Brevet FR2775762A1 — publié le 19990910

- DISPOSITIFS POUR AMELIORER ET OPTIMISER LE FONCTIONNEMENT DES CENTRALES DOUBLE FLUX THERMODYNAMIQUES POUR L'AERATION CLIMATIQUE REVERSIBLE La présente invention concerne des dispositifs qui, intégrés et associés dans une centrale double flux thermodynamique (aération, chauffage, rafraîchissement en maison individuelle notamment) permettent d'en améliorer et optimiser le fonctionnement ainsi que les performances. En fonction des étagements des régimes des ventilateurs d'extraction et d'insufflation chargés d'activer le renouvellement d'air réglementaire, des canaux additionnels d'air extérieur et de recyclage d'air ambiant vont permettre l'ajustement des débits du renouvellement d'air de Ihabitation selon le calibre de la maison et les alternances des allures de marche, ainsi que la balance des débits d'extraction et d'insufflation (air sortant/air entrant) tout en procurant selon les conditions climatiques extérieures une interactivité totale avec le fonctionnement du compresseur frigorifique. Les doubles flux thermodynamiques (ou pompe à chaleur air extérieur - air extrait) ont l'avantage de permettre en hiver la récupération la plus performante possible de la chaleur contenu dans le débit d'air extrait concernant l'aération permanente et réglementaire des logements : En effet, un compresseur frigorifique est capable, à débit égal, de restituer au réseau de soufflage d'air 2 a 3 fois plus de chaleur que la chaleur intrinsèque ( ou enthalpie) contenue dans le débit d'air extrait (principes de CARNOT). En outre l'été grâce à une vanne d'inversion de cycle, le processus s'inverse et le système permet d'introduire au soufflage de l'air refroidit, c'est la fonction climatisation. Malheureusement les compresseurs classiques, pour des raisons physiques, s'adaptent mal aux différentes variations et modifications des débits de renouvellement d'air qui sont le fait du calibre de la maison et des alternances régulières entre les débits accélérés (FORT) et les débits réduits (DOUX) Certains compresseurs permettent plus de souplesse grâce au système " inverter " ( à puissance variable et fonctionnement modulable ) permettant de satisfaire les demandes de puissance d'un milieu à tempérer ou à climatiser tout en maintenant une grande efficacité du cycle frigorifique; on pourra alors avec ceux-ci concevoir une interactivité exceptionnelle avec le dispositif des canaux additionnels d'air extérieur et de recyclage d'air ambiant. La présente invention à pour objet d'adapter les caractéristiques d'un compresseur classique ou à puissance variable, avec un milieu aéraulique plus particulièrement destiné à la récupération de chaleur air extrait - air, en fonction des débits normalisés et variables selon les maisons et les cycles FORT/DOUX de renouvellement d'air. Cette invention sera bien comprise à l'aide de la description ci-dessous, du schéma général de principe (fiv.1), du plan d'ensemble (fig.2) et des planches (A et B) annexées. L'appareil selon les dispositifs de l'invention comprend une enceinte parallèlèpipedique (I) intégrant en partie haute le ventilateur de soufflage (2) dans l'espace (El), le compresseur frigorifique (3) et le ventilateur d'extraction (4) dans l'espace (E2). Les espaces El et E2 sont rendus indépendants grâce au cloisonnement réalisé par la paroi (5) qui, à sa partie inférieure s'ajuste avec le compartiment rectangulaire (8) établissant latéralement la jonction entre la batterie évaporateur (6) et la batterie condenseur (7), batteries disposées horizontalement de part et d'autre de ce compartiment. Ce compartiment (8) maintenu à sa base par la paroi verticale (9) rejoignant la partie inférieure de l'enceinte (1) ménage un espace central destiné à recevoir le bloc logiciel de gestion (11) ainsi que les divers accessoires électriques et supporte à sa partie supérieure la glissière (G1) sur laquelle est fixée le compresseur frigorifique (3). Le maintien et le coulissage des batteries se trouve concrétisé