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FR2995668A1 - Installation de pompe a chaleur - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne une installation de pompe à chaleur (200), caractérisée par le fait qu'elle comprend en amont de l'évaporateur (210) de la pompe à chaleur un réservoir (300) tampon de chaleur comportant un volume fermé (312) qui loge un premier fluide de stockage thermique, un premier trajet de circulation (320) d'un second fluide chaud adapté pour assurer un transfert de calories du fluide chaud vers le fluide de stockage lors de la circulation du fluide chaud dans le premier trajet de circulation (320) et un second trajet de circulation (330) d'un troisième fluide destiné à être dirigé de manière intermittente vers l'évaporateur (210) de la pompe à chaleur pour prélever des calories au niveau du tampon de chaleur (300) lors de la circulation du troisième fluide dans le deuxième trajet de circulation (330).

Description

La présente invention concerne le domaine des pompes à chaleur généralement dénommées en abrégé PAC. Elle s'applique en particulier, bien que non exclusivement au domaine des chauffe-eau thermodynamiques généralement dénommés 5 en abrégé CET. Un chauffe-eau thermodynamique comprend classiquement un ballon destiné à stocker un volume d'eau chauffé par différents moyens dont au moins une pompe à chaleur en complément de moyens éventuels plus classiques, tels que par exemple une résistance 10 électrique en cas d'appoint nécessaire. Un but de la présente invention est de perfectionner les installations de PAC connues. Ce but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à une installation de pompe à chaleur, caractérisée par le fait qu'elle 15 comprend, en amont de l'évaporateur de la pompe à chaleur, un réservoir tampon de chaleur comportant un volume fermé qui loge un premier fluide de stockage thermique, un premier trajet de circulation d'un deuxième fluide chaud adapté pour assurer un transfert de calories du fluide chaud vers le fluide de stockage lors de la circulation du 20 deuxième fluide chaud dans le premier trajet de circulation et un deuxième trajet de circulation d'un troisième fluide destiné à être dirigé de manière intermittente vers l'évaporateur de la pompe à chaleur pour prélever des calories au niveau du tampon de chaleur lors de la circulation du troisième fluide dans le deuxième trajet de circulation. 25 La présente invention concerne également le tampon de chaleur précité en tant que tel. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non 30 limitatifs et sur lesquels : - la figure 1 représente une vue générale schématique d'une installation de chauffe-eau thermodynamique conforme à la présente invention, - la figure 2 représente une vue schématique en perspective d'un premier mode de réalisation d'un tampon de chaleur conforme à la présente invention, - la figure 3 représente une vue partielle éclatée du tampon de chaleur de la figure 2, - la figure 4 représente une vue en perspective d'un tampon de chaleur conforme à un deuxième mode de réalisation de la présente invention, - la figure 5 représente la variation de la température du premier fluide contenu dans le tampon de chaleur pour assurer le stockage thermique pendant des phases de charge et décharge ainsi que la température du troisième fluide dirigé vers l'évaporateur de la pompe à chaleur, et - les figures 6 et 7 représentent des vues respectives en bout de deux variantes de réalisation de tampon de chaleur conformes à la présente invention.
On va dans un premier temps décrire l'invention dans le contexte de la structure générale de l'installation du chauffe-eau thermodynamique 10 conforme à la présente invention illustrée sur la figure 1 annexée. Pour l'essentiel, ce chauffe-eau thermodynamique 10 comprend un ballon d'eau chaude 100, une pompe à chaleur 200 et un réservoir tampon de chaleur 300 placé en amont de l'évaporateur 210 de la pompe à chaleur 200. Le ballon d'eau chaude 100 peut faire l'objet en lui-même de nombreux modes de réalisation connus de l'homme de l'art. Il ne sera donc pas décrit dans le détail par la suite. Pour l'essentiel, le ballon d'eau chaude 100 comprend une cuve 110 thermiquement isolée qui possède une entrée 112 reliée à une arrivée d'eau et une sortie 114 reliée au point de prélèvement d'eau chaude.
Des systèmes mitigeurs peuvent être prévus entre l'entrée 112 et la sortie 114 de manière connue en soi. Ils ne seront donc pas décrits plus en détail par la suite.
