Brevet FR2755755A1 — publié le 19980515

L'invention a pour objet un dispositif de production de froid économiseur d'énergie, intégrable dans le circuit des pompes à chaleur à compression à absorption, chimiques ou à adsorption et fonctionnant suivant le principe du caloduc à distance. On connaît déjà des installations de pompe à chaleur réversibles utilisant des cycles frigorifiques à compression, destinées par exemple à la climatisation et au chauffage de locaux, elles nécessitent la mise en service du compresseur pour assurer la fonction refroidissement. On connaît également des systèmes économiseurs d'énergie en climatisation faisant appel à un dispositif de caloduc à distance, tel que décrit dans le brevet français de Jacques BERNIER N"9401059 du 1er Février 1994. Ces systèmes présentent cependant l'inconvénient de ne pas être facilement intégrable dans le circuit des pompes à chaleur assurant à la fois la fonction chauffage et rafraîchissement. De telles installations ne sont pas entièrement satisfaisantes car elles conduisent à des consommations plus élevées en été, tout en augmentant de façon importante l'impact sur l'effet de serre. C'est d'une manière générale un but de l'invention de fournir une installation qui ne présente pas les inconvénients rappelés ci-dessus des installations connues. C'est en particulier un but de l'invention de fournir une installation de pompe à chaleur comportant un dispositif de caloduc à distance assurant la fonction rafraîchissement et utilisant les mêmes échangeurs (évaporateur et condenseur) que ceux utilisés dans le cycle chauffage. La circulation du fluide frigorigène s'effectue en cycle chauffage par l'intermédiaire du compresseur (pour les systèmes à compression), ou par l'intermédiaire du couple absorbeur/générateur (pour les systèmes à absorption); en cycle rafraîchissement, lorsque la température de la source extérieure est inférieure à celle des locaux à refroidir, ce qui est en général le cas, par exemple, pour les systèmes à capteur enterré. La circulation du fluide entre le condenseur et I'évaporateur se fait par l'intermédiaire d'une pompe à liquide, ou par gravité et dans ce cas l'évaporateur devra être placé plus bas que le condenseur. Ce type de conception permet d'assurer un rafraîchissement quasi gratuit des locaux en supprimant les consommations d'énergie dues au compresseur. Le dispositif s'incorpore par exemple dans une thermopompe à capteur enterré pour assurer gratuitement la climatisation en été grâce à un circulateur de fluide frigorigène transférant, par un dispositif de caloduc à distance, la chaleur de l'intérieur des bâtiments vers la terre. En effet, la température de la terre se situe en été entre 15"C et 18"C et la température des locaux souhaite généralement être maintenue entre 24"C et 26"C. Un écart de température suffisant existe donc permettant le transfert direct à l'extérieur de la chaleur des locaux, sans faire appel à la mise en service d'un compresseur, donc d'assurer le confort dans les bâtiments. Le compresseur de la thermopompe n'est utilisé qu'en hiver afin de prélever la chaleur de la terre et de la transférer dans le bâtiment par l'intermédiaire d'un condenseur à eau couplé à un plancher rayonnant à basse température, ou d'un condenseur à air où circule l'air des locaux à traiter, ou encore directement des tubes noyés dans le plancher de la construction. C'est encore un but de l'invention de fournir un système économiseur d'énergie dont le fluide de travail est le même que celui utilisé en cycle normal. C'est toujours un but de l'invention de proposer que la circulation du fluide de travail en cycle économiseur, soit assurée soit par pompe dont le débit pourra être modulé afin d'éviter les pertes de charge excessives nuisibles au bon fonctionnement, soit de façon gravitaire. C'est encore un but de l'invention de proposer un dispositif assurant l'inversion de cycle été/hiver. L'invention sera bien comprise par la description qui suit faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lequel: La figure 1 est un schéma d'une installation selon l'invention Les figures 2 et 3 représentent les deux positions d'un clapet particulier