Brevet FR3001029A1 — publié le 20140718

La présente invention se rapporte à un système de régulation dans une installation de climatisation du type à détente directe. Parmi les installations de climatisation que l'on peut implanter dans une habitation pour chauffer ou rafraîchir l'air ambiant des pièces qu'elle comprend, il existe des installations dites à détente directe. Une telle installation ne comprend qu'une seule boucle de fluide frigorigène circulant entre une source froide, par exemple de l'air extérieur, et une source chaude, par exemple un plancher chauffant hydraulique, et sur laquelle sont greffés un compresseur, un réducteur de pression encore communément appelé détendeur. Le fluide circule dans la boucle côté source froide au travers d'un échangeur de chaleur formant un évaporateur où il se vaporise en changeant d'état avec l'air extérieur, puis sa pression et sa température sont augmentées par le travail du compresseur afin qu'il puisse, dans la boucle côté source chaude, se condenser directement en circulant dans le plancher chauffant que constitue, dans notre exemple, la source chaude. Pour obtenir la régulation du fonctionnement d'une telle installation afin de contrôler la température de l'air à l'intérieur des pièces, il est connu de contrôler la température de l'air à l'entrée de l'évaporateur. On peut ainsi, en fonction de la mesure de cette température, agir sur la mise en route et l'arrêt du moteur d'entraînement du compresseur. On peut encore modifier la vitesse du moteur d'entraînement d'un ventilateur chargé de pulser l'air extérieur sur l'évaporateur. Il est également connu dans une installation de climatisation incluant une boucle dans laquelle circule un fluide caloporteur, tel que de l'eau, dans la source chaude, d'utiliser une vanne mélangeuse pour abaisser ou augmenter la température du fluide caloporteur en fonction de la température extérieure à l'habitation, de sorte que la température intérieure de l'habitation demeure constante. Cette régulation est communément appelée « loi d'eau ». Il est encore connu, dans une telle installation de climatisation pourvue d'une pompe à chaleur incluant une boucle d'eau additionnelle, de faire varier la vitesse du moteur du compresseur en fonction de l'écart mesuré entre une température de consigne et la température au départ de la boucle d'eau. Cette régulation est communément appelée « INVERTER » dans le métier de la climatisation. Partant de ce constat, le demandeur a cherché une solution simple à mettre en oeuvre pour obtenir une régulation de la température intérieure d'une l'habitation en utilisant cependant une installation de climatisation à détente directe. A cet effet, est proposé un système de régulation dans une installation de climatisation à détente directe destinée à être implantée dans une habitation, un bâtiment, comprenant une boucle unique de transport d'un fluide frigorigène entre une source froide et une source chaude et réciproquement, et sur laquelle sont greffés, un compresseur incluant un moteur d'entraînement, un réducteur de pression ; selon l'invention, le système de régulation comprend un capteur de mesure de la température de la source froide, raccordé à une unité de commande capable de faire varier la vitesse du moteur du compresseur en fonction de la mesure du capteur, de sorte que l'installation puisse délivrer à la source chaude, une puissance calorifique en relation avec la température de la source froide. La régulation est d'une construction économique. L'installation qui comprend une telle régulation est ainsi en mesure de transférer dans l'habitation, le bâtiment, la puissance calorifique en relation directe avec la température de la source froide. Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, le système de régulation comprend un second capteur de température raccordé à l'unité de commande et qui est prévu pour mesurer la température du fluide frigorigène à la sortie du compresseur afin que l'unité de commande puisse réguler en temps réel, la vitesse du moteur du compresseur pour calibrer finement et dans une boucle de calcul, la température réelle du fluide frigorigène à la sortie du compresseur. On affine ainsi la puissance calorifique fournie par l'installation à l'habitation, au bâtiment, en fonction de la température de la source froide. Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, le système de régulation comprend un troisième capteur de température raccordé à l'unité de commande et qui est prévu pour mesurer la température du fluide frigorigène à la sortie de la source chaude, afin que l'unité de commande puisse évaluer la puissance calorifique diffusée dans la source chaude, en mesurant l'écart de température entre la mesure fournie par le troisième capteur avec celle fournie par le second capteur, de sorte que l'unité de commande puisse moduler la vitesse du moteur du compresseur. On affine ainsi la puissance calorifique fournie par l'installation à l'habitation, au bâtiment, en fonction de la demande en énergie de la source chaude. Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, le système de régulation comprend un quatrième capteur de température raccordé à l'unité de commande et qui est destiné à être disposé dans l'habitation, le bâtiment, pour mesurer sa température intérieure, un thermostat raccordé à l'unité de commande, de sorte que l'unité de commande puisse, en comparant une température de consigne réglée par l'utilisateur sur le thermostat avec celle mesurée par le quatrième capteur de température, être en mesure de déclencher le fonctionnement de l'installation ou demander son arrêt. La mise en marche et l'arrêt du fonctionnement de l'installation sont rendus automatiques. Une installation comprenant un système de régulation fait aussi partie de l'invention. La source froide est constituée de l'air extérieur présent dans l'environnement de l'habitation, du bâtiment, et un échangeur de chaleur formant un évaporateur est implanté sur la boucle unique, et dans la source froide, pour vaporiser le fluide frigorigène. L'installation de l'invention peut utiliser une source d'énergie pratiquement inépuisable et facile à exploiter. Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, la source chaude de l'installation comprend des radiateurs hydrauliques et/ou une dalle dans laquelle a été intégré un plancher chauffant hydraulique. L'installation de l'invention est facile à implanter dans une habitation, un bâtiment. Un procédé de régulation du fonctionnement d'une installation de climatisation à détente directe fait encore partie de l'invention. L'installation est destinée à être implantée dans une habitation, un bâtiment, elle comprend une boucle unique de transport d'un fluide frigorigène entre une source froide et une source chaude et réciproquement,_et sur laquelle sont greffés, un compresseur incluant un moteur d'entraînement, un réducteur de pression. Selon l'invention, le procédé consiste à faire varier la puissance du compresseur en fonction de la température de la source froide, afin de modifier la pression de condensation du fluide frigorigène_dans un condenseur constitutif de la source chaude, pour réguler la température intérieure de l'habitation, du bâtiment. Le procédé de régulation d'une installation de climatisation à détente directe de l'invention est simple de mise en oeuvre. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec le dessin joint : La Fig. 1 représente un schéma montrant le fonctionnement d'une installation de climatisation à détente directe et sa régulation, selon l'invention. L'installation 100 de climatisation présentée sur la Fig. 1 est de type à détente directe, c'est-à-dire qu'une seule boucle d'un circuit fermé est utilisée pour transporter un fluide frigorigène entre une source froide d'où l'on extrait des calories et une source chaude où on les diffuse. L'installation 100 est destinée à être implantée dans une habitation, un bâtiment, pour rafraîchir ou réchauffer l'air confiné dans les pièces qui la composent. Elle comprend ainsi un circuit hydraulique C qu'il convient d'établir entre une source dite froide SF et une source dite chaude SC. La source froide SF prend la forme, dans l'exemple de réalisation présenté sur la Fig. 1, de l'air extérieur présent dans l'environnement de l'habitation, du bâtiment. La source chaude SC prend la forme, sur cette Fig. 1, de radiateurs hydrauliques R et/ou d'une dalle dans laquelle a été intégré un plancher chauffant PC hydraulique. Ce circuit hydraulique C comprend une tubulure formant une boucle et dans laquelle peut circuler le fluide frigorigène