Brevet FR2460449A1 — publié le 19810123

L'invention concerne le chauffage de locaux par pompes à chaleur du type à thermoéléments à effet Peltier permettant notamment la récupération des calories de l'air extrait des locaux. On connait des installations de chauffage de locaux par circulation d'air chauffé au moyen d'une pompe à chaleur unique importante du type à compresseur ou à effet Peltier du type air-air qui prend des calories dans le milieu extérieur, par exemple, air extérieur, étang, puits, ruisseau. Ce genre d'installation présente entre autres les inconvénients suivants - la pompe à chaleur à compresseur est bruyante; - la pompe à chaleur unique est encombrante, elle nécessite un endroit de grandes dimensions pour la loger; - la distribution de chaleur par gaine d'air est plus délicate à équilibrer, plus encombrante et plus coûteuse, si l'on veut qu'elle soit silencieuse, que la distribution par circuit d'eau - la pompe à chaleur unique de forte puissance est onéreuse. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. Un des buts de l'invention est de proposer une installation de chauffage procédant à une récupération des calories de l'air extrait des locaux d'habitation. Un autre but de l'invention est de proposer une installation entièrement silencieuse utilisant le procédé air-eau et des pompes à chaleur à thermoéléments. Un autre but de l'invention est de fabriquer des pompes à chaleur à thermoéléments de faible encombrement et peu onéreuses. L'invention a pour objet une installation de chauffage de locaux comportant une ventilation mécanique caractérisée en ce que, pour permettre la récupération des calories de l'air extrait des locaux par la ventilation mécanique, elle comporte - un échangeur intermédiaire air-eau placé sur le circuit d'extraction de l'air vicié, - au moins une pompe à chaleur à thermoéléments du type eau-air dans les pièces du local à chauffer, placée devant une entrée d'air frais, - et un circuit d'eau à basse température reliant l'échangeur intermédiaire aux différentes pompes à chaleur du local. A l'aide des figures du dessin annexé, on va décrire ci-après, à titre d'exemple non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. Il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures, il y est désigné par le même signe de référence. La figure 1 représente une vue d'ensemble d'une installation de chauffage par pompes à chaleur selon l'invention. La figure 2 représente schématiquement en élévation et en coupe une pompe à chaleur selon l'invention. La figure 3 représente par une vue en perspective la structure interne partiellement coupée d'une pompe à chaleur eau-air avec empilage alterné d'éléments PN. La figure 4 est une vue en coupe par un plan vertical de la pompe à chaleur selon la figure 3 montrant le circuit d'eau. La figure 1 représente un local comprenant deux pièces principales A, B et une pièce de service C. Afin de respecter les normes de ventilation, le local possède une ventilation mécanique contrôlée (VMC) comprenant au niveau de la bouche 1 d'évacuation d'air vicié, un ventilateur d'extraction V entraîné par un moteur M. L'installation comprend en outre un échangeur intermédiaire E air-eau placé au point d'extraction de l'air vicié par la ventilation mécanique contrôlée VMC. Un circuit d'eau 6, 8 relie l'échangeur E à différentes pompes à chaleur PAC disposées dans chacune des pièces du local et montées en parallèle sur le circuit d'eau. L'air extrait du local passe dans l'échangeur statique intermédiaire E placé devant la bouche d'extraction de la ventilation mécanique et cède ses calories au circuit d'eau. Cet air sert à réchauffer par exemple depuis environ 00C jusqu'à 150C environ,lteau d'un circuit fermé. Cette eau ainsi réchauffée est distribuée à travers les pièces du local par les tuyaux 6, 8 au moyen d'une pompe de circulation 5. Le circuit d'eau est à basse température et à faible débit, il suffit de tubes de petit diamètre, et alimente des pompes à chaleur du type à effet Peltier. Chaque pompe à chaleur PAC est placée devant une prise d'air 3 de chacune des pièces du local, l'air entrant