Brevet FR2934890A1 — publié le 20100212

La présente invention concerne une installation thermodynamique de pompe à chaleur à évaporateur air/fluide, du type de celles qui sont mises en oeuvre pour réchauffer un fluide extérieur circulant dans des canalisations. Ce fluide est le plus souvent de l'eau, dans la mesure où l'installation suivant l'invention est plus particulièrement destinée à assurer le réchauffage de locaux par rapport à l'environnement atmosphérique, ledit fluide à réchauffer étant donc en général de l'eau appelée à circuler par exemple dans une installation domestique de chauffage central. Dans le circuit d'une telle pompe à chaleur, un fluide caloporteur est tout d'abord évaporé au contact de l'air extérieur, dans l'évaporateur air/fluide. L'évaporation se produit à une température d'évaporation à laquelle correspond, sur le diagramme d'équilibre du fluide caloporteur, une pression d'évaporation. Le fluide caloporteur est ensuite acheminé vers un compresseur dans lequel sa pression et sa température sont augmentées par compression, puis il est dirigé vers un échangeur fluide/fluide, ou condenseur, dans lequel il cède au fluide à réchauffer, en se condensant, une partie des calories qu'il a préalablement emmagasinées lors de sa compression. Le fluide caloporteur est ensuite remis en circulation dans l'évaporateur, après avoir traversé un détendeur. L'invention a pour but d'améliorer le rendement et l'efficacité d'une telle installation au regard des dispositifs connus dans l'état de la technique, en particulier lorsque la température de l'air extérieur est basse. Dans ce but, l'invention a pour objet une installation thermodynamique de pompe à chaleur pour le chauffage d'un fluide, qui comprend des moyens pour ré-injecter, dans un évaporateur air/fluide de son circuit principal, une partie d'un fluide caloporteur principal qui circule dans ce circuit principal, et qui a été successivement évaporé dans cet évaporateur puis réchauffé par compression dans un compresseur de ce même circuit principal. Plus précisément, l'invention prévoit qu'une vanne de recirculation soit insérée dans le circuit principal, entre la sortie du compresseur et l'entrée du condenseur dans lequel le fluide caloporteur principal, réchauffé par la compression subie dans le compresseur, cède à un fluide à réchauffer (à titre d'exemple non limitatif, l'eau d'un circuit de chauffage domestique), en se condensant, une partie des calories qu'il a emmagasinées. Le fluide à réchauffer circule, pour sa part, dans un circuit fluidique indépendant. Selon une caractéristique de l'invention, la vanne de recirculation est commandée en ouverture dès lors que la température de l'air extérieur, mesurée par un thermostat de l'installation selon l'invention, est inférieure à un seuil préalablement défini. Selon une autre de ses caractéristiques, l'installation selon l'invention comporte des moyens de régulation de la quantité de fluide ré-injectée dans l'évaporateur du circuit principal en fonction de la température de l'air extérieur. La vanne de recirculation est préférentiellement placée sur une dérivation de la canalisation qui relie classiquement, dans le circuit principal, le compresseur au condenseur. Cette dérivation relie la canalisation précitée à la canalisation par laquelle le fluide caloporteur principal, refroidi dans le condenseur puis détendu dans le détendeur du circuit principal, est remis en circulation dans l'évaporateur air/fluide du circuit principal, selon le principe, connu en soi, de fonctionnement d'une pompe à chaleur. Un tel dispositif permet de s'affranchir des problèmes soulevés par le givrage du circuit de l'évaporateur principal au contact de l'air extérieur lorsque la température de celui-ci est basse. Par rapport aux systèmes connus de dégivrage fonctionnant par inversion momentanée du cycle de la pompe à chaleur, un tel dispositif permet notamment un fonctionnement continu, plus favorable à un meilleur rendement énergétique annuel de l'installation. Un autre avantage d'un tel dispositif est qu'il permet, par la réinjection de fluide caloporteur réchauffé dans l'évaporateur du circuit principal, de maintenir à un niveau élevé et constant, fixé par la température dudit fluide, la pression d'évaporation dans cet évaporateur. Ceci est ensuite favorable à une compression importante, et, par là, à une augmentation supplémentaire de la température lors de la compression de ce fluide, ce qui se traduit par le transfert, dans le condenseur du circuit principal, d'une quantité maximale de calories de ce fluide vers le fluide à 5 réchauffer. II en résulte donc une élévation de température d'autant plus importante pour le fluide à réchauffer. L'installation selon l'invention comporte en outre, selon une autre de ses caractéristiques, un circuit secondaire fermé, relié au circuit principal évoqué ci-dessus. Ce circuit secondaire