Brevet FR2927159A1 — publié le 20090807

Dispositif thermodynamique polyvalent pour le chauffage et la climatisation Domaine de l'invention L'invention concerne un système ou dispositif comportant une pompe à chaleur actionnée par un moteur à combustion permettant la production simultanée d'eau chaude par 10 exemple pour le chauffage de bâtiments, d'eau très chaude, par exemple de l'eau chaude sanitaire, et d'eau froide, par exemple pour la climatisation. Etat de la technique 15 On connaît des systèmes composés de pompes à chaleur actionnées par des moteurs à combustion interne. Ces systèmes sont couramment utilisés au Japon depuis plusieurs années pour la climatisation (refroidissement) l'été et le chauffage l'hiver de bâtiments tels que des immeubles de 20 bureau ou des hôtels, et la production simultanée d'eau chaude sanitaire. Ces systèmes sont la plupart du temps des systèmes dits à détente directe c'est-à-dire qu'ils envoient directement un fluide frigorigène vers des unités intérieures individuelles. Ce sont généralement des 25 installations de type VRV (volume de réfrigérant variable). De tels systèmes permettent la production d'eau chaude, par exemple l'eau chaude sanitaire, grâce à l'utilisation de la chaleur dégagée par le moteur à combustion en fonctionnement. Cependant l'un des inconvénients majeurs de 30 ces systèmes est que la pompe à chaleur ne peut pas5 - 2 - fonctionner correctement en prélevant les calories nécessaire sur l'air extérieur lorsque la température extérieure est inférieure à environ 10°C car cela entraîne le givrage de l'évaporateur. Dans la pratique, en hiver, la chaleur du moteur est utilisée pour réchauffer l'évaporateur afin de permettre au système thermodynamique de continuer à fonctionner avec un bon rendement lorsque la température extérieure est inférieure à 10°C (jusqu'à environ -20°C), l'inconvénient étant dans ce cas que l'on ne produit plus d'eau très haute température et le rendement global du système devient assez faible. D'autre part les systèmes existants ont des puissances limitées à des valeurs maximales de l'ordre de 75 kW car ils utilisent des moteurs automobiles de puissance limitée, et des composants frigorifiques ne permettant pas non plus de fonctionner à des puissance plus élevées. Objet de l'invention Un premier objet est un système 1 permettant la production simultanée d'eau très chaude 9 à température T2, d'eau chaude 14 à température Tl, d'eau froide 13 à température T3 et d'électricité 20 et comprenant un moteur à combustion 2, un alternateur 18, une pompe à chaleur 3, et au moins une batterie électrique 19, ladite pompe à chaleur comprenant un compresseur 17 de fluide frigorigène, un premier échangeur de chaleur 11 situé à l'aspiration du compresseur 17 lorsque le système 1 est en mode climatisation, un détendeur 10, et un second échangeur de chaleur 12 placé au refoulement du compresseur 17 lorsque le système est en mode climatisation, ledit système 1 étant caractérisé en ce que - 3 - (a) le compresseur 17 est entraîné par un moteur électrique et l'alternateur 18 est placé entre le moteur à combustion 2 et le compresseur 17 de la pompe à chaleur 3, ledit alternateur 18 étant actionné par ledit moteur 2 et fournissant audit moteur électrique du compresseur 17 l'énergie électrique 20 nécessaire à son fonctionnement, et (b) caractérisé en ce que la pompe à chaleur 3 comprend en outre un troisième échangeur de chaleur 15 situé au refoulement du compresseur 17 lorsque le système est en mode climatisation et utilisé pour le chauffage de l'eau chaude 14. Description des figures La figure 1 représente un schéma de principe du système selon l'invention. La figure 2 présente le rendement énergétique du système selon l'invention comparé aux rendements de divers systèmes 20 de l'état de la technique. Liste des repères 1 Système selon l'invention 2 Moteur à combustion 3 Pompe à chaleur 4 Entrée de carburant liquide