Brevet FR2960622A1 — publié le 20111202

i Système de chauffage avec pompe à chaleur monobloc extérieur à capteur évaporateur 1. Domaine de l'invention Le domaine de l'invention est celui des pompes à chaleur. Plus précisément, l'invention concerne un tel dispositif qui comprend des capteurs évaporateurs solaires atmosphériques, le système de pompe à chaleur à compression associé et l'émetteur de chaleur intérieur adapté. 2. Art antérieur Diverses technologies associant le solaire et les pompes à chaleur ont été io proposées dans le but de réduire la consommation d'énergie requise pour chauffer l'eau ou l'air. On connaît déjà des systèmes de pompes à chaleur avec capteurs évaporateurs aérosolaires utilisés comme source froide tel le brevet Jacques BERNIER N°8312117 du 21 juillet 1983. is Une telle installation en plusieurs éléments est particulièrement avantageuse en ce sens que sa mise en oeuvre conduit à réaliser des économies non négligeables en terme de consommation en énergie électrique requise pour la production d'eau chaude sanitaire. Les fluides frigorigènes utilisés sont des fluides de sécurité de type chloro- 20 fluoro-carbures, hydro-chloro-fluoro-carbures ou encore hydro-fluoro-carbures avec un potentiel d'effet de serre compris entre 1300 kg et 3800 kg de CO2 par kilogramme de fluide frigorigène. 3. Inconvénients de l'art antérieur Ces systèmes ne sont pas monoblocs et comportent une partie frigorifique 25 placée à l'intérieur des bâtiments obligeant à la fois le montage et la mise en service de la pompe à chaleur sur chantier et interdisent par ailleurs l'utilisation d'hydrocarbures comme fluide frigorigène. Le montage est relativement complexe et peut conduire à des fuites de fluide lors de l'utilisation de raccords frigorifiques à opercule ; en effet, ces raccords sont 30 assez délicats d'utilisation. Le personnel assurant la mise en oeuvre et la maintenance doit être qualifié frigoriste ce qui limite énormément les possibilités de développement des systèmes actuels de pompe à chaleur. De plus les quantités de fluides frigorigènes mises en oeuvre imposent un contrôle annuel d'étanchéité des installations. Les fluides frigorigènes utilisés dans ces systèmes ont une action néfaste sur l'effet de serre et sur la couche d'ozone. 4. Objectifs de l'invention Le premier objectif de l'invention est de proposer un système de pompe à chaleur facile à installer et permettant de réaliser jusqu'à 75% d'économie d'énergie. C'est d'une manière générale un but de l'invention de fournir en kit une installation de chauffage par pompe à chaleur ne présentant pas les défauts des installations connues. Le système assure le chauffage d'un liquide destiné à alimenter au moins un io radiateur à eau chaude, un ventilo convecteur ou encore l'échangeur d'un ballon d'eau chaude sanitaire. La conception monobloc extérieur autorise l'utilisation d'hydrocarbures comme fluide frigorigène tels l'isobutane, le propane ou autres ce qui élimine l'action directe néfaste sur la couche d'ozone et sur l'effet de serre. 15 Le système monobloc intègre les autres composants de la pompe à chaleur à l'intérieur d'un caisson permettant de sécuriser le système. L'installation du système est très facilitée et peut être réalisée par du personnel non qualifié frigoriste. L'unité extérieure monobloc est fixée sur le mur. Le caisson comporte un 20 orifice permettant de passer à l'intérieur du bâtiment les deux tuyaux de chauffage et l'alimentation électrique. Des pattes de fixation permettent d'éloigner le capteur évaporateur de la cloison et de bénéficier ainsi de la convection naturelle de l'air extérieur sur la face arrière du capteur évaporateur. Précédemment, aucun système simple de pompe à chaleur n'était adapté au 25 remplacement de convecteurs électriques existants, le système proposé permet de le faire tout en simplifiant à l'extrême l'installation. 5. Exposé de l'invention L'invention sera bien comprise par la description qui suit faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels : 30 - La figure 1 est un schéma d'une installation selon l'invention dans laquelle le caisson abritant les autres composants est placé sur le côté du capteur évaporateur. - La figure 2 représente en vue de dessus un exemple de montage d'une installation selon l'invention couplée à un radiateur à eau chaude. - La figure 3 représente en vue de côté un exemple de montage sur site d'une installation selon l'invention couplée à un radiateur à eau chaude. - La figure 4 représente en vue de côté un exemple de montage sur site d'une installation selon l'invention couplée à un ballon de production d'eau chaude 5 sanitaire. - La figure 5 représente en vue de côté un exemple de montage sur site d'une installation selon l'invention couplée à un ventilo-convecteur à eau chaude. - La figure 6 représente une variante de la figure 2 concernant la position du capteur évaporateur. Io - La figure 7 est un schéma d'une installation selon l'invention dans laquelle le caisson abritant les autres composants est placé au milieu du capteur évaporateur. - La figure 8 et la figure 9 représentent un exemple de montage sur site de l'installation de la figure 7. 