a en commun avec le 10 circuit principal un évaporateur secondaire dans lequel le fluide caloporteur principal circule après son passage dans le condenseur du circuit principal et avant de subir la détente préalable à sa remise en circulation dans l'évaporateur air/fluide du circuit principal. Dans l'évaporateur secondaire, le fluide caloporteur principal 15 fournit des calories à un fluide caloporteur secondaire pour évaporer ce dernier. Le fluide secondaire évaporé est ensuite successivement acheminé vers un compresseur secondaire dans lequel sa température est augmentée par compression, puis vers un condenseur secondaire dans lequel en se condensant, il cède au fluide à réchauffer une partie des 20 calories qu'il a emmagasinées dans le compresseur secondaire. Le fluide secondaire est ensuite remis en circulation dans l'évaporateur secondaire après avoir subi une détente. Le fluide à réchauffer est, pour sa part, acheminé, via un circuit secondaire indépendant, vers le circuit fluidique principal évoqué plus haut. 25 La température du fluide caloporteur principal étant encore élevée et, de plus, constante suite au passage de celui-ci dans le condenseur du circuit principal de l'installation selon l'invention, la pression d'évaporation dans l'évaporateur secondaire est donc d'autant plus importante et, en outre, constante. Il en va donc de même pour 30 l'élévation de température du fluide à réchauffer lors du passage dans le condenseur secondaire. Le rendement énergétique du circuit secondaire est donc très élevé. L'élévation de température qui résulte, pour le fluide à réchauffer, de son passage au contact du circuit secondaire, constitue ainsi un appoint à l'élévation de température qui résulte du passage de ce fluide au contact du circuit principal de l'installation selon l'invention. Il en résulte un rendement d'autant plus élevé pour l'installation dans son ensemble, et ce d'autant que le fonctionnement du circuit secondaire est principalement basé sur la récupération d'une partie des calories excédentaires que le fluide caloporteur principal n'a pas cédées dans le condenseur du circuit principal. Ce circuit secondaire constitue donc une optimisation énergétique du fonctionnement du circuit principal. L'invention prévoit qu'il soit tiré profit de cet avantage notamment lorsque la température de l'air extérieure est basse, inférieure à un seuil prédéfini. Pour ce faire, l'invention prévoit, selon l'une de ses caractéristiques, que le compresseur du circuit secondaire soit commandé à fonctionner dès lors que la température de l'air extérieur devient inférieure à un seuil prédéterminé. Selon une autre caractéristique de l'invention dans ses modes de réalisation préférés, ce seuil est identique au seuil à partir duquel la vanne de recirculation du circuit principal est commandée en ouverture. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le fluide caloporteur principal et le fluide caloporteur secondaire sont identiques. Selon une autre caractéristique de l'invention dans ses modes de réalisation préférés, un échangeur thermique est également inséré dans le circuit secondaire, entre le condenseur et le détendeur de celui-ci. Plus précisément, cet échangeur thermique fluide/fluide met en contact le fluide caloporteur secondaire à sa sortie du condenseur secondaire avec le même fluide à sa sortie de l'évaporateur secondaire et avant son passage dans le compresseur secondaire. Les calories excédentaires non cédées dans le condenseur secondaire sont ainsi à la fois utilisées pour réaliser un premier réchauffement du fluide secondaire avant compression (et obtenir ainsi une pression et une température de compression d'autant plus élevées), et pour faciliter la détente dans le détendeur du circuit secondaire. La combinaison de la ré-injection, dans l'évaporateur du circuit principal de l'installation selon l'invention, de fluide réchauffé par son passage dans le premier compresseur, avec le mode de fonctionnement du circuit secondaire tel qu'il a été ci-dessus décrit dans son principe, offre de nombreux avantages, en particulier lorsque la température de l'air extérieur est basse. L'un de ces avantages est que, dans l'installation selon l'invention, les dégradations énergétiques sont réduites au minimum. En effet, la mise en route du circuit de ré-injection de fluide chaud dans l'évaporateur principal entraîne une dégradation énergétique qui, même réduite, peut nuire au bon fonctionnement de l'installation et diminuer son rendement, en particulier lorsque la température de l'air extérieur est basse. En effet, dans ce cas, le maintien d'une pression/température constante dans l'évaporateur du circuit principal nécessite un apport calorique relativement élevé, ce qui implique de mettre en recirculation une quantité relativement importante de fluide à la sortie du compresseur principal. Ceci conduit à une consommation