Brevet FR3055252A1 — publié le 20180302

Système de traitement d'air pour un véhicule de transport terrestre, véhicule comprenant un tel système, et procédé de traitement d'air L'invention concerne un système de traitement d'air pour un véhicule de transport terrestre, notamment ferroviaire, ainsi qu'un véhicule de transport terrestre comprenant un tel système. L'invention concerne également un procédé de traitement d'air pour un véhicule de transport terrestre. Dans les véhicules ferroviaires, il est connu d'implanter des systèmes de traitement d'air, notamment de climatisation, incluant des unités de traitement d'air dans chacun des compartiments passagers et une machine frigorifique permettant de produire des frigories, c'est-à-dire de l'énergie calorifique négative apte à refroidir un environnement en extrayant la chaleur de l'intérieur du véhicule et en la rejetant à l'extérieur du véhicule. Lors du passage des véhicules dans des endroits fermés, tels que des tunnels, le rejet de chaleur à l'extérieur du véhicule provoque un échauffement de l'air des tunnels, ce qui provoque une augmentation constante de la température des tunnels. Pour résoudre ce problème, il est connu, notamment de WO-A-2005/014365 et WO-A-2005/025959, d'équiper les véhicules ferroviaires d'unités de stockage de frigories, par exemple sous forme de glace ou de liquide conservés à une température prédéterminée, afin de fournir la source froide nécessaire à la climatisation du véhicule lors du passage dans un tunnel sans mettre en oeuvre la machine frigorifique et ainsi rejeter de la chaleur dans le tunnel. Dans WO-A-2005/014365, l'unité de stockage de frigories doit être rechargée régulièrement notamment en glace, tandis que dans WO-A-2005/025959, le matériau servant à stocker les frigories est une glace produite lors de la circulation du véhicule à l'air libre à l'aide d'une unité de production spécifique utilisant notamment des produits chimiques tels que du glycol. De telles solutions techniques présentent l'inconvénient d'impliquer des unités de stockage de frigories peu pratiques, et nécessitant un rechargement régulier en produits spécifiques, utilisés pour produire le froid nécessaire au refroidissement lors du passage dans des tunnels. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant un nouveau système de traitement d'air pour un véhicule de transport terrestre, notamment ferroviaire, dans lequel le froid nécessaire lors du passage dans des tunnels est obtenu de façon plus économique et efficace par rapport aux techniques de l'art antérieur. 3055252 2 A cet effet, l'invention concerne un système de traitement d'air pour un véhicule de transport terrestre, notamment ferroviaire, comprenant : - une ou plusieurs unités de traitement d'air réparties dans le véhicule, - une machine frigorifique alimentant en frigories les unités de traitement d'air, 5 - une unité de stockage de frigories adaptée pour être chargée par la machine frigorifique et fournir des frigories aux unités de traitement d'air lorsque le véhicule circule dans un lieu fermé ou partiellement clos. Ce système est caractérisé en ce que la machine frigorifique est adaptée pour fournir des frigories aux unités de traitement d'air indépendamment de l'unité de stockage 10 de frigories et pour charger l'unité de stockage de frigories lorsque le véhicule circule à l'air libre. Grâce à l'invention, le froid utilisé lors du passage dans des lieux fermés ne nécessite pas de matières spécifiques et met uniquement en oeuvre des composants qui sont déjà présents dans le véhicule, de par l'utilisation de la machine frigorifique qui est 15 prévue pour la circulation à l'air libre et dont la production de froid excédentaire est utilisée pour recharger l'unité de stockage de frigories. Selon des aspects avantageux mais non obligatoire de l'invention, un tel système peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises selon toute combinaison techniquement admissible : 20 - Le système de traitement d'air comprend un dispositif de contrôle adapté pour déterminer si le véhicule circule dans un lieu fermé/partiellement clos ou à l'air libre. - Le système de traitement d'air comprend un dispositif de contrôle adapté pour enclencher la production de frigories par la machine frigorifique si l'unité de stockage de froid présente une charge nulle. 