Brevet FR2926628A1 — publié le 20090724

La présente invention se situe dans le domaine du chauffage et/ou de la climatisation de locaux, notamment des locaux tertiaires ou industriels. L'invention concerne plus précisément une unité de chauffage et/ou de climatisation qui permet également l'introduction non permanente et maitrisée d'importants volumes d'air neuf à l'intérieur du local à traiter, ainsi que l'extraction d'une partie de l'air vicié de ce local. A ce titre, l'unité conforme à l'invention se prête particulièrement au chauffage et à la climatisation de locaux tertiaires, tels que des salles de loisirs ou de spectacle, des bureaux nécessitant la régulation de l'air neuf, ou des commerces et des galeries commerciales de grand volume et des locaux industriels, tels que des locaux dans lesquels il est nécessaire de réguler la qualité de l'air neuf pour les opérateurs qui y travaillent ou des locaux dans lesquels sont mis en oeuvre des procédés nécessitant un traitement thermique et qualitatif de l'air neuf. L'invention concerne également un local équipé d'une telle unité. On connaît déjà dans l'état de la technique une unité de chauffage qui comprend une pompe à chaleur air/air, dont l'évaporateur est situé à l'extérieur du local, et une enceinte à l'intérieur de laquelle peuvent être introduit au choix de l'air vicié repris du local ou de l'air neuf provenant de l'extérieur. L'air introduit dans cette enceinte est ensuite réchauffé, par transfert thermique, au contact du condenseur de la pompe à chaleur, puis soufflé à l'intérieur du local pour assurer le chauffage de celui-ci. Une telle installation a pour principal inconvénient de ne pas permettre l'extraction de l'air vicié du local, cette extraction ne s'effectuant que par les portes de celui-ci ou d'éventuelles fuites. Il existe de plus un risque de surpression si le local est étanche. On connait également une unité de chauffage proche de la précédente mais qui comprend en outre des moyens d'extraction d'air hors du local. Si une telle unité permet théoriquement de répondre au problème de l'extraction d'air du local, elle est très énergivore puisque l'air vicié rejeté à l'extérieur du local est chaud, tandis que l'air neuf introduit est à la température extérieure qui est généralement basse en hiver. En pratique, afin de maintenir le local a pression constante et de ne pas gaspiller trop d'énergie, seule une très faible quantité d'air vicié est rejetée vers l'extérieur pour ne pas devoir introduire une trop grande quantité d'air froid provenant de l'extérieur. On connait enfin une unité de chauffage comprenant une pompe à chaleur air/air, des moyens de recyclage de l'air vicié du local, d'extraction d'air hors du local et d'apport d'air neuf. Avec cette unité de chauffage, les calories issues d'une fraction de l'air vicié repris du local et d'une fraction de l'air neuf sont transférées au circuit de fluide caloporteur de la pompe à chaleur, via l'évaporateur, tandis que le reste de l'air neuf et de l'air vicié est réchauffé au contact du condenseur de la pompe à chaleur, avant d'être introduit dans le local à chauffer. Si une telle unité de chauffage permet l'extraction d'air et l'apport d'air neuf, l'évaporateur doit être périodiquement dégivré, de sorte que l'efficacité globale de l'unité est pénalisée. L'invention a pour but de résoudre les inconvénients précités de l'état de la technique et de fournir une unité de chauffage et/ou climatisation d'un local qui permette de renouveler l'air du local, d'en recycler tout ou partie, et ce, en diminuant fortement le coût énergétique de fonctionnement d'une telle unité. A cet effet, l'invention concerne une unité de chauffage et/ou de climatisation d'un local. Conformément à l'invention : - un caloduc dont l'une des extrémités, dite "première extrémité", est située à proximité des moyens d'extraction de l'air vicié du local et dont l'autre extrémité, dite "seconde extrémité", est située à proximité