Brevet FR2536841A1 — publié le 19840601

La présente invention concerne de façon générale les ensembles de chauffage et plus précisément une pompe à chaleur perfectionnée et son procédé de mise en oeuvre. On a déjà proposé un ensemble de chauffage et de refoidissement' de type souterrain qui a des caractéris- tiques de fonctionnement nettement améliorées grâce à une caractéristique originale de recyclage Cette caractéristi- que permet une réduction notable de la longueur du conduit avec une augmentation de la longueur efficace du trajet de circulation de l'air alors qu'il échange de la chaleur avec le sol. L'utilisation des pompes à chaleur pou le chauf- fage des bâtiments à été entreprise depuis au moins vingt ans Les pompes à chaleur initiales n'étaient guère plus que des conditionneurs d'air fonctionnant en sens inverse En a noté de nombreuses pannes et la pompe à cha- leur a perdu la plus grande partie de son marché pendant la décade des années 1960 Plus récemment cependant, l'amé- lioration des pompesà chaleur a provoqué une résurgence du marché La pénurie constante de combustibles de type fossile a aussi accru la demande Le problème essentiel posé à une pompe à chaleur est que son rendement diminue beaucoup lorsque la température extérieure diminue Le coefficient de performance d'une pompe à chaleur est en général de l'ordre de trois lorsque la température est de 100 C Cela signifie que la pompe à chaleur fournit 3 joules pour chaque joule d'électricité qui lui est fourni. La même pompe à chaleur a en général un coefficient de performance qui ne dépasse pas deux lorsque la température diminue vers la température de gel-et, à -9,50 C, le coefficient de performance est en général simplement égal à 1 La plupart des pompes à chaleur comportent des dispositifs de doupure qui, lorsque la température devient égale ou inférieure à 9,50 C, arrêtent le compresseur ou limitent son fonctionnement et font passer l'essentiel de la charge de chauffage à des dispositifs électriques de chauffage d'appoint par résistance Ceci augmente évi- " 2 53684 i demment énormément le coût de fonctionnement de la pompe à chaleur et rend en effet son fonctionnement impossible en pratique dans de nombreux climats Il s'agit aussi d'une caractéristique essentielle qui limite la durée utile de la pompe à chaleur. L'invention concerne donc essentiellement l'obten- tion d'un meilleur rendement de la pompe à chaleur par traitement préalable de l'air dont la chaleur doit être extraite par circulation en relation d 9 échange de chaleur avec le sol avant sa transmission dans la pompe à chaleur. L'invention permet une réduction du fonctionnement nécessaire de l'appareillage auxiliaire coûteux de chauf- fage par résistance dans la pompe à chaleur, par transmis- sion d'air partiellement préchauffé sur lequel agit la pompe à chaleur afin qu'elle extraie de la chaleur. L'invention concerne ainsi l'augmentation de la durée d'une pompe à chaleur par réduction du temps de fonctionnement du compresseur grâce aupréchauffage de l'air sur lequel agit ce compresseur. L'invention concerne aussi un ensemble ayant un rendement accru de pompe à chaleur par utilisation d'air préchauffé sur lequel agit la pompe à chaleur afin que la pompe puisse être utilisée-dans des climats dans les- quels cette utilisation n'a pas été possible en pratique jusqu'à présent. Elle concerne aussi un procédé de chauffage et de refroidissement d'un bâtiment dans lequel la source de chaleur ou de refroidissement est placée sous-le sol, et le sol est utilisé comme source de chaleur destinée à emmagasiner de l'énergie et permettant l'extraction d'éner- gie à volonté pour le chauffage ou le refroidissement. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel la figure 1 est une perspective en partie sous forme schématique d'un ensemble ayant-une pompe à chaleur selon l'invention; la figure 2 est une coupe par un plan horizon- tal, avec des parties arrachées, représentant la construc- tion du conduit souterrain dans lequel circule de l'air et la figure 3 est une élévation partielle représen- tant une variante de l'invention. Comme l'indique d'abord la figure 1, l'installa- tion de chauffage selon l'invention porte la référence générale 10 et comporte une pompe à chaleur 12 placée dans un bottier 14 La région d'entrée de la pompe à chaleur est repérée par la référence 13 Le compresseur de la pompe 12 à chaleur est placé à l'extérieur du bâtiment et à l'in- térieur du boîtier 14 et un serpentin de détente destiné à échanger de la chaleur avec l'air à l'intérieur du bâti- ment est placé dans un second bottier 16 Les canalisations isolées 18 transportent le-liquide compressible d'échange de chaleur entre le compresseur et le serpentin de détente. Un ventilation auxiliaire 20 est couplé à un conduit souterrain qui porte la référence générale 22. Ce conduit 22 a une première branche verticale 24 directement couplée à la sortie du ventilateur 20 La branche verticale 24 se raccorde à un premier brin horizontal 26 qui est relié à un second brin horizontal parallèle 28 par un brin d'extrémité en U Le brin horizontal 28 communique avec une seconde branche verticale 32 dont la sortie 33 débouche à l'intérieur du boîtier 14 et communique directement avec l'entrée de la pompe à chaleur 12 Le boîtier 12 a de la pompe à chaleur assure la liaison de la sortie 33 à l'entrée de la pompe à chaleur. Comme l'indique la figure 2, un conduit transver- sal 36 relie les deux brins horizontaux 26 et 28 Une pre- mière extrémité du conduit 36 dépasse dans le brin 28 afin qu'il forme un déflecteur qui dévie une partie de l'air vers le conduit transversal L'autre extrémité du conduit 36 dépasse dans le brin,26 en formant un étranglement dans ce conduit, cet étranglement augmentant la vitesse de l'air au voisinage-du conduit transversal La vitesse est encore accrue par un manchon 38 à-venturi placé près de l'extrémi- té du conduit transversal 36 et légèrement en amont de celui-ci L'augmentation de vitesse au voisinage du con- duit transversal 36 provoque une légère réduction de la pression dans-ce conduit et améliore ainsi la caractéristi- que de recyclage. Lors du fonctionnement normal de l'appareillage selon l'invention, leventi'lateur {non représenté) de la pompe à chaleur qui fait normalement partie de celle-ci est rendu inopérant et est remplacé par le ventilateur auxiliaire 20 Celui-ci est choisi de manière que sa capa- cité suffise à la transmission à la pompe à chaleur du volume d'air nécessaire à son fonctionnement dans les con- ditions choisies Ainsi, le ventilateur 20 est commandé afin qu'il chasse l'air dans le conduit 22 dans lequel l'air subit un échange de chaleur avec le sol Les brins horizontaux du conduit 22 sont placés au-dessous du sol à une distance suffisante pour que la température soit sensiblement constante Dans la plupart des régions du pays, on obtient pendant toute l'année une température de 13 à 16 'C, à une profondeur de 0,9 à 3 m Grâce au con- duit transversal 36 et à la caractéristique de recyclage qu'il permet, la longueur du conduit 22 peut être notable- ment réduite par rapport à celle qui serait nécessaire autrement Une partie importante du volume total d'air circulant dans le conduit est constamment recyclée si bien qu'il est de façon répété en contact thermique avec le sol relativement tiède placé autour L'air provenant de la sortie 33 parvient à l'entrée de la pompe à chaleur et il est utilisé pour l'extraction de chaleur qui est transmise au serpentin d'échange de chaleur à l'intérieur du bâtiment à chauffer. Comme l'air qui pénètre à l'entrée de la pompe à chaleur est notablement réchauffé, par rapport à l'air -35 obtenu aux températures externes normales, la pompe à cha- leur a moins de travail à fournir par l'extraction de la quantité voulue de chaleur Cette caractéristique augmente le rendement de la pompe à chaleur et réduit beaucoup le chauffage par des dispositifs auxiliairesde chauffage par résistance lorsque la température de l'air extérieur tombe au-dessous de la température de gel Dans de nombreux cas, l'utilisation du procédé et de l'appareillage selon l'inven- tion