supplémentaire d'énergie dans ce compresseur pour assurer alors le maintien de la pression/température de condensation souhaitées. Dans la pratique, notamment lorsque la température de l'air extérieur est basse, la mise en oeuvre du circuit de ré-injection de fluide chaud seul dans l'évaporateur du circuit principal est limitée pour éviter que la baisse de température qui en résulte pour le fluide qui continue à circuler dans le circuit principal, vers le condenseur, ne devienne incompatible avec le bon fonctionnement de ce dernier. Par la mise en oeuvre concomitante du circuit secondaire, l'invention permet de récupérer de l'énergie du fluide caloporteur principal, et ce, avec un très bon rendement, qui permet de pallier les éventuelles baisses liées à la mise en oeuvre du circuit de ré-injection de fluide chaud. Concrètement, cela permet, outre une augmentation du rendement global de l'installation, d'étendre les plages de fonctionnement de cette dernière et de maintenir des performances constantes dans une large gamme de températures de l'air extérieur, et plus particulièrement lorsque cette température est très basse. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit d'un de ses modes de réalisation préférés, en référence à l'unique figure jointe qui est un schéma de principe d'une installation de pompe à chaleur selon l'invention. Un fluide caloporteur principal est évaporé dans l'évaporateur air/fluide 1 du circuit principal de l'installation, au contact de l'air extérieur dont la circulation est schématisée par la flèche A. Cette évaporation se produit à la température TO de l'air extérieur, à laquelle correspond, sur le diagramme d'équilibre du fluide considéré, une pression d'évaporation P0. Le fluide caloporteur principal est entraîné à circuler dans le circuit principal (représenté en traits pleins sur la figure) par un compresseur 2 qui est commandé à fonctionner par un thermostat 5 placé sur le circuit d'un fluide à réchauffer dès lors que la température du fluide à réchauffer, mesurée par ledit thermostat 5, est inférieure à un seuil prédéfini. La circulation du fluide caloporteur dans le circuit principal est représentée par les flèches en traits pleins fins F1 sur la figure. A titre d'exemples non exhaustifs, des fluides caloporteurs tels que le tétrafluoroéthane ou des foranes peuvent être utilisés comme fluide caloporteur principal. Une fois évaporé, le fluide caloporteur principal subit une compression dans le compresseur 2 du circuit principal de l'installation, jusqu'à une pression P1, supérieure à la pression P0. Comprimé, ce fluide se réchauffe jusqu'à la température Ti d'équilibre du fluide sous la pression P1. II est ensuite dirigé vers un condenseur 3 dans lequel il cède à un fluide à réchauffer (de l'eau, ici), en se condensant, une partie des calories qu'il a emmagasinées lors de la compression. A titre indicatif, pour une température Ti, en sortie du compresseur 2, de l'ordre de 55°C, la température de l'eau réchauffée sera de l'ordre de 50°C, le fluide caloporteur principal se trouvant, à la sortie du condenseur 3, à une température de l'ordre de 20 °C. L'eau à réchauffer circule dans un circuit fluidique indépendant, par exemple un circuit domestique de chauffage d'une habitation. Le circuit correspondant est évoqué en traits pointillés sur la figure et le sens de circulation de l'eau domestique dans ce circuit est montré par les flèches F. Une fois sorti du condenseur 3 du circuit principal, le fluide caloporteur principal est détendu dans un détendeur 4, puis il est remis en circulation dans l'évaporateur principal 1. Pour un bon fonctionnement de ce système, on a tout intérêt à ce que la température TO d'évaporation soit la plus élevée possible, afin que la compression engendre, sans consommation importante d'énergie, une augmentation de température suffisante pour que le fluide à réchauffer puisse, in fine, atteindre la température recherchée, qui est environ de l'ordre de 50 à 60 ou 65°C. Ceci est couramment atteint avec le circuit décrit ci-dessus lorsque la température de l'air extérieur est typiquement positive, au moins de l'ordre de +5°C. Pour ces températures, le coefficient de performance COP du circuit principal, c'est-à-dire le quotient de la puissance calorique fournie par ce circuit par la puissance électrique effectivement absorbée par les différents éléments qui le constituent (compresseur, échangeurs), est typiquement supérieur à 3. Toutefois, dès lors que la température de l'air extérieur diminue, le COP diminue également, pour atteindre, lorsque l'air extérieur est à une température nettement négative par exemple de l'ordre de -5 à -10°C, des valeurs de l'ordre de 2 à 2,3. Ceci est principalement dû à la puissance supplémentaire que le compresseur doit alors fournir pour maintenir constante la pression de sortie P1 (et donc la température Ti) à partir d'une pression