des moyens d'introduction d'air neuf dans ce local, de façon à effectuer un échange par transfert thermique d'une part entre l'air vicié et le fluide caloporteur circulant dans ce caloduc et d'autre part entre ce même fluide caloporteur et l'air neuf, - des moyens de recyclage et de mélange d'au moins une partie de l'air vicié extrait du local avec l'air neuf ayant subi l'échange thermique avec le caloduc, - une pompe à chaleur air/air dont l'un des échangeurs thermiques, 30 dit "premier échangeur" permet de modifier la température de l'air issu desdits moyens de recyclage et de mélange, - et des moyens d'introduction à l'intérieur dudit local, de l'air dont la température a été modifiée par ledit premier échangeur thermique. Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de 35 l'invention, prises seules ou en combinaison : - le second échangeur thermique de ladite pompe à chaleur est disposé à l'extérieur, à proximité d'un ventilateur extérieur, de sorte qu'un échange thermique s'effectue entre le fluide caloporteur circulant dans ladite pompe à chaleur et l'air ambiant brassé par ledit ventilateur ; - l'unité comprend un caisson à l'intérieur duquel sont ménagées au moins deux enceintes dites respectivement "d'extraction d'air" et "d'apport d'air neuf', les moyens d'extraction de l'air vicié du local débouchent dans l'enceinte d'extraction d'air, cette enceinte d'extraction d'air étant munie d'un orifice d'extraction d'air à ouverture à section variable et l'enceinte d'apport d'air neuf étant munie d'un orifice d'introduction d'air neuf à ouverture à section variable, un orifice dit "de recyclage" à ouverture à section variable étant ménagé dans la paroi séparant ladite enceinte d'extraction d'air de ladite enceinte d'apport d'air neuf, ledit caloduc étant positionné dans ladite unité de façon que sa première extrémité soit située à l'intérieur de l'enceinte d'extraction d'air et sa seconde extrémité soit située à l'intérieur de l'enceinte d'apport d'air neuf, à proximité dudit orifice d'introduction d'air neuf ; - ledit caisson comprend également une troisième enceinte, dite de "modification de la température de l'air", le premier échangeur thermique de la pompe à chaleur étant disposé entre l'enceinte d'apport d'air neuf et cette troisième enceinte et ladite unité comprend des moyens pour faire circuler l'air présent dans l'enceinte d'apport d'air neuf au travers dudit premier échangeur, en direction ladite enceinte de modification de la température, de façon à modifier la température de cet air par échange thermique ; - les moyens d'extraction de l'air vicié et/ou les moyens 25 d'introduction d'air dans le local sont un ventilateur à débit variable ; - la pompe à chaleur comprend un compresseur à variateur de puissance ; - les moyens permettant de faire circuler l'air au travers dudit premier échangeur sont les moyens d'extraction de l'air vicié; 30 - le fonctionnement de la pompe à chaleur, des moyens d'extraction de l'air vicié, des moyens d'introduction d'air dans le local, des moyens d'introduction d'air neuf et des moyens de recyclage est assuré par des moyens de pilotage automatique, tel qu'un automate programmable ; - la première extrémité du caloduc est un évaporateur et la seconde 35 extrémité un condenseur et le premier échangeur thermique de la pompe à chaleur est un condenseur ; - la première extrémité du caloduc es un condenseur et la seconde extrémité un évaporateur, et en ce que le premier échangeur thermique de la pompe de chaleur est un évaporateur ; - ledit caloduc et ladite pompe à chaleur sont réversibles. L'invention concerne également un local équipé d'une telle unité. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront de la description qui va maintenant en être faite, en référence au dessin annexé, qui en représente, à titre indicatif mais non limitatif, un mode de réalisation possible. La figure 1 est un schéma de principe de l'unité de chauffage et/ou de climatisation conforme à l'invention. En se reportant à cette figure, on peut voir que cette unité est destinée à chauffer ou climatiser un local 1, représenté de façon partielle. L'unité comprend un caisson 2, à l'intérieur duquel sont disposés un caloduc 3 et une pompe à chaleur air/air 4. De préférence, le caisson 2 est monobloc et réalisé dans un matériau anticorrosion et recyclable, par exemple en aluminium. Il est disposé hors du local à traiter, par exemple sur le toit. Le caisson 2 comprend des parois intérieures qui délimitent au moins trois enceintes, à savoir une enceinte 21 dite "d'extraction d'air", une enceinte 22 dite "d'apport d'air neuf' et une enceinte 23 dite de "modification de la température de l'air". L'enceinte d'extraction d'air 21 comprend des moyens 211 d'extraction de l'air vicié du local 1. Il s'agit de préférence d'un ventilateur 211 qui permet d'aspirer l'air vicié et de l'introduire dans l'enceinte 21. De préférence également, ce ventilateur est à débit variable, de façon à pouvoir réguler le débit d'air aspiré et donc la pression régnant à l'intérieur du local 1. Un ou plusieurs filtres, non représentés sur la figure, peuvent également être montés en amont du ventilateur 211, s'il est nécessaire de filtrer l'air vicié du local 1. L'enceinte 21 est également munie d'un orifice 212 de rejet de l'air vicié débouchant à l'extérieur du caisson 2 et du local 1 et d'un orifice de recyclage 213 débouchant dans l'enceinte 22. L'enceinte d'apport d'air neuf 22 est munie d'un orifice 221 d'introduction d'air neuf débouchant à l'extérieur du caisson 2 et du local 1. Les trois orifices 211, 212 et 213 sont chacun équipés de moyens d'ouverture sélectifs et à section variable. Il s'agit par exemple d'un registre à un ou plusieurs volets mobiles dont l'ouverture et la fermeture peuvent être commandées de façon sélective et quantifiée. En d'autres termes, chaque orifice 211, 212 et 213 peut être ouvert ou fermé et la dimension de l'ouverture peut être adaptée pour laisser passer un flux 5 d'air plus ou moins important. Cette régulation peut être effectuée par exemple à l'aide d'un automate programmable. Pour mémoire, on rappellera ci-après la structure et le principe de fonctionnement d'un caloduc. 10 Un caloduc est une enceinte hermétiquement close contenant un fluide caloporteur en équilibre entre sa phase liquide et sa phase vapeur. Le choix du fluide caloporteur dépend des températures d'utilisation prévues du caloduc. Sous l'effet d'une source de chaleur appliquée à l'une des extrémités du caloduc qui joue le rôle d'évaporateur, le fluide caloporteur se vaporise et la 15 vapeur ainsi formée se déplace vers l'autre extrémité du caloduc qui joue le rôle de condenseur. Cette autre extrémité est placée au contact d'une source froide, de sorte que lorsque le fluide caloporteur vaporisé y parvient, il condense et repasse en phase liquide. Le liquide condensé revient vers l'évaporateur soit par gravité dans le cas d'un caloduc vertical, soit par un réseau de capillaires dans le cas d'un caloduc 20 horizontal. De plus, un caloduc peut être soit simple, soit réversible. Dans le premier cas, l'une de ses extrémités est toujours le condenseur et l'autre l'évaporateur, dans le second cas, chaque extrémité peut être alternativement condenseur ou évaporateur. 25 Un caloduc réversible est par exemple un caloduc à capillaires ou un caloduc fonctionnant par gravité et équipé d'un vérin qui permet de faire varier son orientation dans l'espace. Le caloduc 3, qui est de préférence réversible, est disposé entre les deux enceintes 21 et 22, de façon que l'une de ses extrémités référencée 31, dite 30 "première extrémité", soit située dans l'enceinte d'extraction d'air 21 et que son autre extrémité référencée 32, dite "seconde extrémité" soit située dans l'enceinte d'apport d'air neuf 22. Plus précisément, le caloduc 3 est disposé de façon que sa première extrémité 31 soit située à proximité du ventilateur 211, pour