passe sur les ailettes de la pompe à chaleur qui lui cède ses calories, l'air réchauffé est évacué dans la pièce suivant les flèches 7, 9. Chaque pompe à chaleur comprend un empilage alterné de thermoéléments (éléments thermoélectriques) de deux types, à savoir des thermoéléments de type P et des thermoéléments de type N, montés entre des conducteurs thermiques associés à des échangeurs parcourus par l'eau chaude et des échangeurs d'air munis d'ailettes placés dans un conduit vertical parcouru par un flux d'air. Les thermoéléments sont alimentés par un courant électrique continu pour entretenir une différence de température entre les conducteurs thermiques. L'alimentation en courant électrique continu est fournie par un dispositif de redressement 11 représenté schématiquement à la figure 2 et placé à la base de la pompe à chaleur dans un circuit d'air recyclé de la piècewnon représenté, situé en bout de la pompe à chaleur de façon à fournir les calories dissipées par le dispositif de redressement au local à chauffer et également à éviter son échauffement. Comme représenté figure 2 chaque pompe à chaleur PAC comporte des thermoéléments qui transférent les calories du circuit d'eau 6 à 150C au flux d'air frais provenant de l'extérieur du local et destiné au renouvellement de l'air du local. Chaque pompe à chaleur est placée en allège devant la bouche d'entrée d'air frais. L'air extrait constitue une source de calories gratuites mais de capacité limitée. On utilise donc un chauffage d'appoint constitué par une résistance électrique 23 disposée dans un compartiment situé en façade de la pompe à chaleur, fermé seulement à l'avant par une paroi 25 et formant convecteur électrique. La résistance électrique 23 est de préférence fixée sur la paroi 25. Toute la puissance consommée par la pompe à chaleur pour effectuer le transfert des calories se retrouve sous forme de puissance thermique et participe au chauffage du local, elle vient donc en déduction de la puissance du chauffage d'appoint. La pompe à chaleur PAC est fixée au mur 13 du local au moyen de deux équerres 15, 17, au dessus de l'entrée d'air neuf 3. Cet air entre ainsi directement dans une chambre inférieure 19 de la pompe à chaleur PAC fermée par un fond 21. Un dispositif de régulation de la pompe à chaleur figuré en 27 est également placé à la base de la pompe à chaleur dans la chambre 19. On va maintenant donner un exemple de fonctionnement de l'installation. Cet exemple peut être résumé dans le tableau suivant - air extrait à l'entrée de l'échangeur intermédiaire E t= 200C - air extrait à la sortie de l'échangeur E t: 50C - eau à l'entrée de l'échangeur E t= 00C - eau à la sortie de l'échangeur E t= 150C - eau à l'entrée de PAC = eau de sortie de l'échangeur t: : 150C - eau à la sortie de PAC = eau à l'entrée de l'échangeur t= OOC - air neuf à l'entrée de PAC -70C La température de l'eau à la sortie de la pompe à chaleur est à 00C pour éviter le givrage de l'échangeur E. - la mise en oeuvre de l'invention permet de réaliser une installation de chauffage à la fois fiable, économique et confortable. On obtient un meilleur rendement du fait que l'installation fonctionne à basse température, d'une part l'air de sortie de la pompe à chaleur est en moyenne de 300C pour maintenir la température de la pièce à 200C et d'autre part le circuit d'eau est à basse température 150C, ctest-à-dire à une température plus basse que celle des pièces, donc sans perte de calories. L'installation comporte un dispositif de régulation incorporé à chaque pompe à chaleur PAC, ce qui permet d'obtenir une régulation pièce par pièce. Dans l'exemple donné l'installation ne fait pas sensiblement appel à l'énergie du convecteur électrique tant que la température de l'air à l'entrée de la pompe à chaleur est supérieure à 50C. Lorsque la température de l'air entrant devient inférieure à 50C, le convecteur électrique est mis en fonctionnement. La pompe à chaleur est de préférence du type qui fait l'objet des brevets français de la Demanderesse NO 79 07518, 79 07517, 79 07519. Les figures 3 et 4 donnent la structure interne de la pompe à