Brevet FR3088703A1 — publié le 20200522

Description Titre de l'invention : INSTALLATION SIMPLIFIEE DE CHAUFFAGE D'UNE PIECE D'UN BATIMENT [0001] L'invention se rapporte au domaine du chauffage d'une pièce d'un bâtiment, à l'aide d'une pompe à chaleur. [0002] Elle s'applique aux bâtiments de l'habitat, de l'industrie ou du tertiaire. Elle concerne en particulier le domaine de l'habitat, notamment dans le cadre de la rénovation de bâtiments nécessitant l'implantation de nouvelles sources de chauffage. [0003] De l'art antérieur, il est connu d'utiliser des pompes à chaleur pour chauffer une pièce d'un bâtiment délimitée par un mur extérieur de cc bâtiment. De telles solutions sont par exemple connues des documents FR 2 960 622 Al et US 2018/0080668 Al. [0004] Néanmoins, il subsiste un besoin de simplification de ces solutions, notamment en vue dc réduire leurs coûts et de faciliter leur montage, tout en leur conférant des performances élevées. [0005] Pour apporter une réponse satisfaisante à cc besoin, l'invention a pour objet une ins- tallation dc chauffage d'une pièce d'un bâtiment,F installation comprenant un mur extérieur du bâtiment dont une surface interne délimite la pièce à chauffer, et dont une surface externe est au contact dc l'air extérieur au bâtiment, l'installation comprenant également une pompe à chaleur comportant : - un évaporateur fixé sur la surface externe du mur extérieur ; - un condenseur fixé sur la surface interne du mur extérieur, l'évaporateur et le condenseur se faisant face de part et d'autre du mur extérieur ; - un détendeur; - un compresseur ; - un fluide frigorigène destiné à circuler successivement, sous Faction du compresseur, dans le compresseur, le condenseur, le détendeur, et l'évaporateur. [0006] Selon l'invention, le condenseur est configure de sorte que le fluide frigorigène libère sa chaleur à l'air intérieur situé dans la pièce à chauffer, via un flux d'air intérieur circulant par convection naturelle à travers le condenseur. [0007] En outre, l'évaporateur comporte une plaque d'absorption de rayonnement solaire au sein de laquelle sont prévus des canaux de circulation du fluide frigorigène, l'évaporateur étant configuré de sorte que le fluide frigorigène prélève de la chaleur d'une part du rayonnement solaire sur la plaque d'absorption, et d'autre part de l'air extérieur via un flux d'air extérieur circulant par convection naturelle à travers l'évaporateur. [0008] L'invention permet avantageusement de chauffer une pièce sans avoir recours à un 2 fluide caloporteur liquide ou gazeux autre que le fluide frigorigène dans la boucle thermodynamique de la pompe à chaleur, que ce soit pour la partie intérieure ou la partie extérieure de cette pompe. Elle ne requiert pas non plus de moyens de mise en mouvement de l'air à travers le condenseur et l'évaporateur, puisque la circulation d'air s'effectue avantageusement par convection naturelle. Ces spécificités simplifient grandement la conception et le montage de l'installation. Celle-ci procure par ailleurs des performances élevées, en particulier grâce au captage de la chaleur du rayonnement solaire sur l'évaporateur, en combinaison avec l'air extérieur. [0009] L'invention prévoit de préférence au moins l'une des caractéristiques optionnelles suivantes, prises isolément ou en combinaison. [0010] La plaque d'absorption de rayonnement solaire présente une première face et une seconde face opposées, la première face formant une surface d'absorption de rayonnement solaire, et la seconde face portant des ailettes d'échange thermique orientées sensiblement orthogonalement à cette seconde face et agencées dans un conduit d'air délimité en partie par la plaque d'absorption de rayonnement solaire, le conduit d'air étant ouvert à ses extrémités inférieure et supérieure pour la circulation du flux d'air extérieur par convection naturelle. [0011] Cette solution procure une conception compacte, tout en offrant des performances élevées résultant de la présence du conduit d'air optimisant l'effet de convection naturelle sur le flux d'air extérieur. [0012] Toujours pour accroitre la compacité de