15 - La figure 10 représente une installation selon l'invention comportant plusieurs capteurs évaporateurs reliés au caisson compresseur par des tuyauteries souples. - La figure 11 représente l'installation de la figure 10 telle qu'elle se trouvera dans son emballage d'expédition. 20 Une installation de pompe à chaleur monobloc extérieur à capteur évaporateur selon l'invention, figure 1, comporte un ou plusieurs capteurs évaporateurs (11) raccordés à un caisson thermodynamique (10) par l'intermédiaire de deux canaux d'entrée (20) et de sortie (21). Les capteurs (11) sont, dans un mode de réalisation préférée, réalisés en aluminium laminé avec canaux intégrés selon le procédé "Roll- 25 bond" utilisé dans la fabrication des réfrigérateurs ménagers. Le circuitage intégré des panneaux pourra être similaire à celui décrit dans le brevet Jacques BERNIER N°8312117 du 21 juillet 1983. Dans d'autres réalisations, les capteurs (11) pourront être en acier, en acier inoxydable en cuivre ou autre matériau sur lequel seront sertis, brasés ou intégrés des canaux permettant de distribuer le fluide frigorigène de 30 façon équilibrée dans le panneau tout en favorisant les échanges thermiques. La dimension des panneaux (11) sera par exemple de 0,80x2m. Les panneaux (11) sont pliés sur les côtés afin de rigidifier l'ensemble et permettre leur fixation contre le mur du bâtiment par l'intermédiaire de pattes de fixation (34, 36). Un côté du panneau est fixé sur un caisson(10) fermé, métallique de préférence, à l'intérieur duquel sont placés les autres éléments du circuit frigorifique à compression. Les pattes de fixation (34, 36) du capteur (11) permettent de maintenir un espace de 10 à 20 cm entre l'arrière du panneau et le mur afin de laisser circuler l'air extérieur par convection sur l'arrière du panneau. Le caisson (10) quand à lui de forme parallélépipédique sera fixé directement de façon étanche sur le mur du bâtiment. Deux orifices (25, 26) permettent le passage des tubes de chauffage face côté mur, un autre passage sera réalisé à proximité pour l'alimentation électrique de l'appareil. A l'intérieur du caisson (10) est placé un compresseur frigorifique (12) de type à piston, rotatif, à spirales ou autre , il pourra être également de type à vitesse variable lo "Inverter". Le système frigorifique monobloc sera chargé d'usine en fluide frigorigène. Le fluide frigorigène utilisé dans le circuit sera de préférence du type hydrocarbure tel le R-600a, le R-290, ou du type R-134a ou autre. Le compresseur (12) aspire par l'intermédiaire de la tuyauterie (19) les vapeurs formées dans le capteur (11) sortant du canal (21). Il dirige par la tuyauterie (13) les gaz comprimés 15 haute pression vers le condenseur (14) où ceux-ci se condensent en cédant la chaleur au circuit de chauffage. Le liquide frigorigène formé est envoyé vers le filtre déshydrateur réservoir (16) par la tuyauterie (15). Le liquide frigorigène est ensuite détendu par le détendeur (17), de préférence de type thermostatique ou électronique, puis injecté à basse pression dans le capteur (11) par les tuyauteries 20 (18, 20). Le liquide frigorigène se vaporise dans le capteur (11) en prélevant la chaleur du rayonnement solaire sur le capteur ainsi que la chaleur de l'air extérieur par convection naturelle mais aussi la chaleur prélevée à l'eau de pluie. Le circuit frigorifique sera complété par un pressostat de sécurité basse et haute pression installé de préférence sur le réservoir (16). Un orifice (29) permettra d'évacuer 25 directement à l'extérieur toute fuite éventuelle de gaz. Le condenseur (14) sera de préférence à plaques brasées, il échange la chaleur de condensation avec le liquide de chauffage circulant dans son autre circuit. Le liquide à chauffer arrive dans l'appareil par le passage (26), puis par la tuyauterie (27), il se réchauffe dans le condenseur (14) puis est propulsé vers la tuyauterie (23) par la pompe (22) avant 30 d'être envoyé chaud vers le bâtiment par le passage (25). Le liquide chauffé sera de l'eau ou du