Brevet FR2955925A1 — publié le 20110805

L'invention concerne un dispositif pour l'amélioration des performances des pompes à chaleur. Une pompe à chaleur est un dispositif thermodynamique permettant de transférer la chaleur d'un milieu froid vers un milieu plus chaud, alors que, naturellement, la chaleur se diffuse du plus chaud vers le plus froid jusqu'à l'égalité des températures. Les dispositifs de chauffage basés sur les pompes à chaleur présentent un fort intérêt en raison des préoccupations écologiques actuelles et de l'emploi de plus en plus nécessaire de sources énergétiques pour remplacer le pétrole. Dans la pompe à chaleur un circuit frigorifique transfère l'énergie grâce au changement d'état (liquide / gaz) du fluide utilisé. Un moto-compresseur assure usuellement la compression du fluide dans le condenseur, la source chaude, afin que le changement d'état souhaité se produise à une température élevée. La pression du fluide est alors réduite au moyen d'un détendeur avant d'entrer dans l'évaporateur, la source froide, pour que le changement d'état voulu se produise à basse température. La température de la source froide doit nécessairement être supérieure à la température d'évaporation du fluide et celle de la source chaude inférieure à celle de condensation du fluide pour que les changements d'état se produisent. L'invention concerne essentiellement les pompes à chaleur air- eau pour les habitations, dans ces systèmes énergétiques la chaleur de l'air extérieur est utilisée pour le chauffage intérieur des logements. La source froide d'où l'on extrait l'énergie est l'air extérieur et la source chaude où on la réinjecte est l'intérieur de l'habitation. La température réelle des sources froides et chaudes n'intervient pas, bien que le dispositif soit surtout intéressant dans le cas où la source chaude a une température plus élevée que la source froide Dans les pompes à chaleur qui utilisent l'air comme source froide le rendement et la période de fonctionnement peuvent être réduites en fonction de certains paramètres de fonctionnement, notamment es risques de givrage peuvent être importants lorsque la température de l'air extérieur est basse et l'hygrométrie élevée ce qui diminue le rendement de la pompe à chaleur. Un premier problème de rendement se situe dans la plage de température comprise entre plus 6°C et moins 2°C, ce problème est lié au fait que l'air qui traverse la batterie de l'évaporateur en ressort à une température négative. La vapeur d'eau en suspension dans l'air se cristallise sur les ailettes de l'échangeur thermique qui ne laisse plus alors passer suffisamment d'air, ce phénomène dégrade fortement le coefficient de performance de la pompe à chaleur. Sur les systèmes connus actuels la descente en basse température du frigorigène déclenche un cycle de dégivrage qui se reproduira ensuite trois fois par heure environ, pendant tout le temps où la température se situera au-dessous de plus 6°C, ce déclenchement ne s'effectuant pas forcément au moment opportun puisque le système ne prend pas en compte le degré hygrométrique de l'air, et donc sans information précise permettant de connaitre la quantité réelle de givre obstruant l'échangeur thermique. Le dégivrage de l'évaporateur est obtenu par inversion du sens de circulation du fluide frigorigène, le condenseur devient évaporateur et l'évaporateur devient condenseur. L'énergie prélevée dans le réseau de chauffage pendant la durée du cycle de dégivrage est égale à l'énergie fournie par la pompe à chaleur pendant un durée identique de chauffage, ce qui signifie que le temps de dégivrage annule une partie de l'énergie emmagasinée pour le chauffage et qu'en plus pendant ce temps la pompe à chaleur n'est pas génératrice d'énergie pour le chauffage. II est donc essentiel de réduire au minimum le temps de fonctionnement de le pompe à chaleur en mode de dégivrage afin d'optimiser le rendement de l'appareil. Un deuxième problème est aussi lié à une situation de rendement dégradé qui prend naissance lorsque la température extérieure descend en dessous de moins 2°C. A des températures basses l'air qui fournit les calories au fluide frigorigène est porteur de peu d'humidité et est généralement très sec, ce qui entraîne un faible dépôt de glace, malheureusement dans les systèmes actuels prenant en compte uniquement la température dudit frigorigène le cycle de dégivrage se déclenche même si le flux d'air traversant la batterie est satisfaisant. L'invention a donc pour objectif de résoudre ces principales difficultés en 10 proposant un dispositif permettant d'évaluer directement la perte de débit d'air liée à l'obstruction par le givre. La présente invention concerne donc une pompe à chaleur eau ù air à rendement énergétique amélioré comprenant un évaporateur présentant un échangeur