Brevet FR2469678A1 — publié le 19810522

La présente invention est relative à des perfectionnements apportés aux installations frigorifiques. Elle se propose dtapporter des moyens permettant de réduire, dans une proportion très importante, la puissance frigorifique installée. On saint que la minorationdes puissances installées peut atteindre 80 % des puissances nominales normalement installées pour répondre aux conditions normales dtexploitation. Dans le domaine du conditionnement de l'air, la puissance frigorifique à installer doit prendre en compte les facteurs suivants a) les charges calorifiques internes qui peuvent être notamment: léclairage, l'occupation des locaux, les machineries de toute nature, et la quantité de chaleur correspondant a la dissipation dansl'ambiarLce dune certaine quantité de matériaux appartenant a cette ambiance ou qui y sont introduits à une chaleur totale donnée, pour ramener ces matériaux à la chaleur totale réclamée par l'ambiance; b) les charges calorifiques externes:: notamment la quantité de chaleur absorbée par conduction au travers des parois entre l'extérieur et lgambian- ce et la quantité de chaleur transmise par rayonnement dans l'ambiance; c) la charge calorifique correspondant au refroidissement de la quantité d'air neuf nécessaire, depuis la chaleur totale de l'air extérieur jusqugàla chaleur totale de l'air exigée par l'ambiance. L'ensemble de ces charges est essentiellement variable durant unie journée de 24 heures et la puissance frigorifique installée doit faire face à la puissance instantanée maximale réclamée par la combinaison des facteurs de charge mentionnés ci-dessus. Si par exemple la combinaison de ces facteurs montre que l'installa- tion frigorifique doit fournir une puissance instantanée maximale de 500.000 frigories/heure, Zapuissance installée doit être égale à aumoins 500. 000 frigories/heure. Si on prend pour exemple un immeuble de bureaux pour lequel la combinaison de l'ensemble des facteurs de charges mentionnés ci-dessus nécessite l'installation de 500. 000 Fg/h, lYexpérience montre que la puissance journalière maximale nécessaire à assurer une climatisation convenable des bureaux n'est pas 500. 000 x 24 = 12. 000. 000 Fg/h mais plutôt 500.000 x 6 = 3. 000.000 Fg/h étant donné que la puissance totale journalière à fournir auxlocaux correspond en fait à un fonctionnement àpleine puissance de l'installation ainsi définie pendant 6 heures.En effet: a) les charges internes varienten fonction de la durée d'occupation des bureaux (de l'ordre de 8 à 10 heures/jour); b) les charges externes journalières (conduction * rayonnement) sonttrès inférieures au maximum instantané ayant servi de base à la définition de la puissance à installer; c) la charge calorifique journalière consécutive à ltintroductiond'air neuf est très inférieure au maximum instantané qui a permis de définir la puissance installée, a fortiori cet apport d'air neuf ntexiste pas quandles bureaux ne sont plus en exploitation. La présente invention se propose donc dtapporter une installation de production frigorifique répondant aux deux exigences suivantes: a) fournir, d'une manière instantanée si nécessaire, la puissance maximale exigée par l'installation (dans exemple mentionné ci-dessus, cette puissance est donc de 500. 000 frigories/heure ); b) fournir, à partir d'une installation fonctionnant 24 heures sur 24, la puissance journalière totale maximale demandée par ltinstallation (dans ltexemple choisi ci-dessus, cette puissance journalière est égale à 3. 000. 000 frigories). On voit qu'en tenant compte de ces deux exigences une installation frigorifique, correspondant à Exemple choisi, devrait fournir uneproduction horaire de 3. 000. 000 = 125. 000 frigories/heure 24 Pour parvenir àun tel résultat, I'invention se propose de stocker les frigories 24 heures sur 24 et de les redistribueraumoment voulu, en fonction de la demande de ltinstallation Cette invention concerne donc une installation frigorifique conçue de façon à fournir en fonctionnant 24 heures sur 24 une puissance journalière totale maximale correspondant à la puissance journalière exigée par l'installation et comportant des moyens de stockage des frigories produites, celles-ci étant redistribuées en fonction des besoins, la capacité de stockage étant choisie de façon que l'installation fournisse dune manière instantanée la puissance instantanée maximale exigée parles charges de l'installation. Selon une caractéristique de cette invention, le stockage de