Brevet FR2889733A1 — publié le 20070216

SYSTEME DE POMPE A CHALEUR La présente invention concerne un système de pompe à chaleur, comprenant au moins un premier compresseur, un 5 condenseur, un détendeur et un évaporateur. La présente invention concerne également un procédé pour exploiter un tel système de pompe à chaleur. La diminution des émissions de CO2 associées au chauffage tant individuel que collectif mène aux développements de solutions techniques économes en énergie. Les analyses en coût total: coût initial de l'éq-aipement plus coût de fonctionnement dû à la consommation énergétique, amènent à modifier significativement le cahier des charges des équipements de chauffage. Dans le domaine des pompes à chaleur à installer, tant en individuel qu'en collectif, cela amène à éliminer l'appoint de chauffage par résistance électrique lorsque la température extérieure est typiquement inférieure à -7 C. Cette solution classique pour assister le système thermodynamique qu'est la Pompe à Chaleur (PAC), lorsque la température est basse, peut se justifier pour limiter la taille du système thermodynamique. Mais ceci entraîne de nombreuses conséquences négatives quant à l'obtention d'un Coefficient de Performance élevé. Pour apporter une solu:ion en particulier à ce problème, il est donc maintenant nécessaire de développer des pompes à chaleur à haute efficacité énergétique qui présentent un coefficient de performance saisonnier intégrant donc toutes les températures d'air extérieur, typiquement de -20 C à + 14 C, c'est-à-dire de la température de référence la plus froide à la température de non chauffage. Les systèmes thermodynamiques que sont les pompes à chaleur doivent être conçus pour l'ensemble des écarts de température entre la source froide, par exemple l'air d'environnement extérieur, et le puits chaud, c'est-àdire le système de chauffage de l'habitat, rencontrés au cours de la saison de chauffe. Le niveau de température de ce puits chaud varie souvent entre 50 et 75 C lorsque l'eau chaude circule dans un réseau de radiateurs. Ceci entraîne une condensation du fluide frigorigène dans le condenseur de la PAC à une température environ 5 C supérieure à celle du réseau, soit de 55 à 80 C. De même l'écart de température entre l'air et le frigorigène à l'évaporateur sera d'environ 5 C, soit des températures d'évaporation variables entre -25 C et +9 C, ce qui entraîne des fonctionnements totalement différents de la PAC entre les températures extrêmes des cycles, évaporation à -25 C et condensation à +80 C, d'une part, et évaporation à +9 C et condensation à +55 C, d'autre part. Pour obtenir un Coefficient de Performance élevé, il faut donc disposer d'un système de variation de la puissance de la PAC. Le coefficient de performance pour une pompe à chaleur s'écrit COP = Puissance calorifique fournie / Puissance électrique consommée. La puissance électrique est celle appelée par le (ou les) moteur(s) électrique(s) du compresseur ainsi que le(s) moteur(s) électrique(s) des ventilateurs du système. Plusieurs systèmes existent, dont la variation de vitesse du moteur électrique du compresseur. Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients des systèmes connus et de proposer une solution simple et économique répondant aux besoins précités. Suivant une première version de l'invention, le système de pompe à chaleur du type précité est caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième compresseur, et des moyens de liaison et des moyens de commande permettant le fonctionnement du système avec le premier compresseur seul, avec le deuxième compresseur seul, ou avec les deux compresseurs, le deuxième compresseur étant disposé en série en aval du premier compresseur. Suivant un premier mode de réalisation, ce système de pompe à chaleur comprend une première tubulure de sortie du premier compresseur, une deuxième tubulure d'entrée du deuxième compresseur, une troisième tubulure de sortie du deuxième compresseur s'étendant jusqu'à l'entrée du condenseur, une quatrième tubulure reliant la sortie du condenseur à l'entrée d'un premier détendeur disposé en amont de l'évaporateur, une cinquième tubulure reliant la sortie de l'évaporateur à l'entrée du premier compresseur, un premier bipasse du premier compresseur s'étendant de l'entrée du premier compresseur en direction de la deuxième tubulure, un deuxième bipasse du deuxième compresseur s'étendant de la troisième tubulure, en direction de la première tubulure et muni d'un clapet 2889733 4 anti-retour, au moins un organe de liaison adapté à relier, dans une première configuration, la première