ou gazeux 5 Energie mécanique produite par le moteur 6 Chaleur émise par le moteur à combustion en - 4 fonctionnement 7 Pertes d'énergie 8 Echangeur de chaleur pour l'échange de chaleur entre le moteur à combustion et l'eau très chaude 9 Circuit d'eau très chaude C2 10 Détendeur 11 Echangeur de chaleur réversible - Condenseur en mode chauffage, échangeur sur la charge en mode chauffage 12 Echangeur de chaleur réversible - Evaporateur en mode chauffage, échangeur sur la source de chaleur en mode chauffage 13 Circuit d'eau - circuit d'eau froide lorsque la pompe à chaleur est en mode climatisation 14 Circuit d'eau chaude 15 Echangeur de chaleur 16 Circuit de fluide frigorigène 17 Compresseur 18 Alternateur 19 Batterie électrique 20 Energie électrique 21 Motoventilateur Description de l'invention Définitions Dans le présent document, on entend par Système thermodynamique ou pompe à chaleur : ensemble comportant un compresseur et plusieurs échangeurs dans - 5 - lesquels circule un fluide de transfert spécifique appelé usuellement fluide frigorigène. ^ Boucle géothermique : Ensemble de tuyauteries placé dans le sol typiquement en position verticale ou horizontale et destiné à échanger de la chaleur entre le système de chauffage ou de refroidissement et le sol. ^ Echangeur de chaleur : Dispositif destiné à transférer de la chaleur entre plusieurs circuits. ^ Fluide de transfert : fluide utilisé pour transférer de la chaleur ; les exemples classiques sont le fluide frigorigène, l'eau ou l'eau glycolée parfois appelé saumure. • Source thermique ou source : Par convention, les termes source et charge thermique se réfèrent au mode chauffage. La source est le milieu d'où l'on extrait la chaleur en mode chauffage. Cette extraction de chaleur s'effectue avec certaines caractéristiques physiques comme l'inertie thermique ou la puissance disponible qui caractérisent la source. On peut noter que le terme source est impropre en mode refroidissement car on y rejette en fait de la chaleur issue du bâtiment. ^ Charge thermique ou charge : La charge est le milieu ou l'on rejette la chaleur en mode chauffage. Ce rejet de chaleur s'effectue avec certaines caractéristiques physiques comme l'inertie thermique ou la puissance disponible qui caractérisent la charge, de même la charge est le lieu d'où l'on retire la chaleur en mode refroidissement. COP ou coefficient de performance : le COP ou coefficient de performance d'un système en mode - 6 - chauffage est défini comme le rapport entre la puissance de chauffage disponible sur la puissance électrique consommée par le système. Dans le système selon l'invention, on entend par COP � équivalent électrique � le COP qu'aurait l'installation si on utilisait de l'électricité à la place du gaz. ^ Moteur à combustion : Moteur qui, par combustion, transforme l'énergie chimique contenue dans un combustible en énergie mécanique. ^ Moteur à combustion interne : Moteur à combustion dont la combustion du combustible produisant l'énergie nécessaire au fonctionnement se passe dans le moteur lui-même, typiquement dans une chambre de combustion. Description détaillée Le moteur à combustion 2 du système selon l'invention est de préférence un moteur à combustion interne. Il est alimenté de préférence par du gaz naturel. En fonction des besoins, il peut également être alimenté par d'autres carburants gazeux ou liquides tels que de l'essence, du fioul, du kérosène, de l'alcool, des biocarburants tels que des huiles végétales, du bioéthanol, du biogaz. Il peut s'agir aussi d'autres types de moteurs à combustion, tels que des moteurs à combustion externe comme 25 les moteurs Stirling. Dans des modes de réalisations préférés, le système selon l'invention est réversible, à savoir il peut fonctionner en mode privilégiant le chauffage (� mode chauffage �) ou en mode privilégiant le refroidissement (� mode 30 climatisation �). Pour ce faire, une vanne quatre voies - 7 - d'inversion de cycle (non représentée) est installée sur le circuit de fluide frigorigène 16. Dans le cas où la pompe à chaleur 3 est réversible, les échangeurs de chaleur 11 et 12 sont des échangeurs réversibles. Il convient de noter que nous avons choisi de décrire en détail le fonctionnement du système selon l'invention en mode climatisation. Lorsque la pompe à chaleur fonctionne en mode chauffage, le circuit d'eau 13 devient un circuit d'eau chaude. D'autre part, l'échangeur de chaleur 11 est de préférence un échangeur multitubulaire. En référence à la figure 1, la pompe à chaleur 3 du système selon l'invention comprend un circuit fermé et étanche dans lequel circule un, 15 fluide de transfert tel qu'un fluide frigorigène 16, - un compresseur 17 entraîné par un moteur électrique, - un détendeur 10, - un premier échangeur de chaleur 11, situé à l'aspiration du compresseur 17 lorsque le système 20 fonctionne en mode climatisation, - un second échangeur de chaleur 12, situé au refoulement du compresseur 17 lorsque le système fonctionne en mode climatisation. Selon l'invention, le compresseur 17 n'est pas entraîné 25 directement (mécaniquement) par le moteur à combustion 2 mais par un moteur électrique alimenté électriquement par ledit moteur à combustion 2, l'électricité nécessaire étant générée par l'alternateur 18 entraîné par le moteur à combustion. - $ - Cela présente l'avantage de pouvoir utiliser des compresseurs hermétiques, évitant ainsi les risques de fuite liés à l'utilisation des compresseurs ouverts. Pour les raisons mentionnées ci-dessus, le compresseur de la pompe à chaleur est de préférence un compresseur hermétique. On entend par compresseur hermétique un compresseur composé d'un boîtier fermé, en général une enveloppe d'acier soudé, à l'intérieur duquel se trouvent une unité de compression pour compresser le fluide frigorigène, et un moteur qui entraîne l'unité de compression. On peut toutefois également employer des compresseurs semi-hermétiques, dans lesquels on peut avoir accès à certains organes internes lors de l'entretien ou d'éventuelles réparations. La pompe à chaleur du système selon l'invention est dotée en outre d'un troisième échangeur de chaleur 15. Cet échangeur est de préférence (comme le second échangeur de chaleur 11) un échangeur multitubulaire. Dans la présente invention, le fluide frigorigène est de préférence choisi parmi les hydrofluorocarbures HFC (par exemple R134A, R407C, R404A & R410A) qui sont les plus courants. On peut également envisager d'utiliser les hydrocarbures, et plus particulièrement le propane en tant que fluide frigorigène. On peut aussi utiliser le CO2. Un fluide réfrigérant préféré pour le système de la présente invention est le R134A. La pompe à chaleur 3 du système 1 selon l'invention permet l'utilisation de tous les types de charges thermiques connues de l'homme de métier pour le chauffage et la climatisation, telles que les planchers chauffants - 9 - rafraîchissants, les ventilo-convecteurs. Les charges peuvent également être des centrales de traitement d'air pour la déshumidification des piscines et le traitement de l'air neuf des locaux, ou des circuits d'eau de procédés industriels nécessitant l'utilisation d'eau chaude et/ou d'eau froide. La pompe à chaleur 3 du système 1 selon l'invention peut être une pompe à chaleur de type air/eau, c'est-à-dire une pompe à chaleur utilisant l'air extérieur et/ou l'air extrait comme source de chaleur en mode chauffage ou bien une pompe à chaleur de type eau/eau, c'est-à-dire une pompe à chaleur utilisant un circuit d'eau dans le sol extérieur comme source de chaleur en mode chauffage. Une source thermique avantageuse pour la pompe à chaleur 3 est une boucle géothermique. Les échangeurs de chaleur sur la source et sur la charge sont adaptés au type de pompe à chaleur et au type d'application selon les critères bien connus de l'homme de métier. Le système selon