Brevet FR2466710A1 — publié le 19810410

1. La présente invention concerne des systèmes de chauffage o la source de chaleur est une unité de refroidis- sement à cycle inverse ou pompe à chaleur. Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 3.786.161 intitulé: "Process and Apparatus for Monitoring and Control of Metallurgical Furnaces", G. Sartorius décrit un concept de commande d'un four en fonction du taux de va- riation de la température. Cependant, cette description est de nature très générale et ne traite pas les problèmes spéci- fiques rencontrés dans la conception des systèmes de pompe à chaleur et la commande de chaleur supplémentaire. Dans le brevet des Etats-Unis d'amérique n0 3.993.120 ayant pour titre: "Space Thermostat", W. Iberg et autres décrivent le concept d'un seul thermostat pour la commande,d'une manière sélective, de deux étages d'un dis- positif de chauffage à étages multiples. L'élément de détec- tion de la température est une bobine en bilame qui ne mesure pas le taux de variation de la température et a par consé- quent un principe différent de celui de la présente descrip- tion. Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3.586.861, ayant pour titre "Sequencing Control Unit", A. Kompelien traite d'un système utilisant des dispositifs de commutation à l'état solide pour le séquencement des étages 2. de chauffage électrique. Cependant, le thermostat n'est pas d'un type permettant de déterminer le taux de variation de la température dans l'espace contrôlé. Dans un système typique de pompe à chaleur, des éléments chauffants supplémentaires, en général des éléments chauffants à résistance, sont prévus qui fournissent de la chaleur lorsque le système de réfrigération à cycle inverse est incapable de faire face à la demande. Cela se produit lorsque les températures extérieures deviennent trop basses rendant inefficace la pompe à chaleur dans le mode de fonc- tionnement à chauffage. Le point auquel on doit utiliser de la chaleur supplémentaire pour aider la pompe à chaleur, alors que la demande en chaleur croît, est appelé dans l'art en général et dans la présente description: "point d'équi- libre". Dans ce cas, il est courant d'utiliser un thermos- tat d'ambiance à deux étages, le premier étage actionnant la pompe à chaleur, et le second étage commandant la fournitu- re de chaleur supplémentaire. Lorsque la valeur de réglage du thermostat est augmentée, par exemple, le matin à la suite d'une nuit o elle a été abaissée de façon à économi- ser l'énergie, les éléments de chauffage supplémentaires peu- vent être mis en marche lorsque le temps est doux, alors que la pompe à chaleur seule pourrait satisfaire la charge de chauffage. En d'autres termes, le nouveau réglage du thermos- tat à une température plus élevée, par exemple de 18 à 21'C, fait "penser" à la commande de la pompe à chaleur que la charge est supérieure à la charge pouvant être satisfaite par la pompe à chaleur elle-même et, par conséquent, la com- mande met alors en marche un ou plusieurs étages des élé- ments chauffants supplémentaires. Le fonctionnement de ce système à chaleur supplémentaire consomme de l'énergie et augmente les coûts de fonctionnement. Le problème exposé ci-dessus peut être en partie résolu par.l'utilisation d'unthermostat extérieur qui évite- ra l'apport de chaleur supplémentaire pour des températures extérieures supérieures au point d'équilibre du système. Des 3. thermostatsextérieurs multiples sont souvent spécifiés par des installateurs (pour économiser l'énergie), de sorte que les accroissements de chaleur supplémentaire sont échelonnés par paliers en fonction de la température extérieure. Par exemple, le premier étage peut être mis en marche lorsque la température de l'air extérieur est inférieure à 70C, le se- cond étage à une température inférieure à 4,50C, etc. Ces thermostats, en plus du fait qu'ils sont coûteux, nécessitent une installation sur place avec les frais de main-d'oeuvre que cela entraîne. En outre, même ces systèmes complexes à thermostats multiples ne résolvent pas totalement le problème, étant don- né que le point d'équilibre instantané, réel, peut dériver d'au moins 100C par rapport à la température extérieure