Brevet FR2540608A1 — publié le 19840810

L'invention concerne une invention de climatisation d'une construc- tion, principalement un immeuble d'habitation; elle a été plus particulière- ment conçue pour stocker et gérer économiquement les apports calorifiques d'origines diverses produits ou récupérés gratuitement, notamment l'énergie calorifique d'origine solaire, l'énergie contenue dans l'air ou encore l'énergie de condensation de la vapeur d'eau. L'augmentation du prix des combustibles a imposé de réaliser des économies d'énergie dans tous les domaines, notamment le chauffage On a commencé par mettre au point des systèmes de régulation agissant sur les débits de combustibles utilisés (fuel ou gaz naturel) Puis on s'est intéressé aux sources d'énergie gratuite comme particulièrement l'énergie solaire. Parallèlement, le développement des pompes à chaleur permet de puiser des calories utilisables pour le chauffage dans des sources à basse température. L'invention réalise une synthèse de toutes ces tendances et constitue en particulier une association optimale entre une pompe à chaleur, au moins un moyen de captation de chaleur gratuite et un réseau de chauffage. Plus précisement, l'invention concerne donc une installation de climatisation d'une construction, par exemple un immeuble, comportant un réseau de chauffage à circulation de fluide caloporteur et au moins un moyen de captation de chaleur, caractérisée en ce qu'elle comporte une pompe à chaleur, un système de commande pilotant le fonctionnement intermittent de ladite pompe à-chaleur, une cuve de stockage de chaleur à basse température remplie d'un premier liquide, interconnectée entre ledit moyen de captation de chaleur et le circuit primaire de la pompe à chaleur et une cuve de stockage de chaleur à haute température remplie d'un second liquide, interconnectée entre le circuit secondaire de la pompe à chaleur et ledit réseau de chauffage. Bien entendu, l'un des moyens de captation de chaleur sera si possible constitué par un agencement de capteurs d'énergie solaire pour acheminer des calories vers la cuve de stockage de chaleur à basse température au moyen d'un circuit de circulation de fluide caloporteur établi entre l'agencement de capteurs et la cuve de stockage de chaleur à basse température La présence des deux cuves de stockage de chaleur en amont et en aval de la pompe à chaleur permet notamment d'utiliser une pompe à chaleur du type eau-eau du commerce, c'est à dire le type de pompe à chaleur actuellement connu pour être le moins cher et le plus efficace Dans ces conditions, le premier liquide précité est de l'eau qui est admise à circuler dans le circuit primaire tandis que le second liquide précité est aussi de l'eau admise à circuler dans le circuit secondaire. Lorsqu'on utilise un agencement de capteurs d'énergie solaire, il est souhai- table d'utiliser de l'eau glycolée dans la cuve de stockage à basse températu- re et par conséquent dans le circuit primaire de la pompe à chaleur. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaitront mieux à la lumière de la description qui va suivre d'une installation actuellement préférée conforme aux principes de l'invention, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lequels La figure 1 est un schéma général de l'invention; Las figure 2 est une vue schématique en élévation de la cuve de stockage de chaleur à basse température; La figure 3 est une vue schématique en élévation de la cuve de stockage de chaleur à haute température; et La figure 4 est un schéma général des parties essentielles d'un système de gestion contrôlant à la fois le processus de récupération de l'énergie solaire et le transfert des calories, organisé par la pompe à chaleur, jusqu'au réseau de chauffage. En se référant à la figure 1, l'installation comprend une pompe à chaleur 11, du type eau-eau, un réseau de chauffage central 12 à circulation d'eau et un agencement de capteurs d'énergie solaire 13 placé par exemple en lieu et place de la toiture d'un immeuble Les capteurs solaires