chaleur. Cette pompe comporte une rangée de piles telles que P1, P2, P3 etc.... constituées chacune par un empilement alterné de thermoéléments et de conducteurs thermiques faisant partie d'échangeurs thermiques du type à eau et du type à air. Chaque étage de la pile comporte un conducteur thermique 16 du premier type constituant un échangeur thermique à eau, un thermoélément 22 d'un premier type de conductivité P ou N, un conducteur thermique 54 du deuxième type faisant partie d'un échangeur thermique à air et un thermoélément 20 d'un deuxième type de conductivité opposé au premier. Les conducteurs thermiques du type à air sont reliés à des échangeurs thermiques constitués par des ailettes 36 disposées dans les conduits verticaux 28 de circulation de l'air. Trois circuits sont connectés à ces piles, à savoir un circuit électrique 2 en courant continu, un circuit d'eau 6, 8 et un circuit d'air 28. Le circuit électrique 2 est destiné à faire traverser les thermoéléments par un courant électrique. Ces piles sont alimentées successivement en série à partir des bornes plus et moins disposées chacune à une extrémité de l'une des deux piles situées aux deux extrémités de la rangée. Une telle connexion en série permet d'obtenir une impédance acceptable de la pompe à chaleur malgré l'impédance très faible de chaque pile. Les connexions entre piles sont réalisées par des barrettes 4 disposées alternativement en partie basse et en partie haute. L'ensemble des circuits d'air de la rangée de piles est essentiellement constitué par deux conduits d'air verticaux 28 (figure 4) formant deux nappes d'air symétriques à gauche et à droite de la rangée. Il serait évidemment possible mais apparemment moins avantageux d'avoir un seul conduit d'air, disposé par exemple à l'avant de la pompe à chaleur. Chaque conduit d'air 28 est limité par une paroi verticale externe 32 et une paroi interne 34. Tout le volume du conduit 28 d'air est occupé par un ensemble de blocs d'échange thermiques constitués par des ailettes verticales présentant une grande surface d'échange thermique-avec l'air. Chacun de ces blocs fait partie d'un échangeur thermique comportant un conducteur thermique à air de la pile. Ces blocs se succèdent verticalement en regard d'une pile et horizontalement d'avant en arrière, en regard des piles successives de la rangée. Ils sont constitués d'un métal bon conducteur thermique tel que l'aluminium Ils sont fixés à la paroi interne 34 par soudure. Pour éviter qu'ils ne créent des courts-circuits électriques, ils sont séparés les uns des autres par des pièces isolantes 44. La paroi 34 est constituée par des joues latérales 38 formant les extrémités relevées de bras horizontaux 40 disposés à droite et à gauche de chaque conducteur thermique à air 54, en bon contact thermique. Ce dernier a la forme d'un cylindre plein vertical traversant le centre d'une plaque horizontale 42 et soudé à celle-ci et les deux côtés de cette plaque forment les deux bras 40 à droite et à gauche. Quatre tirants 30 aux quatre coins de chaque pile, à l'aide d'écrous 48, assurent une compression de l'empilement qui est essentiellement supportée par les joues 38, ce qui assure la rigidité de l'ensemble. Le circuit d'eau (figure 4) comporte un collecteur d'entrée 6 amenant de l'eau tiède (150C) et un collecteur de sortie 8 emmenant de l'eau refroidie (oc), ces deux collecteurs étant disposés horizontalement au-dessus et au-dessous de la rangée de piles. Les piles sont alimentées en parallèle entre ces deux collecteurs, chacune par un conduit 10 qui traverse en série tous les conducteurs thermiques pour eau de la pile. L'extrémité inférieure de ce conduit est située sensiblement à la verticale de son extrémité supérieure mais il présente entre les deux une forme sinueuse constituée par une succession alternée de tronçons de raccordement 12 et de tronçons d'échange thermique 14. Chaque tronçon d'échange thermique est disposé dans un plan horizontal dans un conducteur thermique à eau 16 qui fait partie de la pile et transmet directement la chaleur entre l'eau et les thermoéléments de la pile. La pompe à chaleur