lténergie frigorifique s'effectue en milieu salin, en utilisant de préférence des sels hydratés et en particulier un hydrate de soude qui pré sente la particularité d'avoir une forte chaleur latente de fusion (60 à 7Okcal/lître) àune température de +6"C. Ainsi un tel sel hydraté suivant qu'il fondra (décharge du moyen de stockage vers l'utilisation de frigories) ou qu'il cristallisera (charge du moyen de stockage à partir de l'installation de production de frigories), fournira ou emmagasinera 60 à 70kcal/litre, sans modification de sa température propre qui restera égale à 6"C. Selon une autre caractéristique de cette invention, le fluide caloporteur est de l'eau, tant au niveau de la charge du moyen de stockage qutà celui de la décharge de ce moyen, étant bien entendu que l'on peut utiliser tout autre milieu caloporteur. Selon l'invention, la charge du moyen de stockage s'effectue par ltin- termédiaire d'une boucle de caloporteur qui comprend pour l'essentiel une pompe de circulation, un évaporateur échangeur dont le primaire est un fluide frigorigène du type "fréon" dont la température d'évaporation e-st légèrement supérieure à +0 C (par exemple +0, 5"C) et dont le secondaire est le caloporteur. Selon l'invention, la décharge du moyen de stockage s'effectue simultanémentà la charge si besoin est, par l'intermédiaire dune boucle de caloporteur qui comprend pour l'essentiel, une pompe de décharge et un ensemble d'échangeurs secondaires. L'installation mentionnée ci-dessus, objet de cette invention, peut etreutilisée en pompe à chaleur, en vue d'assurer le chauffage des bâtiments. A cet effet, les moyens de stockage selon l'invention sont chargés notamment par les frigories consommées à ltintérieur des bâtiments et par la chaleur récupérée sur les extracteurs d'air de ces bâtiments avec interposition sur cet air rejeté de batteries froides, les moyens de stockage ainsi chargés étant exploités en tant que charge fictive surltévaporateur du compresseur frigorifique qui peut alors, côté condenseur, redistribuer les calories puisées dans les moyens de stockage. D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressortiront de la description faite ci-après en référence au dessin annexé qui en illustre des exemples de réalisation et d'application. Sur le dessin: la figure 1 est une représentation schématique d'une installation frigorifique selon l'invention; la figure 2 représente, de façon schématique, une installation selon lSinvention utilisée en pompe à chaleur; et la figure 3 illustre schématiquement une variante de la pompe à chaleur de la figure 2. En se référant à la figure 1, on y a représenté de façon schématique une installation frigorifique selon l'invention. Celle-ci comporte un moyen de stockage S, une boucle de charge C de ce moyen de stockage et une boucle de décharge D. Ainsi qu'on l'a précisé ci-dessus, le stockage des frigories est réalisé par l'utilisation d'un sel hydraté, de préférence d'un hydrate de soude conditionné, dans le moyen de stockage de façon à obtenir une grande sur - facedtéchange, vis-à-vis du caloporteur utilisé, dès lorsque les écarts de température avec ce caloporteur sont faibles. L'échangeur -accumulateur utilisé dans le moyen de stockage ne faisant pas partie de cette invention, ne sera pas décrit ici. Pour la boucle de charge C ou pour celle de décharge D on peut utiliser tout caloporteur voulu, par exemple de l'eau. Dans cet exemple de réalisation, la charge du moyen de stockage S s'effectue par l'intermédiaire d'une boucle d'eau C qui comprend essentiellementune pompe P de circulation d'eau glacée et un évaporateur échangeur E couplé à un compresseur C, dont le primaire est un fluide frigorigène du type "Fréon" présentant une température dtévaporation 1 égèrement supérieure à +0 C, par exemple + 0, 5 C, et dont le secondaire est de liteau, cette température d'évaporation étant choisie afin d'éviter tout risque de gel du caloporteur secondaire. La surface d'échange de l'évaporateur E est dimensionnée de façon qu'au débit nominal prédéterminé, le caloporteur sortant de cet évaporateur présente une température comprise entre +3 C et +4 C (sur la figure 1 on a indiqué une température de +3 C). La pompe de circulation P pulse liteau à 6 C en provenance du moyen de stockage S vers l'évaporateur échangeur E, où elle ressortàunetem- pérature comprise entre 3 et 4 C. Dans le moyen de stockage S, où elle circule sous l'action de la pompe P, cette eau cède, en circulant autour des échangeurs, une quantité de frigories égale dans cet exemple à 6 - 3 = 3 kcal/litre. Simultanément à la charge, si besoin est, la décharge du moyen de stockage S s'effectue par par l'intermédiaire d'une boucle d'eau D qui comprend une pompe de décharge A et un ensemble d'échangeurs secondaires B. Dans l'exemple considéré plus haut, la puissance totale de cet ensemble d'échan- gaurs secondaires serait de 500. 