le circuit de départ immédiatement en aval du point de branchement de la conduite de dérivation, resistance conditionnée par les pertes de charge dans la vanne 33 et dans le circuit d'utilisation, est inferieure à la résistance au passage de l'eau dans la conduite de derivation. Le débit de l'eau se fait donc normalement sous l'action de la pompe de circulation 37 à travers les convecteurs 22 qui sont suffisamment dimensionnés pour que l'eau de retour au condenseur 11 ne dépasse pas une certaine température T4 par exemple 440C afin d'assurer un fonctionnement correct de la pompe à chaleur. Dans le cas où la température fournie par la pompe à chaleur n'est pas suffisante pour chauffer le logement, un dispositif de commande, non repre senté, déclenche la mise en route du premier régime de chauffe du chauffage d'appoint 30. Le fluide caloporteur qui traverse l'échangeur d'appoint est donc porté à une température supérieure à la température de sortie T1 du condenseur 11 et atteint la vanne thermostatique 33 a une température plus élevée ; ladite vanne thermostatiqùe s'ouvre au maximum. S-i la chaleur émise par les convecteurs 22 n'est pas encore suffisante, par exemple lorsque la température exterieure est tres basse,le dispositif de commande declenche la mise en route du second régime de chauffe du chauffage d'appoint supérieur au premier.Le fluide caloporteur est donc porte à une température plus élevée et les calories émises par les convecteurs 22 sont donc plus importantes. Dès que la temperature du logement arrive à la température désirée, le dispositif de commande coupe d'abord le second régime de chauffe puis le premier. On va maintenant décrire le fonctionnement de l'installation en régime transitoire c'est-à-dire au moment du démarrage de la pompe à chaleur sur boucle d'eau froide dans le circuit de chauffage et en production d'eau sanitaire. En considérant d'abord le cas du demarrage sur boucle d'eau froide (figure 1 et 2), l'eau entrainée par la pompe de circulation 37 à une température par exemple de 1O0C, arrive à la vanne thermostatique 33, qui est mise en position de fermeture par le niveau de son point de consigne de départ d'ouverture (40"C) ; seul un très faible débit de fuite est assuré par la conduite 34. Ce débit de fuite assure la transmission de l'information de température au bulbe de commande de la vanne thermostatique 33.La résistance au passage de l'eau vers la conduite de départ immédiatement en aval du point de branchement de la conduite de derivation 31, résistance conditionnée par les pertes de charge dans la conduite de fuite 34 et dans le-circuit d'utilisation, est supérieure à la résistance au passage de l'eau dans la conduite de dérivation. La soupape tarée 32 s'ouvre donc automatiquement. L'eau initialement à 100C est donc directement réintroduite dans le condenseur Il sans refroidissement dans le circuit d'utilisation. Comme la puis sance échangée au condenseur correspond sensiblement à la puissance en régime nominal de la pompe à chaleur, l'eau se chauffe très rapidement, les conditions d'échange sont particulierement bonnes puisque le débit d'eau est maintenu à la valeur atteinte en régime nominal. On atteint par conséquent rapidement une temperature de 500C à l'amont de la vanne thermostatique 33. Ladite vanne thermostatique s'ouvre progressivement entrainant simultanément la fermeture progressive de la soupape tarée 32.On obtient ainsi à l'entrée du condenseur 11 un mélange d'un certain débit d'eau à 500C provenant directement du condenseur par la conduite de dérivation 31 et d'un certain débit d'eau à 10 C provenant du circuit d'utilisation. On arrive progressivement à mettre l'ensemble du circuit d'utilisation en température jusqu'à ce que la temperature dans la conduite de retour 21 atteigne par exemple 440C, point pour lequel l'installation se trouve en situa,; tion de régime nominal telle que décrite plus haut. Cette disposition garantit entre autre un fonctionnement satisfaisant du circuit frigorifique en période de démarrage car les compresseurs en particulier de type hermétique admettent mal des periodes de fonctionnement prolongees en dehors du régime d'utilisation pour lequel ils ont été sélectionnés. Un deuxieme cas de regime transitoire est constitue par le fonctionnement en production d'eau sanitaire. Deux cas peuvent se présenter : la production d'eau chaude sanitaire pendant le fonctionnement en "hiver" et pendant le fonctionnement en "été". En considérant tout d'abord le cas de la production