l'installation et simplifier son montage, elle comporte un module extérieur fixé sur la surface externe du mur extérieur, le module extérieur comportant l'évaporateur dont la plaque d'absorption forme une première paroi latérale extérieure de ce module, ce dernier comportant également le détendeur et le compresseur recouverts par cette plaque d'absorption et disposés de manière adjacente au conduit d'air. Selon une variante, le détendeur peut également être installé côté intérieur. [0013] De préférence, le conduit d'air est également formé par au moins une partie d'une seconde paroi latérale extérieure de ce module extérieur, opposée à la première paroi latérale extérieure. [0014] De plus, les ailettes d'échange thermique s'étendent préférentiellement sur toute la hauteur du module extérieur, ce dernier présentant de préférence une forme générale parallélépipédique. [0015] L'installation comporte deux canalisations traversant le mur extérieur, ces cana- lisations de circulation du fluide frigorigène reliant le condenseur respectivement au compresseur et au détendeur. L'intervention sur le mur extérieur s'avère par conséquent limitée, ce qui présente un avantage conséquent, notamment dans le cadre d'une rénovation d'un bâtiment. Alternativement, les canalisations peuvent passer par 3 un tableau d'une fenêtre de ce mûr, sans sortir du cadre de l'invention. [0016] La pompe à chaleur est de préférence configurée de manière à pouvoir fonctionner par l'alimentation électrique de son seul compresseur. En d'autres ternies, au sein de l'installation, le seul actionneur alimenté électriquement est le compresseur. L'installation ne comprend donc pas d'auxiliaire du type ventilateur ou autre élément alimenté électriquement. A noter néanmoins que l'installation peut comprendre un système de régulation par contrôleur, ce dernier requérant alors une consommation électrique supplémentaire. Néanmoins, comme mentionné ci-dessus et sans tenir compte de la présence d'un éventuel contrôleur, la pompe à chaleur ne fonctionne de préférence qu'avec l'alimentation électrique de son compresseur. [0017] L'installation comprend de préférence un thermostat permettant de contrôler la tem- pérature de la pièce à chauffer. [0018] Elle est préférentiellement équipée de vannes d'arrêt du fluide frigorigène, notamment pour faciliter le montage de l'installation. En effet, ces vannes permettent d'intégrer le fluide frigorigène aux composants avant leur sortie d'usine, de sorte que l'installateur n'ait plus besoin de manipuler ce fluide au cours du montage. [0019] L'invention a également pour objet un procédé de chauffage d'une pièce d'un bâtiment à l'aide d'une telle installation de chauffage, sa mise en oeuvre requérant l'alimentation électrique du seul compresseur de la pompe à chaleur. [0020] Enfin, l'invention a pour objet un bâtiment comprenant une telle installation. [0021] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous. [0022] Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ; la figure 1 représente une vue schématique d'un bâtiment équipé d'une installation de chauffage selon l'invention ; la figure 2 est une vue en perspective d'une installation de chauffage selon un mode de réalisation préféré de l'invention ; la figure 3 est une vue en perspective similaire à celle de la figure 2, selon un autre angle de vue ; la figure 4 est une vue en perspective de l'installation montrée sur les figures 2 et 3, avec une partie du mur et certaines parois latérales extérieures des modules partiellement retirées pour laisser apparaître des composants de ces modules ; la figure 5 est une vue en perspective similaire à celle de la figure 4, selon un autre angle de vue ; la figure 6 est une vue en coupe du module extérieur de l'installation, selon le plan de coupe P de la figure 5 ; et la figure 7 est une vue similaire à celle de la figure 6, montrant une alternative de réalisation. [0023] En référence tout d'abord à la figure 1, il est représenté un bâtiment 2 de l'habitat, comprenant une pièce à chauffer 4 délimitée en partie par un mur extérieur 6 de ce bâtiment. Ce mur 6 fait partie d'une installation