000 frigories/heure. Dans cet exemple non limitatif, le caloporteur est puisé dans le moyen de stockage S à une température de +6"C, et il est ramené par la pompe A, dans ce moyen de stockage saune température comprise entre 6 et 110C suivant que la charge calorifique de l'installation est égale à 0 ou 500.000 frigories/heure. Le caloporteur (qui peut être de l'eau ainsi qu'on l'a déjà précisé) réintroduit dans le moyen de stockage Sà une température comprise entre +6 et +il'C, puisera dans ce moyen de stockage Sles frigories nécessaires pour ressortir à l'aspiration de la pompe A à une température égale à +6 C. On mentionne plus haut que le stockage des calories s'effectuait en milieu salin, en utilisant des sels hydratés. On peut sans sortir du cadre de ltinvention utiliser un autre milieu de stockage à forte chaleur latente de fusion, par exemple de l'eau, qui présente une chaleur latente de fusion de 80 kcal/litre et qui est moins coûteuxque l'hydrate de soude. Cette variante de l'invention necessitera alors une température du caloporteur de la boucle de charge inférieure à 0 0C afin de maintenir un écart de température minimum entre ledit caloporteur et le stockage qui cristallisera à 0 C. Bien entendu dans cette variante il est nécessaire que lleau utilisée comme fluide caloporteurdans les boucles de charge C et de déchargeD soit additionnée d'unantigel,par exemple de glycol, étant donné que ces boucles sont continues sur le plan hydraulique. Afin de mieux faire ressortir les avantages, sur le plan économique, apportés par les perfectionnements objets de cette invention, on a donné ciaprès un exemple concret de prix de revient et de coût de fonctionnement d'une installation conforme à l'invention, chiffrés à la date de dépôt de la présente demande, à partir des coutsAlém,entaires suivants 1 - court d'une centrale de production frigorifique = 1 franc la frigorie 2 - court de l'énergie électrique d'été: a) heures pleines : 15, 4 centimes le kWh b) heures creuses : 9, 65 centimes le kWh 3 - codt de l'énergie électrique d'hiver a) heures de pointe : 40, 2 centimes le kWh b) heures pleines : 23, 2 centimes le kWh c) heures creuses : 11, 2 centimes le kWh Exemple choisi est celui dtun immeuble de bureaux dont ona défini les besoins maximaux comme étant égauxà 500.000 frigories/heure (puissance maximale instantanée). I - INVESTISSEMENT 1. - Solution traditionnelle Coût de l'investissement de la centrale de production 500. 000 x 1 fr =500.000 francs 2. - Solution selon l'invention A) Coût de la centrale de production - puissance nominale des compresseurs frigorifiques Ainsi qu'on 11a indiqué dans le préambule de cette description, cette puissance correspond à un fonctionnement à pleine puissance de l'installa- tion pendant 6 heures; elle est dorc égale à 500 .000 frigories x 6 heures = 3.000.000 frigories/jour. Soit sur 24 heures pour un fonctionnement continu 3. 000. 000 = 125. 000 frigories/heure. 24 Coût de l'investissement de la centrale de production selon Irinven tion: 125.000 x 1 fr = 125.000 francs B - Coût des moyens de stockage: - Définition de la capacité de stockage La puissance non stockée et consommée directement par l'installation, Si l'immeuble de bureaux est occupé pendant 10 heures est 125.000 x 10= 1.250.000 frigories/jour Il faut donc stocker 3. 000.000 - 1. 250.000 = 1. 750.000 frigories/jour pendant 24- 10 = 14 heures. La capacité de stockage par litre étant égale en moyenne à 65 kcal, la capacité de stockage totale nécessaire à cette installation sera donc de 1.750.000#27.000 litres. 65 coût du stockage Le litre de stockage contant environ 8 francs, le coût total du moyen de stockage sera de : 27.000 x 8 = 216. 000 francs. C - Codt total de l'investissement d'une installation selon i l'invention - centrale de production : 125. 000 francs - moyens de stockage : 216.000 francs Total: 341. 000 francs L'économie de la solution selon l'invention, par rapport à une ins - tallation classique de meme puissance maximale inatantanée est donc de 500.000 - 341.000 # 160.000 francs Soit une économie d'investissement de 32 % environ par rapport au coût d'investissement d'une telle installation classique. II - COURS D'EXPLOITATION 1 - Solution traditionnelle Pour produire 500.000 frigories / heure, il faut sensiblement 500. 