Brevet FR2412797A1 — publié le 19790720

La présente invention concerne en premier lieu un nouveau procédé d'utilisation d'une pompe à chaleur, notamment pour le chauffage de locaux. On connaît depuis longtemps les pompes à chaleur qui sont des machines comportant un circuit dans lequel circule un fluide, le circuit comportant un évaporateur, un condenseur, un compresseur situé entre le condenseur et l'evapora- teur, ainsi qu'un détendeur situé entre l'évaporateur et le condenseur. Un moteur entrain le compresseur afin de faire passer le fluide de la phase gazeuse détendue à une phase gazeuse comprimée. Ce type de machine puise des calories à une source de température voisine de l'évaporateur (source froide) et cède des calories au niveau du condenseur. Les applications des pompes à chaleur sont nombreuses car ce sont des machines ayant de bons coefficients de performance. On sait, par ailleurs, que l'on a intérêt à utiliser une source froide présentant une température aussi élevée et constante que possible, ce qui pose des problèmes lorsqu'on souhaite utiliser de telles machines pour chauffer par exemple des locaux à partir d'une source de chaleur constituée par l'air extérieur. En effet, les variations de température de l'air extérieur sont telles que l'utilisation d'une pompe à chaleur est difficile, sans dispositifs complexes et consommateurs d'énergie pendant les saisons froides. La présente invention a pour but de permettre l'utilisation d'une pompe à chaleur classique en utilisant, comme source de chaleur, l'air extérieur et cela pour des températures extérieures relativement basses et en utilisant des pompes à chaleur sans dispositif de dégivrage. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que l'on emploie comme source de chaleur l'air extérieur que l'on fait circuler sur l'évaporateur de la pompe à chaleur en faisant en sorte que la température de l'air sortant de 11 évaporateur soit supérieure à OOC tout en étant inférieure à celle de l'air extérieur constituant la source froide On conçoit immédiatement que, dans le cas où l'air extérieur est à une température relativement élevée - par exemple en été -, l'installation fonctionnera d'elle-même à ses performances maximales. Dans le cas, en revanche, où la température de l'air extérieur est trop basse, le procédé selon l'invention prévoit un préchauffage de cet air extérieur en amont de l'évaporateur tant que la différence de température entre l'aval et l'amont de l'évaporateur n'atteint pas une valeur minimale correspondant à la puissance prédéterminée de la pompe à chaleur Par ailleurs, selon le procédé de l'invention, on maintient l'évaporateur à une température supérieure à la température de givrage, c'est-à-dire supérieure à OOC, ceci étant réalisé par exemple par régulation manométrique du fluide circulant dans l'evaporateut ainsi réalise-t-on une pompe à chaleur fonctionnant, sans dispositif de dégivrage et dans des conditions lui procurant un meilleur coefficient de performance L'invention concerne également une installation pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour aspirer l'air extérieur et le faire passer sur l'évaporateur, des moyens de préchauf- fage de l'air extérieur situés en amont de l'évaporateur, des moyens de détection de la température de l'air circulant entre les moyens de préchauffage et l'évaporateur, ainsi que des moyens de régulation des moyens de préchauffage commandés par les moyens de détection. Le préchauffage de l'air extérieur peut être réalisé par tout moyen approprié, tel que brûleur, résistance électrique, etc... Toutefois, dans le cas préféré où le condenseur est associé à un circuit de fluide caloporteur assurant la distribution des calories fournies par la pompe à chaleur et accouplé à une chaufferie classique, les moyens de préchauffage de l'air extérieur seront constitués par une canalisation de fluide caloporteur reliée à la chaufferie, par exemple de l'eau de chauffage central. On décrira à présent, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de l'invention en référence à la figure unique annexée qui représente un schéma d'une installation selon l'invention. L'exemple donne ci-dessous concerne l'utilisation d'une pompe à chaleur air-eau associée à une chaufferie de type classique (par exemple une chaufferie de chauffage central d'immeuble) et destinée à se substituer partiellement ou totalement à cette dernière. Le schéma annexé indique le principe de constitution d'une installation correspondant à cet exemple. On a représenté de façon générale en 1 une pompe à chaleur comportant un moteur 2 accouplé à un compresseur 3 entraîné par le moteur. Le compresseur est monté dans un circuit de canalisation 4 sur lequel sont branchés, en