de chauffage 10 propre à l'invention, qui comprend en particulier une pompe à chaleur 12. [0024] Cette pompe à chaleur 12 comporte plusieurs composants répartis de part et d'autre du mur extérieur 6.11 s'agit d'un condenseur 14 fixé sur la surface interne 16 du mur 6, par exemple en partie basse de ce mur. De préférence, le condenseur 14 est le seul composant de l'installation situé à l'intérieur de la pièce 4. La pompe à chaleur 12 comporte également un évaporateur 17, fixé avec d'autres composants de cette pompe sur la surface externe 18 du mur extérieur 6. L'évaporateur 17 et le condenseur 14 se font face de part et d'autre du mur 6 dont la surface interne 16 délimite la pièce 4 à chauffer. Les autres composants de la pompe 12 situés à l'extérieur du bâtiment sont un détendeur 20, également dénommé réducteur de pression, et un compresseur 22. Cc dernier constitue de préférence le seul composant de l'installation 10 alimenté électriquement. En d'autres termes, la pompe à chaleur peut fonctionner par l'alimentation électrique du seul compresseur 22, sans requérir la mise en oeuvre d'autres auxiliaires. A cet égard, l'installation 10 ne comporte de préférence aucun autre élément que ceux ici décrits, et représentés sur les figures. [0025] La pompe à chaleur 12 comprend également un fluide frigorigène circulant succes- sivement à travers le compresseur 22, le condenseur 14, le détendeur 20, puis l'évaporateur 17. La circulation du fluide frigorigène est assurée par le compresseur 22. [0026] L'une des particularités de l'invention réside dans la simplicité de l'installation, qui prévoit notamment que le condenseur 14 soit configuré pour que le fluide frigorigène libère sa chaleur à l'air intérieur situé dans la pièce 4. Ce principe génère un flux d'air intérieur 24 circulant par convection naturelle à travers le condenseur 14, du bas vers le haut comme cela a été schématisé sur la figure 1. De manière analogue, l'évaporateur 17 est conçu pour que le fluide frigorigène prélève de la chaleur de l'air extérieur, via un flux d'air extérieur 26 circulant par convection naturelle à travers l'évaporateur 17, du haut vers le bas. En outre, l'évaporateur 17 remplit une fonction de capteur de chaleur en intégrant une plaque 28 d'absorption de rayonnement solaire, au sein de laquelle sont prévus des canaux de circulation du fluide frigorigène. Par conséquent, l'évaporateur 17 est également conçu pour que le fluide frigorigène prélève de la chaleur du rayonnement solaire sur la plaque d'absorption 28. La plaque d'absorption solaire 28 est intégrée à l'évaporateur, ou placée contre la structure principale de l'évaporateur afin de définir un évaporateur 17 équipé d'une telle fonction d'absorption solaire. [0027] Les figures 2 et 3 montrent que la pompe à chaleur 12 est répartie en deux modules se faisant face de part et d'autre du mur 6. Cc dernier peut être de conception monobloc, ou bien obtenu par plusieurs couches adjacentes comme cela est représenté sur ces figures. Ainsi, le mur 6 peut comporter une structure principale 30, revêtue extérieurement d'un bardage extérieur 32 définissant la surface externe 18 du mur. Côté intérieur, la structure principale 30 est revêtue d'une couche d'isolation thermique 34, elle-même revêtue d'un parement intérieur 36 définissant la surface interne 16. [0028] Le module intérieur 40, tout comme le module extérieur 42, présente une forme générale parallélépipédique. Ils sont tous les deux fixés au mur extérieur de manière conventionnelle, en étant au contact de leurs surfaces respectives 16, 18, ou bien en prévoyant un jeu avec ces mêmes surfaces. Ces deux modules 40, 42 vont à présent être détaillés en référence conjointement aux figures 4 à 6. [0029] Le module intérieur 40 est équipé d'un capotage extérieur formé par quatre parois latérales extérieures 44, correspondant respectivement à quatre faces de la forme parallélépipédique de ce module. Ce capotage extérieur forme un conduit d'air ouvert à son extrémité inférieure 46 et à son extrémité supérieure 48, de manière à permettre la circulation du flux d'air intérieur 24. En partie inférieure