Brevet FR2444895A1 — publié le 19800718

La présente invention se réfère aux installations de chauffage utilisant ce qu'on appelle une pompe à chaleur. On sait qu'une pompe à chaleur est une machine qui, prélevant de la chaleur à partir d'une source "froide" à température relativement basse, la restitue sous forme "anoblie" à une source "chaude" se trouvant à une température plus élevée. Dans le cas d'une installation de chauffage la source froide peut être constituée par de l'eau ou de l'air, par exemple à une température se situant entre 5 et 100 C, la chaleur prélevée étant restituée à la source chaude vers 40-60 C. Un inconvénient des pompes à chaleur ainsi utilisées réside dans le fait que même quand la source froide se trouve à une température encore supérieure à OOC, il peut parfois se former de la. glace ou du givre sur l'évaporateur destiné à absorber de la chaleur à partir de cette source. Comme une telle couche de glace ou givre constitue en pratique un revêtement isolant, la pompe cesse alors de fonctionner correctement et l'on doit donc prévoir des moyens pour dégivrer l'évaporateur. Cela signifie notamment ou bien qu'on doit arrêter l'installation assez longtemps pour que le dégivrage siopère de lui-même, soit qu'on consent une perte d'énergie pour réchauffer l'évaporateur (par résistances électriques, inversion du cycle thermique, etc...) en mettant en outre en oeuvre un appareillage supplémentaire compliqué. Conformément à l'invention l'on évite cet inconvénient en associant à la pompe à chaleur une source de chaleur classique ainsi que des moyens qui, lorsque la température de la source froide descend jusqu'à atteindre un seuil déterminé correspondant au risque de givrage, arrêtent la pompe et mettent en marche la source de chaleur classique, et inversement. Dans le cas le plus fréquent où le chauffage est assuré par l'intermédiaire d'une circulation d'eau ou analogue (chauffage dit "central"), on prévoit de faire passer en série l'eau provenant des radiateurs dans un échangeur de chaleur formant condenseur de la pompe à chaleur (source chaude de celle-ci) et dans une chaudière à mazout ou à gaz équipée d'une veilleuse ou d'un système d'allumage automatique. Suivant une autre caractéristique de l'invention l'on prévoit des moyens auxiliaires propres à mettre en marche la chaudière ou autre source de chaleur classique de préférence à la pompe à chaleur toutes les fois que, tenant compte des caractéristiques de ces deux appareils et des colts respectifs des sources d'énergie qu'ils utilisent (en général électricité pour la pompe et combustible fossile pour la chaudière ou équivalent), cette chaudière est plus économique que la pompe.On sait en effet que le prix de revient du chauffage par pompe à chaleur dépend - du coût de l'énergie électrique, lequel est souvent variable en raison de l'existence de tarifs préférentiels (tarif de nuit, par exemple) - du coefficient d'amplification de la pompe, c'est-à-dire du rapport entre l'énergie qu'elle fournit à la source chaude et celle nécessaire à son entrarnement, lequel coefficient diminue rapidement quand augmente l'écart entre les températures des deux sources. Grace aux moyens auxiliaires précités on peut tenir compte de ces divers facteurs et assurer ainsi la marche de l'installation dans les conditions les plus économiques. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer. La figure unique de ce dessin montre schématiquement une installation suivant l'invention. L'installation de chauffage central représentée comprend un certain nombre de radiateurs, convecteurs ou appareils à eau chaude analogues 1 montés en parallèle dans une canalisation 2 pourvue d'une pompe de circulation 3. Sur cette canalisation sont interposées en série deux sources de chaleur. La première est le circuit froid 4 d'un échangeur 5 formant condenseur de la pompe à chaleur (c'est-à-dire la source chaude de celle-ci). La seconde est le corps de chauffe 6 d'une chaudière 7 équipée d'un bûleur 8 propre à être alimenté en