Brevet FR2825143A1 — publié le 20021129

La présente invention se rapporte à un système monobloc et à une installation de production alternative ou simultanée d'eau chaude ou d'eau glacée dans un local, par transfert thermique dans une installation de climatisation à eau. Dans les systèmes de climatisation à eau, le rafraîchissement du local qui en est équipé est assuré par une batterie froide alimentée en eau glacée, tandis que le chauffage est assuré par une batterie chaude alimentée par une circulation d'eau chaude ou par voie électrique. Ces systèmes de climatisation à eau peuvent être répertoriés en trois catégories, à savoir le système dit "deux tubes 1 deux fils", le système"deux tubes change-over", et le système dit"quatre tubes". Dans le système dit "deux tubes 1 deux fils", le rafraîchissement de l'atmosphère est assuré par une batterie froide alimentée en eau glacée. Le chauffage est quant à lui assuré par une batterie alimentée électriquement. Ce type de système permet de produire et d'alimenter en eau glacée une installation tout en lui fournissant, si nécessaire, du chauffage par l'intermédiaire d'une batterie électrique. Un tel système a pour avantage d'être d'un investissement réduit. Par ailleurs, son installation et son exploitation sont relativement simples. Il présente cependant un certain nombre d'inconvénients. Le premier de ceux-ci est que l'usage d'un chauffage électrique direct entraîne un coût d'exploitation élevé. Il nécessite un abonnement électrique annuel important pour une utilisation hivernale. Enfin, cela requiert d'avoir des installations électriques multiples. Dans le système dit à deux tubes change-over", une même batterie peut être alimentée en eau glacée ou en eau chaude. Cela permet de produire et d'alimenter des locaux en eau glacée lorsqu'on souhaite un mode rafraîchissement. Le même système permet également de produire de l'eau chaude pour une utilisation en mode chauffage. Dans ce système, on a également affaire à une installation simple. Le même ensemble de production et de distribution hydraulique assure en effet à la fois les fonctions de chauffage et de refroidissement, de sorte que son exploitation est relativement simple. Mais là encore, un tel système présente un certain nombre d'inconvénients. Le premier d'entre eux réside dans le manque de souplesse qui résulte de l'obligation du choix d'une production d'eau glacée ou d'eau chaude. Par ailleurs, il est impossible de refroidir et de chauffer simultanément des locaux présentant des charges thermiques différentes. De plus, la puissance de chauffage du refroidisseur de liquide en mode production d'eau chaude est souvent insuffisante. Il est alors nécessaire d'équiper les ventilo-convecteurs de batteries électriques complémentaires, lesquelles présentent les inconvénients précités liés au système"deux tubes/deux fils". Par ailleurs, on note un décalage entre les coûts d'exploitation théoriques et réels liés à l'inertie du système et à l'adjonction quasi systématique de deux fils comme appoint électrique. Enfin, on note une inertie importante du système liée au volume hydraulique de l'installation. Le système dit"à quatre tubes"nécessite de recourir à une première batterie alimentée en eau glacée et à une seconde batterie alimentée en eau chaude. Un tel système permet de produire et de distribuer de l'eau glacée pour l'alimentation de la batterie froide d'un ventilo-convecteur. Il permet également de produire et distribuer de l'eau chaude pour l'alimentation de la batterie chaude d'un autre ventilo-convecteur. Les avantages d'un tel système résident essentiellement dans la souplesse de l'ensemble ainsi constitué et de l'indépendance thermique des productions et distribution d'eau glacée/chaude induite par ce système. A nouveau, on se trouve confronté à un certain nombre d'inconvénients liés à l'utilisation de ce système à quatre tubes. En premier lieu, il nécessite un investissement pénalisant et important puisqu'il requiert un