Brevet FR3076600A1 — publié le 20190712

SYSTEME THERMODYNAMIQUE DE CHAUFFAGE, DE CLIMATISATION ET DE PRODUCTION D'EAU CHAUDE SANITAIRE La présente invention concerne un système thermodynamique permettant de réaliser le chauffage et la climatisation d'un bâtiment, et la production d'eau chaude sanitaire, ainsi que des procédés de mise en oeuvre de ce système. Dans un bâtiment les postes consommant le plus d'énergie sont le chauffage et la climatisation de ce bâtiment, ainsi que la production d'eau chaude 10 sanitaire, appelée « ECS ». Afin de réduire les consommations d'énergie et les émissions de gaz polluants, il est connu d'utiliser des systèmes thermodynamiques, appelés pompe à chaleur, permettant de récupérer une énergie calorifique d'un côté pour la redistribuer de l'autre grâce à la circulation d'un fluide frigorigène. 15 Le circuit du fluide frigorigène comporte un compresseur comprimant le fluide gazeux, puis un condenseur formant un échangeur thermique permettant un changement de phase exothermique pour passer en phase liquide, puis un détendeur, et enfin un évaporateur formant un échangeur thermique permettant un changement de phase endothermique pour passer en phase gazeuse. 20 Il est connu de réaliser un système à double service utilisant l'eau comme fluide caloporteur pour le chauffage, et éventuellement pour le refroidissement. Dans ce cas on dispose d'un circuit du fluide caloporteur comprenant un circulateur électrique, passant dans le condenseur pour récupérer les calories dégagées, pour ensuite les distribuer par une vanne trois voies vers un 25 échangeur de chauffage du bâtiment, ou de chauffage d'un ballon d'eau chaude sanitaire. Ce système à double service nécessite une boucle d'eau de chauffage qui ajoute des contraintes et des coûts, et entraîne des pertes thermiques, et électriques avec l'utilisation du circulateur. De plus la climatisation est limitée, 30 avec une inertie élevée sur les changements de fonctions produisant du chaud ou du froid, due au volume de fluide caloporteur. 2 Un autre système connu utilise directement le fluide frigorigène qui passe successivement vers l'échangeur de chauffage du bâtiment puis vers l'échangeur de chauffage du ballon d'eau chaude, formant des condenseurs disposés en série récupérant les calories de ce fluide. 5 Toutefois ce système ne présente pas de possibilité de climatisation, et est très peu souple à cause des deux échangeurs en série. En particulier une utilisation trop importante du chauffage du bâtiment laisserait trop peu d'énergie dans le fluide arrivant dans le ballon d'eau chaude, et pourrait le refroidir. En complément de ce dernier système il est connu d'ajouter deux vannes sur le circuit de fluide frigorigène, disposées en parallèle en aval du compresseur, une vanne dirigeant ce fluide vers le ballon d'eau chaude constituant un premier condenseur, ou alternativement l'autre vanne dirigeant ce fluide vers l'échangeur de chauffage du bâtiment constituant un deuxième condenseur. Les retours du ballon d'eau chaude et de l'échangeur de chauffage sont mis en commun pour venir en amont du détendeur. On peut produire alternativement de l'eau chaude sanitaire, ou du chauffage du bâtiment. Cependant en mode de production de froid pour la climatisation, l'échangeur du ballon d'eau chaude ne pouvant être isolé ou vidé, la climatisation du bâtiment n'est pas possible à réaliser. En complément de ce dernier système il est connu d'ajouter un circuit de fluide caloporteur comportant un circulateur, passant par le ballon d'eau chaude pour le réchauffer. Toutefois ce circuit de fluide caloporteur avec son circulateur ajoute des complications, et augmente les pertes d'énergie thermique et électrique. La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure. Elle propose à cet effet un système thermodynamique de chauffage et de climatisation d'un bâtiment, et de production d'eau chaude sanitaire, comprenant un circuit de fluide frigorigène, un dispositif de compresseur, un détendeur, un échangeur thermique avec un milieu extérieur, un échangeur thermique de chauffage et climatisation du bâtiment, et un échangeur thermique d'un ballon d'eau chaude, ce système étant remarquable en ce que le circuit comporte dans 