Brevet FR3049697A1 — publié le 20171006

SYSTEME DE RAFRAI CHI SSEMENT, CLI MATI SATI ON OU CHAUFFAGE A UNI TES SEPAREES L'invention concerne un système de rafraichissement, climatisation ou chauffage d'un bâtiment basé sur le principe de la pompe à chaleur et utilisant l'air extérieur comme source d'énergie thermique. Le système est du type à unités d'échange thermique séparées dans lesquelles, d'une part, le compresseur, l'organe de détente et le premier échangeur dans lequel circule l'air extérieur et, d'autre part, le deuxième échangeur sont répartis dans deux unités d'échange thermique distinctes et à distance l'une de l'autre. Lorsqu'un tel système est installé dans le but de rafraichir, climatiser ou chauffer un bâtiment (habitation..), l'une des unités d'échange thermique, 10 appelée unité extérieure, est placée à l'extérieur du bâtiment tandis que l'autre unité est placée à l'intérieur du bâtiment. Généralement, ce type d'unité extérieure comporte un évaporateur, une entrée d'air sur une première face et une sortie d'air sur une deuxième face opposée à la première. 15 Il est connu que sur les pompes à chaleur, le dégivrage peut être assuré par une inversion de cycle au moyen d'une vanne 4 voies sur le circuit frigorifique. La dite vanne réalise la permutation entre l'évaporateur et le condenseur du circuit frigorifique. Pendant cette opération, de l'énergie doit être apportée au condenseur qui s'est transformé en évaporateur. 20 Actuellement, la stratégie en cas de dégivrage de l'évaporateur de l'unité extérieure est d'inverser le cycle frigorifique et de prélever l'énergie du dégivrage dans au moins un circuit hydraulique du réseau de chauffage. Il est connu, que sur les appareils 2 services assurant la fonction chauffage et la fonction production d'eau chaude sanitaire, une vanne 25 directionnelle 3 voies est utilisée pour assurer la commutation des circuits hydrauliques au condenseur, celui-ci pouvant être irrigué par le circuit chauffage ou circuit sanitaire. Usuellement, le basculement d'une vanne 3 voies entre le circuit ECS (Eau Chaude Sanitaire) et le chauffage est utilisé pour cette fonction, sur les 30 appareils assurant ces deux services. La mise en oeuvre de 2 pompes peut également assurer la même fonction. 3049697 2 Cette stratégie fonctionne bien avec un échangeur (condenseur) qui comporte un gros volume d'eau, comme par exemple un échangeur coaxial dans un ballon tampon du type de celui décrit dans la demande EP2080975, mais présente en revanche des risques de gel avec des échangeurs à faible 5 volume, du type échangeurs à plaques par exemple et/ou des installations de chauffage à très faible volume. Dans ce dernier cas, la conception hydraulique de l'installation doit prévoir un système assurant dans toutes les situations une circulation du fluide chauffage et un volume minimum de celui-ci. Une solution habituelle est d'indiquer un volume d'eau minimum pour l'installation et si nécessaire de placer un ballon tampon sur le retour du condenseur. La sécurité de fonctionnement de l'appareil est associée à un contrôle de débit d'eau. Les règles de l'art stipulent aussi qu'une installation de chauffage avec un régulateur centralisé, ce qui est par exemple le cas d'un système de pompe à chaleur, doit comprendre au moins un émetteur de chaleur, usuellement un radiateur, muni d'un robinet non thermostatique, ce qui n'empêche pas l'usager de fermer ledit robinet mais évite sa fermeture automatique par élévation de la température de l'air de la pièce. Cet arrangement présente quelques inconvénients : Si le débit d'eau sur l'installation est faible ou nul, dans le cas par exemple d'une vanne thermostatique et de robinets fermés, il existe un risque de gel de l'échangeur (condenseur) lors du dégivrage. Le risque augmente sur des installations à faible volume d'eau. Ce risque est accentué en mi-saison ou dans les habitations sensibles à l'ensoleillement ou par la présence d'appareils de chauffage individuels impliquant par exemple du bois: dans ce cas, en l'absence de besoin de chauffage