00D = 200 kW 2500 La consommation journalière est donc : 200 x 6 = 1200 kWh/jour soit un coût journalier de 1200x 0,154 = 185 francs. 2 - Solution selon l'invention Pour produire 125. 000 frigories/h il faut environ 125.000 = 50kW 2500 La consommation journalière est donc jour : 50 kW x 12 h = 600 kWh/jour nuit : 50 kW x 12 h = 600kWhjjour soitunedépense: jour: 600 x 0, 154= 92,4francs nuit: 600 x 0, 0965 = 57, 9 francs soit une dépense journalière totale de : 150, 3francs L'économie par rapport à la solution classique est donc de l'ordre de 20 7o. Les économies, tant en investissementsqutencotts d'exploitation, ne tiennent évidemment pas compte des économies dupplémentaires suivantes, qui viennent conforterl'intéret des perfectionnements selon l'invention a) Réduction de 75 % de la puissancedes transformatursnécessaire à l'installation (50 kW au lieu de 200 kW) b) Réduction de la prime fixe à souscrire auprès de 1tE. D. F. (50 kW au lieu de 200 kW, se traduisant par une réduction de 75% de cette prime. ) prime ) Assurance, en cas de panne de courant, de disposer dela totalité de la puissance frigorifique, par simple recours à la pompe secondaire A. L' installation selon l'invention peut être, selon une variante, utilisée en pompe à chaleur, afin d'assurer le chauffage des bâtiments. Le brevet français N" 74 35075 déposé le18 octobre 1974 décrit un système de pompe à chaleur pour conditionnement de l'intérieur de b ti- ments dit "système double boucle", qui peut être avantageusement adapté selon la présente invention. A cet effet (figure 2), le moyen de stockage S' peut être chargé par les frigories consommées àl'intérieur du bâtiment B' et parles calories récupérées sur les extracteurs d'air des bâtiments par interposition sur cet air rejeté de batteries froides alimentées en eau à 6"C. Le moyen de stockage S' peut être chargé par les frigories consommées sur despanneaux solaires L dont la température moyenne serait maintenue à une valeur comprise entre 6 et 1 1 0C et dont le rendement serait considérablement augmenté par rapport aux mêmes capteurs devant produire de l'eau chaude à 40/45 C.Le moyen de stockage S' peut être encore chargé par puisage des calories extérieures (air extérieur) dont la température est supérieure à 6 C et par tous les effluents dont la température est supérieure à 6 C. Le moyende stockage ainsi chargé, à une température égale ou supérieure à 6 C, est alors exploité en tant que charge fictive sur ltévapora- terre du compresseur frigorifique qui, côté condenseur Ct, redistribue les calories puisées dans le moyen de stockage S'.On peut alors, c6té condenseur C', exploiter une chaleur de stockage égale àla chaleur sensible du stockage pour la ramener d'une température X qui peut être égale à 40 C, à une température de +6 C augmentée de la chaleur latente du milieu de stockage (sel hydraté), soit chaleur sensible # 35 lkcalglitre chaleur latente # 65 kcal/litre chaleur totale 100 kcal/litre Traditionnellement le moteur d'entrainement du compresseur d'une installation frigorifique est ula moteur électrique M (fig. 2). Si la puissance calorifique distribuée par le condenseur C" du compresseur frigorifique (fig. 3) est insuffisante pour répondre aux be soins dthiver, on peut avantageusement entraîner le compresseur par un moteur à gaz G sur lequel on récupèrera les calories dégagées parle bloc moteur, l'huile ou les gaz brûlés. Ainsi avec un compresseur frigorifique produisant, dans exemple considéré plus haut: 125.000 frigories/heure ou 3.000.000 frigories/jour, le moteur pré sente une puissance de 50 kW. Si le moteur est un moteur électrique M (fig. 2), on dispose côté condenseur C' d'une puissance calorifique égale à 125.000 kcal/h + 50 kWh = 168.000 kcal/h. Si le moteur dXentrathementde compresseur frigorifique estun mo- teur à gaz G (fig. 3) ou un moteur alimenté en fuel et que les calories de ce moteur sont récupérées, on dispose d'une puissance calorifique sensiblement égale à: 125.000 kcal/h = 3 x 50 kWh = 254.000 kcal/h Si cette puissance s'avère insuffisante, on peut alors adapter la puissance du compresseur frigorifique aux besoins d'hiver en augmentant la puissance de ce dernier. L'excès de capacité du système en production dtété correspond alors à une sScurité complémentaire d'exploitation. On noteraqueles tours de