Brevet FR2538510A1 — publié le 19840629

La présente invention est destinée à chauffer divers locaux par la technique des planchers chauffantes avec pour but essentiel un haut rendement énergétique. Les pompes à chaleur actuelles, fabriquées en usine et aosor- ties en gammes de puissance, sont des appareils à eomp--ession mécanique de vapeurs condensables fonctionnant par prélèvement de calories extérieures transférées à un fluide auxiliaire de transport sous forme de chaleur sensible. La température à laquelle fonctionne ce fluide@de transport est tributaire du procédé d'émission des calories. Elle est maximale, et de l'ordre de 550C pour une émission par radiateurs dans une installation non remaniée ou mixte. Elle est minimale et de l'ordre de 3000 pour les nappes chauffantes au sol. Ces différences de température alin- fluent pas sur le rendement des chaudières à combustion.Dans le cas d'une pompe à chaleur où la pression des gas chauds est étroitement liée à leur température, le rendement ou coefficient de per formance de l'installation évolue très rapidement par accroissemen de la consommation d'énergie éclectique des compresseurs. Aux fins d'adaptation à un maximum de cas de figures de re- seaux de distribution de chaleur les dimensions de l'échangeur chaud, ou condenseur, sont prévues pour un usage à 55 C. A la pression correspondant à cette température, les gaz chauds, très denses, trouvent/un passage et une surface de condensation suffi sants. Le même débit massique de gaz tièdes dans le mme eondenseuz ne peut s'effectuer à une pression suffisante pour chauffer de l'es à 30 C, les gaz détendus n'ayant ni passage ni surface de colqden- sation suffisantes.La pression et la température 69 élèvent donc, à cause des pertes de charge et du gradient thermique des couches limites du condensat, jusqu'à un nouvel équilibre, peu différent des conditions précédentes, donc le rendement de lVinstallation lui aussi, varie peu. Dans l'état actuel de la technique et du marché, l'investis- sement dans des échangeurs plus conséquents augmenterait de fa çon prohibitive le coût d'une installation réunissant une techhologie chère et un réseau de distribution d'eau chaude classique. L'investissement serait de plus alourdi par la nécessité de fractionner le matériel à cause du poids t@op important pour le réseau actuel des installateurs. les @@mpes à chaleur actuelles prélèvent les calories extérieures soit sur l'air, sit sur eau souterraine. Dans tous les-cas il s'agit de faire évapo@er un fluide fluorocarboné dans un o@gane appelé çvaporateur. Cet évaporateur est alimenté en fluide liquide détendu à une pression comparable à la pression d'aspiration du compresseur. L'alimentation se fait soit par un détendeur qui est une vanne automatique, soit par un étranglement matérialisé par un tube de faible section appelé capillaire. Dans les deux cas out le fluide entrant da@s l'évaporateur but au conta@t des parois chauffées par les calories extérieures, etquitte l'évaporateur sous forme de gaz. Le poids de liquide par éléments de longueur successifs est donc décroissent en suivant le courant. Il s'ensuit que e mélange hétérogène contenu dans l'évapo- rateur offre de moinsen moins de surface de contact entre la partie liquide et les parois. La pression des gaz à leur sortie de l'évaporateur est en relation avec leur température telle qu'aucune goutte de liquide ne dat subsister sous peine dendommager le compresseur L'évaporation est dite sèche. Deux intérêts contraires sont en jeu . protéger le compresseur et aspirer les vapeurs les plus denses possibles. La balance penehe du coté de la sécurité eu détriment de la performance, surtout avec l'emploi d'un capillaire. Les compresseurs actuels sont à pistons et cylindres. Très robustes, ces matériels consornment pour leur propre mouvement plus d'énergie que les compresseurs à pistons roulants et palettes Toutes les rompes à chaleur ont un coefficie-ft de performance étroitement lié à la différence entre l'aspiration et le refoulement. (of "La pompe à chaleur - tome 1 de Bernier - édit. PYC) les coefficients de performance actuels sont compris entre 1,5 et 4, c'est-à-dire que la part d'énergie "gratuite" représente de la moitié à rois fois la part d'énergie consommée. La présente invention a pour objet de diminuer les écarts de pression et température entre le côté refoulement et le côté aspiration de la pompe à chaleur, et ce, sans surcoût de l'installation. Elle consiste à utiliser la