d'évaporation PO qui a diminué en raison de la baisse de la température de l'air extérieur. La température de l'air extérieur est mesurée par un thermostat 6. Lorsque cette température est inférieure à un seuil prédéfini, typiquement de l'ordre de +5°C, le thermostat 6 commande en ouverture une vanne de recirculation 7 placée sur une dérivation de la canalisation qui relie le compresseur 2 au condenseur 3, de telle manière qu'une partie du fluide issu du compresseur 2 soit ré-injectée dans l'évaporateur 1 du circuit principal. La vanne de recirculation 7 est associée à une vanne de régulation de pression 8 également commandée par le thermostat 6, de 7 telle sorte que la quantité de fluide ré-injecté dans l'évaporateur 1 soit régulée en fonction de la température de l'air extérieur pour que l'évaporation recherchée soit réalisée à une pression prédéterminée, constante. Préférentiellement, mais de manière non limitative, la quantité de fluide ré-injectée dans l'évaporateur 1 est définie de telle manière que l'évaporation soit toujours réalisée à la pression d'équilibre correspondant à une température de l'ordre de 0°C. Concomitamment à l'ouverture de la vanne de recirculation 7, le thermostat 6 commande également le fonctionnement d'un compresseur secondaire 9, et ce dès lors que la température de l'air extérieur est inférieure au même seuil prédéfini. Le compresseur 9 est placé sur un circuit secondaire représenté en traits mixtes sur la figure. Le circuit secondaire a en commun avec le circuit principal un échangeur fluide/fluide 10, ou évaporateur secondaire, dans lequel le fluide caloporteur principal échange avec un fluide caloporteur secondaire les calories excédentaires qu'il a emmagasinées lors de sa compression dans le compresseur 2 et qui n'ont pas été cédées au fluide à réchauffer dans le condenseur 3. Lors de cet échange, le fluide caloporteur secondaire est évaporé, puis il est acheminé dans le compresseur secondaire 9 dans lequel il est réchauffé par compression. Le fluide secondaire est ensuite dirigé vers un condenseur secondaire 11 dans lequel il cède au fluide à réchauffer, qui circule dans un circuit fluidique secondaire illustré par les flèches pleines noires F' sur la figure, des calories qu'il a emmagasinées, de telle manière que la température du fluide secondaire augmente. La circulation du fluide secondaire est représentée par les flèches en traits pleins épais F2 sur la figure. Fluide principal et fluide secondaire sont préférentiellement identiques. La température d'évaporation dans l'évaporateur 10 étant de l'ordre de 20°C, qui est la température du fluide caloporteur principal en sortie du condenseur principal 3, il s'ensuit que la puissance à fournir par le compresseur pour atteindre la pression correspondant à une température d'évaporation de l'ordre de 55°C dans le condenseur secondaire 11 est faible. Le coefficient de performance, ou COP, du circuit secondaire est donc élevé : il est typiquement supérieur à 4 pour l'obtention d'une eau dont la température est de l'ordre de 50 à 60 ou 65°C après passage dans le condenseur secondaire 11. Le fluide secondaire est ensuite détendu dans un détendeur 12 avant d'être remis en circulation dans l'évaporateur secondaire 10. Le circuit secondaire comporte en outre un échangeur fluide/fluide supplémentaire 13 dans lequel le fluide secondaire évaporé récupère une partie des calories excédentaires du même fluide à sa sortie du condenseur 11. II est à noter que le circuit principal de l'installation selon l'invention illustrée par la figure comporte également un réservoir 13 de fluide caloporteur principal, auquel est associée une vanne 14 d'injection régulée de fluide caloporteur principal dans le circuit principal, dont le rôle est d'alimenter en liquide saturé le détendeur 4. En outre, le circuit fluidique de fluide à réchauffer comporte, selon le mode de réalisation préféré de l'invention illustré par la figure, une vanne de régulation 16 qui est placée sur la branche de ce circuit qui est en contact avec le circuit secondaire de l'installation selon l'invention. La vanne 16 est commandée et régulée en ouverture à partir de l'information de température fournie par le thermostat 6 afin que la température du fluide à réchauffer soit maintenue constante en sortie du ballon 17 dans lequel il est avantageusement stocké. Par la mise en oeuvre simultanée, dès lors que la température de l'air extérieur devient inférieure à un seuil prédéfini (par exemple de l'ordre de +5°C), de la vanne de recirculation et du circuit secondaire, l'installation selon l'invention garantit un chauffage constant de l'eau du circuit fluidique représenté par les traits pointillés sur la figure, et ce avec un rendement élevé. A titre d'exemple non limitatif, pour une température de condensation dans le circuit principal de l'ordre de 55°C, qui induit une température de l'ordre de 50 à 60 ou 