Brevet FR3072767A1 — publié le 20190426

La présente invention concerne une machine thermodynamique destinée à capter des calories dans un milieu naturel pour les transférer, par exemple, dans un bâtiment pour le chauffer, dans un site industriel en utilisant les calories fournies par la machine, dans une piscine pour la chauffer. Une machine thermodynamique comprend généralement et comme cela apparaît sur la Fig. 1, une pompe à chaleur incluant : un évaporateur, un compresseur, un condenseur, un détendeur. Un circuit relie en boucle ces composants et dans lequel un fluide frigorigène y circule en changeant alternativement d'état, pendant le fonctionnement du compresseur et du détenteur. L'évaporateur est raccordé à un capteur destiné à puiser des calories dans une source de chaleur comme l'air, la terre, l'eau. Le condenseur est raccordé à un émetteur destiné à diffuser des calories, par exemple dans un plancher chauffant, dans un chauffe-eau dans une habitation, un équipement consommant des calories dans une installation industrielle. Dans un exemple d'utilisation avec un capteur de type "air", il arrive quand la température de l'air s'abaisse à quelques degrés au-dessus de 0 C°, et quand la température du fluide caloporteur qui circule en boucle dans le capteur est inférieure à 0 C°, que les tubes et les ailettes du capteur se mettent à givrer. La conséquence est que le givre forme une carapace au transfert des calories si bien que le captage des calories se réduit pour devenir pratiquement nul. Une solution connue et sans inverser le sens de fonctionnement de la pompe à chaleur, consiste à utiliser deux capteurs. L'un produit des calories pendant que l'autre est dégivré, ce qui permet de garantir une production continue de calories. Une telle invention est décrite notamment dans le brevet WO 2013017572 Al. Dans cette invention, la pompe à chaleur fonctionne à partir d'une source froide et comprend au moins deux systèmes échangeurs avec le fluide frigorigène et qui sont montés en parallèle, chaque système étant composé d'une première zone destinée au sous-refroidissement du fluide frigorigène et d'une deuxième zone d'échange de chaleur entourant la première et destinée au réchauffement par conduction thermique du fluide frigorigène. Lorsque la température extérieure est 2 supérieure à une valeur seuil, les systèmes échangeurs fonctionnent en même temps, le fluide frigorigène sous-refroidi dans la première zone des systèmes échangeurs est réchauffé dans la deuxième zone de chaque système après la détente, évitant ainsi les pics de puissance. Mais, lorsque la température extérieure descend, la pompe à 5 chaleur passe en mode de fonctionnement « hiver » : le fluide de frigorigène est sous- refroidi dans un premier système échangeur, le dégivrant au passage. Ce fluide sous-refroidi est ensuite réchauffé dans l'évaporateur d'un autre système échangeur. Cette conception permet, d'une part, d'améliorer le rendement de la pompe à chaleur dans tous les modes de fonctionnement, et, d'autre part, de dégivrer les systèmes 10 échangeurs alternativement, sans interruption du fonctionnement de la pompe à chaleur au niveau du condenseur, la fourniture de calories du condenseur vers le circuit de chauffage étant continue. Connaissant cet état de l'art, le demandeur a cherché à concevoir une machine thermodynamique utilisant également deux échangeurs mais qui puissent être 15 davantage éloignés de la pompe à chaleur. Un second but de l'invention est d'améliorer sa fiabilité en réduisant les sources de fuite de fluide frigorigène et en réduisant le volume de fluide frigorigène. A cet effet, est proposée une machine thermodynamique incluant une pompe à chaleur comprenant, au moins un compresseur, au moins un condenseur destiné à 20 délivrer des calories vers un émetteur de chaleur, un détendeur, un évaporateur, un premier circuit circulant en boucle entre ces composants, l'évaporateur étant destiné à prélever des calories en provenance de deux capteurs échangeurs de chaleur conçus pour capter des calories dans un milieu naturel pour les transférer dans ledit évaporateur via un second circuit et dont l'un des deux capteurs échangeurs de 25 chaleur est une batterie du type air/eau conçue pour capter des calories dans l'air ; selon l'invention, la machine thermodynamique comprend un échangeur de dégivrage raccordé dans la boucle du premier circuit et en aval du condenseur, un troisième circuit de dégivrage traversant ledit échangeur de dégivrage pour circuler en boucle au travers de ladite batterie via des vannes. 