Brevet FR2728661A1 — publié le 19960628

La présente invention concerne de façon générale des systèmes de conditionnement d'air. De façon plus particulière, l'invention concerne un système de conditionnement d'air réversible par compression de vapeur à source d'air, qui est appelé classiquement une pompe de chaleur à source d'air et qui inclut une source de chaleur d'appoint à utiliser dans des conditions météorologiques de froid rigoureux. Les pompes à chaleur à source d'air sont largement utilisées dans diverses applications de conditionnement d'air. Elles diffèrent d'un système de conditionnement d'air classique à compression de vapeur en ce que l'écoulement qui traverse les échangeurs de chaleur intérieur et extérieur de réfrigérant à air peut être inversé de façon à ce qu'ils puissent servir, soit comme évaporateur, soit comme condenseur. Lorsque la pompe à chaleur fonctionne dans le mode de refroidissement, l'échangeur de chaleur intérieur de réfrigérant à air fonctionne comme évaporateur du système et, quand la pompe à chaleur fonctionne dans le mode de chauffage, l'échangeur de chaleur intérieur de réfrigérant à air fonctionne comme condenseur.Une pompe à chaleur à source d'air est relativement économique à l'achat et à l'installation, permet en un système unique tant de chauffer que de refroidir l'espace et n'exige pour son fonctionnement qu'une source d'énergie électrique. Une pompe à chaleur à source d'air qui fonctionne dans le mode de chauffage peut maintenir une température confortable dans l'espace qu'elle dessert tant que la température extérieure n'est que modérément basse. Mais il est possible que la pompe à chaleur ne soit pas capable, dans des conditions de très basses températures, d'extraire de l'air extérieur suffisamment de chaleur pour maintenir le confort. Afin de remédier à cette défaillance, des systèmes de pompes à chaleur de l'art antérieur sont équipés d'une source de chaleur d'appoint qui ne fonctionne que lorsque la pompe à chaleur ne peut pas, au moyen du cycle de compression, maintenir la température de l'espace. Cette source de chaleur d'appoint est classiquement du type à résistance électrique.Bien qu'ils soient propres et compatibles avec le souhait de maintenir l'énergie électrique comme seule source d'énergie du système, les éléments chauffants à résistances électriques sont habituellement un moyen très onéreux de maintenir la température d'un espace chauffé, en particulier lorsque la température extérieure est très basse. La société de distribution d'électricité peut pénaliser ou limiter la consommation d'énergie pendant des périodes de pointe de demande et peut récompenser des utilisateurs qui peuvent réduire leur consommation pendant de telles périodes. C'est par conséquent un but de la présente invention que de réaliser un système de pompe à chaleur à source d'air qui comporte une source de chaleur d'appoint qui soit plus économique à mettre en oeuvre qu'un élément chauffant à résistance électrique. C'est également un but de la présente invention que d'offrir la possibilité de passer d'un chauffage électrique à un chauffage par combustible fossile, lorsque les températures extérieures sont très basses ou pendant des périodes de pointes de la demande d'énergie électrique. Ces buts sont atteints selon la présente invention, grâce à un système de conditionnement d'air perfectionné réversible (10) par compression de vapeur à source d'air, comprenant: un compresseur pourvu d'une décharge et d'une aspiration, un échangeur intérieur de chaleur d'air à réfrigérant, un échangeur extérieur de chaleur d'air à réfrigérant, une vanne d'inversion d'écoulement et un dispositif d'expansion, qui sont tous interconnectés par un trajet d'écoulement de réfrigérant d'une manière telle que le réfrigérant passe, dans le mode de fonctionnement de chauffage, à partir de ladite décharge à travers ladite vanne d'inversion d'écoulement, puis à travers ledit échangeur de chaleur intérieur