Brevet FR2547027A1 — publié le 19841207

La présente invention concerne une pompe à chaleur avec appoint au gaz. On a réalisé depuis plusieurs années une grande quantité d'installations comportant è la fois une pompe h chaleur et une chaudière è gaz9 surtout è gaz propane. Dans l'opération Perche des pompes à chaleur du type air exté- rieur/eau ont été installées en relève de chaudières existantes avec d'excellents résultats. Toutefois, lorsqu'il s' agit d'une installation nouvelle, que ce soit la première installation d'un batiment neuf ou une installation neuve dans un bâtiment ancien, on est obligé d'acheter séparément une pompe è chaleur et une chaudière h gaz, de les monter séparément et de les associer par une régulation extérieure. De ce fait l'installation est onéreuse et on ne profite pas complètement des avantages que peut apporter la chaudière à gaz. La présente invention vise à remédier è ces inconvénients en procurant un appareil de conception particulièrement simple. A cet effet cet appareil de chauffage è pompe à chaleur avec appoint au gaz comprenant, dans une même enveloppe, une pompe b chaleur monobloc du type air extérieur/eau et une chaudière à gaz du type è air soufflé, le serpentin du condenseur de la pompe è chaleur étant branché en série et en amont du corps de chauffe de la chaudière b gaz, est caractérisé en ce que le circuit d'air de la pompe à chaleur est pourvu d'un clapet battant ne permettant la circulation de l'air que dans le sens normal et le conduit d'évacuation des fumées de la chaudière débouche è proximité immédiate de lgévaporateur de la pompe h chaleur9 de manière b diriger les fumées provenant de la chaudière, lorsque celle-ci est en marche, sur l'évaporateur Dans l'appareil suivant l'invention la chaleur des fumées de la chaudière est utilisée pour le dégivrage de la pompe è chaleur et la chaleur de ces mêmes fumées sert de source de chaleur à la pompe è chaleur lorsque la tempéra- ture de l'air extérieur est trop basse pour que l'on puisse espérer un bon coefficient de performance. Pour cela le rapport entre la puissance nominale de la chaudière et la puissance nominale de la pompe è chaleur est choisi de telle façon que la chaleur des fumées soit suffisante pour former une telle source de chaleur. Etant donné que la chaudière ne doit fonctionner que durant une partie de le saison de chauffe, son rendement énergétique n'a qu'une importance mineure, du fait égalenent que la chaleur des fumées est récupérée. Si on admet que le rendement de la chaudière est de 75%, ce qui est le minimum exigé par la norme, les fumées contiennent sous forme de chaleur sensible ou latente 252 de la puissance du brûleur, soit le tiers de la puissance nominale de la chaudière. Si on utilise ces 25X de l'énergie du combustible comme source pour une pompez chaleur de coefficient de performance k, on obtient au condenseur de la pompe b chaleur une puissance égale è 25S x k .Si le coefficient est égal à 2,5 on ar k-l rive à obtenir une puissance de 42X avec une consommation électrique de 172 au compresseur de la pompe è chaleur. On obtient donc un appareil qui, pendant les mois de fonctionnement en demi-saison, marche comme une pompe å chaleur classique, avec un coefficient de performance ou rendement nominal de 2,5 au minimum et qui en réalité varie, pour les points de fonctionnement réels, entre 3 et 2,2. Lorsqu'il y a besoin d'un appoint au gaz, on utilise simultanément la puissance de la chaudière et celle de la pompe à chaleur, cette dernière fonctionnant avec un bon coefficient de performance, étant donné la disposition de la source. On réalise donc mieux que la chaudière à condensation puisqu'en consommant au broyeur une puissance de 100 (mesurée sur PCS) et au moteur de la pompe à chaleur une puissance de 17, on a à sa disposition une puissance de 75 + 42 = 117. On a donc un rendement global, en période de pointe, de l'ordre de 100X. En dégivrage, au lieu de prendre son énergie de fonte de la glace dans le réseau de chauffage, comme cela se produit dans le dégivrage par inversion de cycle, il la prend sur les fumées, la chaudière se mettant en route pendant un temps très court, sans abaissement