groupe de production d'eau glacée, un réseau de circulation d'eau glacée, une chaufferie et un réseau de circulation d'eau chaude. Par ailleurs, il requiert la consommation simultanée de deux énergies en cas de demandes différentes de locaux présentant des charges thermiques opposées. Il occasionne un foisonnement important pénalisant le rendement de l'ensemble de l'installation. Il nécessite par ailleurs l'exploitation de deux installations de production d'eau chaude et d'eau glacée. Enfin, il nécessite de disposer d'un local de chaufferie, avec les implications réglementaires qui lui sont liées. A la lecture de ce qui vient d'être exposé, on comprend que la problématique de ces systèmes connus est d'ordre économique et d'ordre usuel. En termes économiques, on comprend que le coût d'investissement de tels systèmes est pénalisé par l'obligation d'avoir recours à deux modes de production de refroidissement et de chauffage. Le coût d'exploitation est quant à lui pénalisé par la demande simultanée possible de refroidissement et de chauffage de locaux qui présentent des charges thermiques opposées. Dans le domaine de l'utilisation, la souplesse et le confort impliquent l'obligation d'avoir à disposition permanente, de n'importe quel point du bâtiment exploité, une puissance satisfaisante pour assurer le chauffage ou le rafraîchissement. Une fois cette problématique posée, le système idéal devra donc nécessiter un investissement limité, être d'une exploitation simple, rendre immédiatement disponible des puissances frigorifique et calorifique en cas de demandes simultanées, permettre la récupération de l'énergie liée au besoin frigorifique pour assurer les besoins calorifiques en cas de demandes simultanées, et enfin constituer une unité de production frigorifique et calorifique unique et autonome. Les systèmes précités ne permettent pas d'atteindre l'ensemble de ces objectifs car l'obstacle technique de la production de chauffage aux basses températures extérieures implique la mise en oeuvre d'une régulation frigorifique complexe, liée en grande partie aux inversions de cycles nécessaires au dégivrage des batteries extérieures. De manière inattendue, le présent demandeur s'est aperçu qu'avec des moyens simples, il était possible d'arriver aux objectifs précités. La présente invention vise donc à fournir un système monobloc de production alternative ou simultanée d'eau chaude et d'eau glacée par transfert thermique, qui se caractérise essentiellement par le fait qu'il comporte au moins deux unités frigorifiques identiques, chaque unité comprenant, - un circuit frigorifique dit principal, équipé d'un compresseur, d'un condenseur et d'un évaporateur à eau, ainsi qu'un détendeur, ces condenseur et évaporateur étant aptes à fournir, par circulation à contre-courant, respectivement de l'eau chaude et de l'eau glacée dans ledit local ; - un circuit frigorifique auxiliaire, branché en parallèle sur le circuit principal, équipé d'un condenseur et d'un évaporateur à air, ainsi que d'un détendeur ; - des moyens aptes à faire circuler un fluide caloporteur soit exclusivement dans le circuit principal, soit exclusivement dans le circuit auxiliaire, soit par le condenseur du circuit principal et l'évaporateur du circuit secondaire ou inversement, et que l'évaporateur à air d'une unité déterminée est disposé à proximité immédiate du condenseur à air d'une unité voisine, de telle sorte que le dégivrage dudit évoporateur est assuré par la circulation de fluide caloporteur dans le condenseur de l'unité voisine. Ce système permet en fait de contourner la difficulté technique du dégivrage par inversion de cycle des systèmes à deux tubes change-over , en couplant deux circuits frigorifiques indépendants avec alimentation de part et d'autre dans la batterie imbriquée du circuit voisin. L'inversion de cycle n'est donc plus nécessaire puisque le montage frigorifique lui-même l'évite par"croisement"à la construction. Ce même dégivrage peut être effectué, en