d'air à réfrigérant, puis à travers ledit dispositif d'expansion, puis à travers ledit échangeur de chaleur extérieur d'air à réfrigérant, puis à travers ladite vanne d'inversion d'écoulement vers ladite aspiration, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: un échangeur de chaleur de fluide à réfrigérant en relation d'échange de chaleur avec ledit trajet d'écoulement de réfrigérant à une position comprise dans ledit trajet d'écoulement de réfrigérant entre ledit dispositif d'expansion et ladite aspiration; et un moyen destiné à empêcher un écoulement de réfrigérant à partir dudit dispositif d'expansion vers ledit échangeur extérieur de chaleur de réfrigérant à air et ladite aspiration pendant un mode de fonctionnement en chauffage d'appoint, d'une manière telle que le réfrigérant s'écoule, pendant ledit mode de fonctionnement en chauffage d'appoint, à partir de ladite décharge à travers ladite vanne d'inversion, puis à travers ledit échangeur de chaleur intérieur de réfrigérant à air, puis à travers ledit dispositif d'expansion, puis à travers ledit échangeur de chaleur de fluide à réfrigérant vers ladite aspiration. Le réfrigérant dudit trajet d'écoulement de réfrigérant entre ladite décharge et ladite vanne d'inversion d'écoulement peut être en relation d'échange de chaleur avec ledit échangeur de chaleur de fluide à air. Il peut exister pendant ledit fonctionnement en mode de chauffage d'appoint, un trajet d'écoulement du réfrigérant à partir dudit échangeur de chaleur d'air à réfrigérant à travers ladite vanne d'inversion d'écoulement vers ladite aspiration. Ledit fluide contenu dans ledit échangeur de chaleur de fluide à réfrigérant peut provenir d'une source de fluide chauffé. Ledit fluide peut alors être de l'eau, ladite source de fluide chauffé pouvant alors être un réservoir de stockage d'eau, qui peut être, par exemple, chauffé par un élément chauffant, qui peut, en particulier, brûler un combustible fossile. Il y a lieu de remarquer que ce chauffage d'appoint est effectué sans addition d'un chauffage auxiliaire à air chaud, à combustible auxiliaire, comme ctest habituellement le cas. Dans des applications résidentielles, de l'eau du système d'eau chaude de service serait normalement la seule source de chaleur nécessaire pour servir d'appoint au chauffage par compresseur dans le système. Dans des applications commerciales ou industrielles, il peut exister d'autres sources de chaleur qui peuvent être utilisées directement ou indirectement comme des sources d'appoint. Les buts, particularités et avantages de la présente invention décrits ci-dessus ainsi que d'autres ressortiront mieux de la lecture de la description qui suit en se référant au dessin annexé dont la figure unique représente un schéma d'un système de conditionnement d'air réversible par compression de vapeur qui incorpore l'enseignement de la présente invention. La figure représente un schéma d'un système de conditionnement d'air réversible 10 à compression de vapeur à source d'air. Le système 10 inclut un compresseur 11 pourvu, un échangeur intérieur de chaleur 12 d'air à réfrigérant, un échangeur extérieur de chaleur 13 d'air à réfrigérant, une vanne d'inversion 14 d'écoulement et un dispositif d'expansion 15, qui sont tous des composants qui se trouvent dans des systèmes de l'art antérieur. Le dispositif d'expansion peut être un composant ou une combinaison de plusieurs composants qui offrent une restriction à l'écoulement du réfrigérant qui le traverse dans les deux sens.Lorsque le système 10 fonctionne dans le mode de refroidissement, le réfrigérant vient de la décharge D du compresseur 11, traverse la vanne d'inversion 14, puis l'échangeur de chaleur extérieur 13 d'air à réfrigérant, puis le dispositif d'expansion 15, puis l'échangeur de chaleur intérieur 12 d'air à réfrigérant, puis la vanne d'inversion 14 vers l'aspiration S du compresseur 11. Lorsque le système 10 fonctionne dans le mode de chauffage, le