par suite de l'absence de vent, des effets du soleil et des sour- ces intérieures de chaleur, telles qu'appareils électriques, lampes, présence de personnes, etc... Ainsi, la température extérieure qui a été choisie pour représenter le point d'équi- libre est basée sur des conditions moyennes ou des conditions- typiques et, de fait, ne représente pas le véritable point d'équilibre. La présente: invention a pour objet de prévoir un système contenant un thermostat électronique qui permette de détecter le taux de la variation de température dans un espa- ce climatisé. Le thermostat comprend deux ou plusieurs stades de chauffage, le premier stade commandant seulement le fonc- tionnement d'une pompe à chaleur. La pompe à chaleur étant en fonctionnement (en chauffage), si le thermostat détecte une augmentation de température d'environ 0,50C par heure, ou si la température de l'espace est à moins de 0,80C (typique) du point de réglage, elle ne permet pas l'apport de chaleur sup- plémentaire. Comme le thermostat détermine le fait que letaux de variation de la température est tel que la pompe à cha- leur seule pour répondre à la charge, aucune chaleur supplé- mentaire n'est nécessaire et cet apport peut être évité sans qu'on fasse appel à des thermostatsextérieurs. Le taux de la variation de température peut être 4. détecté directement, ou peut être rapporté au point de ré- glage du thermostat. Dans ce dernier cas, un nouveau régla- ge du thermostat à une température de 21'C,lorsque le régla- ge de nuit était de 180C, se traduirait par la détection par le thermostat du taux de changement par rapport à la valeur de réglage de 21'C. Le taux d'augmentation de la température diminue alors que la température se rapproche de la valeur de régla- ge du thermostat, de sorte qu'il est souhaitable que le se- cond stade de fonctionnement du thermostat évite l'apport de chaleur supplémentaire lorsque la température de l'espa- ce se rapproche de la valeur du point de réglage du thermos- tat (ou se trouve à moins de 0,80C de celle-ci). Un autre perfectionnement qui peut être incorporé est un système de temporisation. Le thermostat peut être con- çu pour retarder, pendant une durée d'environ cinq minutes, son premier "essai" de l'augmentation de température après le fonctionnement de la pompe à chaleur. Cela est souhaitable parce que pendant les premières mihutes de fonctionnement de la pompe à chaleur à la suite d'un arrêt, cette pompe à cha- leur ne se sera pas approché de son état stabilisé de pleine charge. Le même concept décrit précédemment en ce qui con- cerne un premier stade d'apport de chaleur supplémentaire peut être étendu à une pluralité d'éléments chauffants supplémen- taires. En d'autres termes, si l'on suppose que le thermostat demande la mise en marche du premier stade d'apport de cha- leur supplémentaire, et que le taux de variation de la tempé- rature reste en dehors de limites satisfaisantes, la mise en route d'un second stade de chauffage peut être demandée par le thermostat, etc.. pour provoquer des apports supplémentai- res de chaleur. Là encore, il est souhaitable de prévoir une temporisation après le commencement de tout stade d'apport de chaleur de façon à permettre la stabilisation du système. La présente invention sera bien comprise lors de la descriptions uivante faite en liaison avec les dessins ci- joints dans lesquels: 5. La figure 1 est une représentation schématique d'un système typique de réfrigération à cycle inverse, ou pompe à chaleur; La figure 2 est une représentation schématique d'un circuit de commande de pompe à chaleur selon la pré- sente invention; et La figure 3 est un schéma détaillé représentant un thermostat électronique perfectionné utilisé dans le cir- cuit de la figure 2. La figure 1 représente un système typique de pompe à chaleur permettant soit le chauffage, soit le refroidisse- ment d'un certain espace alors que la chaleur est fournie à un serpentin intérieur 10 ou en est extraite. La vapeur du fluide de refroidissement est comprimée dans un compresseur 12 et fournie à un clapet d'inversion 14 qui, lorsqu'il se trouve dans la position représentée en trait plein, corres- pond au mode de chauffage du système. Du gaz chaud