Brevet FR3140671A1 — publié le 20240412

POMPE A CHALEUR REVERSIBLE A CO2 ET PROCEDE DE FONCTONNEMENT L'invention concerne une pompe à chaleur réversible, dans laquelle le fluide frigorigène est le CO2, ainsi qu’un procédé de fonctionnement d’une telle pompe. L’invention se caractérise en ce que la pompe à chaleur comprend un circuit de distribution d’eau chaude (1) muni d’un échangeur chaud (9), un circuit de distribution d’eau glacée (2) muni d’un échangeur froid (11), un réservoir de CO2 à l’état gazeux et/ou liquide (3), un compresseur (4) et un ou plusieurs blocs combinés (5-1, 5-2), chaque bloc combiné comportant un refroidisseur de gaz (6) et un évaporateur à air (7), la pompe à chaleur disposant d’une pluralité de modes de fonctionnement, un mode de fonctionnement climatisation uniquement dans lequel la pompe à chaleur produit de l’eau glacée, un mode de fonctionnement chauffage seul dans lequel la pompe à chaleur produit de l’eau chaude, et un mode de fonctionnement chauffage et dégivrage, dans lequel un gaz chaud provenant de l’échangeur chaud (9) est utilisé pour le dégivrage. Figure de l’abrégé : Fig. 1 POMPE A CHALEUR REVERSIBLE A CO2 ET PROCEDE DE FONCTONNEMENT DOMAINE DE L’INVENTION La présente invention concerne une pompe à chaleur réversible, dans laquelle le fluide frigorigène est le CO2. Elle concerne en outre un procédé de fonctionnement d’une telle pompe. ART ANTERIEUR Il existe plusieurs types de pompes à chaleur. Il s’agit - de pompes à chaleur air/air, pour lesquelles l'énergie thermique est transférée de l'air constituant un premier milieu, à l'air constituant un second milieu ; - de pompes à chaleur air/eau, pour lesquelles l'énergie thermique est transférée de l'air constituant un milieu, à l'eau, constituant un autre milieu ; de pompes à chaleur eau/air, pour lesquelles l'énergie thermique est transférée de l'eau constituant un milieu, à l'air constituant un autre milieu ; et – de pompes à chaleur eau/eau, pour lesquelles l'énergie thermique est transférée de l'eau constituant un milieu à l'eau constituant un autre milieu. Les pompes à chaleur selon l’art antérieur utilisent des fluides frigorigènes issus de l’industrie du pétrole appelés communément FréonTM. On connaît cependant des groupes de froid et/ou de climatisation, qui utilisent la technologie dite CO2 (dioxyde de carbone). Cette technologie est connue depuis les années 1920, mais a été développée au début des années 2000, puis mise sur le marché, notamment dans la grande distribution, à partir de 2008. Le CO2 est un fluide naturel, qui a la particularité de ne plus se condenser au-delà d’une température de 33°C. Ce fluide fonctionne à des pressions bien supérieures à celles des fluides mis en œuvre dans des systèmes classiques. En pratique, pour ce qui concerne le CO2, les pressions dites de travail sont comprises entre 10 et 100 bars, alors que, pour ce qui concerne les fluides mis en œuvre dans des systèmes classiques, ces pressions sont comprises entre 0 et 33 bars. Dans certaines applications frigorifiques utilisant le CO2, telles que les applications frigorifiques mises en œuvre dans les entrepôts ou les supermarchés, on récupère la chaleur produite par le système frigorifique pour chauffer des locaux, tel que des bureaux, l’aire de vente, des locaux de travail. Toutefois, il existe toujours une production de froid. En pratique, à ce jour, il n’existe pas de pompe à chaleur réversible au CO2. En effet, dans le cas d’une pompe à chaleur réversible classique selon l’art antérieur, utilisant des fluides frigorigènes conventionnels, lors des basculements, on inverse la fonction des échangeurs, et l’évaporateur devient condenseur et vice-versa. Du fait des fortes pressions nécessaires pour une machine CO2, il n’existe pas de matériel ni accessoire de régulation capable d’inverser le cycle frigorifique et ce, d’autant qu’il faut