des locaux, le basculement en dégivrage intervient souvent lors d'une charge sanitaire et le circuit de chauffage peut être complètement fermé. Lors d'une mise en route par temps froid, il est nécessaire de préchauffer la boucle de chauffage avec les appoints électrique afin de garantir la disponibilité de suffisamment d'énergie pour un éventuel 3049697 3 dégivrage. Ceci est contraignant, mal vécu par l'installateur et source de gaspillage d'énergie. Un système de rafraichissement, climatisation ou chauffage selon 5 l'invention permet de s'affranchir des inconvénients relevés dans l'état de la technique, en proposant notamment d'assurer le dégivrage de l'unité extérieure, quelle que soit la géométrie et les caractéristiques de l'environnement hydraulique du condenseur. Pour la suite de la description, il est important de préciser que les 10 expressions « dégivrage de l'unité extérieure » et « dégivrage de l'évaporateur » sont équivalentes. L'invention a pour objet un système de rafraichissement, climatisation ou chauffage d'un bâtiment comprenant un circuit de chauffage et un circuit d'eau chaude doté d'un ballon d'eau chaude, ledit système étant basé sur le 15 principe de la pompe à chaleur utilisant l'air comme source extérieure et comportant une unité d'échange thermique extérieure dotée d'un évaporateur et une unité intérieure possédant un condenseur. La principale caractéristique d'un système selon l'invention est que le dégivrage de l'évaporateur est réalisé par une inversion de cycle de l'unité 20 extérieure et au moyen d'un prélèvement de l'énergie calorifique dans le ballon d'eau chaude via le condenseur de l'unité intérieure. L'unité d'échange thermique extérieure assure un échange thermique avec l'air extérieur et comporte au moins un échangeur thermique sous la forme d'un évaporateur. Un système selon l'invention est ainsi apte à assurer un dégivrage de cet 25 évaporateur grâce à un prélèvement de l'énergie calorifique dans le ballon d'eau chaude via le condenseur de l'unité interne. Le dégivrage de cet évaporateur est habituellement réalisé au moyen du condenseur de l'unité intérieure raccordé au circuit de chauffage, qui présente des risques de gel s'il est de trop petite taille. En ayant recours à l'eau chaude stockée dans le 30 ballon, le condenseur du circuit de chauffage n'est plus exposé au gel. Cependant, il n'est pas exclu que le circuit de chauffage puisse se substituer totalement ou partiellement au circuit d'eau chaude sanitaire pour assurer de 3049697 4 façon transitoire, le dégivrage de l'évaporateur de l'unité d'échange thermique extérieure. En effet, le fait d'assurer le dégivrage de l'évaporateur principalement avec le circuit de circulation de l'eau chaude ne signifie que ce dégivrage ne puisse pas être réalisé avec le circuit de chauffage lors de 5 périodes bien identifiées. De façon préférentielle, le circuit de chauffage est un circuit hydraulique. Préférentiellement, une unité de commande pilote les différents flux d'eau chaude présents dans le bâtiment, afin notamment d'acheminer l'eau chaude stockée dans le ballon vers le condenseur transformé en évaporateur. Avantageusement, le circuit d'eau chaude est un 10 circuit d'eau chaude sanitaire. Préférentiellement, un système selon l'invention comprend une vanne apte à gérer les deux circuits, le dégivrage de l'évaporateur étant réalisé par un basculement de la vanne vers le circuit d'eau chaude conjointement à l'inversion de cycle. De cette manière, lorsqu'un besoin en dégivrage de 15 l'évaporateur est détecté, simultanément à l'inversion de cycle de l'unité extérieure, une unité de commande pilote la vanne de manière à envoyer de l'eau chaude stockée dans le ballon d'eau sanitaire vers le condenseur du circuit transformé en évaporateur par l'inversion de cycle, afin de lui transmettre l'énergie nécessaire au dégivrage de l'évaporateur de l'unité 20 extérieure, qui lui fonctionne en condenseur pendant le dégivrage. De façon avantageuse, l'envoi de l'eau chaude stockée dans le ballon vers le condenseur peut s'effectuer via un échangeur intermédiaire, comme par exemple un serpentin. Selon un autre mode de réalisation préféré d'un système selon 25 l'invention, ledit système comprend deux pompes aptes à gérer les deux circuits, le dégivrage de l'évaporateur de l'unité extérieure étant réalisé conjointement à l'inversion du cycle frigorifique, par un basculement de la pompe chauffage vers la pompe du circuit d'eau chaude assurant la permutation des sources chaudes dudit cycle. 