thermique, une chambre de dépression et un extracteur d'air, 15 ladite pompe à chaleur étant caractérisée par le fait qu'elle comporte un dispositif permettant d'évaluer la perte de pression du flux d'air traversant ledit évaporateur. Lequel dispositif étant un manostat dont les indications sont utilisées pour déclencher le cycle de dégivrage. Les avantages de la pompe à chaleur selon l'invention sont multiples : 20 le poids et le volume de givre sont pris en compte pour déclencher le cycle de dégivrage et non pas seulement la température du frigorigène, ce qui permet de déclencher le cycle de dégivrage au moment opportun et de l'arrêter également lorsque le dégivrage n'est plus nécessaire, 25 la mesure de la pression différentielle entre l'entrée d'air et la sortie de l'appareil, de part et d'autre de l'évaporateur, permet de déterminer si le flux d'air qui traverse l'échangeur thermique est suffisant pour assurer le bon fonctionnement, et donc le bon rendement de la pompe à chaleur, ce qui implique que d'autres éléments que le givre obstruant l'entrée d'air peuvent donner lieu à un mécanisme d'alarme indiquant un mauvais fonctionnement de la pompe à chaleur, les capteurs introduits et le dispositif de commande de dégivrage modifié n'entraînent pas un fort surcoût pour la réalisation de la pompe à chaleur, en revanche l'économie de fonctionnement et l'amélioration du rendement sont très notables, ce qui en fait un dispositif très avantageux pour les utilisateurs. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention se dégageront de la description qui va suivre en regard du dessin annexé qui n'est donné qu'à titre d'exemple non limitatif. La figure 1 est une vue de principe de la partie aérothermique de la pompe à chaleur, cette vue représente schématiquement l'évaporateur. La pompe à chaleur air/eau selon l'invention comporte de manière classique un évaporateur formant la source froide, la chaleur étant prélevée dans l'air pour vaporiser le fluide frigorigène, un compresseur pour élever la pression et la température du fluide frigorigène gazeux en le comprimant, un condenseur, la source chaude, pour que le frigorigène libère sa chaleur en passant de l'état gazeux à l'état liquide, et un détendeur qui réduit la pression du fluide frigorigène en phase liquide avant retour vers la source froide. La chaleur libérée par la pompe à chaleur au niveau de la source chaude peut être récupérée de différentes manières pour chauffer l'habitation, par exemple au moyen d'un circuit d'eau de chauffage et d'un échangeur thermique adapté ou par un flux d'air en circulation dans l'habitation, lesquelles manières ne sont pas spécifiques de la présente invention et sont connues en tant que telles. La figure 1 est une vue partielle de la pompe à chaleur qui montre l'évaporateur 1 sur lequel le problème de givrage est critique pour le fonctionnement et le rendement de l'installation. L'évaporateur 1 comporte un échangeur thermique 2, plus précisément un échangeur tubulaire à ailettes, dans lequel circule le fluide frigorigène 3, un extracteur d'air 4 engendrant un flux d'air traversant l'échangeur thermique entre l'extérieur représenté par les flèches 5, qui correspond à un air porteur de calories, et un air en sortie d'appareil diminué d'une partie de ses calories, référencé 6. L'échangeur thermique entre le flux d'air 5 et le fluide frigorigène 3 peut bien évidemment être configuré de différentes manières et présenter une taille plus ou moins importante en fonction de l'installation considérée sans sortir du cadre de l'invention. L'invention est caractérisée en ce que la pompe à chaleur comporte un dispositif permettant d'évaluer la perte de pression sur le flux d'air traversant l'évaporateur de la pompe à chaleur. Plus précisément le dispositif est un manostat 7 qui permet d'évaluer la 15 différence de pression de part et d'autre de l'échangeur thermique 2 de l'évaporateur. La perte de pression du flux d'air au passage dans l'évaporateur traduit l'obstruction liée à la condensation de l'humidité de l'air en givre et en glace sur l'échangeur thermique. 