Brevet FR2670276A1 — publié le 19920612

APPAREIL DE CLTIATISATION A DESHUMIDIFICATEUR A RECUPERATION D'ENERGIE INTEGRE La présente invention concerne un appareil de climatisation intégrant un dispositif spécifiquement conçu pour effectuer la déshumidification. Une installation de climatisation a pour rôle le maintien, dans une plage définie, des paramètres température et hygrométrie relative d'une enceinte climatises Pour ce faire, l'air de la salle climatisée chemine au travers d'un appareillage de traitement d'air essentiellement constitué de (fig 1) - Un filtre d'air (1). - Une batterie d'échange thermique de réfrigération alimentée en eau réfrigérée dite "eau glacée" ou à évaporation directe de fluide frigorigène (2). - Une batterie d'échange thermique de chauffage ; à eau chaude, vapeur ou Ct électrique (3). - Un ventilateur (4) assurant la circulation de l'air traité depuis son captage jusqu a sa réintroduction dans le local climatisé. - Un réseau de gaines assurant . L'acheminement de l'air à traiter du local climatisé (9) vers l'appareillage de traitement de ltair (gaines de reprise (5)). L'acheminement de l'air traité jusqu'au local climatisé (gaines de soufflage (6)). L'admission d'air neuf hygiénique (gaine d'air neuf (7)). Un dispositif de régulation pilote, par l'intermédiaire de capteurs, de convertisseurs et d'actionneurs, les éléments de l'installation afin de corriger, selon les besoins, les paramètres température et hygrométrie relative du local climatisé. Les actions conduites par la régulation sont - Activation de la batterie froide (2) en cas de température trop élevée. - Activation de la batterie chaude (3) en cas de température trop basse. - - Activation de l'humidificateur (8) en cas d'hygrométrie relative trop basse. - Activation de la batterie froide (2) en cas d'hygrométrie relative trop élevée afin de condenser une partie de la vapeur d'eau contenue dans l'air. La baisse de température indésirable résultant de cette action sera compensée par l'activation de la batterie chaude (3). Le fonctionnement antagoniste des batteries chaude et froide en vue d'obtenir la déshumidification de l'air est source de surconsommation énergétique. Cette surconsommation, difficimement mesurable car les mêmes batteries interviennent pour la température et pour l'hygrométrie, est importante pour plusieurs raisons - Dans les régions méridionnales l'hygrométrie absolue extérieure est suppérieure à l'hygrométrie souhaitée dans les locaux climatisés durant environ six mois par an. - Aussi faible soit-il, tout excés d'humidité provoque l'actionnement antagoniste des batteries chaude et froide. La surconsommation énergétique est donc davantage liée au fait même de déshumidifier qu'à la quantité de vapeur d'eau à condenser. - La batterie de réfrigération est conçue pour produire à la fois la puissance sensible et la puissance latente de l'installation ; elle ne peut produire l'une sans l'autre. Quand on sollicite la puissance latente de la batterie en vue de déshumidifier, celle-ci émet également sa puissance sensible qui est environ dix fois supérieure. C'est cette puissance sensible qui devra être compensée par la batterie chaude. Le procédé selon l'invention consiste à décharger la batterie froide de son double rôle réfrigération - déshumidification pour ne lui laisser que la réfrigération. La batterie froide sera donc conçue pour une efficacité maxinum en puissance sensible et la batterie chaude n'aura plus à intervenir qu'en cas de chauffage du local climatisé, sa puissance s'en trouvera considérablement réduite. La figure 2 représente le dispositif de déshumidification intégré dans un appareillage de traitement d'air. On retrouve le filtre (1), la batterie froi (2), la batterie chaude (3), le ventilateur (4), l'humidificateur (8). Le déshumidificateur est constitué d'un circuit thermodynamique autonome dont la source froide est l'évaporateur (10) et la source chaude le condenseur intérieur (11) ou le condenseur extérieur (13). L'évaporateur (10) est placé de front avec la batterie de réfrigération (2) de façon à n'être traversé que par une partie de l'air véhiculé par le ventilateur (4). Cet évaporateur va être conçu pour une efficacité maximum dans la condensation de vapeur d'eau ; pour celà il sera alimenté en fluide frigorigène s'évaporant à 0 , comportera un grand nombre de rangs et sera traversé à faible vitesse par l'air à déshumidifier.Les moyens informatiques des constructeurs de batteries donnent pour cette application - Entrée d'air : 20 c, 60% HR. - Vitesse de passage 1 m/s. - Sortie d'air 2,3 c ; 100% HR. Soit, d'après le diagramme de l'air humide, une masse de 4,4 gr de vapeur d'eau condensée par kg d'air traité. Ces performances permettent de ne traiter qu'un faible volume d'air dans l'évaporateur (10) et donc de n'accroître que faiblement le débit dFair-~au ventilateur (4) ; cet accroissement de débit sera de l'ordre de 10%. Pour un fonctionnement correct, la batterie de réfrigération (2) et l'évaporateur (10) devront avoir des pertes de charge aérauliques