Brevet FR2466713A1 — publié le 19810410

1. La présente invention concerne généralement des systèmes de pompe à chaleur et de réfrigération et, plus par- ticulièrement un dispositif et un procédé de commande du fonctionnement d'éléments chauffants électriques supplémen- taires de façon que la quantité d'énergie consommée soit ré- duite au minimum. On supposera connu dans la description suivante la demande de brevet ayant pour titre: "Microcom- puter Control for Supplemental Heating in a Heat Pump" aux nomsdes mêmes inventeurs et de la société dite Borg-Warner Corporation. La présente invention comprend un microproces- seur équipé d'un programme permettant le retour automatique en arrière de la valeur de réglage de façon à réduire la température de réglage dans un espace climatisé pendant la nuit. La présente invention s'applique particulièrement au cas des pompes à chaleur pour le chauffage de logements,de petits bâtiments de bureaux, de maisons mobiles et analogues. De façon à minimiser le fonctionnement de résistan- ces électriques supplémentaires de chauffage et par consé- quent de réduire la consommation d'énergie, le point de ré- glage de la température souhaitée, ou température de réfé- rence, de l'espace climatisé est ramené en arrière, c'est-à- dire à une température de référence plus basse pendant la nuit. Dans le cas des bâtiments commerciaux, cette opéra- tion est exécutée lorsqu'il n'y a aucun occupant dans l'espa- 2. ce climatisé, par exemple lorsque le bâtiment est fermé la nuit entre 11 heures du soir et 6 heures du matin. La tem- pérature de référence est ramenée typiquement à 130C pen- dant les périodes d'inoccupation. Un microprocesseur comman- dé par un programme est utilisé de façon à éviter le fonc- tionnement des éléments chauffants électriques supplémentai- res tant que la température du point de réglage de référen- ce de jour (valeur la plus élevée) peut être atteinte dans un laps de temps prédéterminé. En conséquence, la présente invention a pour ob- jet général de prévoir un système de pompe à chaleur et de réfrigération perfectionné dont la température de réglage est ramenée en arrière pendant la nuit dans le but de rédui- re la consommation en énergie. La présente invention a également pour objet de prévoir un dispositif et un procédé de commande d'éléments chauffants électriques supplémentaires évitant leur fonction- nement tant que la seule pompe à chaleur peut amener la tem- pérature de l'espace climatisé d'une température de nuit correspondant à une valeur de réglage plus basse à la valeur du point de réglage de jour dans un laps de temps prédéter- miné. La présente invention a également pour objet de prévoir un dispositif et un procédé d'utilisation d'un sys- tème de pompe à chaleur et de réfrigération qui comprend un moyen de réduction de valeur de réglage permettant de mettre séquentiellement en marche une pluralité d'éléments chauf- fants électriques lorsque la température de l'espace climati- sé mesurée à un moment d'échantillonnage particulier est in- férieure à la température calculée correspondante à ce mo- ment là pour un nombre pré-sélectionné de moments d'échan- tillonnage. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un dispositif utilisant un microprocesseur pour com- mander le fonctionnement automatique de la réduction de la valeur du réglage de nuit et de la remise à l'état initial du réglage de jour dans le but d'agir sur une température 3. mesurée de l'espace climatisé. Selon la présente invention, on prévoit un systè- me de pompe à chaleur et de réfrigération pour la climati- sation d'un espace,qui comprend un circuit de réfrigération fermé constitué d'un compresseur, d'un condenseur, d'un dispositif d'expansion, et d'un évaporateur reliés respecti- vement les uns aux autres en série. Le système comporte un premier moyen de détection pour la mesure de la température de l'espace à climatiser et la génération d'un signal élec- trique représentatif de la température mesurée. Un premier thermostat est prévu pour le réglage d'une première tempéra- ture basse de référence de nuit de l'espace à climatiser, et un second thermostat est utilisé pour le réglage d'une seconde température de référence