de la température du réseau d'eau chaude. Ce résultat est obtenu en combinant deux éléments dont les performances et la complexité sont tout à fait classiques. La chaudière a un rendement proche du minimum de la norme. La pompe à chaleur est simplifiée, surtout dans son circuit frigorifique. I1 n'y 8 pas de dégivrage par inversion de cycle ou par gaz chaud, ce qui diminue le nombre des brasures et donc le prix de. revient. La puissance maximale obtenue par grands froids est lasomme des puissances maximales des deux éléments. De plus, les divers organes sont réunis en un seul appareil facile à poser. Les orifices de prise d'air et de cheminée de la chaudière sont confondus avec ceux d'entrée d'air et de sortie d'air de la pompe chaleur. L'appareil qui contient tous les accessoires d'un chauffage central à eau chaude, n'est relié au réseau de radiateurs que par des tubes. On décrira ci-après,à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention,en référence au dessin annexé qui est une vue en coupe verticale schématique d'un appareil de chauffage suivant l'invention utilisant en combinaison une pompe à chaleur et un appareil de chauffage à gaz. Comme on peut le voir sur le dessin l'appareil suivant l'invention comprend, à l'intérieur d'une même enveloppe 1, une pompe à chaleur monobloc 2 du type air extérieur/eau et une chaudière à gaz 3, par exemple à propane, du type à air soufflé dont les serpentins échangeurs respectifs 2a et 3a, parcourus par l'eau à chauffer, sont branchés en série. La pompe à chaleur 2 comprend un circuit frigorifique dont les éléments constitutifs, à savoir un compresseur, un condenseur, un détendeur et leurs accessoires ne sont pas représentés. Seul un évaporateur 4 de la pompe à chaleur est indiqué en détail sur le dessin.L'évaporateur 4 est disposé, de même que le reste de la pompe à chaleur 2, dans la partie inférieure de l'appareil et il est logé dans un compartiment gauche 5 qui est séparé, par une cloison verticale 6, d'un autre compartiment droit 7 dans lequel sont disposées la pompe à chaleur 2 en partie inférieure et le chaudière à gaz 3 en partie supérieure. La paroi verticale externe délimitant le compartiment gauche 5 est percée, à se partie supérieure, d'un orifice d'entrée d'air 8 obturé par un clapet battant 9. Ce clapet 9 est articulé, à sa partie supérieure, autour d'un axe horizontal 10 et il est appliqué sous l'effet de son propre poids contre le bord de l'orifice d'entrée d'air 8. Dans la partie inférieure de la paroi externe du compartiment gauche 5 est prévu un orifice de sortie d'air 11 dans lequel est monté à rotation un ventilateur aspirant 12.Ainsi, lorsque le ventilateur aspirant 12 tourne, de l'air pénètre dans le compartiment gauche 5, à travers l'orifice d'entrée d'air supérieur 8 et s'écoule vers le bas, an traversant l'évaporateur 4, pour ressortir à travers l'orifice inférieur 11. On voit que le clapet battant 9 permet la circulation de l'air uniquement dans le sens précédent, c'est-à-dire de l'orifice d'entrée d'air supérieur 8 à l'orifice de sortie d'air inférieur 11. La chaudière à gaz 3 est reliée à sa base, par un conduit 13, qui traverse la cloison intermédiaire 6, à une prise d'air située en amont du clapet battant 9. Elle est également reliée, à sa partie supérieure, par un conduit de sortie de fumées 14 sur lequel est monté un ventilateur 15, à un organe répartiteur 16 s'étendant parallèlement à l'évaporateur 4, à proximité de celui-ci. Cet organe répartiteur peut ëtre constitué, par exemple, parplusieurs tubes parallèles à l'évaporateur 4, ces tubes étant percés de trous dirigés vers l'évaporateur 4.Par conséquent l'air de combustion pour la chaudière 3 est aspiré en amont du clapet battant 9 et il est refoulé par le ventilateur 15 sous forme de fumée par le conduit 14, jusqu'à l'organe répartiteur 16 dont les tubes perforés parallèles à l'évaporateur 4 répartissent le débit des fumées sur la totalité de la surface de l'évaporateur 4. Le fonctionnement de l'appareil qui vient d'être décrit est le suivant: Au point de vue hydraulique, le serpentin échangeur 2a du condenseur de la pompe b chaleur 2 est en série avec le corps de chauffe 3a de la