Brevet FR2469663A1 — publié le 19810522

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CHAUFFAGE METTANT EN OEUVRE UNE POMPE A CHALEUR ASSOCIEE A UN RECUPERATEUR DE CHALEUR La présente invention, due a la collaboration de MM. n Jean-Marie LEGRE et Franchis LEORAT, concerne un procédé et un dispositif de chauffage associant de manière originale une source de chaleur sans consommation de combustibles, appelée en conséquence source gratuite, une pompe a chaleur et un echangeur récupérateur.La source de chaleur peut être constituée de maniere non limitative soit par des capteurs solaires, soit par l'eau de nappe phréatique, soit par l'eau géothermale, soit encore par un effluent liquide d'origine quelconque, tel qu'un rejet de centrale de production électrique ou un rejet industriel Le procédé s'applique chaque fois que la source gratuite permet d'élever la temperature du fluide de chauffage a un degré supérieur a la température de ce fluide après son passage dans les surfaces dissipatrices de chaleur du circuit utilisateur. D'une manière générale, on sait que l'emploi de pompes a chaleur; qui permettent communément d'obtenir des températures de retour du fluide caloporteur proches de 0 C, améliore considérablement l'effi cacité des capteurs solaires, toutes choses égales par ailleurs. De la même façon, le prélèvement d'énergie sur l'eau de nappe phréatique ou l'eau géothermale sur un effluent ou sur tout liquide chauffé, d'une façon quelconque, sera plus important avec un système associant un échangeur récupérateur et une pompe à chaleur, ce qui permet de rejeter le fluide issu de la source gratuite a une temperature plus basse qu'avec un système comprenant seulement un échangeur récupérateur.Cependant, les installations de ce genre actuellement connues soit font transiter la totalité de la chaleur puisée a la source dite gratuite par la pompe a chaleur au prix d'une dépense supplémentaire en énergie mécanique, soit mettent en oeuvre deux circuits distincts pour le chauffage, l'un classique (chauffage par radiateurs), et l'autre a basse température (chauffage par le sol). Si, dans le cas particulier d'eau corrosive ou dangereuse, ce qui est fréquemment le cas avec des effluents industriels et de l'eau géothermale, il convient de ne pas faire circuler cette eau directement dans l'évaporateur, les installations connues utilisent généralement un circuit intermédiaire avec un échangeur supplémentaire. On s'aperçoit alors que, à chute de température identique sur le fluide qui sert de source gratuite, la dépense en énergie requise par le compresseur de la pompe à chaleur est plus importante et la puissance à fournir est plus élevée parce que la température d'évaporation est plus basse du fait de la chute de température impose par 1' échangeur supplementaire. Le procédé de chauffage selon la présente invention, qui permet de remédier aux inconvénients précites et par lequel on fait circuler un fluide de chauffage a travers les éléments de dissipation d'un circuit d'utilisation, fluide préalablement réchauffé à travers un circuit extérieur exploitant l'association d'une source de chaleur sans consommation de combustible, dite source gratuite, et une pompe à chaleur dans laquelle circule en circuit fermé, entre une source chaude (condenseur) et une source froide (évaporateur) un fluide frigorigène déplace par un compresseur lui-même entraîné par un moteur, est essentiellement caractérisé en ce qu'on répartit le fluide de chauffage a travers un circuit exterieur unique formé de deux dérivations reliees en parallèle, dont la première dérivation permet de rechauffer une première fraction du débit au contact du condenseur de la pompe à chaleur et dont la seconde dérivation permet de refroidir l'autre fraction du débit au contact de l'evaporateur et en ce que cette dernière fraction absorbe directement et en totalité la chaleur récuperée sur la source gratuite disposée en aval de l'évaporateur et en amont de la jonction avec la dérivation venant du condenseur. Ainsi, on évite le transfert de chaleur en deux temps de l'art antérieur, a savoir par l'échangeur-récupérateur de la source gratuite, d'une part, et par l'évaporateur de la pompe a chaleur, d'autre part.De plus, on remarque que l'absence d'échange direct de chaleur entre le fluide de la source de chaleur et le fluide frigorigène dans le cas d'eau de nappe, d'eau géothermale, d'effluent ou de fluides provenant d'un stockage d'énergie solaire ainsi que l'absence de circulation directe du fluide frigorigène dans les capteurs solaires, s'ils sont insérés dans l'installation de chauffage, permettent de s'affranchir d'un échangeur supplémentaire qui nuirait aux performances de la pompe à chaleur. La pompe