cas de demande de la régulation, avec une production simultanée d'eau glacée. Par ailleurs, selon d'autres caractéristiques et avantages de ce système : - lesdits condenseur et évaporateur sont imbriqués l'un dans l'autre ; - les condenseur et évaporateur à air sont associés chacun à au moins un ventilateur. - lesdits moyens consistent d'une part en des vannes à trois voies reliant entre eux les circuits principal et auxiliaire et, d'autre part, en des moyens de pilotage automatiques, par exemple à automate programmable. Par ailleurs, l'invention concerne une installation de production alternative ou simultanée d'eau chaude et d'eau glacée par transfert thermique qui se caractérise essentiellement par le fait qu'elle comprend au moins deux systèmes conformes à l'une des caractéristiques précédemment citées. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation préférentiel. Cette description sera faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un schéma de principe d'un système conforme à l'invention ; - la figure 2 est un schéma analogue à celui de la figure 1, plus particulièrement destiné à illustrer la production d'eau glacée par condensation à air ; - la figure 3 est encore une vue du même système, avec lequel on se propose de produire de l'eau chaude à l'aide d'un cycle analogue à celui d'une pompe à chaleur air/eau ; - la figure 4 est toujours une vue du même système, destiné à fournir simultanément de l'eau chaude et de l'eau glacée ; - la figure 5 est une vue du même système dans lequel on se propose de dégivrer le condenseur de l'un des circuits. Dans l'ensemble de la description qui va suivre ainsi que dans les revendications, on entend par l'expression"production d'eau chaude"le fait de produire une eau présentant une température de l'ordre de 40 à 45 . Par l'expression "production d'eau glacée"on entend le fait de fournir une eau présentant une température de l'ordre de 7 à 12 . Pour faciliter la lecture des figures ci-jointes, le fluide caloporteur qui s'écoule à l'intérieur du système est représenté sous la forme de traits interrompus lorsqu'il est chaud, et sous la forme de traits mixtes lorsqu'il est froid. Lorsqu'on utilisera ci-après les termes aval/amont, avant/après, ou entrée/sortie, on se référera toujours au sens d'écoulement du fluide caloporteur qui est identifié dans les figures annexées par la flèche f. Un exemple de système de production alternative simultanée d'eau chaude et d'eau glacée dans un local par transfert thermique selon l'invention et notamment représenté à la figure 1. Le système selon l'invention comporte ici deux unités frigorifiques identiques identifiées Ua et Ub. Les éléments qui constituent chacune des unités sont identifiés par la même référence numérique et portent l'indice a quand ils appartiennent à l'unité Ua et l'indice b quand ils appartiennent à l'unité Ub. Nous allons décrire ci-après la structure de l'unité Ua. Pour ne pas alourdir inutilement le présent texte, cette description ne sera pas refaite pour l'unité Ub, dans la mesure où sa structure est complètement identique à celle de la première unité. L'unité Ua comporte un circuit frigorifique principal CP et un circuit frigorifique auxiliaire CA. Le circuit frigorifique principal est équipé d'un compresseur la connecté, comme il se doit, au réseau électrique, avec une sortie haute pression sur laquelle est branché un pressostat 10a et par lequel un fluide frigorigène de type connu est évacué sous haute pression et à l'état gazeux, via une conduite 90a. Cette conduite est connectée, par une vanne à trois voies 8, à une conduite 9la qui débouche dans un condenseur à eau 2a. Ce condenseur est équipé d'une conduite de circulation d'eau à contre courant qui permet d'obtenir, par transfert thermique, de l'eau chaude EC destinée à alimenter par exemple les radiateurs d'un bâtiment. A la sortie du condenseur est montée une vanne à clapet anti-retour CL. A la sortie de cette vanne est connectée une conduite 92a sur