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WO2011015731A1 - Dispositif thermodynamique multi-énergie modulaire - Google Patents

Dispositif thermodynamique multi-énergie modulaire Download PDF

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WO2011015731A1
WO2011015731A1 PCT/FR2010/000564 FR2010000564W WO2011015731A1 WO 2011015731 A1 WO2011015731 A1 WO 2011015731A1 FR 2010000564 W FR2010000564 W FR 2010000564W WO 2011015731 A1 WO2011015731 A1 WO 2011015731A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
module
temperature
heat pump
refrigeration
heat
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2010/000564
Other languages
English (en)
Inventor
Christian Moreau
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mobile Comfort Holding
Original Assignee
Mobile Comfort Holding
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to BR112012002566-0A priority Critical patent/BR112012002566A2/pt
Priority to MA34551A priority patent/MA33444B1/fr
Priority to CA2776831A priority patent/CA2776831A1/fr
Priority to RU2012108075/06A priority patent/RU2534184C2/ru
Priority to NZ597883A priority patent/NZ597883A/xx
Priority to EP10757234A priority patent/EP2462389A1/fr
Priority to UAA201202540A priority patent/UA108476C2/uk
Priority to AU2010280608A priority patent/AU2010280608B2/en
Priority to US13/388,503 priority patent/US20120125029A1/en
Application filed by Mobile Comfort Holding filed Critical Mobile Comfort Holding
Publication of WO2011015731A1 publication Critical patent/WO2011015731A1/fr
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Priority to IL217910A priority patent/IL217910A/en
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Ceased legal-status Critical Current

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    • Y02B30/12—Hot water central heating systems using heat pumps

Definitions

  • the invention relates to a system or device of modular design comprising at least one electric power generating module and one or more modules of the following types: heat pumps, refrigeration or mixed heat pump / refrigeration modules, allowing the simultaneous production of hot water for example for heating buildings, very hot water, for example hot water, cold water, for example for air conditioning, possibly refrigerant typically for refrigeration and possibly electricity.
  • Patent Application EP 1 628 096 (LG Electronics Inc.) describes such a system. These systems are commonly used in Japan for several years for air conditioning (cooling) in the summer and heating in winter buildings such as office buildings or hotels, and the simultaneous production of hot water. These systems are most of the time so-called direct expansion systems that is to say that they directly send a refrigerant to individual indoor units. These are generally VRV (variable refrigerant volume) or VRF (variable refrigerant flow) type installations.
  • VRV variable refrigerant volume
  • VRF variable refrigerant flow
  • the document EP 1 628 096 only provides the end user with water at a single temperature, that of hot water, and when the system is in air conditioning mode.
  • the system comprises several units, in particular indoor units and outdoor units, connected by refrigerant pipes.
  • a single water temperature can be provided by the system, it is the domestic hot water provided in cooling system mode.
  • the system described in EP 2 085 721 of the applicant uses a cogeneration assembly connected to a heat pump so as to provide the user, simultaneously, with water at several different temperatures.
  • the described system is designed for specific refrigeration, heating and electrical power values, specific to a given application.
  • the system is designed as a single, indivisible set, so it does not allow any design or usage flexibility and must be fully resized for any new application.
  • the existing systems have powers limited to maximum values of the order of 75 kW because they use motor motors of limited power, and refrigeration components also do not allow to operate at higher powers.
  • a first object of the invention is a system (1) for the simultaneous production of very hot water at temperature T2, hot water (14) at temperature T1 and / or cold water (13) at temperature T3, and electricity (20), and optionally also the production of refrigerant at T4 evaporation temperature, and / or the production of refrigerant at T5 evaporation temperature, and said system comprising at least one current generating assembly which comprises either a combustion engine (2) connected to an alternator (18) or a fuel cell (22), each of the current generators also having a heat exchanger (8) producing very hot water at temperature T2, and said system (1) or current generating assembly optionally including one or more other current generators selected from the group consisting of a combustion engine (2) connected to an alternator (18), a fuel cell (22), a photovoltaic solar panel (23), or a wind turbine,
  • said system (1) also comprising at least one heat pump (3), or a refrigeration unit and possibly an electric accumulator (19), said heat pump or said refrigeration unit being (i) of the compression type of steam and then comprising at least one compressor (17) of refrigerant, a first heat exchanger (11, 66) located at the suction of the compressor (17) when the system (1) is in cooling mode, a pressure reducer ( 10), and a second heat exchanger (12) placed at the discharge of the compressor (17) when the system (1) is in cooling mode, and possibly a third heat exchanger (15) located at the discharge of the compressor (17) when the system (1) is in the cooling mode and used for heating the hot water (14), (ii) the absorption type and then comprising an absorber (28), a circulation pump (30), a generator of steam (29), a first exchanger heat sink (31) at the inlet of said absorber (28), an expander (32) and a second heat exchanger (33) at the outlet of said steam generator (29),
  • said system (1) comprises at least one module Pc 1 Pa called “heat pump module” (36,37) or at least one module Pr said “refrigeration module” (36A) or at least one module Pm ( 36B) said “mixed: heat pump and refrigeration” comprising, (b1) in the case of a compression heat pump module Pc (36), each at least one heat pump assembly comprising at least one refrigerant compressor (17), said first heat exchanger (11) ), said expander (10), said second heat exchanger (12), and optionally said third heat exchanger (15);
  • each at least one refrigeration assembly comprising at least one compressor (17) of refrigerant, said expander (10), said second heat exchanger ( 12), and optionally said third heat exchanger (15), as well as refrigerant conduits (16a, 16b) for connection to an air / water refrigerant exchanger (66) external to the Pr module (36A);
  • the entire heat pump type comprises at least one refrigerant compressor (17), said first heat exchanger (11), said expander (10), said second heat exchanger (12), and possibly said third exchanger heat (15), and
  • the refrigeration type assembly comprises at least one refrigerant compressor (17), said expander (10), said second heat exchanger (12), and optionally said third heat exchanger (15) as well as refrigerant conduits; (16a, 16b) for connection to an air / water refrigerant exchanger (66) external to the Pm module (36) and in that said generator assembly is included within a generator module (G), said modules (G 1 Pc, Pa, Pr, Pm) each being provided with a frame and an assembly forming a mounting interface made so that said modules (G 1 Pc, Pa, Pr, Pm) can be to assemble between them, one after the other, and form a unitary whole.
  • system allowing the simultaneous production of water at several temperatures, and possibly refrigerant, includes a system capable of producing and supplying the user with water and possibly refrigerant at specified temperatures via appropriate collectors which connect the unitary unit thus obtained to the installation of the user.
  • the number and type of modules is chosen as a function of the heating and / or refrigerating and electrical power required to operate the system to adapt it to a given application, and this from its conception.
  • Such a modular construction offers a wide range of system design solutions, adapting the number and type of modules to each use case.
  • the system also has a flexibility of use because it takes into account a multiplicity of energies that can feed the system, as well as a multiplicity of energy flows that can be produced by the system.
  • the system of the invention is of modular construction, it allows to connect together several complex modules, including cogeneration and thermodynamics, by simplifying the interfaces to obtain a unitary unit or unit, preferably easily transportable by truck.
  • the complexity of the design is concentrated inside the modules, the interfaces between modules being simplified to the maximum.
  • the modules preferably have frames of identical height and width to connect to each other by means of appropriate mechanical connection means.
  • a system will therefore be defined by optimally choosing the modules that will be standardized, in particular by their internal functions and the choice of interfaces in order to obtain a system corresponding to the needs of the end user.
  • the system of the invention meets the needs of applications such as:
  • the preferred fluid is water at temperature T1 (heating), T2 (domestic hot water) and (T3) (air conditioning). For some applications, there may be simultaneous cooling and heating requirements in some parts of the building.
  • the cogeneration module (or generator module G) which allows the generation of heating power in the form of hot water at T2 temperature and electricity
  • Each engine includes one or two engines among the possible choices (non-limiting) of 2 liters and 4.6 liters
  • the electrical power can be used locally by other modules or sent externally on the customer's power grid
  • the thermal power is transferred via a regulated valve to central hot water pipes T1 or hot water T2 according to the respective needs of the application.
  • 2-liter engine up to 25 kW of electricity and up to 35 kW of heat output at T2
  • Each module includes two independent refrigeration units connected to the central water pipes, and a control system.
  • Each set produces about 65kW of cold water at T3 temperature or about 80kW of hot water at T1 temperature (not simultaneously)
  • Each module of this type produces: about 13OkW of cold water at T3 temperature or about 16OkW of hot water at T1 temperature (non-simultaneous way)
  • Each module includes two independent refrigeration units connected to the central water pipes, and a control system.
  • Each of the two assemblies can produce about 65kW of cold water at T3 temperature or about 80kW of hot water at T1 temperature as the reversible heat pump module but it can also produce if necessary these two powers simultaneously
  • Each module of this type can therefore produce: about 13OkW of cold water at temperature T3 or about 160 kW of hot water at temperature T1 as the reversible heat pump module but it can also produce if necessary these two powers simultaneously is about 13OkW refrigeration energy in the form of cold water at temperature T3 and about 160 kW of heat energy in the form of hot water at temperature T1.
  • the refrigeration module (Pr) which allows the production of refrigerant at temperature T4 or T5 using the compression refrigeration cycle
  • Each module includes two independent refrigeration units connected to the central refrigerant piping, and a control system
  • Each of the two assemblies can produce approximately 40kW of cooling capacity in the form of refrigerant at temperature T4 or approximately 20kW of refrigerant at temperature T5.
  • Each module of this type can therefore produce about 8OkW of cooling capacity in the form of refrigerant at temperature T4 or about 40 kW of refrigerant at temperature T5.
  • each of the three modules above (heat pump modules and refrigeration module) is composed of two independent assemblies achieving the desired function, so we can have mixed modules including for example a reversible heat pump assembly and a set refrigeration (example in figure 13):
  • the heat output is approximately 35 kW
  • said assembly interface assembly comprises: a mechanical interface, an electrical interface and a fluid interface.
  • the system of the invention is of modular construction and comprises at least one electric current generating module and one or more so-called "production” modules each comprising one or two sets of heat pump or refrigeration.
  • modular building system it comprises a system comprising at least two modules, each module having a chassis forming support for its components, as well as mechanical, electrical and fluidic connection means to the adjacent module.
  • the modules are made so that, when connected, they have the same template at least in one dimension (for example the width of the module), and even more advantageously in two dimensions (width and height).
  • a production module may include a heat pump assembly or a refrigeration assembly.
  • a production module may comprise two sets of the same type, for example two heat pump assemblies or two refrigeration assemblies, on a common chassis.
  • a production module is a mixed module, that is to say that it comprises a heat pump assembly and a refrigeration assembly on a common chassis.
  • Interfaces between modules are limited to the maximum, they are of three types:
  • the modules have frames of identical height and width to connect to each other by means of appropriate mechanical connection means
  • Fluidic interfaces especially hydraulic and refrigerant: they are located in the same place for all modules (preferably in the central part, such as the product shown in the drawings). They constitute the path of passage and transfer of heat energy to the outside of the modular system of the invention.
  • the product is in the form of a single unit or unitary unit transportable in one piece for example by truck.
  • up to six modules can be assembled together, including one or two cogeneration modules (a cogeneration module at each end of the machine).
  • the electrical and thermal powers of the various modules of this monobloc assembly are then combined.
  • the megawatt is approaching in terms of heat energy.
  • the available electrical energy will be used locally by the modules or sent externally to the customer network according to the respective needs.
  • the maximum cogeneration power associated with heat pump modules will typically be found.
  • the monobloc product avoids the use or construction of a technical room.
  • the available primary energy powers are related to the size of the biogas-producing biogas plants by biomass. This available power range is well adapted to the cogeneration modules of the system of the invention.
  • the system 1 of the invention also comprises at least one refrigeration module 36A 1 and optionally an electric accumulator 19, said module comprising at least one refrigeration assembly which is of the vapor compression type and then comprising at least one compressor 17 of refrigerant, an expander 10, a heat exchanger 12 placed at the discharge of the compressor 17, and optionally a third heat exchanger 15 located at the discharge of the compressor 17 when the system 1 is also used for heating the hot water 14, the system also comprising refrigerant conduits intended to be connected to a refrigerant / air type exchanger 66 situated outside the module, or even outside the system, typically, but not exclusively, in particular for refrigeration applications of foodstuffs.
  • the exchanger 66 is essential for operation. However, it is not located physically in the module comprising the compressors.
  • the exchanger 66 may be located in a specific isothermal module forming part of the modular design system (role of cold room outside the building for example).
  • the exchanger 66 may also be located away from the modular design system, in the enclosure of a building (supermarket-type application, for example). More particularly according to the invention in this case,
  • the compressor 17 is driven by an electric motor, which can be powered by one of said current generators, and
  • said system 1 comprises at least one module Pr said "refrigeration module” comprising, each at least one refrigerant compressor 17, said expander 10, said heat exchanger 12, possibly said heat exchanger 15, and ducts of refrigerant (16a, 16b) intended to be connected to a heat exchanger 66 not being physically located in the module, but being essential to its operation.
  • the combustion engine type current generator may be included in a module G said current generator module; this module G may comprise one or more other current generators selected from combustion engines and fuel cells, or these other current generators may be integrated into a second current generator module.
  • the current generating module (s) may advantageously comprise connections for connecting one or more external current sources such as a photovoltaic solar panel (23), a wind turbine, or an electrical network. Said current generators can be AC or DC generators.
  • the first current generator is a combustion engine 2 connected to an alternator 18.
  • the alternating current can supply said compressor 17 with alternating current (a part that can be introduced into an external electrical network to the system 1), or it can be converted into direct current for supplying said compressor 17 operating with direct current and / or for recharging the electric accumulator 19.
  • alternating current a part that can be introduced into an external electrical network to the system 1
  • direct current for supplying said compressor 17 operating with direct current and / or for recharging the electric accumulator 19.
  • the other generators of currents if they produce current alternative (such as a combustion engine, a wind turbine or a turbine).
  • one of the other current generators is a direct current generator (for example the fuel cell 22 or the photovoltaic panel 23)
  • this direct current can either be used directly by the compressor 17, if the latter operates with direct current and / or by the electric accumulator 19, be converted into alternating current, for use by the compressor 17 operating with alternating current, and / or to be introduced into an external electrical network to the system 1.
  • said heat pump or refrigeration unit uses the refrigeration cycle by vapor compression.
  • the system according to the invention is very advantageously designed so that it can be powered by an external electrical network to cover, in part or in full, its electrical energy requirements, and so as to be able to send to said external electrical network at least one part of the electrical energy produced by said system.
  • a second object of the invention is a method of regulating a system according to the invention.
  • FIGS 1 to 19 refer to the invention which they illustrate particular embodiments.
  • FIG. 1 represents a schematic diagram of the system according to the invention, in the case where the AC generator is a combustion engine connected to an alternator and the heat pump uses the vapor compression refrigeration cycle.
  • FIG. 2 represents a schematic diagram of the system according to the invention, in the case where the alternating current generator is a photovoltaic solar panel or a fuel cell connected to an AC direct current converter and the heat pump uses the vapor compression refrigeration cycle.
  • the alternating current generator is a photovoltaic solar panel or a fuel cell connected to an AC direct current converter and the heat pump uses the vapor compression refrigeration cycle.
  • Figure 3 shows the energy efficiency of the system according to the invention in the case of the heat pump compared to the yields of various systems of the state of the art.
  • FIG. 4 represents a schematic diagram of the system according to the invention, in the case where the AC generator is a combustion engine connected to an alternator and the refrigeration module uses the vapor compression refrigeration cycle.
  • FIG. 5 represents a block diagram of a system of the invention according to a variant of the invention, the system comprising several current generator modules connected to several heat pump modules.
  • FIG. 6 represents a block diagram of a system of the invention according to a variant of the invention, the system comprising a plurality of current generator modules connected to a heat pump module and to several refrigeration modules.
  • Figure 7 shows a block diagram of a system of the invention in the case where the AC generator is a combustion engine connected to an alternator and the heat pump uses the absorption refrigeration cycle.
  • FIG. 8a is a side view
  • FIG. 8b is a front view
  • FIG. 8c is a sectional view along the AA plane of FIG. 8b of a system according to another variant of the invention in which the system comprises a module. generator connected to several heat pump modules of different types.
  • FIGS. 9a to 9f represent different views of a compression heat pump module according to the invention comprising two heat pump assemblies provided with the optional exchanger 15.
  • FIG. 10a is a side view
  • FIG. 10b is a front view
  • FIG. 10c is a sectional view along plane C-C of FIG. 10b of an absorption heat pump module according to the invention.
  • FIG. 11a is a side view
  • FIG. 11b is a front view
  • FIG. 11c is a sectional view along the D-D plane of FIG. 11b of a generator module according to the invention.
  • Figures 12a to 12f show different views of a refrigeration module having two refrigeration assemblies.
  • Figures 13a to 13f show different views of a mixed heat pump and refrigeration module.
  • FIGS. 14a to 14c show different views of an exemplary system of the invention comprising a generator module and a mixed heat pump and refrigeration module.
  • FIG. 15 represents an exemplary system comprising a generator module, a mixed heat pump and refrigeration module and a refrigeration module type module comprising two refrigeration units.
  • FIG. 16 represents an example of a system according to the invention comprising a generator module, a mixed heat pump and refrigeration module, of the refrigeration module type comprising two refrigeration assemblies and two isothermal modules.
  • Figure 17 shows a block diagram of the compression heat pump assembly made according to a first mode of operation.
  • Fig. 18 shows a block diagram of the compression heat pump assembly constructed in a second mode of operation.
  • FIG. 19 represents a block diagram of a fuel cell equipped with a reforming or reformer assembly, said battery belonging to the generator module.
  • Expansion valve B (optional circuit with exchanger 15)
  • OC Expansion valve C (optional circuit with exchanger 15)
  • Water / refrigerant heat exchanger (evaporator in cooling mode)
  • Air / refrigerant heat exchanger - (evaporator in heating mode, and condenser in cooling mode)
  • Thermodynamic system of the heat pump or refrigeration type Device comprising a compressor and several exchangers in which circulates a specific transfer fluid commonly called refrigerant, said device for absorbing thermal energy at a first temperature, and to restore thermal energy at a second temperature, the second temperature being higher than the first.
  • refrigerant a specific transfer fluid commonly called refrigerant
  • Geothermal Loop A set of pipes placed in the ground typically in a vertical or horizontal position and intended to exchange heat between the heating or cooling system and the ground.
  • Heat exchanger Device intended to transfer heat between several circuits.
  • Transfer Fluid Heat transfer fluid used to transfer heat; conventional examples are refrigerant, water or brine sometimes called brine.
  • Thermal source or source By convention, the terms source and thermal load refer to the heating mode.
  • the source is the medium from which the heat is extracted in heating mode. This heat extraction is carried out with certain physical characteristics such as the thermal inertia or the available power that characterize the source. It may be noted that the source term is unsuitable in cooling mode because it actually rejects heat from the building.
  • Thermal load or load The load is the environment where heat is rejected in heating mode. This heat rejection is achieved with certain physical characteristics such as the thermal inertia or the available power that characterize the load, so the load is the place where the heat is removed in cooling mode.
  • COP or coefficient of performance the COP or coefficient of performance of a system in heating mode is defined as the ratio between the heating power available on the electrical power consumed by the system.
  • COP "electrical equivalent” means the COP that would have the facility if we used electricity instead of gas or biofuel.
  • AC Generator A device that generates alternating current either directly or through an additional converter that converts the DC current generated into AC current.
  • Combustion engine Engine that, by combustion, converts the chemical energy contained in a fuel into mechanical energy.
  • Internal combustion engine A combustion engine in which the combustion of fuel producing the energy required for operation takes place in the engine itself, typically in a combustion chamber.
  • Photovoltaic solar panel DC electric generator consisting of a set of photovoltaic cells electrically interconnected.
  • Solar thermal collector Device in which the temperature of a solid, liquid or gaseous medium is increased by total or partial absorption of solar radiation.
  • Fuel cell A device that produces electricity by oxidation on one electrode of a reducing fuel (for example hydrogen) coupled to the reduction on the other electrode of an oxidant, such as oxygen air.
  • the combustion engine 2 of the system according to the invention is preferably an internal combustion engine, it is part of the current generator module G. It is preferably fed with natural gas. Depending on the needs, it can also be powered by other gaseous or liquid fuels such as gasoline, fuel oil, kerosene, alcohol, biofuels such as vegetable oils, bioethanol, biogas.
  • gaseous or liquid fuels such as gasoline, fuel oil, kerosene, alcohol, biofuels such as vegetable oils, bioethanol, biogas.
  • combustion engines It may also be other types of combustion engines, such as external combustion engines such as Stirling engines.
  • the alternator 18 assembled to the combustion engine is also part of the generator G.
  • the fuel cell 22 of the system according to the invention may be any type of fuel cell known to those skilled in the art, typically operating, but not exclusively, at temperatures below 200 ° C., but may in some cases case to reach a temperature of 800 0 C to 1000 0 C (for example a "solid oxide” type battery) and supplied with a suitable fuel, such as hydrogen, methane or another hydrocarbon mixture such as gasoline or the fuel.
  • a suitable fuel such as hydrogen, methane or another hydrocarbon mixture such as gasoline or the fuel.
  • the fuel cell is composed at least of a hydrogen fuel cell core 22B (in the case of fuel cell cores based on proton membranes) or powered by the plurality of hydrocarbon fuels already mentioned (in the case of high temperature battery cores). solid oxide type).
  • the fuel cell 22 is composed of a reformer 22A and a battery core 22B.
  • the role of the reformer is to extract the Hydrogen required at the core from chemically more complex and already mentioned fuels such as natural gas, methane, biogas or another hydrocarbon mixture. The hydrogen thus extracted feeds the cell core based on proton membranes.
  • a reformer fuel cell 22A An exemplary operation of a reformer fuel cell 22A is shown in Fig. 19 and will be described in the following.
  • the fuel 22F (which may be natural gas, bio gas, etc.) undergoes in the reformer 22A a series of transformations to extract the hydrogen 22G, while limiting the level of impurities (typically sulfur) and the carbon monoxide.
  • the fuel first goes through a reforming reactor which, following the addition of water, extract the hydrogen.
  • the function of the unit 22D is to reduce the sulfur content, which may affect the behavior of the battery core 22B.
  • the unit 22E realizes, she, the so-called "water gas shift” transformation that decreases the carbon monoxide content of the mixture which can also affect the behavior of the pile core.
  • the photovoltaic solar panels 23 of the system according to the invention can be any type of panel known to those skilled in the art, in particular, the semiconductor constituting the photovoltaic cells can be, in a nonlimiting manner, amorphous silicon, polycrystalline or monocrystalline, an organic semiconductor material, or a combination thereof. A plurality of photovoltaic solar panels can be used.
  • the system according to the invention is reversible, that is to say it can operate in heating mode by providing hot water at temperature T1 ("heating mode") or in a mode favoring cooling by supply cold water at temperature T3 ("cooling mode”).
  • a four-way cycle reversal valve 46 (Fig. ⁇ c) is installed on the refrigerant circuit 16. It can also have non-reversible systems, particularly for certain refrigeration applications.
  • the valve four cycle inversion channels 46 is then replaced by four refrigeration valves two channels 65A 1 B, C, D
  • the expander 10 is then completed by two additional regulators causing the circuit comprises three expansion valves: 10A, 1Ob, 1OC.
  • the heat exchangers 11 and 12 are reversible heat exchangers. It should be noted that we have chosen to describe in detail the operation of the system according to the invention in cooling mode. When the heat pump is operating in heating mode, the water circuit 13 becomes a hot water circuit.
  • the heat exchanger 11 is preferably a plate heat exchanger.
