Brevet FR2439948A1 — publié le 19800523

La présente invention a pour objet un dispositif de climatisation d'enceinte et plus particulièrement un dispositif destiné à chauffer ou refroidir une habitation et susceptible de fournir une économie d'énergie. Le chauffage des locaux à usage d'habitation ou autre, est, dans l'immense majorité des cas, réalisé par combustion de matières fossiles type fuel, gaz ou charbon ; par électricité également obtenue à 70 46 par combustion fossile avec un rendement moyen de 1 à 4, d'où l'intérêt d'économiser cette forme d'énergie. Le chauffage électrique, par effet Joule étant gros consommateur d'énergie, il s'est avéré intéressant dans les installations à ventilation mécanique contrôlée double flux, d'y incorporer un équipement dit : "pompe à chaleur" récupérant les calories de l'air vicié avant de le rejeter à l'extérieur. De nombreuses installations de ce type existent et fonctionnent depuis quelques années ; elles contribuent à de sensibles économies d'énergie, en moyenne 30 % sur la consommation d'un chauffage électrique par effet Joule. Actuellement on trouve dans le commerce des chaudières pompes à chaleur pouvant fonctionner seules et donc se passer de toute l'installation radiateurs électriques par effet Joule. La source froide de ces chaudières est un mélange air vicié-air extérieur, Judicieusement contrôlé par un système de vanne à commande électrique et thermostatique. L'économie réalisée par rapport à un chauffage électriw que effet Joule est alors d'environ 50 96, bien que le rendement de la pompe soit de 2,65 ; en effet, des pertes importantes apparaissent lorsque la température extérieure s'abaisse au-dessous d'un certain seuil, par un phénomène de givrage de l'évaporateur, qu'il faut combattre par inversions de flux complétées d'un réchauffement par résistances électriques. Le phénomène de givrage est dt au fait que la quantité importante de calories à prélever sur la source froide amène fréquemment l'air traité au point de rosée et même largement audessous, ceci s'aggravant avec l'augmentation de la différence de température habitation -extérieur, les pertes par rayonnement et renouvellement d'air frais étant de plus en plus grandes. Des tentatives pour utiliser d'autres sources froides que l'air ambiant extérieur et l'air vicié chaud de l'habitation ont donné lieu à plusieurs dépôts de brevets dans différents pays ils ont pour objet l'utilisation de l'énergie géothermique naturelle du sol ; ils diffèrent dans la façon de capter celle-ci. Deux voies principales se dégagent de ces différents brevets 10 L'évaporateur est noyé dans le sol, avec différents systèmes destinés à augmenter au maximum les surfaces d'échange calorifique. 20 Un circuit secondaire faisant circuler un liquide caloporteur est chargé de faire l'échange calorifique. Après essais sur des installations grandeur, on s'est aperçu que dans la maJorité des cas, l'évaporateur ou le circuit caloporteur, injecte dans le sol, des frigories que celui-ci n'arrive plus à absorber. Etant donné la mauvaise conductibilité thermique de la plupart des sols, il était fréquent, qu'après quelques mois de fonctionnement, le sol se transforme en permafrost et devienne de plus en plus isolant, perdant ainsi toute l'efficacité escomptée. D'autres installations de chauffage par pompe à chaleur existent depuis plusieurs dizaines d'années, elles ont comme source froide, l'eau : soit une source, soit une rivière, soit des nappes d'eau souterraines. Ce sont ces installations qui, actuellement, ont le meilleur rendement ; mais il est évident que leur installation doit bénéficier d'implantations particulières (source, rivière permettant des prélèvements de 5000 à 10000 m3 par hiver pour 100 à 200 m2 de surface à chauffer) ou dé forage très motteux ne pouvant se rentabiliser que pour le chauffage de grand ensemble. Pour pallier ces inconvénients,on a imaginé un dispositif de climatisation d'enceinte susceptible d'être associé à des maisons individuelles ou à concevoir ou encore à des locaux commerciaux ou industriels, caractérisé par le fait qu'il utilise en combinaison une pompe à chaleur air-air et des moyens de préchauffage ou de refroidissement de l'air de renouvellement de l'en- ceinte, constitués par un tube du type "puits canadien" enfoui dans le sol et remontant à la surface à ses deux extrémités dont itune sert de prise d'air équipée d'un panneau solaire destiné à préchauffer l'air frais froid extérieur en hiver et à le refroidir en été afin d'augmenter le rendement de la pompe à chaleur que rejoint l'autre extrémité dudit tube. Selon une autre caractéristique de l'invention, la pompe à chaleur comporte une seule source froide constituée par l'air vicié de l'enceinte à climatiser qui est amené a l'évaporateur par des canalisations calorifugées. Lors du traitement de