3 une boucle successivement le détendeur pouvant travailler dans les deux sens de circulation, l'échangeur avec un milieu extérieur, le dispositif de compresseur pouvant travailler dans les deux sens de circulation, et un groupe d'échangeurs thermiques comprenant l'échangeur de chauffage et climatisation et l'échangeur 5 du ballon d'eau chaude disposés en parallèle, ce groupe comportant une première vanne trois voies sur l'entrée et une deuxième vanne trois voies sur la sortie, pouvant mettre alternativement dans le circuit l'échangeur de chauffage et climatisation ou l'échangeur du ballon d'eau chaude. Un avantage de ce système thermodynamique est que la même installation 10 permet dans un sens de circulation du compresseur, directement avec le fluide frigorigène, de récupérer des calories dans un milieu extérieur du bâtiment qui peut être de l'air, de l'eau, ou dans une énergie fatale qui est généralement perdue, comme dans l'air extrait des bâtiments ou dans les eaux usées, pour les délivrer pour le chauffage de ce bâtiment ou pour le chauffage du ballon d'eau 15 chaude suivant la position des deux vannes trois voies, et permet dans l'autre sens de circulation de récupérer des calories dans le bâtiment en faisant fonctionner la climatisation, pour les dissiper dans le milieu extérieur. De cette manière, on évite l'utilisation d'un circuit supplémentaire de fluide caloporteur entraînant des pertes thermiques et électriques. Le système est 20 simple et économique à réaliser et à utiliser. Le système thermodynamique selon l'invention peut comporter de plus une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. Avantageusement, le dispositif de compresseur comporte une vanne 25 quatre voies pilotée insérée dans une canalisation, comprenant deux voies reliées aux deux côtés de cette canalisation, et deux autres voies reliées à un compresseur travaillant dans un sens unique. Avantageusement, chaque vanne trois voies peut fermer indépendamment chaque voie tournée vers un échangeur interne. 30 En particulier, l'échangeur de chauffage et climatisation ou l'échangeur du ballon peut comporter un moyen de chauffage complémentaire. 4 Avantageusement, l'échangeur de chauffage et climatisation ou l'échangeur du ballon comporte un moyen permettant de contrôler la pression, comme un capteur de pression ou un capteur de température. L'invention a aussi pour objet un procédé pour un système comprenant 5 l'une quelconque des caractéristiques précédentes, de changement de service par transfert naturel du fluide d'un premier échangeur vers le deuxième échangeur du groupe d'échangeurs internes, remarquable en ce qu'à partir d'une position de mise en service du premier échangeur avec un isolement du deuxième échangeur, le compresseur étant en fonctionnement, dans une 10 première étape il arrête le compresseur quand le premier échangeur est grâce à ce compresseur monté en température au-dessus d'un seuil, la différence de pression permettant alors une vidange par transfert naturel entre ce premier échangeur vers un deuxième l'échangeur, puis dans une deuxième étape il manoeuvre les vannes trois voies pour isoler le premier échangeur et mettre en 15 service le deuxième échangeur. L'invention a aussi pour objet un procédé pour un système comprenant l'une quelconque des caractéristiques précédentes, de changement de service par pompage forcé du fluide d'un premier échangeur vers le deuxième échangeur du groupe d'échangeurs internes, remarquable en ce qu'à partir 20 d'une position de mise en service du premier échangeur et d'isolement du deuxième échangeur, dans une première étape il ouvre sur la première vanne trois voies les deux voies vers chacun des échangeurs internes, et il ferme sur la deuxième vanne trois voies les deux voies vers chacun des échangeurs internes, puis il met en service le compresseur dans le mode de production de 25 froid pour aspirer le fluide de ces échangeurs en créant une dépression, et il attend un temps de vidange de ces échangeurs par pompage vers l'échangeur avec un milieu extérieur, ensuite dans une deuxième étape il manoeuvre les vannes trois voies pour isoler le premier échangeur et mettre en service le deuxième échangeur. 