permettre un échange 35 thermique par transfert de chaleur entre l'air vicié et le fluide caloporteur du caloduc 3 et que sa seconde extrémité 32 soit située à proximité de l'orifice 221 d'introduction d'air neuf, pour permettre également un échange thermique par transfert de chaleur entre l'air neuf, et le fluide caloporteur du caloduc 3. Le caloduc présente l'avantage de nécessiter très peu de maintenance et de fonctionner de manière autonome. De façon connue en soi et qui ne sera pas décrite en détails, la pompe à chaleur 4 comprend un circuit 40 de circulation d'un fluide caloporteur, un compresseur 41, un détendeur 42 et deux échangeurs de chaleur 43 et 44 qui, selon le mode de fonctionnement de la pompe à chaleur, fonctionnent l'un comme un condenseur à air et l'autre comme un évaporateur à air. De préférence, cette pompe à chaleur 4 est réversible. Le premier échangeur de chaleur 43 est disposé dans l'enceinte 23 et le second échangeur 44 dans un carter situé à l'extérieur et équipé d'un ventilateur 45. Lorsque le ventilateur 45 est en marche, il met en contact l'air extérieur avec l'échangeur de chaleur 44. Selon une variante de réalisation, le compresseur 41 peut être équipé d'un variateur de puissance, afin de réguler plus finement le fonctionnement de la pompe à chaleur 4 et donc la température de l'air qui traverse l'échangeur de chaleur 43. On pourra se reporter au brevet FR 2 807 823 de la demanderesse qui 20 décrit un tel compresseur. Enfin, l'unité de chauffage et/ou de climatisation comprend des moyens 5 d'introduction, à l'intérieur du local 1, de l'air dont la température a été modifiée après passage sur l'échangeur de chaleur 43. Ces moyens 5 sont par exemple un ventilateur, de préférence à débit 25 variable, pour pouvoir réguler le débit d'air introduit dans le local 1 et donc la pression dans celui-ci. La mise en marche de l'unité conforme à l'invention, la régulation du fonctionnement des moyens 211 et 5 et de la pompe à chaleur 4, ainsi que l'ouverture et la fermeture des registres des orifices 212, 213 et 221 et le réglage de 30 la mesure dans laquelle ils sont ouverts sont assurés automatiquement, par exemple à l'aide d'un automate programmable, connecté au réseau électrique. Cet automate programmable assure cette régulation en fonction d'une loi de régulation préétablie et/ou d'informations recueillies par différents capteurs, tels que par exemple des capteurs de la température et/ou de la pression régnant à 35 l'intérieur du local 1, un capteur de température extérieure et une sonde mesurant la qualité de l'air dans le local 1. 10 15 Cet automate programmable est également capable de détecter le cas échéant les pannes de fonctionnement. L'unité de chauffage et/ou climatisation peut ainsi fonctionner de manière autonome. Il est possible de faire varier l'apport d'air neuf entre 0% et 100 %. Dans le cas où l'apport d'air neuf est de 0%, les registres des orifices 221 et 212 sont fermés et celui de l'orifice 213 ouvert, l'air vicié est intégralement recyclé. Dans le cas où l'apport d'air neuf est de 100%, les registres des 10 orifices 221 et 212 sont ouverts et celui de l'orifice 213 fermé, l'air vicié est intégralement évacué à l'extérieur. Enfin, dans toutes les autres situations intermédiaires, les registres des orifices 212, 221 et 213 sont ouverts dans des proportions variables et une partie de l'air vicié recyclé est mélangée à de l'air neuf dans l'enceinte 22. 