65°C pour l'eau à réchauffer, le coefficient de performance, ou COP du circuit principal seul est de l'ordre de 2 lorsque la température de l'air extérieur est de l'ordre de -5 à -10°C, ainsi qu'il a été précisé plus haut. Pour cette gamme de températures extérieures, le COP du circuit secondaire seul est de l'ordre de 4 si la température dans l'évaporateur secondaire 10 est de l'ordre de 20°C. Le COP global de l'installation incluant circuit principal et circuit secondaire est alors de l'ordre de 2.6 à 3, et ce, d'une part, tout en garantissant la constance de la température de l'eau réchauffée, et, d'autre part, tout en évitant, grâce au circuit de recirculation gouverné par les vannes 7 et 8, tout éventuel givrage dans l'évaporateur principal 1. L'invention atteint donc bien ainsi les buts qu'elle s'était fixés, en proposant une amélioration notable du rendement d'une telle installation en particulier lorsque la température extérieure est basse. II est à noter toutefois que l'invention ne saurait se limiter au mode de réalisation et aux moyens de réalisation qui viennent d'être décrits, et qu'elle s'étend en particulier à tout moyen équivalent et à toute combinaison opérante de tels moyens. REVENDICATIONS1. Installation thermodynamique de pompe à chaleur pour le chauffage d'un fluide, qui comprend des moyens de commande et de régulation qui agissent, dès lors que la température de l'air extérieur est inférieure à un seuil prédéfini, pour ré-injecter, dans un évaporateur air/fluide (1) d'un circuit principal de ladite installation, une partie d'un fluide caloporteur principal préalablement évaporé dans ledit évaporateur principal (1) puis réchauffé dans un compresseur (2) dudit circuit principal, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens de commande qui agissent, dès lors que la température de l'air extérieur est inférieure audit seuil prédéfini, pour actionner un compresseur secondaire (9) dans lequel un fluide caloporteur secondaire, qui a préalablement été évaporé dans un évaporateur secondaire (10) par échange avec ledit fluide caloporteur principal issu d'un condenseur principal (3), est réchauffé par compression avant de céder audit fluide à réchauffer, en se condensant dans un condenseur secondaire (11), les calories qu'il a emmagasinées par compression. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens de commande comportent une vanne de recirculation (7) et une vanne de régulation de pression (8) commandées par un thermostat (6) de mesure de la température de l'air extérieur, et caractérisée en ce que ledit thermostat (6) commande également le fonctionnement dudit compresseur secondaire (9). 3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdites vannes (7, 8) sont placées, entre ledit compresseur (2) et ledit condenseur (3) dudit circuit principal, sur une canalisation de dérivation insérée entre la canalisation reliant entre eux lesdits compresseur et condenseur principaux (2, 3), et la canalisation reliant entre eux ledit condenseur (3) et un détendeur (4) dudit circuit principal. 4. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que lesdits fluides caloporteurs principal et secondaire sont identiques. 5. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ledit circuit secondaire comprend en outre un échangeur thermique fluide secondaire /fluide secondaire supplémentaire dans lequel ledit fluide secondaire, après passage dans le condenseur secondaire, cède une partie excédentaire des calories qu'il a préalablement emmagasinées audit fluide secondaire avant passage de celui-ci dans le compresseur secondaire afin de garantir la constance de la température à l'issue de la compression secondaire. 6. Procédé de chauffage d'un fluide au moyen d'une installation thermodynamique comportant une pompe à chaleur à évaporateur air/fluide, caractérisé en ce qu'il consiste, dès lors que la température de l'air extérieur est inférieure à un seuil prédéfini : - à commander et à réguler en ouverture une vanne (7, 8) par laquelle une partie d'un fluide caloporteur principal, évaporé dans ledit évaporateur air/fluide et chauffé par compression dans un compresseur (2), est ré-injectée dans ledit évaporateur air/fluide, - à commander le fonctionnement d'un compresseur secondaire (9) dans lequel un fluide caloporteur secondaire, préalablement évaporé dans un évaporateur secondaire (10), par échange de calories avec ledit fluide caloporteur principal issu d'un condenseur principal (3) de ladite installation, est réchaffé par compression, - et à acheminer ledit fluide caloporteur secondaire, chauffé par compression dans ledit compresseur secondaire (9), successivement vers un condenseur secondaire dans lequel il cède au fluide à réchauffer, en se condensant, une partie des calories qu'il a préalablement emmagasinées, puis vers un détendeur secondaire (12) et enfin vers ledit évaporateur secondaire (10).