surface intérieure des conduites noyées dans les planchers chauffants comme surface de condensation. La température superficielle d'un sol chauffant devant être la plus homogène possible, pour éviter des zones d'inconfort impose un pas de tuyauteries de 0,15 à 0,30 mètre selon l'orientation des pièces. Son maximum médicalement recommandé est de 260C. L'utilisation de vapeurs condensables, par leur afflux spontané vers les sections les plus chargées thermiquement, à savoir les sections les plus froides, autorise une installation a densité constante de conduites par unité de surface1 contrairement aux installations à fluide caloporteur à chaleur sensible. Pans ces dernières, la viscosité et le débit du fluide ne sont pas influencés par ses températures de fonctionnement. les grandes dimensions du condenseur réparti diminuent considérablement les pertes de charge et le gradient thermique de la couche limite des condenseurs. Sur plateforme d'essais, une température de condensation de 270C procure une température de surface de sol de 230C, suffisante pour eouvrir les besoins de chauffage de 85% de la période de chauffe. Pour les conditions de -5 C à l'extérieur et +19 C à l'intérieur, la température de condensation est de 320C. La présente invention utilise la technique de l'évaporation noyée, habituellement résertée aux installations frigorifiques de grande puissance. il est fait en outre emploi d'un petit évaporateur auxiliaire à évaporation sèche destine à ramener au carter du compresseur l'huile qui traverse le séparateur d'huile sousforme de brouillard et de vapeur et diffuse dan6 le circuit. L'utilisation d' évaporateurs noyés, contrairement à l'emploi d'évaporateurs à évaporation sèche permet d'obtenir une pression d'aspiration beaucoup plus proche de la température de la source de calories extérieures. Ceci parce que les surfaces mises en jeu ne sont pas les mêmes, et parce que l'évaporateur noyé est parcouru par un courant de liquide contenant des bulles de vapeur. La surface d'échange entre la partie liquide du fluide et la paroi est donc plus grade. En sortie d'évaporateur une bouteille sêparatrice permet de ntaspirer que des vapeurs. La partie liquide separée retourne dans l'évaporateur par gravit et répartit par agitation la concentration d'huile au sein de la masse de fluide liquide. Cette technique fait aspirer des vapeurs saturées et non surchauffées, augmente la densité et le débit des vapeurs aspirées et diminue la surchauffe des gaz refoulés par diminution du rapport de compression. Sur platefsrme d'essais une température d'eau de 14 C permet d'évaporer à 12 C. L'emploi de compresseurs à pistons roulants et palettes, moins consommateurs d'énergie que les compresseurs à pistons alternatifs, est particulièrement indiqué pour ces conditions de fonctionnement La présente invention, destinée à assurer à elle seule les besoins de chauffage, avec un investissement comparable à celui d'un chauffage central classique à combustible liquide, fonctionne avec un coefficient de performance compris entre 6 et 8 selon le type de compresseur utilisé. Particulièrement destiné à lDha- bitat neuf, ce procédé peut s'employer en réhabilitation. L'installation se présente en trois parties, qui sont : la nappe chauffante, le groupe évaporateur et la source de calories extérieures. La nappe chauffante est formée de quarante circuits de condensation tubulaires de 10 mm de diamètre utile et 12 à 15 mètres maximum de longueur, pour une surface type de 110 mètres carrés. La perte de charge dans les circuits élémentaires étant bien inférieure à la différence de pression du gaz due à un degré d'écart de température autorise une tolérance de 30Xo sur la longueur des éléments. Ces longueurs élémentaires sont sans soudure ni about dans leur partie noyée par la chaBeO les entrées de ces circuits élémentaires scnt soudées à un ou deux distributeurs de gas chauds. Les sorties sot soudées à un ou deux colleeteurs de condensats. Le ou les distributeurs de gaz chauds sont reliés au séparateur d'huile par une conduite sans soudure noyée, de 24 mm de diamètre. Le ou les collecteurs de fluide condensé sont reliés à la réserve de liquide par une conduite sans soudure noyée de 16 mm de dimmètre utile. Ces collecteurs sont situés de préférence dals des niches maçonnées fermées par une porte d'accès ventilée par grille basse ouvrait sur l'extérieur. Collesteurs et départs élémen- taires sont calorifugés Toute cette partie de l'installation est