cet air vicié, la température de l'évaporateur ne descend jamais au-dessous du point de givrage des ailettes de celui-ci. Selon une autre caractéristique de l'invention, ltextré- mité du tube enfoui qui sert de prise d'air et qui est munie dtun panneau solaire, comporte une vanne à deux voies à commande thermostatique /manuelle permettant en hiver l'admission d'air par le panneau solaire et en été l'admission directe de l'air sans passer par le panneau solaire. Selon une autre caractéristique de l'invention, pour éviter les pertes de calories par renouvellement d'air frais froid, on a prévu une ventilation mécanique du dispositif à deux étages et trois allures de fonctionnement et qui s'effectue au moyen d'un ventilateur double flux et d'un ventilateur simple flux. Cette ventilation est à commande thermostatique et ses gaines sont installées dans le sol, à l'intérieur du volume chauffé. Selon une autre caractéristique de l'invention, le tube enfoui dans le sol a un diamètre tel qu'il permet un échange d'- air de l'enceinte de deux volumes par heure. Selon une autre caractéristique de l'invention, le panneau solaire qui équipe l'entrée d'air du tube enfoui est constitué par un vitrage formant caisson, avec fond isolé, à l'intérieur duquel est installée une grille type métal déployé de teinte noir de fumée. Selon une autre caractéristique de l'invention le prélève- ment sur l'air vicié des calories nécessaires pour chauffer l'enceinte implique un renouvellement d'air équivalent ou supérieur à deux volumes par heure, par conséquent l'admission d'air frais est également de deux volumes par heure. Le dessin annexé, qui montre schématiquement un exemple de réalisation non limitatif de l'invention, permettra de bien comprendre la description qui va suivre en s'y référant. Le dispositif de climatisation d4une enceinte, selon l'in- vention, comprend une pompe à chaleur associée à un tube 1 du type "puits canadien", enfoui dans le sol à une profondeur d'au moins 2,50 m et dont les deux extrémités remontent à la surface, l'extrémité la étant reliée au condenseur 2 de la pompe à chaleur tandis que l'autre extrémité lb est équipée d'un panneau solaire et d'une vanne 4 à deux voies 3 et 5. Ce tube souterrain 1 sto cke l'énergie solaire en été et la restitue en hiver ainsi que 1 'énergie géothermique. le panneau solaire à voie 3 par lequel pénètre l'air frais -extérieur est orienté plein sud, il est constitué par un vitrage 6 formant caisson avec fond isolé 7 à l'intérieur duquel est installée une grille 8 type métal déployé de teinte noir de fumée. il est destiné à préchauffer l'air entrant dans le tube en hiver afin d'éviter de trop solliciter le rayonnement géothermique et, le cas échéant à stocker des calories dans le sol. La vanne 4 à deux voies permet dans la position 3 l'accès au tube 1 de l'air extérieur passant par le panneau solaire et dans sa position 5 l'accès direct de l'air sans passer par le panneau solaire. Le complément de calories nécessaires au chauffage est apporté par extraction sur l'air chaud viciée prélevé dans les locaux de service de lthabitation, par conduit de ventilation 9 amené à un évaporateur 10 qui extrait les calories. Un compresseur, non représenté sur le schéma, les transporte au condenseur 2 qui chauffe l'air frais provenant du tube 1, Cet air chaud pénètre dans les locaux à chauffer par des gaines Il noydes dans le sol à l'intérieur du volume isolé 12. La ventilation mécanique contrôlée s'effectue par un ventilateur double flux 13 et un ventilateur simple flux 14. La gaine de recyclage 15 est équipée d'un volet mobile 16. Un thermostat 17 exprime les besoins en calories ou frigories de l'enceinte 12. L'ensemble est complété par une cheminée d'évacuation 18. Le fonctionnement du dispositif est simple, il est basé sur le principe connu de la pompe à chaleur qui, dans le cas de l'invention, comporte une seule source froide, l'air vicié de l'enceinte 12. Pour permettre de prélever suffisamment de calories sur l'air vicié pour chauffer l'enceinte, il est nécessaire, d'avoir un renouvellement d'air équivalent ou supérieur à deux volumes par heure. Par conséquent l'admission d'air frais est calculée à deux volumes par heure. Afin de ne pas amener directement de l'extérieur de l'air frais froid que le condenseur serait incapable de chauffer suffisamment, étant donné le transfert limité de calories que permet le prélèvement sur l'air vicié, cet air frais est préchauffé par son passage dans le tube souterrain 1 soit au moyen de l'énergie solaire accumulée en été dans le sol lors du rafratchissement de l'air chaud extérieur, soit par rayonnement géothermique soit, pour améliorer le rendement du dispositif dans les régions froides par le passage de ltair à réchauffer dans le panneau solaire avant sa pénétration dans le tube 1. Dans ce but,et par exemple, le tube 1 peut avoir une longueur de il cm/m3 heure à traiter et présenter un diamètre de 300 m/m et le panneau solaire une superficie de 3,3 dm2 par m3/heure à traiter. Les avantages de ce tube par rapport au système de captation de l'énergie géothermique, sont 10) Le système est naturellement rechargeable par l'admission d'air chaud en été, et en hiver par temps ensoleillé avec le panneau solaire en admission d1air frais. 