  • the heat pump 3 of the system 1 is a Pc module 36 which comprises
  • a first heat exchanger 11 located at the suction of the compressor 17 when the system operates in air conditioning mode
  • a second heat exchanger 12 located at the discharge of the compressor 17 when the system operates in air conditioning mode.
  • a third optional heat exchanger 15 located at the discharge of the compressor 17 when the system is in air conditioning mode and simultaneous heating by heat recovery.
  • the compressor 17 is driven by an electric motor.
  • This electric motor can be electrically powered by the first current generator and / or by one or more of the other current generators, or the electrical network, depending on the choice made by the overall system control method chosen.
  • a DC or AC motor can be used.
  • the fact of using an electric motor to operate the compressor 17 (and in particular, the fact of not driving the compressor 17 directly (mechanically) by the combustion engine 2) has the advantage of being able to use hermetic compressors, avoiding thus the risks of leakage related to the use of open compressors.
  • the compressor 17 is driven by an electric motor powered electrically by a combustion engine 2, the electricity required being generated by the alternator 18 driven by said combustion engine 2.
  • the compressor of the heat pump is preferably a hermetic compressor.
  • Hermetic compressor means a compressor composed of a closed casing, usually a welded steel casing, inside which there is a compression unit for compressing the refrigerant, and a motor which drives the compression unit .
  • semi-hermetic compressors in which one can have access to certain internal organs during maintenance or possible repairs.
  • the heat pump 3 of the system 1 according to the invention may be provided with a third heat exchanger 15.
  • This exchanger is preferably (like the second heat exchanger 11) a plate heat exchanger.
  • the heat pump 3 of the system 1 allows the use of all types of thermal loads known to those skilled in the art for heating and cooling. air conditioning, such as refreshing heating floors, fan coil units.
  • the loads can also be air handling units for the dehumidification of swimming pools and the treatment of fresh air premises, or industrial process water circuits requiring the use of hot water and / or Cold water.
  • the heat pump 3 of the system 1 according to the invention may be an air / water type heat pump, that is to say a heat pump using the outside air and / or air extracted as a heat source in heating mode or a water / water type heat pump, ie a heat pump using a water circuit in the outdoor soil as a source of heat. heating mode.
  • An advantageous thermal source for the heat pump 3 is a geothermal loop.
  • the heat exchangers on the source and the load are adapted to the type of heat pump and the type of application according to the criteria well known to those skilled in the art.
  • the refrigeration assembly according to the invention is a module Pr 36A which comprises:
  • At least one compressor 17 driven by an electric motor
  • a module may comprise two independent refrigerant circuits, and therefore two exchangers 66. Each of these exchangers may be located in an isothermal module 36C or outside the modular assembly as described above. a second heat exchanger 12 located at the discharge of the compressor 17. These components are arranged inside a frame, not shown in FIG. 4.
  • the compressor 17 is driven by an electric motor.
  • This electric motor can be electrically powered by the first current generator and / or by one or more of the other current generators, or the electrical network, depending on the choice made by the overall system control method chosen.
  • a DC or AC motor can be used.
  • the fact of using an electric motor to operate the compressor 17 (and in particular, the fact of not driving the compressor 17 directly (mechanically) by the combustion engine 2) has the advantage of being able to use hermetic compressors, avoiding thus the risks of leakage related to the use of open compressors.
  • the compressor 17 is driven by an electric motor powered electrically by a combustion engine 2, the necessary electricity being generated by the alternator 18 driven by said combustion engine 2.
  • the compressor of the heat pump is preferably a hermetic compressor.
  • Hermetic compressor means a compressor composed of a closed casing, usually a welded steel casing, inside which there is a compression unit for compressing the refrigerant, and a motor which drives the compression unit .
  • semi-hermetic compressors in which one can have access to certain internal organs during maintenance or possible repairs.
  • the compressor 17 typically has, not exclusively, an electric power consumed from 10 to 30 kW depending on the models and operating conditions of the compressor (rotational speed, suction pressure and discharge pressure).
  • the cooling capacity will vary from 5 to 80 kW depending on the operating conditions. However, it is preferred, in order to increase the available cooling capacity, to use two compressors 17 connected in parallel, and in this case, all of the two compressors will have a cooling and electrical power consumed doubled.
  • the refrigeration assembly of the system according to the invention may be provided with a third heat exchanger 15.
  • This exchanger is preferably a plate heat exchanger.
  • the refrigerant is preferably selected from HFC hydrofluorocarbons (for example R134A, R407C, R404A & R410A) which are the most common. It is also possible to use hydrocarbons, and more particularly propane as a refrigerant. CO 2 can also be used.
  • a preferred refrigerant for the system of the present invention is R134A or 410A for the heat pump.
  • a preferred refrigerant for the system of the present invention is typically, but not exclusively R404A for the refrigeration assembly.
  • the operation of the present invention is not limited to the selection of one of the existing fluids on the market, and other fluids can be envisaged.
  • the heat pump 3 of the system 1 allows the use of all types of thermal loads known to those skilled in the art for heating and air conditioning, such as heated floors, cooling fan convectors.
  • the loads can also be air handling units for the dehumidification of swimming pools and the treatment of fresh air premises, or industrial process water circuits requiring the use of hot water and / or Cold water.
  • the heat pump 3 of the system 1 according to the invention may be an air / water type heat pump, that is to say a heat pump using the outside air and / or air extracted as a heat source in heating mode or a water / water type heat pump, ie a heat pump using a water circuit in the outdoor soil as a source of heat. heating mode.
  • An advantageous thermal source for the heat pump 3 is a geothermal loop.
  • the refrigeration assembly 36A of the system 1 comprises an air / air refrigeration circuit, that is to say that the air is cooled to a temperature T4 said refrigeration average temperature typically allowing the conservation of fresh food (forming, milk etc.) or is cooled to a lower T5 temperature called low temperature refrigeration typically allowing the preservation of frozen products.
  • the captured heat is typically discharged into the outside air via the compressor 17 and the refrigerant / air exchanger 12.
  • the heat exchangers on the source and the load are adapted to the type of refrigeration assembly and the type of application according to the criteria generally known to those skilled in the art.
  • the system 36A may be provided with a heat exchanger 15 for delivering hot water at the temperature T1.
  • the system 1 also comprises a heat pump of modular construction using the absorption cycle 27, and at least one electric accumulator 19.
  • the module Pa 37 of said heat pump comprising an absorber 28, a generator 29, a circulation pump 30, an evaporator 31 located at the inlet of the absorber, a suitable expansion valve 32 and a condenser 33 placed at the generator outlet, a refrigerant 34 and an absorbent 35.
  • the heat pump using the absorption cycle 27 is based on decreasing the solubility of a gas in a refrigerant when the temperature increases.
  • the refrigerant / absorbent current pairs are respectively the ammonia / water pair and the water / lithium bromide pair.
  • the refrigerant is absorbed in a deg C solution of the absorber 28, the solution enriched with refrigerant is transferred to the generator 29 through the circulation pump 30.
  • the solution is then heated, which causes the separation of the refrigerant and an increase in pressure and temperature.
  • the refrigerant flows to the condenser 33 where it condenses by rejecting heat. It then passes through an expansion system 32 and reaches the evaporator 31 where it evaporates by absorbing heat. He then joins the absorber 28, and the cycle begins again.
  • Heat pumps using the absorption cycle are known as such. They are less used because they are more expensive than heat pumps using the mechanical vapor compression refrigeration cycle. However, heat pumps using the absorption cycle require little electrical power, mainly for auxiliary components and control. Most of the energy required for the absorption cycle is thermal and typically comes from the combustion of fossil energy in a burner. In the system according to the invention, the heat pump using the absorption cycle 27 can be supplied with thermal energy by any suitable source, in particular by the heat generated by one of the combustion engines 2, by the fuel cell 22 or by a solar thermal collector.
  • the system 1 comprises a generator module connected to a heat pump module, said system simultaneously allows:
  • the system 1 according to this mode of the invention also allows the production of one or two or three elements selected from cold water, hot water, hot water and electricity.
  • the cold water has a temperature T3 typically between -8 and +15 C (case of water added with glycol) or between 4 and 15 and 15 ° C (case of water). This temperature is preferably between 5 and 9 ° C.
  • the so-called hot water produced by the heat pump 3 has a temperature T1 typically between 20 and 60 0 C, and preferably between 30 and 60 0 C.
  • the so-called hot water (typically domestic hot water) reaches a temperature T2> T1 typically between 40 and 75 ° C, and preferably 55 and 75 ° C.
  • system 1 comprises a generator module connected to a refrigeration module, said system simultaneously allows:
  • thermodynamic conditions evaporation temperature T4 or T5
  • a heat exchanger 66 refrigerant / air the supply of very cold air for refrigeration applications
  • a system 1 comprising one or more heat pump and refrigeration modules according to the invention thus makes it possible to provide:
  • the cold water has a temperature T3 typically between -8 and +15 0 C (case of water added glycol) or between 4 and 4 and 15 0 C (water case). This temperature is preferably between 5 and 9 ° C.
  • the so-called hot water produced by the heat pump 3 is typically a temperature T1 between 20 and 6O 0 C, and preferably between 30 and 60 0 C;
  • the so-called hot water (typically domestic hot water) reaches a temperature T2> T1 typically between 40 and 75 ° C, and preferably 55 and 75 ° C;
  • the refrigerant at the thermodynamic conditions of the medium temperature refrigeration has a T4 evaporation temperature typically between -15 ° C and 5 ° C and preferably between -10 0 C and -5 ° C;
  • the refrigerant at the thermodynamic conditions of low temperature refrigeration has a T5 evaporation temperature typically between -40 0 C and
  • the heat is recovered at a time on the cooling circuit of the combustion engine 2 and on the exhaust gases of the engine.
  • the electric power generator is a fuel cell 22, possibly associated with an AC direct current converter
  • the heat is recovered on the cooling circuit of the fuel cell 22, to which an exchange circuit is optionally added. thermal placed on the power converter.
  • the electric power generator is a photovoltaic solar panel 23, possibly associated with an AC direct current converter
  • the heat is advantageously recovered by a heat exchange circuit placed under the photovoltaic cells, and / or by a light circuit. heat exchange placed on the power converter. This has a more favorable energy efficiency than using an electrical resistance to heat the water.
  • the so-called cold water is obtained at a temperature T3 ⁇ T1 typically between typically between -8 and +15 0 C (case of water containing glycol) or between 4 and 15 ° C (water case). This temperature is preferably between 5 and 9 ° C.
  • T1 is between 20 ° C. and 60 ° C.
  • T2> T1 is between 40 ° C. and 75 ° C.
  • T3 ⁇ T1 is between -5 ° C. and + 15 ° C.
  • T4 ⁇ T3 is between -15 and 5 ° C
  • T5 is between -45 ° C and -25 ° C
  • the system 1 according to the invention is further provided with a control system, preferably electronic (not shown, preferably located in a cabinet called cabinet power and regulation, which it is preferably located in the module generator G 38).
  • This regulation system can operate with several set points, thus enabling the start-up of the system according to the invention as a function of the cold water requirements at temperature T3, and / or hot water at temperature T1 and / or water very hot at T2 temperature, or refrigerant at temperatures T4 or T5 and make the choice to return some of the electrical energy generated by the system to the external power network. It will be described in greater detail below.
  • the engine 2 is supplied with fuel via an inlet 4.
  • the electricity produced by the AC generator is used to operate the electrical and / or electronic elements of the system according to the invention, such as solenoid valves, one or more motor fans 21 associated with the heat exchanger 12 , and the electronic control system.
  • a portion of the electricity produced by the AC generator can be used for powering devices or electrical devices located outside the system according to the invention, such as lighting for example.
  • the AC generator is a combustion engine 2
  • about 40 to 60% of the energy supplied to said engine 2 is recovered as heat energy 6 for heating the domestic hot water.
  • the rest of the energy (typically between 3 and 25%) being dissipated in the form of losses 7.
  • the heat pump 3 whose compressor 17 is supplied with electricity 20 produced by the AC generator provides cold water 13, with a COP "air conditioning" between 2.9 and 3.5.
  • the system also supplies hot water 14 at the same time, with a heating COP of between 3 and 5.
  • At least one heat exchanger 8 placed on the combustion engine 2 can recover heat 6 emitted by the engine 2.
  • At least one heat exchanger (not shown) is placed on the exhaust gas circuit of the engine, and at least one second heat exchanger is placed on the liquid cooling circuit of the engine 2.
  • the system 1 is of modular design and comprises at least one electric power generator module G 38 and one or more (N) production modules P each comprising one or two sets of heat pump 36D or refrigeration 36E .
  • the electric power generator module may comprise at least one combustion engine 2.
  • each of the N heat pump modules Pc and / or refrigeration Pr (i.e. of vapor compression type) of the system 1 according to the invention comprises
  • a first heat exchanger 11 located at the suction of the compressor 17 when the system operates in air conditioning mode
  • a second heat exchanger 12 located at the discharge of the compressor 17 when the system operates in air conditioning mode
  • a third heat exchanger 15 preferably a plate heat exchanger
  • a heat exchanger 66 which may be located in a specific isothermal module forming part of the modular design system or may be situated away from the modular design system, in the enclosure of a building.
  • These components are arranged inside a frame having.
  • the heat pump modules Pc are preferably identical, in particular as regards their essential components and their dimensioning. This allows them to be mass-produced. This also facilitates their maintenance and repair, because one can simply exchange a faulty module by a module in working condition and repair the faulty module without being connected to the system 1.
  • the heat pump module Pc comprises two compression heat pump assemblies 36D
  • the mixed module Pm comprises a heat pump assembly 36D and a refrigeration assembly 36D
  • the refrigeration module 36A comprises two refrigeration units 36E.
  • These modules are made in the form of a chassis, said chassis being traversed by collector pipes, possibly by a fuel inlet pipe, and by electric power and regulation cables.
  • Said frame is also provided with means for connecting the various pipes and cables to the system.
  • the dimensions of such a so-called production module frame are: length 1700 mm, width 2200 mm, height 2420 mm.
  • Said frame typically encloses
  • At least one compressor advantageously with variable power
  • At least one plate exchanger at least one plate exchanger, - Auxiliary components of a heat pump or refrigeration system of known type, such as a four-way valve, two-way refrigerant valves, and one or more refrigeration valves.
  • a liquid tank for containing coolant for containing coolant.
  • the absorption heat pump module Pa can be made in the form of a chassis, said chassis being traversed by collecting pipes, by a pipe of arrival of fuel and electric power and regulation cables.
  • Said frame is also provided with means for connecting the various pipes and cables to the system.
  • Said frame typically contains at least the following elements:
  • an absorption heat pump such as: a pump, pressure reducers.
  • the current generating module G can be made in the form of a chassis, said chassis being traversed by a fuel supply pipe and by power cables and regulation.
  • Said frame is also provided with means for connecting the various pipes and cables to the system.
  • Said frame typically contains at least one heat engine type current generator connected to its alternator or a fuel cell, an exchanger for heat exchange between the current generator (s) and very hot water, a power cabinet and overall system regulation; optionally, other current-generating sources, such as a fuel cell and possibly its alternator, or even other external thermal sources (such as connections to the solar thermal collectors) can be arranged in the same frame of the current generator module.
  • the dimensions of such a generator module frame are: length 2300 mm, width 2300 mm, height 2420 mm.
  • the combustion engine 2 is preferably a motor adapted for natural gas. This may be for example a motor of a displacement of 2 liters to 4.6 liters of the standard type as used in certain motor vehicles with gasoline or diesel industrial vehicles, but specifically adapted for the use with natural gas.
  • a combination of two motors 2 of identical or different displacement is used, according to the needs of the user.
  • connection for an external heat transfer fluid that provides thermal energy, for example from a solar thermal collector or a geothermal loop; this connection is advantageously at the generation level because it simplifies both the design and regulation of the system 1.
  • a single electric current generator is advantageously used, but this depends on the energy dimensioning of the system.
  • Two electric current generators can be used, preferably arranged in the same generator module G; one of these two generators is advantageously a combustion engine 2.
  • Two combustion engines can be used, either in the same current generator module, or in two separate modules. It is preferable to integrate them in the same module, because this makes it possible to share certain components such as the lubrication and / or cooling circuits.
  • the use of two combustion engines 2 optimizes their use according to the needs of hot water, very hot water, cold water and electrical power generated.
  • both engines are gasoline or natural gas engines, and the energy requirement they must provide is quite low, it may be preferable, in order to preserve the life of the engines or to optimize their COP, to use only one of the two engines, whereas in the case where the two combustion engines 2 are diesel engines, it may be preferable to use two at partial load that one at full load.
  • the existence of two motors therefore increases the flexibility of use of the system 1 and also provides redundancy in case of engine failure. Of course we can also use more than two engines.
  • current type motors developed for mass-produced automobiles are used because this ensures a very attractive purchase price and reliable maintenance.
  • the alternators are contacted with a heat exchanger to recover at least a portion of the heat energy in which a portion of the heat is transformed.
  • electrical energy knowing that the energy efficiency of an alternator is always less than 100%.
  • This heat exchanger then heats a coolant that has entered a heat pump circuit.
  • FIG. 5 illustrates a particular embodiment comprising two cogeneration assemblies, which can be integrated in the same generator module G, connected to a plurality of steam compression type heat pump modules Pc.
  • the different heat pump modules are interconnected by customer input collectors Ce1, Ce3, and customer output collectors Cs1, Cs3.
  • Customer input ducts Ce2 and customer output ducts Cs2 are provided at the level of the hot water circuit 9.
  • FIGS. 8a to 8c illustrate better an exemplary embodiment of a system comprising several compression heat pump modules 36, in this case three modules, connected to two absorption heat pump modules 37, which are connected to a current generator module 38. These modules 36, 37, 38 are individually illustrated in FIGS.
  • a frame 44 of the heat pump module 36 or 37 is seen through which four collectors 39a, 39b, 39c, 39d pass through, the diameter of the collectors being able to be adapted to water flows necessary for the application, by power cables 41 and control cables 42.
  • the frame 44 forms an open housing on the sides so that it can be traversed by the fluid collectors and electric cables ues, possibly even be crossed by piping 40 gas if necessary (for example to connect a remote absorption heat pump module 37 to the generator module 39 through a compression heat pump module 36).
  • the manifold 39a is a manifold for the inlet, the manifold 39b a manifold for the fluid outlet.
  • the other two collectors 39c for the input and 39d for the output, are intended for heat recovery in cooling mode; they are then connected to the third optional heat exchanger 15 present in this variant in the compression heat pump module 36, and operating on the same principle as the exchanger 15 of the Pc module.
  • a third recovery heat exchanger (not shown) may also be present in the absorption heat pump module 37.
  • the generator module 38 is also constructed as a frame 64, forming an open housing on the sides so that fluid manifolds and electrical cables can pass therethrough.
  • a compression heat pump module 36 comprises, inside its chassis 44, two heat pump assemblies each comprising a ventilation 21, a refrigerant exchanger. 12, a four-way valve 46, a refrigeration compressor 17, a liquid cut-off bottle 48, a refrigerant / water plate heat exchanger 11, a liquid reservoir 50 and an optional plate heat exchanger, refrigerant / reclaimed water 15.
  • the four-way valve is replaced by four two-way refrigerated valves 65A, 65B, 65C, 65D
  • An absorption heat pump module 37 comprises, inside a frame 44, and as best seen in FIGS. 8a to 8c and 6b and 6c, a ventilation 21, a refrigerant / air exchanger 54, an absorber 51 , a generator 52 and a refrigerant / water plate heat exchanger 53. These modules 36,37 operate on the same principle as the modules Pc and Pa, as previously described.
  • FIG. 17 schematically represents a heat pump assembly according to a first embodiment of the invention, in particular a reversible heat pump with a four-way valve 46.
  • the regulation of the machine will satisfy the heating power requirement by regulating the power of the refrigerating compressor in order to respect the hot water temperature T1.
  • the four-way valve 46 connects the discharge pipe of the compressor to the heat exchanger 11.
  • the regulator 10 regulates the flow of fluid refrigerant to maintain an overheating of this fluid when leaving the heat exchanger 12.
  • the four-way valve 46 connects the exchanger 12 to the suction pipe of the compressor 17.
  • the control loop relates to the hot water temperature T1 Leaving the heat exchanger 11.
  • T1 the hot water temperature
  • the regulator 10 regulates the flow of fluid as it leaves the heat exchanger 11.
  • the four-way valve 46 connects the discharge pipe of the compressor 17 at the exchanger 12.
  • the regulator 10 regulates the flow of refrigerant to maintain an overheating of this fluid when it leaves the heat exchanger 11.
  • the four-way valve 46 connects the exchanger 11 to the suction pipe of the compressor 17.
  • FIG. 18 schematically represents a heat pump assembly according to a second embodiment of the invention, in particular a reversible heat pump with a recovery exchanger 15 and four two-way refrigerated valves (or self-contained valves) 65A, 65B, 65C, 65D.
  • a reversible heat pump with a recovery exchanger 15 and four two-way refrigerated valves (or self-contained valves) 65A, 65B, 65C, 65D.
  • the machine When the heat pump assembly of FIG. 18 operates in cooling mode, the machine will satisfy the cooling capacity requirement by regulating the power of the refrigerating compressor 17 to respect the cold water temperature T3. All available heat is then rejected to the outside air through the heat exchanger 12.
  • the solenoid valve 65B is open, all other solenoids are closed.
  • the regulator 10A regulates the flow of refrigerant to maintain overheating of this fluid when it leaves the exchanger 11.
  • the regulators 10B and 10C are closed.
  • the regulation loop concerns the temperature of cold water T3 leaving the exchanger 11.
  • the control of the machine When the heat pump assembly of FIG. 18 operates in cooling and heat recovery mode, the control of the machine will satisfy the cooling capacity requirement by regulating the power of the refrigeration compressor to respect the cold water temperature T3.
  • the available heat is supplied to the water recovery circuit through exchanger 15.
  • Solenoid valve 65C is open, all other solenoid valves are closed.
  • the regulator 1OB regulates the flow of refrigerant to maintain overheating of this fluid when it leaves the exchanger 11.
  • the regulators 10A and 10C are closed.
  • the regulation loop concerns the temperature of cold water T3 leaving the exchanger 11.
  • the control of the machine will satisfy the cooling capacity requirement by regulating the power of the refrigeration compressor in order to respect the temperature of the heat pump. cold water T3.
  • the available heat is sent to the water recovery circuit via the exchanger 15. If the amount of available heat is greater than the needs, then the excess is sent to the exchanger 12.
  • the solenoid valves 65B and 65C are open, all other solenoid valves are closed.
  • the regulators 10A and 10B together regulate the refrigerant flow rate to maintain an overheating of this fluid when it leaves the heat exchanger 11.
  • the regulator 10C is closed. Two parallel control loops are found in operation: a first relating to the cold water temperature T3 leaving the heat exchanger 11 and a second which controls the temperature of hot water T1 leaving the heat exchanger 15.
  • the control of the machine will satisfy the heating power requirement by regulating the power of the refrigerating compressor in order to respect the hot water temperature T1.
  • the available heat extracted from the air by the exchanger 12 is sent to the water recovery circuit via the exchanger 15.
  • the solenoid valves 65A and 65C are open, all other solenoid valves being closed.
  • the regulator 10C together regulates the refrigerant flow rate to maintain an overheating of this fluid when it leaves the exchanger 12.
  • the regulators 10A and 10B are closed.
  • the regulation loop concerns the temperature of hot water T1 leaving the exchanger 15.
  • the regulation of the machine will satisfy the need for cooling capacity to respect the cold water temperature T3 (heat exchanger 11). Moreover, the regulation of the machine will satisfy the heat capacity requirement by regulating the power of the refrigerating compressor in order to respect the temperature of hot water T1 (exchanger 15). The additional power is extracted from the air through the exchanger 12.
  • the solenoid valves 65A and 65C are open, all other solenoid valves are closed.