30 Dans la batterie air/eau circule avantageusement un fluide caloporteur non frigorigène tel que de l'eau, de l'eau glycolée ou un fluide équivalent. La batterie air/eau peut être éloignée de la pompe à chaleur. Ainsi, un relativement faible volume de fluide frigorigène est confiné dans la pompe à chaleur pour la faire fonctionner. 3 Les calories résiduelles que recèlent encore le fluide circulant dans le condenseur sont exploitées par sous-refroidissement, pour faire dégivrer, le cas échéant, la batterie. Les calories sont ainsi captées dans l'échangeur de dégivrage pour être transférées dans ladite batterie. 5 Le rendement global de la machine thermodynamique est accru. Elle peut fonctionner en continu, c'est-à-dire, produire des calories de manière continue pendant qu'elle dégivre la batterie. Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, les vannes sont deux vannes à quatre voies. 10 Ces deux vannes peuvent commuter les deux capteurs échangeurs de chaleur avec le second circuit de l'évaporateur ou commuter un capteur échangeur de chaleur avec le second circuit de l'évaporateur et commuter l'autre capteur échangeur de chaleur avec le troisième circuit de l'échangeur de dégivrage. Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, l'échangeur de 15 dégivrage est un échangeur tubulaire. En variante de réalisation, l'échangeur de dégivrage est un échangeur à plaques. Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, le compresseur, le condenseur, ainsi que l'évaporateur, l'échangeur tubulaire de dégivrage, les vannes, 20 sont montés dans un caisson. Le caisson est avantageusement fabriqué et testé en usine. Tous ces composants peuvent être raccordés par des canalisations en cuivre et par des raccords réalisés par brasure. La fiabilité de fonctionnement de la machine thermodynamique est certaine. 25 Le risque de fuite de fluide frigorigène est pratiquement nul. Sa conception participe à l'augmentation des performances environnementales. Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, le capteur échangeur de chaleur complémentaire de la batterie est un capteur de chaleur géothermique. 30 La machine thermodynamique utilise des calories contenues dans l'air et des calories contenues dans le sol, dans l'eau d'un lac, d'une nappe phréatique. En variante de réalisation, le capteur échangeur de chaleur complémentaire de la batterie est un capteur solaire thermique. 4 La machine thermodynamique utilise des calories contenues dans l'air et des calories fournies le jour par le soleil. 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 5 réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels : la Fig. 1 représente une vue schématique d'une pompe à chaleur connue de l'état de la technique, la Fig. 2 représente une vue schématique d'une machine thermodynamique 10 incluant une pompe à chaleur raccordée à deux capteurs échangeurs de chaleur du type batterie air/eau destinés à capter des calories dans l'air selon l'invention, la Fig. 3 représente une vue schématique d'une machine thermodynamique selon la Fig. 2 et dont les deux batteries fonctionnent ensemble pour fournir des calories à un évaporateur constitutif de la pompe à chaleur selon l'invention, 15 la Fig. 4 représente une vue schématique d'une machine thermodynamique selon la Fig. 2 et dont une batterie fonctionne pour fournir des calories à l'évaporateur de la pompe à chaleur et dont l'autre batterie est dégivrée par sous-refroidissement selon l'invention, la Fig. 5 représente une vue schématique d'une machine thermodynamique 20 incluant une pompe à chaleur raccordée à deux capteurs échangeurs de chaleur, dont l'un est du type batterie air/eau et dont l'autre est un capteur de chaleur géothermique selon l'invention et, la Fig. 6 représente une vue schématique d'une machine thermodynamique incluant une pompe à chaleur raccordée à deux capteurs échangeurs de chaleur, dont 25 l'un est du type batterie air/eau et dont l'autre est du type capteur solaire thermique selon l'invention. La machine thermodynamique 100 présentée sur la Fig. 2, est destinée à capter des calories dans un milieu naturel pour les transférer, par exemple, dans un bâtiment pour le chauffer, dans un site industriel utilisant les calories produites, dans 30 une piscine. Elle comprend une pompe à chaleur PAC incluant : - un échangeur évaporateur EPE, notamment un échangeur évaporateur à plaques, destiné à transférer des calories, - au moins un compresseur CP, 5 - au moins un échangeur condenseur EPC, notamment un échangeur condenseur à plaques, destiné à céder des calories vers au moins un émetteur El, par exemple un plancher chauffant, un chauffe-eau, - un détendeur DEE. 5 Un circuit Cl relie en