15 Le fonctionnement de l'unité conforme à l'invention va maintenant être décrit. Dans un premier temps, nous décrirons le fonctionnement en mode chauffage du local 1. Dans ce cas, le caloduc 3 et la pompe à chaleur 4 réversibles sont 20 actionnés de façon que l'extrémité 31 et le second échangeur 44 fonctionnent comme des évaporateurs et l'extrémité 32 et le premier échangeur 43 comme des condenseurs. Lorsque l'on souhaite renouveler l'air vicié du local 1, on met en marche le ventilateur 211. L'air vicié introduit dans l'enceinte 21 vient au contact de 25 l'évaporateur 31 du caloduc 3 et les calories contenues dans cet air sont transférées par échange thermique au fluide du caloduc 3, avant que l'air vicié ne soit évacué à l'extérieur. Par ailleurs, l'air neuf provenant de l'extérieur et à température plus basse que celle du local, se réchauffe par échange thermique au contact du 30 condenseur 32 du caloduc 3. Cet air neuf préchauffé, éventuellement mélangé avec une partie de l'air vicié recyclé, est ensuite propulsé au travers du condenseur 43. Le cycle de fonctionnement de la pompe à chaleur 4 est le suivant. Dans la pompe à chaleur 4, le fluide caloporteur à haute pression et à 35 température élevée sort du compresseur 41 pour être dirigé vers le condenseur 43. L'air qui traverse ce condenseur 43 est réchauffé par échange thermique. Ensuite, il est renvoyé dans le local 1 par le ventilateur 5. Le fluide caloporteur à l'état liquide, à haute pression et dont la température a baissé est ensuite dirigé vers le détendeur 42. A la sortie du détendeur 5 42, sa pression et sa température sont abaissées. Le fluide est alors dirigé vers l'évaporateur 44. L'air extérieur brassé par le ventilateur 45 permet d'apporter des calories au fluide caloporteur et celui-ci se réchauffe avant de retourner vers le compresseur 41. Lorsque l'on souhaite climatiser le local 1, on inverse le caloduc 3 et 10 le sens de circulation du fluide dans la pompe à chaleur 4, l'échangeur 44 devient condenseur et l'échangeur 43 évaporateur. L'air neuf est refroidit par échange thermique au contact de l'évaporateur 32, puis refroidit encore au contact de l'évaporateur 43. L'air froid est ensuite envoyé dans le local 1. 15 L'unité conforme à l'invention permet au choix de chauffer ou climatiser le local 1, tout en autorisant un apport d'air neuf entre 0% et 100% de l'air introduit dans le local 1, ainsi que le recyclage éventuel d'une partie de l'air vicié, et ce, avec une consommation d'énergie moindre qu'avec les unités connues de l'état de la technique puisque les calories ou les frigories de l'air vicié sont récupérées. 20 Par rapport à une pompe à chaleur air / air classique, l'unité conforme à l'invention apporte un gain de performance de 20 à 70 % selon la quantité d'air neuf introduit et les besoins en chauffage et/ou climatisation souhaités. L'utilisation de ventilateurs à débit variable et d'un compresseur à variateur de puissance permettent également de limiter les consommations 25 énergétiques aux stricts besoins. Enfin, selon une variante de réalisation, l'unité conforme à l'invention peut être dédiée exclusivement au chauffage ou à la climatisation du local 1 dans le cas où le caloduc et la pompe à chaleur ne sont pas réversibles. REVENDICATIONS 1. Unité de chauffage et/ou de climatisation d'un local (1), caractérisée en ce qu'elle comprend : - un caloduc (3) dont l'une des extrémités (31), dite "première extrémité", est située à proximité des moyens d'extraction (211, 212) de l'air vicié du local (1) et dont l'autre extrémité, dite "seconde extrémité" (32), est située à proximité des moyens (221) d'introduction d'air neuf dans ce local (1), de façon à effectuer un échange par transfert thermique d'une part entre l'air vicié et le fluide caloporteur circulant dans ce caloduc et d'autre part entre ce même fluide caloporteur et l'air neuf, - des moyens (213) de recyclage et de mélange d'au moins une partie de l'air vicié extrait du local (1) avec l'air neuf ayant subi l'échange thermique avec le caloduc (3), - une pompe à chaleur air/air (4) dont l'un des échangeurs thermiques (43), dit "premier échangeur" permet de modifier la température de l'air 15 issu desdits moyens de recyclage et de mélange, - et des moyens (5) d'introduction à l'intérieur dudit local (1), de l'air dont la température a été modifiée par ledit premier échangeur thermique (43). 