Brevet FR2941520A1 — publié le 20100730

Installation de chauffage, climatisation et ventilation comportant un dispositif de récupération de la chaleur multisources Domaine de l'invention L'invention appartient au domaine général des dispositifs thermodynamiques pour le chauffage et la climatisation de bâtiments. Plus particulièrement, le dispositif de la présente invention comprend au moins une source de chaleur 10 secondaire associée à une source de chaleur principale constituée par la chaleur récupérée sur l'air extrait de ventilation d'un système de ventilation mécanique, en particulier double flux. Etat de la technique 15 Les ventilations mécaniques double flux permettent des économies de chauffage importantes en récupérant une partie de l'énergie contenue dans l'air vicié extrait des pièces techniques ou dites humides telles que toilettes, salles de bain, cuisines et celliers. Toutefois dans les dispositifs les plus courants de l'état de la technique, la récupération de la chaleur est statique. 20 L'installation décrite dans le brevet FR 2 808 078 de la société ALDES Aéraulique comporte une ventilation mécanique double flux avec un groupe de ventilation insufflant l'air pris à l'extérieur du bâtiment dans les pièces de séjour des différents logements, et un groupe de ventilation, ayant les mêmes caractéristiques que le groupe d'insufflation, assurant l'extraction d'air hors des 25 pièces techniques ou humides (cuisines, salles de bains). L'amenée et l'extraction d'air au niveau de chaque logement sont réalisées par l'intermédiaire de conduits collectifs au bâtiment. L'installation comprend au niveau du raccordement de chaque logement à une paire de conduits respectivement d'insufflation et d'extraction d'air un groupe thermodynamique 2941520 -2- individuel dédié au logement considéré et sur lequel passe le flux de l'air de ventilation, l'évaporateur et le condenseur de ce groupe étant disposés respectivement sur l'un des deux flux d'insufflation et d'extraction d'air. La demande de brevet européen EP 1 731 846 (Drexel und Weiss 5 Energieeffiziente Haustechniksysteme GmbH) décrit un système pour le chauffage et/ou le rafraîchissement d'un bâtiment et le chauffage de l'eau chaude sanitaire, comportant une pompe à chaleur et un échangeur géothermique relié à un premier échangeur de chaleur pour le préchauffage de l'air de ventilation et à un échangeur de chaleur qui est l'évaporateur de la pompe à chaleur. Ce système comporte également un échangeur de chaleur statique entre l'air insufflé et l'air extrait. De plus, la pompe à chaleur comporte un premier échangeur de chaleur (condenseur) pour le chauffage de l'air insufflé, un second échangeur de chaleur (condenseur) relié à un circuit de chauffage, et un troisième échangeur de chaleur (condenseur) pour le chauffage de l'eau chaude sanitaire. Ce système permet donc un préchauffage de l'air insufflé par passage dans un échangeur de chaleur avec le circuit géothermique. Cependant, l'échangeur de chaleur entre l'air extrait et l'air insufflé est un échangeur statique. L'air insufflé est chauffé par le circuit de la pompe à chaleur dont la source est le capteur géothermique et non l'air extrait de ventilation. Les dispositifs de récupération thermodynamique de la chaleur de l'air extrait ont un rendement bien supérieur aux dispositifs statiques avec échangeurs à plaques, toutefois la puissance de ces dispositifs reste faible et ne permet pas un préchauffage très important de l'air neuf entrant dans les logements. Il existe d'autre part dans l'état de la technique des installations dotées de dispositifs complémentaires tels que des puits canadiens ou puits provençaux. Toutefois, ces dispositifs peuvent poser des problèmes en terme d'hygiène. Le problème que la présente invention se propose de résoudre est donc de fournir une installation de chauffage, climatisation et ventilation possédant une 30 capacité de chauffage de l'air neuf de ventilation améliorée. Objet de l'invention La présente invention a