boucle ces composants et dans lequel un fluide frigorigène y circule en changeant alternativement d'état, pendant le fonctionnement du compresseur CP et du détendeur. L'évaporateur EPE est raccordé en amont du compresseur CP, par l'intermédiaire d'un circuit de transfert C2, à deux batteries A et B. On note la 10 présence sur ce circuit C2 de deux vannes V4V1, V4V2, pour commuter l'une ou l'autre ou encore les deux batteries entre le circuit de transfert C2 et/ou un circuit de dégivrage C3. Sur cette Fig. 1, chaque vanne V4V est du type à quatre voies. Les vannes V4V peuvent encore être du type à deux voies, en nombre, par exemple de quatre ou de six. 15 Chaque batterie est dans cet exemple de réalisation, un capteur échangeur de chaleur du type batterie air/eau. Une pompe CE présente sur le circuit C2, fait circuler un fluide et qui est préférentiellement de l'eau, de l'eau glycolée ou un fluide équivalent dans ledit circuit C2, pendant le fonctionnement de ladite pompe. 20 Une pompe CD présente sur le circuit C3, fait circuler un fluide et qui est préférentiellement de l'eau, de l'eau glycolée ou un fluide équivalent dans ledit circuit C3, pendant le fonctionnement de ladite pompe. Chaque batterie A, B, est destinée à capter des calories dans l'air pour les transférer dans l'évaporateur EPE, via le fluide caloporteur circulant en boucle dans 25 le circuit de transfert C2 entre ladite batterie et ledit évaporateur. Chaque batterie constitue un échangeur thermique. Dans un mode de réalisation avantageux, chaque batterie comprend un caisson dans lequel serpente un tube de circulation du fluide caloporteur et qui est recouvert d'ailettes, pour capter efficacement des calories contenues dans l'air ambiant. 30 Les deux batteries A et B sont raccordées à l'évaporateur EPE pour lui transmettre des calories. Chaque batterie est équipée d'un ventilateur relié à un moteur électrique pour accroître le flux de calories échangé entre l'air ambiant et le fluide circulant dans le circuit de transfert C2. Le condenseur EPC est raccordé en aval du compresseur CP. 6 Le condenseur EPC cède ses calories via un circuit de distribution C4 à l'émetteur de chaleur El, tel qu'un plancher chauffant, un chauffe-eau. Le fonctionnement de la machine 100 se présente de la manière suivante. En référence à la Fig. 3, le compresseur CP, la pompe CE, la pompe CC ainsi que les 5 moteurs des deux ventilateurs, sont mis en fonctionnement. Les deux vannes V4V1 et V4V2 sont réglées de sorte que le fluide caloporteur circulant dans le circuit C2 puisse circuler en boucle dans l'évaporateur EPE, ainsi que dans les deux batteries A et B, via le circuit de transfert C2. Dans cette configuration de la machine 100, les deux batteries A et B peuvent fournir, 10 ensemble, des calories à l'évaporateur EPE. La position des vannes V4V est visualisée sur la vue de détail présente en bas et à droite de cette Fig. 3. La pompe CE fait circuler le fluide caloporteur dans le circuit de transfert C2 entre les deux batteries A, B et l'évaporateur EPE. Les deux batteries A et B sont raccordées en parallèle. Les calories que le fluide caloporteur contient sont 15 transférées, grâce à l'évaporateur EPE, dans le circuit Cl dans lequel le compresseur CP, élève la pression du fluide frigorigène, ce qui élève sa température. Le fluide sous pression est transféré dans le condenseur EPC, dans lequel une partie des calories qu'il transporte est transférée dans l'émetteur El via le circuit de distribution C4 et par l'intermédiaire d'une pompe CC. 20 Dans une seconde configuration de la machine 100 présentée sur la Fig. 4, les deux vannes V4V1 et V4V2 sont réglées pour, d'une part, permettre à une batterie, par exemple la batterie A sur cette Fig. 4, de fournir des calories à l'évaporateur EPE en la raccordant avec le circuit C2 afin que le fluide qu'il transporte puisse circuler en boucle dans l'évaporateur EPE et, d'autre part, de connecter la seconde batterie B 25 vers le circuit C3 de dégivrage. La position des vannes V4V est visualisée sur la vue de détail présente en bas et à droite de cette Fig. 4. La pompe CE fait circuler le fluide caloporteur dans le circuit C2 entre la batterie A ou B et l'évaporateur EPE. Les calories qu'il capte sont transférées dans le circuit Cl dans lequel le compresseur CP, élève la pression du fluide frigorigène, ce 30 qui élève sa température. Le fluide sous pression est transféré dans le condenseur EPC, dans lequel une partie de ses calories est transférée dans l'émetteur El via le circuit de distribution C4 et par l'intermédiaire de la pompe CC. Dans l'invention, les calories résiduelles que