est four- ni par une conduite 18 au serpentin 10, o la chaleur est communiquée à l'espace fermé par circulation d'air grâce à un ventilateur 15. Le fluide réfrigérant circule alors dans un clapet de retenue 20, qui serait alors dans s.a position d'ouverture totale, jusqu'à un échangeur de chaleur 24 après avoir parcouru des conduites 22 et 23. A partir de l'échan- geur 24, le fluide réfrigérant traverse une conduite 25 jusqu'à un filtre/séchoir 26, puis, par l'intermédiaire d'un capillaire 28 et d'une conduite 30 arrive à un serpen- tin extérieur 32. Le fluide réfrigérant extrait la chaleur de l'air circulant sur le serpentin, circulation due à un ventilateur 34, puis traverse la conduite 36 jusqu'au clapet d'inversion 14 et, par l'intermédiaire d'une conduite 38, arrive à un accumulateur 40 de la conduite d'aspiration. Il se trouve alors en relation.d'échange de chaleur indirect avec le fluide réfrigérant circulant dans la conduite 23 et l'échangeur de chaleur 24, et parvient par la conduite 42 au côté d'aspiration du compresseur 12 de façon à compléter le circuit. Dans le mode de fonctionnement à refroidissement, 6. le clapet 14 est déplacé dans la position représentée en pointillé, de sorte que la vapeur du fluide réfrigérant com- primé dans le compresseur 12 est acheminée par la conduite 36 jusqu'au serpentin extérieur 32 o elle se condense. Le fluide réfrigérant liquide traverse alors la conduite 30 et le clapet 44,les conduites 46 et 22, puis le filtre 49 et le capillaire 48 pour arriver au serpentin 10 qui fonction- ne maintenant en évaporateur. La chaleur est extraite de l'air intérieur, ce qui provoque la vaporisation du fluide. La vapeur à faible pression traverse alors la conduite 18, le clapet 14 et la conduite 38 pour aboutir à l'accumula- teur 40. Elle revient au côté aspiration du compresseur par la conduite 42. En liaison maintenant avec la figure 2, les conduc- teurs 50 et 52 représentent les conducteurs d'alimentation en courant alternatif, typiquement en courant d'une tension de 230 volts. Aux bornes de ces conducteurs sont connectés le moteur 51 du compresseur commandé par des contacts de re- lais 54; le moteur 56 du ventilateur extérieur en parallèle avec le moteur 51 du compresseur et également sous la com- mande des contacts 54 de relais; le moteur 53 du ventila- teur extérieur sous la commande de contacts 57 d'un relais; un premier élément chauffant à résistance 62 en série avec des contacts 58 d'un relais et des contacts 60 d'un relais 2U thermique, et un second élément chauffant 68 à résistance en série avec des contacts 64 d'un relais et des contacts 66 d'un relais thermique. Un transformateur 70 est connecté aux fils d'ali- mentation 50,52 et, par l'intermédiaire de fils 72 et 73, fournit une basse tension (typiquement 24 volts) au thermos- tat et aux relais de commande. Le thermostat électronique 74 (dont les composants sont situés dans la zone délimitée par la ligne en trait pointillé) comprend un commutateur ma- nuel fermé automatique 76 de commande du ventilateur inté- rieur commandé par le relais 56R, un commutateur 90 de pre- mier étage en série avec le relais 54R du moteur de compres- seur, un commutateur 98 de second étage en série avec le 7. relais 58R de l'élément chauffant et un commutateur 99 de troisième étage en série avec le relais 64R commandant l'élé- ment chauffant 68. En liaison avec la figure 3, le thermostat électro- nique 74 comprend des composants semi-conducteurs standard à des fins de précision et de fiabilité. Une thermistance 80 est placée de façon à détecter la température de l'espace intérieur climatisé, et fournit un signal d'entrée de ten- sion variable (en fonction de la température détectée) à des comparateurs différentiels 82, 82A, et à un différentiateur 84. Une tension de référence correspondant au point de régla- ge désiré du thermostat est fournie par une source de ten- sion de référence 86 au comparateur différentiel 82. Dans le cas d'une opération de chauffage, la sortie de la thermis- tance 80 est comparée au point de réglage (tension de réfé- rence) 86 par le comparateur 82. Si la température de l'es- pace est inférieur au point de réglage, le comparateur 82 rend conducteur le