Brevet FR2548769A1 — publié le 19850111

INSTALLATION DE CHAUFFAGE A POMPES A CHALEUR ET A CAPTEURS D'ENERGIE ATMOSPHERIQUE. La présente invention concerne une installation de chauffage à pompes à chaleur et à capteurs d'énergie atmosphérique. Les installations connues de chauffage de locaux ou d'eau sanitaire sont souvent celles du type à pompe à chaleur à laquelle sont associés des capteurs d'énergie solaire. Ces capteurs d'énergie solaire, faisant partie d'un circuit collecteur d'énergie indépendant du circuit de la pompe à chaleur, chauffe un fluide caloporteur qui, a travers un échangeur cède de la chaleur au fluide frigorigène de la pompe à chaleur.Cet échangeur du circuit collecteur d'énergie et l'évaporateur du circuit de la pompe à chaleur sont habituellement immergés dans un mê.m'- réservoir d'eau qui facilite leurs échanges calorhiques et constitue en même temps une réserve de chaleur quand le circuit collecteur d'énergie solaire est arrêté.En l'absence de soleil etlou a' une température extérieure négative, le fluide caloporteur provoque une formation d'une couche de glace autour de l'échangeur, et les échanges calorifiques entre l'évaporateur de cet changeur sont pratiquement réduits à une valeur négligeable. Le circuit collecteur d'énergie est alors arrêté et une opération de dégivrage de ltéchangeur ou de décollage de la couche de glace enveloppant ce dernier commence.Les capteurs d'énergie solaire de ce circuit collecteur d'énergie ne sont pas soumis a' cette opération de dégivrage. la plupart de ces capteurs sont habituellement ceux du type à effet de serre comportant un vitrage ou une isolation qui les empêche d'avoir un contact avec de l'humidité entrainant la formation de givre ou de glace sur leur surface. La présente invention a pour objet une installation de chaufage comprenant des capteurs d'énergie atmosphérique et non des capteurs d'unique énergie scolaire. Ces capteurs d'énergie atmos- phérique permettent à l'installation de fonctionner même quand il y a une absence de soleil et même à une température atmosphérique négative. Selon l'invention, une installation de chauffage ayant des pompes à chaleur dont le condenseur chauffe un fluide d'un circuit de chauffage par transfert thermique, et l'évaporateur réalise une évaporation du fluide frigorigène du circuit de la pompe à chaleur correspondante, en recevant de la chaleur récupérée par un capteur, est caractérisée en ce qu'elle comprend un circuit collecteur d'énergie atmosphérique à fluide caloporteur, ayant au moins un capteur d'énergie atmosphérique directement exposé à l'atmosphère extérieure, y recueillant aux températures positives et négatives de la chaleur sensible, latente, rayonnante disponible, pour chauffer ce fluide caloporteur. Pour mieux faire comprendre l'invention, on décrit ci-après un certain nombre d'exemples de réalisation illustrés par des dessins ciannexés dont: - la figure 1 représente une vue schématique d'une installation selon l'invention de chauffage à pompe à chaleur et à capteurs d'énergie atmosphérique, - la figure 2 représente une vue schématique et partielle en coupe verticale d'un capteur d'énergie atmosphérique de l'installation de la figure 1, - la figure 3 représente une vue en perspective et partielle du capteur de la figure 2, - la figure 4 représente une vue schématique, partielle, en coupe transversale suivant le plan IV-IV du capteur de la figure 3, et - la figure 5 représente une vue schématique partielle, en coupe en transversale d'une variante de réalisation du capteur d'énergie atmosphérique de la figure 3. Selon un exemple de réalisation de l'invention illustré dans la figure 1, une installation 1 de chauffage de locaux et d'eau sanitaire, comprend cinq circuits : un circuit collecteur d'énergie atmosphérique 2, un premier circuit ou circuit basse pression de pompe à chaleur 3, un deuxième circuit ou circuit haute pression de pompe à chaleur 4, un circuit de chauffage de locaux 5 et un circuit de chauffage d'eau sanitaire et de fluide de décollage de givre 6. Le circuit collecteur d'énergie atmosphérique 2 comprend un ou plusieurs capteurs d'énergie atmosphérique 7 montés en parallèles et munis individuellement de vannes d'isolement s à leur entrée et/ou leur sortie et deux échangeurs 9 et 10 montés en parallèle munis à leur entrée d'une vanne commune de distribution à trois