plus élevée de jour, les thermostats produisant des second et troisième -signaux élec- triques représentatifs des températures de référence de nuit et de jour sélectionnées. Une pluralité d'éléments chauffants électriques supplémentaires est prévue pour produire de la chaleur dans l'espace climatisé. Un dispositif de commande programmé, répondant à la température mesurée et aux tempé- ratures de référence, produit un signal de mise en marche des résistances électriques chauffantes supplémentaires. Un moyen de réduction de la valeur de réglage pour la nuit passe automatiquement de la première température de référen- ce du premier thermostat à la seconde température du second thermostat à un moment prédéterminé de la journée. La plura- lité d'éléments chauffants électriques est mise en marche lorsque la température mesurée à un moment d'échantillonna- ge particulier est inférieure à la température calculée cor- respondqnte pour ce moment d'échantillonnage et cela pour un nombre pré-sélectionné de moments d'échantillonnage. Un micro- processeur comportant un programme est connecté au disposi- tif de commande programmé et au moyen de réduction de la va- leur de réglage pour la nuit pour en provoquer le fonction- nement et agir sur la température mesurée de l'espace clima- tisé. La présente invention sera bien comprise lors de la 4. description suivante faite en liaison avec les dessins ci- joints dans lesquels: La figure 1 est un schéma électrique sous forme de blocs d'un système de pompe à chaleur et de réfrigération selon la présente invention; et La figure 2 est une représentation graphique du fonctionnement du dispositif de réduction de la température de réglage. Le fonctionnement du système de réfrigération dans le mode de chauffage comportant des éléments chauffants élec- triques supplémentaires est identique à celui qui est repré- senté et décrit dans la demande de brevet citée ci-dessus et ayant pour titre: "Microcomputer Control for Supplemental Heating in a Heat Pump". Seule sera décrite ci-après la ca- ractéristique supplémentaire concernant la réduction de la valeur de réglage de nuit, qui fait l'objet de la présente invention. Alors que le système de réfrigération est repré- senté dans son intégralité en figure 1, seules les caracté- ristiques uniques du bloc fonctionnel.56 et du moyen de réglage 58 permettant le fonctionnement des éléments chauf- fants électriques supplémentaires 41 sous la commande du microprocesseur 38 et de son programme 40 seront expliquées en détail. La présente invention peut être mieux comprise en conjonction avec la courbe de -la figure 2,représentant un fonctionnement typique du système. Il apparaîtra à l'homme de l'art que les caractéristiques de fonctionnement décri- tes en figure 2 peuvent être programmées directement dans le microprocesseur 38. En liaison avec la figure 1, un thermostat 36 est utilisé pour établir ou sélectionner la valeur supérieure de la température de référence souhaitée pour l'espace condi- tionné ou zone 10, valeur qui sera appelée ci-après valeur de réglage de jour. Un thermostat 37 est également prévu pour le réglage de la valeur inférieure de la température de référen- ce souhaitée pour l'espace l0,valeur qui sera appelée ci- après valeur de réglage de nuit. La valeur de réglage de jour du thermostat 36 est automatiquement changée ou réduite 5. par le moyen de réduction 35 constitué d'une minuterie 39 et d'un moyen de commutation 45 sous la commande du micropro- cesseur 38 et de son programme 40 pour être ramenée à la tem- pérature de référence plus basse du thermostat 37 à un moment prédéterminé de la journée. Dans le cas du fonctionnement avec chauffage, la valeur de réglage de jour est, typique- ment, par exemple, de 210C et la valeur de réglage de nuit de C. Dans des bâtiments industriels, la réduction de la va- leur de réglage pour la nuit est généralement faite entre 11 heures du soir et 6 heures du matin lorsqu'il n'y a au- cun occupant dans les bâtiments. A 6 heures du matin,avant l'arrivée des occupants, la valeur de réglage de nuit est remise automatiquement à la valeur de réglage de jour qui est plus élevée. Un intervalle de temps prédéterminé est sé- lectionné pendant