25 - Le système de traitement d'air comprend un dispositif de contrôle adapté pour mesurer la température extérieure au véhicule, la température de l'air présent à l'intérieur du véhicule dans les espaces réservés aux personnes, et déterminer la quantité de frigories à délivrer par la machine frigorifique ou l'unité de stockage de frigories. - La capacité de l'unité de stockage de frigories est dimensionnée de manière que 30 l'unité de stockage de frigories puisse être entièrement rechargée par la machine frigorifique lorsque le véhicule circule à l'air libre ou se trouve dans un lieu de recharge et que l'unité de stockage de frigories puisse fournir des frigories pendant tout le temps de circulation du véhicule dans un lieu fermé/partiellement clos. L'invention concerne également un véhicule de transport terrestre, notamment 35 ferroviaire, comprenant un système de traitement d'air tel que mentionné ci-dessus. 3055252 3 L'invention concerne également un procédé de traitement d'air pour un véhicule de transport terrestre, équipé d'un système de traitement d'air incluant : - une ou plusieurs unités de traitement d'air, - une machine frigorifique alimentant en frigories les unités de traitement d'air, 5 - une unité de stockage de frigories adaptée pour être chargée par la machine frigorifique et fournir des frigories aux unités de traitement d'air lorsque le véhicule circule dans un lieu fermé ou partiellement clos. Ce procédé est caractérisé en ce qu'il comporte une étape consistant à permettre à la machine frigorifique de fournir des frigories aux unités de traitement d'air 10 indépendamment de l'unité de stockage de frigories et à charger l'unité de stockage de frigories par la machine frigorifique lorsque le véhicule circule à l'air libre. Selon un aspect avantageux mais non obligatoire de l'invention, le procédé comprend des étapes consistant à : a) mesurer la température externe et la température de l'air extrait de l'intérieur 15 du véhicule; b) calculer une température de consigne et une charge de refroidissement correspondante; c) déterminer si le véhicule est dans un lieu fermé ou partiellement clos ; d) si le véhicule est à l'air libre, fournir la charge de refroidissement déterminée à 20 l'étape b) à partir de la machine frigorifique et stocker l'excédent dans l'unité de stockage de frigorifies ; e) si le véhicule est dans un lieu clos ou partiellement clos, mesurer l'état de charge de l'unité de stockage de frigories; f) si l'état de charge de l'unité de stockage de frigories est de l'ordre de zéro, 25 fournir la charge frigorifique à partir de la machine frigorifique ; g) si l'état de charge de l'unité de stockage de frigories est supérieur à zéro, fournir la charge frigorifique à partir de l'unité de stockage de frigories. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaitront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un système de traitement d'air 30 conforme à son principe, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue d'un véhicule ferroviaire conforme à l'invention, incorporant un système de traitement d'air conforme à l'invention, dans une première configuration ; - la figure 2 est une vue similaire à la figure 1, pour une deuxième configuration ; 35 - la figure 3 est un schéma logique d'une méthode de contrôle du système de traitement d'air conforme à l'invention. 