susceptible de changer épisodiquement d'état en transitant successivement dans les deux sources SC et SF. Dans l'invention, un radiateur hydraulique, un plancher chauffant hydraulique, est considéré comme un moyen de chauffage dans lequel circule le fluide frigorigène. Sur ce circuit C sont greffés, a minima, un compresseur 110 et un réducteur de pression 130. Le compresseur 110 est raccordé sur une branche du circuit C entre la source froide SF et la source chaude SC, si l'on considère le sens de circulation du fluide symbolisé par la flèche F, alors que le réducteur de pression 130 est raccordé sur une autre branche du circuit C entre la source chaude et la source froide si l'on considère encore le sens F de circulation du fluide. Le compresseur se compose d'un moteur d'entraînement, tel qu'un moteur électrique et d'un organe de compression du fluide, citons par exemple, le compresseur à palettes, le compresseur à vis, le compresseur à spirale. En fonctionnement, le fluide frigorigène se vaporise lorsqu'il reçoit, au travers de la tubulure les calories de la source froide, puis, il est compressé sous la forme de vapeur par le travail du compresseur et sa température augmente. Lorsqu'il circule ensuite dans la tubulure située du côté de la source chaude SC, il cède sa chaleur en se condensant dans les radiateurs R, dans la masse de la dalle du plancher chauffant PC. Les radiateurs R, le plancher chauffant PC, constituent un condenseur. Son passage au travers du réducteur de pression abaisse sa pression et il circule ensuite pour un nouveau cycle de captation et d'émission de calories. Pour augmenter la quantité de calories captées dans la source froide, le circuit C incorpore un serpentin qui est enroulé à l'intérieur d'un aérotherme 150 formant un échangeur de chaleur et plus précisément un évaporateur. Celui-ci comprend un caisson 152, une entrée d'air, une sortie d'air, un ventilateur 154 pour aspirer de l'air extérieur et le forcer à circuler autour du serpentin, avantageusement ceinturé d'ailettes pour favoriser l'échange thermique entre l'air et le fluide frigorigène. Les flèches A symbolisent la circulation de l'air sur le serpentin. La tubulure du plancher chauffant forme des méandres dans la dalle pour que le fluide frigorigène diffuse des calories de manière homogène dans ladite dalle. Le fonctionnement de l'installation 100 de climatisation est mis en oeuvre par l'intermédiaire d'un système de régulation 200 chargé de contrôler la puissance que l'installation 100 peut fournir à la source chaude en fonction de divers paramètres, afin de maintenir stable la température à l'intérieur de l'habitation, du bâtiment. Le système de régulation 200 comprend un capteur Ti de mesure de la température de la source froide SF et dans notre exemple de réalisation un capteur de mesure de la température de l'air extérieur. Il est raccordé à une unité de commande UC chargée, notamment, de réguler la vitesse du moteur d'entraînement du compresseur 110. L'unité de commande UC comprend un calculateur, un convertisseur de courant continu/alternatif, capable de faire varier la fréquence de rotation du moteur, une mémoire dans laquelle sont stockées des données d'une table de correspondance entre la température mesurée par le capteur T1 et une vitesse théorique du moteur correspondant à une température théorique du fluide frigorigène à la sortie du compresseur dans un environnement particulier. Ainsi, lorsque la température de la source froide baisse, la vitesse du compresseur est accrue augmentant de la sorte la pression dudit fluide à la sortie du compresseur et par conséquent sa température. L'installation 100 de climatisation peut alors délivrer dans l'habitation, le bâtiment, une quantité de calories par unité de temps en relation avec la température du fluide frigorigène mesurée à la sortie de la source froide SF. Le diagramme ci-dessous montre un exemple d'une correspondance entre ces deux paramètres pour une habitation particulière. +15 T1 °C -10 +25 +40 T° théorique du fluide en sortie de compresseur Plusieurs tables de correspondance peuvent être stockées dans la mémoire, élaborées, par exemple pour tenir compte de l'apport de chaleur fourni temporairement par une cheminée, un insert de chauffage. L'utilisateur peut alors choisir la table