30 De plus, avantageusement le temps de vidange des échangeurs internes est estimé à partir d'un moyen permettant de contrôler la pression ou la température dans ces échangeurs. 5 L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un schéma d'un système thermodynamique selon 5 l'invention, disposé pour un fonctionnement en chauffage du bâtiment ; - la figure 2 est un schéma de ce système thermodynamique disposé pour un fonctionnement en chauffage du ballon d'eau chaude ; - la figure 3 est un schéma de ce système thermodynamique disposé pour une climatisation du bâtiment ; 10 - les figures 4a, 4b et 4c présentent le fonctionnement des deux vannes trois voies du circuit de ce système, correspondant respectivement à un fonctionnement en chauffage du bâtiment, en chauffage du ballon d'eau chaude, et en climatisation du bâtiment. - la figure 5 présente trois étapes successives de vidange d'un échangeur 15 interne par transfert naturel, présentant en partie supérieure un passage de l'échangeur d'eau chaude à l'échangeur du bâtiment, et en partie inférieure inversement de l'échangeur du bâtiment à l'échangeur d'eau chaude ; et - la figure 6 présente trois étapes successives de vidange d'un échangeur interne par pompage forcé, présentant en partie supérieure un passage de 20 l'échangeur d'eau chaude à l'échangeur du bâtiment, et en partie inférieure inversement de l'échangeur du bâtiment à l'échangeur d'eau chaude. La figure 1 présente un circuit de fluide frigorifique comportant une première partie 2 comprenant un échangeur thermique d'échange avec un milieu extérieur du bâtiment, comme de l'air ou de l'eau, ou avec toutes autres sources comme 25 des énergies fatales, appelé par la suite échangeur avec un milieu extérieur 12. La première partie 2 est reliée par une première canalisation 6 de ligne gaz et une deuxième canalisation 8 de ligne liquide à une deuxième partie intérieure d'un bâtiment 4. La première partie 2 comporte successivement en partant de la deuxième 30 canalisation 8, un détendeur 10 pouvant travailler dans les deux sens de circulation, l'échangeur avec un milieu extérieur 12, et un dispositif de compresseur 14 pouvant travailler dans les deux sens de circulation. 6 Le dispositif de compresseur 14 comporte une vanne quatre voies pilotée 18 insérée dans la première canalisation 6, comprenant deux voies reliées aux deux côtés interrompus de cette première canalisation, et deux autres voies reliées à un compresseur 16 travaillant dans un sens unique. 5 Une position de la vanne quatre voies 18 relie l'entrée du compresseur 16 à l'échangeur avec un milieu extérieur 12 et la sortie au bâtiment 4, pour faire circuler le fluide de cet échangeur vers le bâtiment, à l'inverse l'autre position de cette vanne relie l'entrée du compresseur au bâtiment et la sortie à l'échangeur avec un milieu extérieur pour faire circuler le fluide dans l'autre sens. 10 Dans la deuxième partie 4 la première canalisation 6 arrive sur une première vanne trois voies pilotée 20, pour relier alternativement ou simultanément cette canalisation à une extrémité d'un échangeur thermique interne de chauffage ou de climatisation du bâtiment 22, et à un échangeur thermique interne d'un ballon d'eau chaude 24. La deuxième canalisation 8 15 arrive sur une deuxième vanne trois voies pilotée 26, pour relier alternativement cette canalisation à l'autre extrémité de l'échangeur de chauffage et climatisation 22, ou de l'échangeur du ballon 24, ou pour fermer ces deux extrémités. De cette manière, hormis le cas du pompage forcé du fluide d'un premier échangeur vers le deuxième échangeur, en commandant simultanément les 20 deux vannes trois voies 20, 26 qui sont motorisées, on relie les deux canalisations 6, 8 uniquement sur l'échangeur de chauffage et climatisation 22 ou sur l'échangeur du ballon 24, pour faire travailler alternativement l'un ou l'autre, avec un fluide frigorigène qui peut circuler dans les deux sens. Les figures 1 et 4a présentent un fonctionnement en chauffage du bâtiment, 25 la vanne quatre voies 18 étant disposée pour que le compresseur 16 prélève le fluide en phase gazeuse dans l'échangeur avec un milieu extérieur 12, et l'envoie sous pression dans la première canalisation 6. Les deux vannes trois voies 20, 26 sont