L'eau contenue dans le volume interne du ballon 100 est chauffée par la pompe à chaleur 200 par transfert de calories à partir du condenseur 230 de la pompe à chaleur. L'échange thermique entre le condenseur 230 et le volume interne du ballon 100 peut également faire l'objet de plusieurs variantes. Il peut être réalisé par un transfert direct en plaçant le condenseur 230 au sein du ballon 100 ou sur la cuve 110 (par exemple en disposant l'échangeur du condenseur en contact avec la cuve 110 entre celle-ci et l'isolation thermique externe du ballon), ou encore par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur entre le condenseur 230 et l'eau sanitaire contenue dans le ballon 100, placé à l'extérieur du ballon 100. Bien entendu, le ballon 100 peut être complété par une autre source auxiliaire d'apport de calories schématisée 150 sur la figure 1. Cette source auxiliaire peut être une résistance électrique alimentée automatiquement par un module dépendant de la mesure de température réelle de l'eau contenue dans le ballon 100 ou pilotée manuellement ou toute autre source disponible, telle que par exemple une source de type énergie solaire. La pompe à chaleur 200 est également de réalisation classique 20 en soi. Elle comprend un évaporateur 210, un compresseur 220, un condenseur 230 et un détendeur 240. Un fluide constitué de préférence d'un fluide frigorigène circule en circuit fermé dans la pompe à chaleur 200, entre l'évaporateur 210, le compresseur 220, le condenseur 230 et le détendeur 240. 25 Au niveau de l'évaporateur 210, le fluide frigorigène prélève des calories à un fluide secondaire, en l'espèce le troisième fluide circulant dans le deuxième trajet 330 de circulation du tampon de chaleur 300, et est ainsi vaporisé. Le compresseur 220 le plus souvent actionné par un moteur 30 électrique élève la pression et la température du fluide frigorigène gazeux en le comprimant.
Au niveau du condenseur 230, le fluide frigorigène libère une partie de ses calories vers le ballon 100 et passe partiellement de l'état gazeux à l'état liquide. Au niveau du détendeur 240 ou du réducteur de pression, la pression du fluide frigorigène est réduite. La structure et le fonctionnement d'une telle pompe à chaleur 200 est connue de l'homme de l'art et ne sera pas décrite plus en détail par la suite. Comme on l'a indiqué précédemment, l'invention porte sur l'adjonction d'un tampon de chaleur 300 en amont de l'évaporateur 210. Le tampon de chaleur 300 comprend un réservoir 310 qui définit un volume fermé logeant un premier fluide de stockage thermique 312. Ce premier fluide de stockage thermique 312 peut être de l'eau. Il peut s'agir de tout autre matériau approprié, tel que par exemple un 15 matériau à changement de phase. Le tampon de chaleur 300 définit également un premier trajet de circulation et un deuxième trajet de circulation représentés schématiquement sous les références 320 et 330 sur la figure 1. Le premier trajet de circulation 320 est conçu pour la circulation 20 d'un second fluide chaud entre au moins une entrée 322 et au moins une sortie 324. Le deuxième trajet de circulation 330 est conçu pour la circulation d'un troisième fluide entre au moins une entrée 332 et au moins une sortie 334 dirigée vers l'évaporateur 210. Le premier trajet de circulation 320 est en relation d'échange 25 thermique avec le premier fluide de stockage 312. Le second trajet de circulation 330 est également en relation d'échange thermique avec le premier fluide de stockage 312. En option, le second trajet de circulation 330 peut également être en relation d'échange thermique avec le premier trajet de circulation 320. 