laquelle sont branchés, dans le sens d'écoulement du fluide, une vanne d'arrêt VA, une charge de charge VC, un filtre déshydrateur FD, un système de voyant de liquide VL, et une seconde vanne d'arrêt VA. L'extrémité aval de la conduite 92a est connectée à une deuxième vanne à trois voies 8, dont une sortie est reliée à un détendeur thermostatique 4a et à la sortie duquel est monté un évaporateur à eau 3a. Cet évaporateur est équipé d'un système de circulation d'eau à contre courant apte à générer, par échange thermique, de l'eau glacée EG, laquelle peut être utilisée pour rafraîchir un local par climatisation. La conduite de sortie de l'évaporateur est référencée 93a. Elle porte sensiblement à mi-distance, une vanne à clapet anti-retour CL. Enfin, la sortie de cette conduite 93a est reliée à l'entrée basse pression du compresseur la. A ce niveau est monté un pressostat lia. Le circuit frigorifique auxiliaire CA est branché en parallèle sur le circuit principal. En l'occurrence, sur la troisième voie de la vanne 8 qui équipe la conduite 90a est branchée une autre conduite 94a qui se prolonge par un condenseur à air Sa agencé à l'intérieur d'une enceinte appelée batterie Ba. A la sortie de ce condenseur est prévue une conduite de retour 95a qui est connectée sur la conduite 92a, juste après la sortie du condenseur 2a. A ce niveau, un clapet anti-retour CL est prévu. Par ailleurs, la deuxième vanne à trois voies 8 est pourvue d'une conduite 96a dont l'extrémité aval est équipée d'un détendeur thermostatique 4'a, lui-même relié à un évaporateur à air 6a. A la sortie de cet évaporateur est branchée une conduite de retour 97a reliée à la conduite 93a, en amont du pressostat à basse pression 1 la. A la batterie Ba est associé au moins un ventilateur 7a de préférence hélicoïde. Il est à noter que le condenseur 5a et l'évaporateur 6a de l'unité Ua ne sont pas montés au sein de la même batterie Ba. Au contraire, et conformément à l'invention, l'évaporateur à air 6a de l'unité Ua est disposé à proximité immédiate du condenseur à air 5b de l'unité voisine Ub. On comprendra, plus loin dans la description, l'intérêt d'un tel montage. Nous allons maintenant expliquer, en référence aux figures 2 à 5, plusieurs utilisations possibles du système selon l'invention. Par convention, et sur chaque figure, les éléments mécaniques à l'arrêt et les conduites non utilisées pour véhiculer activement le fluide caloporteur ne portent aucune référence. Bien entendu, la mise en route du système de l'invention, l'ouverture et la fermeture des vannes à trois voies, ainsi que, plus généralement, le fonctionnement de tous les éléments mécaniques, électriques et électroniques, est assuré automatiquement, par exemple via un automate programmable. Il est notamment capable de gérer le fonctionnement du système, y compris le cas échéant d'en détecter les pannes. Dans le cas de la figure 2, on se propose de fournir par exemple à un local, exclusivement de l'eau glacée destinée à être dirigée vers un système de conditionnement d'air, par exemple à ventilateur. Dans le cas présenté ici, les deux unités fonctionnent. Toutefois, dans le cadre d'un conditionnement d'air nécessitant moins d'énergie, on peut se permettre de piloter uniquement l'une ou l'autre des deux unités. A nouveau, on se contentera de décrire le fonctionnement de l'unité Ua. Le liquide caloporteur qui sort à haute pression et à température élevée du compresseur la, est dirigé, via la vanne à trois voies 8 et la conduite 94a, vers le condenseur à air 5a de la batterie Ba. Le ventilateur 7a étant en fonctionnement, il met en contact avec le condenseur de l'air extérieur à température plus fraîche et provoque ainsi la condensation du fluide à l'intérieur dudit condenseur. Les calories qui en sont extraites sont alors dégagées vers l'extérieur par le ventilateur. Le fluide condensé est alors acheminé via la conduite 95a et la conduite 92a vers le détendeur 4a. A la sortie de celui-ci, le fluide, dont la