3055252 4 Les figures 1 et 2 représentent une partie d'un véhicule ferroviaire M, dans le cas présent un métro. Le véhicule ferroviaire peut également être en variante un train, un tramway ou tout autre type de véhicule roulant sur un chemin de fer et l'invention s'applique également à tout autre type de véhicule de transport terrestre roulant sur terre, 5 sur route, tel qu'un bus, un camion, une voiture, un véhicule minier, etc et susceptible de circuler alternativement à l'air libre et dans des lieux fermés ou partiellement clos. La partie du véhicule M représentée sur les figures 1 et 2 est plus spécifiquement une voiture faisant partie d'une rame de métro. Cette voiture est adaptée pour accueillir des passagers et le véhicule M comprend à cet effet un système de traitement d'air 1 qui 10 inclut des unités de traitement d'air 2 reparties dans le métro M, dont plusieurs dans la voiture représentée dans cet exemple. Chacune de ces unités de traitement d'air 2 comprend un échangeur et des moyens de ventilation non représentés, permettant d'extraire un flux d'air ambiant F1 de l'intérieur du métro M, et d'insuffler un flux d'air neuf F2 traité et refroidi potentiellement 15 par son passage dans l'échangeur de chaque unité 2. Le système de traitement d'air 1 comprend une machine frigorifique 4 qui est implantée, dans cet exemple, dans une partie basse 6 du métro M. La machine frigorifique 4 est adaptée pour faire circuler, dans les échangeurs des unités de traitement 2, un fluide frigorigène refroidi de manière à faire régner dans l'espace intérieur du métro M une température prédéfinie. 20 En fonctionnement, la machine frigorifique 4 absorbe la chaleur du flux d'air extrait F1 du volume intérieur du métro 6 et la rejette à l'extérieur du véhicule M, selon le principe classique d'une climatisation. Ce fonctionnement ne présente pas d'inconvénients lorsque le véhicule ferroviaire M circule dans un espace situé à l'air libre, comme c'est le cas sur la figure 1. La machine frigorifique 4 rejette dans ce cas un flux d'air chaud F3 à 25 l'extérieur. En revanche, lorsque le véhicule M circule dans un espace fermé ou semi-clos, tel qu'un tunnel, ou une station souterraine, la chaleur rejetée à l'extérieur du véhicule M augmente considérablement et de façon cumulative la température de l'espace fermé ou semi-clos dans lequel le véhicule M circule. 30 Le système de traitement d'air 1 comprend donc une unité de stockage de frigories 8. L'unité 8 est également, dans cet exemple, implantée dans la partie basse 6 et est adaptée pour être rechargée en frigories par la machine frigorifique 4. L'unité de stockage de frigories 8 et la machine frigorifique 4 sont à cet effet reliées par un circuit de fluide frigorigène comprenant deux conduites 10a et 10b. Les conduites 10a et 10b permettent 35 l'envoi de fluide frigorigène vers l'unité 8 pour le stockage de frigories, tandis que du fluide frigorigène réchauffé est renvoyé vers la machine frigorifique 4. 3055252 5 La machine frigorifique 4 est adaptée pour fournir le fluide frigorigène aux unités de traitement d'air 2 indépendamment de l'unité de stockage de frigories 8. Ainsi, même si l'unité de stockage de frigories 8 a un taux de charge nul, la machine frigorifique 4 est capable de fournir directement une quantité suffisante de fluide caloporteur aux unités de 5 traitement d'air 2. Ce type de fonctionnement, représenté sur la figure 1, a lieu lorsque le véhicule M circule à l'air libre. L'approvisionnement en fluide frigorigène refroidi est représenté par la flèche F4, tandis que le retour du fluide frigorigène réchauffé après relâchement de ses frigories dans l'air neuf F2 est représenté par une flèche F5. Lorsque les besoins des unités de traitement d'air 2 sont couverts par la puissance 10 frigorifique de la machine frigorifique 4, le surplus de frigories produit par la machine frigorifique 4 est stocké dans l'unité de stockage de frigories 8. Le fluide frigorigène refroidi est dirigé selon la flèche F6 dans la conduite 10b vers l'unité 8, et en ressort après avoir libéré ses frigories selon la flèche F7 dans la conduite 10a. L'unité de stockage de frigories 8 peut mettre en oeuvre tout type de moyens de 15 stockage de frigories, tels que par exemple de l'eau distillée, de l'eau minérale, de l'eau normale de réseau, des matériaux à changement de phase. Ce moyen de stockage va récupérer des frigories de fluides frigorigènes tels que des gaz de réfrigération (R134A, R407C, 1234YF, R22, R410, R744, R513...), des fluides caloporteur ou frigoporteur (tels que eau glycolée