30 De préférence, le second fluide chaud qui circule dans le premier trajet de circulation 320 est de l'air vicié extrait d'un bâtiment par la ventilation mécanique standard. L'air extrait d'un bâtiment, par exemple d'une maison d'habitation, représente en effet une source d'énergie constante, facilement valorisable dans une application thermodynamique et qui peut circuler en permanence dans le premier trajet de circulation 320 pour assurer un transfert de calories de ce fluide chaud vers le fluide de stockage 312 contenu dans le conteneur 310 pour assurer ainsi une accumulation et un stockage continu dans le conteneur 310 des calories disponibles au niveau du second fluide chaud. Le troisième fluide circulant dans le deuxième trajet de circulation 330 est le fluide dirigé vers l'évaporateur 210 pour transférer des calories au fluide frigorigène de la pompe à chaleur. Dans le cadre de l'invention, avant de parcourir l'évaporateur 210, ce troisième fluide traverse le tampon de chaleur 300 pour y prélever les calories stockées dans le fluide de stockage statique 312, à partir du second fluide chaud. Le troisième fluide est de préférence de l'air entraîné par un ventilateur ou équivalent 350 schématiquement représenté sur la figure 1. Il peut être également de l'eau provenant d'un capteur géothermique enterré (pour une PAC géothermique), d'une nappe phréatique ou d'une rivière. Dans ces cas, le flux est entraîné par une pompe. Un tel ventilateur ou équivalent 350 est représenté en amont du tampon de chaleur 300 sur la figure 1. Il pourra cependant être positionné entre le tampon de chaleur 300 et l'évaporateur 210 ou encore en aval de l'évaporateur 210. Le tampon de chaleur 300 peut en lui-même faire l'objet de nombreuses variantes de réalisation. Il peut être installé à l'horizontale comme à la verticale.
Plusieurs éléments tampons peuvent être reliés en parallèle ou en série pour former des tampons de volume plus important présentant une capacité de stockage de calories améliorés. Différentes formes de tampon peuvent être imaginées pour faciliter l'intégration de ce composant sur le lieu d'utilisation, appartement, maison, usine, collectivité, etc ... que ce soit à approximité de la PAC 200 ou à distance de celle-ci, par exemple dans un faux plafond ou dans des combles perdus.
On a représenté sur les figures 2 et 4 annexées, deux exemples non limitatifs de réalisation : un tampon de géométrie générale cylindrique sur la figure 2 et un tampon de géométrie parallélépipédique sur la figure 4.
La configuration du premier trajet de circulation 320 et du deuxième trajet de circulation 330 traversant le tampon 300 peuvent également faire l'objet de nombreux modes de réalisation, optimisés pour privilégier le transfert de calories entre les fluides sans toutefois conduire à des pertes de charge trop importantes.
Selon le mode de réalisation particulier représenté sur les figures 2 et 3, le premier trajet de circulation 320, destiné à recevoir l'air extrait d'un bâtiment, est constitué d'une gaine de grande section circulaire 321 située au centre du tampon. Dans le mode de réalisation de la figure 4, un conduit de section ovale 321 est situé en partie basse du tampon. Le deuxième trajet de circulation 330 est selon le mode de réalisation des figures 2 et 4, constitué d'un distributeur et d'un collecteur situés respectivement aux deux extrémités du tampon et reliés entre eux par un ensemble de multiples tubes globalement parallèles entre eux s'étendant selon l'axe longitudinal du tampon. Les canalisations 332 peuvent être également en spirale autour de la canalisation principale 321. Sur les figures 2, 3 et 4 annexées, seul le collecteur 331 et les tubes 332 reliant ce collecteur au distributeur (non représenté sur les figures pour simplifier l'illustration) sont représentés.
De préférence, l'air extérieur qui forme le troisième fluide circulant dans le deuxième trajet de circulation 330 dans les tubes multiples 332, entre le collecteur 331 et le distributeur, est entraîné à contre-courant du deuxième fluide chaud dans le premier trajet de circulation 320.