utilisés peuvent être par exemple des capteurs dits "convectifs" du type décrit dans la demande de brevet français N 081-22545 déposé le 2 décembre 1981 Le réseau de chauffage 12 est de préférence un reseau à basse température et large surface d'échange thermique Les systèmes de chauffage par le sol sont particulièrement recommandés pour cette application Selon une parti- cularité importante de l'invention, l'installation comprend une cuve de stockage de chaleur à basse température 14 remplie d'un premier liquide; interconnectée entre l'agencement de capteurs 13 et le circuit primaire 15 de la pompe à chaleur et une cuve de stockage de chaleur à haute température 16 remplie d'un second liquide, interconnectée entre le circuit secondaire 17 de la pompe à chaleur et le réseau de chauffage 12 Le premier liquide cité est de l'eau glycolée, la température de fonctionnement pouvant être inférieure à O C, dans certains cas Le circuit primaire 15 de la pompe à chaleur admet parfaitement de fonctionner avec ce mélange Le second liquide cité est de l'eau douce Cependant, il est parfaitement envisageable d'utiliser d'autres mélanges liquides en fonction des applica- tions envisagées, c'est à dire des gammes de températures désirées en amont et en aval de la pompe à chaleur. L'installation est complétée par un circuit de circulation 19 de l'eau glycolée entre la cuve 14 et l'agencement de capteurs 13, comprenant une pompe de circulation 20; un circuit de circulation 21 de l'eau glycolée entre la cuve 14 et ledit circuit primaire 15, comprenant une pompe de circulation 22, un circuit de circulation 23 de l'eau douce entre ledit circuit secondaire 17 et la cuve 16, comprenant une pompe de circulation 24 et un circuit de circulation 25 entre la cuve 16 et le réseau de chauffage 12, comprenant une pompe de circulation 26 et une vanne de mélange à trois voies 27, commandée, à action proportionnelle Cette vanne est branchée entre la cuve 16 et le réseau 12 d'une part et en parallèle sur ce dernier d'autre part (c'est à dire entre le conduit de départ d'eau chaude et le conduit de retour vers la cuve 16) pour assurer un mélange en proportion variable entre de l'eau à la température de la cuve 16 et de l'eau refroidie après son passage dans le réseau de chauffage 12 On peut ainsi réguler la température de l'eau qui circule dans ce réseau de chauffage en fonction de la température désirée dans -les locaux Le mode de régulation de la température sera expliqué plus loin en référence à la figure 4 Le circuit de circulation 19 puise l'eau glycolée à la partie basse de la cuve 14 et restitue l'eau réchauffée par les capteurs en partie haute de cette même cuve Les différentes pompes 20, 22, 24 et 26 sont commandées par un système de gestion qui contrôle la consommation optimale des calories stockées dans la cuve 16 et le transfert des calories depuis la cuve 14 jusqu'à la cuve 16 (mise en fonctionnement de la pompe à chaleur) ainsi que le renouvellement de la quantité de chaleur accumulée à basse -température dans la cuve 14, en fonction notamment des apports d'origine solaire Ce système de gestion est piloté automatiquement par des grandeurs de consigne (affichées par l Putili- sateur) et par un certain nombre de sondes de température placées en différents points On distingue notamment une sonde de température exté- rieur Si (figure 4) placée à l'extérieure des locaux à climatiser, une sonde de température 52 placée dans la cuve de stockage de chaleur à haute température 16, une sonde de température 53 en contact thermique avec un point choisi du réseau de chauffage, une sonde de température 54 en contact thermique avec l'agencement de capteurs 13 et une sonde de température 55 placée dans la cuve de stockage de chaleur à basse température 14 Ce système de gestion sera décrit plus particulièrement en référence à la figure 4. La figure 2 montre une structure avantageuse utilisable en tant que cuve 14 Elle comporte un récipient 14 a renfermant un conteneur 30 à grande surface d'échange thermique (il s'agit