série avec le compresseur, un évaporateur 5, un détendeur 6 et un condenseur 7. On ne décrira pas en détail cette pompe à chaleur qui est de structure tout à fait classique. Les flèches "F" indiquent le sens de circulation du fluide frigorigène, par exemple du "frelon", a l'intérieur du circuit 4 de la pompe à chaleur. En 8 a été représentée une gaine d'admission d'air communiquant par une extrémité 8a avec l'air extérieur et dont l'autre extrémité 8b est adjacente de l'évaporateur 5. Derrière l'évaporateur 5 est monté un aspirateur 9 permettant d'aspirer l'air extérieur dans la gaine 8 et de le faire passer sur l'évaporateur 5. La pompe à chaleur est associé à une chaufferie classique 10 servant à chauffer de l'eau pour l'alimentation, par exemple d'une installation de chauffage central "CC". Le condenseur 7 de la pompe à chaleur est relié à la chaufferie par des canalisations 11 et 12. Par ailleurs, un moyen de préchauffage 13, constitué dans l'exemple représenté par un serpentin dans lequel est destinée à circuler de l'eau, est placé dans la gaine 8 sur le passage de la veine d'air aspirée par l'aspirateur 9. Ce moyen de préchauffage de l'air extérieur est situé en amont de l'évaporateur et relié, dans l'exemple représenté, à la chaufferie 10 par des tuyauteries 14 et 15. Un moyen de détection de la température de l'air situé entre le serpentin 13 et l'évaporateur 5 est fixé à la gaine 8, ce moyen de détection étant constitué par exemple par un thermocouple 16 relié par un conducteur électrique 17 à une électrovanne 18 montée sur la canalisation 14 d'admission d'eau au serpentin 13.L'électrovanne permet d'interrompre la circulation d'eau dans le serpentin ou au contraire d'admettre cette circula tion, en fonction de la température de l'air détectée par le thermocouple 16. On voit, sur le schéma annexé, que l'air extérieur (à une température "Te") est éventuellement réchauffé jusqu'à atteindre une température "T1" par passage sur le serpentin 13 alimenté en eau chaude par la chaufferie. L'air passe ensuite sur l'évaporateur 5 de la pompe à chaleur et est évacué à l'extérieur à une température "T2" toujours supérieure à OOC (de l'ordre de 40C). En effet, la température de l'évaporateur est maintenue constamment à OOC par exemple par régulation manométrique du fréon circulant dans l'evapora- teur 5, ceci afin d'éviter tout risque de givrage de l'evapo- rateur. La machine frigorifique de l'invention est donc d'une grande simplicité et ne comporte aucun dispositif de. dégivrage. Pour montrer l'intérêt du procédé et de l'installation de l'invention en ce qui concerne les économies d'énergie, on se réfèrera ci-après à l'exemple de chauffage d'un ensemble de soixante-dix logements situé près de Rouen qui nécessite une puissance de chauffage de 650 thermies/heure. La pompe à chaleur, dans l'exemple indiqué, est constituée par exemple par un groupe compresseur commercialisé sous la marque "QUIRI", d'une puissance frigorifique de 350.000 frigories à l'heure et absorbant une puissance de 96 KW. Le débit d'air aspiré par l'aspirateur 9 à travers la gaine 8 peut être estimé à environ 80.000 m3/heure. On supposera, en outrer que la température au condenseur est de 350cri la temperature de l'eau dans la canalisation 11 du chauffage central "CC" étant à 250C. Par ailleurs, on supposera que le moyen de préchauffage 13, alimenté par de l'eau à 9O0C, circulant dans la canalisation 14, maintiendra la température de l'air entre le serpentin 13 et l'évaporateur 5 à une température d'environ 140C, tandis que l'air sortant de l'évaporateur sera à environ 40C. Dans ces conditions, les calculs effectués pour une telle installation aboutissent aux résultats suivants L'installation pourrait commencer à procurer des économies d'énergie à partir d'une température d'air extérieur de l'ordre de 60C. Jusqu'à + lloC de température extérieure, la puissance de la pompe atteindra progressivement la puissance nominale de 350.000 frigories/heure et la chaleur dégagée au condenseur suffira à assurer le chauffage des b ti- ments qui nécessiterait alors environ 420 thermies/heure. A partir de 110C de température extérieure, le groupe ne fonctionnerait donc que pendant une durée journalière allant en diminuant, d'autant plus que, du fait de l'augmentation de l'enthalpie de l'air traversant l'évaporateur, la puissance du groupe irait en augmentant progressivement. Par ailleurs, à partir de 140C extérieur, il n'y aurait plus besoin d'alimenter le serpentin de préchauffage, l'air extérieur se trouvant à une température suffisante pour que la pompe à chaleur fonctionne sans préchauffage. Les calculs aboutissent aux résultats suivants. Pendant la durée de marche de la saison de chauffe, l'économie de fuel