combustible gazeux cu liquide. On supposera qu'au brtleur 8 sont associés des dispositifs appropriés de vannes et/ou pompes et d'allumage, de manière telle qu'il suffise d'un signal électrique pour mettre la chaudière en marche ou pour l'arrêter. La pompe à chaleur elle-même comprend un moto-compresseur 9 (fonctionnant à l'électricité) et qui, par une canalisation 10, refoule un fluide frigorigène dans le circuit chaud 11 de l'échangeur ou condenseur 5. De là ce fluide traverse un serpentin de surchauffe 12 et arrive à un détendeur 13 relié à un évaporateur 14 jouant le r8le de source froide. De ce dernier il parvient à une bouteille 15 dans laquelle le serpentin 12 est enfermé, puis il revient au compresseur 9 après avoir été légèrement réchauffé par le serpentin. L'evaporateur 14 est chauffé de toute manière appropriée, par exemple par de l'eau provenant d'une source ou d'une nappe, et qui arrive par 16 à une pompe de circulation 17, laquelle l'envoie au circuit correspondant de l'évaporateur d'où elle s'échappe par 18. Bien entendu l'on peut egalement assurer ce réchauffage par l'air extérieur. Le fonctionnement d'une telle pompe à chaleur est bien connu et on ne le rappellera donc que très brièvement en supposant la chaudière 7 hors d'action : Le fluide frigorigène (un hydrocarbure chloro-fluoré, par exemple) sort du compresseur 9 sous haute pression et à température élevée. I1 se refroidit et se condense sous forme liquide dans le condenseur 4 en cédant sa chaleur à l'eau du chauffage central de la canalisation 2, puis le liquide achève de se refroidir dans le serpentin 12 en réchauffant quelque peu le fluide gazeux provenant de l'évaporateur 14 (juste pour y faire dis parattre les gouttelettes liquides éventuellement entrainées). De là il traverse le détendeur 13 et se gazéifie sous pression réduite dans l'évaporateur 14 en prélevant sa chaleur d'ébullition à partir de l'eau qui y circule. Le gaz traverse la bouteille 15 et revient au compresseur. On comprend par ailleurs qu'il est possible d'arrêter la pompe à chaleur et d'assurer le chauffage de l'eau des radiateurs en faisant fonctionner la chaudière 7. En fait l'ensemble de l'installation est commandé automatiquement par un coffret électronique 19 figuré par un cadre en traits mixtes. Ce coffret doit remplir les fonctions suivantes 10 Faire fonctionner la pompe à chaleur à l'exclusion de la chaudière quand sont réunies les deux conditions suivantes - il ne peut y avoir aucune formation de givre sur le serpentin que le fluide frigorigène parcourt à l'intérieur de l'éva- porateur 14 ; - le coùt de la thermie (ou autre unité de chaleur) provenant du condenseur 5 est moindre que celui de cette même unité obtenue à partir de la chaudière 7. 20 Dans tous les autres cas arrêter la pompe et faire fonctionner la chaudière. 30 Assurer autrement le réglage de l'installation en fonction du paramètre désiré (température extérieure et/ou température du local et/ou température de l'eau de circulation sortant des ra diateurs). On a indiqué à l'intérieur du cadre représentatif du coffret 19 un schéma par blocs d'une forme d'exécution possible des circuits de celui-ci. Une sonde thermométrique 20 détecte la température de l'eau sortant de la source froide (évaporateur 14) et envoie par la ligne 21 un-signal correspondant à l'une 22 des entrées d'un comparateur 23 lequel reçoit d'autre part sur son. autre entrée 24 et par une ligne 25 un signal de seuil à partir d'un circuit 26 à bouton de reglage 27. La sortie du comparateur 23 est appliquée par une ligne 28 à l'une 29 des deux entrées d'une porte ET 30. La sortie 31 de cette dernière aboutit par une ligne 32 à l'entrée 33 d'un circuit de commande 34 qui, en l'absence de signal provenant de la porte 30, fait fonctionner la chaudière 7 par l'intermédiaire de sa sortie 35 et de la ligne 36. Lorsqu'au contraire le circuit 34 reçoit un signal, c'est sa sortie 37 qui agit par la ligne 38 pour mettre en marche la pompe à chaleur (ou plus exactement le moteur du compresseur