par 4 profils : P1/P2 fixés aux parois latérales de l'enceinte (1) et P3/P4 fixés en extrémité horizontale inférieure du compartiment (8), ce qui permettra avec la glissière (G1) un dégagement rapide de l'ensemble frigorifique (3, 6, 7) accessible depuis la façade démontable (12). Sur le devant et adjacent à la partie inférieure de l'espace (E3), compris entre la paroi verticale (9) et la batterie (6), un collecteur horizontal (10) met en communication le canal d'air extérieur (C3) avec l'espace (E4) adjacent à l'espace (E3), espace (E4) dans lequel débouche également les canaux C4/C4' matérialisés par 2 manchettes fixés contre la paroi latérale de l'enceinte (1). A l'opposé, à proximité du canal d'air extérieur (C3) est implanté le canal d'air de recyclage d'ambiance (RA). Ainsi tout le débit activé par le ventilateur d'extraction (4) sera issu des canaux C4/C4' et du collecteur (10); de l'autre côté et selon le même principe, tout le débit d'air activé par le ventilateur de soufflage (2) sera issue du canal d'air de recyclage (RA) et du canal d'air extérieur(C3). Au débouché des canaux RA/C3/C4/C4', s'inscrit 2 filtres Fl et F2. A partir de cette architecture exclusive s'incorpore dans le canal (RA) 2 manchettes (CR et Cl') comprenant chacune l volet motorisé associé à 1 régulateur de calibrage de débit et de la même façon dans le collecteur (10) s'incorpore 3 manchettes (C2/C2' et C5) comprenant chacune également I volet motorisé et 1 régulateur de calibrage de débit, de telle sorte que le bloc logiciel de gestion (i 1) chargé d'établir l'ordonnancement des fonctions de l'appareil selon les données intrinsèques et extrinsèques à l'habitation va pouvoir, à partir d'un étagement préétablit du débit du ventilateur (4) interférer sur l'alimentation en débit d'air de l'espace (E4) communiquant avec le condenseur (7) du bloc frigorifique (3) grâce aux canaux additionnels C2,C2',C5 afin de régler et stabiliser les débits de renouvellement d'air selon les cycles normalisés et les périodes climatiques. De ce fait avec l'ouverture ponctuelle ou combinée des clapets (C2,C2',C5) et avec le concours des régulateurs de calibrage, le collecteur additionnel en air extérieur (10) fournira au ventilateur (4) en fonction de l'étagement préétablit des débits et selon des cycles climatiques considérés, la possibilité de court-circuiter partiellement les canaux C4/C4' d'arrivée d'air extrait afin d'éviter un sur-renouvellement d'air tout en assurant, selon la période climatique considérée, le renforcement du débit d'air au condenseur (7) pour optimiser le rendement thermique du compresseur (3). De la même façon, le canal (RA) équipé des manchettes Cl et C1' peut être utilisé pour ajuster en hiver la proportion du débit entrant par rapport à celui sortant ou pour améliorer le fonctionnement du bloc frigorifique (3) en version climatique d'été, par recyclage, lorsque la température extérieure dévient très supérieure à fa iempérature ambiante. Les différentes manchettes correspondantes aurcanaux Cl/Cl' et C2/C2'/C5 qui comporte chacune un clapet motorisé et un régulateur de calibrage de débit différent en valeur permettent ainsi de réaliser une panoplie de débits additionnels afin que les canaux d'air extrait SORTANT (C4,C4') et d'air extérieur ENTRANT (C3) délivrent les débits de renouvellement d'air les mieux ajustés possible par rapport à ceux revendiqués par la réglementation en vigueur et induisent une balance SORTANTIENTRANT équilibrée et légèrement plus favorisante au débit ENTRANT de manière a apporter une légère surpression dans l'habitation. Ce dispositif est bien entendu complémentaire à l'étagement du débit, par les moyens conventionnels, aux ventilateurs (2) et (4), l'ensemble étant géré, selon un programme défini, par le bloc logiciel de gestion (11). Les régulateurs incorporés dans les manchettes permettent d'obtenir les débits additionnels suivants: C1 : 90 M3/H, C1' : 60 M3/H, C2 : 75 M3/H, C2' : 45 M3/H, C5 : 60 M3/H Ces valeurs qui sont indicatives