lequel la température mesurée de l'espace climatisé doit atteindre la nouvelle valeur de réglage, et est par exemple de 1 heure 30. En d'autres termes, on sou- haite que la température de l'espace climatisé atteigne 210C pas plus tard que 7 heures 30 du matin. Durant la période s'écoulant entre 6 heures et 7 heures 30 du matin, le fonctionnement des éléments chauf- fants électriques supplémentaires 41 est empêché si la ca- pacité de la pompe à chaleur est suffisante pour que la tem- pérature intérieure augmente et que la température réelle mesurée dans l'espace climatisé 10 atteigne la valeur de réglage de la température de jour avant 7 heures 30 du ma- tin. Cela est exécuté par contrôle, à des intervalles de temps réguliers, par exemple de 5 minutes, de la température de l'espace climatisé et par comparaison de cette températu- re à une valeur calculée correspondante. Si la température réelle mesurée reste inférieure à la température calculée pen- dant une durée d'échantillonnage particulière égale à deux échantillonnages consécutifs, on a l'indication que la tem- pérature désirée de l'espace conditionné ne peut atteindre la valeur de réglage de la température de jour dans le laps de temps prédéterminé. Alors, seul un premier étage 41a des éléments chauffants supplémentaires est mis en marche. Si 6. l'on suppose que cela reste insuffisant pour permettre à l'espace climatisé d'atteindre la valeur de réglage de jour avant 7 heures 30, des second et troisième étages 41b et 41c de chauffage sont alors séquentiellement mis en marche après les troisième et quatrième instants consécutifs d'échantil- lonnage. Tous les éléments chauffants 41 sont coupés chaque fois que l'augmentation de la température intérieure est suffisante pour fournir le taux souhaité de rétablissement de la chaleur. Le signal de sortie d'un filtre numérique 52 qui est proportionnel au signal d'erreur provenant d'un addi- tionneur 44 comparant la température mesurée à la tempéra- ture de référence, est fourni au bloc fonctionnel 56 pour permettre la détermination du fait que le compresseur fonc- tionne à une vitesse d'au moins 100 % de sa vitesse nominale avant de provoquer le fonctionnement des éléments chauffants supplémentaires 41. Dès que le critère de vitesse du compres- seur a été satisfait, les éléments chauffants sont commandés directement par le signal d'erreur. Le fonctionnement typi- que des éléments chauffants électriques 41a à 41c sous la commande du microprocesseur 38 est représenté en figure 2. Comme on peut le voir dans cette figure, la valeur de régla- ge de nuit, ou valeur de réglage la plus basse, SP1, est modifiée dans ce mode particulier de réalisation de la pré- sente invention pour prendre la nouvelle valeur de réglage de jour SP2 à 6 heures du matin (la température passant, par exemple, de 13'C à 21'C). Dans la pratique normale antérieu- re, ce changement des valeurs de réglage aurait nécessité la mise en marche d'éléments chauffants supplémentaires permet- tant un apport de chaleur dans l'espace climatisé. Mais on a trouvé que, de façon à réduire la consommation d'énergie tout en maintenant des taux de rétablissement acceptables de la chaleur, les éléments chauffants ne devaient pas être mis en marche tant que la température mesurée lors d'un échantillon- nage donné correspondait à la courbe A de la figure 2. Spé- cifiquement, tant que la température mesurée, par exemple MT1, à l'instant d'échantillonnage Tl est égale ou supérieu- 7. re à la valeur calculée, par exemple CT1 à l'instant Tl,les éléments chauffants 41 ne devaient pas être mis en marche. Cela est dû au fait que la température mesurée dans l'espace climatisé s'élève et que l'on peut espérer qu'elle attein- dra la valeur du point de réglage de jour dans un intervalle de temps prédéterminé, par exemple pendant 1 heure 30, c'est-à-dire avant 7 heures 30 du matin. Supposons que la température mesurée à l'instant Tl ne soit égale qu'à MT2, c'est-à-dire à une valeur infé- rieure à CT1. Aucun élément chauffant supplémentaire ne devra encore être mis en marche jusqu'à un autre moment d'échantil- lonnage, c'est-à-dire jusqu'à l'instant T2, o la température mesurée MT3 est de nouveau inférieure à la