réfrigérant vient de la décharge D du compresseur 11, traverse la vanne d'inversion 14, puis l'échangeur de chaleur intérieur 12 d'air à réfrigérant, puis le dispositif d'expansion 15, puis l'échangeur de chaleur extérieur 13 d'air à réfrigérant, puis la vanne d'inversion 14 vers l'aspiration S du compresseur 11. Un échangeur de chaleur 31 d'eau à réfrigérant est situé dans une relation d'échange thermique avec une ou plusieurs lignes de réfrigérant du système 10. De l'eau qui provient d'une source 32 d'eau chauffée traverse une vanne de retenue 33 et un échangeur de chaleur 31 sous l'effet d'une pompe 34. Un élément chauffant 35 chauffe l'eau de la source 32 d'eau chaude. L'élément chauffant 35 pourrait de préférence être un brûleur à gaz ou à mazout. La source d'eau chauffée pourrait être le réservoir de stockage du système d'eau chaude de service du bâtiment que le système 10 dessert. Selon un premier mode de réalisation de la présente invention, la ligne qui transporte le réfrigérant entre la décharge D du compresseur 11 et la vanne d'inversion 14 et la ligne de réfrigérant qui va du dispositif d'expansion 15 vers la vanne d'inversion 14 dans le mode de chauffage traversent l'une et l'autre l'échangeur de chaleur 31. Cet agencement serait approprié si le système 10 est prévu pour apporter une chaleur d'appoint à la source 32. Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, seule la ligne qui transporte le réfrigérant du dispositif d'expansion 15 vers la vanne d'inversion 14 dans le mode de chauffage traverse l'échangeur de chaleur 31, comme indiqué à la figure par la ligne en traits interrompus 16. Dans ce deuxième mode de réalisation, le système 10 ne peut recevoir de chaleur que de la source 32. Si le système 10 ne peut maintenir la température souhaitée dans l'espace qu'il dessert, même en fonctionnant en continu dans le mode de chauffage, il peut passer au mode de chauffage d'appoint. Dans ce mode, l'écoulement de réfrigérant est le même que dans le mode de chauffage sauf que la vanne d'arrêt 21, qui est ouverte dans les deux autres modes de fonctionnement, est fermée et que la vanne d'arrêt 22, qui est fermée pendant le fonctionnement dans les modes de refroidissement et de chauffage normal est ouverte. Les vannes 21 et 22 peuvent consister en un composant unique ou en une combinaison de plusieurs composants qui peuvent aussi exercer la fonction de dispositif d'expansion 15. Le réfrigérant ne peut donc pas entrer dans l'échangeur de chaleur extérieur 13 d'air à réfrigérant. Le réfrigérant traverse donc l'échangeur de chaleur 31 de réfrigérant à eau vers l'aspiration S.La vanne 21 empêche donc une concentration de réfrigérant liquide dans l'échangeur de chaleur 13 qui est froid, car ceci épuiserait dans le cas contraire la charge de réfrigérant dans les autres parties du système 10. La ligne de retour de réfrigérant en mode de chauffage à partir de l'échangeur de chaleur 13 est maintenue ouverte de façon que tout réfrigérant gazeux qui se perdrait dans cet échangeur de chaleur puisse retourner au compresseur 11. Un grand nombre de facteurs influent sur la capacité d'un réservoir et d'un élément chauffant normaux, comme ceux qui existent dans des résidences, peuvent exercer la fonction additionnelle de fournir de la chaleur au système 10, un des facteurs principaux étant constitué par les conditions climatiques au site où le système 10 et le réservoir d'éléments chauffants sont installés. Si un réservoir et un élément chauffant normaux ne peuvent pas fournir une chaleur suffisante, il peut encore être économique, par rapport à la variante de chauffage d'appoint à résistance électrique, d'installer un récipient et un élément chauffant plus grands que ceux qui sont nécessaires pour la simple fourniture de l'eau chaude de service. Ceci évite également les coûts d'un chauffage auxiliaire à air chaud.Un brûleur à débit variable peut également ne produire qu'une faible puissance thermique lorsque la