tubulure à la deuxième tubulure, et le premier bipasse au clapet anti-retour du second bipasse, et, dans une deuxième configuration, la première tubulure à la troisième tubulure et le premier bipasse à la deuxième tubulure. Suivant un mode de réalisation intéressant de l'invention, le système de pompe à chaleur comprend une vanne à quatre voies présentant une première entrée reliée à la première tubulure, une première sortie reliée à la deuxième tubulure, une deuxième entrée reliée au premier bipasse, une deuxième sortie reliée au clapet anti-retour prévu sur le deuxième bipasse, et un moyen mobile adapté à relier, dans une première configuration, la première entrée à la première sortie et la deuxième entrée à la deuxième sortie, et, dans une deuxième configuration, la première entrée à la deuxième sortie et la deuxième entrée à la première sortie. Suivant un mode de réalisation avantageux de l'invention, ce système de pompe à chaleur comporte des moyens pour prélever et détendre une petite proportion du fluide frigorigène sortant du condenseur, des moyens pour refroidir la proportion principale du fluide frigorigène par échange de chaleur entre la proportion principale du fluide frigorigène et la petite proportion prélevée après détente. Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, le système de pompe à chaleur comporte sur la quatrième tubulure un piquage alimentant un circuit de dérivation qui traverse un second détendeur, puis traverse un échangeur de chaleur également traversé par la quatrième tubulure puis est relié à la deuxième tubulure. Suivant une autre version de l'invention, le proc6dé pour exploiter un système de pompe à chaleur selon la première version de l'invention est caractérisé par les étapes suivantes: - dans une première configuration, on relie la sortie du premier compresseur à l'entrée du second compresseur, et on fait fonctionner le deuxième compresseur disposé en série en aval du premier compresseur, - dans une seconde configuration, on fait fonctionner le premier compresseur seul ou le second compresseur seul. Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, ce procédé est caractérisé en ce que l'on prélève une petite proportion du fluide frigorigène sortant du condenseur, on la détend, et on refroidit la proportion principale de fluide frigorigène par échange de chaleur avec ladite petite proportion de fluide frigorigène ainsi détendue que l'on recycle. Le système objet de l'invention utilise 2 compresseurs qui disposent de puissances de chauffage différentes et qui de plus peuvent fonctionner, soit en série selon un cycle bi-étagé, soit en mono-étagé, et alors l'un ou l'autre des compresseurs peut fonctionner selon le besoin en puissance de chauffage. 2889733 6 Pour obtenir une gestion simple de ce passage d'un système biétagé à un système mono-étagé, il est important de définir une architecture tant du circuit que des organes de contrôle simples pour des raisons de coûts et de facilité de maintenance. L'architecture du système permet d'utiliser une simple vanne à 4 voies et un clapet anti-retour pour passer d'un cycle de fonctionnement bi-étagé à un cycle de fonctionnement mono-étagé en fonction des besoins de chauffage du bâtiment. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs: - la figure 1 est un schéma représentant un mode de réalisation du système de pompe à chaleur selon la présente invention en fonctionnement selon un cycle biétagé - la figure 2 est un schéma semblable à la figure 1, le système fonctionnant selon un cycle mono-étagé avec le compresseur le plus puisant seul; - la figure 3 est un schéma semblable à la figure 2, le système fonctionnant selon un cycle mono-étagé avec le compresseur le moins puissant seul; - la figure 4 est un diagramme de MOLLIER représentant le fonctionnement du système selon le cycle 25 bi-étagé schématisé à la figure 1. Décrivons de manière détaillée les réalisations des figures 1, 2 et 3 qui se réfèrent, en tant qu'exemples, à des solutions de fonctionnement biétagé et mono-étagé de la pompe à chaleur selon le niveau de la température extérieure. La description qui suit vise entre autres à montrer le rôle essentiel que joue la vanne à quatre voies 3 ainsi que le clapet anti-retour 4 dans la simplicité du circuit et de la régulation. Cette vanne évite l'utilisation de trois électrovannes qui sont sinon nécessaires à la gestion adéquate des trois variantes de fonctionnement. Lorsque la température extérieure est basse, typiquement de l'ordre de 20 Cà 0 C, il est nécessaire de faire fonctionner la pompe à chaleur en mode bi-étagé pour obtenir