nouvelle tempéra- ture calculée CT2. Si au second instant d'échantillonnage T2, la température mesurée est passée à MT4, aucun élément supplémentaire de chauffage ne doit être mis en marche. Avec une température mesurée MT3 à l'instant T2, un premier étage 41a des éléments chauffants 41 sera mis en marche. Lors de l'échantillonnage suivant effectué à l'instant T3, si la température mesurée MT5 reste inférieure à la température cal- culée correspondante CT3, le second étage 41b des éléments chauffants supplémentaires sera mis en marche. Si à l'instant T4, la température mesurée MT6 est inférieure à la température calculée correspondante CT4, le troisième étage 41c sera mis en marche. Pour tout nombre d'éléments chauffants électriques mis en marche et lorsque la température réelle mesurée est égale ou supérieure à la température calculée, tous les élé- ments chauffants sont coupés. Le processus de remise en mar- che des éléments chauffants se répète comme indiqué précédem- ment de façon à maintenir le taux de rétablissement de la chaleur aux valeurs correspondant à la ligne de valeurs cal- culées de la figure 2. Alors que seuls trois étages d'éléments chauffants électriques supplémentaires ont été représentés, il apparal- tra que n'importe quel nombre d'étages pourrait être ajouté dans le but d'obtenir les conditions de température désirées de l'espace. Il apparaîtra également que la commande des 8. éléments chauffants tous les deux intervalles de temps consé- cutifs pourrait être modifiée de différentes façons. Les intervalles d'échantillonnage sont généralement distants les uns des autres de la même valeur et ces intervalles peuvent atteindre cinq minutes. Comme on le remarquera, la cadence de rétablissement de la température réelle mesurée dépend de la température extérieure. Ainsi, le moyen de réglage 58 est prévu à l'intérieur du moyen de commande 32 de façon à évi- ter absolument l'utilisation des éléments chauffants élec- triques 41 lorsque la température extérieure est supérieure à une valeur prédéterminée, par exemple à 100C. En effet, la pompe à chaleur sera toujours capable d'élever la tempé- rature de l'espace climatisé sans l'aide d'éléments chauf- fants électriques lorsque la température extérieure est supé- rieure à 10C. Une thermistance 60 est prévue qui produit un signal analogique électrique représentatif de la température atmosphérique extérieure et est transmis par l'intermédiai- re d'un convertisseur analogique/numérique 62 au moyen de réglage 58. La sortie du moyen 58 est-appliquée comme entrée du bloc fonctionnel 56. Ainsi, on peut voir qu'on a prévu un dispositif et un procédé pour la commande séquentielle de l'addition d'élé- ments chauffants électriques supplémentaires dont le fonction- nement est tel qu'il permet de minimiser la consommation d'énergie. Tous ces éléments chauffants sont coupés chaque fois que la température mesurée lors d'un échantillonnage donné est suffisamment élevée. - L'appréciation de certaines des valeurs de mesures indiquées ci-dessus doit tenir compte du fait qu'elles pro- viennent de la conversion d'unités anglo-saxonnes en unités métriques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au con- traire susceptible de variantes et de modifications qui ap- paraîtront à l'homme de l'art. 9. REVENDICATIONS 1 - Système de pompe à chaleur et de réfrigération pour la climatisation d'un espace, comportant un circuit de fluide réfrigérant fermé constitué d'un compresseur, d'un condenseur, d'un dispositif d'expansion et d'un évaporateur reliés en série respectivement les uns aux autres, caracté- risé en ce qu'il comprend: - un premier moyen de détection (34) pour mesurer la température d'un espace à climatiser et pour produire un signal électrique représentatif de la température mesu- rée; - un moyen de réglage (36, 37) d'au moins une pre- mière température basse de référence de l'espace climatisé et au moins une seconde température haute de référence de cet espace climatisé; - un moyen de chauffage (41) comprenant au moins trois étages d'éléments chauffants électriques supplémentai- res pour dégager de la chaleur dans l'espace climatisé; - un second moyen de détection (60) pour mesurer la température de