pression, et conjointement la température se sont abaissées, est envoyé dans l'évaporateur à eau 3a. La circulation d'eau à contre courant permet alors de recueillir de l'eau glacée EG qui est dirigée vers le système de climatisation (non représenté) du local. Dans l'exemple de la figure 3, on se propose de fournir au bâtiment exclusivement de l'eau chaude, par exemple en vue d'alimenter des radiateurs. Le fonctionnement du système s'apparente alors à celui d'une pompe à chaleur air/eau. Dans ce cas précis, le fluide caloporteur à haute pression qui sort du compresseur la est dirigé, via la vanne à trois voies 8, vers le condenseur à eau 2a, ce qui permet, par circulation d'eau à contre courant, de récupérer de l'eau chaude EC pour l'alimentation des radiateurs du local. Le fluide caloporteur qui est évacué du condenseur est alors dirigé via la deuxième vanne à trois voies 8 et la conduite 96a, jusqu'au détendeur 4'a qui équipe la batterie Bb de la deuxième unité. Le fluide à basse pression et refroidi est retourné vers le compresseur via la conduite 97a. Bien entendu, l'unité Ub du système fonctionne exactement de la même manière. Dans l'exemple de la figure 4, on se situe dans l'hypothèse où l'on souhaite simultanément alimenter un même bâtiment en eau chaude et en eau glacée. C'est par exemple la situation dans laquelle un immeuble orienté d'une part à l'est et d'autre par à l'ouest a besoin, à un même moment de la journée, d'être refroidi du côté est et chauffé du côté ouest. Là encore, on a considéré que les deux unités sont en service. Toutefois, en fonction de la puissance souhaitée, on peut se permettre de n'en faire fonctionner qu'une. Le fluide à haute pression qui sort du compresseur 1 a est dirigé via la conduite 90a et la vanne à trois voies 8 vers le condenseur à eau 2a, ce qui permet d'alimenter en eau chaude EC les radiateurs du bâtiment. Le fluide qui sort du condenseur est évacué via la conduite 92a et la seconde vanne à trois voies 8 vers le détendeur 4a. Il entre alors sous forme liquide et à basse température à l'intérieur du détendeur à eau 3a, ce qui permet de produire de l'eau glacée EG pour la climatisation du bâtiment. Le fluide froid à basse pression rejoint alors le compresseur la par la conduite de retour 93a. Chacun sait que lorsqu'on utilise un système frigorifique à la manière d'une pompe à chaleur air/eau, l'évaporateur à air qui est utilisé se recouvre progressivement de givre. Il est alors nécessaire de procéder périodiquement au dégivrage de cet appareil, sans quoi les performances du système dans sa globalité sont nettement diminuées. Selon l'art antérieur, on procède pour ce faire à ce que l'on appelle une inversion de cycle, de sorte que l'évaporateur devient alors condenseur et viceversa, ce qui permet de faire fondre rapidement la glace qui s'est formée à la surface extérieure de l'évaporateur. Comme mentionné plus haut, ceci génère de multiples inconvénients, notamment en terme de coût et de risque d'usure prématurée de l'installation. L'invention permet justement de pallier ces inconvénients dans la mesure où l'évaporateur à air d'une des deux unités est disposé à proximité immédiate du condenseur à air de l'unité voisine, de telle sorte que le dégivrage dudit évaporateur est assuré par la circulation de fluide caloporteur dans le condenseur de l'unité voisine. Lorsque le système est utilisé de la manière décrite à la figure 3, les deux évaporateurs 6a et 6b des deux unités voient leur surface extérieure se couvrir progressivement de givre. Il est alors nécessaire de prévoir leur dégivrage. La figure 5 permet de comprendre comment ce dégivrage a lieu. Sur cette figure, on considère que l'on souhaite dégivrer simplement l'évaporateur 6a de l'unité Ua. Pour ce faire, ladite unité Ua est par exemple complètement arrêtée. Dans une autre hypothèse, elle fonctionne, mais seulement en faisant usage des condenseur et évaporateur à eau. La deuxième unité Ub est mise en route de manière à faire