permet l'utilisation en pratique de la pompe à cha- leur même dans les régions de climat froid dans lesquelles *une telle pompe à chaleur ne pourrait pas être utilisée de façon rentable. La figure 3 représente une variante de l'invention. La construction de ce mode de réalisation est identique au mode de réalisation avantageux décrit précédemment, mais un élément 40 de chauffage et un serpentin 42 de re- froidissement sont tous deux placés dans la première branche verticale 24 L'élément 40 de chauffage est couplé à une source convenable d'énergie et un serpentin 42 de refroidis- sement est couplé à un compresseur, de manière classique. L'expression "échangeur de chaleur" utilisée-dans le présent mémoire désigne de façon générale l'élément 40 de chauffage ou le serpentin 42 de refroidissement Manifestement', lors- qu'un échangeur de chaleur est placé dans le conduit 24 comme indiqué sur la figure 3, il n'est pas nécessaire qu'un autre échangeur de chaleur soit disposé, à la manière classique, à un emplacement qui se trouve au- dessus du sol Ainsi, les échangeurs 40 et 42 prennent la place des échangeurs qui seraient normalement présents dans une pompe à chaleur, un appareil de conditionnement d'air ou une autre source de chauffage ou de refroidissement Dans la variante de l'invention, le conduit 32 a un raccord en Y ou en T afin qu'une partie au moins de l'air provenant du conduit vertical 32 soit dirigée sur'l'échangeur 40 ou 42 Le reste de l'air du conduit 32 peut parvenir direc tement au bâtiment. On constate que, lorsque l'échangeur de chaleur est placé dans le conduit vertical, l'ensemble d'échange de chaleur peut fonctionner pendant une courte période au cours de laquelle de la chaleur ou du froid est transmis 2 53684 I à la terre environnante La terre joue le rôle d'un réser- voir de chaleur ou de froid dans lequel de l'énergie peut être emmagasinée jusqu'à ce qu'elle soit transmise au bâti- ment adjacent De cette manière, le rendement de l"échan- geur de chaleur est accru par réchauffement ou refroidis- sement du bâtiment plus progressivement par utilisation du procédé selon l'invention que dans le cas o l'élément de chauffage ou de refroidissement est disposé afin qu'il assure un échange direct de chaleur avec le bâtiment Un autre avantage de cette variante est que l'échangeur de chaleur peut fonctionner pendant les périodes autres que les périodes de pointe et peut ainsi réduire la charge des centrales d'alimentation,' en permettant ainsi des éco- nomies pour le consommateur. Il faut noter crue le procédé et l'appareil selon 1 'invention peuvent être utilisés avec un ensemble souterrain du type décrit au début du présent mémoire La disposition d'un raccord en Y dans les brins 26 et 28 (ou dans leurs prolon- gements verticaux) permet la disposition directement vers le bottier 16 d'un conduit auxiliaire Une cloison convena- ble règle le courant d'air transmis soit vers le bottier interne 16 soit vers le boîtier 14 de la pompe à chaleur. Lorsque de l'air est transmis à l'intérieur du bâtiment, il peut être utilisé comme ensemble indépendant de refroi- dissement ou avec un appareil de conditionnement d'air. La description qui précède indique que l'invention concerne un procédé de mise en oeuvre d'une pompe à chaleur permettant l'extraction de chaleur de l'air extérieur, ce procédé comprenant la formation d'un trajet souterrain de circulation d'air, la circulation forcée d'une certaine quantité d'air dans ce trajet afin que la pompe à chaleur soit alimentée, et la direction de l'air provenant du tra- jet souterrain vers la pompe à chaleur qui l'utilise pour son fonctionnement Le procédé comprend l'accouplement di- rect du conduit'souterrain à l'entrée de la pompe à chaleur et aussi la disposition du trajet souterrain au-dessous de la surface du sol, à un endroit o la température est sensiblement constante Enfin, l'invention concerne aussi un procédé qui comprend le recyclage d'une partie de l'air circulant le long du trajet souterrain, et l'augmentation de la vitesse de l'air recyclé lorsque