l'atmosphère extérieure et produire un second signal électrique représentatif de la température extérieure; - un moyen de commande programmé (32) répondant au premier moyen de détection, au moyen de réglage, et au se- cond moyen de détection pour produire un signal de mise en marche du moyen de chauffage; - un moyen de réduction de valeur de réglage (35) pour faire passer automatiquement le moyen de réglage de la première température de référence à la seconde température de référence à un instant prédéterminé de la journée; - le moyen de commande mettant en marche un premier étage parmi les trois étages des éléments chauffants élec- triques lorsque la température mesurée à un instant d'échan- tillonnage particulier est inférieure à une température calculée correspondant à cet instant d'échantillonnage pen- dant au moins deux échantillonnages consécutifs; et - un processeur de données (38) ayant un programme 10. couplé au moyen de commande et au moyen de réduction de va- leur de réglage pour en effectuer la commande afin d'agir sur la température mesurée de l'espace climatisé. 2 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de commande met d'autre part séquentielle- ment en marche un second étage parmi les trois étages d'élé- ments chauffants électriques lorsque la température mesurée lors d'un instant d'échantillonnage particulier reste infé- rieure à la température calculée correspondant à cet instant d'échantillonnage lors de deux échantillonnages consécutifs. 3 - Système de réfrigération selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de comiande programmé com- prend un premier additionneur (44) qui compare la température réelle mesurée à la température de référence de façon à four- nir un signal d'erreur. 4 - Système de réfrigération selon la revendication 1, caractérisé en ce que le processeur de données comprend un microprocesseur (38). - Système de réfrigération selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des premier et second moyens de détectioncomprend une thermistance. 6 - Procédé destiné à être utilisé dans un système de pompe à chaleur et de réfrigération pour la climatisation d'un espace comportant un circuit réfrigérant fermé constitué d'un compresseur, d'un condenseur, d'un dispositif d'expan- sion et d'un évaporateur reliés en série respectivement les uns aux autres, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - la détection de la température d'un espace à cli- matiser de façon à produire un signal électrique représenta- tif de la température mesurée; - l'établissement d'une première température bas- se de nuit de référence pour l'espace à climatiser et l'éta- blissement d'une seconde température élevée de jour de réfé- rence dans le but de produire un second signal électrique représentatif de la température de référence sélectionnée; - la détection de la température de l'atmosphère 11. extérieure de façon à produire un troisième signal électri- que représentatif de la température atmosphérique extérieu- re; - la fourniture d'au moins trois étages d'éléments chauffants électriques supplémentaires de façon à dégager de la chaleur dans l'espace climatisé; - la fouraiture d'un dispositif de commande program- mé de façon à produire un signal de mise en marche des élé- ments chauffants électriques en réponse à la température mesu- rée, à la température de référence et à la température at- mosphérique extérieure; - le passage automatique par l'intermédiaire d'un dispositif de réduction de valeur de réglage entre la premiè- re température de référence et la seconde température de ré- férence à un instant prédéterminé du jour; - la mise en marche d'un des trois étages d'éléments chauffants électriques par l'intermédiaire du dispositif de commande lorsque la température mesurée en un instant parti- culier d'échantillonnage est inférieure à une température calculée correspondante pour cet instant d'échantillonnage lors d'au moins deux échantillonnages consécutifs; et - la commande par un microprocesseur comportant un programme de l'étape de production du signal permettant la mise en marche des éléments chauffants électriques supplé- mentaires afin d'agir sur la température mesurée de l'espace climatisé.