chaudière 3. I1 n'y a pas de débit d'air, donc pas de déperdition de celui-ci en cas d'arrêt de la chaudière 3. Le serpentin 2a du condenseur est situé en amont du corps de chauffe 3a. Lorsque l'on se trouve en demi-saison, la pompe à chaleur dont la puissance nominale est plus de la moitié de celle de la chaudière 3 et plus du tiers de la puissance totale, suffit pour chauffer la maison. Dans ce premier temps elle marche avec des températures positives d'évaporation, donc sans besoin de dégivrage. Durant cette marche le ventilateur 12 tourne et provoque la circulation d'un courant d'air, de l'orifice d'entrée 8 à l'orifice de sortie 11, ce courant balayant l'évaporateur 4 de la pompe à chaleur.Si la température extérieure baisse, la température d'évaporation baisse aussi et on entre alors dans la zone de givrage. Le besoin de dégivrage est détecté par des moyens classiques (thermostat en sortie d'évaporateur, horloge, pressostat, etc).La fermeture du contact dégivrage en trapue l'arrêt du ventilateur 12 et du compresseur de la pompe à chaleur 2 et provoque la mise en route de la chaudière 3. De l'air est aspiré dans le conduit 13 et des fumées sont rejetées par le conduit 14, grâce au ventilateur 15. Sous l'effet de la surpression engendrée, dans le compartiment gauche 5, par la mise en marche du ventilateur 15, le clapet 9 se ferme, et les fumées qui s' échappent de l'organe répartiteur 16 traversent l'évaporateur 4 et sortent par l'orifice inférieur 11. Sous l'effet du passage des fumées la glace contenue dans l'évaporateur 4 fond rapidement. A titre d'exemple les fumées d'une chaudière classique de 22 kW sont suffisantes pour fondre 3 kg de glace en 2 minutes et demi. La fin du dégivrage est connue avec précision, la chaleur des fumées élevant rapidement la température de l'évaporateur dès la fin de la fusion de la glace. Le dégivrage ne se traduit pas, comme dans les pompes à chaleur classiques, par un arrêt de la puissance de chauffage ou par un temps assez long de puissance négative, mais au contraire par une surpuissance passagère de l'ensemble de l'appareil de chauffage. Par grand froid on est amené à faire fonctionner la chaudière pendant des durées de plus en plus longues, au fur et à mesure de l'accroissement des besoins de chauffage. Ceci est alors commandé par les procédés classiques de rdgu- lation. Lorsque la chaudière 3 se met en marche, le ventilateur 12 s'arrête et le clapet battant 9 retombe. Par contre la pompe à chaleur 2 continue à fonctionner en utilisant les fumées comme source de chaleur. Si le rapport des puissances de la pompe à chaleur 2 et de la chaudière 3 est bien choisi, l'eau de combustion est récupérée sous forme de condensat. Si la pompe à chaleur est trop peu puissante, les fumées sortent relativement chaudes de la pompe à chaleur, mais à une température inférieure à leur point de rosée. Si au contraire, celle-ci est trop puissante, l'eau est retenue sous forme de glace et ceci se traduit par des arrêts de la pompe h chaleur pour dégivrage. Le système est donc stable avec une large marge pour le dimensionnement des deux parties. La pompe à chaleur continue à fonctionner tent que sa température de sortie d'eau est inférieure à la limite admise par le constructeur, de l'ordre de 550. On fonctionne alors, par exemple, avec une température de retour de 480, une température de sortie de la pompe à chaleur à 550 et une sortie de la chaudière à 680. On aura intérêt, dans une installation neuve, à avoir un réseau d'émetteurs tels que la température de départ reste toujours inférieure à 650 par les grands froids; ceci est réalisé sur la plupart des installations individuelles existantes, et se réalise facilement dans les installations destinées à des maisons bien isolées. La chaudière 3 peut être du type à double service c'est-à-dire utilisée à la fois pour le chauffage et la fourniture d'eau chaude domestique. Si la demande d'eau chaude a lieu pendant le fonctionnement de la pompe à chaleur, on laisse fonctionner celle-ci; la température et la teneur en eau de l'air aspiré sont augmentées, ce qui relève le coefficient de performance de la pompe à chaleur. Si la demande a lieu en dehors des