à chaleur est caractérisée par un fonctionnement en tripôle, c'est-à-dire avec un seul fluide entrant et deux fluides sortants par comparaison au fonctionnement usuel en quadripôle comportant deux fluides entrants et deux fluides sortants. Dans le cas où la source de chaleur gratuite fournit de l'énergie de façon non régulière, comme dans le cas de capteurs solaires, l'evaporateur sera avantageusement noyé dans un réservoir servant d'accumulateur, deoù le fluide du réseau de chauffage sera repris pour alimenter les capteurs solaires. L'invention sera mieux comprise a l'aide de la description suivante de deux modes de réalisation non limitatifs pour la mise en oeuvre du procedé, en référence au dessin annexé sur lequel - La figure 1 représente, sous forme schématique, une installation équipée de capteurs solaires servant de source de chaleur gratuite. - La figure 2 représente, sous forme schématique, une installation équipée dgun échangeur servant de source de chaleur gratuite, et d'une récupération supplémentaire de chaleur dans le cas ou c'est un moteur thermique qui entraîne le compresseur de la pompe a chaleur. Sur la figure 1, l'installation comporte un circuit de chauffage classique dans lequel une conduite 1 amène le fluide réchauffe vers les éléments de dissipation 2 qui peuvent être, par exemple, les radiateurs des locaux à chauffer ou un échangeur de chaleur quelconque. Le circuit de chauffage comprend, en outre, différents éléments secondaires et non représentés ici, tels que vase d'expansion ou robinets de vidange ; la conduite de sortie 3 débouche sur une vanne trois-voies thermostatique 4 à partir de laquelle le fluide de chauffage est divisé en deux parties. par une conduite 5, une première partie du fluide va vers le condenseur 6 de la pompe à chaleur 7 ou il se réchauffe.Par une conduite 8, l'autre partie du fluide va vers l'évaporateur 9 de cette même pompe à chaleur 7, qui comprend en outre un compresseur 10 entraîné par un moteur 11 électrique ou thermique. Dans un circuit ferme 26, le compresseur comprime le fluide frigorigène vers le condenseur 6 à la sortie duquel le fluide traverse un détendeur 12 pour alimenter ensuite l'evapora- teur 9. Après gazéification dans l'évaporateur, le fluide frigo rigène est aspiré par le compresseur 10 pour recommencer un nouveau cycle. Dans le cas particulier de l'installation décrite, l'évaporateur 9 est, de préférence9 noyé dans un réservoir tampon 13 de fluide de chauffage à la sortie duquel le fluide est évacue à travers une canalisation 14 et une pompe 15 (à moins que l'évacuation ne se fasse par gravité) pour être dirigé ensuite vers la source de chaleur 16 dite source gratuite. Sur la figure 1, cette source est constituee par des capteurs solaires qui permettent l'échauffement du fluide précédemment refroidi par son passage dans l'évaporateur 9. Cette source peut encore être un echangeur traitant, par exemple, -l'eau géothermale ou l'eau de nappe phréatique, ou encore être constituée par le stockage d'un fluide lui-même réchauffé, par ailleurs, par un procéde quelconque. A sa sortie de la source gratuite, le fluide de chauffage est ensuite envoyé, par une canalisation 17, vers une unité de stockage 18 ; il y est repris à sa sortie par une pompe 19 et rejoint, par une canalisation 20, la première partie du fluide qui a traversé le condenseur 6 et qui est amenée par une canalisation 21. A partir de cette jonction, l'ensemble du fluide de chauffage rejoint à nouveau les surfaces dissipatrices 2 par la conduite 1. Sur la conduite 1 est placée une autre vanne trois-voies thermostatique 22, pilotée par tout système détectant des besoins de chauffage supplémentaires, bien que la pompe à chaleur fonctionne au maximum de ses possibilités, par exemple au moyen d'une sonde 23 détectant la température du fluide à la sortie des surfaces dissipatrices 2 et transmettant l'information par le conducteur 27. La vanne 22 permet de deriver une partie du fluide de façon que ce dernier reçoive un chauffage d'appoint dans une chaudière 24 montée en parallele sur la canalisation 1. De la même manière, la vanne trois-voies 4 est pilotée par une-sonde 25 située dans l'unité de stockage 18 du fluide réchauffé et transmettant son information par le conducteur 28.Cette sonde permet de réguler la fourniture d'energie par la source de chaleur gratuite lorsque-cette source de chaleur est seule à fournir de l'énergie pour le-chauffage. En effet, la vanne 4 permet d'obtenir une modulation du débit de fluide dans la conduite 8, dans une fourchette comprise entre 0 % et un maximum-xMAX (en %) inférieur à 100 %, c'est-à-dire que, pour cette position d'ouverture limite de la vanne 4, cette dernière laisse passer vers le