A titre d'exemple non limitatif, le tampon de géométrie cylindrique représenté sur la figure 1, peut posséder une longueur de l'ordre de 50cm et un diamètre de l'ordre de 30cm conduisant à un volume de premier fluide de stockage thermique 312 de l'ordre de 10 litres. A titre également non limitatif, le tampon de chaleur représenté sur la figure 4, de section rectangulaire, peut présenter une longueur de 50cm, une hauteur de 30cm et une largeur de 20cm conduisant à un volume de premier fluide de stockage thermique 312 de l'ordre de 24 litres. L'homme de l'art comprendra à la lecture de la présente description que l'invention permet de récupérer les calories disponibles dans l'air ambiant de la maison, en particulier l'air évacué par la ventilation mécanique. Cet air permet de charger le tampon de chaleur 300 en permanence. Les calories disponibles dans le tampon sont ensuite transférées au fluide froid formé par l'air extérieur, de manière intermittente, pour récupérer cette chaleur lors de la mise en service de la pompe à chaleur. L'air extérieur préchauffé au niveau du tampon 300 est utilisé au niveau de l'évaporateur 210. On a représenté sur la figure 5, la variation de température du fluide de stockage 312 contenu dans un tampon de chaleur 300 et la variation en conséquence de la température de l'air extérieur (troisième fluide) traversant le tampon 300 pendant l'arrêt et le fonctionnement de la pompe à chaleur. Pendant l'arrêt de la pompe à chaleur, la température du fluide de stockage 312 contenu dans le tampon 300 s'élève progressivement.
Pendant ce temps, la température du troisième fluide reste constante, puisque le ventilateur 350 n'est pas mis en service. En revanche, lors de la mise en service de la pompe à chaleur 200 et du ventilateur 350, l'air extérieur (troisième fluide) est mis en circulation à travers le tampon 300. L'élévation de température de ce fluide dirigé vers l'évaporateur 210 entraîne en conséquence une réduction de la température du fluide stocké 312 dans le tampon 300. La simulation de la figure 5 est faite sur 24 heures pour un tampon d'une capacité de 72 litres constitué de trois modules tampon du type illustré sur la figure 4. La simulation est opérée pour de l'air extrait d'une cuisine à 20°C avec un débit de 50m 3 par heure pour un circuit d'air extérieur mis en service pour alimenter l'évaporateur 210 avec un débit de 400m 3 par heure à 5°C à l'origine.
La courbe de la figure 5 montre une chute assez brutale de la température interne du tampon 300 car la chaleur est récupérée pour la production d'eau chaude sanitaire. Dans le cadre de la simulation précitée, l'énergie récupérée est de l'ordre de 1,4kWh/j. Bien entendu, cette énergie dépend du volume du tampon 300 et de la température et du débit permanent de l'air ambiant qui charge le tampon et de la température et du débit d'air extérieur qui traverse le tampon de manière intermittente avant d'être dirigé vers l'évaporateur 210. On a représenté sur les figures 6 et 7 annexées des variantes de réalisation pour lesquelles le tampon de chaleur 300 de géométrie générale de section rectangulaire présente au moins sur une partie des premier et second trajets de circulation, des canalisations concentriques pour un échange thermique direct entre le second fluide chaud formé de l'air extrait par la ventilation et le troisième fluide destiné à être dirigé de manière intermittente vers l'évaporateur 210 de la pompe à chaleur 200. Sur la figure 6, les conduits des deux trajets de circulation 320 et 330 sont circulaires, tandis que sur la figure 7 les sections des conduits des trajets de circulation sont rectangulaires.
Sur les figures 6 et 7, les canalisations concentriques sont référencées 320a et 330a. Sur les mêmes figures 6 et 7, on a représenté par ailleurs des tronçons de canalisation 330b, 330c, 330d et 330e qui sont en contact direct pour un échange thermique avec le fluide 312 du volume interne du tampon 300.
Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers qui viennent d'être décrits mais s'étend à toute variante conforme à son esprit.