  • the regulator 1OC regulates the refrigerant flow rate to maintain an overheating of this fluid when it leaves the exchanger 12.
  • the regulator 1OB regulates the refrigerant flow rate to maintain an overheating of this fluid when it leaves the exchanger 11.
  • the regulator 1OA is closed. Two parallel control loops are found in operation: a first relating to the temperature of hot water T1 leaving the exchanger 15 and a second relating to the temperature of cold water T3 leaving the exchanger 11.
  • the machine When the heat pump assembly of FIG. 18 operates in defrosting mode, the machine will extract heat at the recovery circuit through the heat exchanger 15. This heat will be sent to the heat exchanger 12 in order to defrost. Solenoid valves 65B and 65D are open, the other solenoid valves are closed. The regulator 10C controls the overheating of the refrigerant leaving the exchanger 15, the other regulators being closed. The control of the machine starts the defrost and stops it based on the information given by the pressure and temperature sensors of the circuit.
  • the current generating module 38 comprises a frame 64, provided with a fuel inlet 55 communicating with the pipe 40 of the module 37.
  • the frame 64 comprises at least one generator current, which may be a combustion engine and its current generator 56, or a fuel cell with its inverter 57.
  • a connection of the external thermal sources 58 may be provided for solar thermal collectors or other hot water sources.
  • An exchanger 59 is provided to perform the heat exchange between the current generator and the very hot water.
  • the frame 64 also contains a power cabinet and overall regulation system 60, said cabinet being provided with connections to a power cabling 61 for the arrival of energy from a photovoltaic panel, a wiring 62 for network arrival external electrical and power wiring 63 for sending electrical energy to the external power grid.
  • FIG. 6 illustrates another particular embodiment comprising two generator modules G, 38 connected to a steam compression type heat pump module Pc, 36 and to a plurality of refrigeration modules Pr, 36A.
  • the various refrigeration modules Pr are interconnected and connected to the heat pump module Pc by customer input collectors Ce3 and by customer output collector Cs3.
  • the balancing of the water flows in the modular heat exchangers is done in this case using balancing valves of the system.
  • FIGS. 12a to 12f illustrate better an embodiment of a refrigeration module 36A comprising two refrigeration assemblies 36E on a common chassis. More particularly, the detail view 12f illustrates on an enlarged scale the inlet and outlet connection pipes to the cold water circuit 13, the inlet and outlet connection pipes to the hot water circuit 14, as well as the four refrigerant conduits including two suction 16a and two liquid 16b for connecting the two refrigeration units 36E to a refrigerant / air exchanger 66 located remotely, being external to the module 36A.
  • Figs. 12a and 12b are front and rear views of the refrigeration module 36E
  • Fig. 12b shows a side view of a refrigeration module 36A having two refrigeration assemblies 36E
  • Fig. 12d is a perspective view of the refrigeration module.
  • FIG. 36A and Figure 12e is a sectional view of the module 36A made with the plane DD of Figure 12b.
  • the refrigeration module 36A comprising two refrigeration assemblies 36E has a total symmetry vertically, which allows to advantageously arrange all the components of the two refrigeration units on a common frame of the module.
  • FIGS. 13a to 13f better illustrate an exemplary embodiment of a mixed module 36B comprising a refrigeration assembly 36E and a heat pump assembly 36D on a common chassis. More particularly, the detail view 13f illustrates on an enlarged scale the inlet and outlet connection pipes to the cold water circuit 13, the inlet and outlet connection pipes to the hot water circuit 14, as well as the two refrigerant conduits including a suction 16a and a liquid 16b for connecting the refrigeration assembly 36E to a refrigerant / air exchanger 66 located remotely, being external to the module 36A.
  • Figures 13a and 13b are front and rear views of the mixed module 36B
  • Figure 13b shows a side view of a module 36B
  • Figure 13d is a perspective view of the mixed module 36B
  • Figure 13e is a sectional view taken with the EE plane of Figure 13b.
  • FIGS. 14a to 14c illustrate better an exemplary embodiment of a system of the invention comprising a generator module 38 connected to a mixed module 36B comprising a refrigeration assembly 36E and a heat pump assembly 36D on a common chassis.
  • FIG. 14a is a side view of the assembly
  • FIG. 14b is a front view of the assembly
  • FIG. 14c is a perspective view of the generator module assembly 38 and mixed module 36B.
  • Figure 15 is a front view illustrating an embodiment of a system of the invention comprising a generator module 38 connected to a compression heat pump module 36 and a refrigeration module 36A.
  • FIG. 16 illustrates an exemplary embodiment of a system of the invention comprising a generator module 38 connected to a compression heat pump module 36, to a refrigeration module 36A, connected to a first isothermal module 36C comprising an evaporator 66 and a second isothermal module comprising an evaporator 66.
  • Multi-energy or multi-energy supply typically electricity / natural gas or fuel
  • the system according to the invention has a higher efficiency than the systems of the state of the art, even recent ones, such as gas-fired boilers.
  • a total power of 60 to 900 kW is typically obtained thanks to the modular structure of the system according to the invention, respecting the geometric dimensions of a truck of standard size in Europe (maximum length of the load: 13 meters).
  • the vapor compression heat pump module comprises two heat pump assemblies each comprising a compressor (typically scroll compressors, also called a scroll compressor), a fan, an air / refrigerant exchanger. (called “battery”) reversible V and two plate heat exchangers water / refrigerant circuit (including an optional for the heat recovery circuit).
  • a compressor typically scroll compressors, also called a scroll compressor
  • a fan typically blows the fan
  • an air / refrigerant exchanger air / refrigerant exchanger.
  • battery air / refrigerant exchanger
  • two plate heat exchangers water / refrigerant circuit (including an optional for the heat recovery circuit).
  • the heat pump module can operate in heating alone mode or air conditioning only with possible recovery on an independent circuit.
  • the battery on the air is in evaporator mode, while the plate heat exchanger operates in condenser mode.
  • a supplement of heat can come if necessary from the heat recovered on the cooling circuit of the combustion engine and on its exhaust fumes. It is also possible to recover the heat of the engine at a very hot temperature T2.
  • the battery on the outside air operates in condenser mode, while the plate heat exchanger operates in evaporator mode. This allows the production of cold water, and offers the possibility of also providing hot water at T2 temperature on an independent circuit through the recovery on the cooling circuit of the combustion engine and its exhaust gas.
  • the heat pump module In heating mode alone, the heat pump module partially heats the water, and the heat recovery on the combustion engine cooling and its exhaust gases provide additional heat, if necessary, to provide, for example, heat. water at a typical temperature of 45 C C.
  • the heat pump module cools the cold water, for example at a temperature of 7 ° C, while independently, it can be generated from the hot or very hot by recovering the heat generated by the electric power generator module (combustion engine), according to the needs of the consumer.
  • the system can simultaneously produce hot water for heating and cold water for cooling in both summer and winter.
  • the batteries are then not used on the outside air, but only the reversible plate heat exchangers: one operates in condenser mode to produce hot water, the other operates in evaporator mode to produce water cold.
  • the heat recovery module of the electrical energy generator is used for additional heat on the production of hot water or very hot (sanitary water).
  • the system 1 is controlled by at least one computer machine comprising at least one microprocessor and at least one data entry interface. . Data is entered into the microprocessor of said computer machine through said data entry interface.
  • the invention also relates to a method of regulating a system 1 according to the invention. Here we describe this mode of regulation.
  • a first step (a) at least one piece of data called “base data” is entered into said microprocessor.
  • This basic data is typically entered into the microprocessor either during its initial programming at the factory, or during the start-up of the system 1 at the user's site (parameterization of the control for the given installation), or again by the user over time during the use of the system 1 (first level setting to take account of basic evolutions, for example the cost of energy).
  • the performance tables giving the supplied cooling capacity, the heat output supplied, the electric power consumed, the quantity of fuel consumed if applicable (case of the absorption heat pump) within its operating range.
  • These performance tables are defined by the water temperatures of each circuit (T1.T2 and T3, T4 and T5), the fluid flow of the associated exchangers, and the ambient air inlet temperature.
  • the control mode may provide that any operation with one or more of these parameters outside the defined operating range is prohibited.
  • a second step (b) at least one piece of data called “instantaneous data” is entered.
  • instantaneous data are typically input to the microprocessor during its operation by the measuring equipment that comprise the various components of the system 1, or by a device external to the system 1 (for example by an electrical contact of the type "erasing peak day of the electrical network ", via an Ethernet network etc ..) communicating some of these data to the installation.
  • This at least one instantaneous data is selected from the group formed by:
  • a third step (c) at least one datum called “target datum” is defined to which is assigned a value called “target value”, said target datum being selected from the group formed by:
  • a complementary target data such as the minimum electrical power to be supplied to the network (in the case of emergency generator operation, for example).
  • Said at least one target datum and its associated target value are input to the microprocessor.
  • a fourth step (d) the system 1 is controlled with the aid of said computer machine so as to achieve, for each of the selected target data, the determined target value or values, said regulation being performed by comparing the current value of the selected target data, which is determined from time to time or in a regular or continuous manner, taking into account the selected basic data or data and the instantaneous data (s) selected, and adjusting at least one data item called "adjustment data" selected in the group formed by
  • (dd1) the type, the number of current generators in operation, and the electrical power supplied by each of said generators (advantageously by selecting the generators according to their characteristics vis-à-vis the selected target data);
  • control method may include a weighting algorithm for determining a target parameter from the target values.
  • the target data is the maximum global COP of the system 1, or its minimal CO 2 impact (data dc4), one will seek inter alia to follow the following rules: - We will seek to operate the current generators in their area of maximum efficiency (full load for example for a combustion engine 2 running on natural gas);
  • the priority target data is the energy cost as the minimum energy cost of system 1 (data dc5)
  • the approach is similar to the optimization of the previous example, but the parameterizable coefficients for each type of energy become the following:
  • each energy outside system 1 typically electrical energy from the grid or fossil fuel energy or biogas
  • the cost of electricity may vary according to the time of year but may also depend on consumption thresholds in the day or year, where these thresholds are related to This weighting can of course change over the life of the installation and can therefore be parameterized as part of the overall system control method).
  • the system according to the invention can be advantageously used in balneotherapy, thalassotherapy, collective housing, for heating swimming pools, in hospitals or nursing homes, in hotels or tourist homes.
  • the system can also be used advantageously in agricultural applications where there is a need for heating capacity, and possibly cooling capacity, or both simultaneously.
  • the primary fuel of the system could then be natural gas of the biogas but it could also be biogas from the biomass that would be available, or even possibly generated on the site of the application itself.
  • a first series of applications preferably concerns agricultural greenhouses using, for example, natural gas as a primary fuel.
  • a second series of applications relates to anaerobic digestion units, the system of the invention then using the biogas produced on site.
  • the system according to the invention is also used in industrial processes requiring simultaneous heating and cooling of water, used at different points of the process. This is the case for example of certain agrifood processes.
  • the system according to the invention is also used in industrial processes requiring the cooling of air at medium refrigeration temperatures and low temperature used at different points of the process. This is the case, for example, of certain agrifood processes, particularly in supermarket type applications.
  • Another advantage of the system according to the invention is its design flexibility and its flexibility of use.
  • the flexibility of use permanently allows the optimal choice of the type or types of energies used and / or provided, according to external parameters and target parameters (objectives), by means of an appropriate regulation method.
  • the design flexibility allows the optimization of the device according to the foreseeable needs of the user, especially in terms of heat capacity, water requirements of different temperatures. This optimization is exerted notably by the choice of the type and the number of heat pump modules, and by the choice of the type and number of electric generator module.
  • generator module (s) integrable with the device, combined with the flexibility of use of the device, allow to meet this need.
  • the choice of generator module (s) will depend, among other things: on the power required to power the device; the existence of expensive electrical thresholds on the site (for example purchase of transformer, consumption thresholds) that it will be interesting not to cross, characteristics of the site (existence of renewable energy of the wind or photovoltaic type), the desired noise level or the desired efficiency (interest of the fuel cell).
  • CO 2 impact Importance of the CO 2 impact for the installation in question (compliance with a HQE High Environmental Quality label, for example) and evaluation of the CO 2 impact of the electrical energy of the network.
  • the device offers a combination of design solutions to adapt effectively to each case.
  • the flexibility of use takes into account in particular the multiplicity of energies capable of supplying the different components of the system 1 according to the invention, as well as the multiplicity of energy flows that can be produced by the system 1.
  • All of the above modules are powered by one or more of the following energies: fossil fuels (including natural gas, liquefied petroleum gas, gas oil, gasoline), biofuels, hydrogen and electricity.
  • the heat pump modules can typically utilize the following two conventional cycles: the mechanical vapor compression refrigeration cycle and the absorption cycle.
  • the conventional water networks connected to the heat pumps can be completed in the device by a water network resulting from solar thermal collectors.
  • the electricity generating modules can use various technologies such as heat engine and alternator, photovoltaic solar panel 23, wind turbine, turbine or fuel cell.
  • the cost of purchasing each energy outside the device typically electricity from the grid or fossil fuel or biogas energy
  • the cost of electric energy may vary according to the period of the year but may also depend on consumption thresholds in the day or in the year, where these thresholds are linked to the subscription electrical installation. These weights can of course evolve during the life of the installation and are therefore configurable as part of the overall control method of the device.
  • Possible resale price to the electrical energy network if necessary to be produced by the generator module (s) of the device. This price may also vary, according to rules generally similar to those that apply to the cost of purchasing electricity.
  • module G Five different electrical generator modules (module G) have been manufactured:
  • module P A unique model of heat pump module (module P) was manufactured, which included:
  • modules P may further comprise a buffer tank, an expansion tank, a circulator, refrigerating and hydraulic valves.
  • auxiliary components are powered by the external power grid.
  • the compressors are powered either by the electrical energy generated by the module or by the external electrical network.

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Abstract

Système (1 ) permettant la production simultanée d'eau très chaude à température T2, d'eau chaude (14) à température T1 et/ou d'eau froide (13) à température T3, et d'électricité (20), et, éventuellement également, la production de fluide frigorigène à température d'évaporation T4, et/ou la production de fluide frigorigène à température d'évaporation T5, et comprenant au moins un ensemble générateur de courant qui comprend un moteur à combustion (2) relié à un alternateur (18) ou une pile à combustible, et ledit système (1 ) comprenant également au moins une pompe à chaleur (3), ou un ensemble de réfrigération et éventuellement un accumulateur électrique (19), Ledit système (1 ) étant caractérisé en ce que (a) le compresseur (17) ou la pompe de circulation est entraîné par un moteur électrique, qui peut être alimenté par un desdits générateurs de courant, et en ce que (b) ledit système (1 ) comprend au moins un module Pc dit « module pompe à chaleur » (36) ou au moins un module Pr dit « module de réfrigération » ou au moins un module Pm dit « mixte»: pompe à chaleur et réfrigération et en ce que ledit ensemble générateur est compris à l'intérieur d'un module générateur (G), lesdits modules (G1Pc, Pa, Pr, Pm) étant chacun muni d'un châssis et d'un ensemble formant interface de montage réalisés de manière à ce que lesdits modules (G1Pc, Pa, Pr, Pm) puissent s'assembler entre eux, l'un à la suite de l'autre, et former un ensemble unitaire.

Description

Dispositif thermodynamique multi-énergie modulaire
Domaine de l'invention
L'invention concerne un système ou dispositif de conception modulaire comportant au moins un module générateur de courant électrique et un ou plusieurs modules parmi les types suivants : pompes à chaleur, réfrigération ou modules mixtes pompe à chaleur/réfrigération, permettant la production simultanée d'eau chaude par exemple pour le chauffage de bâtiments, d'eau très chaude, par exemple de l'eau chaude sanitaire, d'eau froide, par exemple pour la climatisation, éventuellement de fluide frigorigène typiquement pour la réfrigération et éventuellement d'électricité.
Etat de la technique
On connaît des systèmes composés de pompes à chaleur actionnées par des moteurs à combustion interne et faisant appel à un cycle de réfrigération par compression de vapeur. La demande de brevet EP 1 628 096 (LG Electronics Inc.) décrit un tel système. Ces systèmes sont couramment utilisés au Japon depuis plusieurs années pour la climatisation (refroidissement) l'été et le chauffage l'hiver de bâtiments tels que des immeubles de bureau ou des hôtels, et la production simultanée d'eau chaude sanitaire. Ces systèmes sont la plupart du temps des systèmes dits à détente directe c'est-à-dire qu'ils envoient directement un fluide frigorigène vers des unités intérieures individuelles. Ce sont généralement des installations de type VRV (volume de réfrigérant variable) ou DRV (débit de réfrigérant variable).
De tels systèmes permettent la production d'eau chaude, par exemple l'eau chaude sanitaire, grâce à l'utilisation de la chaleur dégagée par le moteur à combustion en fonctionnement. Cependant l'un des inconvénients majeurs de ces systèmes est que la pompe à chaleur ne peut pas fonctionner correctement en prélevant les calories nécessaires sur l'air extérieur lorsque la température extérieure est inférieure à environ
100C car cela entraîne le givrage de l'évaporateur. Dans la pratique, en hiver, la chaleur du moteur est utilisée pour réchauffer l'évaporateur afin de permettre au système thermodynamique de continuer à fonctionner avec un bon rendement lorsque la température extérieure est inférieure à 100C (jusqu'à environ -200C), l'inconvénient étant dans ce cas que l'on ne produit plus d'eau à très haute température et le rendement global du système devient assez faible.
Par ailleurs, le document EP 1 628 096 ne permet de fournir à l'utilisateur final que de l'eau à une seule température, celle de l'eau chaude sanitaire, et lorsque le système est en mode climatisation. Dans une variante, le système comporte plusieurs unités, notamment des unités intérieures et des unités extérieures, reliées par des tuyauteries de fluide frigorigène. Dans ce cas également, une seule température d'eau peut être fournie par le système, il s'agit de l'eau chaude sanitaire fournie en mode climatisation du système.
Pour remédier à cet inconvénient, le système décrit dans le document EP 2 085 721 de la demanderesse utilise un ensemble à cogénération relié à une pompe à chaleur de manière réalisé de manière à fournir à l'utilisateur, de manière simultanée, de l'eau à plusieurs températures différentes. Toutefois, le système décrit est conçu pour des valeurs de la puissance frigorifique, calorifique et électrique données, spécifiques à une application donnée. Le système est conçu en tant qu'ensemble unique, indivisible et, de ce fait, il ne permet aucune flexibilité de conception ou d'utilisation et il doit être complètement redimensionné pour toute nouvelle application.
D'autre part les systèmes existants ont des puissances limitées à des valeurs maximales de l'ordre de 75 kW car ils utilisent des moteurs automobiles de puissance limitée, et des composants frigorifiques ne permettant pas non plus de fonctionner à des puissances plus élevées.
Un autre inconvénient des systèmes existants est que leur dimensionnement doit être adapté aux besoins spécifiques de l'utilisateur en eau à de températures différentes. Or, ces besoins, tant pour leur quantité totale que pour leur répartition sur les différentes températures d'eau, peuvent varier en fonction de la saison, du mode de vie ou au cours d'une journée. Les systèmes selon l'état de la technique manquent, d'une part, de souplesse quant à leur utilisation. D'autre part, leur dimensionnement correct en fonction des besoins de leur utilisateur nécessite en général une conception sur mesure, ou au moins la possibilité de sélectionner le système approprié dans une large gamme de produits de dimensionnement différents.
Le problème que la présente invention vise à résoudre est de remédier à ces inconvénients de l'état de la technique. Objet de l'invention
Un premier objet de l'invention est un système (1 ) permettant la production simultanée d'eau très chaude à température T2 , d'eau chaude (14) à température T1 et/ou d'eau froide (13) à température T3, et d'électricité (20), et éventuellement également la production de fluide frigorigène à température d'évaporation T4, et/ou la production de fluide frigorigène à température d'évaporation T5, et ledit système comprenant au moins un ensemble générateur de courant qui comprend soit un moteur à combustion (2) relié à un alternateur (18) soit une pile à combustible (22), chacun des générateurs de courant comportant également un échangeur de chaleur (8) produisant de l'eau très chaude à température T2, et ledit système (1 ) ou ensemble générateur de courant comprenant, optionnellement, un ou plusieurs autres générateurs de courant, sélectionnés dans le groupe constitué par un moteur à combustion (2) relié à un alternateur (18), une pile à combustible (22), un panneau solaire photovoltaïque (23), ou une éolienne,
et ledit système (1 ) comprenant également au moins une pompe à chaleur (3), ou un ensemble de réfrigération et éventuellement un accumulateur électrique (19), ladite pompe à chaleur ou ledit ensemble de réfrigération étant (i) soit du type à compression de vapeur et comprenant alors au moins un compresseur (17) de fluide frigorigène, un premier échangeur de chaleur (11 ,66) situé à l'aspiration du compresseur (17) lorsque le système (1 ) est en mode climatisation, un détendeur (10), et un second échangeur de chaleur (12) placé au refoulement du compresseur (17) lorsque le système (1 ) est en mode climatisation, et éventuellement un troisième échangeur de chaleur (15) situé au refoulement du compresseur (17) lorsque le système (1) est en mode climatisation et utilisé pour le chauffage de l'eau chaude (14), (ii) soit du type à absorption et comprenant alors un absorbeur (28), une pompe de circulation (30), un générateur de vapeur (29), un premier échangeur de chaleur (31) situé à l'entrée dudit absorbeur (28), un détendeur (32) et un second échangeur de chaleur (33) situé à la sortie dudit générateur de vapeur (29),
Ledit système (1 ) étant caractérisé en ce que
(a) le compresseur (17) ou la pompe de circulation (30) est entraîné par un moteur électrique, qui peut être alimenté par un desdits générateurs de courant, et en ce que
(b) ledit système (1 ) comprend au moins un module Pc1Pa dit « module pompe à chaleur » (36,37) ou au moins un module Pr dit « module de réfrigération » (36A) ou au moins un module Pm (36B) dit « mixte : pompe à chaleur et réfrigération» comprenant, (b1) s'il s'agit d'un module pompe à chaleur par compression Pc (36), chacun au moins un ensemble pompe à chaleur comprenant au moins un compresseur (17) de fluide frigorigène, ledit premier échangeur de chaleur (11 ), ledit détendeur (10), ledit second échangeur de chaleur (12), et éventuellement ledit troisième échangeur de chaleur (15) ;
(b2) s'il s'agit d'un module pompe à chaleur par absorption Pa (37), chacun un absorbeur (28), ladite pompe de circulation (30), ledit générateur de vapeur (29), ledit premier échangeur de chaleur (31 ), ledit détendeur (32) et ledit second échangeur de chaleur (33) ;
(b3) s'il s'agit d'un module réfrigération Pr (36A), chacun au moins un ensemble de réfrigération comprenant au moins un compresseur (17) de fluide frigorigène, ledit détendeur (10), ledit second échangeur de chaleur (12), et éventuellement ledit troisième échangeur de chaleur (15), ainsi que des conduits de fluide frigorigène (16a, 16b) destinés à être connectés à un échangeur de fluide frigorigène air/eau (66) externe au module Pr (36A);
(b4) s'il s'agit d'un module mixte Pm (36B), deux ensembles l'un du type pompe à chaleur et l'autre du type réfrigération, où
- l'ensemble du type pompe à chaleur comprend au moins un compresseur (17) de fluide frigorigène, ledit premier échangeur de chaleur (11 ), ledit détendeur (10), ledit second échangeur de chaleur (12), et éventuellement ledit troisième échangeur de chaleur (15), et
l'ensemble du type réfrigération comprend au moins un compresseur (17) de fluide frigorigène, ledit détendeur (10), ledit second échangeur de chaleur (12), et éventuellement ledit troisième échangeur de chaleur (15) ainsi que des conduits de fluide frigorigène (16a, 16b) destinés à être connectés à un échangeur de fluide frigorigène air/eau (66) externe au module Pm (36) et en ce que ledit ensemble générateur est compris à l'intérieur d'un module générateur (G), lesdits modules (G1Pc, Pa, Pr, Pm) étant chacun muni d'un châssis et d'un ensemble formant interface de montage réalisés de manière à ce que lesdits modules (G1Pc, Pa, Pr, Pm) puissent s'assembler entre eux, l'un à la suite de l'autre, et former un ensemble unitaire. Par système permettant la production simultanée d'eau à plusieurs températures, et éventuellement de fluide frigorigène, on comprend un système apte à produire et à fournir à l'utilisateur de l'eau et éventuellement du fluide frigorigène aux températures spécifiées via des collecteurs appropriés qui relient l'ensemble unitaire ainsi obtenu à l'installation de l'utilisateur.