périodes de fonctionnement de la pompe à chaleur, on peut, si l'on craint une élévation exagérée de la température de l'évaporateur 4, mettre en marche le ventilateur 12 à vitesse normale ou plutôt à vitesse réduite. Suivant une variante de réalisation on peut utiliser, dans l'appareil de chauffage suivant l'invention, une disposition destinée à réduire la température des fumées produites par la chaudière à-gaz 3 et par conséquent celle des bords d'attaque des ailettes de l'évaporateur 4, lorsque la pompe à chaleur 2 est en fonctionnement, et de la température de l'évaporateur 4 dans son ensemble lorsque la pompe à chaleur est arrêtée. Pour cela on utilise une chaudière à gaz classique, du type à tirage naturel, munie des accessoires permettant le raccordement sur un système de ventilation mécanique contrôlée. Le ventilateur 15 est branché sur le départ de cheminée, an aval du coupe-tirage que comporte ce type de chaudière. I1 aspire un débit d'air 10 fois supérieure environ au débit nécessaire pour la chaudière; les 9/lOe de ce débit passant par le coupe-tirage; le l/lOe passe à travers la chaudière.La température du mélange air/fumées ainsi obtenue est tout à fait suffisante pour obtenir un dégivrage rapide de l'évaporateur 4'ou un fonctionnement de la pompe à chaleur avec l'enthalpie des fumées comme source de chaleur. Dans ce cas le clapet battant 9 joue toujours son rôle: l'air de combusition et l'air de dilution sont aspirés en amont de ce clapet 9 et ils sont répartis sur l'évaporateur 4 comme précédemment. REVENDICATIONS 1.- Appareil de chauffage à pompe à chaleur avec appoint au gaz comprenant, dans une même enveloppe, une pompe à chaleur monobloc du type air extérieur/eau et une chaudière à gaz du type à air soufflé, le serpentin du condenseur de la pompe à chaleur étant branché en série et en amont du corps de chauffe de la chaudière à gaz, caractérisé en ce que le circuit d'air de la pompe h chaleur (2) est pourvu d'un clapet battant(9) ne permettant le circulation de l'air que dans le sens normal et le conduit (14) d'évacuation des fumées de la chaudière (3) débouche à proximité immédiate de l'évaporateur (4) de la pompe à chaleur, de manière à diriger les fumées provenant de la chaudière (3), lorsque celle-ci est en marche, sur l'évaporateur (4). 2.- Appareil suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la chaudière à gaz (3) est reliée, par une canalisation (13), à une prise d'air située en amont du clapet battant (9), pour son alimentation en air de combustion. 3.- Appareil suivant la revendicationl caractérisé en ce que la chaudière à gaz est du type à tirage naturel raccordable sur un système de ventilation mécanique contrd- lée ou du type à tirage forcé. 4. Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le conduit (14) de sortie des fumées est raccordé à un organe répartiteur (16) s'étendant parallèlement à l'évaporateur (4), à proximité de celui-ci. 5.- Appareil suivant la revendicationl caractérisé en ce que l'organe répartiteur (16) est constitué de plusieurs tubes percés de trous dirigés vers l'évaporateur (4). 6.- Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'enveloppe (1) est séparée en deux compartiments (5, 7) par une cloison verticale (6), l'un des compartiments (7) comportant, à sa partie inférieure, les composants principaux de la pompe à chaleur (2), à l'exception de l'évaporateur (4), et à sa partie supérieure la chaudière à gaz (3), tandis que l'autre compartiment (5) contient l'évaporateur (4) de la pompe à chaleur et un circuit d'air de balayage partant d'un orifice d'entrée d'air supérieur (8)s obturé par le clapet battant (9) et aboutissant à un orifice de sortie d'air inférieur (11), avec un ventilateur aspirant (12), 7.- Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dégivrage de l'évaporateur (4) de la pompe à chaleur (2) est produit par l'allumage de la chaudière à gaz (3) et l'envoi des fumées de celle-ci sur l'évaporateur (4). 8.- Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que lorsque la chaudière à gaz (3) fonctionne en appoint de la pompe à chaleur (2), la source de calories de cette dernière est constituée par les fumées de la chaudière (3).