de celle-ci). La seconde entrée 39 de la porte ET 30 reçoit par la ligne 40 le signal provenant de la sortie 41 d'un second comparateur 42 à deux entrées 43 et 44. La première reçoit par la ligne 45 un signal provenant de la sortie 46 d'un circuit 47 à bouton de réglage 48, indiquant le colt de la thermie fournie par la chaudière 7 (éventuellement en fonction du coût du combustible). Quant à la seconde entrée 44, elle reçoit par la ligne 49 un signal provenant de la sortie 50 d'un circuit ou mini-ordinateur 51 qui calcule le coût de la thermie fournie par la pompe à chaleur en fonction de l'écart de température entre la source froide et la source chaude, ainsi que du coût du kilowatt-heure électrique. A cet effet ce circuit comporte trois entrées 52, 53 et 54.La première est reliée par une ligne 55 à la sortie 56 d'un circuit 57 comportant deux boutons de réglage 58, 59, l'un indiquant le tarif de jour normal et l'autre le tarif de nuit ; il y est également prévu une horloge 60 qui choisit en fonction de l'heure le tarif à signaler au mini-ordinateur 51. La seconde entrée 53 est reliée par une ligne 61 à une sonde 62 propre à relever la température du fluide frigorigène à la sortie du compresseur 9, tandis qu'une ligne 63 relie la troisième entrée à une autre sonde 64 sensible à la température de ce fluide à l'entrée du compresseur.Le mini-ordinateur 51 recevant les trois données d'entrée précitées en déduit le colt de la ther mie fournie par la pompe à chaleur à l'instant consideré. Ce coût est envoyé au comparateur 42 qui émet un signal de sortie quand le coût par la pompe à chaleur est inférieur à celui par la chaudière. On comprend que lorsque la porte 30 reçoit sur ses entrées 29 et 39 les deux signaux provenant des comparateurs 23 et 42, c'est qu'il y a avantage à faire fonctionner la pompe à chaleur, ce qu'elle réalise en agissant alors sur le circuit de commande 34. Dans tous les autres cas, c'est la chaudière 7 qui est mise en action. Bien entendu le coffret 19 peut encore renfermer des circuits de réglage de type usuel commandant l'installation en fonction de tout paramètre désiré. On a schématiquement représenté à cet égard un circuit régulateur 65 à trois entrées 66, 67, 68. La première est reliée par une ligne 69 à une sonde 70 relevant la température extérieure, la seconde par une ligne 71 à une autre sonde 72 sensible à la température des locaux chauffés et enfin la troisième par une ligne 73 à une sonde 74 qui répond à la température de l'eau sortant des radiateurs ou autres.On comprend que le circuit 65 peut traiter ces diverses données de toute manière désirée et en deduire sur sa sortie 75 un signal de marche ou d'arrêt transmis par une ligne 76 à l'entrée 77 d'un circuit interrupteur 78 qui, dans l'exemple représenté, a été interposé sur les deux lignes 38 et 36 pour ne permettre la mise en action de la pompe à chaleur ou de la chaudière que lorsque cela est nécessaire. On pourrait encore faire comporter au coffret 19 des circuits de sécurité appropriés, par exemple pour bloquer l'installation en cas de manque de courant ou lors d'une défaillance quelconque. I1 doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. On comprend notamment que le schéma électronique indiqué ne constitue qu'une des nombreuses formes d'exécution possibles.On peut souvent se dispenser de calculer le coefficient d'amplification thermique de la pompe en se fixant seulement une valeur moyenne ou mieux, le déterminer par la seule température d'entrée du fluide frigorigène (sonde 62), la pression de sortie, et donc la température correspondante (sonde 64) étant maintenues constantes par un régulateur manostatique et la relation entre cette température et le coefficient d'amplification ne faisant plus intervenir que la température extérieure (sonde 70) suivant une fonction qu'on peut déterminer et représenter par une rampe ou par un circuit électronique approprié. De même d'ailleurs on peut avoir avantage à déceler le risque de givrage non pas par la température