correspondant à un critère d'isolation, un apport annexe de chauffage dans son habitation. Le choix de la table peut être automatisé, par exemple, par une synchronisation avec une horloge, pour tenir compte, par exemple, du cycle diurne/nocturne pour apprécier les déperditions calorifiques de l'habitation au cours de la journée, d'une tarification du courant électrique : heures pleines / heures creuses. Un capteur d'ensoleillement, de pluie, de vent, peut être utilisé pour que l'unité de commande puisse sélectionner une table adéquate. On définit de la sorte un niveau de régulation de l'installation 100 dans lequel on fournit par unité de temps à la source chaude SC, la quantité de calories nécessaire et suffisante pour maintenir constante la température de l'habitation en fonction de ses caractéristiques (surface, niveau d'isolation, etc.) et de la température extérieure. Le système de régulation 200 peut comprendre un second capteur T2 de température, pour mesurer la température du fluide frigorigène à la sortie du compresseur 110. Le capteur T2 est implanté sur le circuit C. Il est raccordé à l'unité de commande UC afin que le calculateur puisse réguler en temps réel, la puissance du moteur du compresseur afin de calibrer finement et dans une boucle de calcul, la température réelle du fluide frigorigène à la sortie du compresseur 110. On affine ainsi la quantité de calories, par unité de temps, fournie à la source chaude en fonction de la température de la source froide, c'est-à-dire dans notre exemple, la température mesurée à l'extérieur. Le système de régulation 200 peut comprendre un troisième capteur T3 de température destiné à mesurer la température du fluide frigorigène à la sortie de la source chaude SC. Le capteur T3 est implanté sur le circuit C, en amont du réducteur de pression 130. Il est raccordé à l'unité de commande UC, de sorte que le calculateur puisse évaluer la consommation calorifique de la source chaude SC en mesurant l'écart de température entre la mesure fournie par le capteur T3 avec celle fournie par le capteur T2. L'unité de commande UC peut alors moduler la puissance du compresseur 110. Si au démarrage de l'installation 100, le calculateur constate, par exemple, que la dalle est relativement froide, consécutivement à un arrêt prolongé de l'installation, en mesurant un écart relativement important entre les températures des capteurs T3 et T2, l'unité de commande UC accroît la vitesse de rotation du moteur du compresseur, correspondant à une pression et une température plus élevées du fluide frigorigène refoulé par le compresseur. On réduit ainsi le temps de chauffe de l'habitation, du bâtiment. On définit de la sorte un second niveau de régulation du fonctionnement de l'installation en affinant la puissance calorifique fournie à l'habitation, au bâtiment. Le système de régulation 200 peut encore comprendre un quatrième capteur T4 de température et qui est disposé dans l'habitation, le bâtiment, pour mesurer sa température intérieure. Il est placé par exemple dans la pièce la plus froide. Il est raccordé à l'unité de commande UC. Le système de régulation 200 peut aussi comprendre un thermostat TT raccordé à l'unité de commande UC. En fonction d'une température de consigne réglée par l'utilisateur, l'unité de commande UC, en comparant cette température de consigne avec celle mesurée par le capteur T4 de température, est en mesure de déclencher le fonctionnement de l'installation 100 ou demander son arrêt si l'apport de calories nécessaire au maintien de la température dans l'habitation, le bâtiment, est temporairement nul. On remarquera que l'installation 100 de climatisation peut aussi fonctionner avec une autre source froide que l'air ambiant présent autour de l'habitation. Elle peut ainsi fonctionner avec un capteur géothermique, avec de l'eau d'une nappe phréatique, avec de l'eau de surface (rivière, étang, lac etc.), en tant que source froide. Comme source chaude, l'installation 100 peut encore fonctionner avec un ventilo-convecteur. Le système de régulation dans une installation de climatisation à détente directe de l'invention est d'une construction économique. Il régule, dans sa version la plus simple, la quantité de calories par unité de temps que fournit l'installation à l'habitation, au bâtiment, à