ajouter à cela un fonctionnement dit trans-critique de la machine avec un étage de production des calories à 100 bars, un étage intermédiaire à 60 bars, et un étage production froid à 40 bars. Compte tenu de ce qui précède, un problème que se propose de résoudre l’invention est de réaliser une pompe à chaleur dans laquelle le fluide frigorigène est le CO2, ainsi qu’un procédé de fonctionnement d’une telle pompe à chaleur. La solution de l’invention propose avantageusement, en réponse à ce problème posé, la mise en œuvre originale d’une batterie combinée chaud/froid formée d’un refroidisseur de gaz (ou « gas cooler » en langue anglaise), qui forme la partie chaude de la batterie, et d’un évaporateur à air, qui forme la partie froide de cette batterie. Lors du dégivrage, le fluide provient de l’échangeur CO2/eau, ce qui permet de ne pas affecter la résilience des matériaux. La solution proposée de l’invention à ce problème posé a pour premier objet une pompe à chaleur réversible, dans laquelle le fluide frigorigène est le CO2, la pompe à chaleur réversible comprenant un circuit de distribution d’eau chaude muni d’un échangeur chaud, un circuit de distribution d’eau glacée muni d’un échangeur froid, un réservoir de CO2 à l’état gazeux et/ou liquide, un compresseur et un ou plusieurs blocs combinés, chaque bloc combiné comportant un refroidisseur de gaz et un évaporateur à air, la pompe à chaleur disposant d’une pluralité de modes de fonctionnement, un mode de fonctionnement climatisation uniquement dans lequel la pompe à chaleur produit de l’eau glacée, un mode de fonctionnement chauffage seul dans lequel la pompe à chaleur produit de l’eau chaude, et un mode de fonctionnement chauffage et dégivrage, dans lequel un gaz chaud provenant de l’échangeur chaud est utilisé pour le dégivrage. De manière avantageuse, - la pompe à chaleur dispose en outre d’un mode de fonctionnement climatisation avec récupération de chaleur ; - dans le mode de fonctionnement le réservoir est relié au compresseur par une conduite d’admission de fluide dans ledit compresseur, munie d’une vanne de détente, le compresseur est relié aux refroidisseurs de gaz par une conduite sur laquelle sont disposées une première et une second vannes trois voies, la première vanne trois voies étant une vanne qui reçoit le fluide compressé issu du compresseur et la dirige, selon le cas, vers l’échangeur chaud ou vers la seconde vanne trois voies, la deuxième vanne trois voies dirigeant le fluide reçu soit de l’échangeur chaud soit du compresseur, au travers de la première vanne trois voies, vers, selon le cas, la conduite d’amenée du fluide des refroidisseurs de gaz vers le réservoir, ou vers les refroidisseurs ; - dans le mode de fonctionnement climatisation uniquement, le fluide CO2 est détendu dans le ou les évaporateurs, puis aspiré par le compresseur ; - dans le mode de fonctionnement chauffage seul, les évaporateurs à air évaporent le fluide CO2, ce fluide ayant préalablement fait l’objet d’une détente au moyen des détendeurs ; et - dans le mode de fonctionnement chauffage et dégivrage, une production de froid est stoppée dans l’évaporateur en fermant un détendeur, une vanne trois voies gaz chaud est ouverte, ainsi qu’une vanne du refroidisseur de gaz correspondant à l’évaporateur à dégivrer. La solution de l’invention a pour deuxième objet un procédé de fonctionnement d’une pompe à chaleur dans laquelle le fluide frigorigène est le CO2, selon lequel on fournit une pompe à chaleur réversible comprenant un circuit de distribution d’eau chaude muni d’un échangeur chaud, un circuit de distribution d’eau glacée muni d’un échangeur froid, un réservoir de CO2 à l’état gazeux et/ou liquide, un compresseur et un ou plusieurs blocs combinés (5-1, 5-2), chaque bloc combiné comportant un refroidisseur de gaz (6) et un évaporateur à air (7), la pompe à chaleur fonctionnant selon une pluralité de modes de fonctionnement, un mode de fonctionnement climatisation uniquement ( ) dans lequel la pompe à chaleur produit de l’eau glacée, un mode de fonctionnement chauffage seul ( ) dans lequel la pompe à chaleur produit de l’eau chaude, et un mode de fonctionnement chauffage et dégivrage ( ), dans lequel un gaz chaud provenant de l’échangeur chaud (9) est utilisé pour le dégivrage. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description non limitative qui suit, rédigée au regard des dessins annexés, dans lesquels : la illustre une pompe à chaleur selon l’invention ; la illustre la pompe à chaleur selon l’invention, dans le mode de fonctionnement climatisation uniquement ; la illustre la pompe à chaleur selon l’invention, dans le mode de fonctionnement climatisation avec récupération de chaleur ; la illustre la pompe à chaleur selon l’invention, dans le mode de fonctionnement chauffage seul ; et la illustre la pompe à chaleur selon l’invention, dans le mode de fonctionnement chauffage et dégivrage. DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION Ainsi que cela est montré à la , la pompe à chaleur selon l’invention comprend un circuit de distribution d’eau chaude 1, un circuit de distribution d’eau glacée 2, un réservoir de fluide CO2 3, un compresseur 4 et un ou plusieurs blocs combinés 5-1, 5-2 aussi appelé batterie, chaque bloc combiné comprenant un refroidisseur de gaz 6 et un évaporateur à air 7. Le circuit de distribution d’eau chaude 1 comprend une conduite d’arrivée d’eau, une pompe 8 pour le pompage de l’eau dans cette conduite, un échangeur chaud 9 et une conduite de distribution de l’eau chaude. Le circuit de distribution d’eau glacée 2 comprend une conduite d’arrivée d’eau, une pompe 8 pour le pompage de l’eau dans cette conduite, un échangeur froid 11 et une conduite de distribution de l’eau glacée. Le ou les blocs combinés 5-1, 5-2 sont des blocs physiquement unitaires et formant un unique ensemble composés de deux éléments fonctionnels solidaires et imbriqués, à savoir un refroidisseur de gaz 6 et un évaporateur à air 7. Dans ces blocs/batteries, est imbriqué un circuit haute pression, de l’ordre de 100 bars, pour l’évacuation des calories en été, et une batterie basse pression – 33 bars -, qui capte les calories en hiver. Le réservoir 3 est relié à l’échangeur froid 11 par une conduite d’admission de fluide dans ledit échangeur 11, sur laquelle est disposé un détendeur 12. Il est de même relié aux évaporateurs à air 7 des blocs combinés 5-1, 5-2 par des conduites d’admission de fluide dans lesdits évaporateurs, sur lesquelles sont disposées des détendeurs 13. Par ailleurs, les refroidisseurs de gaz 6 sont eux-mêmes reliés au réservoir 3 par une conduite d’admission de fluide dans ledit réservoir, sur laquelle est disposée une pompe et une vanne de détente 14. Le réservoir 3 est finalement relié au compresseur 4 par une conduite d’admission de fluide dans ledit compresseur, munie d’une vanne de détente 15. Le compresseur 4 est relié aux refroidisseurs de gaz par une conduite sur laquelle sont disposées deux vannes trois voies 16, 17. La première vanne trois voies 16 est une vanne qui reçoit le fluide compressé issu du compresseur 4 et la dirige, selon le cas, vers l’échangeur chaud 9 ou vers la seconde vanne trois voies 17. Cette seconde vanne trois voies 17 dirige le fluide reçu soit de l’échangeur chaud 9 soit du compresseur 4, au travers de la première vanne trois voies, vers, selon le cas, la conduite d’amenée du fluide des refroidisseurs de gaz 6 vers le réservoir 3, ou vers lesdits refroidisseurs 6. Les différents modes de fonctionnement de la pompe à chaleur selon l’invention sont montrés aux figures 2, 3, 4 et 5. Il est à noter que les pressions et températures précisées dans la suite de la description varient en fonction des conditions extérieures, des conditions