pour objet une installation de chauffage, climatisation et ventilation de bâtiments comportant un conduit d'insufflation et un conduit d'extraction, et : a) Une ventilation mécanique à double flux pourvue : d'un groupe de ventilation insufflant l'air neuf pris à l'extérieur du bâtiment dans les pièces de vie, éventuellement après réchauffage ou refroidissement (cet air étant appelé ici � air insufflé �) à travers ledit conduit d'insufflation, et - d'un groupe de ventilation, assurant l'extraction d'air hors des pièces techniques et/ou humides (cet air étant appelé ici � air vicié �) à travers ledit conduit d'extraction ; b) Un dispositif thermodynamique, de préférence réversible, de récupération de la chaleur sur lequel passent les flux d'air vicié et d'air neuf, ledit dispositif thermodynamique comprenant un premier et un second échangeurs de chaleur pouvant fonctionner chacun soit en tant qu'évaporateur soit en tant que condenseur, et le premier échangeur de chaleur étant disposé sur le flux d'air vicié, de préférence dans le conduit d'extraction, et le deuxième échangeur de chaleur étant disposé sur le flux d'air insufflé, de préférence dans le conduit d'insufflation, L'installation de la présente invention comporte en outre un échangeur de chaleur placé dans le conduit d'insufflation sur l'air insufflé, en amont du second échangeur , et relié par un circuit à au moins une source de chaleur autre que l'air extrait. Description des figures La figure 1 représente un schéma d'un mode de réalisation de l'installation de la présente invention dans lequel la source de chaleur est un puisage géothermique. 3 2941520 -4- La figure 2 représente un schéma d'un autre mode de réalisation de l'installation de la présente invention dans lequel la source de chaleur est un récupérateur de la chaleur des gaz de combustion d'une chaudière. 5 Références des repères 1 Premier échangeur (évaporateur/condenseur) 2 Compresseur 3 Détendeur 4 Air extrait (air vicié) 5 Air rejeté 6 Air insufflé 7 Air neuf 8 Second échangeur (condenseur/évaporateur) 9 Batterie à eau 10 Capteur géothermique 11 Pompe du circuit géothermique 12 Gaz de combustion / fumées de chaudière 13 Echangeur de chaleur sur les gaz de combustion de chaudière 14 Pompe 15 Conduit d'insufflation 16 ' Conduit d'extraction 17 Circuit de liquide caloporteur reliant l'échangeur 9 à la source 10,12 Description de l'invention La présente invention concerne une installation de chauffage et climatisation et de ventilation comportant un dispositif de ventilation mécanique double flux, un 10 dispositif thermodynamique combiné avec le dispositif de ventilation mécanique double flux, et comprenant un échangeur de chaleur récupérant la chaleur de l'air extrait de ventilation. D'autre part, un échangeur de chaleur avec une source de chaleur différente telle qu'un capteur géothermique, un échangeur de chaleur récupérant la chaleur des gaz de combustion d'une chaudière, un 2941520 -5- échangeur de chaleur solaire thermique, notamment installé dans les barrières de balcon ou remplaçant les barrières des balcons d'un immeuble, un échangeur de chaleur sur la sortie des eaux usées utilisées pour la toilette, la vaisselle, la lessive, permet une récupération de la chaleur par l'air neuf entrant 5 dans le dispositif de ventilation. 1. Dispositif de ventilation mécanique contrôlée double flux L'installation de chauffage, climatisation et ventilation selon l'invention comporte un dispositif de ventilation mécanique double flux . Ce dernier comporte des 10 terminaux d'insufflation d'air neuf placés dans les pièces de vie, et des terminaux d'extraction d'air vicié placés dans les pièces techniques ou humides (telles que toilettes, salle de bain, cuisine, cellier). Ce dispositif de ventilation mécanique double flux comporte en outre un réseau aéraulique, composé d'une partie insufflation d'air neuf et d'une partie extraction d'air vicié. 