disposées pour qu'ensuite le fluide en phase gazeuse passe uniquement dans l'échangeur de chauffage et 30 climatisation 22 où il se condense en dégageant des calories de chauffage vers ce bâtiment. Le fluide en phase liquide revient ensuite par la deuxième 7 canalisation 8 vers le détendeur 10, qui fait chuter sa pression afin de l'évaporer dans l'échangeur avec un milieu extérieur 12. Les figures 2 et 4b présentent un fonctionnement similaire en chauffage de l'eau chaude sanitaire, les deux vannes trois voies 20, 26 étant disposées pour 5 que le fluide venant de la première canalisation 6 passe uniquement dans l'échangeur du ballon 24. On obtient pour ces deux fonctionnements précédents un chauffage économique et simple du bâtiment ou de l'eau chaude en prélevant des calories sur l'évaporateur formé par l'échangeur avec un milieu extérieur 12, qui sont 10 redistribuées directement par le fluide frigorigène avec un bon rendement, vers le bâtiment ou le ballon d'eau chaude. Les figures 3 et 4c présentent un fonctionnement en refroidissement du bâtiment 4. Les vannes trois voies 20, 26 sont disposées pour relier les deux canalisations 6, 8 uniquement à l'échangeur de chauffage et climatisation 22. La 15 vanne quatre voies 18 est disposée pour que le compresseur 16 prélève le fluide dans la première canalisation 6 de ligne gaz et par extension de l'échangeur de chauffage et climatisation 22, et le refoule vers l'échangeur avec un milieu extérieur 12. On obtient pour ce circuit avec aussi un bon rendement, une condensation 20 du fluide en phase vapeur sous pression dans l'échangeur avec un milieu extérieur 12, qui évacue ses calories, et après le détendeur 10 une évaporation du fluide en phase liquide à basse pression dans l'échangeur de chauffage et climatisation 22 qui absorbe des calories en refroidissant ce bâtiment. Ces différents fonctionnements nécessitent un isolement complet de 25 l'échangeur interne 22 ou 24 qui n'est pas en service, avec les deux vannes trois voies motorisées 20, 26 fermant complètement cet échangeur. Ils nécessitent aussi en cas de changement le transfert de suffisamment de fluide dans l'échangeur interne 22 ou 24 devenant actif, en vidant le fluide frigorigène de l'échangeur devenant inactif. 30 La figure 5 présente une première méthode de vidange par transfert naturel. La partie supérieure présente une utilisation qui transfert le fluide de l'échangeur du ballon d'eau chaude 24 vers l'échangeur de chauffage et climatisation 22. 8 Le premier schéma de la partie supérieure présente une position initiale de fonctionnement avec l'échangeur du ballon 24, les deux vannes trois voies 20, 26 sont ouvertes vers cet échangeur et fermées vers l'échangeur de chauffage et climatisation 22. Le compresseur 16 est activé s'il est initialement désactivé, 5 pour augmenter la température de condensation dans l'échangeur du ballon 24. Cette chauffe surveillée grâce à une sonde de température ou un capteur de pression, ou tout autre moyen permettant de contrôler la pression, est arrêtée lorsque la température de condensation souhaitée est considérée comme suffisante pour créer une différence de pression positive entre l'échangeur du 10 ballon 24 et l'échangeur avec un milieu extérieur 12. Le deuxième schéma de la partie supérieure présente une étape suivante où le compresseur est arrêté. Le fluide évaporé dans l'échangeur du ballon 24 se déplace rapidement vers l'échangeur avec un milieu extérieur 12 présentant une température plus 15 froide, où il se condense. Un appoint d'énergie avec un système de chauffage indépendant 42, notamment électrique, pour chauffer peut également être utilisé en complément afin de favoriser le transfert. Une fois le transfert fini après quelques minutes, on passe à l'étape suivante présentée par le troisième schéma de la partie supérieure, où on 20 bascule les deux vannes trois voies 20, 26 pour fermer l'échangeur du ballon 24 et ouvrir l'échangeur de chauffage et climatisation 22. On peut ensuite procéder au chauffage ou à la climatisation du bâtiment, en faisant circuler le fluide qui se trouve initialement entièrement dans l'échangeur avec un milieu extérieur 12. La partie inférieure présente une utilisation transférée de l'échangeur