voies 11 ou chacun d'une vanne individuelle d'admission, et reliés à ces capteurs par des canalisations de liaison 12 et 13. Le circuit collecteur d'énergie atmosphérique 2 est rempli d'un fluide caloporteur qui reste à l'état liquide entre -200C et +600C environ. Ce fluide est par exemple constitué de l'eau et d'un antigel connu.Lés capteurs atmosphériques 7 en récupérant de la chaleur sensible, latente et rayonnante disponible dans l'atmosphère extérieur, chauffe le fluide caloporteur qui, selon une distribution volontaire commandée par l'intermédiaire de la vanne à trois voies 11, cède de la chaleur soit au niveau de ltéchangeur 9 soit au niveau de l'échangeur 10. Un circulateur ou pompe 14, monté dans la canalisation - de liaison entre la sortie des capteurs 7 et l'entrée des échangeurs 9 et 10, assure une accélération de l'écoulement du fluide caloporteur dans ce circuit collecteur d'énergie. Une limitation ou un réglage de la température du fluide caloporteur est réalisée au moyen d'un dispositif mélangeur constitué par une vanne mélangeuse 15 montée sur la canalisation de liaison 12 entre la sortie des capteurs 7 et l'entrée des échangeurs 9 et 10, et une canalisation de court-circuitage des capteurs 7 reliant cette vanne mélangeuse 15 à la canalisation de liaison 13 entre la sortie de ces échangeurs 9, 10 et l'entrée de ces capteurs 7. Contrairement aux installations connues, les capteurs d'énergie atmosphérique 7 continuen' à fonctionner quand la température atmosphérique extérieure descend au dessous de zéro degré centigrade et le circuit collecteur d'énergie atmosphérique 2 n'est pas arrêté. Ce circuit collecteur d'énergie atmosphérique n'est inter rompu que quand la température de chauffage des locaux est satisfaite. Quand la température atmosphérique extérieure est négative, I'humidité atmosphérique a tendance à se condenser sur la surface des capteurs atmosphériques 7 et y former une couche de givre qui constitue un écran isolant thermique séparant les capteurs 7 du milieu atmosphérique ambiant. Les échanges thermiques au niveau de ces capteurs 7 entre le fluide caloporteur et l'atmosphère extérieur diminuent en conséquence. Pour redonner à ces capteurs leur plein rendement, cette couche de givre qui les recouvre doit être enlevée. Selon l'invention les capteurs atmosphériques 7 ont à la fois une faible inertie thermique, une grande surface de contact avec l'atmosphère et des caractéristiques facilitant l'enlèvement de la couche de givre les recouvrant, en vue d'atteindre un rendement optimal. Une faible inertie thermique des capteurs 7 est obtenue dans l'exemple de réalisation des figures 2 à 5, au moyen des capteurs ayant des parois minces voisines ou inférieures à un millimètre 9épaisseur constituées en une matière bonne conductrice thermique tel qu'un métal ou un alliage métallique. Une facilité d'enlèvement de la couche de givre recouvrant les capteurs 7 est obtenue selon l'invention par un ou plusieurs des moyens suivants: Un bon état de surface extérieure uni et lisse des capteurs 7 s'oppose à une bonne adhérence du givre et facilite un glissement de ce dernier.Une forme fuyante donne aux dénivellements de surface des capteurs 7 non pas des épaulements à angles vifs mais des arrondis et des pentes permettant d'éviter de transformer ces derniers en moyens d'accrochage pour la couche de givre. I Une disposition verticale sur tranche de capteurs 7 favorise un bon glissement sous l'effet de la pesanteur ou de la gravité d'une couche de givre décollée. Selon l'invention, chacun de ces capteurs 7 comprend dans sa partie supérieure, suivant une disposition de capteur à la verticale, sur tranche, illustré dans l'exemple de la figure 3, et sur sa largeur, une zone à effet isolant 17 sous vide ou remplie d'air, dont l'accès est interdit au fluide caloporteur qui circule dans ce capteur, seulement dans la partie inférieure de celui-ci.Cette zone à effet isolant 17 crée une différence de niveau de températures, entre sa température et celle de la partie du capteur 7 où circule le - fluide caloporteur. Cette différence de températures entraîne une formation préferentielle d'une couche de givre sur le capteur 7, en dessous de cette zone 17. La partie supérieure de capteur 7 est pratiquement dépourvue de givre. Une telle couche de givre, une fois décollée par un apport de chaleur à l'intérieur