d'eau chaude sanitaire pendant la période "hiver" pour la réalisation représen- tee à la figure 1, l'eau entrainée par la pompe de circulation 37 circule dans les convecteurs 22, la vanne thermostatique 33 est par conséquent ouverte.Quand la température de l'eau sanitaire contenue dans le réservoir 33 et détectée par un aquastat, non représenté, descend au-dessous d'une limite prédéterminée, le dispositif de commande assure le basculement du clapet de commutation 24 pour relier le circuit de production d'eau sanitaire avec la conduite de retour 21 et commande l'arrêt du chauffage d'appoint 30 si celui-ci est en fonctionnement. L'eau chaude en provenance du condenseur 11 circule donc dans le serpentin 28 et le cycle de réchauffage de l'eau sanitaire contenue dans le réservoir 23 commence. Ce cycle de réchauffage est arrêté quand la temperature des'eau chaude fournie par la pompe à chaleur atteint son maximum fixé par exemple, par un aquastat sur le départ du condenseur. Si, pour une raison quelconque pendant le cycle de réchauffage de l'eau sanitaire, la température dans le logement descend au-dessous d'une limite prédéterminée, la priorité est donnée au chauffage, le clapet de commutation bascule de telle maniere que l'eau circule dans les convecteurs 22, le cycle de réchauffage de l'eau sanitaire est par conséquent interrompu. Simultanemnet, la résistance électrique additionnelle 29 est mise en route jusqu'à ce que la tem pérature de l'eau sanitaire contenue dans le reservoir 23 arrive à la valeur désirée. En examinant maintenant le cas de la production d'eau chaude sanitaire pendant la période "hiver" pour la seconde réalisation représentée à la figure 2, l'eau entrainée par la pompe de circulation 37 circule dans les convecteurs 22. Quand la température de l'eau sanitaire contenue dans le réservoir 23 descend au-dessous d'une limite prédéterminée, le dispositif de commande assure le basculement du clapet de commutation 24 pour relier le circuit de production d'eau sanitaire avec la conduite de retour 21 et commande l'arrêt du chauffage d'appoint 30 si celui-ci est en fonctionnement.Si la température de l'eau qui arrive à la seconde vanne thermostatique 35 par la conduite 38 est in férieure à la température de départ d'ouverture T3 (500C) de ladite vanne, cette dernière est mise en position de fermeture et l'eau est recyclée vers le condenseur 11 par la conduite de dérivation 31. Dès que la température de l'eau atteint la température T3, la vanne 35 s'ouvre, l'eau circule dans le serpentin 28 et le cycle de réchauffage de l'eau sanitaire commence. Ce cycle de réchauffage est arrêté quand la température de l'eau chaude fournie par la pompe à chaleur atteint son maximum. Cette disposition permet d'obtenir un premier point de consigne de température du fluide caloporteur pour le circuit de chauffage et second point de consigne plus élevé pour le circuit de réchauffage de l'eau sanitaire. Si, pour une raison quelconque pendant le cycle de réchauffage de l'eau sanitaire, la température dans le logement descend au-dessous d'une limite prédéterminée, la priorité est donnée au chauffage, le clapet de commutation bascule de telle mani-ere que l'eau circule dans les convecteurs 22, le cycle de réchauffage de 1 'eau sanitaire est par conséquent interrompu. Simultanément, la résistance électrique additionnelle 29 est mise en route jusqu'à ce que la tem pérature de l'eau sanitaire contenue dans le réservoir 23 arrive à la valeur désirée. Pendant la période "été", le clapet de commutation 24 est orienté continuellement sur le circuit de production d'eau sanitaire ; le cycle de réchauffage s'effectue normalement des que la température de l'eau sanitaire chute au-dessous de la limite prédéterminée. Suivant une seconde variante de l'invention, un détecteur de tempé- rature non représenté, placé sur la conduite de retour 21 détecte la température de retour au condenseur 11 du fluide caloporteur. Si cette temperature de retour dépasse une valeur de consigne, le détecteur de température agit sur un disposi tif qui diminue la vitesse de la pompe de circulation 37 de façon à limiter le debit du fluide caloporteur dans le circuit d'utilisation à une valeur telle que le refroidissement dans les convecteurs 22 soit augmenté et que la température de retour du fluide caloporteur ne soit pas supérieure à la valeur de consigne acceptable. Les convecteurs 22 ont donc une température moyenne beaucoup plus forte ce qui leur permet d'émettre une chaleur plus