de 25 chauffage et climatisation 22 vers l'échangeur du ballon d'eau chaude 24, qui se fait de manière similaire à celle présentée ci-dessus en inversant les rôles de ces deux échangeurs. Le premier schéma de la partie inférieure présente une position initiale de fonctionnement avec l'échangeur de chauffage et climatisation 22, les deux 30 vannes trois voies 20, 26 sont ouvertes vers cet échangeur et fermées vers l'échangeur du ballon 24. Le compresseur 16 est activé s'il est initialement 9 désactivé, pour augmenter la température de condensation dans l'échangeur de chauffage et climatisation 22. Cette chauffe surveillée grâce à une sonde de température ou un capteur de pression, ou tout autre moyen permettant de contrôler la pression, est arrêtée 5 lorsque la température de condensation souhaitée est considérée comme suffisante pour créer une différence de pression positive entre l'échangeur de chauffage et climatisation 22 et l'échangeur avec un milieu extérieur 12. Le deuxième schéma de la partie inférieure présente une étape suivante où le compresseur 16 est arrêté. Le fluide évaporé dans l'échangeur de 10 chauffage et climatisation 22 grâce à l'apport de calories, se déplace rapidement vers l'échangeur avec un milieu extérieur 12 présentant une température plus froide, où il se condense. Un appoint d'énergie électrique pour chauffer peut également être utilisé en complément pour favoriser le transfert. Une fois le transfert fini, après quelques minutes on passe à l'étape 15 suivante présentée par le troisième schéma de la partie inférieure, où on bascule les deux vannes trois voies 20, 26 pour fermer l'échangeur de chauffage et climatisation 22 et ouvrir l'échangeur du ballon 24. La figure 6 présente une deuxième méthode de vidange par pompage forcé, utilisée dans le cas où la méthode par transfert naturel n'est pas suffisante 20 pour assurer le transfert complet. La partie supérieure présente une utilisation transférée de l'échangeur du ballon d'eau chaude 24 vers l'échangeur de chauffage et climatisation 22, et la partie inférieure une utilisation transférée dans l'autre sens. Le premier schéma de la partie supérieure présente une position initiale de 25 fonctionnement avec l'échangeur du ballon 24, les deux vannes trois voies 20, 26 sont ouvertes vers cet échangeur et fermées vers l'échangeur de chauffage et climatisation 22. Le premier schéma de la partie inférieure présente une position initiale inversée, avec l'échangeur de chauffage et climatisation 22 ouvert et l'échangeur du ballon 24 fermé. Le compresseur 16 est arrêté, ou reste 30 en fonctionnement si la climatisation est déjà active. Le deuxième schéma commun pour les parties supérieure et inférieure, présente une fermeture complète des deux voies de la deuxième vanne trois 10 voies 26 dirigées vers les échangeurs internes 22, 24, afin de les isoler entre eux, et une ouverture complète de la première vanne trois voies 20 vers les deux échangeurs internes 22, 24. On réalise ensuite après le positionnement de la vanne quatre voies 18, un tirage par le compresseur 16 travaillant en aspiration 5 à partir de ces échangeurs internes 22, 24. Le fluide à basse pression se vaporise, pour être rejeté vers l'échangeur avec un milieu extérieur 12 où il se condense afin d'être stocké. Un capteur de pression 40 ou une sonde de température, ou tout autre moyen permettant de contrôler la pression, disposé entre les deux vannes trois 10 voies 20, 26, par exemple entre l'échangeur de ballon 24 et la deuxième vanne trois voies 26, permet de mesurer la baisse de pression dans le circuit des deux échangeurs internes 22, 24, et de contrôler pour une pression suffisamment basse indiquant une évaporation suffisante, que tout le fluide est passé dans l'échangeur avec un milieu extérieur 12. 