de ce conduit, il est prévu le condenseur 14, par exemple en forme d'échangeur à ailettes. A titre indicatif, il est noté que le capotage ne pourrait comprendre que trois faces, la quatrième face étant alors formée par le parement du mur. [0030] L'une des parois latérales extérieures 44 peut intégrer un thermostat 50, permettant de contrôler la température de la pièce à chauffer 4, ainsi que la mise en marche ou la mise en arrêt de l'installation. Le compresseur 22 est en effet prévu pour être alimenté par une alimentation électrique, via un relai piloté par le thermostat 50. Une variante consiste à ajouter un variateur de vitesse pour adapter le régime du compresseur à la fois à la demande du thermostat 50, et à la température ou à la pression en aspiration du compresseur 22. Des sécurités en haute et basse pression permettent d'arrêter la pompe à chaleur en cas de fonctionnement en dehors des limites du compresseur. [0031] Selon le principe de fonctionnement de l'installation, le compresseur 22 est activé lorsque le thermostat 50 détecte une température inférieure à la consigne réglable. A l'inverse, le compresseur 22 est stoppé lorsque le thermostat 50 détecte une température au-dessus de la consigne, éventuellement avec une hystérésis prédéfinie. Deux composants de sécurité peuvent également entraîner un arrêt du compresseur 22. Il s'agit d'un pressostat haute pression, et d'un pressostat basse pression. Alternativement, il est possible d'installer un capteur de pression ou un capteur de température à l'aspiration du compresseur 22, de manière à entraîner l'arrêt du compresseur 22 si la température d'évaporation est inférieure à un seuil prédéfini. Selon une autre variante, dans le cas d'un compresseur 22 à vitesse variable, le régime du compresseur peut être commandé en fonction de l'écart entre la consigne de température et la température 6 réelle dans la pièce à chauffer, et en fonction de la température d'évaporation de sorte à maintenir celle-ci au-dessus d'une limite fixée. [0032] Le module extérieur 42, également spécifique à la présente invention, est lui aussi équipé d'un capotage extérieur formé par quatre parois latérales extérieures. Il s'agit d'abord de deux parois latérales extérieures opposées 56 correspondant aux chants verticaux du module. Il s'agit ensuite de la plaque d'absorption de rayonnement solaire 28 formant une première paroi latérale extérieure du module, et enfin d'une seconde paroi latérale extérieure 58 opposée à la première, et en regard de la surface externe 18 du mur 6. [0033] La plaque 28 comporte une première face 60 formant une surface d'absorption de rayonnement solaire, ainsi qu'une seconde face opposée 62, orientée vers le mur 6. Une partie de cette plaque d'absorption 28 délimite un conduit d'air 49 ouvert à son extrémité inférieure 52 et à son extrémité supérieure 54, de manière à permettre la circulation du flux d'air extérieur 26. Ce conduit d'air 49, de forme générale également parallélépipédique, est aussi formé par l'une des deux parois latérales extérieures opposées 56, par la seconde paroi latérale extérieure 58, et par une paroi latérale de fermeture 64 agencée entre les parois 56, et parallèle à celles-ci. [0034] Le conduit d'air 49 s'étend ainsi sur toute la hauteur du module extérieur 42, tout comme des ailettes d'échange thermique 66 agencées à l'intérieur de cc conduit, et reliant les parois 28, 58 en étant orientées sensiblement orthogonalement à la seconde face 62 de la plaque 28 portant ces ailettes. [0035] Comme cela est visible sur la figure 6, la plaque 28 est pourvue des canaux 70 de cir- culation du fluide frigorigène. Pour la réalisation de ces canaux, toute technique réputée appropriée par l'homme du métier peut être retenue, comme la technique connue de « panneaux Roll-Bond ». La plaque 28 est préférentiellement réalisée en aluminium ou dans l'un de ses alliages, ou encore dans tout autre matériau comme l'acier, l'acier inoxydable, le cuivre et ses alliages, etc. Même si les canaux 70 sont représentés sensiblement horizontaux sur la figure 6, ceux-ci sont préférentiellement agencés verticalement. [0036] Avec