identiques cette caractéristique pourra être obtenue grâce aux moyens informatiques des constructeurs. Pour une bonne souplesse de réglage, il pourra être conçu un évaporateur aux pertes de charges inférieures à celles de la batterie froide un compensateur constitué de deux feuilles de métal perforé pouvant glisser l'une sur l'autre (12) permettra alors l'équilibrage aéraulique de l'ensemble. Inversement, l'évaporateur (10) pourra être conçu avec des pertes de charge aérauliques plus importantes que celles de la batterie de réfrigération (2) un ventilateur secondaire (22), asservi au fonctionnement de l'évaporateur, assurera alors le débit d'air nécessaire à la déshumidification. Le circuit thermodynamique comporte deux condenseurs (11) et (13) fig 4 qui peuvent être sélectionnés par un jeu de vannes électromagnétiques. Le condenseur (11) sera activé si l'installation de climatisation est en phase de chauffage, rendant ainsi inutile la compensation de puissance sensible par la batterie chaude (3). Le condenseur (13) sera activé si l'installation de climatisation est en phase de réfrigération. Cette disposition permet de récupérer l'énergie mise en jeu dans le déshumidificateur soit - En récupérant au condenseur intérieur l'équivalent calorifique de l'énergie absorbée par le compresseur ainsi que la chaleur latente de la vapeur d'eau condensée (grâce à l'effet pompe à chaleur). - En récupérant la puissance frigorifique sensible produite à ltévapora- teur (10) au profit de l'installation lors de l'utilisation du condenseur extérieur. L'adjonction du condenseur (11) dans le circuit aéraulique ne modifiera pas de façon significative les pertes de charge aérauliques de l'appareil car - Le condenseur (11) n' a qu' une puissance relativement faible à évacuer en regard du débit d'ait total ; il sera donc de faible épaisseur avec un pas d'ailettes important. - La batterie chaude (3) voit sa puissance considérablement diminuée par rapport à la solution classique car elle n'a plus à compenser que les déperditions des locaux en hiver ; le plus souvent elle sera constituée de quelques résistances électriques. Exemple de détermination On se propose de concevoir un appareil de climatisation répondant aux caractéristiques suivantes - Condition intérieures 20 + 0,5 K, 50% + 10%. - Puissance sensible : 25 KW - Puissance latente : 2 KW, soit la condensation de 3 kg de vapeur d'eau par heure. - Ecart de température au soufflage : 8 k - Déperdition hiver : 5 KW r Solution classique La solution classique consiste à concevoir une batterie froide émettant à sa puissance nominale, à la fois 25 KW sensibles et 2 KW latents ; soit 27 KW. Le débit d'air est 25000 - 9 191 m3/4 0,34 x 8 avec : 25 000 = puissance sensible en W 0,34 = chaleur massique de l'air 8 = écart de température au soufflage en K La puissance de la batterie chaude est 25 KW (compensation de la puissance frigorifique sensible en déshumidification) + 5 KW (déperditions hiver) soit 30 KW. x Solution avec déshumidificateur à récupération d'énergie intégré. Avec une efficacité de 4,4 gr de vapeur d'eau condensée par kg d'air traité, il suffira de faire passer sur l'évaporateur du déshumidificatuer 3 000/4,4/0,85 = 802 m3/H. avec 3 000 : poids d'eau à condenser en gr. 4,4 : déshumidification par kg d'air. 0,85 : volume massique de l'air. Le débit d'air traité devient 9 191 + 802 = 9 993 m3/H. I1 convient de noter que le débit d'air au ventilateur peut ne pas être augmenté. Il suffit pour celà d'admettre un écart de température d'air sur la batterie froide supérieur à 8 K, l'écart de température entrée-sortie de de l'appareil de traitement de d'air restant lui égal à 8 K. Cette solution entraîne un redimensionnement de la batterie froide. La production frigorifique à l'évaporateur de déshumidification s'établit à 2 KW de puissance latente et 3,9 KW de puissance sensible, selon le diagramme de l'air humide. Le compresseur frigorifique capable de produire ces 5,9 KW a une puissance électrique de 2 KW. La puissance à rejeter au condenseur est donc de 5,9 + 2 = 7,9 KW. Si le condenseur intérieur est utilisé, l'équilibre thermique s'établira à 7,9 - 3,9 soit 4 KW de puissance calorifique sensible constitués des 2 KW absorbés par le compresseur et des 2 KW latents produits à l'évapora- teur et récupérés grâce à l'effet pompe à chaleur. Si c'est le condenseur extérieur qui est utilisé, alors l'équilibre thermique s'établit à 3,9 KW frigorifiques sensibles rejetés dans la veine d'air. Quelle que soit la situation thermique de l'installation de climatisation ; le déshumidificateur participera à la compensation des apports par le jeu des deux condenseurs. Le condenseur à air intérieur devra avoir une puissance de rejet d'au moins 7,9 KW pour une température de condensation de l'ordre de 45 C. La batterie de réfrigération n' a plus besoin de produire la puissance latente. Elle sera dimensionnée pour ne produire que les 25 KW frigorifiques sensibles. S'il s'agit d'une batterie à eau glacée, la température du réseau d'eau glacée pourra être plus élevée ; les