15 Dans un mode de réalisation préféré, la ventilation mécanique contrôlée double flux est une ventilation double flux auto-réglable. On entend par � auto-réglable � un système qui fonctionne à débit d'air sensiblement constant. Le réseau d'insufflation est un réseau centralisé comprenant un circuit principal formé de conduits de diamètre typiquement de l'ordre de 125 mm, isolés 20 thermiquement, d'un caisson répartiteur comportant une pluralité de sorties d'air d'un diamètre typiquement de l'ordre de 80 mm, et de circuits secondaires formés de conduits de diamètre typiquement de l'ordre de 80 mm raccordés aux sorties du caisson répartiteur. Avantageusement, les conduits du circuit secondaire sont eux aussi isolés thermiquement. 25 Le réseau d'extraction n'a pas besoin d'être isolé thermiquement s'il est situé dans le volume chauffé. En revanche, s'il est placé dans un volume non chauffé, il est préférable qu'il soit isolé thermiquement afin d'éviter les déperditions de chaleur de l'air extrait avant le passage sur l'échangeur de chaleur. Le réseau d'extraction est composé d'un conduit principal et de conduits secondaires reliés au conduit principal. . Dispositif thermodynamique L'installation de chauffage, climatisation et ventilation selon l'invention comporte également un dispositif thermodynamique. Ce dernier est composé d'un compresseur 2, d'un détendeur 3 et de deux échangeurs de chaleur 1,8. Le dispositif thermodynamique est très préférentiellement réversible, c'est-à-dire capable de fonctionner en mode chauffage ou en mode climatisation en fonction des besoins, par inversion du cycle thermodynamique. L'inversion du cycle se fait généralement grâce à une vanne à quatre voies (non représentée sur les figures). Ainsi, les échangeurs de chaleur 1, 8 du dispositif thermodynamique agissent respectivement comme évaporateur et comme condenseur en mode chauffage, et comme condenseur et comme évaporateur en mode climatisation. Le dispositif thermodynamique de l'installation de la présente invention utilise 15 comme source de chaleur l'air extrait 4 de la ventilation mécanique double flux. L'échangeur de chaleur 1 est placé dans le flux d'air extrait 4. Le dispositif thermodynamique peut également utiliser un compresseur de type inverter (c'est-à-dire à vitesse variable), dans le cas où il doit s'adapter à une variation du débit d'air, par exemple lorsque l'installation est équipée de 20 terminaux à débit variable (telle qu'une ventilation hygro-réglable ou une détection de présence) ; les terminaux à débit variable permettent d'adapter le débit aux besoins réels (taux d'humidité dans la pièce, présence de personnes dans la pièce). 25 3. Echanqeurs de chaleur statiques L'installation de chauffage et climatisation de la présente invention comporte en outre au moins une autre source de chaleur 10,12 telle qu'un capteur géothermique 10, un récupérateur de la chaleur 13 des gaz de combustion d'une chaudière 12, un capteur solaire thermique (pouvant être installé par 6 2941520 -7- exemple sur le toit d'un bâtiment ou dans la barrière d'un balcon), un récupérateur de la chaleur des eaux usées. On entend par capteur géothermique un dispositif généralement composé d'un ensemble de tubes reliés entre eux dans lesquels circule un fluide caloporteur, 5 apte à capter la chaleur du sol. Le capteur peut avoir une configuration horizontale ou verticale. Les capteurs horizontaux sont des tubes généralement en polyéthylène ou en cuivre gainés de polyéthylène. Ils sont installés en boucles enterrées horizontalement à faible profondeur (typiquement de l'ordre de 1 mètre). Dans ces boucles circule en circuit fermé de l'eau additionnée 10 d'antigel ou un autre fluide caloporteur. Les capteurs verticaux sont constitués de deux tubes, généralement en polyéthylène, et formant un U, installés dans un forage (typiquement de quelques dizaines de mètres de profondeur) et scellés dans celui-ci par du ciment. On y fait circuler en circuit fermé de l'eau additionnée de liquide antigel. On entend par récupérateur de la chaleur des gaz de combustion d'une chaudière un dispositif