15 Le troisième schéma de chaque partie supérieure ou inférieure présente une position finale, où on a manoeuvré les deux vannes trois voies 20, 26 afin de mettre en fonction respectivement l'échangeur de chauffage et climatisation 22 ou l'échangeur du ballon 24 en isolant l'autre. L'invention permet de réaliser directement avec un fluide frigorigène, sans 20 passer par un fluide caloporteur, et sans circulateur de ce dernier fluide qui consommerait une électricité, toutes les combinaisons possibles de chauffage ou de refroidissement du bâtiment, et de chauffage de l'eau REVENDICATIONS1 - Système thermodynamique de chauffage et de climatisation d'un bâtiment, et de production d'eau chaude sanitaire, comprenant un circuit de fluide frigorigène, un dispositif de compresseur (14), un détendeur (10), un échangeur thermique avec un milieu extérieur (12), un échangeur thermique de chauffage et de climatisation (22) du bâtiment, et un échangeur thermique d'un ballon d'eau chaude (24), caractérisé en ce que le circuit comporte dans une boucle successivement le détendeur (10) pouvant travailler dans les deux sens de circulation, l'échangeur avec un milieu extérieur (12), le dispositif de compresseur (14) pouvant travailler dans les deux sens de circulation, et un groupe d'échangeurs thermiques comprenant l'échangeur de chauffage et climatisation (22) et l'échangeur du ballon d'eau chaude (24) disposés en parallèle, ce groupe comportant une première vanne trois voies sur l'entrée (20) et une deuxième vanne trois voies sur la sortie (26), pouvant mettre alternativement dans le circuit l'échangeur de chauffage et climatisation (22) ou l'échangeur du ballon d'eau chaude (24). 2 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de compresseur (14) comporte une vanne quatre voies pilotée (18) insérée dans une canalisation (6), comprenant deux voies reliées aux deux côtés de cette canalisation (6), et deux autres voies reliées à un compresseur (16) travaillant dans un sens unique. 3 - Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque vanne trois voies (20, 26) peut fermer indépendamment chaque voie tournée 25 vers un échangeur interne (22, 24). 4 - Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échangeur de chauffage et climatisation (22) ou l'échangeur du ballon (24) comporte un moyen de chauffage complémentaire (42). 30 5 - Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échangeur de chauffage et climatisation (22) ou 12 l'échangeur du ballon (24) comporte un moyen permettant de contrôler la pression, comme un capteur de pression ou un capteur de température (40). 6 - Procédé pour un système selon l'une quelconque des revendications précédentes, de changement de service par transfert naturel du fluide d'un 5 premier échangeur vers le deuxième échangeur du groupe d'échangeurs internes (22, 24), caractérisé en ce qu'à partir d'une position de mise en service du premier échangeur avec un isolement du deuxième échangeur, le compresseur (16) étant en fonctionnement, dans une première étape il arrête le compresseur (16) quand le premier échangeur est grâce à ce compresseur 10 monté en température au-dessus d'un seuil, la différence de pression permettant alors une vidange par transfert naturel entre ce premier échangeur vers un deuxième l'échangeur, puis dans une deuxième étape il manoeuvre les vannes trois voies (20, 26) pour isoler le premier échangeur et mettre en service le deuxième échangeur. 15 7 - Procédé pour un système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, de changement de service par pompage forcé du fluide d'un premier échangeur vers le deuxième échangeur du groupe d'échangeurs internes (22, 24), caractérisé en ce qu'à partir d'une position de mise en service du premier échangeur et d'isolement du deuxième échangeur, dans une première étape il 20 ouvre sur la première vanne trois voies (20) les deux voies vers chacun des échangeurs internes (22, 24), et il ferme sur la deuxième vanne trois voies (26) les deux voies vers chacun des échangeurs internes (22, 24), puis il met en service le compresseur (16) dans le mode de production de froid pour aspirer le fluide de ces échangeurs en créant une dépression, et il attend un temps de vidange de ces échangeurs par pompage vers l'échangeur avec un milieu extérieur (12), ensuite dans une deuxième étape il manoeuvre les vannes trois voies (20, 26) pour isoler le premier échangeur et mettre en service le deuxième échangeur. 8 - Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que le temps 30 de vidange des échangeurs internes (22, 24) est estimé à partir d'un moyen permettant de contrôler la pression ou la température dans ces échangeurs.