Selon l'invention, le nombre et le type de modules est choisi en fonction de la puissance calorifique et/ou frigorifique et électrique nécessaire au fonctionnement du système pour l'adapter à une application donnée, et ceci dès sa conception. Une telle construction modulaire offre une palette large de solutions de conception du système, en adaptant le nombre et le type de modules à chaque cas d'utilisation. Par ailleurs, le système présente également une flexibilité d'utilisation car il prend en compte une multiplicité d'énergies susceptibles d'alimenter le système, ainsi qu'une multiplicité de flux d'énergie susceptibles d'être produits par le système.
Le système de l'invention est de construction modulaire, il permet de relier ensemble plusieurs modules complexes, notamment de cogénération et thermodynamiques, en simplifiant les interfaces afin d'obtenir un ensemble unitaire ou monobloc, de préférence facilement transportable par camion. Ainsi, la complexité de la conception est concentrée à l'intérieur des modules, les interfaces entre modules étant simplifiées au maximum. Les modules ont de préférence des châssis de hauteur et de largeur identique pour se raccorder l'un à l'autre moyennant des moyens de connexion mécanique appropriés.
Ceci permet une standardisation des composants, la réduction des coûts d'achat des composants par augmentation des volumes, la réduction du temps de développement, la simplification de la production.
Un système sera donc défini en choisissant de manière optimale les modules qui seront standardisés, notamment par leur fonctions internes et le choix des interfaces afin d'obtenir un système correspondant aux besoins de l'utilisateur final.
Le système de l'invention répond aux besoins d'applications telles :
1/ Chauffage, eau chaude sanitaire et climatisation des bâtiments tertiaires ou résidentiels :
Ceci entraîne un besoin thermique variable suivant les tailles de bâtiments, suivant leurs niveaux d'isolation, suivant leurs types (hôpitaux, hôtels, maisons de retraite ou bureaux) et suivant leur localisation (nord ou sud de l'Europe). Le fluide préféré étant l'eau à température T1 (chauffage), T2 (eau chaude sanitaire) et (T3) (climatisation) . On peut avoir simultanément pour certaines applications des besoins de climatisation et de chauffage dans certaines parties du bâtiment.
2/ Chauffage, eau chaude sanitaire, climatisation et fourniture d'énergie frigorifique pour des besoins de réfrigération pour des applications supermarchés.
En plus des points abordés au paragraphe précédent, s'ajoute le besoin de puissance frigorifique sous forme de fluide frigorigène à température T4 et T5 en proportion variable suivant les applications.
3/ Chauffage, production d'électricité et éventuellement climatisation de serres agricoles:
II y a dans ce cas de gros besoins de chauffage sous forme d'eau chaude à température T1 et T2 et disposons souvent de tarifs de gaz naturel à coût compétitif. L'excès éventuel d'électricité peut être revendu.
Al Installation agricole de biomasse produisant du biogaz :
II y a là production locale d'énergie primaire permettant de couvrir des besoins de chauffage et d'électricité avec revente du surplus de celle-ci.; Il y a besoin d'eau chaude à température T1 et T2. L'excès d'électricité peut être revendu
Les différents modules utilisés par le système seront décrits et les puissances fournies au système seront données à titre d'exemple dans ce qui suit :
- Le module de cogénération (ou module générateur G) qui permet la génération de puissance calorifique sous forme d'eau chaude à température T2 et d'électricité
Fonctions internes du module :
Chaque moteur comprend un ou deux moteurs parmi les choix possibles (non limitatifs) de 2 litres et 4,6 litres
La puissance électrique peut être utilisée localement par les autres modules ou envoyée à l'extérieur sur le réseau électrique du client
La puissance thermique est transférée par une vanne régulée aux tuyauteries d'eau centrales d'eau chaude T1 ou d'eau très chaude T2 suivant les besoins respectifs de l'application. Moteur 2 litres : jusqu'à 25 kW d'électricité et simultanément jusqu'à 35 kW de puissance calorifique à température T2
Moteur 4,6 litres : jusqu'à 55 kW d'électricité et simultanément 80 kW de puissance calorifique à température T2
Puissance minimales : 1 moteur 2 litres : 25 kW électrique et 35 kW calorifique
Puissances maximales : 2 moteurs 4,6 litres : 110 kW électrique et 160 kW calorifique
- Le module de pompe à chaleur réversible (Pc) qui permet une production d'eau chaude à température T1 ou d'eau froide à température T3 utilisant le cycle frigorifique par compression
Fonctions internes du module : Chaque module comprend deux ensembles frigorifiques indépendants raccordés sur les tuyauteries d'eaux centrales, et un système de régulation.
Chacun des deux ensembles produit environ 65kW d'eau froide à température T3 ou environ 80 kW d'eau chaude à température T1 (de façon non simultanée)
Chaque module de ce type produit : environ 13OkW d'eau froide à température T3 ou environ 16OkW d'eau chaude à température T1 (de façon non simultanée)
- Le module de pompes à chaleur avec échanqeur optionnel (Pc) qui permet une production d'eau chaude à température T1 et d'eau froide à température T3 simultanée utilisant le cycle frigorifique par compression
Fonctions internes : Chaque module comprend deux ensembles frigorifiques indépendants raccordés sur les tuyauteries d'eaux centrales, et un système de régulation.
Chacun des deux ensembles peut produire environ 65kW d'eau froide à température T3 ou environ 80 kW d'eau chaude à température T1 comme le module pompe à chaleur réversible mais il peut également produire si nécessaire ces deux puissances simultanément
Chaque module de ce type peut donc produire :environ 13OkW d'eau froide à température T3 ou environ 160 kW d'eau chaude à température T1 comme le module pompe à chaleur réversible mais il peut également produire si nécessaire ces deux puissances simultanément soit environ 13OkW d'énergie frigorifique sous forme d'eau froide à température T3 et environ 160 kW d'énergie calorifique sous forme d'eau chaude à température T1. - Le module de réfrigération (Pr) qui permet la production de fluide frigorigène à température T4 ou T5 utilisant le cycle frigorifique par compression
Fonctions internes : Chaque module comprend deux ensembles frigorifiques indépendants raccordés sur les tuyauteries centrales de fluide frigorigène, et un système de régulation
Chacun des deux ensembles peut produire environ 4OkW de puissance frigorifique sous forme de fluide frigorigène à température T4 ou environ 20 kW de fluide frigorigène à température T5 .
Chaque module de ce type peut donc produire environ 8OkW de puissance frigorifique sous forme de fluide frigorigène à température T4 ou environ 40 kW de fluide frigorigène à température T5 .
- Le module mixte pompe à chaleur réversible / réfrigération (Pm):
Par ailleurs, chacun des 3 modules ci dessus (modules pompe à chaleur et module réfrigération) est composé de deux ensembles indépendants réalisant la fonction souhaitée, on peut donc avoir des modules mixtes comprenant par exemple un ensemble pompe à chaleur réversible et d'un ensemble réfrigération (exemple en figure 13) :
On a donc production d'eau chaude à température T1 (environ 8OkW) ou d'eau froide à température T3 (environ 65kW) et simultanément production de fluide frigorigène à température T4 (environ 4OkW) ou à température T5 (environ 2OkW)
- Le module pompe à chaleur par absorption (Pa) : Production d'eau chaude à température T1 utilisant le cycle par absorption. La puissance calorifique est d'environ 35 kW
Avantageusement, ledit ensemble formant interface de montage comprend : une interface mécanique, une interface électrique et une interface fluidique.
Le système de l'invention est de construction modulaire et comprend au moins un module générateur de courant électrique et un ou plusieurs modules dits « de production » comprenant chacun un ou deux ensembles de pompe à chaleur ou de réfrigération. Par système de construction modulaire, on comprend un système comportant au moins deux modules, chaque module comportant un châssis formant support pour ses composants, ainsi que des moyens de connexion mécanique, électrique et fluidique au module adjacent. De préférence, les modules sont réalisés de manière à ce que, lorsque connectés, ils présentent un même gabarit au moins dans une dimension (par exemple la largeur du module), et, encore plus avantageusement, dans deux dimensions (largeur et hauteur). Un module de production peut comporter un ensemble de pompe à chaleur ou un ensemble de réfrigération. Dans une variante avantageuse de l'invention, un module de production peut comporter deux ensembles de même type, par exemple deux ensembles de pompe à chaleur ou deux ensembles de réfrigération, sur un châssis commun. Dans une autre variante avantageuse de l'invention, un module de production est un module mixte, c'est-à-dire qu'il comporte un ensemble de pompe à chaleur et un ensemble de réfrigération sur un châssis commun.
Les interfaces entres modules sont limitées au maximum, elles sont de trois types :
- Interfaces mécaniques : les modules ont des châssis de hauteur et de largeur identique pour se raccorder l'un à l'autre moyennant des moyens de connexion mécanique appropriés
- Interfaces électriques et électroniques : la régulation propre à chaque module permet de limiter les interfaces électroniques (par bus de communication principalement) et électriques (notamment les câbles puissances des compresseurs)
- Interfaces fluidiques, notamment hydrauliques et de fluide frigorigènes : elles sont situées au même endroit pour tous les modules (de préférence en partie centrale, tel le produit représenté dans les dessins). Elles constituent le chemin de passage et de transfert de l'énergie thermique vers l'extérieur du système modulaire de l'invention.
Une fois ces interfaces réalisées, le produit se présente sous la forme d'un seul bloc ou ensemble unitaire transportable d'une seule pièce par exemple par camion.
Avantageusement, on peut assembler entre eux jusqu'à six modules dont un ou deux modules cogénération (un module cogénération à chaque extrémité de la machine)
On cumule alors les puissances électriques et thermiques des différents modules de cet ensemble monobloc. On se rapproche par exemple du mégawatt en termes d'énergie calorifique. L'énergie électrique disponible sera utilisée localement par les modules ou renvoyée à l'extérieur vers le réseau client en fonction des besoins respectifs.
La régulation de l'ensemble visera alors à l'optimisation énergétique globale de la machine
Ainsi, un système comportant six modules ainsi définis, permet avantageusement de remplir les fonctions correspondant aux applications suivantes :
1/ Chauffage, eau chaude sanitaire et climatisation des bâtiments tertiaires ou résidentiels :
En fonction des besoins de puissances respectives d'une part de climatisation et de chauffage (éventuellement simultané dans une proportion donnée), d'autre part d'eau chaude sanitaire et enfin de back up électrique éventuel, on pourra configurer un ou deux modules générateurs associé à des modules pompes à chaleurs de type éventuellement différent. Ceci afin de coller aux besoins avec une seule machine.
2/ Chauffage, eau chaude sanitaire, climatisation et fourniture d'énergie frigorifique pour des besoins de réfrigération pour des applications supermarchés.
La réponse aux besoins multiples s'appuiera sur les modules de réfrigération
On pourra alors avoir un ensemble composé d'un ou deux modules cogénération associé à un ou plusieurs modules réfrigération eux mêmes complété avec des modules pompes à chaleur. L'ensemble permettant une réponse adaptée, cohérente et monobloc à une problématique complexe.
3/ Chauffage, production d'électricité et éventuellement climatisation de serres agricoles:
On trouvera typiquement la puissance de cogénération maximale associée à des modules pompes à chaleur. Le produit monobloc permet d'éviter l'utilisation ou la construction d'un local technique.
4/ Installation agricole de biomasse produisant du biogaz :
Les puissances disponibles d'énergie primaire sont liées à la taille des méthaniseurs produisant le biogaz par biomasse. Cette plage de puissance disponible est bien adaptée aux modules de cogénération du système de l'invention. Le système 1 de l'invention comprend également au moins un module de réfrigération 36A1 et éventuellement un accumulateur électrique 19, ledit module comportant au moins un ensemble de réfrigération qui est du type à compression de vapeur et comprenant alors au moins un compresseur 17 de fluide frigorigène, un détendeur 10, un échangeur de chaleur 12 placé au refoulement du compresseur 17, et éventuellement un troisième échangeur de chaleur 15 situé au refoulement du compresseur 17 lorsque le système 1 est utilisé également pour le chauffage de l'eau chaude 14, le système comportant également des conduits de fluide frigorigène destinés à être reliés à un échangeur 66 de type fluide frigorigène /air situé à l'extérieur du module, voire à l'extérieur du système typiquement, mais non exclusivement, notamment pour des applications de réfrigération de denrées alimentaires. L'échangeur 66 est indispensable au fonctionnement. Il n'est cependant pas situé physiquement dans le module comprenant les compresseurs. L'échangeur 66 peut être situé dans un module spécifique isotherme faisant partie du système de conception modulaire (rôle de chambre froide extérieure au bâtiment par exemple). L'échangeur 66 peut également être situé à distance du système de conception modulaire, dans l'enceinte d'un bâtiment (application de type supermarché, par exemple). Plus particulièrement selon l'invention dans ce cas,
(a) le compresseur 17 est entraîné par un moteur électrique, qui peut être alimenté par un desdits générateurs de courant, et
(b) ledit système 1 comprend au moins un module Pr dit « module réfrigération » comprenant, chacun au moins un compresseur 17 de fluide frigorigène, ledit détendeur 10, ledit échangeur de chaleur 12, éventuellement ledit échangeur de chaleur 15, et des conduits de fluide frigorigène (16a, 16b) destinés à être reliés à un échangeur 66 n'étant pas situé physiquement dans le module, mais étant indispensable à son fonctionnement.
Le générateur de courant de type moteur à combustion peut être compris dans un module G dit module générateur de courant ; ce module G peut comprendre un ou plusieurs autres générateurs de courant sélectionnés parmi les moteurs à combustion et les piles à combustible, ou ces autres générateurs de courant peuvent être intégrés dans un second module générateur de courant. Le ou les modules générateurs de courant peuvent avantageusement comprendre des connexions pour brancher une ou plusieurs sources de courant externes telles qu'un panneau solaire photovoltaïque 23, une éolienne, ou un réseau électrique. Lesdits générateurs de courant peuvent être des générateurs de courant alternatif ou de courant continu. Dans un mode de réalisation avantageux, le premier générateur de courant est un moteur à combustion 2 relié à un alternateur 18. Dans ce cas, le courant alternatif peut alimenter ledit compresseur 17 en courant alternatif (une partie pouvant être introduit dans un réseau électrique externe au système 1), ou il peut être transformé en courant continu pour alimenter ledit compresseur 17 fonctionnant en courant continu et/ou pour recharger l'accumulateur électrique 19. Il en est de même pour les autres générateurs de courants s'ils produisent du courant alternatif (tel qu'un moteur à combustion, une éolienne ou une turbine). Si l'un des autres générateurs de courant est un générateur de courant continu (par exemple la pile de combustible 22 ou le panneau photovoltaïque 23), ce courant continu peut soit être utilisé directement par le compresseur 17, si ce dernier fonctionne au courant continu, et/ou par l'accumulateur électrique 19, soit être transformé en courant alternatif, pour être utilisé par le compresseur 17 fonctionnant en courant alternatif, et/ou pour être introduit dans un réseau électrique externe au système 1.
Avantageusement, ladite pompe à chaleur ou ensemble de réfrigération utilise le cycle de réfrigération par compression de vapeur.
Le système selon l'invention est très avantageusement conçu de manière à pouvoir être alimenté par un réseau électrique externe pour couvrir, en partie ou en totalité, ses besoins en énergie électrique, et de manière à pouvoir envoyer vers ledit réseau électrique externe au moins une partie de l'énergie électrique produite par ledit système.
Un deuxième objet de l'invention est une méthode de régulation d'un système selon l'invention.
Description des figures
Les figures 1 à 19 se réfèrent à l'invention dont elles illustrent des modes de réalisation particuliers.
La figure 1 représente un schéma de principe du système selon l'invention, dans le cas où le générateur de courant alternatif est un moteur à combustion relié à un alternateur et la pompe à chaleur utilise le cycle de réfrigération par compression de vapeur.
La figure 2 représente un schéma de principe du système selon l'invention, dans le cas où le générateur de courant alternatif est un panneau solaire photovoltaïque ou une pile à combustible, relié(e) à un convertisseur de courant continu en courant alternatif et la pompe à chaleur utilise le cycle de réfrigération par compression de vapeur.
La figure 3 présente le rendement énergétique du système selon l'invention dans le cas de la pompe à chaleur comparé aux rendements de divers systèmes de l'état de la technique.
La figure 4 représente un schéma de principe du système selon l'invention, dans le cas où le générateur de courant alternatif est un moteur à combustion relié à un alternateur et le module de réfrigération utilise le cycle de réfrigération par compression de vapeur.
La figure 5 représente un schéma de principe d'un système de l'invention selon une variante de l'invention, le système comportant plusieurs modules de générateur de courant reliés à plusieurs modules de pompe à chaleur.
La figure 6 représente un schéma de principe d'un système de l'invention selon une variante de l'invention, le système comportant plusieurs modules de générateur de courant reliés à un module de pompe à chaleur et à plusieurs modules de réfrigération. La figure 7 représente un schéma de principe d'un système de l'invention dans le cas où le générateur de courant alternatif est un moteur à combustion relié à un alternateur et la pompe à chaleur utilise le cycle de réfrigération par absorption.
La figure 8a est une vue de côté, la figure 8b une vue de face et la figure 8c une vue en coupe suivant le plan A-A de la figure 8b d'un système selon une autre variante de l'invention où le système comporte un module générateur relié à plusieurs modules de pompe à chaleur de différents types.
Les figures 9a à 9f représentent différentes vues d'un module de pompe à chaleur à compression selon l'invention comportant deux ensembles pompes à chaleur munis de l'échangeur optionnel 15.
La figure 10a est une vue de côté, la figure 10b une vue de face et la figure 10c une vue en coupe suivant le plan C-C de la figure 10b d'un module de pompe à chaleur à absorption selon l'invention.
La figure 11a est une vue de côté, la figure 11b une vue de face et la figure 11c une vue en coupe suivant le plan D-D de la figure 11b d'un module générateur selon l'invention.
Les figures 12a à 12f représentent différentes vues d'un module réfrigération comportant deux ensembles de réfrigération. Les figures 13a à 13f représentent différentes vues d'un module mixte de pompe à chaleur et de réfrigération.
Les figures 14a à 14c représentent différentes vues d'un exemple de système de l'invention comprenant un module générateur et un module mixte de pompe à chaleur et de réfrigération.
La figure 15 représente un exemple de système comprenant un module générateur, un module mixte de pompe à chaleur et de réfrigération et un module de type module réfrigération comportant deux ensembles de réfrigération.
La figure 16 représente un exemple de système selon l'invention comprenant un module générateur, un module mixte de pompe à chaleur et de réfrigération, de type module réfrigération comportant deux ensembles de réfrigération et deux modules isothermes.
La figure 17 représente un schéma de principe de l'ensemble pompe à chaleur à compression réalisé selon un premier mode de fonctionnement.
La figure 18 représente un schéma de principe de l'ensemble pompe à chaleur à compression réalisé selon un deuxième mode de fonctionnement.
La figure 19 représente un schéma de principe d'une pile à combustible équipée d'un ensemble de reformage ou reformeur, ladite pile appartenant au module générateur.
Liste des repères
1 Système selon l'invention
2 Moteur à combustion
3 Pompe à chaleur
4 Entrée de carburant liquide ou gazeux
5 Energie mécanique produite par le moteur
6 Chaleur émise par le générateur de courant alternatif en fonctionnement
7 Pertes d'énergie
8 Echangeur de chaleur pour l'échange de chaleur entre le générateur de courant alternatif et l'eau très chaude
9 Circuit d'eau très chaude
10 Détendeur
10A Détendeur A (circuit optionnel avec echangeur 15)
1OB Détendeur B (circuit optionnel avec echangeur 15) OC Détendeur C (circuit optionnel avec échangeur 15) 1 Echangeur de chaleur eau/fluide frigorigène (évaporateur en mode climatisation)
2 Echangeur de chaleur air/fluide frigorigène - (évaporateur en mode chauffage, et condenseur en mode climatisation)
3 Circuit d'eau - circuit d'eau froide lorsque la pompe à chaleur est en mode climatisation
4 Circuit d'eau chaude
5 Echangeur de chaleur fluide frigorigène / circuit eau de récupération 6 Circuit de fluide frigorigène
6a Conduit de fluide frigorigène d'aspiration
6b Conduit de fluide frigorigène liquide
7 Compresseur
8 Alternateur
9 Accumulateur électrique
0 Energie électrique
1 Moto ventilateur
2 Pile à combustible
2A Reformeur
2B Cœur de pile
2C Réacteur de reformage
2D Unité de désulfuration
2E Unité WGS (water gas shift)
2F Fluide combustible (gaz naturel, bio gaz etc... )
2G Hydrogène
2H Electricité
3 Panneau solaire photovoltaïque
4 Convertisseur de courant continu en courant alternatif
5 Energie solaire
6 Combustible (pour la pile à combustible)
7 Pompe à chaleur utilisant le cycle par absorption
8 Absorbeur
9 Générateur
0 Pompe de circulation
1 Evaporateur du cycle à absorption
2 Détendeur adapté au cycle à absorption 33 Condenseur du cycle à absorption
34 Fluide frigorigène
35 Absorbeur
36 Module pompe à chaleur à compression
36A Module réfrigération
36B Module mixte : pompe à chaleur et réfrigération
36C Module isotherme
36D Ensemble pompe à chaleur
36E Ensemble réfrigération
37 Module pompe à chaleur à absorption
38 Module générateur de courant
39a, b, c, Collecteurs reliant les échangeurs à eau
d,
40 Tuyauterie gaz reliant les modules pompe à chaleur par absorption
41 Câble puissance
42 Câble régulation
44 Châssis module pompe à chaleur
46 Vanne 4 voies
47 Compresseur frigorifique
48 Bouteille anti-coup de liquide
50 Réservoir liquide
51 Absorbeur
52 Générateur
53 Echangeur à plaques fluide frigorigène/eau en cycle absorbtion
54 Echangeur à plaques fluide frigorigène/air en cycle absorption
55 Arrivée combustible
56 Ensemble moteur thermique et son alternateur
57 Pile à combustible et son bloc onduleur
58 Raccordement des sources thermiques externes
59 Echangeur pour l'échange de chaleur entre le générateur de courant et l'eau très chaude
60 Armoire puissance et régulation globale système
61 Câblage puissance pour arrivée énergie en provenance panneau photovoltaïque
62 Câblage puissance pour arrivée réseau électrique
63 Câblage puissance pour envoi énergie électrique au réseau
64 Châssis module générateur de courant 65A, 65B, Vannes frigorifiques deux voies
65C, 65D
66 Echangeur fluide frigorigène/air
67 Clapet anti retour sur circuit de fluide frigorigène
68 Boîtier de régulation
Pc Module pompe à chaleur par compression
Pa Module pompe à chaleur par absorption
Pr Module réfrigération
Pm Module mixte : pompe à chaleur et réfrigération
G Module générateur de courant
Ce1 , Collecteur d'entrée client
Ce2,Ce3
Cs1 , Cs2, Collecteur de sortie client
Cs3
Description de l'invention
Définitions
Dans le présent document, on entend par
• Système thermodynamique de type pompe à chaleur ou réfrigération : Dispositif comportant un compresseur et plusieurs échangeurs dans lesquels circule un fluide de transfert spécifique appelé usuellement fluide frigorigène, ledit dispositif permettant d'absorber de l'énergie thermique à une première température, et de restituer de l'énergie thermique à une seconde température, la seconde température étant plus élevée que la première.