peuvent être aménagées pour optimiser davantage la centrale notamment après des essais officiels en laboratoire agrée ou si les bases de la réglementation évoluent dans le temps. I1 est bien précisé qu'on ne sortirai pas du domaine de l'invention en modifiant en plus ou en moins le nombre de collecteurs additionnels d'air extérieur ou de canaux de recyclage d'air ambiant, ainsi que le nombre de manchettes et les valeurs de leur calibrage de débit respectif. La planche B permet d'illustrer tous les avantages de ce dispositif de manière précise car détaillée en fonction des différents cycles climatiques concernés et gérés par le logiciel électronique (11). Par exemple pour le cycle Hiver tempéré et pour les maisons de la catégorie G, le débit d'extraction (SORTANT) limité à 270 M3/H aura un apport additionnel de débit d'air extérieur au moyen du collecteur (10) et par le jeu de l'ouverture des manchettes C5 et C2' (respectivement calibrées à 60 et 45 M3/H = 105 M3IH) un débit global de : 270 M3/H + 105 M3/H = 375 M3/H ~ étagement IV (400 M3/H) soit un débit gratuit complémentaire au débit de base réglementaire de 45 O/o, ce qui permettra d'optimiser le fonctionnement du compresseur (3) pendant les périodes climatiques ou la température extérieure est clémente, sans gaspiller inconsidérément de la chaleur ambiante. A l'opposé le débit d'air neuf ENTRANT sera limité grâce à l'ouverture du canal Ci = 90 M3/H; Ainsi avec l'étagement IV (400M3/H) le débit délivré en air neuf par le canal (C3) se fixera à; 400 M3/H - 90 M3/H = 310 M3/H et le rapport: DEBIT ENTRANT sera de 310 = 15 DEBIT SORTANT 270 Si l'on ajoute à ces éléments, la configuration amovible et accessible depuis la façade d'accès (12) et donc interchangeable de l'ensemble frigorifique (compresseur (3) + évaporateur (6) + condenseur (7) reliés par leurs canalisations gaz) grâce à la possibilité de coulissage de cet ensemble avec les profiles PI/P2/P3/P4 et la glissière G1 on se trouve en présence d'un produit très évolué par rapport aux technologies existantes en ce domaine. En ce qui concerne l'automatisme, le bloc logitiel de gestion (11) assure les différentes fonctions selon les saisons de la manière suivante: A) ETE a) Cycle été relatif fonction VMC DOUBLE FLUX (compresseur et débits additionnels, hors programme). b) Cycle rotation air neuf - lorsque l'été est tempéré le rafraîchissement de l'habitation sera réalisé par le renouvellement maximum en air neuf dans l'habitation soit ventilateurs en positions IV + C2, C2', C5 ouverts + Cl, Cl' fermés, compresseur (3) hors programme, concerne maison G (maison M dito mais ventilateurs position III). c) Cycle plein été idem cycle précédent mais Cl, CI' ouverts et compresseur t3) fonctionne. Ventilateurs (2 et 4) en position W maisons G et M. B) HIVER Ces cycles comprennent le a) Cycle Saison fonctionnement du compresseur (3) b) Cycle hiver tempéré g et la répartition proportionnelle et c) Cycle hiver rigoureux additionnelle des débits selon les descriptions de la planche B Les différents paramètres pour le fonctionnement et la cascade des cycles et des fonctions sont enregistrés par le bloc logiciel de gestion (11) au moyen des capteurs spécialisés suivants: *Capteur S 1 température extérieure * Capteur S2 : température air extrait * Capteur S2': température ambiante * Capteur S3 : température rejet * Capteur S4 : température soufflage * Capteur TE : température evaporation * Capteur HY . humidité relative * Capteur TC température condensation Le problème habituel en ce qui concerne l'asservissement d'une telle centrale concerne l'aspect prioritaire de son fonctionnement par rapport aux émetteurs complémentaires (ex convecteurs). Celui ci ne pose pas de difficulté en cycles Hiver tempéré et ngoureux car les régulations électroniques des émetteurs complémentaires sont ultra précise mais il n'en va pas autrement en demi-saison haute (avec l'influence de l'ensoleillement notamment), période climatique pendant laquelle il est indispensable d'éviter