Brevet FR2586092A1 — publié le 19870213

La présente invention concerne un procédé d'amélioration du rendement d'un système de chauffage par pompe thermodynamique et le système pour la mise en oeuvre d'un tel procédé. On connaît déjà lutilisation de pompes thermodynamiques ou pompes à chaleur du type air-air ou air-eau pour le chauffage d'immeubles ou de locaux, la production d'eau chaude dans diverses industries, le chauffage de piscines, de serres, etc. De telles pompes à chaleur comprennent généralement un évaporateur, un compresseur, un condenseur, un détendeur et un fluide frigorigène, tel que par exemple du fréon (marque déposée, circulant en circuit fermé. Le compresseur aspire de l'évaporateur le fluide à l'état gazeux et en refoule les vapeurs dans le condenseur où elles se liquéfient.Cette condensation s'effectue en abandonnant la chaleur latente de vaporisation des vapeurs transmises au milieu à chauffer, soit directement, soit indirectement, par un fluide intermédiaire caloporteur tel que de l'eau ou de l'air utilisé comme moyen de chauffage dans un radiateur ou un aérotherme (ventilo-convecteur). Le liquide provenant de la condensation des vapeurs est renvoyé à l'évaporateur en passant par le détendeur réduisant sa pression et il s'évapore de nouveau dans l'évaporateur en empruntant de la chaleur au milieu qui l'entoure. L'intérêt de la pompe à chaleur réside dans le fait que la quantité d'énergie consommée pour faire tourner le compresseur par un moteur électrique est faible par rapport à la quantité d'énergie dégagée, et par conséquent récupérée, au condenseur. Traditionnellement, les évaporateurs utilisés dans les pompes à chaleur du type air-air et/ou air/eau sont du type compact à air forcé par ventilateur. Cependant, de telles pompes à chaleur présentent les inconvénients suivants - chute du coefficient de performance si les températures ambiantes extérieures chutent en dessous d'une température voisine de 59C, - risque de givrage de l'évaporateur par temps froid conduisant rapidement à une baisse importante de pression d'aspiration du compresseur par une température extérieure à OOC, d'où baisse du coefficient de performance du compresseur.Par conséquent, il est nécessaire de dégivrer l'évaporateur, soit par inversion du cycle (1' évaporateur devenant condenseur momentanément), soit par mise en service de résistances électriques additionnelles, méthode très cor'eusse en exploitation, à la fois à cause du coût de l'énergie ainsi gaspillée mais aussi en raison du coût élevé d'entretien, - production de nuisance due au bruit du ventilateur de l'évaporateur. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients ci-dessus en proposant un procédé et système de chauffage par pompe à chaleur d'un rendement élevé, ne nécessitant pas l'inversion du cycle de fonctionnement de la pompe à chaleur en cas de givrage de l'évaporeur, ni de résistances additionnelles et ne provoquant aucune nuisance de bruit. Pour cela, le procédé d'amélioration du rendement d'un système de chauffage par pompe thermodynamique selon la présente invention est caractérisé en ce qu'il consiste à exposer constamment l'évaporateur au vent et/ou au soleil. Selon une caractéristique de l'invention, le procédé consiste, en cas de givrage de l'évaporateur, à introduire dans l'évaporateur un gaz chaud, de préférence prélevé à la sortie du compresseur. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le procédé consiste à réguler l'introduction du gaz chaud précité proportionnellement à une baisse de pression à l'entrée du compresseur quand l'évaporateur est à une température relativement basse, par exemple d'environ -100C. Le système de chauffage par pompe thermodynami que pour la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention est du type comprenant un évaporateur, un compresseur, un condenseur et un détendeur reliés en circuit fermé dans lequel circule un fluide frigorigène tel que par exemple du Freon; la chaleur latente de condensation dégagée au condenseur étant récupérée par un fluide auxiliaire utilisé comme moyen de chauffage dans un circuit de chauffage, et est caractérisé en ce que l'évaporateur est disposé à l'extérieur en un emplacement constamment exposé au vent et/ou au soleil. Selon une caractéristique du système de l'invention, l'évaporateur est un évaporateur de chambre froide du type statique à tubes à ailettes régulièrement écartées les unes des autres d'une distance au moins égale à 9 mm. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le système comprend de plus une conduite de dérivation reliant la sortie du compresseur à l'entrée de l'évaporateur et dans laquelle est interposé un dispositif d'auto-régulation asservi à la pression d'aspiration du compresseur à partir d'une température de l'évaporateur d'environ -100C. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparattront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention, et dans lesquels - la figure 1 représente le système de chauffage par pompe thermodynamique de la présente invention - la figure 2 représente le type d'évaporateur utilisé dans le système de l'invention. Le système de chauffage par pompe thermodynamique représenté en figure 1 est du type comprenant un compresseur 1 relié, d'une part, à la sortie d'un évaporateur 2 par l'intermédiaire d'une conduite 3 d'aspiration de fluide de l'évaporateur et, d'autre part, à l'entrée d'un condenseur 4 par l'intermédiaire d'une conduite de sortie 5. Un moyen 6 formant bouteille anticoup du bélier et séparateur gaz/liquide est interposé dans la conduite d'aspiration 3 entre l'évaporateur et le compresseur. Le condenseur 4 est relié par l'intermédiaire de sa conduite de sortie 7 à un réservoir de liquide réfrigérant 8, dont la conduite de sortie 9 est reliée à un filtre déshydrateur 10. Un organe 11 formant voyant-témoin de liquide est relié en sortie du filtre déshydrateur 10 et est relié également à l'extrémité amont d'un détendeur 12 thermostatique à limitation de pression par l'intermédiaire d'une conduite 13. L'extrémité aval ou de sortie du dé tendeur 12 est reliée à un dispositif formant clapet anti-retour 14 lui-meme relié par l'intermédiaire d'une conduite 15 à l'entrée de l'évaporateur 2. Un circuit de chauffage 16 est associé au condenseur 4 afin de récupérer la chaleur cédée par celui-ci. Suivant l'exemple représenté, le circuit de chauffage 16 est un circuit fermé dans lequel circule un fluide auxiliaire caloporteur tel que de l'eau et comprenant une pompe 17 assurant la circulation du fluide auxiliaire à travers une conduite 18, le condenseur 4, une autre conduite 19 et un dispositif de chauffage 20 tel que par exemple un radiateur. Bien entendu, dans le cas d'une pompe thermodynamique air-air, la chaleur de condenseur sera rejetée dans l'air du local à chauffer à l'aide d'un dispositif aérotherme (ventilo-convecteur). Le fluide frigorigène circulant en circuit fermé dans la pompe thermodynamique ci-dessus décrite est dans le cas présent et de préférence le réfrigérant dénommé R12. Le fonctionnement de la pompe thermodynamique découle déjà des explications qui précèdent et sera brièvement expliqué ci-dessous. Le compresseur 1 aspire de l'évaporateur 2 au travers de la bouteille anti-coup de bélier 6 le fluide réfrigérant à l'état gazeux pour le comprimer à haute pression donc à haute température et en refoule les vapeurs dans le condenseur 4 où elles se liquéfient. Cette condensation se fait en abandonnant la chaleur latente de vaporisation des vapeurs qui est transmise au fluide auxiliaire caloporteur du circuit de chauffage 16. Le liquide provenant de la condensation des vapeurs est renvoyé à l'évaporateur en passant par le réservoir de liquide 8, le filtre déshydrateur 10, le voyant-témoin de liquide 11, le détendeur thermostatique 12 réduisant la pression du liquide, et le clapet anti-retour 14 qui protège le détendeur. Le liquide s'évapore de nouveau dans l'évaporateur 2, en empruntant de la chaleur à l'air extérieur l'entourant. Selon l'invention, l'évaporateur 2 est un évaporateur statique de chambre froide en tubes 2a à ailettes 2b. De tels évaporateurs sont déjà connus en soi pour la production du froid et sont constitués par au moins un élément de batterie de tubes à ailettes comme représenté en figure 2 enfermés dans un caisson en tôle d'acier galvanisé ou en tôle d'aluminium. A titre d'information, la batterie d'évaporateur de chambre froide utilisée dans la présente invention est celle fabriquée par la Société Allemande KUBA KUHLERFABRIK BAIERBRUNN H.W. SCHMITZ (R.F.A) et référencée KRV. Plus précisément, une telle batterie est constituée des tubes 2a en cuivre spécial avec les ailettes 2b en aluminium et des tôles terminales 2c également en aluminium renforcé en forme de caisson. L'évaporateur 2 de l'invention est installé, de préférence horizontalement couché, à l'extérieur pour être constamment exposé au vent, et au soleil par ses ailettes. Avantageusement, l'écartement entre deux ailettes consécutives est d'au moins 9 mm et de préférence de 13 mm afin d'assurer un libre passage au vent. Dans le système selon l'invention, le givrage des batteries de l'évaporateur statique 2 est retardé et souvent annulé par l'action solaire et/ou du vent sur les ailettes. L'évaporateur statique se comporte en quelque sorte à la fois comme un capteur éolien et un capteur solaire. Dans ces conditions, le système selon l'invention permet de maintenir à l'entrée de la pompe thermodynamique la pression d'aspiration idéale relative à son coefficient de performance maximum par l'apport de l'énergie solaire et/ou de l'énergie éolienne. A titre d'exemple, en utilisant dans le système de l'invention un évaporateur à trois batteries (ayant leurs entrées de liquide reliées en commun à la conduite 15 et leurs sorties reliées en commun à la conduite 3) les essais suivants ont été relevés - à une température extérieure de - 50C (ou température d'évaporation) et une température de condensation de + 400C (eau du circuit de chauffage à 400C) pour 10 kilowatt de puissance absorbée au compresseur pour faire tourner celui-ci, 54 kW/heure de puissance calorifique ont été obtenus à la sortie du condenseur, ce qui se traduit par 44 kW/heure d'énergie gratuite. A titre de comparaison