du type eau-air fonctionne thermiquement entre l'eau chaude arrivant par le conduit 6 et l'air qui lèche les ailettes- traversant les conduits d'air verticaux 28. L'air constitue la source chaude et est chauffé grâce au refroidissement de la source froide constituée par l'eau. Le dispositif de régulation 27 est de préférence du type à thyristors, il est commandé par une sonde thermostatique d'ambiance, et par une sonde thermostatique placée sur le circuit d'eau sortant de la pompe, il assure la régulation en puissance de la pompe à chaleur en agissant sur la valeur du courant traversant les thermoéléments. Il commande éventuellement la mise en marche du chauffage d'appoint (23) en fonction des mêmes données. On peut également utiliser une régulation par tout ou rien pour assurer la régulation en puissance de la pompe à chaleur. L'installation selon l'invention présente les avantages suivants - elle n'utilise que des éléments statiques ( à l'exception du ventilateur de la ventilation mécanique) ce qui lui assure une longévité et une fiabilité comparables à celles des convecteurs électriques à effet Joule. - elle procure des économies d'énergie ; en effet elle permet d'obtenir un coefficient de performance énergétique très supérieur à 1 par rapport à l'utilisation de convecteurs électriques, ce coefficient variant de 1,5 à 5 suivant les écarts de température entre l'extérieur et l'intérieur. - elle est confortable, car elle ne nécessite aucun réglage et s'adapte à la régulation du chauffage pièce par pièce. - les éléments de chauffage peuvent être répartis dans les différentes pièces du local et produire la chaleur là où elle est nécessaire, chaque pompe à chaleur comportant son dispositif de régulation propre réglable. - l'air extrait est toujours disponible sur place, ce qui n'est pas le cas général lorsqu'une installation de chauffage par pompe à chaleur fait appel à de l'eau, comme source froide, prise dans un milieu extérieur. - l'air extrait est à température constante et élevé ce qui réduit le dimensionnement de l'échangeur intermédiaire, donc son coût. - chaque pompe à chaleur utilise comme source froide de l'eau à température sensiblement constante (environ 150C), ce qui permet de choisir un bon rendement pour les pompes à chaleur fonctionnant à cette température. - les pompes à chaleur décrites peuvent être construites en grande série sous forme de modules de petite capacité et de faible encombrement. On peut installer une pompe à chaleur dans une petite pièce et deux dans une grande pièce. La fabrication en grande série permettra une grande réduction des coûts de production. L'apport d'énergie d'appoint est fonction des déperditions calorifiques du local et par suite de la qualité de son isolation. Mais l'installation selon l'invention du fait qu'elle permet essentiellement de récupérer les calories rejetées à l'extérieur du local par la ventilation, est valable également pour l'habitat ancien dont l'isolation est moins poussée. La mise en oeuvre de l'invention permet de réaliser une installation comportant des éléments de transfert de chaleur compacts ne présentant pas un encombrement plus important qu'une installation de chauffage conventionnelle par radiateurs à eau chaude ou une installation de chauffage électrique par convecteurs électriques. En résumé : une installation par pompe à chaleur à thermoéléments selon l'invention présente les quatre avantages importants suivants Silence, absence d'entretien, régulation pièce par pièce, comptage individuel. Il va de soi que l'invention ne saurait être limitée à l'exemple qui en a été donné à titre illustratif, mais comprend toute variante reprenant avec des moyens équivalents la définition générale de l'invention telle que revendiquée. Notamment pour récupérer les calories rejetées à l'extérieur par l'échangeur E et améliorer le rendement de l'installation, on pourrait utiliser une pompe à chaleur intermédiaire au lieu de l'échangeur. REVENDICATIONS 1/ Installation de chauffage de locaux comportant une ventilation mécanique caractérisée en ce que, pour permettre la récupération des calories de l'air extrait des locaux par la ventilation mécanique, elle comporte - un échangeur intermédiaire air-eau placé sur la circuit d'extraction de l'air vicié, - au moins une pompe à chaleur à thermoéléments du type eau-air dans les pièces du local à chauffer, placée devant une entrée d'air frais, - et un circuit d'eau à basse température reliant l'échangeur intermédiaire aux différentes pompes à chaleur du local. 