composée de tubes qualité "froid" brasés à l'argent. Elle est soumise à une épreuve de pression et etanchéïté par liquide fluorocarboné avant et pendant la mise en place de l'agrégat. La fixation des tubes se fait avec les précautions d'usage. Le groupe évaporateur est de préférence dans une niche maçonnée située dans une pièce de service et ouvrant sur l'ex- térieur par une porte munie d'une ventilation et d'une clé Ce groupe est assemblé en atelier et ses sorties se font par des amortisseurs de vibrations métalliques. Il comporte l'évaporateur principal sur lequel sont fixés le ou les eompresseurs, la bouteille de séparation d'aspiration, le separateur d'huile, l'évaporateur auxiliaire en partie basse, la vanne d'alimenta- tion en niveau constant, la réserve de liquide, les sécurités et un connecteur multibroches destiné à raccorder 11 armoire de commode située à l'intérieur du local. L'évaporateur auxiliaire est chauffé par le liquide en retour de l'installation. C'est un évaporateur coaxial à dé- tente sèche alimenté par gravité depuis l'évaporateur principal à travers une vanne de réglage manuelle, une électrovanne, et un filtre deshydrateur pouvant etre isolé. Ss sortie basse rejoint la partie basse d'une crosse réunissant l'aspiration de la bouteille séparatrice à l'aspiration du compresseur. L'huile en sortant, est ramenée au compresseur par le flux principal. L'évaporation auxiliaire représente 2 à 5% de l'évaporation principale. La source de calories extérieures est l'eau de nappe ou de source. Dans la mesure du possible deux forages distants de 20 à 40 mètres servent, l'un au puisage et l'autre au rejet de l'eau. Ce circuit est sous dépression de façon à utiliser la chute de la colonne descendante pour soulager la pompe de son travail élévatoire. les colonnes de puisage et de rejet ne comportent aucun clapet de retenue, l'amorçage du circuit se faisant par aspiration de l'air à la première mise en service. La pompe refoule dans l'évaporateur. Le circuit-d'eau de l'évaporateur se compose d'un seul métal pour éviter la eorrosion par couple galvanique. Sur plateforme d'essais le matériel employé, hormis le compresseur et le séparateur d'huile, n'existe pas en fabrication courante. Une adaptation de matériel existant à de nouvelles fonctiors a été nécessaire. L'évaporateur est en fait un con denseur multitubulaire à tubes à ailettss laminées et à circu- lation d'eau intérieure (9 R Q 15 -- Le compresseur frigorifique) Cet évaporateur à tubes noy-és est surmonté d'une bouteille de séparation permettant par décantation et réduction de vitesse de n'aspirer en partie haute que les vapeurs saturées. les parties liquides issues de l'évaporateur y retournent en partie basse par gravité, via une tubulure de 22 mm de diamètre. La réserve de liquide a une capacité de 8 litres. Le niveau est maintenu par une vanne à niveau constant située au bout de l'é- vap@rateur. Plusieurs voyants permettent d'observer le fonctionnement du système, à savoir ç un voyant sur le retour du séparateur d'huile, deux vis-à-vis sur la bouteille d'aspiration un en sortie d'évaporateur auxiliaire. Le bain d'huile est chauf- fé de façon permanente pour éviter sa dilution. te compresseur est un BITZER BHS 191 à pistons et cylindres. Le coefficient de performance de l'essai est supérieur à 6. REVENDICATIONS I) Procédé de chauffage thermodynamique à compression mécanique de vapeurs condensables caractérisé en ce qu'il est intégré au bâtiment et fournit de 6 à 9 fois plus d' énergie qu'il n'en consomme, par réduction de l'écart des pres -sions caractérisques. 2) Dispositif selon la revendication I,caractérisé en ce qu'il utilise la surface intérieure de réseaux de tubulures noyées dans les chapes de sol coma -me surface de condensation de fluides condensables 3) Dispositif selon les revendications I et 2 caractérisé cri ce qu'il per- -met de réaliser des planchers chauffants avec une seule densité de tubes par unité de surface,quelles que soient les caractérisques des pièces, grâce à la propension de la vapeur à se condenser sue les surfaces les plus froides ,les pertes de charge étant très inférieures à à l'écart de pression résultant d'un écart de température de I C. 4) Dispositif selon les revendications 2 et 3 caractérise en ce qu'il per- -met d'utiliser des réseaux de longueurs inégales de 30%. 5) Dispositif selon les revendications I et 2 caractérisé en ce qu'il p@r- -met de resserrer l'écart des pressions par une évaporation de type noyé