20 Avantageusement selon l'invention le manostat 7 est associé à un module de décision permettant de déterminer la quantité d'air qui traverse l'évaporateur et si cette quantité est suffisante pour le bon fonctionnement et un rendement correct de ladite pompe à chaleur. Ce module de décision peut être placé sur le manostat lui-même ou être 25 déporté dans le centre de contrôle de la pompe à chaleur. Le manostat 7 peut être placé de différentes manières dans l'installation sans sortir du cadre de l'invention. Cependant, avantageusement, le manostat 7 chargé d'évaluer la perte de pression est placé dans la chambre de dépression et dans sa partie haute. De façon optimale le module de décision est capable d'interagir avec l'automate de commande de la pompe à chaleur de manière à déclencher un 5 cycle de dégivrage en fonction des données captées par le manostat et des informations préenregistrées qui correspondent à l'installation considérée. Afin d'éviter de lancer, comme cela est pratiqué aujourd'hui, de multiples cycles de dégivrage lorsque cela n'est plus nécessaire, il est avantageusement introduit dans le dispositif un capteur relié au module de 10 décision permettant l'arrêt du cycle de dégivrage et la remise en marche du mode de chauffage. Selon l'invention le capteur en question est une sonde de température 8. Avantageusement la sonde de température 8 est placée sur le bas de l'échangeur thermique 2 et à l'intérieur de la chambre de dépression 9. 15 Ce positionnement de la sonde étant réalisé en raison du givrage préférentiel de la zone basse de l'échangeur thermique. De préférence la sonde de température est réglable entre 5°C et 15°C. Afin d'assurer un rendement optimal de la pompe à chaleur le module de décision déclenche une alarme de mauvais fonctionnement si la quantité d'air 20 qui traverse l'évaporateur n'est pas suffisante mais que la température indiquée par la sonde de température est correcte. Cela peut notamment se produire lorsque des feuilles ou des débris obstruent l'entrée d'air, des poussières peuvent également se loger dans l'échangeur thermique au cours de la durée de vie de l'appareil et engendrer des pertes 25 de charge, il est important de pouvoir déterminer cette perte d'efficacité énergétique. L'alarme de mauvais fonctionnement de l'installation liée aux pertes de charge non gérées par la fonction de dégivrage se situe de préférence sur le tableau de contrôle de l'installation et peut se présenter sous différentes formes, par exemple sous la forme d'un voyant lumineux clignotant ou d'une alarme sonore, sans sortir du cadre de l'invention. Plusieurs variantes de la pompe à chaleur ici décrite sont possibles, il peut par exemple être imaginé de conserver un capteur de température sur le fluide frigorigène, selon la technique classique, et de prendre en compte ses mesures en association avec les mesures provenant du manostat et de la sonde de température au niveau du module de décision, cela sans sortir du cadre de l'invention. Le manostat de pression différentielle peut être placé à différents endroits dans la pompe à chaleur et peut éventuellement être remplacé par un autre ensemble de capteurs fournissant les mêmes indications de perte de charge sans sortir du cadre de l'invention. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés à titre d'exemples, mais elle comprend aussi tous les équivalents techniques ainsi que leurs combinaisons. REVENDICATIONS1- Pompe à chaleur comprenant un évaporateur (1) présentant un échangeur thermique (2), une chambre de dépression (9) et un extracteur d'air (4), caractérisée par le fait qu'elle comporte un dispositif permettant d'évaluer la perte de pression du flux d'air traversant ledit évaporateur (1). 2- Pompe à chaleur selon la revendication 1 dans laquelle le dispositif est un manostat (7) permettant d'évaluer la différence de pression de part et d'autre de l'échangeur thermique (2) de l'évaporateur (1). 3- Pompe à chaleur selon la revendication 2 dans laquelle le manostat (7) est associé à un module de décision permettant de déterminer la quantité d'air qui traverse l'évaporateur (1) et si cette quantité est suffisante pour le bon fonctionnement et un rendement correct de ladite pompe à chaleur. 4- Pompe à chaleur selon la revendication 3 dans laquelle le module de décision est capable d'interagir avec l'automate de commande de la pompe à chaleur de manière à déclencher un cycle de dégivrage en fonction des données captées par le manostat (7). 5- Pompe à chaleur selon la revendication 4 comportant en outre un capteur relié au module de décision permettant l'arrêt du cycle de dégivrage 20 et la remise en marche du mode de chauffage. 6- Pompe à chaleur selon la revendication 5 dans laquelle le capteur est une sonde de température (8). 7- Pompe à chaleur selon la revendication 6 dans laquelle la sonde de température (8) est placée sur le bas de l'échangeur thermique (2) et à 25 l'intérieur de la chambre de dépression (9). 8- Pompe à chaleur selon la revendication 7 dans laquelle la sonde de température (8) est réglable entre 5°C et 15°C. 9- Pompe à chaleur selon l'une quelconque des revendications 6 à 8 dans laquelle le module de décision déclenche une alarme de mauvais fonctionnement si la quantité d'air qui traverse l'évaporateur n'est pas suffisante mais que la température indiquée par la sonde de température (8) est correcte. 10- Pompe à chaleur selon l'une quelconque des revendications 2 à 9 dans laquelle le manostat (7) est placé dans la chambre de dépression (9).