condenseur 6 une fraction complémentaire minimale (1-xMx3 et constante lorsque la pompe à chaleur est en fonctionnement. Bien entendu, cette fraction est fonction des caractéristiques de la pompe à chaleur et, en particulier, des températures limites admises par le fluide frigorigène dans l'évaporateur et dans le condenseur. I1 faut notamment que le débit minimal soit suffisant pour évacuer la chaleur dégagee dans le condenseur dans les conditions de fonctionnement nominales de la pompe à chaleur sans toutefois dépasser une température limite de condensation impose par des contraintes techniques et économiques. Lorsque la vanne 4 a atteint cette position limite et que les besoins de chauffage continuent à croître, ce qui est connu grâce a la sonde de température 25, la pompe à chaleur 7 est mise en fonctionnement par le signal emis par la sonde 25 et transmis par un autre conducteur 29 au moteur 11 du compresseur. Cette opération permet un accroissement de la fourniture de chaleur puisque le rendement de fourniture de chaleur par la source chaude gratuite est améliore par le fait que la température d'entrée du fluide dans la canalisation 14 est plus faible et grâce à la récupération, au niveau du condenseur, de l'énergie mécanique dépensée pour faire fonctionner la pompe à chaleur, en plus de l'énergie prélevée au niveau de l'évaporateur. La pompe à chaleur 7 peut fonctionner soit en tout ou rien, auquel cas la regulation de la fourniture d'énergie se traduit par un fonctionnement intermittent de la pompe mais à pleine puissance, soit de façon modulée, auquel cas la régulation de la fourniture d'énergie se traduit par un fonctionnement permanent de la pompe avec modulation continue ou non de la puissance de compression. La modulation continue est réalisable avec un moteur électrique ou thermique par variation de la vitesse en fonction de l'information fournie par la sonde de température 25.Dans une version elaborée, la vitesse varie jusqu'à ce que la température dans le stockage 18 atteigne une valeur de consigne fonction de la température extérieure tandis que, dans une version simplifiée, cette valeur de consigne est fixée une fois pour toutes. Lorsque la pompe à chaleur fonctionne au maximum de ses capacités, c'est- -dire lorsque l'ensemble constitué par la pompe à chaleur et la source gratuite associée fournit le maximum d'énergie possible, tout besoin supplémentaire de chaleur se traduit par une action sur la vanne 22 pilotée par la sonde de température 23, comme expliqué ci-dessus. Ainsi, la fourniture d'énergie pour les besoins de chauffage est satisfaite par ordre de priorité décroissante par la source gratuite 16 fonctionnant seule, par la source gratuite associée au fonctionnement de la pompe a chaleur 7 et enfin par le groupement précédent associé au fonctionnement de la source de chaleur d'appoint 24. Dans la variante schématisée sur la figure 2, la fraction du fluide de chauffage, a sa sortie de la pompe 15, va s'échauffer dans un échangeur 30 en prenant la chaleur d'un fluide 31 qui se refroidit. Par la canalisation 17, cette fraction du fluide de chauffage va rejoindre la premiere fraction du fluide amenée par la canalisation 21 après avoir traversé successivement le condenseur 6 puis un autre échangeur 32 récupérant, par un fluide circulant dans une canalisation 33, une partie des chaleurs fatales du moteur thermique Il utilisé pour entraîner le compresseur 10, csest- -dire des chaleurs dégagées par le moteur, notamment dans l'échappement et dans le circuit de refroidissement, ce qui est particulierement intéressant dans le cas d'un moteur fonctionnant au gaz comme combustible principal. la sonde de température 25 est située, cette fois, dans la canalisation 17 mais, comme dans le cas précédent, elle pilote la vanne trois-voies 4 lorsque la pompe a chaleur 7 est a l'arret et pilote le fonctionnement de la pompe a chaleur lorsque la vanne trois-voies est réglée en position fixe telle que la fraction du débit du fluide de chauffage allant vers le condenseur 6 est minimale. Le reste du circuit est par ailleurs conforme a la figure I. Bien entendu, il est possible d'imaginer d'autres variantes de réalisation de l'installation répondant au procédé selon l'invention, en modifiant les schémas de la figure 1 ou de la figure 2 pour obtenir les fonctionnements suivants - avec ou sans unité de stockage 18. - avec ou sans circuit 32, 33 de récupération des chaleurs fatales, dans le cas d'un moteur thermique 11. - sans réservoir tampon 13 mais avec un stockage séparé non repré senté) disposé entre 11 évaporateur 9 et la source gratuite 16. - avec un stockage supplémentaire (non représenté) disposé entre le point de jonction des canalisations 20, 21 