dans l'exemple représenté d'un faisceau de tubes fermés) immergé dans l'eau glycolée de la cuve (c'est à dire dans le premier liquide précité) et rempli d'un liquide à point de congélation plus élevé que ledit premier liquide Lorsque le premier liquide précité est de l'eau glycolée, le conteneur 30 peut être simplement rempli d'eau douce Ainsi, la capacité de stockage à basse température de la cuve 14 se trouve considérablement augmentée par le fait que, en l'absence d'apport d'énergie calorifique suffisant, la pompe à chaleur peut continuer à puiser des calories dans la cuve 14 en gelant l'eau contenue dans le conteneur 30, laquelle restitue alors sa chaleur latente de changement d'état. En outre, un moyen de captation de chaleur supplémentaire est constitué par la cuve 14 elle-même En effet, la paroi externe du récipient 14 a est en contact thermique avec un circuit de renouvellement d'air de I'immeuble Plus précisément, ce récipient 14 a est lui-même logé dans une enceinte 31 comportant un orifice d'entrée d'air 32 connecté au réseau de renouvellement d'air de l'immeuble et un orifice d'évacuation d'air 33 pour rejeter cet air à l'extérieur de l'immeuble Un moyen de ventilation 34 force l'air vicié et chargé d'humidité de l'immeuble à traverser l'enceinte 31 en étant en contact thermique avec la paroi froide du récipient 14 a Par-ce moyen simple, l'air vicié cède donc la plus grande partie de sa chaleur à la cuve de stockage de chaleur à basse température avant d'être rejeté à l'extérieur La condensation sur la paroi du récipient 14 a est recueillie dans un bac inférieur 35 et évacuée de l'enceinte 31. La figure 3 montre la structure de la cuve de stockage de chaleur à haute température 16 On voit en particulier que cette cuve renferme un ballon d'eau chaude sanitaire 38 qui se trouve donc immergé dans le second liquide précité (c'est à dire dans l'eau chaudeutilisée pour alimenter aussi le réseau de chauffage 12) et chauffé par lui L'eau chaude sanitaire est puisée à la partie supérieure du ballon (conduit 39) et de l'eau froide du réseau de distribution est admise en remplacement à la partie inférieure (conduit 40) pour être réchauffée par l'eau de la cuve 16 La portion supérieure du ballon d'eau chaude 38 est recouverte d'un revêtement d'isolation thermique 42, permettant de maintenir la température de l'eau sanitaire qui est sur le point d'être utilisée à un niveau élevé relativement indépendant de la température qui règne dans la cuve 16. Avantageusement, la cuve 14 peut être placée dans les combles, ce qui permet, pour certains types de capteurs, de sous dimensionner la pompe de circulation 20 (qui est celle qui est le plus souvent sollicitée) tandis que la pompe à chaleur et la cuve chaude peuvent être placées à un niveau inférieur de l'immeuble, voire en sous sol, pour favoriser au maximum les phénomènes de thermo-siphonage naturels. Il est aussi possible d'alimenter la cuve de stockage à haute température 16 avec des calories provenant de moyens de chauffage annexes, autres que la pompe à chaleur Ainsi, si l'habitation est munie d'une -cheminée d'agrément, celle-ci pourra avantageusement être équipée d'un bouilleur d'âtre thermiquement couplé à la cuve 16. La figure 4 illustre les aspects essentiels du système de gestion. Pour faciliter la compréhension, la pompe à chaleur 11 et les pompes de circulation 20, 22 et 24 de la figure 1 ont été schématisées par des blocs munis chacun d'une entrée de commande de mise en service M et d'une entrée de commande de mise hors service A Autrement dit, un signal de commande appliqué à une entrée M commande la mise en marche de la pompe à chaleur ou de la pompe de circulation correspondante tandis qu'un signal de commande appliqué à une entrée A en commande l'arrêt. La sonde 52 fournit un signal de sortie représentatif de la tempéra- ture dans la cuve 16 à deux moyens comparateurs 45 et 46 appartenant respectivement à un circuit de commande de mise en service de la pompe à chaleur, pilotant l'entrée M de celle-ci et les entrées M des