l'aide d'un seul paramètre. L'installation 100 de climatisation décrite jusqu'alors est conçue pour transférer dans une habitation, un bâtiment, des calories pour la (le) chauffer. Une vanne d'inversion 160 peut être installée sur le compresseur 110 pour inverser le sens de circulation du fluide frigorigène dans ledit compresseur. Cette vanne est de préférence une vanne à quatre voies et à deux positions. Elle permet de rendre réversible le fonctionnement de l'installation 100 de sorte qu'elle puisse extraire des calories de la source chaude pour rafraichir les pièces de l'habitation, du bâtiment, et les rejeter à l'extérieur. Elle peut servir également à dégivrer le cas échéant, l'aérotherme. REVENDICATIONS1) Système de régulation (200) dans une installation (100) de climatisation à détente directe destinée à être implantée dans une habitation, un bâtiment, comprenant une boucle (C) unique de transport d'un fluide frigorigène entre une source froide (SF) et une source chaude (SC) et réciproquement, et sur laquelle sont greffés, un 5 compresseur (110) incluant un moteur d'entraînement, un réducteur de pression (130), caractérisé en ce qu'il comprend un capteur (T1) de mesure de la température de la source froide (SF), raccordé à une unité de commande (UC) capable de faire varier la vitesse du moteur du compresseur en fonction de la mesure du capteur (T1), de sorte que l'installation (100) puisse délivrer à la source chaude (SC), une puissance 10 calorifique en relation avec la température de la source froide. 2) Système de régulation (200) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un second capteur (T2) de température raccordé à l'unité de commande (UC) et prévu pour mesurer la température du fluide frigorigène à la sortie du compresseur (110) afin que l'unité de commande (UC) puisse réguler en temps réel, la 15 vitesse du moteur du compresseur pour calibrer finement et dans une boucle de calcul, la température réelle du fluide frigorigène à la sortie du compresseur (110). 3) Système de régulation (200) selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un troisième capteur (T3) de température raccordé à l'unité de commande (UC) et prévu pour mesurer la température du fluide frigorigène à la sortie de la 20 source chaude (SC), afin que l'unité de commande (UC) puisse évaluer la puissance calorifique diffusée dans la source chaude, en mesurant l'écart de température entre la mesure fournie par le troisième capteur (T3) avec celle fournie par le second capteur (T2), de sorte que l'unité de commande (UC) puisse moduler la vitesse du moteur du compresseur (110). 25 4) Système de régulation (200) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un quatrième capteur (T4) de température raccordé à l'unité de commande (UC) et qui est destiné à être disposé dans l'habitation, le bâtiment, pour mesurer sa température intérieure, un thermostat (TT) raccordé à l'unité de commande (UC), de sorte que l'unité de commande (UC) 30 puisse, en comparant une température de consigne réglée par l'utilisateur sur le thermostat (TT) avec celle mesurée par le quatrième capteur de température, être en mesure de déclencher le fonctionnement de l'installation (100) ou demander son arrêt. 5) Installation (100) comprenant un système de régulation (200) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la source froide (SF) est constituée de l'air extérieur présent dans l'environnement de l'habitation, du bâtiment, et en ce qu'un échangeur de chaleur (150) formant un évaporateur est implanté sur la boucle (C) et dans la source froide (SF), pour vaporiser le fluide frigorigène. 6) Installation (100) selon la revendication 5, caractérisée en ce que la source chaude (SC) comprend des radiateurs (R) hydrauliques et/ou une dalle dans laquelle a été intégré un plancher chauffant (PC) hydraulique. 7) Procédé de régulation du fonctionnement d'une installation (100) de climatisation à détente directe selon les revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il consiste à faire varier la puissance du compresseur en fonction de la température de la source froide, afin de modifier la pression de condensation du fluide frigorigène dans un condenseur (R ; PC) constitutif de la source chaude, pour réguler la température intérieure de l'habitation, du bâtiment.