refroidissement-T', T", destinées à éva- cuer les calories sont définies en prenant, entreautres, commeparamètre, la température maximale humide de ltair extérieur. Bien entendu, cette température varie beaucoup dans la journée et elle chute en particulier la nuit. La tour de refroidissement pourra donc être sous-dimensionnée, toutes choses égales par ailleurs. On remarquera enfin que la puissance à installer au niveau des compresseurs frigorifiques et le volume du moyen de stockage S, S', S" devront être optimisés en fonction de nombreux facteurs parmilesquels on peut notamment citer - le nombre d'heures de fonctionnement souhaité (écrêtage des heures de pointe, voire même des heures pleines); -le type d'exploitation du bâtiment où est montée l'installation; - salles de spectacle, cinéma, etc.. - immeubles de bureaux, - centres commerciaux. - securité ou redondance voulue. 1l demeure bien entendu que cette invention n'est paslimi tée aux exemples de réalisation décrits et représentés ici, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1) Installation frigorifique caractérisée en ce qu'elle est conçue de au maximum façon àfournir, en fonctionnant 24 heures sur 2ddune puissance journalière totale maximale correspondant à la puissance journalière totale maximale exigée par lXinstallation et en ce quelle comporte des moyens de stockage des frigoriesproduites (S), celles-ci étant redistribuées en fonction des besoins, la capacité de stockage étant choisie de façon que l'installation fournisse d'une manière instantanée la puissance instantanée. maximale exigée par les charges de ltinstallation. 2) Installation frigorifique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le stockage de l'énergie frigorifique steffectue en milieu salin, en utilisant de préférence des sels hydratés etenparticulierun hydrate de soude à forte chaleur latente de fusion. 3) Installation frigorifique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractériséeence que le caloporteur est de l'eau, tantau niveaudela charge du moyen de stockage (S) qutà celui de la décharge de ce moyen. 4) Installation frigorifique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la chargedumoyen de stockage (S) s'effectue par l'intermédiaire d'une boucle de caloporteur (C) qui comprend essentiellementullepompe de circulation (P), un évaporateur-échangeur (E) dont le primaire est un fluide frigorigène dont la température d'évaporation est légèrement supérieure à +0 C et dontle secondaire est constitué par ledit caloporteur. 5) Installation frigorifique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la déchargedesmoyens de stockage (S) s'effectue, simultanément à la charge sibesoin est, par 1'intermédiaire d'une boucle de caloporteur (D) qui comprend essentiellement une pompe de décharge (A) et un ensemble d'échangeurs (B) 6) Installation frigorifique selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisée en ce que les boucles de charge etdedécharge sont continues sur le plan hydraulique. 7) Installation selon l'une quelconque des revendications 1, 3 à 6, caractérisée en ce que le stockage de l'énergie frigorifique est effectué avecde l'eau dont la chaleur latente de fusion est de 80 kcal/litre etla température de cristallisation de 0 C, le caloporteur étant additionné d'un antigel, tel que glycol. 8) Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, appliquée en pompe à chaleur en vue d'assurer le chauffage des bâtiments, caractérisée en ce que les moyens de stockage (S', S") sont chargés notamment par les frigories consommées à l'intérieur des bâtiments, par la chaleur récupérée sur les extracteurs d'air de ce bâtiment avec interposition sur cet air rejeté de batteries froides, par tous effluents à température supérieure à celle de stockage et par puisage des calories extérieures à une température supérieure à la température de stockage, et en ce que les moyens de stockage ainsi chargés sont exploités en tant que charge fictive sur l'évaporateur (E', E") du compresseur calorifique qui du côté condenseur (C', C") redistribue les calories puisées dans le stockage. 9) Installation selon la revendication8, caractérisée en ce que les moyens de stockage sont en outre chargés par les frigories consommées sur des panneaux solaires (L). 10) Installation selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisée en ce que le moteur électrique de compression frigorifique est remplacé par un moteur à combustible gazeux ou liquide (G) sur lequel on récupère les calories dégagées.