généralement constitué par un échangeur de chaleur de type air/eau apte à utiliser la chaleur des gaz de combustion chauds d'une chaudière afin de chauffer de l'eau. Ce récupérateur peut être placé dans la cheminée de la chaudière, proche de la sortie de la chaudière. On entend par capteur solaire thermique un dispositif qui recueille l'énergie thermique provenant du soleil et la transmet à un fluide caloporteur. Dans un mode de réalisation particulier de la présente invention, le capteur solaire thermique est une barrière de sécurité d'un balcon ou d'une piscine. L'eau ou le liquide caloporteur circule dans les barreaux, les montants, la main courante, et les autres parties horizontales de la barrière qui agit comme capteur solaire thermique. On entend par récupérateur de la chaleur des eaux usées un échangeur de chaleur, généralement de type eau/eau, dans lequel l'eau à chauffer prend des calories aux eaux domestiques rejetées après la toilette, la vaisselle, la lessive ou toute autre activité domestique impliquant l'utilisation d'eau chaude. Dans 2941520 -8- ces échangeurs, l'eau à chauffer peut par exemple circuler dans une canalisation enroulée autour de la conduite d'évacuation des eaux usées. Selon l'invention, au moins un échangeur de chaleur 10,12 sur une source de chaleur d'un des types décrits ci-dessus est relié par un circuit d'eau ou d'un 5 autre liquide caloporteur à un échangeur de chaleur 9, tel qu'une batterie à eau ou une batterie à un autre fluide caloporteur, de préférence antigel (i.e. avec une température de solidification inférieure à 0°C), placé dans le conduit d'insufflation 15 d'air neuf 7, de préférence en amont de l'échangeur de chaleur 8 du dispositif thermodynamique. Le liquide caloporteur chauffé, ou rafraîchi 10 selon les besoins, dans l'échangeur 10,13, est ensuite apporté par un circuit 17, grâce à une pompe 11,14, jusqu'à l'échangeur de chaleur 9 placé dans le conduit d'insufflation 15 d'air neuf 7. Il est préférable de placer l'échangeur de chaleur de chaleur 8 du dispositif thermodynamique après l'échangeur de chaleur 9 (i.e. en aval de ce dernier) 15 car ainsi l'air 7 arrivant sur l'échangeur 8 est déjà préchauffé (en mode chauffage) ou rafraîchi (en mode climatisation), et les performances globales de l'installation sont améliorées. 4. Fonctionnement en mode chauffage 20 Dans la partie extraction du réseau aéraulique, l'air extrait 4 des pièces techniques ou humides entre dans le conduit d'extraction 16 et passe sur l'échangeur de chaleur 1, qui agit dans ce cas comme l'évaporateur du dispositif thermodynamique. L'air extrait 4 cède sa chaleur à l'échangeur de chaleur 1, l'air 5 refroidi est rejeté à l'extérieur du bâtiment. 25 Dans la partie insufflation du réseau aéraulique, l'air neuf 7 entre dans le conduit d'insufflation 15 et passe sur l'échangeur de chaleur 9, qui lui transfère la chaleur récupérée sur la au moins une source de chaleur 10,12. L'air neuf 7 passe ensuite sur l'échangeur de chaleur 8, sur lequel il se réchauffe, l'échangeur de chaleur 8 agissant dans ce cas le condenseur du 2941520 -9- système thermodynamique. L'air 6 préchauffé est ensuite insufflé dans les pièces de vie. L'installation de la présente invention permet un préchauffage de l'air neuf simultanément actif, grâce au dispositif thermodynamique, et passif, grâce à 5 l'échangeur de chaleur 9. Dans un mode de réalisation particulier, le préchauffage de l'air neuf est réalisé soit de manière passive par l'échangeur de chaleur 9, soit de manière simultanément active, grâce au dispositif thermodynamique, et passive, grâce à l'échangeur de chaleur 9. Le mode de préchauffage est déterminé par un 10 dispositif de régulation électronique en fonction de la température extérieure et de la température de consigne intérieure. A titre d'exemple, pour des températures extérieures comprises entre 10 et 14°C, et lorsque la source de l'échangeur de chaleur 9 est un capteur géothermique 10, le système peut fonctionner avec le seul capteur 15 