recèlent encore le fluide circulant dans le circuit Cl sont exploitées par sous-refroidissement, pour faire 7 dégivrer, le cas échéant, la seconde batterie B. De manière plus précise, le circuit Cl transite au travers d'un échangeur de dégivrage ETD raccordé en aval du condenseur EPC, et au travers duquel circule également le circuit de dégivrage C3. L'échangeur ETD permet de transférer des calories résiduelles issues du circuit Cl et non utilisées 5 dans le condenseur EPC, dans le circuit de dégivrage C3. L'échangeur ETD de dégivrage est, par exemple, un échangeur tubulaire ou bien encore un échangeur à plaques. Quand la pompe CD fonctionne, le fluide encore chaud circule en continu dans la batterie B pour la réchauffer et la dégivrer le cas échéant. Le fonctionnement 10 du ventilateur de la batterie B est préférentiellement interrompu. Pendant ce temps, la batterie A continue à fournir des calories. Le fonctionnement de la machine demeure continu. En alternant régulièrement le rôle de chaque batterie A et B par la commutation des vannes V4V, par exemple en utilisant une horloge, une unité de régulation équipée d'une sonde de température extérieure, une sonde hygrométrique, 15 la machine 100 peut fonctionner en continu quelle que soit la température de l'air. Le rendement global de la machine est amélioré. La présence de l'évaporateur EPE au plus près du compresseur permet d'utiliser un faible volume de fluide frigorigène dans la pompe à chaleur. Compte tenu que les batteries A et B sont dissociées de l'échangeur tubulaire 20 de dégivrage ETD et de l'évaporateur EPE, elles peuvent être éloignées suffisamment de la pompe à chaleur PAC pour les rendre invisibles, compte tenu de la nature du fluide qui circule dans celles-ci (eau ou eau glycolée ou un fluide équivalent). Pour encore mieux les dissimuler, on peut enterrer les deux batteries A et B, en créant cependant une entrée d'air et une sortie d'air. On peut aussi utiliser un piège 25 à bruit pour réduire le niveau sonore des ventilateurs en fonctionnement. La machine thermodynamique de l'invention est par sa construction relativement simple à installer et à régler. Les deux batteries A et B peuvent ainsi être installées par un technicien conventionnel, tel qu'un plombier/chauffagiste. Les compétences d'un frigoriste ne 30 sont pas nécessaires. Le réglage du fonctionnement des batteries est également simplifié par rapport à une installation fonctionnant avec un fluide frigorigène. Le volume du fluide frigorigène est relativement peu important et le fluide est confiné dans une partie de la machine contenant les composants de la pompe à 8 chaleur, c'est-à-dire, le compresseur CP, le condenseur EPC, le détendeur, l'évaporateur EPE et qui peut être proposé sous la forme d'un caisson construit en usine, testé et livré prêt à être raccordé. Le caisson contient encore et avantageusement, l'échangeur tubulaire de 5 dégivrage ETD, ainsi que les vannes V4V. Tous les raccordements fluidiques des composants dans ce caisson sont réalisés par l'intermédiaire de canalisations métalliques, par exemple en cuivre et dont les raccords sont brasés, procurant une grande fiabilité de fonctionnement à la machine 100. Le risque de fuite du fluide frigorigène devient pratiquement nul. 10 Sa conception participe à l'augmentation des performances environnementales. Dans une première variante de réalisation présentée sur la Fig. 5, le capteur de chaleur B est un capteur de chaleur géothermique. Il est ainsi destiné à capter des calories dans le sol, par exemple dans un forage, dans de l'eau, par exemple, l'eau 15 d'une nappe phréatique, d'un étang. Il se compose d'un circuit dans lequel circule en boucle un fluide caloporteur, tel que de l'eau, de l'eau glycolée. Dans la configuration de la machine 100 présentée sur cette Fig. 5, les deux vannes V4V1 et V4V2 sont réglées pour, d'une part, permettre au capteur de chaleur 20 géothermique B de fournir des calories à l'évaporateur EPE en le raccordant avec le circuit C2 afin que le fluide qu'il transporte puisse circuler en boucle dans l'évaporateur EPE et, d'autre part, de connecter la batterie A vers le circuit C3 de dégivrage. La position des vannes V4V est visualisée sur la vue de détail présente en bas et à droite de cette Fig. 5. 