2. Unité de chauffage et/ou de climatisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le second échangeur thermique (44) de ladite pompe à 20 chaleur (4) est disposé à l'extérieur, à proximité d'un ventilateur extérieur (45), de sorte qu'un échange thermique s'effectue entre le fluide caloporteur circulant dans ladite pompe à chaleur (4) et l'air ambiant brassé par ledit ventilateur (45). 3. Unité de chauffage et/ou de climatisation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comprend un caisson (2) à l'intérieur duquel sont 25 ménagées au moins deux enceintes dites respectivement "d'extraction d'air" (21) et "d'apport d'air neuf' (22), en ce que les moyens (211) d'extraction de l'air vicié du local (1) débouchent dans l'enceinte d'extraction d'air (21), cette enceinte d'extraction d'air (21) étant munie d'un orifice (212) d'extraction d'air à ouverture à section variable et l'enceinte d'apport d'air neuf (22) étant munie d'un orifice (221) 30 d'introduction d'air neuf à ouverture à section variable, un orifice (213) dit "de recyclage" à ouverture à section variable étant ménagé dans la paroi séparant ladite enceinte d'extraction d'air (21) de ladite enceinte d'apport d'air neuf (22), ledit caloduc (3) étant positionné dans ladite unité de façon que sa première extrémitéIo (31) soit située à l'intérieur de l'enceinte d'extraction d'air (21) et sa seconde extrémité (32) soit située à l'intérieur de l'enceinte d'apport d'air neuf (22), à proximité dudit orifice (221) d'introduction d'air neuf. 4. Unité de chauffage et/ou de climatisation selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit caisson (2) comprend également une troisième enceinte (23), dite de "modification de la température de l'air", le premier échangeur thermique (43) de la pompe à chaleur (4) étant disposé entre l'enceinte d'apport d'air neuf (22) et cette troisième enceinte (23) et en ce que ladite unité comprend des moyens pour faire circuler l'air présent dans l'enceinte d'apport d'air neuf (22) au travers dudit premier échangeur (43), en direction ladite enceinte de modification de la température (23), de façon à modifier la température de cet air par échange thermique. 5. Unité de chauffage et/ou de climatisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens d'extraction de l'air vicié (211) et/ou les moyens (5) d'introduction d'air dans le local (1) sont un ventilateur à débit variable. 6. Unité de chauffage et/ou de climatisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la pompe à chaleur (4) comprend un compresseur (41) à variateur de puissance. 7. Unité de chauffage et/ou de climatisation selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens permettant de faire circuler l'air au travers dudit premier échangeur (43) sont les moyens (211) d'extraction de l'air vicié. 8. Unité de chauffage et/ou de climatisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le fonctionnement de la pompe à chaleur (4), des moyens (211) d'extraction de l'air vicié et des moyens (5) d'introduction d'air dans le local, des moyens (221) d'introduction d'air neuf et des moyens (213) de recyclage est assuré par des moyens de pilotage automatique, tel qu'un automate programmable. 9. Unité de chauffage selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la première extrémité (31) du caloduc (3) est un évaporateur et la seconde extrémité (32) un condenseur et en ce que le premier échangeur (43) thermique de la pompe à chaleur (4) est un condenseur. 10. Unité de climatisation selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la première extrémité (31) du caloduc (3) est un condenseur et la seconde extrémité (32) un évaporateur, et en ce que le premier échangeur thermique (43) de la pompe de chaleur (4) est un évaporateur. 11. Unité de chauffage et/ou de climatisation selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que ledit caloduc (3) et ladite pompe à chaleur (4) sont réversibles. 12. Local (1) équipé d'une unité de chauffage et/ou de climatisation 5 selon l'une des revendications précédentes.