géothermique, alors que pour des températures extérieures inférieures à 10°C, le dispositif thermodynamique est enclenché par le dispositif de régulation électronique. Fonctionnement en mode climatisation 20 Dans le conduit d'extraction 16 du réseau aéraulique, l'air extrait 4 des pièces techniques passe sur l'échangeur de chaleur 1, qui agit dans ce cas comme le condenseur du dispositif thermodynamique. L'air extrait 4 prend de la chaleur à l'échangeur de chaleur 1, l'air 5 réchauffé est rejeté à l'extérieur du bâtiment. Dans le conduit d'insufflation 15 du réseau aéraulique, l'air neuf 7 passe sur 25 l'échangeur de chaleur 8, sur lequel il se refroidit, et l'air 6 refroidi est insufflé dans les pièces de vie. L'échangeur de chaleur 8 agit dans ce cas comme l'évaporateur du système thermodynamique. Dans un mode de réalisation particulier, la source de chaleur à laquelle est relié l'échangeur 9 est un capteur géothermique 10. Dans ce mode de réalisation, 2941520 -10- l'air neuf 7 passe sur l'échangeur 9 avant de passer sur l'échangeur 8, ce qui permet un refroidissement supplémentaire. Dans ce mode de réalisation particulier, l'installation de la présente invention permet un rafraîchissement de l'air neuf simultanément actif, grâce au dispositif 5 thermodynamique, et/ou passif, grâce à l'échangeur de chaleur 9. Dans un autre mode de réalisation particulier, le préchauffage de l'air neuf est réalisé soit de manière passive par l'échangeur de chaleur 9, soit de manière simultanément active, grâce au dispositif thermodynamique, et passive, grâce à l'échangeur de chaleur 9 relié à un capteur géothermique. Le mode de 10 préchauffage est déterminé par un dispositif de régulation électronique en fonction de la température extérieure et de la température de consigne intérieure. A titre d'exemple, pour des températures extérieures comprises entre 25 et 35°C, seul le capteur géothermique 10 fonctionne, alors que pour des 15 températures extérieures supérieures à 35°C, le dispositif thermodynamique est enclenché par le dispositif de régulation électronique. 6. Utilisations L'installation de la présente invention peut être utilisée dans des immeubles de 20 logements collectifs, dans des immeubles de bureaux, dans des hôtels, hôpitaux, maisons de repos. L'installation de la présente invention peut également être utilisée dans des maisons individuelles. Dans le cas d'une utilisation de l'installation de la présente invention dans des logements collectifs, immeubles de bureaux, hôtels, hôtipaux ou maisons de 25 repos, le bâtiment est de préférence équipé d'une pluralité d'installations selon la présente invention. Chacune de ces installations est composée d'une ventilation mécanique double flux avec un motoventilateur avec prises d'air en façade pour l'apport d'air neuf 7 et le rejet de l'air vicié 4, associé à un échangeur thermodynamique. 2941520 -11- En outre, chacune de ces installations est dotée d'un échangeur de chaleur 9 placé dans le conduit d'extraction 16 et relié à une source chaleur autre que l'air extrait. Chacune de ces installations est utilisée pour le chauffage et la climatisation 5 d'une partie d'un logement collectif, à savoir par exemple un appartement dans le cas d'un immeuble de logements collectifs, une chambre ou un ensemble de chambres dans le cas d'un hôtel, d'un hôpital ou d'une maison de repos. Avantages de l'invention 10 L'installation de la présente invention permet de réaliser des économies d'énergie importantes, d'une part grâce à la récupération statique de chaleur qui est soit habituellement perdue (chaleur des gaz de combustion, chaleur des eaux usées), soit renouvelable (capteur solaire, capteur géothermique). D'autre part, la présence du dispositif thermodynamique permet d'améliorer les 15 performances du système de récupération de la chaleur de la ventilation mécanique double flux. L'installation de la présente invention peut par exemple être utilisée dans des maisons dites � maisons passives �, c'est-à-dire des maisons à très faible consommation d'énergie. 