Brevet FR2496240A1 — publié le 19820618

La présente invention concerne une pompe à chaleur air/ eau pour installation de chauffage ventral du type à radiateurs à eau et à chaudière à combustible, comportant un circuit frigorifique qui comprend un évaporateur, un compresseur, un condenseur et un détendeur d'un fluide friogène telq'un fluorocarbone, ainsi qu'un organe de préchauffage de l'évaporateur, l'installation de chauffage étant équipée d'un dispositif de chauffage d'appoint pour é- lever la température de l'eau à la sortie de la pompe à chaleur, à sa température utile dans le circuit des radiateurs. On connait déjà des installations de pompes à chaleur du type susmentionné, destinées à remplacer une chaudière classique, par exemple à combustion de fuel ou de gaz. Etant donné que la température de sortie des pompes à chaleur est de l'ordre de 550 C, et que les circuits de radiateurs à eau classiques sont prévus pour une température de l'eau de 800 C, il convient dlaq- joindre à la pompe à chaleur un dispositif de postchauffage par exemple sous forme d'un chauffage d'appoint électrique, qui permet d'élever la température de l'eau sortant de la pompe à chaleur jusqu'à sa température utile dans le circuit des radiateurs. Ce montage bien connu par les spécialistes, présente cependant un inconvénient grave. La chute de température dans le circuit des radiateurs est en moyenne de l'ordre de 10 à 150 C, de sorte que, si le dispositif de postchauffage était branché en série sur le circuit des radiateurs, l'eau de retcur pénètreralt dans le condenseur de la pompe à chaleur à une température supérieure à la température de fonctionnement de cette dernière. La conséquence en serait la rupture du pressostat assurant la sécurité haute pression de la pompe à chaleur. Pour supprimer ce risque, le dispositif de postchauffage et la pompe à chaleur ne peuvent pas être mis en route simultanément dans les installations classiques. Ceci constitue bien entendu un inconvénient qui limite actuellement l'utilisation des pompes à chaleur et les rend relativement peu efficaces aux périodes où elles sont le plus sollicitées, c'est-à-dire par grand froid. Un autre inconvénient bien connu des pompes à chaleur est dû au givrage de l'évaporateur. Ce phénomène se manifeste notamment lorsque la température extérieure est de l'ordre de +2 à -5 C et lorsque le degré hygrométrique est voisin de 80%. L'évaporateur est pris dans la glace et la pompe à chaleur doit être arrêtée. Pour supprimer cet inconvénient, on a proposé d'adjoindre à l'évaporateur, un organe de préchauffage électrique, destiné à préchauffer l'air pénétrant dans la pompe à chaleur et d'empêcher le givrage de l'évaporateur. D'une part, un tel dispositif est consommateur d'énergie électrique, et engendre une diminution du rendement global de l'installation de chauffage par pompe à chaleur. D'autre part, I adjonction d'un organe de préehauffage électrique, ne résoud pas l'ensemble des problèmes posés pas la pompe à chaleur, et en particulier le problème du dispositif de postchauffage évoqué précédemment. La présente invention se propose de remédier à ces différents inconvénients en réalisant une pompe à chaleur dans laquelle le problème du givrage de l'évaporateur est entièrement résolu, et qui peut fonctionner sans interruption, mcme lorsque le dispositif de postehauffage de l'eau du circuit des radiateurs est enclenché. Dans ce but, la pompe à chaleur selon l'invention est caractérisee en ce que l'organe de préchauffage de l'évaporateur comporte un échangeur de chaleur monté en parallèle sur le circuit retour des radiateurs. L'idée inventive est née des' constatations suivantes: Dans les dispositifs classiques, lorsque la température extérieure est relativement basse, on est obligé d'élever la température de l'eau du circuit des radiateurs par un chauffage électrique d'appoint. L'excédant de chaleur nécessaire à un fonctionnement efficace de l'installation est néfaste au bon fonction nement de la pompe à chaleur, comme mentionné précédemment. Dans les mêmes conditions, pour résoudre le problème du givrage de l'évaporateur, on utilise un autre dispositif d'appoint pour préchauffer l'évaporateur et empecher la formation de glace. La présente invention se propose en fait d'utiliser le surplus de chaleur du circuit des radiateurs, pour préchauffer l'évaporateur. Cette solution empêche toute formation de glace sur l'évaporateur et permet en outre un