En particulier, l'homme de l'art pourra envisager de nombreuses variantes de réalisation des conduits composants les deux trajets de circulation 320 et 330 afin d'optimiser le transfert thermique entre les fluides qui circulent dans ces trajets respectifs et le premier fluide formant stockage thermique 312 placé dans le tampon 300, ainsi que le cas échéant selon le mode de réalisation des figures 6 et 7 par échange thermique direct entre les deux fluides. A cet effet, on peut prévoir notamment des conduits portant des ailettes externes baignant dans le fluide de stockage thermique 312 ainsi que des trajets en circonvolution tant pour le trajet 320 que le trajet 330. Par ailleurs la présente invention qui concerne une installation de pompe à chaleur n'est pas limitée au domaine des chauffe-eau thermodynamiques, mais s'applique à tous domaine d'utilisation d'une pompe à chaleur. Le tampon 300 conforme à la présente invention peut en effet être couplé avec tous types de pompes à chaleur ( par exemple une pompe à chaleur destinée à produire de l'eau chaude sanitaire (ECS) ou une pompe à chaleur destinée à une fonction de chauffage) et même avec une pompe à chaleur réversible (chauffage et froid, climatisation). Le tampon 300 conforme à la présente invention améliore la performance des pompes à chaleur et groupes froids. Il suffit pour les applications autres que celles des chauffe-eau thermodynamiques, d'associer au condenseur 230 non pas un ballon pour stocker l'ECS comme décrit précédemment dans le cadre d'un mode de réalisation préférentiel, mais tout autre moyen récupérateur de calories, par exemple un flux d'eau ou d'air qui emporte les calories pour l'utilisation souhaitée (chauffage ou autre).

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS1. Installation de pompe à chaleur (200), caractérisée par le fait qu'elle comprend en amont de l'évaporateur (210) de la pompe à chaleur un réservoir (300) tampon de chaleur comportant un volume fermé qui loge un premier fluide de stockage thermique (312), un premier trajet de circulation (320) d'un second fluide chaud adapté pour assurer un transfert de calories du fluide chaud vers le fluide de stockage lors de la circulation du fluide chaud dans le premier trajet de circulation (320) et un second trajet de circulation (330) d'un troisième fluide destiné à être dirigé de manière intermittente vers l'évaporateur (210) de la pompe à chaleur pour prélever des calories au niveau du tampon de chaleur (300) lors de la circulation du troisième fluide dans le deuxième trajet de circulation (330).
  2. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le fluide de stockage thermique (312) placé dans le volume fermé du tampon de chaleur (300) est de l'eau ou un matériau à changement de phase.
  3. 3. Installation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée par le fait que le second fluide chaud est de l'air extrait d'un bâtiment.
  4. 4. Installation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que le troisième fluide destiné à être dirigé de manière intermittente vers l'évaporateur (210) de la pompe à chaleur (200) après traversée du réservoir tampon de chaleur (300) et choisi dans le groupe comprenant : l'air extérieur aspiré par la pompe à chaleur, l'eau provenant d'un capteur géothermique enterré, ou l'eau provenant d'une nappe phréatique ou d'une rivière.
  5. 5. Installation selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que le premier trajet de circulation (320) destiné au second fluide chaud comprend une gaine unique large (321) traversant longitudinalement le tampon de chaleur (300) tandis que le second trajet de circulation (330) du troisième fluide est formé par undistributeur et un collecteur (331) disposés aux extrémités du tampon et reliés par une multitude de tubes (332).
  6. 6. Installation selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait qu'une partie au moins du second trajet de circulation (330) est à contre-courant du premier trajet de circulation (320).
  7. 7. Installation selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que le second fluide chaud est entraîné en continu dans le premier trajet de circulation (320).
  8. 8. Installation selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait qu'une partie du premier trajet de circulation (320) et du deuxième trajet de circulation (330) sont concentriques.
  9. 9. Installation selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée par le fait que le tampon de chaleur (300) est formé de plusieurs modules reliés entre eux.
  10. 10. Tampon de chaleur pour la mise en oeuvre d'une installation conforme à l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'il comprend un volume fermé qui loge une premier fluide de stockage thermique (312), un premier trajet de circulation (320) d'un deuxième fluide chaud adapté pour assurer un transfert de calories du fluide chaud vers le fluide de stockage lors de la circulation du fluide chaud dans le premier trajet de circulation (320) et un second trajet de circulation (330) d'un troisième fluide destiné à être dirigé de manière intermittente vers l'évaporateur (210) de la pompe à chaleur (200) pour prélever des calories au niveau du tampon de chaleur (300) lors de la circulation du troisième fluide dans le deuxième trajet de circulation (330).
  11. 11. Application d'une installation de pompe à chaleur conforme à l'une des revendications 1 à 9 et/ou du tampon de chaleur conforme à la revendication 10 à la réalisation d'un chauffe-eau thermodynamique ou d'une installation de chauffage ou climatisation.
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