20 En effet, les maisons passives sont obligatoirement équipées d'une ventilation mécanique double flux avec récupération de la chaleur de l'air extrait. Toutefois ces systèmes sont généralement des système statiques (échangeurs à plaque) avec un rendement maximum d'environ 85%. L'utilisation d'un dispositif de récupération de la chaleur thermodynamique permet d'avoir un rendement 25 supérieur à 1. D'autre part, les maisons passives sont souvent équipées d'un puits canadien ou puits provençal, qui est un échangeur air/sol, pour préchauffer ou rafraîchir l'air neuf. Toutefois, ces systèmes sont assez peu satisfaisants en termes d'hygiène en particulier. En effet, dans les puits canadiens ou provençaux, l'air provenant du puits est directement insufflé dans 30 le système d'aération du bâtiment. Or il peut arriver que cet air véhicule des 2941520 -12- bactéries, et/ou des moisissures, et/ou de l'humidité pouvant nuire à la santé des personnes qui occupe le bâtiment. L'échangeur de chaleur 9 couplé à la source supplémentaire 10,12 de la présente invention ne présente pas cet inconvénient, puisque le liquide 5 caloporteur du circuit d'échange thermique n'est pas en contact direct avec l'air neuf entrant dans les pièces de vie. REVENDICATIONS1. Installation de chauffage, climatisation et ventilation de bâtiments comportant un conduit d'insufflation (15) et un conduit d'extraction (16), et : a) Une ventilation mécanique à double flux pourvue : d'un groupe de ventilation insufflant l'air neuf (7) pris à l'extérieur du bâtiment dans les pièces de vie, éventuellement après réchauffage ou refroidissement (cet air (6) étant appelé ici � air insufflé �), à travers ledit conduit d'insufflation (15), et - d'un groupe de ventilation, assurant l'extraction d'air hors des pièces techniques et/ou humides (cet air étant appelé ici � air vicié � (4)) à travers ledit conduit d'extraction (16); b) Un dispositif thermodynamique, de préférence réversible, de récupération de la chaleur sur lequel passent les flux d'air vicié (4) et d'air neuf (7), ledit dispositif thermodynamique comprenant un premier (1) et un second (8) échangeurs de chaleur pouvant fonctionner chacun soit en tant qu'évaporateur soit en tant que condenseur, et le premier échangeur de chaleur (1) étant disposé sur le flux d'air vicié, de préférence dans le conduit d'insufflation (15), et le deuxième échangeur de chaleur (8) étant disposé sur le flux d'air insufflé, de préférence dans le conduit d'insufflation (16), caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un échangeur de chaleur (9) placé dans le conduit d'insufflation (16) sur le flux d'air insufflé (6), en amont du second échangeur (8), et relié par un circuit (17) à au moins une source de chaleur (10,12) autre que l'air extrait (4). 2. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'échangeur (9) est une batterie (9) à eau ou à un autre fluide caloporteur antigel. 2941520 -14- 3. Installation selon une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que ladite au moins une source de chaleur est un capteur géothermique (10) . 5 4. Installation selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite au moins une source de chaleur est un échangeur de chaleur (12) sur les gaz de combustion d'une chaudière (13). 5. Installation selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en 10 ce que ladite au moins une source de chaleur est un capteur solaire thermique, et de préférence une barrière solaire. 6. Installation selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ladite au moins une source de chaleur est un échangeur de chaleur 15 sur la sortie des eaux usées. 7. Utilisation de l'installation selon une quelconque des revendications 1 à 6 pour le chauffage et la climatisation d'une maison individuelle. 20 8. Utilisation de l'installation selon une quelconque des revendications 1 à 6 pour le chauffage et la climatisation de logements collectifs, de bureaux, d'hôtels, d'hôpitaux et de maisons de repos.