du capteur 7, n'étant pas, plus ou moins retenue par le rebord supérieur du capteur 7 glisse facilement sur la surface verticale unie et lisse du capteur 7 sous l'influence de son propre poicçs poui quitter enfin le capteur 7 et tomber vers le bas. Le capteur atmosphérique 7 est selon les exemples illustrés dans les figures 2 a 5, est constitué de deux feuilles métalliques rninces embouties 18, 19 soudées donnant naissance dans la partie supérieure de son enceinte à une zone à effet isolant 17, remplie d'air ou mise sous vide et dans la partie inférieure de son enceinte a un circuit pour la circulation du fluide caloporteur, soit sous forme d'un réservoir plat 2û (figures 2, 3 et 4) soit sous forme d'un réservoir avec surfaces nervurées dans le sens vertical.Dans une dispositisan sur tranche du capteur 7, les nervures présentent soit une position verticale soit une grande inclinaison par rapport à ;'horizontale en vue de faciliter un glissement vers le bas de la couche de givre dacollée, recouvrant le capteur 7. Lors d'une opération de décollage de la couche de givre recouvrant le capteur 7, le circuit pour fluide caloporteur 20, 21 de ce capteur 7 constitue une partie active d'un circuit pour un fluide de décollage du givre. Co fluide de décollxe du givre est constitué dans l'exemple illustré par ure quantité complémentaire de fluide caloporteur identique a celui du circuit collecteur 2 préalablement chauffé artificiellement et mis en réserve dans un récipient indépendant de ces capteurs 7. La surface extérieure des feuilles métalliques 18 et 19 peut être revêtue d'une couche de matière antiadhérente au givre et bonne conductrice thermique. Dans l'installation 1 de chauffage de locaux et d'eau sanitaire illustrée dans la figure 1, le premier circuit ou circuit basse pression de pompe à chaleur 3 comprend en série, un ou plusieurs motocompresseurs 23, 24, un condenseur 25, un réservoir de fluide frigorigène 26, un détendeur 27, un évaporateur basse pression 28 et des canalisations de liaison 29. Le deuxième circuit ou circuit haute pression de pompe à chaleur 4 comprend en série, un ou plusieurs motocompresseurs 30, un désurchauffeur 31, un condenseur 32, un réservoir pour fluide frigorigène 33, un sous refroidisseur 34, un détendeur 35, un évaporateur haute pression 36 et des canalisations de liaison 37.Le circuit de chauffage de locaux 5 comprend en série un échangeur 38 pour un fluide de chauffage constitué par de l'eau par exemple, un circulateur 39 et des canalisations d'aller 40 et de retour 41 reliant cet échangeur 38 avec différents radiateurs de chauffages non représentés montés en parallèle. Le circuit 6 de chauffage d'eau sanitaire et de fluide de décollage de givre des capteurs 7 comprend en série un échangeur 42 pour un fluide de chauffage, un circulateur 43, un réservoir de transfert thermique 44 pour ce fluide de chauffage et des canalisations de liaison 45. A l'intérieur du réservoir de transfert thermique 44 sont immergés dans le fluide de chauffage, deux récipients indépendants, un récipient d'eau sanitaire 46 et un récipient de fluide de décollage 47. Le récipient d'eau sanitaire 46 est mis en communication avec l'exté- rieur par des canalisations de liaison 48, 49. Le récipient de fluide de décollage 47 est relié à l'entrée des capteurs d'énergie atmosphérique 7 par une canalisation d'aller 50 munie d'un circulateur 51, et par une canalisation de retour 52 munie d'une vanne d'isolement 58 pour former un circuit de décollage de givre des capteurs 7. Dans l'installation 1 (figure 1) l'évaporateur basse pression 28 du circuit basse pression de pompe à chaleur 3 forme avec le premier 9 des échangeurs du circuit collecteur d'énergie atmosphérique 2, un premier dispositif de transfert thermique 53 indiqué par un rectangle en traits discontinus tandis que le condenseur 25 de ce circuit basse pression 3 constitue avec l'évaporateur 36 du circuit liaute pression de pompe à chaleur 4 et le deuxième échangeur 10 du circuit collecteur d'énergie atmosphérique 2, un deuxième dispositif de transfert thermique 54 indiqué par un rectangle en traits discontinus.Le désurchauffeur 31 du circuit haute-pression 4 forme avec l'échangeur 42 du circuit de chauffage d'eau sanitaire et de fluide iie décollage 6, un troisième dispositif de transfert thermique 55 indiqué par un rectangle en traits