la superposition des modes de chauffage et le dépassement du point de consigne de la température ambiante notamment par le fonctionnement impromptu de la centrale thermodynamique. A ce sujet, le système le plus couramment employé est le thermostat d'ambiance à double étage mais il est très approximatif car l'enregistrement se trouve située empiriquement dans lhabitation. Aussi un dispositif de l'invention concerne un asservissement de sortie de demi-saison haute (sortie ou vice versa : entrée) et il met en oeuvre des moyens simples et très précis dont voici la description : étant donné que le capteur S2 recense précisément la température des pièces techniques (cuisines ( sanitaires) et que le capteur S2' recense précisément la température des pièces principales, la moyenne du climat de l'habitation est relativement bien cernée. Dans ces conditions et lorsque la température extérieure recensée par le capteur Sl atteint un niveau fixé par exemple 150C, la sonde S2' sera interrogée grâce à l'ouverture minutée et programmée en fréquence des clapets Cl ou Cl', selon chaque fréquence pendant une plage temps de quelques secondes, de sorte que la conjonction des données suivantes S1 = 15 C + S2 = 20"C + S2' = 20 C provoque systématiquement l'arrêt du compresseur (3) et l'enclenchement du CYCLE ETE RELATE (et vice versa en cas de régression en deçà de ces données). Ces données qui sont indicatives peuvent être aménagés pour affiner le point de rupture notamment après des essais "in situ" et l'on ne sortirai pas du domaine de l'invention en modifiant leur valeur de quelques degrés. PLANCHE A SELECTION DES ETAGEMENTS DEBITS AUX VENTILATEURS 1) ON CLASSE LES MAISONS D'HABITATION EN 2 CATEGORIES a) MAISONS TRES GRANDES & G, supérieure à 125 M2 b) MAISONS CLASSIQUES MOYENNES rM, inférieure à 125 M2 2) DEFINITION DEBITS DES MAISONS G EN MODE EXTRACTION - SANITAIRES en régime accéléré (FORT): 30 + 30 + 30 + 15 + 30 = 135 M3/H - CUISINE en régime accéléré (FORT): 135 = 135 M3/H 270 M3/H - TOTAL en régime réduit (DOUX): 270:2# 150 M3/H 3) DEFINITION DEBITS DES MAISONS M EN MODE EXTRACTION - SANITAIRES en régime accéléré (FORT): 30 + 30 + 15 = 75 M3/H - CUISINES en régime accéléré (FORT): 135 = 135 M3/H 210 M3/H TOTAL en régime réduit (DOUX) : 210:2" 110 M3/H 4) DEFINITION DES DEBITS ADDITIONNELS - DEBITS ADDITIONNELS AU CANAL C4/C4' (extraction cuisine / extraction sanitaire) C2 = 75 M3/H. C2' = 45 M3/H. C5 = 60 M3/H (collecteur canal 10). - DEBITS ADDITIONNELS AU CANAL C3 (soufflage pièces principales): C1 = 90 M3/H. C1' = 60 M3/H (collecteur recyclage RA). 5) DEFTNITTON DES DEBITS SOUFFLAGE (ENTRANTS) PAR RAPPORT AU DEBITS D'EXTRACTION (SORTANTS). Débit entrant: Débit sortant 1, 2 à 1, 4 en régimes DOUX et FORT 6) DEBITS NOMINAUX FONCTION ETAGEMENT VENTILATEURS (en M3/H) s I---- > 150 l Il - ---+300 III --300 i IV ---+ 400 NOTA: la balance ENTRANT I SORTANT concernant les débits de renouvellement d'air et d'alimentation de la batterie (7) sera établie grâce à cet étagement et aux débits d'air additionnels selon les clapets motorisés et régulateurs de calibrage incorporés dans les manchettes des collecteurs canaux 10 et RA de la façon suivante C2 = 75 M3/H, C2' = 45 M3/H, C5 = 60 M3/H (CANAL ADDITIONNEL 10) C1 = 90 M3IH, C1' = 60 M3/H (CANAL RECYCLAGE RA). ATTENTION: le plan de cuisson est impérativement équipé d'une hotte mécanique à rejet extérieur conjugué avec un clapet d'induction d'air extérieur à ouverture automatique pendant le fonctionnement de la hotte, afin d'éviter la pollution de la centrale par l'aspiration ponctuelle et très limitée dans le temps d'air chargé en graisses, en gaz ou nuisances corrosives. PLANCHE B BALANCE DEBITS ET DEBITS ADDITIONNELS SELON SAISONS 1) DEMI-SAISON (d'environ 17 C à 8 C) en M3/H G régime FORT, SORTANT :270+ D.A (C2+C5=135) = 400/IV BALANCE G régime FORT, ENTRANT : 400 - D.A (CI=90) = 310/IV 310 / 270 G régime DOUX, SORTANT:150 + D.A (C2'+C5=105) = 300/III BALANCE G régime DOUX, ENTRANT : 300 - D.A (C1'=90) = 210/III 