30 L'invention a pour autre objet un procédé de dégivrage d'un évaporateur d'une unité extérieure d'un système selon l'invention. 3049697 5 La principale caractéristique d'un système selon l'invention est qu'il comprend les étapes suivantes, une étape de basculement des deux circuits vers le circuit d'eau chaude, 5 une étape de dégivrage par inversion du cycle, de l'évaporateur de l'unité d'échange thermique extérieure avec l'énergie apportée au condenseur par l'eau chaude stockée dans le ballon. Il est à noter que le basculement des deux circuits vers le circuit d'eau 10 chaude peut par exemple être réalisé au moyen d'une vanne et/ou de pompes. Avantageusement, un procédé selon l'invention comprend une étape de contrôle de la température de l'eau sanitaire stockée dans le ballon. Cette étape de contrôle de la température de l'eau chaude sanitaire stockée dans le ballon vise à vérifier que ladite eau est bien apte à assurer le dégivrage de 15 l'évaporateur de façon complète et satisfaisante. L'étape de contrôle peut par exemple être réalisée au moyen de mesures, réalisées avec des sondes de température conventionnelles. De façon préférentielle, un procédé selon l'invention comprend une étape de chauffage préliminaire de l'eau présente dans le ballon, si la 20 température contrôlée dans le ballon est inférieure à une valeur seuil prédéterminée. En effet, si l'étape de contrôle révèle que la température de l'eau n'est pas suffisamment élevée, alors un procédé de dégivrage selon l'invention met en oeuvre une étape complémentaire de chauffage de l'eau pour la porter à une température suffisante et lui permettre d'assurer avec 25 satisfaction le dégivrage de l'évaporateur. Préférentiellement, l'étape de chauffage préliminaire du ballon est réalisée au moyen d'un dispositif de résistance électrique. Il s'agit d'un moyen de chauffage simple, éprouvé et bien maitrisé. De façon avantageuse, si la température contrôlée dans le ballon est 30 inférieure à une valeur seuil prédéterminée, ledit procédé comprend une étape d'utilisation du circuit de chauffage comme source chaude pour assurer le 3049697 6 dégivrage de l'évaporateur de l'unité extérieure. En effet, si les conditions ne sont pas réunies au niveau du ballon d'eau chaude, alors le circuit de chauffage peut être sollicité pour assurer temporairement le dégivrage de l'évaporateur, en attendant que le ballon d'eau chaude devienne opérationnel. 5 Avantageusement, la température seuil du ballon est fonction d'au moins un paramètre à choisir parmi les caractéristiques de l'unité d'échange thermique extérieure, la capacité du ballon et un condenseur placé sur le circuit d'eau et le circuit de chauffage. Cette température seuil est fixée en tenant compte de l'environnement du circuit de chauffage et de l'eau chaude 10 sanitaire, des caractéristiques structurelles et fonctionnelles de l'unité d'échange thermique extérieure, de la capacité du ballon et des caractéristiques du condenseur de l'unité intérieure. L'invention a pour autre objet un bâtiment comprenant un système conforme à l'invention et permettant la mise en oeuvre d'un procédé selon 15 l'invention. La principale caractéristique d'un bâtiment selon l'invention, est que l'étape de dégivrage de l'unité extérieure est réalisée à partir d'une unité de commande qui est apte à sélectionner le circuit de chauffage ou le circuit d'eau chaude pour assurer ledit dégivrage. Un tel bâtiment possède ainsi une double 20 possibilité de dégivrage de l'unité extérieure, l'une par l'intermédiaire du circuit de chauffage, l'autre par l'intermédiaire du