à la fois la puissance nécessaire de chauffage au condenseur 10 et un coefficient de performance élevé. La figure 1 montre le système en fonctionnement biétagé. Le compresseur basse pression 1 aspire le fluide frigorigène qui s'est évaporé dans l'évaporateur 9 récupérant ainsi la chaleur généralement de l'air extérieur. La source froide peut être éventuellement le sol ou l'eau. Généralement, il est préférable d'utiliser l'air extérieur. Le compresseur 1 comprime le fluide frigorigène, par exemple un mélange de HFC comme le R-407C, à la moyenne pression du système qui est fixée par le compresseur haute pression 2. Cette pression intermédiaire est fixée par le rapport des volumes balayés des compresseurs 1 et 2. La vanne à quatre voies 3 met: alors en rapport l'entrée 31 de cette vanne avec sa sortie 34. La tubulure de refoulement basse pression 5 est alors en liaison directe avec la tubulure d'aspiration 6 du compresseur 2. Le clapet anti-retour 4 empêche le fluide frigorigène haute pression sortant du compresseur 2 par la tuyauterie 21 de repasser à la basse pression du système par les tubulures 8 et 7. Dans le condenseur 10, l'eau du circuit de chauffage de l'habitat ici à chauffer est réchauffée par le fluide frigorigène qui y cède de la chaleur. L'eau entre dans le condenseur 10 après refroidissement dans le système de chauffage (radiateurs, connecteurs...) par la tuyauterie 19 et sort, à une température supérieure typiquement de 4 à 5 C, par la tuyauterie 20. Le piquage 17 sur la tuyauterie haute pression 18 de sortie du conde=nseur permet de prélever un certain débit d3 de fluide qui est évaporé dans l'échangeur de sous-refroidissement 11, après détente par le détendeur 12, ceci afin de sous-refroidir le débit d2. Le débit d2 est égal à dl - d3. Le débit dl est alors le débit total comprimé par le compresseur 2 et condensé dans le condenseur 10. Le débit d3 est beaucoup plus faible que d2. Le rapport des débits (exprimés en m3) est fixé par la relation suivante: d3 (h13 - h17) = d2 (h17 - h25) dans laquelle h13, h17 et h25 sont les enthalpies respectives du fluide frigorigène au point 13 situé sur le circuit de dérivation 26, à la sortie de l'échangeur 11, au point 17 situé sur la quatrième tubulure 18, à l'endroit du départ du circuit de dérivation 26, avant l'entrée dans l'échangeur 11, au point 25 situé sur la quatrième tubulure 18 à la sortie de l'échangeur il. Le point 25 est le point de sortie du débit d2 de l'échangeur de sousrefroidissement 11. Les enthalpies aux points respectifs 13, 17 et 25 sont représentées à la figure 4 sur un diagramme dit de Mollier, pression enthalpie, où est représenté le cycle bi-étagé correspondant au fonctionnement présenté la figure 1. Les longueurs respectives des segments montrent que le débit d2 est ici environ 8 fois plus grand que d3. Ce sous-refroidissement poussé permet d'obtenir un coefficient de performance beaucoup plus élevé avec un système bi-étagé que celui qui pourrait être atteint avec un système mono-étagé. Le piquage 16 de la tuyauterie 26 sur la tubulure 6 permet au compresseur haute pression 2 d'aspirer aussi le débit d3 évaporé dans l'échangeur de sous-refroidissement 11. Le débit d2 est alors amené par la tuyauterie 14 à 15 l'évaporateur 9, le fluide frigorigène étant détendu dans le détendeur 15. Lorsque les conditions climatiques sont plus clémentes, typiquement pour une température extérieure supérieure à 0 C, il est alors beaucoup plus efficace de faire fonctionner la pompe à chaleur en mode mono-étagé. La vanne à quatre voies 3, selon sa position, permet alors soit au premier compresseur 1 de fonctionner seul, soit au deuxième compresseur 2 de fonctionner seul. Le fonctionnement de l'un ou l'autre des compresseurs dépend de la puissance calorifique nécessaire, puisque le premier compresseur 1 est d'un volume balayé supérieur au compresseur 2 et donc d'une puissance supérieure, compte tenu de leur dimensionnement pour le fonctionnement biétagê. La figure 2 présente le fonctionnement avec le premier compresseur 1 en fonctionnement et le deuxième compresseur 2 à l'arrêt. Dans ce cas, l'entrée 31 de la vanne à quatre voies 3 est en liaison avec la sortie 32, mettant alors en liaison directement la canalisation de refoulement 5 du premier compresseur 1 avec la canalisation 8 qui bipasse le deuxième compresseur 2 et rejoint la canalisation 21 avant l'entrée au condenseur 10 via le piquage 22. D'autre part, dans ce cas, il n'y a pas de prélèvement de débit pour le sous-refroidissement puisque le deuxième compresseur 2 est à l'arrêt. Le débit total dl passe à travers l'échangeur 