commutateur du premier étage (triac 90), ce qui a pour effet d'exciter le relais 54R, de fermer le con- tact 54, et de démarrer le moteur 51 du compresseur et le mo- teur 56 du ventilateur. La sortie dé la thermistance 80 est également appliquée par l'intermédiaire du différentiateur 84 au comparateur différentiel 94 o le taux de changement de la température ambiante est comparé à un taux de change- ment de référence 96 (typiquement 0,50C par heure). La sor- tie de la thermistance 80 est également comparée par le com- parateur 82A à une valeur inférieure à 0,80C (typique) au point de réglage (tension de référence 86A). Si la tempéra- ture de l'espace est de 0,80C ou plus inférieure au point de réglage, le comparateur 82A envoie un signal de validation au comparateur 94. La sortie du comparateur 82 de déclenche- ment du triac 90 est appliquée à un dispositif de temporisa- tion 92 (temporisation typique de 5 minutes). A l'issue de cette temporisation, le dispositif envoie un signal de vali- dation au comparateur 94. Si chaque signal de validation provenant du com- parateur 82A et du dispositif de temporisation 92 est présent, 8. et que le taux de variation de la température de l'espace, provenant du différentiateur 84,est inférieur au taux de va- riation de référence 96, le comparateur 94 provoquera la mise en marche du triac 98, fermant le circuit d'excitation du relais 58R, ce qui aura pour effet de fermer le commuta- teur 58 et d'actionner l'élément chauffant 62. La sortie du comparateur 94 qui a pour effet de dé- clencher le triac 98 est appliquée au dispositif de tempori- sation 92A (temporisation typique de 5 minutes). A l'issue de cette temporisation, le dispositif envoie un signal de validation au comparateur 94A. Si le signal de validation provenant du dispositif de temporisation 92A est présent et que le taux de variation de la température de l'espace, pro- venant du différentiateur 84, est inférieur au taux de va- riation de référence 96, le comparateur 94A mettra en fonc- tionnement le triac 99, ce qui aura pour effet de fermer le circuit d'excitation du relais 64A, provoquant la fermeture du commutateur 64 et l'alimentation de l'élément chauffant 68. 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 exem- ples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. 9. REVENDICATIONS 1 - Système de commande, combiné avec une pompe à chaleur d'un type comprenant au moins un étage d'apport sup- plémentaire de chaleur (62), caractérisé en ce qu'il com- prend: - un moyen de détection de température (74, 80) pour détecter la température d'un espace intérieur clima- tisé; - des moyens (84, 94) pour comparer la température détectée à une température de référence afin de déterminer le taux de variation de la température de l'espace climati- sé; et - un moyen (98) pour provoquer l'apport de chaleur supplémentaire à la suite du réglage de température du moyen de détection de la température seulement si le taux de va- riation de la température est inférieur à une valeur prédé- terminée. 2 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de détection de température comprend un dispositif de commande à deux étages, avec un premier éta- ge (90) commandant le fonctionnement de la pompe à chaleur * et un second étage (98) l'apport de chaleur supplémentaire. 3 - Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le second étage n'est mis en oeuvre que si la tem- pérature de l'espace climatisé est inférieure à la valeur de réglage du premier étage. 4 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs stades d'apport de chaleur supplémentaire; et un moyen (99) pour démarrer un stade supplémentaire si le taux de variation de la température n'a pas atteint un niveau désiré après fonctionnement avec un nom- bre plus petit d'étages supplémentaires d'apport de chaleur. - Système selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de temporisation (92) pour re- tarder l'apport de chaleur supplémentaire et permettre au système d'établir son équilibre. 6 - Système selon la revendication 4, caractérisé 10. en ce qu'il comprend un moyen de temporisation (92A) pour re- tarder l'apport de chaleur supplémentaire et permettre au système d'établir son équilibre.