liquide antigel. Le circuit hydraulique est complété par un vase d'expansion (28) destiné à compenser la dilatation du liquide contenu dans l'appareil de chauffage situé à l'intérieur du bâtiment. Le volume du vase d'expansion sera de l'ordre de 0,5 litre. Un purgeur dégazeur automatique (24) sera placé en partie haute du circuit hydraulique, il est destiné à évacuer l'air du circuit hydraulique mais aussi le gaz frigorigène en cas de rupture des parois du condenseur (14) évitant ainsi que le gaz se propage à l'intérieur des locaux. II pourra être remplacé par une soupape de sécurité tarée à 3 bars. Le caisson (10) pourra comporter une cloison étanche séparant la partie frigorifique à frigorigène hydrocarbure de la partie hydraulique en liaison avec l'intérieur du bâtiment. Afin de limiter les bruits, le compresseur (12) sera fixé sur une tôle perforée, elle même posée sur le fond du caisson (10) après avoir intercalé un isolant acoustique (non représenté). Le caisson (10) sera par ailleurs isolé thermiquement afin de ne pas perdre la chaleur du compresseur et des autres io composants. Le caisson (10) comportera une façade démontable afin d'accéder aux divers composants et de permettre les raccordements hydrauliques et électrique. L'ensemble des composants hydrauliques pourra également être installé à l'intérieur du bâtiment au lieu d'être monté à l'extérieur dans le caisson (10). 15 La figure 2 et la figure 3 représentent un exemple de montage d'une installation selon l'invention couplée à un radiateur à eau chaude. Un trou est réalisé sur le mur extérieur (30) en face des passages (25, 26). La tuyauterie (31) alimente en partie haute en liquide chaud le radiateur (33), La tuyauterie de retour (32) renvoie le liquide refroidi vers le passage (26) de la pompe à chaleur monobloc. Le 20 radiateur ne comportera aucune vanne de réglage ou de fermeture. Seul un robinet de remplissage et de purge d'air pourra être installé en haut et un robinet de vidange en bas (non représentés). L'orifice réalisé dans le mur extérieur aura un diamètre de l'ordre de 50 mm et servira également à l'alimentation électrique de la pompe à chaleur monobloc ainsi qu'au raccordement du thermostat (35), ce dernier assurant 25 la mise en service du compresseur (12) et de la pompe de circulation (22) en fonction de la température souhaitée dans l'ambiance. Le thermostat (35) pourra être remplacé par une sonde de température dans le cas notamment de l'utilisation d'un compresseur à vitesse variable. Le thermostat (22) pourra intégrer un interrupteur marche/arrêt. 30 Le remplissage du circuit hydraulique sera effectué de préférence en liquide antigel au niveau haut du radiateur de façon gravitaire ou par tout autre moyen approprié. Le radiateur sera de type standard en acier ou en aluminium, sans vanne d'arrêt ni de réglage et sera calculé de préférence pour une émission maximum de température à 45°C. Dans le cas de remplacement d'un convecteur électrique par le système de pompe à chaleur monobloc couplé à un radiateur à eau chaude, l'alimentation électrique du convecteur sera conservée pour alimenter électriquement l'appareil et le radiateur sera ensuite placé à l'emplacement où se trouvait le convecteur. L'orifice réalisé dans le mur pour le passage de tuyauteries et câbles sera rebouché par exemple par de la mousse de polyuréthane. Le caisson (10) sera fixé sur le mur (30) de façon à rendre étanche à l'eau le raccordement à travers le mur. La figure 4 représente en vue de côté un exemple de montage sur site d'une installation selon l'invention couplée à un ballon de production d'eau chaude sanitaire. Le montage s'effectue comme pour celui du radiateur à eau chaude décrit ci avant. Un ballon d'eau chaude (40) avec échangeur (41) sera installé à l'intérieur du bâtiment. Les tuyauteries (31, 32) servent à l'alimentation en eau chaude de l'échangeur (41). Un thermostat (42) sera placé dans le doigt de gant du ballon, ce dernier assurant la mise en service du compresseur (12) et de la pompe de circulation (22) en fonction de la température souhaitée dans l'ambiance. Le thermostat (42) pourra être remplacé par une sonde de température dans le cas notamment de l'utilisation d'un compresseur à vitesse variable. Le thermostat (42) pourra intégrer un interrupteur marche/arrêt. Les tuyauteries (31, 32) seront calorifugées afin d'éliminer les pertes thermiques. Dans le local technique, un robinet de remplissage et de purge d'air pourra être installé en point haut et un robinet de vidange en bas (non représentés). La figure 5 représente en vue de côté un exemple de montage sur