l'invention permet simultanément : - Le refroidissement d'eau par la pompe à chaleur 3, - Le chauffage d'eau à haute température par la pompe à chaleur 3, 25 - La production d'eau à très haute température par récupération de l'énergie thermique dégagée par le moteur à combustion 2 en cours de fonctionnement, - La production d'électricité grâce à l'alternateur 18. Il est à noter que le système selon l'invention permet 30 également la production d'un seul ou de deux ou de trois20 - 10 - éléments choisis parmi l'eau froide, l'eau chaude, l'eau très chaude et l'électricité. L'eau chaude produite par la pompe à chaleur 3 a une température Tl comprise entre 20 et 60°C, et de préférence 5 comprise entre 30 et 60°C. L'eau chaude sanitaire atteint une température T2>T1 comprise entre 40 et 75°C, et de préférence 55 et 75°C. La chaleur est récupérée à la fois sur le circuit de refroidissement du moteur à combustion 2 et sur les gaz 10 d'échappement du moteur. L'eau froide est obtenue à une température T3 REVENDICATIONS 1. Système (1) permettant la production simultanée d'eau très chaude (9) à température T2, d'eau chaude (14) à température Tl, d'eau froide (13) à température T3 et d'électricité (20) et comprenant un moteur à combustion (2), un alternateur (18), une pompe à chaleur (3), et au moins une batterie électrique (19), ladite pompe à chaleur comprenant un compresseur (17) de fluide frigorigène, un premier échangeur de chaleur (11) situé à l'aspiration du compresseur (17) lorsque le système (1) est en mode climatisation, un détendeur (10), et un second échangeur de chaleur (12) placé au refoulement du compresseur (17) lorsque le système (1) est en mode climatisation, Ledit système étant caractérisé en ce que (a) le compresseur (17) est entraîné par un moteur électrique et l'alternateur (18) est placé entre le moteur à combustion (2) et le compresseur (17) de la pompe à chaleur (3), ledit alternateur (18) étant actionné par ledit moteur (2) et fournissant audit moteur électrique du compresseur (17) l'énergie électrique (20) nécessaire à son fonctionnement, et (b) en ce que la pompe à chaleur (3) comprend en outre un troisième échangeur de chaleur (15) situé au refoulement du compresseur (17) lorsque le système (1) est en mode climatisation et utilisé pour le chauffage de l'eau chaude (14).30- 15 - 2. Système selon la revendication 1 dans lequel le moteur à combustion (2) est un moteur à combustion interne alimenté par du gaz naturel ou un carburant liquide, ou est un moteur à combustion externe. 3. Système selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la pompe à chaleur (3) est une pompe à chaleur réversible et les échangeurs de chaleur (11) et (12) sont des échangeurs réversibles. 4. Système selon une quelconque des revendications 1 à 3 10 caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (11) comporte en outre au moins une résistance électrique. 5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les échangeurs de chaleur (11) et (15) sont des échangeurs multitubulaires. 15 6. Système selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le fluide frigorigène est un hydrofluorocarbure. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le fluide frigorigène est le CO2. 20 8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que l'électricité (20) produite par l'alternateur (18) est utilisée pour l'alimentation d'appareils ou de dispositifs électriques situés hors du système. 25 9. Utilisation du système selon l'une des revendications 1 à 8 dans des installations de balnéothérapie, thalassothérapie, dans des logements collectifs, pour le chauffage de piscines, dans des hôpitaux ou des- 16 -maisons médicalisées, dans des hôtels ou résidences de tourisme. 10. Utilisation du système selon l'une des revendications 1 à 8 dans des procédés industriels nécessitant le chauffage et le refroidissement simultané d'eau, utilisée à des points différents du procédé.