cette conception, le fluide frigorigène circulant dans les canaux 70 de l'évaporateur 17 prélève non seulement de la chaleur du rayonnement solaire se produisant sur la première face 60, mais également de la chaleur du flux d'air extérieur 26 circulant dans le conduit 49, entre les ailettes 66. [0037] La plaque d'absorption de rayonnement solaire 28 se prolonge au-delà du conduit d'air 49, puisqu'elle délimite un sous-compartiment 74 du module extérieur. Le sous-compartiment 74 est adjacent au conduit d'air 49. Il est également délimité par l'autre des deux parois latérales extérieures opposées 56, et par la paroi latérale de fermeture 64. En revanche, du côté du mur 6, ce sous compartiment 74 peut rester ouvert, la 7 seconde paroi latérale extérieure 58 du module ne s'étendant que sur la largeur du conduit d'air 49, et non sur toute la longueur de ce module 42. L'extrémité inférieure du sous-compartiment 74 peut comporter une paroi de support 76 servant à supporter un ou plusieurs composants, et en particulier le compresseur 22 éventuellement revêtu d'une protection isophoniquc. Le compresseur 22 et le détendeur 20 sont en effet agencés dans le sous-compartiment 74, en étant ainsi recouverts par la plaque d'absorption 28. [0038] Un conduit 80 relie une sortie du détendeur 20 à une entrée 82 de l'évaporateur, cette entrée se trouvant en partie inférieure de la seconde face 62 de la plaque 28. Un autre conduit 84 relie une entrée 88 du compresseur 22 à une sortie 86 de l'évaporateur, cette sortie se trouvant en partie supérieure de la seconde face 62 de la plaque 28. Les deux conduits 80, 84 sont logés dans le sous-compartiment 74. En outre, une sortie 89 du compresseur 22 porte une vanne d'arrêt 90a du fluide frigorigène, de même qu'une entrée 92 du détendeur est équipée d'une autre vanne d'arrêt 90b. Ainsi, lorsqu'elles sont fermées, les deux vannes 90a, 90b permettent d'isoler le fluide frigorigène pré-rempli en usine dans les composants du module extérieur 42, facilitant ainsi le montage de cc module sur le mur 6. [0039] De manière analogue, l'entrée 94 du condenseur 14 logé dans le module intérieur 40 est équipée d'une vanne d'arrêt 90c du fluide frigorigène. Il en est de même pour la sortie 96 de ce condenseur, équipée d'une vanne d'arrêt 90d. Ainsi, lorsqu'elles sont fermées, les deux vannes 90c, 90d permettent d'isoler le fluide frigorigène pré-rempli en usine dans le condenseur 14 du module intérieur 40, facilitant ainsi le montage de ce module sur le mur 6. [0040] Enfin, deux canalisations 98 relient deux à deux les vannes 90a-90d. Ces deux cana- lisations de faible diamètre traversent le mur 6. La proximité des deux modules 40, 42 limite la longueur de ces canalisations 98, et réduit ainsi les pertes thermiques. Néanmoins, dans le cas où le mur ne peut être traversé, les canalisations 98 peuvent passer par le tableau d'une fenêtre du mur extérieur 6. [0041] Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs, et dont la portée est délimitée par les revendications annexées. [0042] Par exemple, la plaque d'absorption solaire 28 peut être avantageusement recouverte par un module photovoltaïque 99 exposé au rayonnement solaire, comme cela a été représenté sur la figure 7. Cette disposition permet de bénéficier d'une production électrique valorisable en autoconsommation, pour le système décrit dans cette invention ou par réinjection sur le réseau du bâtiment ou de distribution. Ce module photovoltaïque peut être adossé à la plaque 28 par pression mécanique, collage, laminage ou tout autre procédé permettant de réaliser un contact qualitatif entre les 8 deux surfaces, afin d'optimiser les transferts thermiques. La nature du module photovoltaïque n'est pas limitative, même s'il est préférable que celui-ci soit assez fin et léger pour des problématiques thermiques et d'installation. Le capteur solaire est donc du type photovoltaïque et thermique (PVT ou PV/T). Ainsi, le rayonnement solaire sur la plaque d'absorption 28 peut être direct, ou indirect lorsque cette plaque est recouverte du module photovoltaïque 99. 9 [Revendication 1] [Revendication 2]