abaissement de la température de l'eau dans le circuit retour des radiateurs, qui est suffisante pour que cette eau pénètre dans la pompe à chaleur à une température inférieure à sa température de fonctionnement normal. De cette manière, le dispositif de postchauffage et la pompe à chaleur peuvent travailler simultanément. Selon une forme de réalisation préférentielle, l'entrée du circuit parallèle de l'organe de préchauffage comporte une vanne asservie. I1 s'agit en fait d'une vanne commandée à trois voies qui permet de dériver une partie de l'eau en circulation dans le circuit retour des radiateurs en direction de l'organe de préchauffage. Cette vanne, qui constitue l'entrée du circuit parallèle de l'organe de préchauffage est montée en amont du condenseur de la pompe à chaleur. Le retour de ce circuit est également monté en amont du condenseur et en aval de la vanne asservie. Un clapet anti-retour est monté sur le circuit retour des radiateurs entre l'entrée et la sortie dudit circuit parallèle. Un second clapet anti-retour est monté sur la branche retour du circuit parallèle. La pompe à chaleur comporte d'autre part un détecteur de température monté dans le circuit retour des radiateurs, un détecteur de givre monté dans l'évaporateur et un circuit éiectronique d'asservissement agencé pour commander la vanne asservie en fonction des informations fournies par ces détecteurs. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention sont décrits plus en détail en référence à la description d'une forme de réalisation de la pompe à chaleur selon l'invention et au dessin annexé dans lequel: La figure 1 représente une vue schématique du dispositif selon l'invention, et la figure 2 représente la courbe de puissance d'une pompe à chaleur en fonction de la température extérieure. En référence à la figure 1, la pompe à chaleur perfectionnée selon la présente invention comporte un évaporateur 1, un compresseur 2, un condenseur 3 et un détendeur 4. Ces quatre éléments, connus en soi, constituent les éléments de base de la pompe à chaleur. Le compresseur a pour but de comprimer un fluide friogène, par exemple du fluorocarbone, à une pression suffisamment élevée pour le rendre liquide. Ce changement d'état, exothermique, s'effectue dans le condenseur 3. Le liquide friogène- est ensuite évacué en direction du détendeur 4 pour se transformer à nouveau en gaz à l'intérieur de l'évaporateur 1. Le condenseur 3 est conçu en échangeur thermique, par exemple du type coaxial-hélicoIdal à flux inversé permettant la transmission des calories pour de très faibles pertes de charge. L'un des circuits traversant le condenseur est le circuit 5 du flui de friogène. L'autre circuit est le circuit 6 -des radiateurs de l'installation de chauffage. Ce circuit comporte un dispositif de postchauffage 7, constitué de préférence par une résistance électrique, commandée automatiquement par un circuit thermostatique 8 disposé à l'intérieur des locaux à chauffer. Le perfectionnement selon l'invention consiste essentiellement à adjoindre à l'évaporateur 1, un organe de préchauffage 9, constitué par un échangeur de chaleur, traversé par un circuit 10 monté en parallèle sur le circuit de retour 6 des radiateurs (non représentés). Une vanne asservie 11, constituée de préférence par une vanne trois voies commandée, constitue l'entrée du circuit parallèle 10. L'entrée, constituée par la vanne asservie ll et la sortie 12 du circuit parallèle 10 de l'organe de préchauffage 9 de l'évaporateur 1, sont disposée en amont du condenseur 3, et séparées par un clapet anti-retour 13 monté sur le circuit retour 6 des radiateurs. Un second clapet- anti-retour 14 est monté sur la branche retour du circuit parallèle 10. Un dispositif d'aspiration 15 fait pénétrer l'air dans la pompe à chaleur. Un circuit de commande électronique 16, commande la vanne asservie 11 sur base des informations transmises par un détecteur de température 17 monté sur le circuit retour 6 des radiateurs, et de celles d'un détecteur de givre 18 monté sur l'évaporateur 1. Le circuit thermostatique 8 est destiné à commander d'une part le compresseur 2 auquel il est relié par un premier circuit 19, et d'autre part le dispositif de postchauffage 7 auquel il est relié par un deuxième circuit 20. Lorsque la température est relativement basse à l'ex- térieur, le dispositif de postchauffage 7 s'enclenche, pour permettre à l'eau sortant du-condenseur échangeur de chaleur 3 à la