d’utilisation - la charge à fournir étant variable -, de la régulation. En , la pompe à chaleur fonctionne en mode climatisation uniquement, ou climatisation seule. Le fonctionnement en climatisation seule permet de produire de l’eau glacée, à savoir de l’eau à des températures comprises entre environ 7°C et environ 12°C, en pratique lorsque la température ambiante extérieure est importante, par exemple supérieure à 25°C, c’est-à-dire, en général, en été. Ainsi que cela est montré à la , le fluide CO2 est détendu dans le ou les évaporateurs 7 via le détendeur. La pression du fluide passe alors de 56 bars – pression à laquelle le fluide est à l’état liquide, à une pression de l’ordre de 35 bars, dans laquelle le fluide est dans un état mixte liquide/gaz. Après évaporation complète du fluide dans le ou les évaporateurs 7, le gaz est, en sortie desdits évaporateurs, à l’état gazeux, à 100%. Le CO2 est aspiré, à la pression de l’ordre de 35 bars, par le compresseur 4. La pression en sortie du compresseur 4 est de l’ordre de 90 bars, et la température, de l’ordre de 90°C. En mode transcritique, la pression du fluide est supérieure à environ 31°C, et la pression est de l’ordre de 72 bars. Le fluide est alors refroidi par le ou les refroidisseurs de gaz 6, à la pression de 90 bars. Toutefois, la température est alors environ égale à 2°C au-dessus de la température de l’air ambiant, soit pour une température de l’air égale à 35°C, une température du gaz égale à 37°C. Le gaz refroidi est ensuite détendu par la vanne de détente, à une pression par exemple de l’ordre de 56 bars. De ce fait, on a, dans le réservoir 3, environ 60% de fluide CO2 à l’état liquide et 40% de fluide CO2 à l’état gazeux. Le fluide CO2 liquide situé en partie basse du réservoir 3 est envoyé au détendeur 12 pour détente et production de froid par le circuit 2. Le gaz situé dans la partie haute du réservoir 3 est aspiré par le compresseur 4, après détente par la vanne 15 afin que la pression soit abaissée de 56 bars à 35 bars. Dans le cas où la pression de condensation est inférieure 72 bars (température de 31°C), le CO2 est condensé dans le refroidisseur de gaz 6. On retrouve alors 100% de liquide dans le réservoir 3 et il n’y a pas de réinjection de gaz au compresseur 4. Ce mode de fonctionnement est appelé subcritique. En , la pompe à chaleur fonctionne en mode climatisation avec récupération de chaleur. Ce mode de fonctionnement est identique au mode de fonctionnement climatisation uniquement. Toutefois, dans le mode de fonctionnement climatisation avec récupération de chaleur, les fonctionnements suivants sont mis en œuvre en sus des fonctionnements mis en œuvre dans le mode climatisation uniquement. Tout d’abord, le fluide chaud au refoulement du compresseur, dont la température est de l’ordre de 90°C, et la pression de l’ordre de 90 bars en mode transcritique, et dont la température est de l’ordre de 70°C et la pression inférieure à 72 bars en mode subcritique, est envoyé directement dans l’échangeur chaud 9 par l’intermédiaire de la vannes trois voies 16. Ensuite, l’échangeur chaud 9 récupère la chaleur pour chauffer l’eau du réseau de chauffage hydraulique, en utilisant le circuit 1. Le fluide est ensuite dirigé vers le refroidisseur de gaz 6 pour finir d’être refroidi et continuer son cycle. Le mode climatisation avec récupération de chaleur est utilisé, en général, au printemps et à l’automne lorsqu’il est nécessaire d’à la fois chauffer une partie d’un bâtiment et de climatiser une autre partie de ce bâtiment en fonction des besoins de chacun, par exemple dans le cas où des locaux sont orientés de manière différente. La priorité dans ce mode de fonctionnement est la climatisation. En , la pompe à chaleur fonctionne en mode chauffage seul. Dans ce mode de fonctionnement, qui est essentiellement mis en œuvre l’hiver, les batteries « évaporateurs » à air 7, qui sont imbriquées dans les refroidisseurs de gaz 6 sont utilisées. Ces batteries évaporateurs 7 permettent d’évaporer le fluide CO2, à une pression de l’ordre de 25 bars, ce fluide ayant préalablement fait l’objet d’une détente au moyen des détendeurs 13, la pression du fluide en amont à l’état liquide étant de l’ordre de 56 bars. Le fluide CO2 à l’état gazeux est ensuite aspiré par le compresseur. Les gaz de refoulement, à une pression de l’ordre de 99 bars et à une température de l’ordre de 90°C, sont ensuite envoyés dans l’échangeur chaud 9 pour le chauffage du circuit de distribution d’eau chaude 1, la température de l’eau étant comprise entre 45 et 65°C. Le fluide en sortie de l’échangeur 9 est dirigé vers la vanne de détente 14, qui permet de faire passer la pression d’environ 99 bars à environ 56 bars. Le fluide détendu produit 60% de liquide et 40% de gaz. Le liquide est envoyé dans les détendeurs 13 pour y être injecté dans les batteries d’évaporateur à air 7. La partie gaz, en partie supérieure du réservoir 3, est détendue par l’intermédiaire de la vanne de détente 15, qui permet de faire chuter la pression du gaz d’environ 56 bars à environ 25 bars. Le gaz est ensuite ré-aspiré par le compresseur 4. Ainsi, dans cette situation, on force le système à fonctionner en mode transcritique, avec des pressions élevées, qui permettent de chauffer l’eau à haute température, jusqu’à 90°C. En , la pompe à chaleur fonctionne en mode chauffage et dégivrage. Lorsque l’on produit du froid à une température d’évaporation inférieure à 0°C, il se forme du givre sur les batteries des évaporateurs 7. Le givre est un isolant, qui nuit au fonctionnement du système. C’est la raison pour laquelle, de manière cyclique, on procède à des dégivrages. Pour la mise en œuvre de ces dégivrages, on arrête la production de froid dans l’évaporateur en fermant le détendeur 12. La vanne trois voies gaz chaud 16 est alors ouverte, ainsi que la vanne du refroidisseur de gaz 6 correspondant à l’évaporateur 7 à dégivrer. L’injection de gaz chaud dans le refroidisseur de gaz 6 permet, par conduction, de faire fondre la glace. Les ventilateurs sont à l’arrêt. Lorsque la batterie est complètement dégivrée, on remet en service les ventilateurs pour la sécher. A la suite, l’évaporateur 7 est de nouveau alimenté puis remis en service. Dans le cas avantageux où plusieurs refroidisseurs de gaz 6/évaporateurs 7 sont montés en parallèles, le dégivrage a lieu à tour de rôle. En définitive, la récupération des gaz tièdes provenant de l’échangeur de chauffage pour procéder au dégivrage des évaporateurs 7/refroidisseurs de gaz 6 permet de ne pas avoir un écart de température trop important lors des changements de phase pouvant affecter la résistance des matériaux très sensibles au changement de température rapide. Finalement, en été, seule la batterie chaude est utilisée pour évacuer les calories. En hiver, on utilise la batterie froide pour capter les calories. Lorsque la température extérieure est basse, du givre se forme sur l’échangeur. On procède alors à un dégivrage en arrêtant la batterie froide et en mettant en service la batterie chaude qui fait fondre la glace. Les ventilateurs sont arrêtés pendant cette phase appelée « dégivrage ». Les gaz chauds, utilisés pour ce cycle, sont ceux provenant de la sortie des échangeurs de production de chaud afin de ne pas créer un trop grand delta de température et faire travailler les métaux sur une trop grande résilience. Si on utilisait les gaz chauds produits directement par les compresseurs, il y aurait une rupture des batteries d’échange. Autre avantage aussi, les pompes à chaleur classiques produisent de l’eau à une température maximale de 50°C. Dans le cas d’une pompe à chaleur selon l’invention à CO2, ces températures maximales peuvent être de 85°C, ce qui permet de remplacer des chaudières à