une pompe thermodynamique traditionnelle fournit les mêmes résultats mais à une température extérieure de + 100C. On comprend ainsi que l'utilisation d'unévaporateur statique de chambre frigorifique à la place d'un évaporateur traditionnel dans un système de chauffage à pompe thermodynamique améliore considérablement le rendement d'un tel système. Avantageusement, le système selon la présente invention comprend de plus un conduit de dérivation 21 reliant la sortie du compresseur 1 à l'entrée de l'évaporateur 2 et un dispositif formant vanne électromagnétique 22 interposé dans la conduite de dérivation 21. La vanne électromagnétique 22 est reliée à un capteur 23 de la température de l'évaporateur 2, par exemple du type thermostat, par l'intermédiaire d'un circuit horloge 24. Un tel dispositif assure le dégivrage total des ailettes de l'évaporateur 2 lorsque celui-ci atteint par exemple une température de + 10C. Plus précisément, lorsque la température de l'évaporateur est de + 10C, le circuit horloge 24 commande périodiquement l'ouverture temporaire de la vanne électromagnétique 22 qui prélève du gaz chaud en sortie du compresseur vers l'entrée de l'évaporateur, dégivrant ainsi totalement les ailettes de celui-ci. De plus, le système de l'invention comprend un autre conduit de dérivation 25 reliant la sortie du compresseur 1 à l'entrée de l'évaporateur 2 et dans lequel est interposé un dispositif d'auto-régulation 26 constitué par exemple par une vanne à pression constante et asservi à la pression d'aspiration du compresseur la à partir d'une température basse de l'évaporateur 2, par exemple d'environ -100C. Ainsi, lorsque l'évaporateur est à la température de -100C, le dispositif de regulation 26 introduit dans l'évaporateur 2 une certaine quantité de gaz chaud proportionnelle à la baisse de pression d'aspiration à l'entrée du compresseur 1. Le dispositif de régulation agit très progressivement, en modulateur, et donc seulement aux basses températures. A titre indicatif, à -100C, le dispositif régulateur 26 a assuré les mêmes performances que celles mentionnées ci-dessus à -50C du système de chauffage fonctionnant uniquement avec l'évaporateur 2. En conclusion, le système de chauffage par pompe thermodynamique selon la présente invention est réglé, dans toutes les conditions de températures et jusqu'à -180C, pour maintenir la plus haute température admissible à l'entrée du compresseur, d'où un rendement du système de chauffage considérablement amélioré par rapport à ceux connus jusqu'à maintenant. REVENDICATIONS 1.- Procédé d'amélioration du rendement d'un système de chauffage par pompe thermodynamique, caractérisé en ce qu'il consiste à exposer constamment l'évaporateur (2) au vent et/ou soleil. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste, en cas de givrage de l'évaporateur, à introduire dans l'évaporateur un gaz chaud, de préférence prélevé à la sortie du compresseur (1). 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à réguler l'introduction du gaz chaud précité proportionnellement à une baisse de pression à l'entrée du compresseur (1) quand l'évaporateur (2) est à une température relativement basse, par exemple d'environ -100C. 4.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste également à introduire périodiquement une certaine quantité de gaz chaud précité lorsque l'évaporateur (2) est à une température supérieure à la basse température précitée, par exemple d'environ +10C. 5.- Système de chauffage par pompe thermodynamique pour la mise en oeuvre du procédé tel que défini aux revendications 1 à 4, du type comprenant un évaporateur (2), un compresseur (1), un condenseur (4) et un détendeur (12) reliés en circuit fermé dans lequel circule un fluide frigorigène, la chaleur latente de condensation dégagée au condenseur étant récupérée par un fluide auxiliaire utilisé comme moyen de chauffage dans un circuit de chauffage ; caractérisé en ce que l'évaporateur (2) est disposé à l'extérieur en un emplacement constamment exposé au vent et/ou au soleil. 6.- Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'évaporateur (2) est un évaporateur statique de chambre froide à tubes à ailettes régulièrement écartées les unes des autres d'une distance au moins égale à 9 mm. 7.- Système selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comprend de plus une conduite de dérivation (25) reliant la sortie du compresseur (1) à l'entrée de l'évaporateur (2) et dans laquelle est interposé un dispositif d'auto-régulation (26) asservi à la pression d'aspiration du compresseur à partir d'une température de l'évaporateur, par exemple d'environ -10 C. 8.- Système selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend une deuxième conduite de dérivation (21) reliée entre la sortie du compresseur (1) et l'entrée de l'évaporateur (2) et dans laquelle est interposé un organe formant vanne électromagnétique (22), dont l'ouverture est périodiquement contrôlée pendant une durée prédéterminée par un circuit formant horloge (24) lorsque l'évaporateur (2) est à une température supérieure à la basse température précitée, par exemple d'environ +10C.