celui-ci commence à circuler le long de ce trajet. REVENDICATIONS 1 Procédé de commande d'une pompe à chaleur ayant une entrée ( 13) d'air dont la chaleur doit être extraite, l'entrée d'air étant placée à l'extérieur d'un bâtiment à chauffer ou refroidir, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend la disposition d'un trajet souterrain ( 22) de circulation d'air, ayant une entrée et une sortie ( 33), la circulation forcée d'une certaine quantité d'air dans le trajet ( 22), cet air étant destiné au fonction- nement de la pompe à chaleur ( 12), et la direction d'air provenant de la sortie ( 33) du trajet souterrain vers l'entrée ( 13) d'air de la pompe à chaleur ( 12). 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la direction de l'air comprend la liaison de la sortie ( 33) du trajet souterrain à l'entrée ( 13) d'air non conditionné- - 3 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la formation d'un trajet souterrain ( 22) comprend la disposition de ce trajet au- dessous de la surface du sol, à un emplacement auquel la température est sensiblement constante. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé - en ce qu'il comprend le recyclage d'une partie de l'air circulant le long de ce trajet ( 22), et l'augmentation de la vitesse de l'air recyclé lorsque celui-ci commence à circuler le long dudit trajet - Appareil de conditionnement d'air d'un bâtiment, destiné à porter l'air à une température voulue, ledit appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend une pompe à chaleur ( 12) ayant une entrée ( 13) d'air dont la chaleur doit être extraite, - un conduit souterrain ( 22) formant un trajet allongé permettant la circulation d'air et ayant une extré- mité d'entrée destinée à recevoir de l'air entrant et une extrémité de sortie ( 33) destinée à évacuer de l'air, le conduit étant disposé dans le sol au-dessous de la surface de celui-ci, l'extrémité de sortie ( 33) du conduit ( 22) étant disposée afin qu'elle dirige l'air qui en provient vers l'entrée ( 13) d'air de-la pompe à chaleur, et un dispositif ( 20) destiné à faire circuler une quantité d'air suffisante au fonctionnement de la pompe à chaleur ( 12) dans le conduit ( 22), si bien que l'air dont la chaleur doit être extraite par la pompe à chaleur ( 12) est préalablement conditionné par circulation dans le conduit souterrain ( 22). 6 Appareil selon la revendication S, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif destiné à relier la sortie ( 33) du conduit à l'entrée ( 13) de la pompe à chaleur. 7 Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif ( 36) de recyclage de l'air circulant dans le conduit - 8 Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif ( 38) destiné à augmenter la vitesse de l'air dans le conduit au voisinage du disposi- tif de recyclage ( 36). 9 Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que la pompe à chaleur ( 12) est placée dans le con- duit. 10 Procédé de chauffage ou de refroidissement d'un bâtiment à l'aide d'un échangeur de chaleur ( 40, 42) et d'une source d'air qui a une circulation forcée afin qu'il passe sur l'échangeur de chaleur, ledit procédé étant carac- térisé en ce qu'il comprend la formation d'un trajet souterrain ( 22) de cir- culation d'air, ce trajet ayant une entrée et une sortie ( 33), la disposition de l'échangeur de chaleur ( 40, 42) dans le trajet souterrain, la circulation forcée d'une certaine quantité d'air dans le trajet, et la direction de l'air provenant de la sortie. du trajet vers le bâtiment. 11 Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la formation, d'un trajet souterrain comprend la disposition du trajet ( 22) au-dessous de la surface du sol à un endroit o la température est sensiblement constante. 12 Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend le recyclage d'une partie de l'air qui circule le long du trajet ( 22), et l'augmentation de la vitesse de l'air recyclé lorsque celui-ci commence à circuler le long du trajet. 13 Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur est une pompe à chaleur ( 12).