20) La source froide étant le seul air vicié de l'enceinte à chauffer, toutes les sources de chaleur de l'enceinte (habitants, appareils ménagers, ensoleillement) sont intégralement récupérées, donc le préchauffage de l'air nécessite un minimum de captation d'énergie géothermique. Les apports en calories peuvent s'estimer ainsi (température du sol 120 en moyenne) - 3/12ième fourniture électrique (consommation) - 1/12sème fourniture solaire (tube sans panneau solaire) - 2/12ième fourniture géothermique (tube) -6/12ième récupération air vicié (enceinte) L'apport par panneau solaire peut s'estimer à 2/12 ième dans ce cas, la fourniture géothermique est pratiquement nulle. En période d'été, le tube permet, par le phénomène de stockage des calories dans le sol, de refroidir l'air chaud extérieur et par là, de rafraichir gratuitement l'enceinte à climatiser. La ventilation mécanique contrôlée s'effectue par les ventilateurs double flux 13 et simple flux 14. Lorsque bocal 12 n'a aucun besoin en calories ou en frigories, seul le ventilateur simple flux 14 fonctionne. il crée une dépression sur le volet mobile 16 qui admet 1'air de recyclage provenant de la canalisation 15 par effet de circuit court. Lorsque le thermostat 17 exprime un besoin en calories, le ventilateur double flux 13 et le compresseur entrent en fonctionnement, la vanne à double voie en position 3. Lorsque le thermostat 17 exprime un besoin en frigories, seul le ventilateur à double flux 13 entre en fonctionnement, la vanne à double voie en position 5. La circulation d'air est de 2 volumes/heure dans tous les cas. Dans 1'exemple de réalisation susmentionné du tube 1 et du panneau solaire le renouvellement de l'air avec le ventilateur à simple flux 14 est égal à 0,5 V/h, avec les ventilateurs à double flux 13 et simple flux 14 il est de 2V/h. Le ventilateur à simple flux 14 fonctionne dans tous les cas de figure. L'évacuation de l'air vicié s'effectue par le conduit îp. Tout type de pompe à chaleur qui utiliserait une autre énergie que l'électricité pourrait être employé pour réaliser le dispositif qui vient d'être décrit, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1- Dispositif de climatisation d'enceinte, caractérisé par le fait qutil utilise, en combinaisen, une pompe à chaleur et un tube du type "puits canadien" enfoui dans le sol équipé de moyens de przchauffage ou de refroidissement de l'air d'ali mentation de ladite pompe à chaleur, des moyens pour renouveler l'air de l'enceinte et d'autres moyens pour en contrôler le dé bit et la température. 2- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le tube (1) enfoui dans le sol remonte à la sur face à ses deux extrémités dont l'une (la) rejoint le condenseur (2) de la pompe à chaleur et l'autre (lob) set de prise d'air et est équipée d'un panneau solaire (3). 3- Dispositif suivant les revendications 1 et 2, carac térisé par le fait que l'extrémité (lob) à panneau solaire est équipée d'une vanne (4) à 2 voies (3) et (5) à commande thermostatique ou manuelle. 4- Dispositif suivant les revendications 1 et 2, carac térisé par le fait que le panneau solaire est constitué par un vitrage (6) formant caisson avec un fond isolé (7) à l'intérieur duquel est installée une grille (8) type métale déployé de teinte noir de fumée. 5- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la source froide de la pompe à chaleur est uni quement constituée par l'air vicié de enceinte (12) amené à l'évaporateur (10) par des canalisations calorifugées (9). 6- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de renouveler l'air de l'enceinte et d'assurer la circulation de l'air de recyclage est une ventila tion mécanique disposant d'un ventilateur à double flux (13), d'un ventilateur à simple flux (14), d'un volet mobile (16) ob turant ou libérant la canalisation de recyclage (15). 7- Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que la ventilation est à deux étages, trois allure de fonctionnement et commande thermostatique (17). 8- Dispositif de climatisation suivant les revendica tions 6 et 7, caractérisé par le fait que les gaines de venti lation (11) sont installées dans le sol, à l'intérieur du volu me chauffé. 9- Dispositif de climatisation suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le tube (1) enfoui dans le sol a des dimensions telles quTil permet un échange d'air de l'enceinte de deux volumes par heure.