210 / 150 M régime FORT, SORTANT 210 + D.A (C2'+C5=105) = 300/III BALANCE M régime FORT, ENTRANT : 300 - D.A (C1'=60) = 240/III 240 / 210 M régime DOUX, SORTANT:110 + D.A (C2=75) = 200/II BALANCE M régime DOUX, ENTRANT : 200 - D.A (C1'=60) = 140/II 140 / 110 2) HIVER TEMPERE (d'environ 7 C à 0 C) en M3/H G régime FORT, SORTANT 270 + D.A (C2'+C5=105) = 400/IV BALANCE G régime FORT, ENTRANT 400 - D.A (C1=90) = 310/1V 310 / 270 G régime DOUX, SORTANT:150 + D.A (C1'=60) = 200/II BALANCE G régime DOUX, ENTRANT : 200 - D.A (0) = 200/II 200 / 150 M régime FORT, SORTANT 210 + D.A (C2=75) = 300/III BALANCE M régime FORT, ENTRANT : 300 - D.A (C1'=60) = 240/III 240 / 210 M régime DOUX, SORTANT: 110 + D.A (C2'=45) = 150/I BALANCE M régime DOUX, ENTRANT : 150 + 0 = 150/I 150 / 110 3) HIVER RIGOUREUX (inférieur à -10C) en M3/H G régime FORT, SORTANT : 270 + 0 = 300/III BALANCE G régime FORT, ENTRANT : 300 - 0 = 300/III 300/300 G régime DOUX, SORTANT: 200 + 0 + résistance = 150/II BALANCE G régime DOUX, ENTRANT : 200 - 0 = 200/II 200 / 150 M régime FORT, SORTANT :210+0 + résistance = 200/III BALANCE M régime FORT, ENTRANT : 300 - D.A (C1'=60) = 240/III 240 / 210 M régime DOUX, SORTANT:l10 + 0+ résistance = 110/I BALANCE IM régime DOUX, ENTRANT : 150+0 =150/1 150/110 NOTA les bouches d'extraction et de soufflage étant équipées chacune de régulateur de calibrage de débit certains écarts légers entre débit nominal et débit pratique seront tout naturellement compensé. Cela permet aussi d'aligner les ventilateurs sur même étagement. 4) ETE RELATIF G ET M: Base VMC, compresseur arrêté et clapets additionnels fermés. ETE TEMPERE G ET M : Rotation d'air neuf (D mais G --- > IV / M ----- > II) PLEIN ETE G ET M: Compresseur + IV + C2, C2', C5, C1, C1' ouverts). - REVENDICATIONS 1 - Dispositif permettant d'améliorer le fonctionnement et d'optimiser les performances des centrales d'aération mécanique double flux thermodynamique intégrant un compresseur frigorifique caractérisé en ce qu'il comporte un collecteur additionnel d'air extérieur (10) dans lequel sont incorporées plusieurs manchettes (C2, C2', C5) comportant chacune un volet motorisé et un régulateur de calibrage de débit d'air débouchant dans l'espace d'extraction d'air (E4) en amont du condenseur (ou évaporateur) (7) et un canal de recyclage d'air ambiant (RA) équipé de plusieurs manchettes (C1, Ci') comportant chacune un volet motorisé et un régulateur de calibrage de débit d'air débouchant dans l'espace d'arrivée d'air neuf (E3) en amont de l'évaporateur (ou condenseur) (6). 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par l'asservissement automatique selon les régimes normalisés et réglementaires d'aération mécanique et les alternances climatiques déterminés, au moyen d'un bloc logiciel de gestion (11), des fonctions interactives suivantes: - Etagement du débit des ventilateurs de soufflage d'air extérieur (2) et d'extraction d'air vicié (4), - Ouverture corrélative aux alternances climatiques et aux régimes de renouvellement d'air normalisé et réglementaire des clapets motorisés des manchettes (C2, C2', C5) incorporées dans le collecteur additionnel d'air extérieur (10) et des clapets motorisés des manchettes (C1, C1') incorporées dans le canal de recyclage d'air ambiant (RA), - Modulation concomitante des cycles de fonctionnement du compresseur frigorifique (3). 3 - Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé par l'arrêt du compresseur frigorifique (3) en période climatique transitoire Hiver/Eté/Hiver selon la conjonction des données des capteurs S1, S2, S2' de sorte, qu'à partir d'un palier déterminé de la température extérieure et du palier réglementaire de la température ambiante, soit évité toute consommation énergétique superflue. 4 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par l'accessibilité intégrale et le caractère amovible par la facade démontable (12) du bloc frigorifique (3, 6, 7) selon les moyens de coulissage générés par les profilés P1/P2/P3/P4 et la glissière G1.