discontinus. Le condenseur 32 du circuit haute pression 4 constitue avec l'échangeur 38 du circuit de chauffage de locaux 5, un quatrième dispositif de transfert thermique 56 indiqué par un rectangle en traits discontinus. Quand la température atmosp!hérigue extérieure est posivite ou supérieure à un niveau pXédéterFniné, ou selon un critère pré eléterminé le fluide caloporteur chauffé par les capteurs 7 est dirigé de préférence vers son échangeur 10 où il cède au niveau du deuxième dispositif de transfert thermique 54, de la chaleur qui fait évaporer le fluide frigorigène dans l'évaporateur haute pression 36 du circuit haute pression de pompe à chaleur 4.Le circuit haute pression de pompe à chaleur 4 fonctionne ainsi et chauffe respec tivement le fluide du circtlit de chauffage de locaux 5 au niveau du dispositif de transfert thermique 55 et du fluide du circuit de chauffage d'eau sanitaire et de fluide de décollage eS au niveau du dispositif de transfert thermique 55. Quand la température atmosphérique est négative ou au dessous d'un degré prédétermine ou selon un critère prude terminé, le fluide caloporteur chauffé par les capteurs 7 est de préférence dirigé vers son échangeur 9 où il cède au niveau du premier dispositif de transfert therrn,'rue 53, de la chaleur qui est suffisante pour faire évaporer le fluide frigorigène dans l'évaporateur basse pression 28 du circuit basse pression de pompe à chaleur. Ainsi le circuit basse pression 3 fonctionne et son condenseur 25 cède au niveau du deuxième dispositif de transfert thermique 54, de la chaleur qui fait évaporer le fluide frigorigène du circuit haute pression 4.Le circuit haute pression 4 fonctionne alors et opère un transfert thermique au circuit de chauffage de locaux 5 et au circuit de chauffage d'eau sanitaire 6 d'une manière identique à celle décrite dans des paragraphes précédents. Il en ressort qu'une combinaison, selon l'invention entre un circuit collecteur d'énergie atmosphérique 2 et un circuit basse pression de pompe à chaleur 3 permet efficacement d'utiliser de la chaleur disponible dans l'atmosphère extérieure récupérée à travers les capteurs 7 pour un chauffage des locaux et d'eau sanitaire ou un chauffage industriel, même dans le cas où la température à l'extérieur devient négative. Cette récupération de l'énergie atmosphérique est interrompue seulement quand la température des locaux à chauffer est atteinte. Un choix d'un fluide frigorigène évaporée à basse pression et d'un circuit basse pression de pompe à chaleur permet ainsi d'obtenir une récupération optimale de l'énergie atmosphérique et de l'utiliser pour un chauffage domestique ou industriel. Quand une- couche de givre recouvre les capteurs 7 et les rend peu efficaces, du fluide de décollage de givre qui est constitué par du fluide caloporteur complémentaire mis en réserve dans le récipient 47 et chauffé par le circuit de chauffage 6, est renvoyé à travers le circulateur 51, dans les capteurs 7, la vanne d'isolement 58 du circuit de décollage de givre étant ouverte. Le fluide de décollage chauffe les parois des capteurs 7 et provoque un détachement de la couche de givre laquelle coulisse vers le bas sous I'action de son poids et tombe sur le sol. Les capteurs 7 débarassés de givre redeviennent efficaces, et le circuit de fluide de décollage de givre est fermé au niveau de la vanne d'isolement 58. Cette opération d'enlèvement du givre formé sur les capteurs 7 ne nécessite que peu d'énergie ou de chaleur étant donné qu'il s'agit simplement d'un décollage de la couche de givre et que la struture, la forme et la disposition des capteurs 7 selon l'invention favorisent le détachement de cette couche de givre. REVENDICATIONS 1. Installation de chauffage ayant des pompes à chaleur dont le condenseur chauffe un fluide d'un circuit de chauffage par transfert thermique, et l'évaporateur réalise une évaporation du fluide frigorigène du circuit de la pompe à chaleur correspondante, en recevant de la chaleur récupérée par un capteur, caractérisée en ce qu'elle comprend un circuit collecteur d'énergie atmosphérique à fluide caloporteur (2) ayant au moins un capteur d'énergie atmosphérique (7) directement exposé à l'atmosphère extérieure, y recueillant aux températures positives et négatives, de la chaleur sensible, latente, rayonnante disponible, pour chauffer ce fluide caloporteur, et au moins un échangeur (9) assurant un transfert de la chaleur récupérée. 