et la vanne trois voies 22, ce stockage permettant de diminuer le nombre de démarrages du moteur 11. REVENDICATIONS 1 - Procédé de chauffage par lequel on fait circuler un fluide de chauffage à travers les éléments de dissipation d'un circuit d'utilisation, fluide préalablement réchauffe à travers un circuit extérieur exploitant 1'association d'une source de chaleur sans consommation de combustible, dite source gratuite, et une pompe à chaleur dans laquelle circule, en circuit fermé entre une source chaude (condenseur) et une source froide (évaporateur), un fluide frigorigène déplacé par un compresseur lui-même entraîné par un moteur, caractérisé en ce quaon répartit le fluide de chauffage à travers un circuit e terieur unique formé de deux dérivations (5, 8) reliees en parallèle, dont la première dérivation (5) permet de réchauffer une première fraction du débit au contact du condenseur (6) de la pompe à chaleur et dont la seconde dérivation (8) permet de refroidir l'autre fraction du débit au contact de l'évaporateur (9) et en ce que cette dernière fraction absorbe directement et en totalité la chaleur récupérée sur la source gratuite (16) disposée en aval de l'evaporateur (9) et en amont de la jonction avec la dérivation venant du condenseur (6). 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce dugon récupère, en outre, les chaleurs fatales du moteur thermique (11) entraînant le compresseur (6) de la pompe à chaleur pour réchauffer encore la fraction du fluide circulant dans la première dérivation (5) au moyen d'un second échangeur-recuperateur (32) disposé en aval du condenseur (6) mais en amont de la jonction avec la dérivation venant de l'évaporateur (9). 3 - Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on fournit une chaleur d'appoint au fluide de chauffage au moyen d'une source conventionnelle (24) à consommation de combustible montee en parallèle sur la canalisation (1) reliant les sorties (20, 21) des deux dérivations à l'entrez des éléments de dissipation (2). 4 - Procedé selon les revendications l à 3, caractérisé en ce que la fourniture d'énergie pour les besoins de chauffage est satisfaite par ordre de priorité décroissante par la source gratuite (16) fonctionnant seule, par la source gratuite associée au fonctionnement de la pompe à chaleur (7) avec récupération éventuelle des chaleurs fatales dans l'échangeur (32) et enfin par le groupement précédent associé au fonctionnement de la source de chaleur d'appoint (24). 5 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la répartition des fluides vers le condenseur (6) et vers l'évaporateur (9) est réalisée au moyen d'une vanne trois-voies (4) thermostatique pilotée par la température du fluide de chauffage mesurée par une sonde (25) disposée sur la canalisation (17) à la sortie de la source gratuite (16). 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la température du fluide est mesurée à l'intérieur d'une unité de stockage (18) du fluide chaud, disposée sur la seconde derivation en aval de la source gratuite (16) et en amont de lâ jonction avec la première dérivation. 7 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse du moteur d'entrai- nement (11) du compresseur (10) et donc l'énergie fournie par la pompe à chaleur (7) est asservie à la même température que celle qui est mesuree par la sonde (25) dans les conditions des revendications 5 ou 6. 8 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le débit de la source d'appoint (24) peut être modulé, notamment au moyen d'une autre vanne trois-voies (22) thermostatique, pilotée par la température du fluide de chauffage mesurée par une sonde (23) sur la canalisation (3) à la sortie des éléments de dissipation (2). 9 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérise en ce que la source de chaleur gratuite (16) est un échangeur de chaleur (30) récupérant les calories d'un -effluent liquide (31) d'origine quelconque. 10 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'échangeur (30) est alimenté par un capteur solaire à circulation de fluide. pour la mise en oeuvre du procédé 11 - DispositifLSelon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'évaporateur (9) de la pompe à chaleur est noyé dans un réservoir (13) servant d'accumulateur d'où le fluide du réseau de chauffage est repris pour alimenter la source gratuite (16). 12 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revend il cation 1 caractérisé en ce qu'une unité de stockage est disposée sur la seconde dérivation entre l'évaporateur (9) et la source gratuite (16). 13 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une unité de stockage est disposée entre la jonction des canalisations (20, 21) et la vanne troisvoies (22).