permettant d'assurer l'inversion du cycle étélhiver sans utilisation de vannes. La figure 4 est une variante de la figure 1 représentée en cycle rafraîchissement. La figure 5 est une variante de la figure 1 représentée en cycle chauffage. La figure 6 est une variante de l'invention permettant également un cycle de refroidissement avec mise en service du compresseur. Un dispositif de rafraîchissement selon l'invention, figure 1, s'intègre dans une pompe à chaleur traditionnelle comportant un compresseur (10), un échangeur intérieur (11) de type à air ou à eau, un échangeur extérieur (18) de type capteur enterré ou à eau ou à air, un détendeur (16). Deux cycles de fonctionnement sont possibles: le cycle chauffage et le cycle rafraîchissement. La figure représente un système de type sol/eau mais le système s'adapte aussi bien à des systèmes de type air/eau, air/air, sol/air, sol/sol, eau/eau ou encore eau/air. Le cycle chauffage est utilisé en hiver, rien ne le distingue donc du cycle classique des pompes à chaleur: le compresseur (10) refoule des gaz dans le condenseur (11) où est cédée la chaleur de condensation, le liquide formé se dirige vers le réservoir (12) par la vanne(13) (de type électromagnétique ou motorisée), la tuyauterie (15) avant d'être détendu dans le détendeur (16), le liquide se dirige dans la tuyauterie (26) puis s'évapore dans l'évaporateur (18) constitué par exemple de nappes de tubes enterrées (181,182,...18n) alimentées par le distributeur (17), les vapeurs sont reprises dans un collecteur (19) puis se dirigent dans la tuyauterie (20) pour être aspirées par le compresseur (10) avant de reformer un nouveau cycle. Le cycle rafraîchissement est utilisable en été lorsque la température du milieu à refroidir est supérieure à celle du milieu où la chaleur est évacuée. La pompe (21) aspire le liquide dans le réservoir (12) puis par l'intermédiaire du clapet (22) se dirige vers l'évaporateur (11) où il se vaporise en refroidissant le milieu intérieur de (E) à (S), la vapeur formée passe par la vanne (25) ) (de type électromagnétique ou motorisée) pour se diriger vers le condenseur (18) où elle se condense en cédant sa chaleur au milieu extérieur avant de retourner vers le réservoir (12) par l'intermédiaire du clapet de retenue (23). A titre d'exemple, pour une température extérieure de 15"C et un local à climatiser à 25"C, la température d'ébullition et de condensation du fluide frigorigène sera de l'ordre de 20"C, les seules consommations d'énergie seront celles des éventuels systèmes de brassage des sources chaude et froide ainsi que celle de la pompe (21), cette dernière consommant environ 30 fois moins que le compresseur pour la même production de froid. La pompe pourra être régulée en adaptant son fonctionnement au débit de liquide vaporisable dans l'évaporateur, en agissant sur la vitesse de rotation de la pompe par variation de sa fréquence d'alimentation par exemple. La pompe (21) sera de préférence de type hermétique (à entraînement magnétique par exemple). La pompe (21) pourra également être installée à l'intérieur même du réservoir de liquide (12) afin d'éviter tout risque de désamorçage ou de cavitation. La pompe (21) pourra également être supprimée et la circulation s'effectuera par gravité si l'évaporateur peut être placé plus bas que le condenseur. Les figures 2 et 3 représentent les deux positions d'un composant permettant une variante de l'invention. Ce composant permet de remplacer d'une part le clapet (22) et la vanne (13), et d'autre part la vanne (25). Il se compose d'un corps cylindrique métallique (31) dans lequel coulisse de façon étanche un piston (30) en Téflon par exemple. Lorsqu'une pression est exercée en (A) par le refoulement d'une pompe ou d'un compresseur, le piston se dirige vers la droite comme représenté figure 3, mettant en relation les raccordements (A) et (C) et fermant la relation entre les raccordements (B) et (D). Lorsqu'il n'y a pas de pression exercée en (A), le piston (30) se retrouve sur la gauche comme représenté figure 2, grâce à la pression du ressort éventuel (32), ou au flux provenant de (B); ceci met alors en relation les raccordements (B) et (D). et ferme la