2. Installation~ selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un circuit collecteur d'énergie atmosphérique (2) ayant au moins deux échangeurs (9, 10) montés en parallèle, et mis en marche individuellement suivant des critères prédéterminés, assurant un transfert de la chaleur récupérée par un ou des capteurs (7). 3. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend dans le circuit collecteur d'énergie atmosphérique (2) des capteurs (7) montés en parallèle, fonctionnant suivant une disposition verticale sur tranche présentant une grande surface de contact avec l'atmosphère et une faible inertie thermique, et ayant un état de surface uni et lisse et une forme fuyante donnant aux dénivellements de surface des arrondis et des pentes. 4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comprend dans le circuit collecteur d'énergie atmosphérique (2) des capteurs (7) dont la surface extérieure est revêtue d'une couche de matière antiadhérente au givre et bonne conductrice thermique. 5. Installation selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend dans le circuit collecteur d'énergie atmosphérique (2) des capteurs (7) ayant suivant leur disposition verticale sur tranche, dans leur partie supérieure, une zone à effet isolant (17) interdite au fluide caloporteur du circuit et dans leur partie inférieure, une zone de circulation pour ce fluide caloporteur. 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend dans le circuit collecteur d'énergie atmosphérique (2) des capteurs (7) munis dans sa partie supérieure d'une zone à effet isolant (17) constituée par une zone mise sous vide. 7. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend dans le circuit collecteur d'énergie atmosphérique (2) des capteurs (7) munis dans sa partie supérieure d'une zone à effet isolant (17) constituée par une zone remplie d'air. 8. Installation selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'elle comprend en combinaison un circuit collecteur d'énergie atmosphérique à fluide caloporteur (2) et à capteurs d'énergie atmosphérique (7) et un circuit basse pression de pompe à chaleur permettant de faire fonctionner l'installation même au cas où la température atmosphérique devient négative 9.Installation selon l'une des revendications. 1 et 2 carac térisée en ce qu'elle comprend en combinaisorl un circuit collecteur d'énergie atmosphérique à fluide caloporteur (2) et à capteurs c d'énergie atmosphérique (7) onctionnant à température atmosphèrique positive et négative et deux circuits de pompes à chaleur montés en cascade, un circuit basse pression (3) et un circuit haute pression (4), assurant un chauffage par transfert thermique de la chaleur récupérée par les capteurs. 10. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comprend dans un circuit collecteur dénergia atmosphérique (2) à deux échangeurs (9, 10) et deux circuits en cascade basse pression (3) et haute pression (4) de pompes à chaleur, un premier dispositif de transfert thermique (539 constitué par le premier des échrgeuns (9) dsj circuit collecteur (2) et par l'évaporateur (28) du circuit basse pression (3), et un deuxième dispositif de transfert thermique (54) constitué par le deuxième des échangeurs (10) du circuit collecteur (2) par le condenseur (25) du circuit basse pression (3) et par l'évaporateur (36) du circuit haute pression (4). 11. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend dans le circuit collecteur d'énergie atmosphérique (2) un dispositif mélangeur, assurant le réglage de température du fluide caloporteur, constitué par une vanne mélangeuse (15) montée entre la sortie des capteurs (7) et l'entrée des échangeurs (9, 10) et par une canalisation (16) de courtcircuitage des capteurs (7) reliant cette vanne mélangeuse (15) à une canalisation (13) de liaison entre la sortie des échangeurs (9, 10) et l'entrée de ces capteurs (7). 12. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un circuit de décollage de givre constitué par un récipient (47) de fluide caloporteur identique à celui du circuit collecteur d'énergie atmosphérique (2) et chauffé, un circulateur (51) et une vanne d'isolement (58) montés en série et reliés d'un c3té à l'entrée des capteurs d'énergie atmosphérique (7) et de l'autre côté à la sortie de ces capteurs (7).