oil consomme par 1'ensemble chaufferie-pompe à chaleur serait de l'ordre de 1.000 Kth coûtant environ 80.000 francs. Par contre, la consommation de la pompe à chaleur serait d'environ 280.000 KWH revenant à environ 50.000 francs dans les conditions de 1977, soit une économie réelle de 30.000 francs. Quant à l'économie sur l'énergie primaire, elle serait de l'ordre de 27 Tep (tonnes équivalent pétrole). Dans l'exemple ci-dessus, les calculs ont été faits en tenant compte que le compresseur était entrainé par un moteur électrique. I1 est à noter que l'économie serait beaucoup plus importante si, au lieu d'un moteur électrique, le groupe était équipé d'un moteur à gaz. On obtiendrait une économie annuelle de fuel de 1.500 Kth coûtant environ 120.000 francs et la consommation de gaz serait d'environ 800 Tth coûtant environ 60.000 francs, soit une économie réelle de 60.000 francs. Quant à l'économie sur I'énergie primaire, elle serait de 70 Tep. Un groupe moteur à gaz-pompe à chaleur, auquel on adjoindrait un brûleur à gaz pour le préchauffage de l'air en remplacement du serpentin 13, pourrait devenir autonome et jouer le rdle d'une chaufferie. Le gain d'énergie serait encore amélioré puisque le rendement d'un brtleur est voisin de 100%. L'invention ayant été maintenant exposée et son intérêt justifié sur un exemple détaillé, la demanderesse s'en réserve l'exclusivité pendant toute la durée du brevet sans limitation autre que celle des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1. Procédé pour assurer le fonctionnement d'une pompe à chaleur, utilisé notamment pour le chauffage de locaux, caractérisé en ce que l'on emploie, comme source de chaleur, l'air extérieur que l'on fait circuler sur l'évaporateur de la pompe à chaleur en faisant en sorte que la température de l'air sortant de l'évaporateur soit inférieure à celle de l'air puisé à l'extérieur et supérieure à OOC. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on préchauffe l'air extérieur en amont de l'évaporateur tant que la différence de température entre l'aval et l'amont de l'évaporateur n'atteint pas une valeur minimale correspondant à la puissance frigorifique de la pompe à chaleur. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 Qu 2, caractérisé en ce que l'on maintient l'evaporateur à une température superieure à la température de givrage. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on maintient la température de l'évaporateur à OOC. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le maintien de l'évaporateur à une température empêchant le givrage-est réalisé par régulation manométrique du fluide frigorique circulant dans l'évapora- teur. 6. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 utilisant une pompe à chaleur comportant un moteur entrainant un compresseur monté en série avec un évaporateur, un condenseur et un détendeur placé entre l'évaporateur et le condenseur, caractérisée en ce qu'elle comporte - des moyens pour aspirer l'air extérieur et le faire passer sur l'évaporateur ; - des moyens de préchauffage de l'air extérieur situés en amont de l'évaporateur - des moyens de détection de la température de l'air circulant entre les moyens de préchauffage et 1' évaporateur - et des moyens de régulation des moyens de préchauffa ge commandés par les moyens de détection. 7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que des moyens assurent le maintien de l'évaporateur à une température supérieure à la température de givrage. 8. Installation selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisée en ce que le condenseur est accouplé à un circuit de fluide caloporteur assurant la distribution des calories fournies par la pompe à chaleur. 9. Installation selon l'une quelconque des revendications 6, 7 ou 8, caractérisée en ce qu'elle comporte une canalisation d'admission d'air extérieur à l'évaporateur et un système d'aspiration, notamment un ventilateur. 10. Installation selon l'une quelconque des revendications 6, 7, 8 ou 9, caractérisée en ce que les moyens de préchauffage sont constitués par un élément chauffant situé sur le passage de l'air extérieur aspiré et au contact duquel ledit air est échauffé. 11. Installation selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisée en ce qu'elle est accouplée à une chaufferie classique, les moyens de préchauffage de l'air extérieur étant constitués par une canalisation de fluide caloporteur reliée à la chaufferie. 12. Installation selon la revendication 11, caractérisée en ce qu'une vanne de commande de la circulation du fluide caloporteur équipe la canalisation reliée à la chaufferie, cette vanne étant commandée par un détecteur de température de l'air entrant dans l'évaporateur, notamment un thermocouple