seule charge appliquée à l'élément chauffant et au réservoir est l'alimentation en eau chaude de service et une puissance thermique plus élevée lorsque le réservoir alimente aussi en chaleur le réfrigérant du système 10. Dans le mode de chauffage d'appoint décrit cidessus, le système 10 peut fonctionner pendant un certain temps sans exiger aucune consommation de combustible fossile. Le temps réel entre le début du fonctionnement en mode de chauffage d'appoint et le besoin de consommation de combustible dépend de la capacité de stockage de chaleur de la source 32 et de la possibilité, pour le système 10, d'être alimenté en énergie thermique à partir du cycle de compression de vapeur. La consommation d'énergie électrique pourrait être temporairement réduite en utilisant l'énergie thermique stockée dans la source 32, cette énergie étant ultérieurement remplacée par l'élément chauffant 35 ou en mettant en oeuvre le système 10 dans un mode de chauffage à l'eau. Revendications 1. Système de conditionnement d'air perfectionné réversible (10) par compression de vapeur à source d'air, comprenant: un compresseur (11) pourvu d'une décharge (D) et d'une aspiration (S), un échangeur intérieur de chaleur (12) d'air à réfrigérant, un échangeur extérieur de chaleur (13) d'air à réfrigérant, une vanne d'inversion (14) d'écoulement et un dispositif d'expansion (15), qui sont tous interconnectés par un trajet d'écoulement de réfrigérant d'une manière telle que le réfrigérant passe, dans le mode de fonctionnement de chauffage, à partir de ladite décharge à travers ladite vanne d'inversion d'écoulement, puis à travers ledit échangeur de chaleur intérieur d'air à réfrigérant, puis à travers ledit dispositif d'expansion, puis à travers ledit échangeur de chaleur extérieur d'air à réfrigérant, puis à travers ladite vanne d'inversion d'écoulement vers ladite aspiration, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: un échangeur de chaleur (31) de fluide à réfrigérant en relation d'échange de chaleur avec ledit trajet d'écoulement de réfrigérant à une position comprise dans ledit trajet d'écoulement de réfrigérant entre ledit dispositif d'expansion et ladite aspiration; et un moyen (21) destiné à empêcher un écoulement de réfrigérant à partir dudit dispositif d'expansion vers ledit échangeur extérieur de chaleur de réfrigérant à air et ladite aspiration pendant un mode de fonctionnement en chauffage d'appoint, d'une manière telle que le réfrigérant s'écoule, pendant ledit mode de fonctionnement en chauffage d'appoint, à partir de ladite décharge à travers ladite vanne d'inversion, puis à travers ledit échangeur de chaleur intérieur de réfrigérant à air, puis à travers ledit dispositif d'expansion, puis à travers ledit échangeur de chaleur de fluide à réfrigérant vers ladite aspiration. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réfrigérant dudit trajet d'écoulement de réfrigérant entre ladite décharge et ladite vanne d'inversion d'écoulement est en relation d'échange de chaleur avec ledit échangeur de chaleur de fluide à air. 3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que il existe pendant ledit fonctionnement en mode de chauffage d'appoint, un trajet d'écoulement du réfrigérant à partir dudit échangeur de chaleur d'air à réfrigérant à travers ladite vanne d'inversion d'écoulement vers ladite aspiration. 4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit fluide contenu dans ledit échangeur de chaleur de fluide à réfrigérant provient d'une source de fluide chauffé. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit fluide est de l'eau. 6. Système selon la revendication 5 caractérisé en ce que ladite source de fluide chauffé est un réservoir (32) de stockage d'eau. 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit réservoir de stockage d'eau est chauffé par un élément chauffant (35). 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit élément chauffant brûle un combustible fossile.