• Boucle géothermique : Ensemble de tuyauteries placé dans le sol typiquement en position verticale ou horizontale et destiné à échanger de la chaleur entre le système de chauffage ou de refroidissement et le sol.
• Echangeur de chaleur : Dispositif destiné à transférer de la chaleur entre plusieurs circuits.
• Fluide de transfert : Fluide caloporteur utilisé pour transférer de la chaleur ; les exemples classiques sont le fluide frigorigène, l'eau ou l'eau glycolée parfois appelé saumure.
• Source thermique ou source : Par convention, les termes source et charge thermique se réfèrent au mode chauffage. La source est le milieu d'où l'on extrait la chaleur en mode chauffage. Cette extraction de chaleur s'effectue avec certaines caractéristiques physiques comme l'inertie thermique ou la puissance disponible qui caractérisent la source. On peut noter que le terme source est impropre en mode refroidissement car on y rejette en fait de la chaleur issue du bâtiment.
• Charge thermique ou charge : La charge est le milieu où l'on rejette la chaleur en mode chauffage. Ce rejet de chaleur s'effectue avec certaines caractéristiques physiques comme l'inertie thermique ou la puissance disponible qui caractérisent la charge, de même la charge est le lieu d'où l'on retire la chaleur en mode refroidissement.
• COP ou coefficient de performance : le COP ou coefficient de performance d'un système en mode chauffage est défini comme le rapport entre la puissance de chauffage disponible sur la puissance électrique consommée par le système. Dans le système selon l'invention, on entend par COP « équivalent électrique » le COP qu'aurait l'installation si on utilisait de l'électricité à la place du gaz ou biocarburant.
• Générateur de courant alternatif : Dispositif qui génère du courant alternatif soit directement soit par l'intermédiaire d'un convertisseur additionnel qui transforme le courant continu généré en courant alternatif.
• Moteur à combustion : Moteur qui, par combustion, transforme l'énergie chimique contenue dans un combustible en énergie mécanique.
• Moteur à combustion interne : Moteur à combustion dont la combustion du combustible produisant l'énergie nécessaire au fonctionnement se passe dans le moteur lui-même, typiquement dans une chambre de combustion.
• Panneau solaire photovoltaïque : Générateur électrique de courant continu constitué d'un ensemble de cellules photovoltaïques reliées entre elles électriquement.
• Capteur solaire thermique : Dispositif dans lequel la température d'un milieu solide, liquide ou gazeux est augmentée par absorption totale ou partielle du rayonnement solaire.
• Pile à combustible : Dispositif produisant de l'électricité grâce à l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur (par exemple l'hydrogène) couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant, tel que l'oxygène de l'air. Description détaillée
Le moteur à combustion 2 du système selon l'invention est de préférence un moteur à combustion interne, il fait partie du module générateur de courant G. Il est alimenté de préférence par du gaz naturel. En fonction des besoins, il peut également être alimenté par d'autres carburants gazeux ou liquides tels que de l'essence, du fioul, du kérosène, de l'alcool, des biocarburants tels que des huiles végétales, du bioéthanol, du biogaz.
Il peut s'agir aussi d'autres types de moteurs à combustion, tels que des moteurs à combustion externe comme les moteurs Stirling. L'alternateur 18 assemblé au moteur à combustion fait également partie du générateur G .
La pile à combustible 22 du système selon l'invention peut être n'importe quel type de pile à combustible connu de l'homme de métier, fonctionnant typiquement, mais non exclusivement, à des températures inférieures à 2000C, mais pouvant dans certains cas atteindre une température de 8000C à 10000C (par exemple une pile de type « solide oxyde ») et alimentée par un combustible approprié, tel que l'hydrogène, le méthane ou un autre mélange hydrocarboné tel que l'essence ou le fuel. La pile à combustible est composée au minimum d'un cœur de pile 22B alimenté en Hydrogène (cas des cœurs de piles à combustible basé sur des membranes protoniques) ou alimenté par la pluralité de combustibles hydrocarbonés déjà citée (cas des cœurs de pile haute température de type solide oxyde). Si la pile est du type basé sur des membranes protoniques et si l'hydrogène n'est pas directement disponible, alors la pile à combustible 22 est alors composée d'un reformeur 22A et d'un cœur de pile 22B. Le reformeur a pour rôle d'extraire l'Hydrogène nécessaire au cœur de pile à partir de combustibles plus complexes chimiquement et déjà cités tels que le gaz naturel, le méthane, le biogaz ou un autre mélange hydrocarboné. L'hydrogène ainsi extrait alimente le cœur de pile basé sur des membranes protoniques.
Un exemple de fonctionnement d'une pile à combustible 22 à reformeur 22A est illustré à la figure 19 et sera décrit dans ce qui suit. Le combustible 22F (qui peut être du gaz naturel, du bio gaz, etc.) subit dans le reformeur 22A une série de transformations visant à en extraire le hydrogène 22G, tout en limitant le niveau d'impuretés (typiquement du souffre) et du monoxyde de carbone. Pour cela, le combustible passe d'abord par un réacteur de reformage qui, suite à l'ajout d'eau, en extraira l'hydrogène. Dans le cas du méthane, par exemple, la réaction chimique est du type CH4+2H2O=Cθ2+4H2. L'unité 22D a pour rôle de diminuer la teneur en souffre, celui-ci pouvant affecter la comportement du cœur de pile 22B. L'unité 22E réalise, elle, la transformation dite « water gas shift » qui diminue la teneur en monoxyde de carbone du mélange qui peut également affecter le comportement du cœur de pile. La réaction chimique dans cette unité est du type : CO+ H2O= CO2+H2.
Les panneaux solaires photovoltaïques 23 du système selon l'invention peuvent être n'importe quel type de panneau connu de l'homme de métier, en particulier, le semiconducteur constituant les cellules photovoltaïques peut être, de façon non limitative, du silicium amorphe, polycristallin ou monocristallin, un matériau organique semiconducteur, ou une combinaison de ceux-ci. On peut utiliser une pluralité de panneaux solaires photovoltaïques.
Dans des modes de réalisations préférés, le système selon l'invention est réversible, à savoir il peut fonctionner en mode privilégiant le chauffage par fourniture d'eau chaude à la température T1 (« mode chauffage ») ou en mode privilégiant le refroidissement par fourniture d'eau froide à la température T3 (« mode climatisation »). Pour ce faire, une vanne quatre voies d'inversion de cycle 46 (fig.δc) est installée sur le circuit de fluide frigorigène 16. On peut également avoir des systèmes non réversibles, en particulier pour certaines applications de réfrigération. Lorsque le système est muni de l'échangeur optionnel 15, on peut alors fournir simultanément de l'eau chaude à la température T1 , et de l'eau froide à la température T3 en proportion variable pour chacune afin de répondre aux besoins de l'utilisation. La vanne à quatre voies d'inversion de cycle 46 est alors remplacée par quatre vannes frigorifiques à deux voies 65A1B, C, D Le détendeur 10 est alors complété par deux détendeurs supplémentaires faisant que le circuit comporte trois détendeurs :10A, 1OB, 1OC.
Dans le cas où la pompe à chaleur 3 est réversible, les échangeurs de chaleur 11 et 12 sont des échangeurs réversibles. Il convient de noter que nous avons choisi de décrire en détail le fonctionnement du système selon l'invention en mode climatisation. Lorsque la pompe à chaleur fonctionne en mode chauffage, le circuit d'eau 13 devient un circuit d'eau chaude.
D'autre part, l'échangeur de chaleur 11 est de préférence un échangeur à plaques.
En référence à la figure 1 , la pompe à chaleur 3 du système 1 selon l'invention est un module Pc 36 qui comprend
un ou deux circuits fermés et étanches dans lequel circule un fluide de transfert tel qu'un fluide frigorigène 16,
- au moins un compresseur 17 par circuit entraîné par un moteur électrique, un détendeur 10,
un premier échangeur de chaleur 11, situé à l'aspiration du compresseur 17 lorsque le système fonctionne en mode climatisation,
un second échangeur de chaleur 12, situé au refoulement du compresseur 17 lorsque le système fonctionne en mode climatisation.
Un troisième échangeur de chaleur optionnel 15, situé au refoulement du compresseur 17 lorsque le système est en mode climatisation et chauffage simultané par récupération de chaleur.
Ces composants sont agencés à l'intérieur d'un châssis, non représenté sur la figure 1. Selon l'invention également, le compresseur 17 est entraîné par un moteur électrique. Ce moteur électrique peut être alimenté électriquement par le premier générateur de courant et/ou par l'un ou plusieurs des autres générateurs de courant, ou le réseau électrique, en fonction du choix réalisé par la méthode de régulation globale système choisie. On peut utiliser un moteur à courant continu ou à courant alternatif. Le fait d'utiliser un moteur électrique pour faire fonctionner le compresseur 17 (et notamment, le fait de ne pas entraîner le compresseur 17 directement (mécaniquement) par le moteur à combustion 2) présente l'avantage de pouvoir utiliser des compresseurs hermétiques, évitant ainsi les risques de fuite liés à l'utilisation des compresseurs ouverts. Dans un mode de réalisation particulier, le compresseur 17 est entraîné par un moteur électrique alimenté électriquement par un moteur à combustion 2, l'électricité nécessaire étant générée par l'alternateur 18 entraîné par ledit moteur à combustion 2.
Pour les raisons mentionnées ci-dessus, le compresseur de la pompe à chaleur est de préférence un compresseur hermétique. On entend par compresseur hermétique un compresseur composé d'un boîtier fermé, en général une enveloppe d'acier soudé, à l'intérieur duquel se trouvent une unité de compression pour compresser le fluide frigorigène, et un moteur qui entraîne l'unité de compression. On peut toutefois également employer des compresseurs semi-hermétiques, dans lesquels on peut avoir accès à certains organes internes lors de l'entretien ou d'éventuelles réparations.
La pompe à chaleur 3 du système 1 selon l'invention peut être dotée d'un troisième échangeur de chaleur 15. Cet échangeur est de préférence (comme le second échangeur de chaleur 11) un échangeur à plaques.
La pompe à chaleur 3 du système 1 selon l'invention permet l'utilisation de tous les types de charges thermiques connues de l'homme de métier pour le chauffage et la climatisation, telles que les planchers chauffants rafraîchissants, les ventilo- convecteurs. Les charges peuvent également être des centrales de traitement d'air pour la déshumidification des piscines et le traitement de l'air neuf des locaux, ou des circuits d'eau de procédés industriels nécessitant l'utilisation d'eau chaude et/ou d'eau froide.
Dans une variante de l'invention, la pompe à chaleur 3 du système 1 selon l'invention peut être une pompe à chaleur de type air/eau, c'est-à-dire une pompe à chaleur utilisant l'air extérieur et/ou l'air extrait comme source de chaleur en mode chauffage ou bien une pompe à chaleur de type eau/eau, c'est-à-dire une pompe à chaleur utilisant un circuit d'eau dans le sol extérieur comme source de chaleur en mode chauffage. Une source thermique avantageuse pour la pompe à chaleur 3 est une boucle géothermique.
Les échangeurs de chaleur sur la source et sur la charge sont adaptés au type de pompe à chaleur et au type d'application selon les critères bien connus de l'homme de métier.
En référence à la figure 4, l'ensemble de réfrigération selon l'invention est un module Pr 36A qui comprend :
au moins un circuit dans lequel circule un fluide de transfert tel qu'un fluide frigorigène 16 ; le circuit est fermé et étanche après installation finale de l'échangeur 11 (en usine ou sur le site final)
au moins un compresseur 17 entraîné par un moteur électrique,
un détendeur 10,
- des conduits de fluide frigorigène d'aspiration 16a et de liquide 16b destinés à être reliés à un échangeur de chaleur 66 par circuit de réfrigération, situé à l'aspiration du compresseur 17. Cet échangeur n'est pas situé dans le module
Pr 36A comprenant les compresseurs 17 . Il peut être situé dans un module isotherme 36C, tel que représenté à la figure 16, ou alors il peut être situé à l'extérieur de l'ensemble modulaire suivant l'invention (typiquement dans un bâtiment proche de l'ensemble modulaire). Cet échangeur permet de fermer le circuit et est nécessaire au fonctionnement du système. Un module peut comporter deux circuits indépendants frigorifiquement, et donc deux échangeurs 66. Chacun de ces échangeurs peut être situé dans un module isotherme 36C ou à l'extérieur de l'ensemble modulaire tel que décrit ci-dessus. un second échangeur de chaleur 12, situé au refoulement du compresseur 17. Ces composants sont agencés à l'intérieur d'un châssis, non représenté sur la figure 4.
Selon l'invention également, le compresseur 17 est entraîné par un moteur électrique. Ce moteur électrique peut être alimenté électriquement par le premier générateur de courant et/ou par l'un ou plusieurs des autres générateurs de courant, ou le réseau électrique, en fonction du choix réalisé par la méthode de régulation globale système choisie. On peut utiliser un moteur à courant continu ou à courant alternatif. Le fait d'utiliser un moteur électrique pour faire fonctionner le compresseur 17 (et notamment, le fait de ne pas entraîner le compresseur 17 directement (mécaniquement) par le moteur à combustion 2) présente l'avantage de pouvoir utiliser des compresseurs hermétiques, évitant ainsi les risques de fuite liés à l'utilisation des compresseurs ouverts. Dans un mode de réalisation particulier, le compresseur 17 est entraîné par un moteur électrique alimenté électriquement par un moteur à combustion 2, l'électricité nécessaire étant générée par l'alternateur 18 entraîné par ledit moteur à combustion 2. Pour les raisons mentionnées ci-dessus, le compresseur de la pompe à chaleur est de préférence un compresseur hermétique. On entend par compresseur hermétique un compresseur composé d'un boîtier fermé, en général une enveloppe d'acier soudé, à l'intérieur duquel se trouvent une unité de compression pour compresser le fluide frigorigène, et un moteur qui entraîne l'unité de compression. On peut toutefois également employer des compresseurs semi-hermétiques, dans lesquels on peut avoir accès à certains organes internes lors de l'entretien ou d'éventuelles réparations.
Le compresseur 17 a typiquement, pais pas exclusivement, une puissance électrique consommée de 10 à 30 kW suivant les modèles et les conditions de fonctionnement du compresseur (vitesse de rotation, pression d'aspiration et pression de refoulement). La puissance frigorifique variera de 5 à 80 kW suivant les conditions de fonctionnement. On préfère toutefois, afin d'augmenter la puissance frigorifique disponible, utiliser deux compresseurs 17 reliés en parallèle, et dans ce cas, l'ensemble des deux compresseurs aura une puissance frigorifique et électrique consommée doublée.
L'ensemble de réfrigération du système selon l'invention peut être doté d'un troisième échangeur de chaleur 15. Cet échangeur est de préférence un échangeur à plaques.
Dans la présente invention, le fluide frigorigène est de préférence choisi parmi les hydrofluorocarbures HFC (par exemple R134A, R407C, R404A & R410A) qui sont les plus courants. On peut également envisager d'utiliser les hydrocarbures, et plus particulièrement le propane en tant que fluide frigorigène. On peut aussi utiliser le CO2. Un fluide réfrigérant préféré pour le système de la présente invention est le R134A ou le 410A pour la pompe à chaleur. Un fluide réfrigérant préféré pour le système de la présente invention est typiquement, mais pas exclusivement le R404A pour l'ensemble de réfrigération Cependant, le fonctionnement de la présente invention n'est pas limité au choix d'un des fluides existants sur le marché, et on peut envisager d'autres fluides.
La pompe à chaleur 3 du système 1 selon l'invention permet l'utilisation de tous les types de charges thermiques connues de l'homme de métier pour le chauffage et la climatisation, telles que les planchers chauffants rafraîchissants, les ventilo- convecteurs. Les charges peuvent également être des centrales de traitement d'air pour la déshumidification des piscines et le traitement de l'air neuf des locaux, ou des circuits d'eau de procédés industriels nécessitant l'utilisation d'eau chaude et/ou d'eau froide.
Dans une variante de l'invention, la pompe à chaleur 3 du système 1 selon l'invention peut être une pompe à chaleur de type air/eau, c'est-à-dire une pompe à chaleur utilisant l'air extérieur et/ou l'air extrait comme source de chaleur en mode chauffage ou bien une pompe à chaleur de type eau/eau, c'est-à-dire une pompe à chaleur utilisant un circuit d'eau dans le sol extérieur comme source de chaleur en mode chauffage. Une source thermique avantageuse pour la pompe à chaleur 3 est une boucle géothermique.
L'ensemble de réfrigération 36A du système 1 selon l'invention comporte un circuit de réfrigération air/air, c'est-à-dire que l'air est refroidi jusqu'à une température T4 dite réfrigération moyenne température permettant typiquement la conservation de denrées fraiches (formages, lait etc..) ou est refroidi à une température T5 plus basse dite réfrigération basse température permettant typiquement la conservation de produits surgelés. La chaleur captée est typiquement rejetée dans l'air extérieur par l'intermédiaire du compresseur 17 et de l'échangeur fluide frigorigène/air 12.
Les échangeurs de chaleur sur la source et sur la charge sont adaptés au type d'ensemble de réfrigération et au type d'application selon les critères généralement connus de l'homme de métier.
De façon optionnelle, le système 36A peut être muni d'un échangeur de chaleur 15 permettant de délivrer de l'eau chaude à la température T1.
Dans un mode de réalisation particulier, tel que mieux visible à la figure 7, le système 1 comprend également une pompe à chaleur de construction modulaire utilisant le cycle à absorption 27, et au moins un accumulateur électrique 19. Le module Pa 37 de ladite pompe à chaleur comprenant un absorbeur 28, un générateur 29, une pompe de circulation 30, un évaporateur 31 situé à l'entrée de l'absorbeur, un détendeur adapté 32 et un condenseur 33 placé à la sortie du générateur, un fluide frigorigène 34 et un absorbant 35. Ce système forme un deuxième objet de l'invention. La pompe à chaleur utilisant le cycle à absorption 27 est basée sur la diminution de la solubilité d'un gaz dans un liquide frigorigène quand la température augmente. De manière avantageuse, les couples courants fluide frigorigène/absorbant sont respectivement le couple ammoniac/eau et le couple eau/bromure de lithium. Le fluide frigorigène est absorbé dans une solution deg C de l'absorbeur 28, la solution enrichie en fluide frigorigène est transférée au générateur 29 grâce à la pompe de circulation 30. La solution y est alors chauffée, ce qui entraine la séparation du fluide frigorigène et une augmentation de la pression et de la température. Le fluide frigorigène circule vers le condenseur 33 ou il se condense en rejetant de la chaleur. Il passe ensuite à travers un système de détente 32 et atteint l'évaporateur 31 ou il s'évapore en absorbant de la chaleur. Il rejoint alors l'absorbeur 28, et le cycle recommence.
Les pompes à chaleur utilisant le cycle à absorption sont connues en tant que telles. Elles sont moins utilisées car plus coûteuses que les pompes à chaleur utilisant le cycle de réfrigération à compression mécanique de vapeur. Cependant, les pompes à chaleur utilisant le cycle à absorption ne nécessitent que peu de puissance électrique, essentiellement pour les composants auxiliaires et la régulation. La majeure partie de l'énergie nécessaire au cycle à absorption est thermique et provient typiquement de la combustion d'énergie fossile dans un brûleur. Dans le système selon l'invention, la pompe à chaleur utilisant le cycle à absorption 27 peut être alimentée en énergie thermique par toute source appropriée, notamment par la chaleur générée par l'un des moteurs à combustion 2, par la pile à combustible 22 ou par un capteur solaire thermique.
Dans un mode avantageux de réalisation de l'invention, le système 1 comporte un module générateur relié à un module de pompe à chaleur, ledit système permet simultanément :
le refroidissement d'eau par la pompe à chaleur 3 à une température T3, le chauffage d'eau par la pompe à chaleur 3 à une température T1 , Ia production d'eau très chaude à une température T2 par récupération de l'énergie thermique dégagée par le générateur de courant (qui peut être un moteur à combustion 2 relié à un alternateur 18) en cours de fonctionnement, la production d'électricité.
Le système 1 selon ce mode de l'invention permet également la production d'un seul ou de deux ou de trois éléments choisis parmi l'eau froide, l'eau chaude, l'eau très chaude et l'électricité.
L'eau froide a une température T3 typiquement comprise entre -8 et +15 CC (cas d'eau additionnée de glycol) ou comprise entre et 4 et 15°C (cas de l'eau). Cette température est de préférence comprise entre 5 et 9°C.
L'eau dite chaude produite par la pompe à chaleur 3 a une température T1 typiquement comprise entre 20 et 600C, et de préférence comprise entre 30 et 600C.
L'eau dite très chaude (typiquement de l'eau chaude sanitaire) atteint une température T2>T1 typiquement comprise entre 40 et 75°C, et de préférence 55 et 75°C.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le système 1 comporte un module générateur relié à un module de réfrigération, ledit système permet simultanément :
La fourniture de fluide frigorigène aux conditions thermodynamiques (température d'évaporation T4 ou T5) permettant, après raccordement à un échangeur 66 fluide frigorigène/air, la fourniture d'air très froid pour des applications de réfrigération ;
éventuellement le chauffage d'eau à température T1 ;
la production d'eau très chaude à température T2 par récupération de l'énergie thermique dégagée par le générateur de courant (qui peut être un moteur à combustion 2 relié à un alternateur 18) en cours de fonctionnement ;
- la production d'électricité.
Un système 1 comportant un ou plusieurs modules de pompe à chaleur et de réfrigération selon l'invention permet donc de fournir :
- La production d'éléments parmi l'eau froide, l'eau chaude, l'eau très chaude, le fluide frigorigène aux conditions thermodynamiques de la réfrigération moyenne température, Ie fluide frigorigène aux conditions thermodynamiques de la réfrigération basse température et l'électricité ;
- L'eau froide a une température T3 typiquement comprise entre -8 et +15 0C (cas d'eau additionnée de glycol) ou comprise entre et 4 et 150C (cas de l'eau). Cette température est de préférence comprise entre 5 et 90C.
- L'eau dite chaude produite par la pompe à chaleur 3 a une température T1 typiquement comprise entre 20 et 6O0C, et de préférence comprise entre 30 et 600C ;
- L'eau dite très chaude (typiquement de l'eau chaude sanitaire) atteint une température T2>T1 typiquement comprise entre 40 et 75°C, et de préférence 55 et 75°C ;
- Le fluide frigorigène aux conditions thermodynamiques de la réfrigération moyenne température a une température d'évaporation T4 typiquement comprise -15°C et 5°C et de préférence entre -100C et -5°C ;
- Le fluide frigorigène aux conditions thermodynamiques de la réfrigération basse température a une température d'évaporation T5 typiquement comprise entre -400C et
-25°C et de préférence entre -35°C et -300C.
Lorsque le générateur de courant est un moteur à combustion, éventuellement associé à un alternateur, la chaleur est récupérée à la fois sur le circuit de refroidissement du moteur à combustion 2 et sur les gaz d'échappement du moteur.
Lorsque le générateur de courant électrique est une pile à combustible 22, éventuellement associée à un convertisseur de courant continu en courant alternatif, la chaleur est récupérée sur le circuit de refroidissement de la pile à combustible 22 auquel s'ajoute éventuellement un circuit d'échange thermique placé sur le convertisseur de courant.