pompes de circulation 22 et 24 et à un circuit de mise hors service de la pompe à chaleur, pilotant les entrées A correspondantes Le moyen comparateur 45 compare la grandeur de sortie de la sonde 52 à une grandeur T min représentative d'une température minimum admissible tandis que le moyen comparateur 46 compare la grandeur de sortie de la sonde 52 à une grandeur représentative de cette même grandeur T min augmentée d'une valeur prédéterminée, par exemple représentative de 30 C Autrement dit, si le moyen comparateur 45 enregistre la condition T ( 52) T min + 3 , un signal de commande est appliqué par lui (via la porte OU 48) aux entrées A correspondantes. Un moyen comparateur 50 compare la grandeur de sortie de la sonde 52 à une grandeur T max représentative d'une température maximum admise Sa sortie est appliquée à une entrée de la porte OU 48, pour appliquer un signal de commande aux entrées A de la pompe à chaleur et des pompes de circulation 22 et 24 Par ailleurs, un détecteur 51, connu en-soi, est couplé au réseau de distribution électrique pour en déterminer les périodes de tarif réduit (actuellement la nuit) et sa sortie est reliée à une entrée de la porte OU 47 pour piloter la mise en service de la pompe à chaleur et des pompes de circulation, 22 et 24 Ainsi, le détecteur 51 et le moyen comparateur 50 constituent des moyens pour forcer le fonctionne- ment de la pompe à chaleur pendant des périodes de tarif réduit du réseau de distribution électrique jusqu'à ce que la température de l'eau dans la cuve 16 atteigne une valeur maximum prédéterminée. D'autre part, la grandeur T min est avantageusement rendue varia- ble en raison inverse de la température extérieure mesurée par la sonde Si. La loi de variation inverse, de préférence linéaire, est par exemple établie par un circuit amplificateur inverseur 55 recevant à son entrée inverseuse le signal de la sonde Si et dont la sortie est appliquée aux moyens compara- teurs 45 et 46 La pente négative de cet amplificateur est prédéterminée en fonction, notamment, du coefficient de déperdition calorifique de la cons- truction et du pouvoir émissif du réseau de chauffage 12. Le fonctionnement du système de gestion qui vient d'être décrit jusqu'à présent est le suivant En supposant que l'eau de la cuve 16 ait été portée à sa température maximum T max pendant une période de tarif réduit de l'électricité (au petit matin par exemple) la pompe à chaleur est arrêtée et le réseau de chauffage dissipe peu à peu les calories disponibles pour maintenir les locaux à une température choisie, cette régulation se faisant par le pilotage de la vanne mélangeuse 27 La température dans la cuve 16 baisse donc progressivement Si elle atteint la température mini- mum T min avant la période de tarif réduit suivante, la pompe à chaleur est remise en service sous la commande du moyen comparateur 45 puis arrêtée à nouveau par le moyen comparateur 46 dès que la température de la cuve s'est à nouveau élevée de 3 A au dessus de la température minimum La température de la cuve 16 continue ainsi à évoluer légèrement au dessus de la température minimum jusqu'à la prochaine période de tarif réduit de l'électricité, détectée par le détecteur 51 A ce moment, la pompe à chaleur est mise en service jusqu'à ce que l'eau de la cuve 16 soit à nouveau portée à la température maximum, le détecteur 51 pilotant aussi un circuit d'inhibi- tion (non représenté) du moyen comparateur 46. Selon un aspect avantageux de l'invention, la sonde 55 est aussi connectée à une entrée d'un comparateur 54 recevant sur son autre entrée un signal de référence T ref représentatif d'une température extérieure choisie Ce comparateur 54 pilote un circuit de commutation 56 déterminant deux régimes de fonctionnement du moyen de ventilation 34 cité plus haut. On a en effet déterminé qu'il était possible de réduire le taux de renouvel- lement d'air des locaux avec l'abaissement de la température extérieure, ce qui permet de réduire les déperditions par renouvellement d'air tout en restant conforme