combustion. Pompe à chaleur réversible, dans laquelle le fluide frigorigène est le CO2, la pompe à chaleur réversible comprenant un circuit de distribution d’eau chaude (1) muni d’un échangeur chaud (9), un circuit de distribution d’eau glacée (2) muni d’un échangeur froid (11), un réservoir de CO2 à l’état gazeux et/ou liquide (3), un compresseur (4) et un ou plusieurs blocs combinés (5-1, 5-2), chaque bloc combiné comportant un refroidisseur de gaz (6) et un évaporateur à air (7), la pompe à chaleur disposant d’une pluralité de modes de fonctionnement, un mode de fonctionnement climatisation uniquement (figure 2) dans lequel la pompe à chaleur produit de l’eau glacée, un mode de fonctionnement chauffage seul (figure 4) dans lequel la pompe à chaleur produit de l’eau chaude, et un mode de fonctionnement chauffage et dégivrage (figure 5), dans lequel un gaz chaud provenant de l’échangeur chaud (9) est utilisé pour le dégivrage. Pompe à chaleur selon la revendication 1, caractérisée en ce qu’elle dispose en outre d’un mode de fonctionnement climatisation avec récupération de chaleur (figure 3). Pompe à chaleur selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, dans le mode de fonctionnement le réservoir (3) est relié au compresseur (4) par une conduite d’admission de fluide dans ledit compresseur (4), munie d’une vanne de détente (15), le compresseur (4) est relié aux refroidisseurs de gaz (6) par une conduite sur laquelle sont disposées une première et une second vannes trois voies (16, 17), la première vanne trois voies (16) étant une vanne qui reçoit le fluide compressé issu du compresseur (4) et la dirige, selon le cas, vers l’échangeur chaud (9) ou vers la seconde vanne trois voies (17), la deuxième vanne trois voies (17) dirigeant le fluide reçu soit de l’échangeur chaud (9) soit du compresseur (4), au travers de la première vanne trois voies (16), vers, selon le cas, la conduite d’amenée du fluide des refroidisseurs de gaz (6) vers le réservoir (3), ou vers les refroidisseurs (6). Procédé de fonctionnement d’une pompe à chaleur selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le fluide frigorigène est le CO2, selon lequel on fournit une pompe à chaleur réversible comprenant un circuit de distribution d’eau chaude (1) muni d’un échangeur chaud (9), un circuit de distribution d’eau glacée (2) muni d’un échangeur froid (11), un réservoir de CO2 à l’état gazeux et/ou liquide (3), un compresseur (4) et un ou plusieurs blocs combinés (5-1, 5-2), chaque bloc combiné comportant un refroidisseur de gaz (6) et un évaporateur à air (7), la pompe à chaleur fonctionnant selon une pluralité de modes de fonctionnement, un mode de fonctionnement climatisation uniquement (figure 2) dans lequel la pompe à chaleur produit de l’eau glacée, un mode de fonctionnement chauffage seul (figure 4) dans lequel la pompe à chaleur produit de l’eau chaude, et un mode de fonctionnement chauffage et dégivrage (figure 5), dans lequel un gaz chaud provenant de l’échangeur chaud (9) est utilisé pour le dégivrage. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que, dans le mode de fonctionnement climatisation uniquement, le fluide CO2 est détendu dans le ou les évaporateurs (7), puis aspiré par le compresseur (4). Procédé selon l’une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que, dans le mode de fonctionnement chauffage seul, les évaporateurs à air (7) évaporent le fluide CO2, ce fluide ayant préalablement fait l’objet d’une détente au moyen des détendeurs (13). Pompe à chaleur selon l’une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que, dans le mode de fonctionnement chauffage et dégivrage, une production de froid est stoppée dans l’évaporateur (7) en fermant un détendeur (12), une vanne trois voies gaz chaud (16) est ouverte, ainsi qu’une vanne du refroidisseur de gaz (6) correspondant à l’évaporateur (7) à dégivrer.