Lorsque le générateur de courant électrique est un panneau solaire photovoltaïque 23, éventuellement associé à un convertisseur de courant continu en courant alternatif, la chaleur est avantageusement récupérée par un circuit d'échange thermique placé sous les cellules photovoitaïques, et/ou par un circuit d'échange thermique placé sur le convertisseur de courant. Cela présente un rendement énergétique plus favorable que l'utilisation d'une résistance électrique pour chauffer l'eau.
L'eau dite froide est obtenue à une température T3<T1 typiquement comprise entre typiquement comprise entre -8 et +15 0C (cas d'eau additionnée de glycol) ou comprise entre et 4 et 15°C (cas de l'eau). Cette température est de préférence comprise entre 5 et 9°C.
Dans un mode de réalisation avantageux, T1 est compris entre 200C et 600C, T2 > T1 est compris entre 400C et 75°C, et T3 < T1 est compris entre -5°C et +15°C.
T4<T3 est compris entre -15 et 5°C
T5 est compris entre -45°C et - 25°C
Le système 1 selon l'invention est en outre pourvu d'un système de régulation, de préférence électronique (non représenté, situé de préférence dans une armoire dite armoire de puissance et de régulation, qui, elle, est située de préférence dans le module générateur G 38). Ce système de régulation peut fonctionner avec plusieurs points de consignes, permettant ainsi d'enclencher la mise en fonctionnement du système selon l'invention en fonction des besoins en eau froide à température T3, et/ou eau chaude à température T1 et/ou eau très chaude à température T2, ou de fluide frigorigène à températures T4 ou T5 et d'effectuer le choix de renvoyer éventuellement une partie de l'énergie électrique générée par le système au réseau électrique externe. Il sera décrit en plus grand détail ci-dessous.
En référence à la figure 1 , le moteur 2 est alimenté en carburant par l'intermédiaire d'une entrée 4.
Typiquement, environ 32 à 37% de l'énergie fournie au moteur à combustion sous forme de carburant est récupérée sous forme d'énergie mécanique 5 pour entraîner l'alternateur 18, et produire de l'électricité 20. Cela permet d'alimenter le compresseur 17 de la pompe à chaleur 3 avec l'électricité 20 ainsi produite. Un éventuel surplus d'électricité produite par l'alternateur 18 dans le cas d'une charge partielle ou d'un dimensionnement à cet effet peut être utilisé pour recharger l'accumulateur électrique 19 ou être réinjectée sur le réseau.
En outre, l'électricité produite par le générateur de courant alternatif est utilisée pour faire fonctionner les éléments électriques et/ou électroniques du système selon l'invention, tels que des électrovannes, un ou plusieurs motoventilateurs 21 associés à l'échangeur de chaleur 12, et le système de régulation électronique. D'autre part, une partie de l'électricité produite par le générateur de courant alternatif peut être utilisée pour l'alimentation d'appareils ou de dispositifs électriques situés hors du système selon l'invention, tels que des éclairages par exemple. Typiquement, lorsque le générateur de courant alternatif est un moteur à combustion 2, environ 40 à 60% de l'énergie fournie audit moteur 2 est récupérée sous forme d'énergie thermique 6 pour chauffer l'eau chaude sanitaire. Le reste de l'énergie (typiquement entre 3 et 25%) étant dissipée sous forme de pertes 7.
En référence toujours à la figure 1 , et en considérant le mode climatisation, la pompe à chaleur 3 dont le compresseur 17 est alimenté en électricité 20 produite par le générateur de courant alternatif fournit de l'eau froide 13, avec un COP « climatisation » compris entre 2,9 et 3,5. Le système fournit également et simultanément de l'eau chaude 14, avec un COP chauffage compris entre 3 et 5.
En outre, lorsque le générateur de courant alternatif est un moteur à combustion 2, au moins un échangeur de chaleur 8 placé sur le moteur à combustion 2 permet de récupérer la chaleur 6 émise par le moteur 2.
De préférence, au moins un échangeur de chaleur (non représenté) est placé sur le circuit des gaz d'échappement du moteur, et au moins un second échangeur de chaleur est placé sur le circuit de refroidissement liquide du moteur 2.
Selon l'invention, le système 1 est de conception modulaire et comprend au moins un module générateur de courant électrique G 38 et un ou plusieurs (N) modules de production P comprenant chacun un ou deux ensembles de pompe à chaleur 36D ou de réfrigération 36E. Le module générateur de courant électrique peut comprendre au moins un moteur à combustion 2.
Selon ce mode de réalisation modulaire, chacun des N modules de pompe à chaleur Pc et/ou réfrigération Pr (i.e. de type à compression de vapeur) du système 1 selon l'invention comprend
un circuit fermé et étanche dans lequel circule un fluide de transfert tel qu'un fluide frigorigène 16,
un compresseur 17 entraîné par un moteur électrique,
un détendeur 10,
- dans le cas des ensembles pompes à chaleur Pc, un premier échangeur de chaleur 11, de préférence à plaques, situé à l'aspiration du compresseur 17 lorsque le système fonctionne en mode climatisation, un second échangeur de chaleur 12, situé au refoulement du compresseur 17 lorsque le système fonctionne en mode climatisation,
- éventuellement un troisième échangeur de chaleur 15, de préférence un échangeur à plaques,
- dans le cas des ensembles de réfrigération Pr1 un échangeur de chaleur 66 qui peut être situé dans un module spécifique isotherme faisant partie du système de conception modulaire ou peut être situé à distance du système de conception modulaire, dans l'enceinte d'un bâtiment.
Ces composants sont agencés à l'intérieur d'un châssis ayant.
Les modules de pompe à chaleur Pc sont de préférence identiques, notamment en ce qui concerne leurs composants essentiels et leur dimensionnement. Cela permet de les fabriquer en grande série. Cela facilite aussi leur maintenance et leur réparation, car on peut simplement échanger un module défectueux par un module en état de fonctionnement et réparer le module défectueux sans qu'il soit connecté au système 1.
D'une manière générale, dans le cadre de la présente invention, le module de pompe à chaleur Pc comprend deux ensembles pompe à chaleur par compression 36D, ou le module mixte Pm comprend un ensemble de pompe à chaleur 36D et un ensemble de réfrigération 36D ou le module réfrigération 36A comprend deux ensembles de réfrigération 36E. Ces modules sont réalisés sous la forme d'un châssis, ledit châssis étant traversé par des tuyaux collecteurs, éventuellement par un tuyau d'arrivée de combustible, et par des câbles électriques de puissance et de régulation. Ledit châssis est également muni de moyens de raccordement des différents tuyaux et câbles au système. A titre d'exemple, les dimensions d'un tel châssis de module dit de production sont : longueur 1700 mm, largeur 2200 mm, hauteur 2420mm.
Ledit châssis renferme typiquement
- au moins un compresseur, avantageusement à puissance variable,
- au moins une batterie réversible en V,
- au moins un ventilateur,
- au moins un échangeur à plaques, - des composants auxiliaires d'une installation de pompe à chaleur ou de réfrigération de type connu, tels qu'une vanne à quatre voies, des vannes frigorifiques deux voies, ainsi qu'un ou plusieurs détendeurs frigorifiques.
- un réservoir à liquide destiné à contenir du liquide réfrigérant.
D'une manière générale, dans le cadre de la présente invention, le module de pompe à chaleur par absorption Pa peut être réalisé sous la forme d'un châssis, ledit châssis étant traversé par des tuyaux collecteurs, par un tuyau d'arrivée de combustible et par des câbles électriques de puissance et de régulation. Ledit châssis est également muni de moyens de raccordement des différents tuyaux et câbles au système. Ledit châssis renferme typiquement au moins les éléments suivants :
- un échangeur fluide frigorigène/eau,
- un générateur,
- un absorbeur,
- un échangeur à plaques fluide frigorigène/eau,
- ainsi que d'autres composants auxiliaires d'une pompe à chaleur à absorption, tels : une pompe, des détendeurs.
D'une manière générale, dans le cadre de la présente invention, le module générateur de courant G peut être réalisé sous la forme d'un châssis, ledit châssis étant traversé par un tuyau d'arrivée de combustible et par des câbles de puissance et de régulation. Ledit châssis est également muni de moyens de raccordement des différents tuyaux et câbles au système. Ledit châssis renferme typiquement au moins un générateur de courant de type moteur thermique relié à son alternateur ou une pile à combustible, un échangeur pour l'échange de chaleur entre le ou les générateurs de courant et l'eau très chaude, une armoire de puissance et de régulation globale du système ; en option, d'autre sources génératrices de courant, telle une pile à combustible et éventuellement son alternateur, voire d'autres sources thermiques externes (tels des raccordement aux capteurs solaires thermiques) peuvent être agencées dans un même châssis du module générateur de courant. A titre d'exemple mais sans que ceci soit indispensable, les dimensions d'un tel châssis de module générateur sont : longueur 2300 mm, largeur 2300 mm, hauteur 2420 mm. D'une manière générale, dans le cadre de la présente invention, le moteur à combustion 2 est de préférence un moteur adapté pour le gaz naturel. Il peut s'agir par exemple d'un moteur d'une cylindrée de 2 litres à 4,6 litres de type courant tel qu'utilisé dans certains véhicules automobiles avec de l'essence ou véhicules industriels diesels, mais spécifiquement adapté pour l'usage avec du gaz naturel. Dans une variante préférée de réalisation du module générateur de courant, on utilise une combinaison de deux moteurs 2, de cylindrée identique ou différente, selon le besoin de l'utilisateur.
Il est avantageux de prévoir dans le système 1 au moins un raccordement pour un fluide caloporteur externe qui apporte de l'énergie thermique, provenant par exemple d'un capteur solaire thermique ou d'une boucle géothermique ; ce raccordement se fait avantageusement au niveau de génération car cela simplifie à la fois la conception et la régulation du système 1.
D'une manière générale, dans le cadre de la présente invention, on utilise avantageusement un seul générateur de courant électrique, mais cela dépend du dimensionnement énergétique du système. On peut utiliser deux générateurs de courant électrique, de préférence agencés dans le même module générateur G ; un de ces deux générateurs est avantageusement un moteur à combustion 2. On peut utiliser deux moteurs à combustion 2, soit dans un même module générateur de courant, soit dans deux modules séparés. On préfère les intégrer dans un même module, car cela permet de partager certains composants tels que les circuits de lubrification et/ou de refroidissement.
L'utilisation de deux moteurs à combustion 2 permet d'optimiser leur utilisation en fonction des besoins en eau chaude, eau très chaude, eau froide et courant électrique généré. A titre d'exemple, si les deux moteurs sont des moteurs à essence ou à gaz naturel, et le besoin en énergie qu'ils doivent fournir est assez faible, il peut être préférable, dans le but de préserver la durée de vie des moteurs ou d'optimiser leur COP, de n'utiliser qu'un des deux moteurs, alors que dans le cas où les deux moteurs à combustion 2 sont des moteurs à gasoil, il peut être préférable d'en utiliser deux à charge partielle qu'un à pleine charge. L'existence de deux moteurs accroît donc la flexibilité d'utilisation du système 1 et assure par ailleurs une redondance en cas de panne de moteur. On peut bien évidemment aussi utiliser plus que deux moteurs. Dans un mode de réalisation avantageux, on utilise des moteurs de type courant développés pour des automobiles de grande série, car cela assure un prix d'achat très intéressant et une maintenance fiable.
Dans un mode de réalisation particulier, qui peut être combiné avec tous les autres modes de réalisation, on met les alternateurs en contact avec un échangeur de chaleur pour récupérer au moins une partie de l'énergie thermique dans laquelle est transformé une partie de l'énergie électrique, sachant que le rendement énergétique d'un alternateur est toujours inférieur à 100%. Cet échangeur de chaleur chauffe alors un liquide caloporteur qui est entré dans un circuit de pompe à chaleur.
On peut également combiner dans un module, d'une part un générateur composé d'un moteur à combustion et d'un alternateur avec un autre générateur de type pile à combustible. Il est ainsi possible de tirer avantage des particularités de chacun des générateurs : prix plus bas pour les moteurs à combustion, silence de fonctionnement et rendement énergétique plus élevé pour les piles à combustibles.
Enfin, lorsque le prix des piles à combustibles aura diminué ou pour des applications particulières (site industriels disposant d'hydrogène non valorisé), on installera deux générateurs de type pile à combustible.
La figure 5 illustre un mode de réalisation particulier comportant deux ensembles de cogénération, pouvant être intégrés dans un même module générateur G, en reliés à une pluralité de modules de pompe à chaleur de type à compression de vapeur Pc. Les différents modules de pompe à chaleur sont reliés entre eux par des collecteurs d'entrée client Ce1 , Ce3, et par des collecteurs de sortie client Cs1 , Cs3. Des conduits d'entrée client Ce2 et de sortie client Cs2 sont prévus au niveau du circuit d'eau très chaude 9. Les figures 8a à 8c illustrent mieux un exemple de réalisation d'un système comportant plusieurs modules pompe à chaleur à compression 36, en l'occurrence trois modules, reliés à deux modules pompe à chaleur par absorption 37, qui sont reliés, eux à un module générateur de courant 38. Ces modules 36, 37, 38 sont illustrés individuellement aux figures 9aà 9f, 10a,b,c et 11 a, b.c. Dans la vue de côté de la figure 8a on remarque un châssis 44 du module pompe à chaleur 36 ou 37 qui est traversé par quatre collecteurs 39a, 39b, 39c, 39d, le diamètre des collecteurs pouvant être adapté aux débits d'eau nécessaires pour l'application, par des câbles de puissance 41 et par des câbles de régulation 42. Le châssis 44 forme un logement ouvert sur les côtés de manière à ce qu'il puisse être traversé par les collecteurs de fluide et les câbles électriques, voire éventuellement être traversé par une tuyauterie de gaz 40 si besoin (par exemple pour relier un module pompe à chaleur par absorption 37 distant au module générateur 39 en passant par un module pompe à chaleur à compression 36). Le collecteur 39a est un collecteur pour l'entrée, le collecteur 39b un collecteur pour la sortie de fluide. Les deux autres collecteurs 39c pour l'entrée et 39d pour la sortie, sont destinés à la récupération de chaleur en mode climatisation ; ils sont alors reliés au troisième échangeur de chaleur optionnel 15 présent dans cette variante dans le module pompe à chaleur à compression 36, et fonctionnant sur le même principe que l'échangeur 15 du module Pc. Dans une variante, un troisième échangeur de chaleur de récupération (non représenté) peut également être présent dans le module pompe à chaleur par absorption 37.
Comme mentionné ci-dessus, le module de générateur 38 est également réalisé sous la forme d'un châssis 64, formant un logement ouvert sur les côtés de manière à ce qu'il puisse être traversé par les collecteurs de fluide et les câbles électriques.
Tel que mieux visible aux figures 9a à 9f et aux figures 8b et 8c, un module pompe à chaleur par compression 36 comprend, à l'intérieur de son châssis 44, deux ensembles pompe à chaleur comprenant chacun une ventilation 21, un échangeur fluide frigorigène/air 12, une vanne à quatre voies 46, un compresseurs frigorifiques 17, une bouteille anti-coup de liquide 48, un échangeur à plaques fluide frigorigène/eau 11, un réservoir de liquide 50 et un de façon optionnelle un échangeur à plaques de fluide frigorigène/eau de récupération 15. Dans le cadre de cette option, la vanne à quatre voies est remplacée par quatre vannes frigorifiques à deux voies 65A, 65B, 65C, 65D
(fig.9e) dont le fonctionnement sera décrit dans ce qui suit. Un module pompe à chaleur par absorption 37 comprend, à l'intérieur d'un châssis 44, et tel que mieux visible aux figures 8a à 8c et 6b et 6c, une ventilation 21, un échangeur fluide frigorigène/air 54, un absorbeur 51, un générateur 52 et un échangeur à plaques fluide frigorigène/eau 53. Ces modules 36,37 fonctionnent sur le même principe que les modules Pc et Pa, tel que précédemment décrit.
On va maintenant décrire plus en détail, en référence aux figures 17 et 18, le principe de fonctionnement d'un ensemble de pompe à chaleur à compression de vapeur qui compose un module de pompe à chaleur Pc, 36.
La figure 17 représente de manière schématique un ensemble de pompe à chaleur selon un premier mode de réalisation de l'invention, notamment une pompe à chaleur réversible avec une vanne à quatre voies 46. On va décrire dans ce qui suit son fonctionnement dans les modes : chauffage et refroidissement. Lorsque l'ensemble pompe à chaleur de la figure 17 fonctionne en mode chauffage, la régulation de la machine va satisfaire le besoin de puissance calorifique en régulant la puissance du compresseur frigorifique afin de respecter la température d'eau chaude T1. Ainsi, toute la chaleur disponible est rejetée à l'eau du réseau de chauffage à travers l'échangeur 11. La vanne à quatre voies 46 relie la tuyauterie de refoulement du compresseur à l'échangeur 11. Le détendeur 10 régule le débit de fluide frigorigène pour maintenir une surchauffe de ce fluide lorsqu'il quitte l'échangeur 12. La vanne à quatre voies 46 relie l'échangeur 12 à la tuyauterie d'aspiration du compresseur 17. La boucle de régulation concerne la température d'eau chaude T1 quittant l'échangeur 11. Lorsque l'ensemble pompe à chaleur de la figure 17 fonctionne en mode refroidissement, la régulation de la machine va satisfaire le besoin de puissance frigorifique en régulant la puissance du compresseur frigorifique afin de respecter la température d'eau froide T3. Toute la chaleur disponible est alors rejetée à l'air extérieur à travers l'échangeur 12. Le détendeur 10 régule le débit de fluide lorsqu'il quitte l'échangeur 11. La vanne à quatre voies 46 relie la tuyauterie de refoulement du compresseur 17 à l'échangeur 12. Le détendeur 10 régule le débit de fluide frigorigène pour maintenir une surchauffe de ce fluide lorsqu'il quitte l'échangeur 11. La vanne à quatre voies 46 relie l'échangeur 11 à la tuyauterie d'aspiration du compresseur 17. La boucle de régulation concerne la température d'eau froide T3 quittant l'échangeur 11. La figure 18 représente de manière schématique un ensemble de pompe à chaleur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, notamment une pompe à chaleur réversible avec un échangeur de récupération 15 et quatre vannes frigorifiques à deux voies ( ou vannes soiénoïdes) 65A, 65B, 65C, 65D. On va décrire dans ce qui suit son fonctionnement selon ses six modes de fonctionnement possibles.
Lorsque l'ensemble pompe à chaleur de la figure 18 fonctionne en mode refroidissement, la machine va satisfaire le besoin de puissance frigorifique en régulant la puissance du compresseur frigorifique 17 afin de respecter la température d'eau froide T3. Toute la chaleur disponible est alors rejetée à l'air extérieur à travers l'échangeur 12. La vanne solénoïde 65B est ouverte, toutes les autres vannes soiénoïdes étant fermées. Le détendeur 10A régule le débit de fluide frigorigène pour maintenir une surchauffe de ce fluide lorsqu'il quitte l'échangeur 11. Les détendeurs 10B et 10C sont fermés. La boucle de régulation concerne la température d'eau froide T3 quittant l'échangeur 11. Lorsque l'ensemble pompe à chaleur de la figure 18 fonctionne en mode refroidissement et récupération de chaleur, la régulation de la machine va satisfaire le besoin de puissance frigorifique en régulant la puissance du compresseur frigorifique afin de respecter la température d'eau froide T3. La chaleur disponible est envoyée u circuit de récupération d'eau par l'intermédiaire de l'échangeur 15. La vanne solénoïde 65C est ouverte, toutes les autre vannes solénoïdes étant fermées. Le détendeur 1OB régule le débit de fluide frigorigène pour maintenir une surchauffe de ce fluide lorsqu'il quitte l'échangeur 11. Les détendeurs 1OA et 10C sont fermés. La boucle de régulation concerne la température d'eau froide T3 quittant l'échangeur 11.
Lorsque l'ensemble pompe à chaleur de la figure 18 fonctionne en mode refroidissement, récupération de chaleur et rejet de chaleur inutilisée, la régulation de la machine va satisfaire le besoin de puissance frigorifique en régulant la puissance du compresseur frigorifique afin de respecter la température d'eau froide T3. La chaleur disponible est envoyée au circuit de récupération d'eau par l'intermédiaire de l'échangeur 15. Si la quantité de chaleur disponible est supérieur aux besoins, alors l'excès est envoyé à l'échangeur 12. Les vannes solénoïdes 65B et 65C sont ouvertes, toutes les autres vannes solénoïdes sont fermées. Les détendeurs 10A et 10B régulent ensemble le débit de fluide frigorigène pour maintenir une surchauffe de ce fluide lorsqu'il quitte l'échangeur 11. Le détendeur 10C est fermé. Deux boucles de régulation parallèles se retrouvent en fonctionnement : une première concernant la température d'eau froide T3 quittant l'échangeur 11 et une seconde qui contrôle la température d'eau chaude T1 quittant l'échangeur 15.
Lorsque l'ensemble pompe à chaleur de la figure 18 fonctionne en mode chauffage, la régulation de la machine va satisfaire le besoin de puissance calorifique en régulant la puissance du compresseur frigorifique afin de respecter la température d'eau chaude T1. La chaleur disponible extraite de l'air grâce à l'échangeur 12 est envoyée au circuit de récupération d'eau par l'intermédiaire de l'échangeur 15. Les vannes solénoïdes 65A et 65C sont ouvertes, toutes les autres vannes solénoïdes étant fermées. Le détendeur 10C régule ensemble le débit de fluide frigorigène pour maintenir une surchauffe de ce fluide lorsqu'il quitte l'échangeur 12. Les détendeurs 10A et 10B sont fermés. La boucle de régulation concerne la température d'eau chaude T1 quittant l'échangeur 15.
Lorsque l'ensemble pompe à chaleur de la figure 18 fonctionne en mode chauffage et récupération de chaleur, la régulation de la machine va satisfaire le besoin de puissance frigorifique afin de respecter la température d'eau froide T3 (échangeur 11). Par ailleurs, la régulation de la machine va satisfaire le besoin de puissance calorifique en régulant la puissance du compresseur frigorifique afin de respecter la température d'eau chaude T1 (échangeur 15). La puissance complémentaire est extraite de l'air grâce à l'échangeur 12. Les vannes solénoïdes 65A et 65C sont ouvertes, toutes les autres vannes solénoïdes sont fermées. Le détendeur 1OC régule le débit de fluide frigorigène pour maintenir une surchauffe de ce fluide lorsqu'il quitte l'échangeur 12. Le détendeur 1OB régule le débit de fluide frigorigène pour maintenir une surchauffe de ce fluide lorsqu'il quitte l'échangeur 11. Le détendeur 1OA est fermé. Deux boucles de régulation parallèles se retrouvent en fonctionnement : une première concernant la température d'eau chaude T1 quittant l'échangeur 15 et une seconde concernant la température d'eau froide T3 quittant l'échangeur 11.
Lorsque l'ensemble pompe à chaleur de la figure 18 fonctionne en mode dégivrage, la machine va extraire de la chaleur au niveau du circuit de récupération grâce à l'échangeur de chaleur 15. Cette chaleur sera envoyée à l'échangeur 12 afin de le dégivrer. Les vannes solénoïdes 65B et 65D sont ouvertes, les autres vannes solénoïdes étant fermées. Le détendeur 10C contrôle la surchauffe du fluide frigorigène quittant l'échangeur 15, les autres détendeurs étant fermés. La régulation de la machine lance le dégivrage et le stoppe sur la base des informations données par les capteurs de pression et de température du circuit.