température T1 voisine de 550 C d'être portée à une température T2 voisine de 70 à 800 C. La chute de température aT dans le circuit des radiateurs étant voisine de 10 à 150 C, la température T3 mesurée par le détecteur 17 est en moyenne supérieure à la température T1. La vanne commandée 11 laisse passer une partie de l'eau à la température T3 dans le circuit 10 en direction de l'or- gane de préchauffage 9, d'où elle sort à une température T4 inférieure à T3.L'eau en provenance de l'organe de préchauffage 9 est réinjectée dans le circuit retour des radiateurs au point 12, où elle est mélangée à de l'eau à la température T3, de sorte qu'à l'entrée du condenseur 3, l'eau se trouve à une température T5 qui est inférieure à la température T3. L'ouverture de la vanne 11 est commandée par le circuit électronique 16 selon les besoins de l'installation. Ce circuit veille en fait à ce que la température T5 soit inférieure à la température T1, et que la température T4 soit suffisante pour que le givrage de l'évaporateur ne puisse pas se produire. La figure 2 illustre l'aspect de la courbe de puissance en kW d'un dispositif selon l'invention en fonction de la température extérieure en degrés C. La courbe centrale A représente la valeur moyenne des puissances mesurées sur une installation dont le débit est de l'ordre de 4600 m3 d'air par heure. Les courbes B et C délimitent la plage des variations effectives de la puissance qui sont de l'ordre de 10%. Prenons par exemple un point M de la courbe A correspondant à une température de -10 C. On constate que la puissance fournie par la pompe à chaleur est en moyenne de 13kW à cette température. Grace au perfectionnement selon l'invention, l'organe de préchauffage 9 permet par exemple de porter la température d'entrée de l'air à +4 C qui correspond sur la courbe A à un point N et à une puissance fournie de 16kW. I1 en résulte que le perfectionnement selon l'invention permet d'améliorer le coefficient de performance de la pompe à chaleur. En conséquence, grâce à lradjonction de l'organe de préchauffage 9 sur le circuit retour des radiateurs, la pompe à chaleur selon l'invention permet: - d'abaisser la température de l'eau du circuit retour des radiateurs lorsque celle-ci est supérieure à la température dans le condenseur de la pompe à chaleur, - de dégivrer automatiquement l'évaporateur de la pompe à chaleur, - d'augmenter le coefficient de performance de l'installation, et - de faire fonctionner la pompe à chaleur sans interruption jusqu'à des températures d'air extérieures très basses. REVENDICATION5 1. Pompe à chaleur air/eau pour Installation de chauffage central du type à radiateurs à eau et à chaudière à combustible, comportant un circuit frigorifique qui comprend un évaporateur (1), un compresseur (2), un condenseur (3) et un détendeur (4) d'un fluide friogène tel qu'un fluoro carbone, ainsi qu'un organe de préchauffage (9? de l'évaporateur, Ivinstalla tion de chauffage étant équipée d'un dispositif de chauffage d'appoint (7) pour élever la température de l'eau à la sortie de la pompe à chaleur, à sa température utile dans le circuit des radiateurs, caractérisée en ce que l'organe de préchauffage (9) de l'évaporateur (1) comporte un échangeur de chaleur monté en parallble sur le circuit des radiateurs. 2, Pompe à chaleur selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'entrée du circuit parallèle de l'organe de préchauffage (9) com porte une vanne asservie (11). 3,Pompe à chaleur selon la revendication 19 caractérisée en ce que le circuit parallèle de l'organe de préchauffage (9) est monté sur le circuit retour des radiateurs en amont du condenseur (3). 4. Pompe à chaleur selon la revendication 2, caractérisée en ce que le circuit retour des radiateurs comporte un clapet anti-retour (13) monté entre la vanne asservie commandant l'entrée du circuit parallèle et la sortie de ce dernier. 5. Pompe à chaleur selon la revendication 1, caractérisée en ce que le circuit parallèle de l'organe de préchauffage (9) comporte un clapet anti-retour (14) monté à la sortie dudit organe. 6. Pompe à chaleur selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un détecteur (17) de température monté dans le circuit retour des radiateurs, un détecteur de givre (18) monté dans l'évaporateur (1), et un circuit électrique d'asservissement (16) agencé pour commander ladite vanne asservie (11) en fonction des informations fournies par lesdits détecteurs (17,18).