11 sans qu'il y ait de sousrefroidissement. La figure 3 montre le fonctionnement du deuxième compresseur 2 seul, le premier compresseur 1 étant à l'arrêt. Le deuxième compresseur 2 aspire le fluide frigorigène qui s'est évaporé dans l'évaporateur 9 via la tuyauterie 7 et le piquage 23 de la tuyauterie 24 de sortie de l'évaporateur 9. La vanne à quatre voies 3 met alors en communication cette tuyauterie 7 avec la tuyauterie d'aspiration 6 du deuxième compresseur 2 via la deuxième entrée 33 et la première sortie 34 de cette vanne à quatre voies 3. Le reste de la circulation du fluide frigorigène se fait à l'identique. Là encore l'échangeur de sous-refroidissement 11 n'est pas en fonctionnement. Il est donc traversé par le débit total dl. La vanne à quatre voies 3 est commandée 30 électriquement, pour déplacer un piston intérieur, mettant ainsi en communication la première entrée 31 soit avec la première sortie 34, soit avec la deuxième sortie 32. Dans ce dernier cas, la vanne à quatre voies 3 met en communication la deuxième entrée 33 avec la première sortie 34. Cette seule vanne à quatre voies 3 associée au clapet anti-retour 4 permet alors de développer une régulation simple en fonction de la température extérieure de l'environnement. Le régulateur 40 reçoit par la voie d'entrée 41 un signal électrique correspondant à la valeur analogique de la température extérieure mesurée par exemple par une sonde, schématisée en 46 (telle qu'une résistance platine). Lorsque cette température extérieure est inférieure à une température seuil Tl, par exemple 0 C, la vanne à quatre voies 3 est dans la position 1 du tableau A ci-dessous correspondant au fonctionnement présenté figure 1 où la tubulure 5 est en communication avec la tubulure 6, via la première entrée 31 et la première sortie 34 de la vanne à quatre voies. Le régulateur 40 envoie alors un signal électrique par la voie 42 pour mettre la vanne à quatre voies 3 en position 1. Le régulateur a aussi mis en fonctionnement les compresseurs 1 et 2 via les voies 44 et 45 du régulateur 40. D'autre part, la puissance calorifique de la pompe à chaleur est fixée par deux seuils, bas et haut, de la température d'entrée d'eau au condenseur. Cette température T eau est mesurée sur la tuyauterie 19 par une sonde, schématisée en 47, et sa valeur est reçue de manière analogique par le régulateur 40, via la voie 43. Lorsque la température T eau mesurée sur la tuyauterie 19 est supérieure au seuil haut de régulation, ce qui indique la satisfaction des besoins de chauffage, l'un au moins des compresseurs 1 et 2 arrêté. Lorsque la température de l'eau, toujours mesurée par la sonde 47 sur la tuyauterie 19, devient inférieure au seuil d'enclenchement, alors le régulateur 40 met en fonctionnement soit les compresseurs 1 et 2 ensemble en fonctionnement bi-étagé, soit l'un des compresseurs 1, 2, ceci en fonction de la température extérieure, comme indiqué ci-après dans le tableau A. Lorsque la température extérieure T ext est supérieure à la température seuil Tl mais inférieure à la température seuil T2, égale par exemple à 5 C, alors le régulateur 40 envoie, via la voie 42, la consigne position 2 à la vanne à quatre voies 3, telle que définie dans le tableau ci-dessous. Le régulateur 40 commande parallèlement le fonctionnement du premier compresseur 1 seul, comme présenté figure 2. La première entrée 31 est alors mise en communication avec la deuxième sortie 32. Lorsque la température extérieure T ext est supérieure au seuil T2, le régulateur 40 envoie, via la voie 42, la consigne de la même position 2 à la vanne à quatre voies 3, tel que cela est à nouveau défini dans le tableau ci-dessous. Parallèlement, le régulateur 40 commande le fonctionnement du deuxième compresseur 2 seul, comme représenté figure 3. La deuxième entrée 33 est donc mise en communication avec la première sortie 34. Dans les figures 2 et 3, la vanne à quatre voies 3 30 est dans sa position 2 inchangée, et c'est le compresseur 2889733 13 en fonctionnement, 1 ou 2, qui fait circuler le fluide frigorigène comme indiqué à la figure 2 ou 3 correspondante. Enfin lorsque la température extérieure T ext est 5 supérieure à la température seuil de non chauffage, T3, le système est arrêté. Tableau A T ext T ext En particulier, la vanne à quatre voies 3 bien connue dans le domaine de la climatisation apporte une solution très simple pour le passage de l'un à l'autre des modes de fonctionnement des figures 1 à 3. La vanne à quatre voies 3 pourrait être remplacée par des moyens équivalents remplissant les mêmes fonctions. Le second détendeur 12 peut être de façon classique un tube capillaire. Dans ce cas, il faut prévoir sur le circuit de dérivation 26 une électrovanne, schématisée en 27 aux figures 1 à 3, pour fermer le circuit 26, notamment dans le mode de fonctionnement schématisé à la figure 3. notamment dans le mode de fonctionnement schématisé à la figure 3. Le tube capillaire pourrait être remplacé par un autre type de détendeur. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, et on peut apporter à ces modes de réalisation de nombreux changements et modifications sans sortir du domaine de l'invention. 2889733 REVENDICATIONS 1 Système (50) de pompe à chaleur, comprenant au moins un premier compresseur (1), un condenseur (10), un détendeur (15) et un évaporateur (9),caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième compresseur (2), et des moyens de liaison et des moyens de commande permettant le fonctionnement du système avec le premier compresseur (1) seul, avec le deuxième compresseur (2) seul, ou avec les deux compresseurs, le deuxième compresseur (2)étant disposé en série en aval du premier compresseur (1). 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une première tubulure (5) de sortie du premier compresseur (1), une deuxième tubulure (6) d'entrée du deuxième compresseur (2), une troisième tubulure (21) de sortie du deuxième compresseur (2) s'étendant jusqu'à l'entrée du condenseur (10), une quatrième tubulure (18, 14) reliant la sortie du condenseur (10) à l'entrée d'un premier détendeur (15) disposé en amont de l'évaporateur (9), une cinquième tubulure (24) reliant la sortie de l'évaporateur (9) à l'entrée du premier compresseur (1), un premier bipasse (7) du premier compresseur (1) s'étendant de l'entrée du premier compresseur (1) en direction de la deuxième tubulure (6), un deuxième bipasse (8) du deuxième compresseur (2) s'étendant de la troisième tubulure (21), en direction de la première tubulure (5) et muni d'un clapet anti-retour (4), un organe de liaison (3) adapté à relier, dans une première configuration, la première tubulure (5) à la deuxième tubulure (6), et le premier bipasse (7) au clapet anti-retour (4) du second bipasse (8), et, dans une deuxième configuration, la première tubulure (5) à la troisième tubulure (21) et le premier bipasse (7) à la deuxième tubulure (6). 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une vanne à quatre voies (3) présentant une première entrée (31) reliée à la première tubulure (5), une première sortie (34) reliée à la deuxième tubulure (6), une deuxième entrée (33) reliée au premier bipasse (7), une deuxième sortie (32) reliée au clapet anti-retour (4) prévu sur le deuxième bipasse (8), et un moyen mobile (35) adapté à relier, dans une première configuration, la première entrée (31) à la première sortie (34) et la deuxième entrée (33) à la deuxième sortie (32), et, dans une deuxième configuration, la première entrée (31) à la deuxième sortie (32) et la deuxième entrée (33) à la première sortie (34). 4. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour prélever et détendre une petite proportion du fluide frigorigène sortant du condenseur (10), et des moyens (11) pour refroidir la proportion principale du fluide frigorigène par échange de chaleur entre la proportion principale du fluide frigorigène et la petite portion prélevée après détente. 5. Système selon la revendication 4 et la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte sur la quatrième tubulure (18) un piquage (17) alimentant un circuit de dérivation (26) qui traverse un second détendeur (12), puis traverse un échangeur de chaleur (11) également traversé par la quatrième tubulure (18), puis est relié à la deuxième tubulure (6). 6. Procédé pour exploiter un système de pompe à chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par les étapes suivantes: - dans une première configuration, on relie la sortie du premier compresseur (1) à l'entrée du second compresseur (2), et on fait fonctionner le deuxième compresseur (2) disposé en série en aval du premier compresseur (1) en même temps que ce dernier. - dans une seconde configuration, on fait fonctionner le premier compresseur (1) seul ou le second compresseur (2) seul. 7. Procédé selon la revendication 6 pour exploiter un système de pompe à chaleur selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que l'on prélève une petite proportion du fluide frigorigène sortant du condenseur (10), on la détend, et on refroidit la proportion principale de fluide frigorigène par échange de chaleur avec ladite petite proportion de fluide frigorigène ainsi détendue que l'on recycle.