Tel qu'illustré aux figures 11a, 11b et 8b et 8c, le module générateur de courant 38 comporte un châssis 64, muni d'une arrivée de combustible 55 communiquant avec le tuyau 40 du module 37. Le châssis 64 comporte au moins un générateur de courant, qui peut être un moteur à combustion et son générateur de courant 56, ou une pile à combustible avec son onduleur 57. Un raccordement des sources thermiques externes 58 peut être prévu pour des capteurs solaires thermiques ou autre sources d'eau chaude. Un échangeur 59 est prévu pour réaliser l'échange de chaleur entre le générateur de courant et l'eau très chaude. Le châssis 64 renferme également une armoire de puissance et régulation globale du système 60, ladite armoire étant munie de connexions vers un câblage 61 de puissance pour l'arrivée de l'énergie en provenance d'un panneau photovoltaïque, un câblage 62 pour arrivée réseau électrique externe et un câblage 63 de puissance pour l'envoi de l'énergie électrique au réseau électrique externe. Dans une variante, un câblage 63' peut relier l'armoire 60 à l'arrivée d'une source auxiliaire d'énergie telle qu'en provenance d'une éolienne, d'une turbine, ou autre. La figure 6 illustre un autre mode de réalisation particulier comportant deux modules de générateur G, 38 reliés à un module de pompe à chaleur de type à compression de vapeur Pc, 36 et à une pluralité de modules de réfrigération Pr, 36A. Les différents modules de réfrigération Pr sont reliés entre eux et reliés au module de pompe à chaleur Pc par des collecteurs d'entrée client Ce3 et par des collecteur de sortie client Cs3. L'équilibrage des débits d'eau dans les échangeurs modulaires se fait dans ce cas à l'aide de vannes d'équilibrage du système.
Les figures 12a à 12f illustrent mieux un exemple de réalisation d'un module de réfrigération 36A comportant deux ensembles de réfrigération 36E sur un châssis commun. Plus particulièrement la vue de détail 12f illustre à échelle agrandie les tuyaux de connexion d'entrée et de sortie au circuit 13 d'eau froide, les tuyaux de connexion d'entrée et de sortie au circuit d'eau chaude 14, ainsi que les quatre conduits de fluide frigorigène dont deux d'aspiration 16a et deux de liquide 16b pour relier les deux ensembles de réfrigération 36E à un échangeur de fluide frigorigène/air 66 situé à distance, en étant externe au module 36A. Les figures 12a et 12b sont des vues avant et arrière du module de réfrigération 36E, la figure 12b illustre un vue latérale d'un module de réfrigération 36A comportant deux ensembles de réfrigération 36E, la figure 12d est une vue en perspective du module de réfrigération 36A et la figure 12e est une vue en coupe du module 36A réalisée avec le plan D-D de la figure 12b. Tel que visible sur ces figures, le module de réfrigération 36A comportant deux ensembles de réfrigération 36E présente une symétrie totale verticalement, ce qui permet d'agencer de manière avantageuse tous les composants des deux ensembles de réfrigération sur un châssis commun du module.
Les figures 13a à 13f illustrent mieux un exemple de réalisation d'un module mixte 36B comportant un ensemble de réfrigération 36E et un ensemble pompe à chaleur 36D sur un châssis commun. Plus particulièrement la vue de détail 13f illustre à échelle agrandie les tuyaux de connexion d'entrée et de sortie au circuit 13 d'eau froide, les tuyaux de connexion d'entrée et de sortie au circuit d'eau chaude 14, ainsi que les deux conduits de fluide frigorigène dont un d'aspiration 16a et un de liquide 16b pour relier l'ensembles de réfrigération 36E à un échangeur de fluide frigorigène/air 66 situé à distance, en étant externe au module 36A. Les figures 13a et 13 b sont des vues avant et arrière du module mixte 36B, la figure 13b illustre un vue latérale d'un module mixte 36B, la figure 13d est une vue en perspective du module mixte 36B et la figure 13e est une vue en coupe réalisée avec le plan E-E de la figure 13b.
Les figures 14a à 14c illustrent mieux un exemple de réalisation d'un système de l'invention comportant un module générateur 38 relié à un module mixte 36B comportant un ensemble de réfrigération 36E et un ensemble pompe à chaleur 36D sur un châssis commun. La figure 14a est une vue de côté de l'ensemble, la figure 14b est une vue de face de l'ensemble et la figure 14c est une vue en perspective de l'ensemble module générateur 38 et module mixte 36B.
La figure 15 est une vue de face illustrant un exemple de réalisation d'un système de l'invention comportant un module générateur 38 relié à un module de pompe à chaleur à compression 36 et à un module de réfrigération 36A.
La figure 16 illustre un exemple de réalisation d'un système de l'invention comportant un module générateur 38 relié à un module de pompe à chaleur à compression 36, à un module de réfrigération 36A, relié à un premier module isotherme 36C comportant un évaporateur 66 et à un deuxième module isotherme comportant un évaporateur 66.
Les principaux avantages du système selon l'invention par rapport aux systèmes de l'état de la technique sont:
- Une alimentation multiénergie ou à plusieurs sources d'énergie, typiquement électricité / gaz naturel ou fuel
Un fonctionnement jusqu'à une température de -200C avec un bon rendement,
Un COP sur énergie primaire total supérieur à 1.5, même lorsque la température extérieure est basse.
- Une intégration des fonctions au sein d'un même ensemble modulaire pour des applications de fournitures de fluides simultanées (eau ou fluide frigorigène) à des températures allant de -45°C à +75°C.
Comme on le voit sur la figure 3, le système selon l'invention possède un rendement supérieur à celui des systèmes de l'état de la technique, même récents, tels que les chaudières à gaz à condensation.
Ce bon rendement est obtenu par la récupération de chaleur au sein du système : D"une part, la récupération dans les ensemble pompes à chaleur grâce au troisième échangeur de chaleur 15, placé dans le circuit de fluide frigorigène.
D'autre part la récupération de chaleur dans les générateurs de courant du type moteur à combustion ou pile à combustible
Ce bon rendement est également obtenu grâce par la sélection de composants performants : par exemple des échangeurs largement dimensionnés, des moteurs à combustion au taux de compression optimisé pour le carburant utilisé, des ventilations à vitesse variable modernes munies de moteurs à commutation électronique.
Une puissance totale de 60 à 900 kW est typiquement obtenue grâce à la structure modulaire du système selon l'invention, en respectant les dimensions géométriques d'un camion de taille standard en Europe (longueur maximale de la charge : 13 mètres).
Il est par ailleurs tout à fait possible de réaliser l'ensemble des caractéristiques décrites dans l'invention, pour des puissances couvrant la plage 20 à 150 kW, avec des dimensions permettant le passage dans une porte soit 890 mm de largeur et 1800 mm de hauteur. Les caractéristiques décrites comprenant la possibilité d'obtenir simultanément de l'eau à 3 températures différentes T1.T2 et T3 ainsi que du fluide frigorigène à température T4 et T5
Dans un mode de réalisation particulier, le module de pompe à chaleur par compression de vapeur comporte deux ensembles de pompe à chaleur comportant chacun un compresseur (typiquement des compresseurs à spirale, appelé aussi compresseur scroll), un ventilateur, un échangeur air/fluide frigorigène (appelée « batterie) réversible en V et deux échangeurs à plaques eau/ fluide frigorigène circuit (dont un optionnel pour le circuit de récupération calorifique). Ce mode de réalisation sera illustré ci-dessous par des exemples.
En mode air/eau, le module de pompe à chaleur peut fonctionner en mode chauffage seul ou climatisation seule avec récupération possible sur un circuit indépendant. Ainsi, en hiver, la batterie sur l'air est en mode évaporateur, alors que l'échangeur à plaques fonctionne en mode condenseur. Pour la production d'eau chaude à température T1, un complément de chaleur peut provenir si nécessaire de la chaleur récupérée sur le circuit de refroidissement du moteur à combustion et sur ses fumées d'échappement. II est également possible de récupérer la chaleur du moteur à température très chaude T2. En été, la batterie sur l'air extérieur fonctionne en mode condenseur, alors que l'échangeur à plaques fonctionne en mode évaporateur. Cela permet la production d'eau froide, et offre la possibilité de fournir aussi de l'eau chaude à température T2 sur un circuit indépendant grâce à la récupération sur le circuit de refroidissement du moteur à combustion et sur ses gaz d'échappement.
En mode chauffage seul, le module de pompe à chaleur chauffe l'eau en partie, et la récupération de chaleur sur le refroidissement du moteur à combustion et ses gaz d'échappement apportent si nécessaire le complément de chaleur, pour fournir par exemple de l'eau à une température typique de 45CC.
En mode de climatisation, le module pompe à chaleur refroidit l'eau froide, par exemple à une température de 7°C, alors que de manière indépendante, on peut générer de l'au chaude ou très chaude en récupérant la chaleur générée par le module de générateur d'énergie électrique (moteur à combustion), en fonction des besoins du consommateur. En mode eau / eau, le système peut produire simultanément de l'eau chaude pour le chauffage et de l'eau froide pour la climatisation, en été comme en hiver. On n'utilise alors plus les batteries sur l'air extérieur, mais uniquement les échangeurs à plaques réversibles : l'un fonctionne en mode condenseur pour produire de l'eau chaude, l'autre fonctionne en mode évaporateur pour produire de l'eau froide. La récupération de chaleur sur module de générateur d'énergie électrique est utilisée pour complément de chaleur sur la production d'eau chaude voire très chaude (eau sanitaire).
Dans un mode de réalisation avantageux, qui peut être mise en œuvre avec tous les autres modes de réalisation et leurs variantes, le système 1 est contrôlé par au moins une machine informatique comportant au moins un microprocesseur et au moins une interface d'entrée de données. Des données sont entrées dans le microprocesseur de ladite machine informatique par l'intermédiaire de ladite interface d'entrée de données.
L'invention concerne également un procédé de régulation d'un système 1 selon l'invention. Nous décrivons ici ce mode de régulation.
Dans une première étape (a), on entre au moins une donnée dite « donnée de base » dans ledit microprocesseur. Ces données de base sont typiquement entrées dans le microprocesseur soit lors de sa programmation initiale en usine, soit lors de la mise en route du système 1 sur le site de l'utilisateur (paramétrage de la régulation pour l'installation donnée), soit encore par l'utilisateur au cours du temps pendant l'utilisation du système 1 (paramétrage de premier niveau pour tenir compte d'évolutions de base, par exemple le coût de l'énergie).
Ces données de base concernent les caractéristiques techniques des modules et de leurs composants et consommables. Elles sont sélectionnées dans le groupe formé par :
- (da1 ) le coût unitaire du combustible de chaque moteur à combustion 2, pile à combustible 22 et pompe à chaleur à absorption utilisé dans le système 1 ;
- (da2) le contenu énergétique de chaque combustible ;
- (da3) l'impact CO2 de chaque combustible par unité de masse ;
- (da4) le rendement énergétique de chaque moteur à combustion 2 en fonction de sa charge et de sa vitesse de rotation, ce qui permet de déterminer la quantité de CO2 rejetée par unité de puissance mécanique produite par ce moteur à combustion 2 ;
- (da5) la puissance nominale à pleine charge de chaque moteur à combustion 2 en fonction de sa vitesse de rotation ;
(da6) le pourcentage de puissance thermique récupérée sur le circuit de refroidissement du moteur et le pourcentage de puissance thermique récupéré sur les gaz d'échappement, ce qui permet de déterminer la quantité de CO2 rejetée par unité de puissance thermique produite par le moteur à combustion
2,
(da7) le coût unitaire de l'énergie électrique fournie par le réseau externe (coût instantané, son évolution en fonction du temps, et son évolution en fonction du niveau de puissance demandée) ;
- (da8) la durée de vie de chaque générateur (principalement du moteur à combustion 2 et de la pile à combustible 22) en fonction de sa charge ;
(da9) le coût de maintenance de chaque générateur (principalement du moteur à combustion 2 et de la pile à combustible 22) en fonction du nombre d'heures de fonctionnement ;
- (da10) le coût de démontage et de remplacement de chaque générateur
(principalement du moteur à combustion 2 et de la pile à combustible 22) ;
- (da11 ) la durée de vie, le coût de maintenance, le coût de démontage et de remplacement de chaque type de pompe à chaleur (utilisant le cycle à compression de vapeur ou utilisant le cycle à absorption) ; - (da12) le rendement de l'alternateur en fonction de la puissance électrique qu'il fournit, ce qui permet de déterminer la puissance mécanique demandée au moteur à combustion 2 pour une puissance électrique fournie ;
- (da13) le rendement de la pile à combustible 22 en fonction de sa charge lorsqu'elle n'est pas équipée de reformeur (cas typique mais non exclusif d'une pile de type PEM -Proton Exchange Membrane alimentée par hydrogène), ou le rendement de la pile à combustible en fonction de sa charge lorsqu'elle est équipée d'un reformeur (cas typique d'une pile PEM alimentée par un autre carburant que l'hydrogène) ;
- (da14) le rendement de l'onduleur de la pile à combustible 22 ou des panneaux solaires photo voltaïques 23 lorsqu'ils existent ;
(da15) la consommation électrique et le débit de fluide (typiquement glycol) de la pompe de circulation des capteurs solaires ;
(da16) le prix de vente unitaire de l'énergie électrique fournie au réseau externe,
(tel que le prix instantané, son évolution en fonction du temps et son évolution en fonction du niveau de puissance demandé).
Dans un mode de réalisation avantageux, on entre pour chaque type de pompe à chaleur, les tables de performances donnant la puissance frigorifique fournie, la puissance calorifique fournie, la puissance électrique consommée, la quantité de combustible consommée s'il y a lieu (cas de la pompe à chaleur à absorption) à l'intérieur de sa plage de fonctionnement. Ces tables de performances sont définies de fait par les températures d'eau de chaque circuit (T1.T2 et T3, T4 et T5) , le débit de fluide des échangeurs associés, et par la température d'entrée de l'air ambiant. Le mode de régulation peut prévoir que tout fonctionnement avec un ou plusieurs de ces paramètres en dehors de la plage de fonctionnement définie est prohibé.
Dans un mode de réalisation avantageux, on entre pour chaque compresseur utilisé dans les pompes à chaleur à compression de vapeur, à titre de contrôle complémentaire, les données de base suivantes :
- les tables de performances donnant la puissance frigorifique fournie,
- la puissance calorifique fournie,
- la puissance électrique consommée en fonction de la pression d'aspiration et de la pression de refoulement du compresseur pour un fluide frigorigène donné. Ces données permettent un recoupement des tables de performance ci-dessus. Elles peuvent également être utilisées comme données de base pour déterminer, pour le système complet, les puissances frigorifiques et calorifiques fournies ainsi que la puissance électrique consommée par les pompes à chaleur à compression de vapeur. Ces données intègrent, pour chaque compresseur, le niveau de débit volumétrique (exprimé typiquement en pourcent) auquel il fonctionne (typiquement de 10% à 100%).
Dans une deuxième étape (b), on entre au moins une donnée dite « donnée instantanée ». Ces données instantanées sont typiquement entrées dans le microprocesseur lors de son fonctionnement par les équipements de mesure que comportent les différents composants du système 1, ou par un dispositif extérieur au système 1 (par exemple par un contact électrique de type « effacement jour de pointe du réseau électrique », par un réseau Ethernet etc..) communiquant certaines de ces données à l'installation.
Cette au moins une donnée instantanée est sélectionné dans le groupe formé par :
- (db1 ) la puissance électrique instantanée produite par chaque générateur de courant présent : alternateur 18, pile à combustible 22, panneau solaire photovoltaïque 23 ;
- (db2) le régime de rotation de chaque moteur à combustion 2 ;
- (db3) la consommation instantanée en combustible de l'installation (moteur à explosion et pompe à chaleur par absorption) ;
- (db4) la température du fluide récupérant l'énergie thermique du moteur a combustion 2 (notamment l'énergie thermique contenue dans le circuit de refroidissement et dans les gaz d'échappement) ;
- (db5) la puissance électrique instantanée consommée par le système 1 auprès du réseau, obtenue par une mesure directe ;
- (db6) la puissance instantanée fournie au réseau par le système 1 , obtenue par une mesure directe ;
- (db7) le courant, la tension ou la puissance électrique instantanée produite par le panneau solaire photovoltaïque 23 (si ce panneau est présent) ;
- (db8) la température T1 instantanée ;
- (db9) la température T2 instantanée ;
- (db10) la température T3 instantanée
- (db11 ) la température T4 instantanée - (db12 ) la température T5 instantanée
- (db13) la température de l'air ambiant ;
- (db14) le nombre d'heures de fonctionnement de chaque générateur de courant électrique (principalement moteur à combustion 2 et pile à combustible 22) ; - (db15) le nombre d'heures de fonctionnement de chaque circuit de pompe à chaleur de l'installation (type à compression de vapeur ou à absorption).
Si l'une des températures T1 , T2 ou T3 instantanées est sélectionnée (données dbδ, db9, d10), il est avantageux de les sélectionner toutes les trois.
Dans une troisième étape (c), on définit au moins une donnée dite « donnée cible » à laquelle est affectée une valeur dite « valeur cible », ladite donnée cible étant sélectionnée dans le groupe formé par :
- (dc1 ) la température T1 et son évolution en fonction de paramètres tel que la température extérieure, ou le coût de l'énergie, (le confort idéal pouvant laisser place au confort économiquement acceptable) ;
- (dc2) la température T2 et son évolution en fonction de paramètres tel que la température extérieure ou le coût de l'énergie ;
- (dc3) la température T3 et son évolution en fonction de paramètres tel que la température extérieure ou le coût de l'énergie ;
- (dc4) la température T4 et son évolution en fonction de paramètres tel que la température souhaitée dans l'enceinte réfrigérée extérieure ou le coût de l'énergie ;
(dc5) la température T5 et son évolution en fonction de paramètres tel que la température souhaitée dans l'enceinte réfrigérée extérieure ou le coût de l'énergie ;
- (dc6) le COP global comme étant le COP global maximal pour le système 1, ce point étant corrélé à l'impact global minimal CO2 du système 1 ;
- (dc7) le coût énergétique comme étant le coût énergétique minimal du système 1 ;
- (dcδ) le coût de fonctionnement total comme étant le coût de fonctionnement total minimal du système 1.
Quelle que soit la donnée cible choisie (ou quelles que soient les données cibles choisies), on peut avoir par ailleurs une donnée cible complémentaire telle que la puissance minimale électrique à fournir au réseau (dans le cas du fonctionnement en groupe électrogène d'urgence par exemple).
Ladite au moins une donnée cible et sa valeur cible associé sont entrées dans le microprocesseur.
Dans une quatrième étape (d), on régule à l'aide de ladite machine informatique le système 1 de manière à atteindre, pour chacune des données cibles sélectionnées, la ou les valeurs cibles déterminées, ladite régulation étant effectuée en comparant la valeur actuelle de la donnée cible sélectionnée, qui est déterminée de temps en temps ou de manière régulière ou de manière continue, en prenant en compte la ou les données de base sélectionnées ainsi que la ou les donnée(s) instantanée(s) sélectionnée(s), et en ajustant au moins une donnée dite « donnée d'ajustement » sélectionnée dans le groupe formé par
(dd1 ) le type, le nombre de générateurs de courant en fonctionnement, et la puissance fournie électrique par chacun desdits générateurs (avantageusement en sélectionnant les générateurs en fonction de leurs caractéristiques vis-à-vis des données cibles sélectionnées) ;
- (dd2) l'affectation des puissances électriques fournies par le ou les générateurs respectivement à l'installation et au réseau externe au système 1 ;
- (dd3) le type et le nombre de pompes à chaleur et/ou ensembles de réfrigération en fonctionnement ;
(dd4) dans le cas des pompes à chaleur par compression de vapeur et/ou ensembles de réfrigération, le réglage de débit volumétrique (exprimé en pourcent) imposé par la régulation aux compresseurs pour optimiser le système 1.
de manière à approcher, pour chaque donnée cible sélectionnée, sa valeur actuelle à la valeur cible.
Dans le cas où plusieurs données cibles sont sélectionnées, la méthode de régulation peut comprendre un algorithme de pondération pour déterminer à partir des valeurs cibles un paramètre cible.
Nous donnons ici trois exemples pour une telle méthode de régulation :
1 ) Si la donnée cible est le COP global maximal du système 1, ou son impact CO2 minimal (donnée dc4), on cherchera entre autres à suivre les règles suivantes : - on cherchera à faire fonctionner les générateurs de courant dans leur zone de rendement maximal (à pleine charge par exemple pour un moteur à combustion 2 fonctionnant au gaz naturel) ;
- on cherchera à récupérer le maximum du rejet thermique calorifique du moteur à combustion 2. Par exemple, si les besoins du site d'installation en eau très chaude sont inférieurs à la production du moteur à combustion 2, on cumulera cette production thermique à l'eau chaude fournie par les modules pompe à chaleur ;
- on cherchera à faire fonctionner l'ensemble des modules pompes à chaleur en charge partielle plutôt que d'en stopper certaines afin de réduire la charge sur chaque échangeur et ainsi permettre un fonctionnement plus efficace énergétiquement.
2) Si la donnée cible prioritaire est le coût énergétique comme étant le coût énergétique minimal du système 1 (donnée dc5), l'approche est similaire à l'optimisation de l'exemple précédent, mais les coefficients paramétrables pour chaque type d'énergie deviennent les suivants :
- Coût d'achat de chaque énergie extérieure au système 1 (typiquement énergie électrique issu du réseau ou énergie de type carburant fossile ou biogaz) au moment de l'utilisation. (Par exemple, le coût de l'énergie électrique peut varier suivant la période de l'année mais peut aussi en fonction de seuils de consommation dans la journée ou dans l'année, ce ou ces seuils étant lié(s) à l'abonnement électrique de l'installation considérée. Ces pondérations peuvent bien sûr évoluer au cours de la vie de l'installation et sont donc paramétrables dans le cadre de la méthode de régulation globale du système).
Prix de revente éventuel au réseau de l'énergie électrique pouvant si nécessaire être produite par le ou les modules générateurs du dispositif. (Ce prix peut également varier, selon des règles en général similaires à celles qui s'appliquent au coût d'achat de l'énergie électrique)
- Prise en compte d'évolution de données cibles comme les températures T1 , T2,
T3 et de leur évolution possible en fonction des coûts de l'énergie.
On cherchera à réguler les données listées en (d) (données dd1 à dd4) pour obtenir un coût minimal prenant en compte les énergies vendues et achetées. 3) Si la donnée cible prioritaire est le coût de fonctionnement total (donnée dc6) comme étant le coût de fonctionnement total minimal du système 1, l'approche est similaire à l'optimisation précédente, mais elle prend en compte par ailleurs :
- les durées de vie de chaque générateur (donnée daδ),
- les coûts de maintenance (donnée da9),
- le coût de démontage et le coût de remplacement de chaque générateur (donnée da10),
- le coût de démontage et le coût de remplacement de chaque type de pompe à chaleur (donnée da11 )
On accorde ainsi une importance particulière à la durée de vie de certains composants critiques comme les moteurs à combustion ou les piles à combustible.
Le système selon l'invention peut être utilisé avantageusement dans des installations de balnéothérapie, thalassothérapie, dans des logements collectifs, pour le chauffage de piscines, dans des hôpitaux ou des maisons médicalisées, dans des hôtels ou résidences de tourisme.
Le système peut également être utilisé de manière avantageuse dans les applications agricoles ou il y a besoin de puissance calorifique, et éventuellement de puissance frigorifique, voire les deux simultanément. Le combustible primaire du système pourrait alors être du gaz naturel du biogaz mais il pourrait être également du biogaz issu de la biomasse qui serait disponible, ou même éventuellement généré sur le lieu même de l'application. Une première série d'applications concerne de préférence les serres agricoles utilisant par exemple du gaz naturel en tant que combustible primaire.
Une deuxième série d'applications concerne des unités de méthanisation, le système de l'invention utilisant alors le biogaz produit sur place.
Le système selon l'invention est également utilisé dans des procédés industriels nécessitant le chauffage et le refroidissement simultané d'eau, utilisée à des points différents du procédé. C'est le cas par exemple de certains procédés agroalimentaires.