importante. Cette disposition permet d'obtenir une répartition automatique du fluide caloporteur de façon à maintenir le régime de température au condenseur de la pompe à chaleur au voisinage des conditions du régime nominal quelles que soient les conditions de température du circuit d'utilisation. Ceci evite les inconvénients liés aux régimes transitoires dans les circuits de type frigorifique, dont font partie les pompes à chaleur, en particulier en matière de givrage au niveau de leur évaporateur. La description se rapporte à un mode de réalisation préférentielle de l'invention, des variantes pouvant être envisagées sans sortir du cadre de cette invention R E V E N D I C A T I O N S 10) - Dispositif de régulation d'une pompe à chaleur utilisée pour le chauffage central et pour la production dieau chaude sanitaire comprenant un circuit d'utilisation dans lequel circule, en provenance du condenseur de la pompe à chaleur, un fluide caloporteur qui déssert par l'intermédiaire d'un cla pet de commutation soit un circuit de chauffage muni de convecteurs ou de radiateurs, soit un circuit de réchauffage de l'eau sanitaire contenue dans un reservoir d'accumulation caractérisé par le fait qu'il comporte en combinaison dans le circuit d'utilisation :: - une source de chaleur additionnelle 30 en aval du condenseur 11 de la pompe à chaleur 1, - une conduite de dérivation 31 de recyclage direct du fluide caloporteur entre la sortie et l'entrée du condenseur 11, - une soupape tarée 32 disposée dans ladite conduite de dérivation, - une vanne thermostatique 33 montée en aval de la source de chaleur addi tionnelle 30 dans la conduite de départ 20 et contrôlant le débit du fluide caloporteur dans le circuit de chauffage ou dans le circuit de ré chauffage 28 du réservoir d'accumulation 23. 20) - Dispositif de régulation d'une pompe à chaleur utilise pour le chauffage central et pour la production d'eau chaude sanitaire comprenant un circuit d'utilisation dans lequel circule, en provenance du condenseur de la pompe à chaleur, un fluide caloporteur qui dessert par l'intermédiaire d'un cla pet de commutation soit un circuit de chauffage muni de convecteurs ou de radiateurs, soit un circuit de réchauffage de l'eau sanitaire contenue dans un réservoir d'accumulation caractérise par le fait qu'il comporte en combinaison dans le circuit d'utilisation - une source de chaleur additionnelle 30 en aval du condenseur 11 de la pompe à chaleur 1, - une conduite de derivation 31 de recyclage direct du fluide caloporteur entre la sortie et l'entrée du condenseur 11, - une soupape tarée 32 disposée dans ladite conduite de dérivation, - une première vanne thermostatique 33 montée en aval de la source de cha leur additionnelle 30 dans la conduite de depart 20 et contrôlant le dé bit du fluide caloporteur dans le circuit de chauffage, - une conduite d'alimentation 38 en fluide caloporteur du serpentin 28 de rechauffage du réservoir 23 branchée sur la conduite de départ 20 entre la conduite de dérivation 31 et la premiere vanne thermostatique 33, - une seconde vanne thermostatique 35 montée sur la conduite d'alimenta tion 38 en amont du serpentin 28 et contrôlant le débit du fluide calo porteur dans le circuit de réchauffage du réservoir 23. 30) - Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que la conduite de dérivation 31 est montee en aval de la source de chaleur d'ap point 30 et en amont des vannes thermostatiques (33 - 35) dans la conduite de départi-20 et en aval du clapet de commutation 24 dans la conduite de retour 21. 40) - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que la vanne thermostatique 33 est montée en amont des branchements des convecteurs 22 dans le circuit d'utilisation. 50) - Dispositif selon la revendication 2 caractérisé par le fait que la vanne thermostatique 35 s'ouvre pour une temperature du fluide caToporteur supé rieure a la température d'ouverture de la vanne thermostatique 33. 60) - Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que l'ouverture de la soupape tarée 32 de la conduite de dérivation 31 est commandée par la pression différentielle crée soit par la vanne thermos tactique 33 soit par la vanne thermostatique 35 en fonction du degré d'ou verture desdites vannes thermostatiques. 70) - Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé par le fait qu'un détecteur de température placé sur la conduite de retour 21 régule la vi tesse de la pompe de circulation 37 en fonction de la température de re tour du fluide caloporteur.