de sortie de l'eau de réchauffage de l'évaporateur (sonde 20), laquelle peut fluctuer et amorcer ainsi des pompages, mais bien par celle d'entrée de cette eau, étant noté que connaissant le débit et les conditions d'échange de chaleur on peut déterminer la valeur de cette température pour laquelle le risque en question apparait. On pourrait en certains cas prévoir de ne pas arrêter la pompe à chaleur lorsqu'il y a risque de givrage en se bornant à mettre en marche la chaudière et en comptant que de ce fait la pompe se trouvera suffisamment soulagée pour que le risque en question soit entièrement écarté, ou encore, en variante, établir deux seuils de température, savoir un premier déterminant la mise en marche de la chaudière à allure ralentie pour soulager la pompe à chaleur sans l'arrêter, et un second arrêtant cette pompe quand le risque de-givrage persiste, la chaudière fonctionnant alors à sa charge normale. R E V E N D I C A T I O N S 1. Installation de chauffage, du genre utilisant une pompe à chaleur dont la source froide (évaporateur) est constituée par un échangeur traversé par un courant d'air ou d'eau, caractériséeen ce qu'à cette pompe sont associés d'une part une source de chaleur auxiliaire classique, d'autre part des premiers moyens de commande qui, lorsque la température de la source froide descend jusqu'à atteindre un seuil déterminé correspondant au risque de givrage, mettent en marche la source de chaleur auxiliaire. 2. Installation de chauffage suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les premiers moyens de commande arrêtent la pompe à chaleur lors de la mise en marche de la source auxiliaire. 3. Installation suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, du genre dans lequel on utilise une circulation d'eau ou autre liquide pour véhiculer la chaleur, caractérisée en ce que la source chaude (condenseur) de la pompe à chaleur et le corps de chauffe de la chaudière sont montés en série sur cette circulation. 4. Installation suivant l'une quelconque des revendications qui précèdent, caractérisée en ce qu'elle comprend des -seconds moyens de commande qui, lorsque le coût de l'unité de chaleur par l'intermédiaire de la source auxiliaire est moindre que par celui de la pompe à chaleur, arrêtent cette dernière pour mettre en marche ladite source auxiliaire. 5. Installation suivant l'une quelconque des revendications qui précèdent, caractérisée en ce que les premiers moyens de commande sont placés sous la dépendance de la température du fluide qui traverse l'échangeur de la source froide pour lui fournir de la chaleur à basse température. 6. Installation suivant la revendication 5, caractérisée en ce que les premiers moyens comprennent un comparateur recevant d'une part un signal correspondant à la température du fluide fournisseur de chaleur, d'autre part un signal réglable indicatif d'un seuil déterminé. 7. Installation suivant la revendication 4, caractérisée en ce que les seconds moyens de commande comprennent un comparateur dont une entrée reçoit un signal indicateur du cotit de l'unité de chaleur fournie par la source auxiliaire, tandis que sur l'autre arrive le signal de sortie d'un mini-ordinateur qui calcule le coût de l'unité de chaleur fournie par la pompe en fonction du tarif de l'énergie électrique à l'instant considéré et éventuellement de la différence de température entre la source froide et la source chaude de cette pompe. 8. Installation de chauffage utilisant une pompe à chaleur, caractérisée en ce qu'elle comprend une source de chaleur auxiliaire susceptible d'assurer à elle seule le degré de chauffage désiré, ainsi que des moyens de commande de celle-ci et de la pompe elle mee qui ne font fonctionner cette dernière à l'exclusion de la source auxiliaire que lorsque sont remplies deux conditions a) I1 n'existe aucun risque de givrage à la source froide de la pompe à chaleur. b) Le coût de l'unité de chaleur fournie par la pompe est inférieur à celui de cette même unité fournie par la source auxiliaire.