Le système selon l'invention est également utilisé dans des procédés industriels nécessitant le refroidissement d'air à des températures de réfrigération moyenne et basse température utilisée à des points différents du procédé. C'est le cas par exemple de certains procédés agroalimentaires en particulier dans des applications de type supermarché.
Un autre avantage du système selon l'invention est sa flexibilité de conception et sa flexibilité d'utilisation. La flexibilité d'utilisation permet en permanence le choix optimal du ou des types d'énergies utilisées et/ou fournies, en fonction de paramètres externes et de paramètres cibles (objectifs), moyennant une méthode de régulation appropriée.
La flexibilité de conception permet l'optimisation du dispositif en fonction des besoins prévisibles de l'utilisateur, notamment en termes de capacité thermique, de besoins en eau de températures différentes. Cette optimisation s'exerce notamment par le choix du type et du nombre de modules de pompe à chaleur, et par le choix du type et du nombre de module générateur électrique.
La flexibilité de conception permet la prise en compte, entre autres, des paramètres suivants :
a) Besoins en puissance calorifique et en puissance frigorifique, et en puissance calorifique et frigorifique simultané du site concerné tout au long de l'année. Ces paramètres auront un impact direct sur la quantité de modules pompe à chaleur concerné et sur le choix du cycle employé.
b) Besoin potentiel d'un générateur électrique sur l'installation (en solution de secours au réseau par exemple). Le ou les modules générateurs intégrables au dispositif, conjugué à la flexibilité d'utilisation du dispositif, permettent de répondre à ce besoin. Le choix du ou des modules générateurs dépendra entre autres : de la puissance nécessaire pour alimenter le dispositif ; de l'existence de seuils électriques coûteux sur le site (par exemple achat de transformateur, seuils de consommation) qu'il sera alors intéressant de ne pas franchir, des caractéristiques du site (existence d'énergie renouvelable de type éolien ou photovoltaïque), du niveau de bruit souhaité ou du rendement souhaité (intérêt de la pile à combustible).
c) Familiarité des utilisateurs avec l'un ou l'autre des cycles de pompe à chaleur dispositif (compression ou absorption) et du cycle de réfrigération. d) Impact CO2 : Importance de l'impact CO2 pour l'installation considérée (Conformité à un label de type HQE Haute Qualité Environnementale par exemple) et valorisation de l'impact CO2 de l'énergie électrique du réseau.
e) Enfin bien sûr et pour l'ensemble des modules, la configuration optimale dépendra du coût d'achat initial et des coûts de fonctionnement (en prenant en compte la consommation en énergie et la maintenance).
On peut noter que le dispositif offre un combiné de solutions de conception pour s'adapter efficacement à chaque cas.
La flexibilité d'utilisation prend en compte notamment la multiplicité d'énergies susceptibles d'alimenter les différents composants du système 1 selon l'invention, ainsi que la multiplicité de flux d'énergie susceptibles d'être produits par le système 1. L'ensemble des modules ci-dessus est alimenté par une ou plusieurs des énergies suivantes : carburants fossiles (notamment gaz naturel, gaz de pétrole liquéfié, gasoil, essence), biocarburants, hydrogène et courant électrique. Les modules de pompes à chaleur peuvent faire appel typiquement aux deux cycles classiques suivants: le cycle de réfrigération à compression mécanique de vapeur et le cycle à absorption. Les réseaux d'eau classiques reliés aux pompes à chaleur peuvent être complétés dans le dispositif par un réseau d'eau issue de capteurs solaires thermiques. Les modules générateurs d'électricité peuvent faire appel à divers technologie de type moteur thermique et alternateur, panneau solaire photovoltaïque 23, éolienne, turbine ou pile à combustible
La flexibilité d'utilisation est rendue possible grâce à la méthode de régulation globale pour l'ensemble de tous les modules du dispositif (pompe à chaleur et générateurs électrique) qui permet la prise en compte optimale entre autres des paramètres cibles (objectifs) suivants :
(i) Priorité donnée au COP de l'installation. Des coefficients paramétrables permettront d'exprimer les différentes énergies extérieures au dispositif (par exemple l'électricité du réseau, l'énergie thermique des capteurs solaires et l'énergie électrique photovoltaïque) en termes d'énergie primaire et d'impact CO2 afin de donner une vue globale du COP du dispositif multi-énergie. La régulation globale du dispositif prendra en compte dans l'optimisation globale le rendement de chaque type de module générateur. Ainsi et entre autres règles de fonctionnement :
- On cherchera à faire fonctionner les générateurs de courant dans leur zone de rendement maximal (à pleine charge par exemple pour un moteur thermique fonctionnant au gaz naturel) ;
- On récupérera le maximum de rejet thermique calorifique du moteur thermique. Par exemple, si les besoins du site d'installation en eau très chaude sont inférieurs à la production du moteur thermique, on cumulera cette production thermique à l'eau chaude fournies par les modules pompe à chaleur ;
- On cherchera à faire fonctionner l'ensemble des modules pompes à chaleur en charge partielle plutôt que d'en stopper certaines afin de réduire la charge sur chaque échangeur et ainsi permettre un fonctionnement plus efficace énergétiquement.
(ii) Priorité donnée sur le coût de fonctionnement énergétique de l'installation :
L'approche est similaire à l'optimisation précédente, mais les coefficients paramétrables pour chaque type d'énergie deviennent les suivants :
Coût d'achat de chaque énergie extérieure au dispositif (typiquement énergie électrique issue du réseau ou énergie de type carburant fossile ou biogaz) au moment de l'utilisation. Par exemple, le coût de l'énergie électrique peut varier suivant la période de l'année mais peut aussi en fonction de seuils de consommation dans la journée ou dans l'année, ce ou ces seuils étant lié(s) à l'abonnement électrique de l'installation considérée. Ces pondérations peuvent bien sûr évoluer au cours de la vie de l'installation et sont donc paramétrables dans le cadre de la méthode de régulation globale du dispositif.
Prix de revente éventuel au réseau de l'énergie électrique pouvant si nécessaire être produite par le ou les modules générateurs du dispositif. Ce prix peut également varier, selon des règles en général similaires à celles qui s'appliquent au coût d'achat de l'énergie électrique.
(iii) Priorité donnée sur le coût de fonctionnement total de l'installation (notamment le coût énergétique, le coût de maintenance qui inclut notamment le coût de démontage et le coût de remplacement). On accorde ainsi une importance particulière à la durée de vie de certains composants critiques comme les moteurs à combustion 2 ou la pile à combustible 22.
Il résulte de ce qui précède que c'est grâce à sa conception modulaire, la plage très large de température disponible pour des plages respectives de puissances pour chaque température dimensionnées à l'utilisation, ceci enfin conjuguée à sa régulation globale qui connaît de façon précise le fonctionnement et les performances de chacun de ces modules, que le dispositif permet une optimisation de fonctionnement, à la fois globale, adaptée à la complexité des problématiques rencontrées et à leurs évolutions.
Exemples
Les exemples de réalisation qui suivent illustrent certains modes de réalisation de l'invention. Ils ne limitent pas l'invention.
Dans ces exemples, on a utilisé deux types de moteur thermiques pour automobile adaptés pour fonctionner avec du gaz naturel : un moteur de cylindrée de 2,0 litres fabriqué par la société Volkswagen et un autre de cylindrée 4,6litres, fabriqué par la société MAN.
On a fabriqué cinq modules générateurs de courant électrique (module G) différents :
(a) Moteur 2,0 litres seul, (b) moteur 4,6 litres seul, (c) deux moteur 2,0 litres, (d) deux moteurs 4,6 litres, (e) un moteur 2,0 litres et un moteur 4,6 litres.
On a fabriqué un modèle unique de module de pompe à chaleur (module P), qui comportait entre autres:
deux compresseurs à spirale (appelé aussi compresseur scroll) fonctionnant avec le fluide R410a, dont un à puissance variable (contrôle digital) ;
- deux ventilateurs ;
- deux batteries réversibles en V ;
- 4 échangeurs à plaques réversibles à double circuit (dont deux pour le circuit optionnel de récupération).
Ces modules P, en fonction de leur utilisation, peuvent encore comprendre un ballon tampon, un vase d'expansion, un circulateur, des vannes frigorifiques et hydrauliques,. Les composants auxiliaires sont alimentés par le réseau électrique externe. Les compresseurs sont alimentés soit par l'énergie électrique générée par le module, soit par le réseau électrique externe.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système (1 ) permettant la production simultanée d'eau très chaude à température T2 , d'eau chaude (14) à température T1 et/ou d'eau froide (13) à température T3, et d'électricité (20), et éventuellement également la production de fluide frigorigène à température d'évaporation T4, et/ou la production de fluide frigorigène à température d'évaporation T5, et ledit système comprenant au moins un ensemble générateur de courant qui comprend soit un moteur à combustion (2) relié à un alternateur (18) soit une pile à combustible (22), chacun des générateurs de courant comportant également un échangeur de chaleur (8) produisant de l'eau très chaude à température T2, et ledit système (1 ) ou ensemble générateur de courant comprenant, optionnellement, un ou plusieurs autres générateurs de courant, sélectionnés dans le groupe constitué par un moteur à combustion (2) relié à un alternateur (18), une pile à combustible (22), un panneau solaire photovoltaïque (23), ou une éolienne , et ledit système (1 ) comprenant également au moins une pompe à chaleur (3),ou un ensemble de réfrigération et éventuellement un accumulateur électrique (19), ladite pompe à chaleur ou ledit ensemble de réfrigération étant (i) soit du type à compression de vapeur et comprenant alors au moins un compresseur (17) de fluide frigorigène, un premier échangeur de chaleur (11 ,66) situé à l'aspiration du compresseur (17) lorsque le système (1 ) est en mode climatisation, un détendeur (10), et un second échangeur de chaleur (12) placé au refoulement du compresseur (17) lorsque le système (1 ) est en mode climatisation, et éventuellement un troisième échangeur de chaleur (15) situé au refoulement du compresseur (17) lorsque le système (1) est en mode climatisation et utilisé pour le chauffage de l'eau chaude (14), (ii) soit du type à absorption et comprenant alors un absorbeur (28), une pompe de circulation (30), un générateur de vapeur (29), un premier échangeur de chaleur (31 ) situé à l'entrée dudit absorbeur (28), un détendeur (32) et un second échangeur de chaleur (33) situé à la sortie dudit générateur de vapeur (29),
Ledit système (1 ) étant caractérisé en ce que
(a) le compresseur (17) ou la pompe de circulation (30) est entraîné par un moteur électrique, qui peut être alimenté par un desdits générateurs de courant, et en ce que (b) ledit système (1 ) comprend au moins un module Pc1Pa dit « module pompe à chaleur » (36,37) ou au moins un module Pr dit « module de réfrigération » (36A) ou au moins un module Pm (36B) dit « mixte : pompe à chaleur et réfrigération» comprenant,
(b1) s'il s'agit d'un module pompe à chaleur par compression Pc (36), chacun au moins un ensemble pompe à chaleur comprenant au moins un compresseur (17) de fluide frigorigène, ledit premier échangeur de chaleur (11 ), ledit détendeur (10), ledit second échangeur de chaleur (12), et éventuellement ledit troisième échangeur de chaleur (15) ;
(b2) s'il s'agit d'un module pompe à chaleur par absorption Pa (37), chacun un absorbeur (28), ladite pompe de circulation (30), ledit générateur de vapeur (29), ledit premier échangeur de chaleur (31 ), ledit détendeur (32) et ledit second échangeur de chaleur (33) ;
(b3) s'il s'agit d'un module réfrigération Pr (36A), chacun au moins un ensemble de réfrigération comprenant au moins un compresseur (17) de fluide frigorigène, ledit détendeur (10), ledit second échangeur de chaleur (12), et éventuellement ledit troisième échangeur de chaleur (15), ainsi que des conduits de fluide frigorigène (16a, 16b) destinés à être connectés à un échangeur de fluide frigorigène air/eau (66) externe au module Pr (36A);
(b4) s'il s'agit d'un module mixte Pm (36B), deux ensembles l'un du type pompe à chaleur et l'autre du type réfrigération, où
- l'ensemble du type pompe à chaleur comprend au moins un compresseur (17) de fluide frigorigène, ledit premier échangeur de chaleur (11 ), ledit détendeur (10), ledit second échangeur de chaleur (12), et éventuellement ledit troisième échangeur de chaleur (15), et
- l'ensemble du type réfrigération comprend au moins un compresseur (17) de fluide frigorigène, ledit détendeur (10), ledit second échangeur de chaleur (12), et éventuellement ledit troisième échangeur de chaleur (15) ainsi que des conduits de fluide frigorigène (16a, 16b) destinés à être connectés à un échangeur de fluide frigorigène air/eau (66) externe au module Pm (36) et en ce que ledit ensemble générateur est compris à l'intérieur d'un module générateur (G), lesdits modules (G1Pc1 Pa, Pr, Pm) étant chacun muni d'un châssis et d'un ensemble formant interface de montage réalisés de manière à ce que lesdits modules (G1Pc, Pa, Pr, Pm) puissent s'assembler entre eux, l'un à la suite de l'autre, et former un ensemble unitaire.
2. Système selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit ensemble formant interface de montage comprend : une interface mécanique, une interface électrique et une interface fluidique.
3. Système (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est conçu de manière à pouvoir être alimenté par un réseau électrique externe pour couvrir, en partie ou en totalité, ses besoins en énergie électrique, et de manière à pouvoir envoyer vers ledit réseau électrique externe au moins une partie de l'énergie électrique produite par ledit système (1 ).
4. Système (1 ) selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel chacun desdits modules générateur de courant (38), pompe à chaleur (36,37), module de réfrigération
(36A) ou module mixte (36B) est réalisé sous la forme d'un châssis formant un logement ouvert sur les côtés de manière à ce qu'il puisse être traversé par les collecteurs de fluide et les câbles électriques.
5. Système (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le module de pompe à chaleur par compression Pc (36) comprend un châssis (44), ledit châssis étant traversé par des tuyaux collecteurs (39a - 39f), et par des câbles électriques de puissance (41) et de régulation (42), et en ce que ledit châssis renferme :
- au moins un compresseur (47),
- au moins une batterie réversible en V (12),
- au moins un ventilateur (21),
- au moins un échangeur à plaques (11 )
- des composants auxiliaires d'une installation de réfrigération, tels une vanne à quatre voies (46) et/ou des vannes deux voies frigorifiques
6. Système (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le module de pompe à chaleur par absorption Pa (37) comprend un châssis (44), ledit châssis étant traversé par des tuyaux collecteurs (39a - 39f), par un tuyau d'arrivée de combustible (40) et par des câbles électriques de puissance (41 ) et de régulation (42) et en ce qu'il comprend :
- un échangeur fluide frigorigène/air (54),
- un générateur (52),
- un absorbeur (51 ),
- un échangeur à plaques fluide frigorigène/eau (53),
et des composants auxiliaires d'une pompe à chaleur à absorption, tels : une pompe, des détendeurs.
7. Système (1) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le module générateur de courant G (38) comprend un châssis (64), ledit châssis (64) étant traversé par un tuyau d'arrivée de combustible (40) et par des câbles de puissance (41 ) et de régulation (42), ainsi que par des collecteurs d'entrée et de sortie client (39a, 39b 39d, 39e), ledit châssis renfermant :
au moins un générateur de courant de type moteur à combustion (2) relié à son alternateur (56) ou une pile à combustible et son onduleur (57),
un échangeur pour l'échange de chaleur entre le ou les générateurs de courant et l'eau très chaude (59),
- une armoire de puissance et de régulation globale (60) du système ; et
- des câblages de puissance pour l'arrivée ou l'envoi du courant en direction du réseau ou d'autres sources (61 ,62,63, 63').
8. Système (1) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de modules de pompe à chaleur (36,37) et de modules de réfrigération (36A), dont au moins un module de pompe à chaleur à compression Pc (36) et au moins un module de réfrigération (36B) et/ou au moins un module de pompe à chaleur à absorption Pa (37).
9. Système (1) selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque module de pompe à chaleur (36,37) ou de réfrigération (36A) comprend deux ensembles de pompe à chaleur (36D) ou de réfrigération (36E).
10. Système (1) selon l'une des revendication 1 à 9, comprenant un module générateur de courant comportant un ou deux moteurs à combustion (2), et au moins un module de pompe à chaleur du type à compression de vapeur (36) et/ou au moins un module de réfrigération (36A).
11. Système (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que son fonctionnement est contrôlé par au moins une machine informatique comportant au moins un microprocesseur et au moins une interface d'entrée de données.
12. Utilisation du système (1) selon l'une des revendications 1 à 11 dans des installations de balnéothérapie, thalassothérapie, dans des logements collectifs, pour le chauffage de piscines, dans des hôpitaux ou des maisons médicalisées, dans des hôtels ou résidences de tourisme, dans les serres agricoles, ou dans des procédés ou installations industriels nécessitant le chauffage et le refroidissement simultané d'eau, utilisée à des points différents dudit procédé ou de ladite installation, ou des installations nécessitant un système de réfrigération moyenne ou basse température telle que les supermarchés, les chambres froides ou autres.
13. Utilisation selon la revendication 12 dans laquelle : a) T3 < T1 ; et
b) T3 est comprise entre -8 et +15 0C, dans le cas où le fluide frigorigène est de l'eau additionnée de glycol, ou, dans le cas où le fluide frigorigène est de l'eau, elle est comprise entre et 4 et 15°C, et de préférence comprise entre 5 et 9°C b) T4 est compris entre -15°C et + 5°C et de préférence entre -10 et -5 0C c) T5 est compris entre -45°C et -250C et de préférence entre -35 et -30 0C
14. Utilisation selon l'une des revendications 12 ou 13, dans laquelle :
a) T1 est compris entre 200C et 6O0C, de préférence entre 3O0C et 6O0C, et b) T2 est compris entre 4O0C et 75°C, de préférence entre 55°C et 75°C, et c) T2 > T1.
15. Procédé de régulation d'un système modulaire selon la revendication 11 dans lequel :
5 (a) On entre au moins une donnée dite « donnée de base » sélectionnée dans le groupe formé par :
- (da1 ) le coût unitaire du combustible de chaque moteur à combustion (2), pile à combustible (22) et pompe à chaleur à absorption utilisé dans le système 1 ;
- (da2) le contenu énergétique de chaque combustible ;
0 - (da3) l'impact CO2 de chaque combustible par unité de masse ;
- (da4) le rendement énergétique de chaque moteur à combustion (2) en fonction de sa charge et de sa vitesse de rotation, ce qui permet de déterminer la quantité de CO2 rejetée par unité de puissance mécanique produite par ce moteur à combustion (2) ;
5 - (da5) la puissance nominale à pleine charge de chaque moteur à combustion
(2) en fonction de sa vitesse de rotation ;
(da6) le pourcentage de puissance thermique récupérée sur le circuit de refroidissement du moteur à combustion (2) et le pourcentage de puissance thermique récupéré sur les gaz d'échappement et/ou la quantité de CO2 rejetée O par unité de puissance thermique produite par le moteur à combustion (2),
(da7) le coût unitaire de l'énergie électrique fournie par le réseau externe ;
- (da8) la durée de vie de chaque générateur en fonction de sa charge ;
- (da9) le coût de maintenance de chaque générateur en fonction du nombre d'heures de fonctionnement ;
5 - (da 10) le coût de démontage et de remplacement de chaque générateur ;
- (da11 ) la durée de vie, le coût de maintenance, le coût de démontage et de remplacement de chaque type de pompe à chaleur ;
- (da12) le rendement de l'alternateur en fonction de la puissance électrique qu'il fournit, ce qui permet de déterminer la puissance mécanique demandée au0 moteur à combustion (2) pour une puissance électrique fournie ;
- (da13) le rendement de la pile à combustible (22) en fonction de sa charge ;
- (da14) le rendement de l'onduleur de la pile à combustible (22) ou des panneaux solaires photovoltaïques (23) lorsqu'ils existent ; - (da15) la consommation électrique et le débit de fluide de la pompe de circulation des capteurs solaires ;
- (da16) le prix de vente unitaire de l'énergie électrique fournie au réseau externe ;
(b) on entre au moins une donnée dite « donnée instantanée » sélectionnée dans le groupe formé par :
- (db1) la puissance électrique instantanée produite par chaque générateur de courant présent ;
- (db2) le régime de rotation de chaque moteur à combustion (2) ;
- (db3) la consommation instantanée en combustible du système (1 ) ;
(db4) la température du fluide récupérant l'énergie thermique du moteur a combustion (2) ;;
- (db5) la puissance électrique instantanée consommée par le système (1 ) auprès du réseau, obtenue par une mesure directe ;
- (db6) la puissance instantanée fournie au réseau par le système (1 ), obtenue par une mesure directe ;
(db7) le courant, la tension ou la puissance électrique instantanée produite par le panneau solaire photovoltaïque (23) (si ce panneau est présent) ;
- (dbδ) la température T1 instantanée ;
- (db9) la température T2 instantanée ;
- (db10) la température T3 instantanée ;
(db11 ) la température T4 instantanée
- (db12 ) la température T5 instantanée
(db13) la température de l'air ambiant ;
- (db14) le nombre d'heures de fonctionnement de chaque générateur de courant électrique (principalement moteur à combustion 2 et pile à combustible 22) ; (db15) le nombre d'heures de fonctionnement de chaque circuit de pompe à chaleur de l'installation (type à compression de vapeur ou à absorption).
(c) on définit au moins une donnée dite « donnée cible » à laquelle est affectée une valeur dite « valeur cible », ladite donnée cible étant sélectionnée dans le groupe formé par :
(dd ) la température T1 et son évolution en fonction notamment de la température extérieure ;
- (dc2) la température T2 et son évolution en fonction notamment de la température extérieure ; - (dc3) la température T3 et son évolution en fonction notamment de la température extérieure ;
- (dc4) la température T4 et son évolution en fonction notamment de la température souhaitée dans l'enceinte réfrigérée
- (dc5) la température T5 et son évolution en fonction notamment de la température souhaitée dans l'enceinte réfrigérée
- (dc6) le COP global comme étant le COP global maximal pour le système (1 ) ou l'impact global minimal CO2 du système (1 ) ;
- (dc7) le coût énergétique comme étant le coût énergétique minimal du système (1 ) ;
(dcδ) le coût de fonctionnement total comme étant le coût de fonctionnement total minimal du système (1 ).
(d) on régule à l'aide de ladite machine informatique le système (1) de manière à atteindre, pour chacune des données cibles sélectionnées, la ou les valeurs cibles déterminées, ladite régulation étant effectuée en comparant la valeur actuelle de la donnée cible sélectionnée, qui est déterminée de temps en temps ou de manière régulière ou de manière continue, en prenant en compte la ou les données de base sélectionnées ainsi que la ou les donnée(s) instantanée(s) sélectionnée(s), et en ajustant au moins une donnée dite « donnée d'ajustement » sélectionnée dans le groupe formé par
- (dd1 ) le type, le nombre de générateurs de courant en fonctionnement, et la puissance fournie électrique par chacun desdits générateurs ;
(dd2) l'affectation des puissances électriques fournies par le ou les générateurs respectivement à l'installation et au réseau externe au système (1) ;
- (dd3) le type et le nombre de pompes à chaleur en fonctionnement ;
- (dd4) dans le cas des pompes à chaleur par compression de vapeur, le réglage de débit volumétrique (exprimé en pourcent) imposé par la régulation aux compresseurs pour optimiser le système (1 ).
de manière à approcher, pour chaque donnée cible sélectionnée, sa valeur actuelle à la valeur cible.
16. Procédé de régulation selon la revendication 15, caractérisé en ce que lesdites données de base sont entrées dans le microprocesseur soit lors de sa programmation initiale, soit lors de la mise en route du système (1), soit encore par l'utilisateur dudit système (1) au cours du temps pendant l'utilisation du système (1).
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