relation entre les raccordements (A) et (C) La figure 4 est une variante de la figure 1 utilisant les composants (40) et (41) décrits sur les figures 2 et 3, représentée en fonctionnement rafraîchissement, la pompe (21) étant en fonctionnement et le compresseur (10) étant à l'arrêt. Le passage du fluide est représenté en gras sur le schéma. La figure 5 est la même variante de la figure 1 représentée en fonctionnement chauffage, la pompe (21) étant à l'arrêt et le compresseur (10) étant en fonctionnement. Le passage du fluide est représenté en gras sur le schéma. La figure 6 représente une autre variante de l'invention décrite figure 1, permettant un fonctionnement à trois cycles. Un cycle supplémentaire permet grâce à la vanne d'inversion (50) de faire fonctionner le compresseur en refroidissement si la température de la source extérieure est plus élevée que celle de la source intérieure, ce qui empêche le fonctionnement en cycle rafraîchissement avec la pompe (21). Dans ce cas un second détendeur (52) est nécessaire, ainsi qu'un moyen (51) d'arrêt de circulation par la pompe (21). Dans cette variante, il pourra bien sûr être utilisé le composant représenté figures 2 et 3 en remplacement des vannes motorisées. L'invention n'est pas limitée aux machines frigorifiques, elle trouve son application également dans les systèmes de récupération de chaleur ou de froid, dans ce cas seul le cycle économiseur existe et les moyens de détente et de court circuitage deviennent inutiles en raison de l'absence de compresseur ou de générateur. L'application principale de l'invention se situe dans les pompes à chaleur à capteurs enterrés et celles de type à éléments séparés appelés communément "split-system", notamment pour le conditionnement d'air des locaux commerciaux, et d'une manière générale les applications possédant une demande de rafraîchissement. L'invention est également applicable aux pompes à chaleur de type monoblocs et notamment celles installées en toiture. II est possible d'utiliser l'invention dans les pompes à chaleur à condensation par eau ou par air ou dans le plancher, ainsi que dans les systèmes de refroidissement d'air à condensation à eau ou à air. L'invention n'est pas limitée aux systèmes à compression, elle trouve en effet son application dans les machines à absorption (eau/bromure de lithium ou NH3/eau par exemple), et encore dans les machines frigorifiques à réaction chimique et à adsorption. REVENDICATIONS 1. Dispositif de production de froid avec cycle économiseur d'énergie, intégrable dans le circuit des pompes à chaleur à compression, à absorption, chimiques, ou à adsorption, caractérisé en ce qu'il comprend les moyens d'inversion du sens de circulation du fluide et les moyens de circulation du fluide entre le condenseur et l'évaporateur. 2. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que la circulation du fluide frigorigène liquide entre le condenseur et l'évaporateur s'effectue par pompe (21). 3. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'une vanne à deux voies (25) permet le bi-passage du compresseur en cycle rafraîchissement. 4. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'il comprend au moins un clapet à quatre voies (figures 2et3) agissant par déplacement d'un piston (30) par surpression.. 5. Installation selon la revendication 4 caractérisée en ce qu'un ressort (32) permet au piston (30) de revenir en position au repos. 6. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'échangeur côté extérieur (18) est un capteur enterré, un échangeur à air ou à eau. 7. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'échangeur côté intérieur (11), est un échangeur à air ou à eau ou directement un échangeur noyé dans le plancher. 8. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le sens de circulation du fluide en cycle rafraîchissement est l'inverse du sens de circulation en cycle pompe à chaleur. 9. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que la circulation du liquide est gravitaire en cycle rafraîchissement. 10. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comprend une vanne quatre voies (50) d'inversion de cycle permettant un fonctionnement à trois cycles.