à la législation relative à l'aération des logements Par exemple, grâce au comparateur 54 et au circuit de commutation 56, le taux de renouvellement d'air est nominal tant que la température extérieure est supérieure à 5 C En dessous, le taux de renouvellement d'air est réduit de moitié. La commande de position de la vanne 27 est obtenue par un circuit de commande comprenant un comparateur 57 recevant sur une entrée le signal de la sonde 53 et sur l'autre entrée le signal de consigne T min Le réglage de température est effectué dans chaque pièce grace à des robinets thermostatiques. Enfin, la reconstitution du stock de calories à basse température, en ce qui concerne la contribution des capteurs solaires, est gérée indépendam- ment au moyen des sondes 54 et 55 reliées respectivement à deux entrées d'un comparateur 58 pilotant des moyens de commande de la pompe de circulation 20 agencés pour que celle-ci ne fonctionne que lorsque la différence de température détectée par les sondes 54 et 55 est comprise entre deux valeurs prédéterminées Selon un exemple d'application, la pompe est mise en marche si la différence de température: T ( 54) T ( 55) > 3 C (circuit de test 59) et elle est arrêtée si la différence de température T ( 54) T ( 55) Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation de l'installation qui vient d'être décrite En particuler, la description a montré l'application au chauffage d'un immeuble mais la position centrale de la pompe à chaleur dans l'installation permet d'utiliser la même installation à l'envers, pendant des périodes de grande chaleur, pour refroidir les locaux, ceci en connectant la cuve 16 aux capteurs et la cuve 14 au réseau de chauffage Par ailleurs, l'installation peut être facilement adaptée au chauffage d'autres types de construction, notamment une piscine, la cuve de stockage de chaleur à haute température pouvant éventuellement être constituée par la piscine C'est dire que l'invention couvre tous les équiva- lents techniques des moyens mis en jeu si ceux-ci le sont dans le cadre des revendications qui suivent. 11 2540608 REVENDICATIONS 1 Installation de climatisation d'une construction, par exemple un immeuble, comportant un réseau de chauffage à circulation de fluide caloporteur et au moins un moyen de captation de chaleur ( 13), caractérisé en ce qu'il comporte une pompe à chaleur ( 11), un système de gestion pilotant le fonctionnement intermittent de ladite pompe à chaleur, une cuve de stockage de chaleur à basse température ( 14) remplie d'un premier liquide, interconnectée entre ledit moyen de captation de chaleur et le circuit primaire ( 15) de la pompe à chaleur et une cuve de stockage de chaleur à haute température ( 16) remplie d'un second liquide, interconnectée entre le circuit secondaire ( 17) de la pompe à chaleur et ledit réseau de chauffage ( 12). 2 Installation de climatisation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un moyen de captation de chaleur ( 13) précité est constitué par un agencement de capteurs d'énergie solaire et qu'un circuit de circulation de fluide caloporteur ( 19) est établi entre ledit agencement et ladite cuve de stockage de chaleur à basse température. 3 Installation de climatisation selon la revendication l ou 2, caractérisée en ce qu'un moyen de captation de chaleur précité est constitué par la cuve de stockage de chaleur à basse température ellemême, dont une paroi est en contact avec un circuit de renouvellement d'air ( 34, 32, 33) d'un immeuble. 4 Installation selon la revendication 3, comportant une sonde de mesure de température extérieure (Sl), caractérisée en ce que ledit circuit de renouvellement d'air comporte des moyens de ventilation à débit variable ( 55, 56, 34) en fonction de la température extérieure. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractéri- sée en ce qu'un conteneur à grande surface d'échange thermique ( 30) est immergé dans ladite cuve de stockage de chaleur à basse température ( 14) et que ce conteneur est rempli d'un liquide à point de congélation plus élevé que ledit premier liquide. 