site d'une installation selon l'invention couplée à un ventilo-convecteur (50) à eau chaude. Le montage s'effectue comme pour celui du radiateur à eau chaude décrit ci avant. Le ventilo convecteur (50) comporte une batterie, généralement à ailettes, et un thermostat de commande agissant sur la mise en service du ventilateur de brassage. Il conviendra d'asservir la mise en service du compresseur (12) et de la pompe de circulation (22) en fonction de la température souhaitée dans l'ambiance affichée sur le thermostat du ventilo convecteur. La figure 6 représente une variante de la figure 2 concernant la position du capteur évaporateur. Dans ce cas, le caisson (10) est placé, pour des raisons d'esthétique, derrière le panneau capteur (11). La porte d'accès démontable du caisson (10) sera obligatoirement placée sur le côté de l'appareil ou sur le dessus. La figure 7 est un schéma d'une installation selon l'invention dans laquelle le caisson (61) abritant les autres composants est placé au milieu du capteur évaporateur (60), en partie basse, comme représenté sur le dessin, mais pourra l'être aussi en partie haute du panneau (60). Le capteur (60) est découpé au centre en bas (ou en haut suivant la configuration) afin de laisser libre l'accès aux divers composants du caisson (61). Les composants frigorifiques et hydrauliques sont placés horizontalement dans le caisson (61) au lieu de l'être verticalement comme cela l'était pour la figure 1. La configuration du circuit intégré du panneau capteur (60) est différente, l'alimentation en liquide frigorigène détendu s'effectue dans le io panneau par le canal (50) qui comporte un premier répartiteur (51). Des canaux (52i....52n) remontent verticalement le mélange liquide et vapeur frigorigène puis le renvoie vers des canaux horizontaux (53i....53n) où l'évaporation du liquide frigorigène augmente. Le mélange riche en vapeur descend vers des canaux (54i....54n) où l'évaporation se termine, le gaz est alors surchauffé puis recueilli par 15 le canal (55) avant aspiration par le compresseur. Une cloison étanche (35) pourra séparer le caisson (61) en une partie frigorifique et une partie hydraulique. Un orifice (29) sera pratiqué pour assurer la ventilation du compartiment thermodynamique en cas de perte de fluide frigorigène. Les passages (25, 26) permettent de relier le circuit de chauffage à l'intérieur du bâtiment. 20 La figure 8 et la figure 9 représentent un exemple de montage sur site de l'installation de la figure 7. Il est à remarquer que dans cet exemple, le capteur (60) est incliné de quelques degrés afin de mieux valoriser les apports solaires en hiver. Le caisson (61) comporte un panneau d'accès (37) situé en façade. Dans cette configuration, les pattes de fixation au mur supérieures (34) et inférieures (36) n'ont 25 pas la même longueur. Les pattes (34) auront une longueur de l'ordre de 15 cm et les pattes (36) une longueur de l'ordre de 22 cm. Le caisson (61) pourra avoir dans cette configuration une forme trapézoïdale. Les divers raccordements et explications de montage du système selon l'invention décrits pour les figures 1 à 6 sont applicables aux figures 7 à 9 et 30 réciproquement. La figure 10 représente une installation selon l'invention comportant plusieurs capteurs évaporateurs (62, 63, 64, 65) reliés au caisson compresseur (78) par des tuyauteries souples réalisées par exemple en tube cuivre recuit de diamètre '/4". L'alimentation en liquide des capteurs (62, 63, 64, 65) s'effectue à partir d'un 2960622 s distributeur de liquide (75) par des tuyauteries de même longueur respectivement (71,73, 67, 69). Le retour de vapeur des capteurs. (62, 63, 64, 65) s'effectue par des tuyauteries de même longueur respectivement (70, 72, 66, 68) reliées à un collecteur d'aspiration (74). 5 La figure 11 représente l'installation de la figure 10 telle qu'elle se trouvera dans son emballage d'expédition. Les tuyauteries d'alimentation en liquide ainsi que les tuyauteries de retour gaz des capteurs (62, 63, 64, 65) auront une longueur adaptée permettant de manipuler en souplesse et sans risque les panneaux pour les mettre de la position emballage de la figure 11 à la position installation de la figure Io 10. Le caisson (78) sera posé de préférence contre le mur du bâtiment pour assurer le raccordement du circuit de chauffage par les passages (76, 77). La conception du caisson (78) est dans son principe analogue à celle du caisson (10) de la figure 1 mais avec une puissance calorifique produite pouvant atteindre 8 kW et plus au lieu de 1 à 2 kW pour la version avec un seul capteur. is L'ensemble des