circuit d'eau chaude. Avantageusement, ces deux circuits peuvent ainsi être utilisés en alternance, pour assurer une même phase de dégivrage de l'évaporateur. Selon un autre mode de réalisation, l'un des deux circuits peut être préféré à l'autre circuit 25 pour assurer la totalité de la phase de dégivrage, en fonction de paramètres économiques ou pour des raisons d'efficacité et de rendement. En effet, dans le cas d'une prévision d'un fort besoin en eau chaude, c'est le circuit de chauffage qui sera privilégié pour assurer le dégivrage de l'évaporateur et ainsi préserver l'eau chaude pour son usage originel. 30 Avantageusement, la sélection du circuit est fonction d'au moins un paramètre à choisir parmi la température de l'eau chaude, la température du 3049697 7 circuit de chauffage, le débit de chauffage, et la plage horaire d'utilisation dudit circuit. Un système de rafraichissement, climatisation ou chauffage selon l'invention présente les avantages suivants, 5 Il rend moins sensible les pompes à chaleur à une mauvaise définition du réseau hydraulique qui risquerait d'entrainer une casse du condenseur par gel, par exemple en cas d'absence de soupape différentielle ou by-pass, ou de boucle ouverte sur un réseau avec radiateurs (têtes thermostatiques), 10 Il garantit le débit d'eau et évite le gel de l'échangeur lors d'un dégivrage, S'il est placé sur un réseau à très faible volume d'eau, il est possible de trouver l'énergie du dégivrage dans le ballon d'eau chaude sanitaire, 15 Sa mise en oeuvre peut être facilitée par temps froid au moyen d'une stratégie reposant sur un chauffage préliminaire du ballon d'eau chaude sanitaire, puis sur une autorisation de fonctionnement du module thermodynamique pour le chauffage, même si la température du circuit hydraulique de chauffage est basse. Il n'existe ainsi plus de 20 risque de gel dans l'échangeur lors du dégivrage, Il évite un inconfort provoqué par la chute de température de départ en mode chauffage lors des dégivrages (particulièrement avec des générateurs à faible inertie ou de type ventilo-convecteurs en combinaison ou non avec des faibles volumes), 25 Lors des périodes de production d'eau chaude sanitaire uniquement, par exemple à mi-saison, il permet d'éviter d'envoyer dans le circuit de chauffage le volume d'eau à assez haute température de l'échangeur au moment du basculement de la vanne en mode dégivrage, et donc de provoquer des gênes utilisateurs pour des trains 30 de chaleur dans les radiateurs alors qu'il n'y a pas de besoin chauffage, il améliore l'efficacité de la production d'eau chaude sanitaire : l'énergie contenue dans l'échangeur au moment du basculement de la 3049697 8 vanne en mode dégivrage est envoyé dans le circuit de chauffage et est donc perdue pour l'eau chaude sanitaire. Une partie est donc récupérable par le ballon. De plus, avec un échangeur incluant un ballon tampon (coaxial) et selon les conditions du circuit de chauffage, 5 l'échangeur est refroidi plus que nécessaire par le flot de retour chauffage. On peut donc envisager de moduler le dégivrage entre 0 100 % sur l'eau chaude sanitaire ou le circuit de chauffage afin de minimiser la consommation globale du système. Cette logique doit être associée à une sécurité du débit du circuit de chauffage (basculement 10 de la vanne sur l'eau chaude sanitaire). Les cycles de dégivrage sur ECS, accentueront la stratification du ballon et contribueront à l'amélioration de l'efficacité sur les relances. On donne, ci-après, une description détaillée d'un mode de réalisation 15 préféré d'un bâtiment selon l'invention ainsi que d'un procédé de dégivrage selon l'invention en se référant à la figure 1. La figure 1 est une vue schématique d'un bâtiment selon l'invention comprenant un système de dégivrage selon l'invention. En se référant à la figure 1, un bâtiment 1 selon l'invention comprend 20 un système de rafraichissement, climatisation ou chauffage possédant basé sur un circuit de chauffage 2 et un circuit d'eau chaude sanitaire 3 doté d'un ballon 4 d'eau chaude sanitaire, ledit