2/ Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le circuit d'eau de transport de chaleur est à une température plus basse que la température ambiante des pièces. 3/ Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les pompes à chaleur à thermoéléments sont montées en parallèle sur le circuit de distribution d'eau. 4/ Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque pompe à chaleur comporte un système de redressement du courant, incorporé, pour l'alimentation des éléments thermoélectriques de la pompe à chaleur. 5/ Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que le système de redressement est disposé à la base de la pompe à chaleur dans un circuit d'air recyclé de la pièce. 6/ Installation selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une pompe à chaleur comprenant des piles de thermoéléments (P1, P2, P3) formant une rangée, chaque pile (P1) étant composée de plusieurs étages. 7/ Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte - d'une part au moins une pile (P1) d'éléments électriquement non isolants superposés en bon contact électrique et thermique, cette pile étant formée de plusieurs étages comportant les quatre éléments suivants -- un thermoélément (20) d'un premier type de conductivité - un conducteur thermique (54) d'un premier type, - un thermoélément (22) du deuxième type de conductivité opposé au premier, - et un conducteur thermique (16) d'un deuxième type, - ce dispositif comportant d'autre part des connexions électriques (2, 4) aux deux extrémités de la pile pour faire passer un courant électrique à travers ces éléments en série, - un circuit d'air (28) pour la circulation d'un premier fluide caloporteur, - un circuit d'eau (10) pour la circulation d'un deuxième fluide caloporteur liquide, ce circuit étant constitué par un conduit traversant en série les conducteurs thermiques du deuxième type des étages successifs de la pile, les tronçons de ce conduit traversant ces conducteurs étant des tronçons d'échange thermique (14), et étant connectés en série par des tronçons de raccordement (12) s'étendant entre deux étages successifs de la pile. - et des échangeurs thermiques d'un premier (54, 42, 40, 38, 36) et d'un deuxième (14, 16) types pour assurer le transfert de chaleur entre la pile et les fluides circulant dans ce premier et ce deuxième circuit, respectivement, les échangeurs du premier type comportant les conducteurs thermiques du premier type, les échangeurs du deuxième type étant constitués par lesdits tronçons d'échange thermique et les conducteurs thermiques du deuxième type, 8/ Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que les conducteurs thermiques du premier type (54) sont munis de bras latéraux (40) portant des ailettes de refroidissement (36). 9/ Installation selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que chaque pompe à chaleur comporte un dispositif de régulation propre permettant d'obtenir une régulation de température indépendante pièce par pièce. 10/ Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que le dispositif de régulation assure une régulation en courant de la pompe à chaleur à partir d'une sonde thermostatique d'ambiance et de la température de sortie d'eau de la pompe. 11/ Installation selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que les pompes à chaleur comportent une résistance chauffante d'appoint incorporée dans un logement intérieur à la pompe à chaleur formant convecteur électrique d'appoint. 12/ Installation selon la revendication 11, caractérisée en ce que la régulation est telle que le convecteur d'appoint n'entre en jeu qu'au moment où l'énergie calorifique fournie par la pompe à chaleur est insuffisante pour assurer la température désirée.