25 La pompe CE fait circuler le fluide caloporteur dans le circuit C2 entre le capteur de chaleur géothermique B et l'évaporateur EPE. Les calories qu'il capte sont transférées dans le circuit Cl dans lequel le compresseur CP, élève la pression du fluide, ce qui élève sa température. Le fluide sous pression est transféré dans le condenseur EPC, dans lequel une partie de ses calories est transférée dans l'émetteur 30 El via le circuit de distribution C4 et par l'intermédiaire de la pompe CC. La batterie A est dégivrée par les calories fournies par sous-refroidissement par l'intermédiaire de l'échangeur tubulaire de dégivrage ETD alors que, pendant ce temps, le capteur de chaleur géothermique B produit des calories qui sont consommées par l'émetteur El. 9 Là aussi, le capteur de chaleur géothermique B peut être éloigné de la pompe à chaleur PAC. Dans une seconde variante de réalisation présentée sur la Fig. 6, le capteur de chaleur B est un capteur solaire thermique. Il est ainsi destiné à capter des calories 5 produites par le soleil en étant exposé à son rayonnement lumineux. Il se compose d'un circuit dans lequel circule en boucle un fluide caloporteur, tel que de l'eau, de l'eau glycolée et qui est exposé au soleil. Dans la configuration de la machine 100 présentée sur cette Fig. 6, les deux vannes V4V1 et V4V2 sont réglées pour, d'une part, permettre au capteur solaire 10 thermique B de fournir des calories à l'évaporateur EPE en le raccordant avec le circuit C2 afin que le fluide qu'il transporte puisse circuler en boucle dans l'évaporateur EPE et, d'autre part, de connecter la batterie A vers le circuit C3 de dégivrage. La pompe CE fait circuler le fluide caloporteur dans le circuit C2 entre le 15 capteur solaire thermique B et l'évaporateur EPE. Les calories qu'il capte sont transférées dans le circuit Cl dans lequel le compresseur CP, élève la pression du fluide, ce qui élève sa température. Le fluide sous pression est transféré dans le condenseur EPC, dans lequel une partie de ses calories est transférée dans l'émetteur El via le circuit de distribution C4 et par l'intermédiaire de la pompe CC. 20 La batterie A est dégivrée par les calories fournies par sous-refroidissement par l'intermédiaire de l'échangeur tubulaire de dégivrage ETD alors que, pendant ce temps, le capteur solaire thermique B produit des calories qui sont consommées par l'émetteur El. Là encore, le capteur solaire thermique B peut être éloigné de la pompe à 25 chaleur PAC. La machine thermodynamique 100 de l'invention peut ainsi combiner plusieurs capteurs échangeurs de chaleur tels que batterie air/eau, capteur de chaleur géothermique, capteur solaire thermique, lui procurant une grande versatilité d'utilisation. 30 Dans les deux variantes respectivement présentées sur les Figs. 5 et 6, les deux capteurs échangeurs de chaleur A et B peuvent fournir ensemble des calories à l'évaporateur REVENDICATIONS1) Machine thermodynamique (100) incluant une pompe à chaleur (PAC) comprenant, au moins un compresseur (CP), au moins un condenseur (EPC) destiné à délivrer des calories vers un émetteur de chaleur (El), un détendeur (DEE), un évaporateur (EPE), un premier circuit (Cl) circulant en boucle entre ces composants, l'évaporateur (EPE) étant destiné à prélever des calories en provenance de deux capteurs échangeurs de chaleur (A, B) conçus pour capter des calories dans un milieu naturel pour les transférer dans ledit évaporateur (EPE) via un second circuit (C2) et dont l'un des deux capteurs échangeurs de chaleur est une batterie (A ou B) du type air/eau conçue pour capter des calories dans l'air, caractérisée en ce qu'elle comprend un échangeur (ETD) de dégivrage raccordé dans la boucle du premier circuit (Cl) et en aval du condenseur (EPC), un troisième circuit de dégivrage (C3) traversant ledit échangeur (ETD) de dégivrage pour circuler en boucle au travers de ladite batterie (A ou B) via des vannes (V4V). 2) Machine thermodynamique (100) selon la revendication 1, caractérisée en ce que les vannes (V4V) sont deux vannes à quatre voies (V4V1 et V4V2). 3) Machine thermodynamique (100) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'échangeur de dégivrage (ETD) est un échangeur tubulaire. 4) Machine thermodynamique (100) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'échangeur de dégivrage (ETD) est un échangeur à plaques. 5) Machine thermodynamique (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le compresseur (CP), le condenseur (EPC), ainsi que l'évaporateur (EPE), l'échangeur tubulaire de dégivrage (ETD), les vannes (V4V), sont montés dans un caisson. 6) Machine thermodynamique (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le capteur échangeur de chaleur (B ou A) complémentaire de la batterie (A ou B) est un capteur de chaleur géothermique. 7) Machine thermodynamique (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le capteur échangeur de chaleur (B ou A) complémentaire de la batterie (A ou B) est un capteur solaire thermique.