qui est une eau normale de réseau à laquelle on a ajouté un certain 20 pourcentage de glycol. Au sens strict, les glycols sont des diols dans lesquels les deux groupes hydroxyle sont portés par des atomes différents de carbone, habituellement mais pas nécessairement vicinaux. Le glycol est également un synonyme du plus simple de ces glycols, l'éthylène glycol (ou éthane-1,2-diol, HOCH2-CH2OH) qui est un diol vicinal. Il s'agit du plus important diol industriel, largement utilisé comme antigel. Le propylène 25 glycol a aussi de nombreux usages industriels (pharmaceutique, agropharmaceutique, aéronautique, etc.) et est moins toxique. Cette liste est non exhaustive et peut comprendre aussi un fluide type temper Base d'acétate et formiate de potassium. D'autres types de frigoporteurs peuvent être utilisés comme le friogel, le temper, etc. Lorsque le véhicule M passe dans un endroit dont la température moyenne 30 évoluera sous l'effet de la chaleur dégagée par une machine frigorifique, c'est-à-dire un endroit fermé ou partiellement clos, tel qu'un tunnel, les frigories stockées dans l'unité de stockage 8 sont fournies aux unités de traitement d'air 2, tandis que les échanges de chaleur opérés par la machine frigorifique 4 sont stoppés. Une telle configuration est représentée à la figure 2. Les frigories sont dirigées vers les unités de traitement d'air 2 35 via la machine frigorifique 4 sans y subir d'échanges thermiques. La circulation du fluide frigorigène dans les conduites 10a et 10b est inversée, les frigories étant transférées 3055252 6 selon la flèche F8 dans la conduite 10b, et le fluide frigorigène réchauffé redirigé vers l'unité 8 selon la flèche F9 par la conduite 10a. L'intérieur du véhicule M est donc refroidi sans que de la chaleur soit rejetée à l'extérieur du véhicule M et ne réchauffe la température ambiante du tunnel. 5 Selon une variante non représentée, lorsque l'unité de stockage de frigories 8 fournit les unités de traitement d'air 2, un circuit de fluide frigorigène complétement découplé de la machine frigorifique 4 et directement raccordé aux unités de traitement d'air 2 peut être mis en oeuvre. Le système 1 comprend un dispositif de contrôle 11 adapté pour déterminer si le 10 véhicule M circule dans un lieu fermé ou à l'air libre, par exemple par captation de pression, par caméra, par positionnement GPS, etc. Le dispositif de contrôle 11 est également adapté pour enclencher la production de frigories par la machine frigorifique 4 si l'unité de stockage de frigories 8 présente une charge nulle. 15 Le dispositif de contrôle 11 est adapté pour mesurer la température extérieure au véhicule M, ainsi que la température de l'air ambiant présent à l'intérieur du véhicule M, et déterminer la quantité de frigories à délivrer par la machine frigorifique 4 ou l'unité de stockage de frigories 8 pour obtenir une température de confort dans l'intérieur du véhicule M. 20 La capacité de l'unité de stockage de frigories 8 est dimensionnée de manière que l'unité de stockage de frigories 8 puisse être entièrement rechargée par la machine frigorifique 4 lorsque le véhicule M circule à l'air libre ou se trouve dans une zone dite de recharge (station, dépôt...), et que l'unité de stockage de frigories 8 puisse fournir des frigories pendant tout le temps de circulation du véhicule ferroviaire M dans un lieu fermé 25 ou partiellement clos. Le système 1 est mis en oeuvre dans le cadre d'une méthode de contrôle fonctionnant par itérations de calcul, dont le fonctionnement est décrit ci-après en relation avec la figure 3. A chaque itération, la température externe, c'est-à-dire la température à l'extérieur 30 du véhicule, et la température de l'air extrait de l'intérieur du véhicule M sont mesurées dans une étape 101. Dans une seconde étape 102, une température de consigne est calculée sur la base des températures externe et interne mesurées à l'étape 101. La température de l'air extrait à l'intérieur du véhicule M est comparée à la température de consigne, et cette comparaison permet de déterminer une charge de refroidissement qui 35 indique