composants hydrauliques pourra également ne pas être installé dans le caisson (78) mais être placé à l'intérieur du bâtiment à chauffer. Dans la version de la figure 10, les pattes de fixation (79) des capteurs comporteront deux trous de fixation placés à 10 cm et 15 cm du mur, le trou à 10 cm assurant la fixation de la partie horizontale en haut des capteurs (62, 63, 64, 65) et le 20 trou à 15 cm assurant la fixation de la partie horizontale en bas des capteurs. Une application particulièrement intéressante de l'invention est son utilisation dans la rénovation du chauffage électrique. Une autre application intéressante de l'invention est son utilisation dans l'habitat individuel, en neuf et en rénovation, afin d'assurer le chauffage central et la 25 production d'eau chaude sanitaire. L'installation trouvera une excellente application pour les systèmes de plancher chauffants. D'une manière générale et non limitative, l'invention s'applique dans tous systèmes nécessitant l'utilisation de la chaleur en hiver. L'invention peut également 30 être utilisée dans des systèmes de chauffage industriel, agricole ou tertiaire. REVENDICATIONS1. Système de chauffage par pompe à chaleur monobloc extérieur comprenant au moins un panneau capteur évaporateur à convection naturelle (11, 60, 62, 63, 64, 65) fixé sur un mur (30) par des pattes de fixation (34, 36, 79) l'éloignant de quelques centimètres du mur, le dit capteur étant raccordé à un compresseur (12) qui est placé dans un caisson (10, 61, 78) avec les autres composants frigorifiques, l'ensemble étant chargé en fluide frigorigène, le caisson (10, 61, 78) étant lui même en liaison avec le mur (30). 2. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'un radiateur à lo eau chaude (33) est raccordé à la pompe à chaleur monobloc extérieure par deux tuyauteries (31, 32) formant ainsi un système de chauffage individuel complet avec un thermostat d'ambiance (35). 3. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'un ballon d'eau chaude (40) comportant un échangeur (41) est raccordé à la pompe à chaleur 15 monobloc extérieure par deux tuyauteries (31, 32) formant ainsi un système de production d'eau chaude sanitaire complet avec un thermostat (42). 4. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'un ventiloconvecteur à eau chaude (50) est raccordé à la pompe à chaleur monobloc extérieure par deux tuyauteries (31, 32) formant ainsi un système de chauffage 20 individuel complet 5. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le fluide frigorigène est un hydrocarbure du type R-600a, R-290 ou autre. 6. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que les composants hydrauliques tels la pompe (22), le vase d'expansion (28) sont placés à l'intérieur du 25 caisson extérieur calorifugé (10, 61, 78) ou à l'intérieur du bâtiment, le purgeur dégazeur ou soupape (24) étant installé dans le caisson (10, 61, 78). 7. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'un orifice (29) est pratiqué en partie basse du caisson (10, 61, 78) pour évacuer à l'extérieur le gaz frigorigène en cas de fuite. 30 8. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'une cloison étanche (35) est placée dans le caisson (10, 61, 78) afin de séparer la partie hydraulique de la partie frigorifique. 9. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le compresseur (12) est à fréquence variable. 2960622 io 10.Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le capteur évaporateur (60) comporte une alimentation en liquide frigorigène détendu par le canal (50) puis un premier répartiteur (51), des canaux (521....52n) remontent verticalement le mélange liquide et vapeur frigorigène puis le renvoie vers des 5 canaux horizontaux (53i....53n) où l'évaporation du liquide frigorigène augmente. Le mélange riche en vapeur descend vers des canaux (541....54n) où l'évaporation se termine, le gaz est alors surchauffé puis recueilli par le canal (55) avant aspiration par le compresseur (12). 11. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que les capteurs io (62, 63, 64, 65...) sont reliés au caisson compresseur (78) par des tuyauteries souples afin de permettre l'emballage du système monobloc avec plusieurs capteurs (62, 63, 64, 65...), l'alimentation en liquide des capteurs (62, 63, 64, 65...) s'effectuant à partir d'un distributeur de liquide (75) par des tuyauteries de même longueur respectivement (71,73, 67, 69...), le retour de vapeur des capteurs (62, 63, 15 64, 65...) s'effectuant par des tuyauteries de même longueur respectivement (70, 72, 66, 68...) reliées à un collecteur d'aspiration (74).