performances frgorifiquess 'améliore- ront. S'il s'agit d'une batterie à évaporation directe, la température d'évapo- ration pourra être prévue plus élevée, là aussi les performances frigorifiques s' amélioreront. La batterie de chauffage n'aura plus qu'à compenser les déperditions des locaux en hiver ; sa puissance va passer de 30 KW à 5 KW. S'il s'agit d'une batterie à eau chaude, la présence du réseau de chauffage ne sera plus utile hors saison de chauffage. Ce dispositif de déshumidification peut aisément s'intégrer dans des armoires de traitement d'air s'implantant directement dans les locaux climatisés et ne. nécessitant pas, de ce fait, de réseau de gaines. La figure 3 montre une armoire de traitement d'air à soufflage vers le haut dans laquelle on reconnaît les divers éléments du procédé : Le filtre (1) la batterie de réfrigération (2); la batterie chaude (3); le ou les ventilateurs (4); l'évaporateur de déshumidification (10) et le condenseur intérieur (11); le dispositif d'équilibrage aéraulique n' est pas représenté. Cette armoire comporte en outre deux compresseurs frigorifiques de réfrigération (14) et (15) et le compresseur de déshumisification (16). Avec une autre disposition des éléments, l'armoire de traitement d'air peut-être conçue avec le soufflage vers le bas. La figure 4 représente le circuit frigorifique du déshumidificateur. Le fluide frigorigène refoulé par le compresseur 16 est orienté soit ves le condenseur intérieur, soit vers le condenseur extérieur par le jeu des vannes électromagnétiques normalement ouverte (17) ou normalement fermée (18). Le fluide frigorigène condensé franchit ensuite les clapets de retenue (19) ou (20) pour arriver au détendeur thermostatique (21) lequel assure l'alimentation de l'éva- porateur (10). le fluide redevenu gazeux à basse pression rejoint le compresseur par l'intermédiaire d'une vanne à pression constante (22) interdisant à la température d'évaporation de s'abaisser en dessous de O c prévenant ainsi tout risque de givrage de l'évaporateur (10). L'évaporateur de déshumidification (10) est disposé. au dessous de la batrie de réfrigération (2) tel que représenté sur les figures (3) et (4). Cette disposition engendre des économies d'énergie supplémentaires car - La batterie froide (2) ne pourra pas toujours être dimensionnée pour ne produire qu'une puissance frigorifique sensible surtout si elle est à évaporation directe. I1 lui arrivera donc de condenser inutilement, voire à mauvais escient, de la vapeur d'eau; c'est à dire quand l'air traité est déficitaire en humidité et que l'humidificateur est activé - Dans ces conditions le déshumidificateur et bien sur à l'arrêt et son évaporateur (10) permet aux condensats qui ruissellent de se revaporiser grâce à ses grandes surfaces d'ailettes et à l'air non refroidi et sec qui le traverse - Si au contraire l'air traité est excédentaire en humidité, le déshunidi- ficateur est activé et les condensats éventuels de la batterie froide (2) viennent s'ajouter à ceux ruisselant sur l'évaporteur (10) Ce procédé permet donc une économie sur le fonctionnement de lthumidifica- teur. Cette économSe peut-être importante pour des locaux chargés thermique ent durant les périodes où l'airextérieur est déficitaire en vapeur d'eau. L'appareil de climatisation à déshumidificateur à récupération d'énergie intégré a également une application interressante dans le cas d'installation à faible contrainte de température et forte contrainte d'hygrométrie relative par exemple 18 à 25 c et 40 à 60% HR. Pour une climatisation classique ces valeurs, pourtant souvent préconisées par les constructeurs de matériels techniques sont incohérentes car, pour une ambiance donnée, une telle variation de température implique le dépassement des tolérances pour l'hygrométrie. Pour respecter la tolérance sur l'hygrométrie, la tolérance température devra être resserrée à environ + ou - 1 K. La fonction déshumidification autonome de l'appareil va permettre de traiter séparément les paramètres température et hygrométrie. Il sera ainsi possible de faire dériver le point de consigne température ;vers le fonctionnement le plus économique tout en conservant la possibilité de corriger l'hygrométrie à un faible coût. REVENDICATIONS 1) Appareil de traitement d'air pour installation de climatisation caractérisé en ce qu'il intégre un circuit frigorifique spécifiquement conçu pour effectuer la fonction déshumidification de l'installation. Ce circuit frigorifique comporte un évaporateur (10) agencé de façon à n'être traversé que par une partie du débit d'air franchissant l'appareil sur laquelle tous les gains latents de l'installation sont absorbés. La source chaude du circuit frigorifique est constituée d'un condenseur intérieur (11) ou d'un condenseur extérieur (13) qui peuvent être sélectionnés par une vanne électromagnétique normalement ouverte (17) ou normalement fermée (18) permettant ainsi soit la récupération de l'énergie calorifique, soit la récupération de l'énergie frigorifique sensible mise en jeu dans le circuit thermodynamique.