la quantité de frigories à fournir pour obtenir la température de consigne dans l'espace interne du véhicule M. Dans une troisième étape 103, l'algorithme détermine, en 3055252 7 utilisant l'un ou l'autre des moyens décrits ci-dessus, si le véhicule M est dans un tunnel. Si le véhicule M n'est pas dans un tunnel, la charge de refroidissement est supportée, dans une étape 104, par la machine frigorifique 4. L'excédent de charge frigorifique produite par la machine frigorifique 4 et qui n'est pas nécessaire au refroidissement de la 5 température interne du véhicule est stocké dans l'unité de stockage de frigories 8. Dans le cas où l'étape 103 détermine que le véhicule M est dans un tunnel, l'état de charge de l'unité de stockage de frigories 8 est mesuré dans une étape 105. Si à l'étape 105 l'état de charge de l'unité de stockage de frigories 8 est de l'ordre de 0, la charge de refroidissement est supportée par la machine frigorifique 4, dans une étape 10 106. Si l'état de charge est supérieur à 0, la charge de refroidissement est supportée par l'unité de stockage de frigories 8, dans une étape 107. Les étapes 101 à 107 sont de préférence déclenchées par le dispositif de contrôle 11, en utilisant des liaisons de communication électronique non représentées. En variante non représenté, les diverses configurations de fonctionnement du 15 système de traitement d'air 1 peuvent être déclenchées par des dispositifs de contrôle distincts. 20 REVENDICATIONS1. Système de traitement d'air (1) pour un véhicule de transport terrestre, notamment ferroviaire (M), comprenant : - une ou plusieurs unités de traitement d'air (2) réparties dans le véhicule (M), - une machine frigorifique (4) alimentant en frigories les unités de traitement d'air (2), - une unité de stockage de frigories (8) adaptée pour être chargée par la machine frigorifique (4) et fournir des frigories aux unités de traitement d'air (2) lorsque le véhicule (M) circule dans un lieu fermé ou partiellement clos, caractérisée en ce que la machine frigorifique (4) est adaptée pour fournir des frigories aux unités de traitement d'air (2) indépendamment de l'unité de stockage de frigories (8) et pour charger l'unité de stockage de frigories (8) lorsque le véhicule (M) circule à l'air libre. 2. Système de traitement d'air selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de contrôle (11) adapté pour déterminer si le véhicule (M) circule dans un lieu fermé/partiellement clos ou à l'air libre. 3. Système de traitement d'air selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de contrôle (11) adapté pour enclencher la production de frigories par la machine frigorifique (4) si l'unité de stockage de froid (8) présente une charge nulle. 4. Système de traitement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de contrôle (11) adapté pour mesurer la température extérieure au véhicule (M), la température de l'air présent à l'intérieur du véhicule (M) dans les espaces réservés aux personnes, et déterminer la quantité de frigories à délivrer par la machine frigorifique (4) ou l'unité de stockage de frigories (8). 5. Véhicule de transport terrestre (M) comprenant un système de traitement d'air selon l'une des revendications précédentes. 6. Procédé de traitement d'air pour un véhicule de transport terrestre (M), équipé d'un système de traitement d'air (1) incluant : - une ou plusieurs unités de traitement d'air (2), 3055252 9 - une machine frigorifique (4) alimentant en frigories les unités de traitement d'air (2), et - une unité de stockage de frigories (8) adaptée pour être chargée par la machine frigorifique (4) et fournir des frigories aux unités de traitement d'air (2) lorsque le véhicule 5 (M) circule dans un lieu fermé ou partiellement clos, caractérisé en ce qu'il comporte une étape consistant à permettre à la machine frigorifique (4) de fournir des frigories aux unités de traitement d'air (2) indépendamment de l'unité de stockage de frigories (8) et à charger l'unité de stockage de frigories (8) par la machine frigorifique (4) lorsque le véhicule (M) circule à l'air libre. 10