circuler le liquide caloporteur sous pression, via la conduite 94b, vers le condenseur 5b. Du fait que ce condenseur est disposé à proximité de l'évaporateur à dégivrer, ceci suffit à le débarrasser totalement de son givre en quelques secondes. Dans un mode de réalisation particulier, le condenseur et l'évaporateur sont complètement imbriqués l'un dans l'autre de sorte que le contact des fluides chaud et froid est encore amélioré. Le fluide qui sort du condenseur 5b est alors retourné, via la conduite 95b et l'évaporateur 6b vers le compresseur 1 b. Le système selon l'invention permet donc de contourner la difficulté technique du dégivrage par inversion de cycle en couplant deux circuits frigorifiques indépendants avec alimentation de part et d'autre dans la batterie imbriquée du circuit voisin. L'inversion de cycle n'est donc plus nécessaire, puisque le montage frigorifique lui-même l'évite par croisement à la construction. Ce même dégivrage peut être effectué, en cas de demande de la régulation, avec une production simultanée d'eau glacée. Dans les exemples qui viennent d'être décrits, le système comporte seulement deux unités. Bien entendu, dans d'autres modes de réalisation, ce nombre pourrait être plus important, par exemple égal à trois ou quatre. Toutefois, dans une telle hypothèse et conformément à l'invention, l'évaporateur à air d'une unité déterminée est toujours disposé à proximité immédiate du condenseur à air d'une unité voisine. Si nécessaire, il peut être envisager de mettre en oeuvre une installation de production alternative ou simultanée d'eau chaude et d'eau glacée par transfert thermique, qui comprend au moins deux systèmes tels que celui décrit en référence aux figures annexées. REVENDICATIONS 1. Système monobloc de production alternative ou simultanée d'eau chaude et d'eau glacée dans un local par transfert thermique, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins deux unités frigorifiques identiques (Ua ; Ub), chaque unité comprenant, - un circuit frigorifique dit principal (CP) équipé d'un compresseur (1 a ; 1 b), d'un condenseur (2a ; 2b) et d'un évaporateur à eau (3a ; 3b), ainsi qu'un détendeur (4a ; 4b), ces condenseur et évaporateur étant aptes à fournir, par circulation à contre-courant, respectivement de l'eau chaude (EC) et de l'eau glacée (EG) dans ledit local ; - un circuit frigorifique auxiliaire (CA), branché en parallèle sur le circuit principal (CP), équipé d'un condenseur (Sa ; 5b) et d'un évaporateur à air (6a ; 6b), ainsi que d'un détendeur (4'a ; 4'b) ; - des moyens (8) aptes à faire circuler un fluide caloporteur soit exclusivement dans le circuit principal (CP), soit exclusivement dans le circuit auxiliaire (CA), soit par le condenseur (2a ; 2b) du circuit principal (CP) et l'évaporateur (6a ; 6b) du circuit auxiliaire (CA) ou inversement, et que l'évaporateur à air (6a ; 6b) d'une unité déterminée (Ua ; Ub) est disposé à proximité immédiate du condenseur à air (5a ; 5b) d'une unité voisine (Ub ; Ua), de telle sorte que le dégivrage dudit évaporateur est assuré par la circulation de fluide caloporteur dans le condenseur (5a ; Sb) de l'unité voisine. 2. Système selon la revendication l, caractérisé par le fait que lesdits évaporateur (6a ; 6b) et condenseur (5a ; Sb) sont imbriqués l'un dans l'autre. 3. Système selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que les condenseur (5a ; 5b) et évaporateur à air (6a ; 6b) sont associés chacun à au moins un ventilateur (7a ; 7b). 4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que lesdits moyens consistent d'une part en des vannes à trois voies (8) reliant entre eux les circuits principal (CP) et auxiliaire (CA) et, d'autre part, en des moyens de pilotage automatique, par exemple à automate programmable. 5. Installation de production alternative ou simultanée d'eau chaude et d'eau glacée par transfert thermique, caractérisée par le fait qu'elle comprend au moins deux systèmes conformes à l'une des revendications 1 à 4.