système étant basé sur le principe de la pompe à chaleur, utilisant l'air comme source extérieure. Un tel système comprend conventionnellement une vanne 5 trois voies apte à piloter ledit 25 circuit de chauffage 2 et ledit circuit d'eau chaude sanitaire 3. Le bâtiment 1 comprend une unité d'échange 6 thermique extérieure permettant d'assurer un échange thermique avec l'air extérieur, ladite unité 6 comportant au moins un échangeur thermique sous la forme d'un évaporateur et une vanne d'inversion de cycle. Ledit bâtiment 1 comprend également une unité 30 intérieure possédant un condenseur 8. Le circuit de chauffage 2 comprend le condenseur 8 et est apte à alimenter en eau chaude des éléments de chauffage tels que par exemple des radiateurs 10 du bâtiment 1. 3049697 9 L'évaporateur de l'unité extérieure 6 étant susceptible de subir des phases d'accumulation de givre au cours des différentes phases de fonctionnement du système de rafraichissement, climatisation ou chauffage, doit subir des phases de dégivrage pour demeurer opérationnel. 5 Ces phases de dégivrage étaient assurées jusqu'à présent par le condenseur 8 de l'unité intérieure. Or, il s'est avéré que lorsque ledit condenseur 8 avait un faible volume, il risquait de geler ou de dégrader la température dans le circuit de chauffage 2. Un procédé de dégivrage de l'unité extérieure selon l'invention, met en 10 oeuvre, le condenseur 8 et le ballon 4 d'eau chaude sanitaire. Il est supposé qu'un tel procédé est piloté par une unité de commande. Un tel procédé comprend les étapes suivantes, une étape de contrôle de la température de l'eau stockée dans le ballon 4 afin de comparer ladite température à une température seuil 15 prédéterminée. Cette étape peut consister en une étape de mesure de la température de l'eau stockée dans le ballon 4, au moyen de sondes de température conventionnelles. Si la température seuil n'est pas atteinte, une étape de préchauffage du ballon peut être réalisée au moyen par exemple de résistances chauffantes 9 conventionnelles. 20 Selon la logique choisie, une vérification des conditions de fonctionnement du circuit de chauffage peut également avoir lieu afin d'autoriser le fonctionnement thermodynamique. une étape de détection d'un besoin en dégivrage de l'évaporateur de l'unité extérieure 6, 25 une étape de dégivrage de l'évaporateur de l'unité extérieure 6. Lors de cette étape de dégivrage, la vanne 5 est pilotée par l'unité de commande de manière à basculer vers le circuit 3 d'eau chaude sanitaire et envoyer cette eau chaude vers le condenseur 8, conjointement à l'inversion du cycle frigorifique de l'unité extérieure 6. 30 Ainsi, le dégivrage de l'unité extérieure est assuré par un prélèvement de l'énergie calorifique dans le ballon 4 d'eau chaude sanitaire, 3049697 10 Le procédé de dégivrage ci-avant décrit est exclusivement réalisé par l'utilisation à la source chaude du circuit frigorifique de l'eau chaude stockée dans le ballon 4. Il est à préciser qu'un tel procédé est piloté par une unité de commande apte à prendre en compte tous les paramètres inhérents au 5 fonctionnement du ballon, comme par exemple la température, la pression et le volume de l'eau présent dans ledit ballon 4, ainsi que les paramètres caractérisant à un instant donné, tous les différents éléments constituant la pompe à chaleur, et en particulier l'unité extérieure 6. Cette unité de commande permet également de piloter la vanne 5 afin de faire fonctionner le 10 circuit de chauffage 2 et/ou le circuit d'eau chaude sanitaire 3. Puisque le bâtiment 1 est doté d'un circuit de chauffage 2 et d'un circuit d'eau chaude sanitaire 3, le dégivrage de l'unité extérieure 6 peut être réalisé en utilisant comme source chaude indifféremment lesdits deux circuits 2, 3. De cette manière, les deux circuits 2, 3 peuvent être utilisés en 15 alternance sur une période donnée, pour assurer une même phase de dégivrage de l'unité extérieure 6 sur ladite période. Selon une autre alternative d'utilisation desdits circuits 2, 3, un seul desdits circuits 2, 3 est retenu pour