6 Installation selon l'une des revendications précédentes, caractéri- sée en ce qu'un ballon d'eau chaude sanitaire ( 38) est immergé dans ladite cuve de stockage de chaleur à haute température ( 16) et est en contact thermique avec ledit second liquide. 7 Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'une portion supérieure dudit ballon d'eau chaude sanitaire est recouverte d'un revêtement d'isolation thermique ( 42). 8 Installation selon l'une des revendications précédentes, caractéri- sée en ce que ladite pompe à chaleur ( 11) est du type eau-eau, en ce que le premier liquide précité est de l'eau circulant dans le circuit primaire ( 15), éventuellement de l'eau glycolée et en ce que le second liquide précité est aussi de l'eau circulant dans ledit circuit secondaire ( 17). 9 Installation selon l'une des revendications précédentes, caractéri- sé en ce que ladite pompe à chaleur ( 11) et des pompes de circulation correspondantes pour les circuits primaires et secondaires précités ( 22, 24) sont pilotées par un circuit de commande de mise en service comprenant une sonde de température ( 52) placée dans ladite cuve de stockage de chaleur à haute température et un moyen comparateur ( 45) entre la grandeur de sortie fournie par ladite sonde et une grandeur (T min) représentative d'une température minimum et par un circuit de commande de mise hors service comprenant une sonde de température ( 52) placée dans ladite cuve de stockage de chaleur à haute température (éventuellement la même) et un moyen comparateur ( 46) entre la grandeur de sortie fournie par ladite sonde et une grandeur représentative de ladite température minimum augmentée d'une valeur prédéterminée. 10 Installation selon l'une des revendications précédentes, caracté- risée en ce qu'elle comprend en outre des moyens ( 51, 50) pour forcer le fonctionnement de ladite pompe à chaleur pendant des périodes de tarif réduit du réseau de distribution électrique jusqu'à ce qu'une sonde de température ( 52) placée dans ladite cuve de stockage de chaleur à haute température fournisse une grandeur de sortie représentative d'une tempéra- ture maximum (T max). 11 Installation selon la revendication 9 ou 10, caractérisée en ce que ladite température minimum est rendue variable en raison inverse de la température extérieure détectée par une sonde de température (SI) placée à l'extérieur de la construction, la loi de variation inverse étant établie par exemple par un circuit amplificateur inverseur ( 55) dornt le pente est prédéterminée, notamment en fonction du coefficient de déperdition calori- fique de la construction. 12 Installation selon l'une des renvendications précédentes, caracté- risée en ce qu'une vanne de mélange à trois voies ( 27) et à action proportionnelle est branchée, d'une part entre ladite cuve de stockage de chaleur à haute température et ledit réseau de chauffage et d'autre part en dérivation entre l'entrée et la sortie de ce dernier, cette vanne étant actionnée par un circuit de commande ( 57) piloté par l'intermédiaire d'une sonde de température ( 53) en contact thermique avec un point choisi dudit réseau de chauffage. 13 Installation selon l'une des revendications 2 à 12, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une sonde de température ( 55) placée dans ladite cuve de stockage de chaleur à basse température, une sonde de température ( 54) placée dans ledit agencement de capteurs d'énergie solaire, une pompe de circulation ( 20) insérée dans ledit circuit de fluide caloporteur ( 19) et des moyens de commande de cette -pompe de circulation ( 59, 60) agencés pour que celle-ci ne fonctionne que lorsque la différence des températures détectées par ces deux sondes ( 54, 55) est comprise entre deux valeurs prédéterminées. 14 Installation selon l'une des revendications précédentes, caracté- risée en ce que des moyens de chauffage annexes, par exemple un bouilleur d'être, sont thermiquement couplés à ladite cuve de stockage de chaleur à haute température. 7 M