assurer le dégivrage de l'unité extérieure 6, le choix dudit circuit 2, 3 étant dicté par des contraintes, telles que par exemple la prévision d'une 20 utilisation sanitaire importante, un chauffage important du bâtiment 1, par exemple par temps froid. REVENDICATIONS1. Système de rafraichissement, climatisation ou chauffage d'un bâtiment (1) comprenant un circuit de chauffage (2) et un circuit d'eau chaude (3) doté d'un ballon (4) d'eau chaude, ledit système étant basé sur le principe de la pompe à chaleur utilisant l'air comme source extérieure et comportant une unité d'échange thermique extérieure (6) dotée d'un évaporateur et une unité intérieure possédant un condenseur, caractérisé en ce que le dégivrage de l'évaporateur est réalisé par une inversion de cycle de l'unité extérieure et au moyen d'un prélèvement de l'énergie calorifique nécessaire audit cycle dans le ballon (4) d'eau chaude via le condenseur de l'unité interne. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une vanne (5) apte à gérer les deux circuits (2, 3), et en ce que le dégivrage de l'évaporateur de l'unité extérieure (6) est réalisé conjointement à l'inversion du cycle frigorifique, par un basculement de la vanne (5) vers le circuit d'eau chaude (3), assurant la permutation des sources chaudes dudit cycle. 3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux pompes aptes à gérer les deux circuits (2, 3), et en ce que le dégivrage de l'évaporateur de l'unité extérieure (6) est réalisé conjointement à l'inversion du cycle frigorifique, par un basculement de la pompe chauffage vers la pompe du circuit d'eau chaude (3) assurant la permutation des sources chaudes dudit cycle. 4. Procédé de dégivrage d'un évaporateur d'une unité extérieure (6) d'un système selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes, une étape de basculement des circuits (2, 3) vers le circuit d'eau chaude (3), une étape de dégivrage par inversion du cycle, de l'évaporateur de l'unité d'échange thermique extérieure (6) avec l'énergie 3049697 12 apportée au condenseur par l'eau chaude stockée dans le ballon (4). 5. Procédé de dégivrage selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de contrôle de la température de l'eau stockée 5 dans le ballon (4), 6. Procédé de dégivrage selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de chauffage préliminaire de l'eau présente dans le ballon (4), si la température contrôlée dans le ballon (4) est inférieure à une valeur seuil prédéterminée. 10 7. Procédé de dégivrage selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'étape de chauffage préliminaire du ballon (4) est réalisé au moyen d'un dispositif de résistance électrique (9). 8. Procédé de dégivrage selon la revendication 5, caractérisé en ce que si la température contrôlée dans le ballon (4) est inférieure à une valeur 15 seuil prédéterminée, ledit procédé comprend une étape d'utilisation du circuit de chauffage (2) comme source chaude pour assurer le dégivrage de l'évaporateur de l'unité extérieure (6). 9. Procédé de dégivrage selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que la température seuil du ballon (4) est fonction 20 d'au moins un paramètre à choisir parmi les caractéristiques de l'unité d'échange thermique extérieure (6), la capacité du ballon (4) et un condenseur (8) placé sur le circuit d'eau (3) et le circuit de chauffage (2). 10.Bâtiment (1) comprenant un système conforme à l'une quelconque des 25 revendications 1 ou 2 permettant la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que l'étape de dégivrage de l'unité extérieure (6) est réalisée à partir d'une unité de commande qui est apte à sélectionner le circuit de chauffage (2) ou le circuit d'eau chaude (3) pour assurer ledit dégivrage. 30 11.Bâtiment selon la revendication 10, caractérisé en ce que la sélection du circuit (2, 3) est fonction d'au moins un paramètre à choisir parmi la 3049697 13 température de l'eau chaude, le débit de chauffage, la température du circuit de chauffage (2) et la plage horaire d'utilisation dudit circuit (2, 3). 5