EP2567160B1 - Procede et systeme de controle d'une pompe a chaleur a modules thermoelectriques - Google Patents

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EP2567160B1
EP2567160B1 EP11723546.5A EP11723546A EP2567160B1 EP 2567160 B1 EP2567160 B1 EP 2567160B1 EP 11723546 A EP11723546 A EP 11723546A EP 2567160 B1 EP2567160 B1 EP 2567160B1
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EP
European Patent Office
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thermoelectric
exchanger
units
heat pump
unit
Prior art date
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EP11723546.5A
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German (de)
English (en)
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EP2567160A1 (fr
Inventor
Benjamin David
Julien Ramousse
Mehdi Ait Ameur
Lingai Luo
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.)
Acome SCOP
Original Assignee
Acome SCOP
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2567160A1 publication Critical patent/EP2567160A1/fr
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Publication of EP2567160B1 publication Critical patent/EP2567160B1/fr
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B21/02—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effect; using Nernst-Ettinghausen effect
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2321/00—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B2321/02—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effects; using Nernst-Ettinghausen effects
    • F25B2321/021—Control thereof

Definitions

  • the present invention relates to heating or cooling installations, and relates to a control system of a thermoelectric type heat pump, that is to say comprising thermoelectric modules also called Peltier effect cells (CEP).
  • thermoelectric type heat pump that is to say comprising thermoelectric modules also called Peltier effect cells (CEP).
  • CEP Peltier effect cells
  • the CEP each typically have two faces, one of which is of a first type called “cold” and the other of a second type called “hot", a heat transfer can be exerted from one side to the other depending on the direction of an electric current injected into the cell.
  • Thermoelectric heat pumps can be advantageously reversible. It is indeed possible to switch from a heating mode operation, in which the thermoelectric units take heat from one of the circuits (source side, in this case on the cold side) to transfer them to the other circuits ( useful side, in this case in the hot face), to a cooling mode operation, in which the thermoelectric units are fed with a reverse electric current, so as to take the calories in the opposite direction to that of the heating mode (in this case , the source side is connected to the hot side and the useful side to the cold side), for example to cool a living room in summer by evacuating outward heat.
  • a heating mode operation in which the thermoelectric units take heat from one of the circuits (source side, in this case on the cold side) to transfer them to the other circuits ( useful side, in this case in the hot face)
  • a cooling mode operation in which the thermoelectric units are fed with a reverse electric current, so as to take the calories in the opposite direction to that of the heating mode (in this case , the
  • thermoelectric heat pumps A disadvantage of thermoelectric heat pumps is that the real coefficient of performance (COP) of the thermoelectric modules degrades significantly when the operating conditions change and especially when the difference Fluid temperatures flowing in both circuits increase. Also, it is not envisaged this day to reach a COP higher than 4, contrary to the last traditional heat pumps which meet a great commercial success. As a reminder, these traditional heat pumps use a closed circuit in which a refrigerant such as a hydrofluorocarbon undergoes a compression / expansion cycle between a condenser and an evaporator.
  • a refrigerant such as a hydrofluorocarbon undergoes a compression / expansion cycle between a condenser and an evaporator.
  • thermoelectric heat pump it is known, by the document JP2001330339 A , to use in a refrigeration system an electrical switch control circuit to configure the connection of the thermoelectric modules, so as to vary the supply voltage of the modules.
  • the exchanger device can be modular and configured according to the power requirements for the improvement of the COP.
  • this system for cold production is not usable for home heating applications that generally require a heat input power of a few kilowatts to 25 kW.
  • DE102007053381B3 to use a control system of a thermoelectric heat pump comprising two heat exchange circuits.
  • thermoelectric module improves the operation of a heat pump by optimally feeding the thermoelectric modules.
  • the actual coefficient of performance (COP) is then maintained at a high level.
  • This system has a power supply unit with several switching configurations, whereby the management of the power supply configurations allows the thermoelectric modules to operate closer to the ideal operating point, with the obtaining of a Overall COP of the heat pump higher.
  • the heat pump equipped with such a control system has a large number of power modes.
  • the figure 1 of the patent application FR 09 59196 thus describes a system controlling four thermoelectric units hydraulically connected in parallel.
  • thermoelectric heat pump
  • thermoelectric heat pump control system which optimally utilizes thermoelectric modules.
  • the heat pump has thermoelectric units whose configuration (usually in parallel between two circuits) is modifiable as needed and allows the use of a cascade configuration to optimize the performance of the heat pump.
  • Configuration of the configurations is advantageously obtained using a plurality of valves and an automation unit. It is therefore permissible to adjust, typically using analytical modeling that covers a wide range of heat transfer requirements, the operating mode of the heat pump with increased accuracy. Indeed, if a modeling makes it possible to precisely determine the optimal intensity to be supplied to a thermoelectric unit for any operating condition, it is very advantageous to be able to configure thermoelectric units in cascade in order to maintain an optimal COP for given temperature conditions. This is particularly the case when there is a lower power demand than the optimal power generated by a single unit.
  • valves can be used to switch between a cascaded configuration and a parallel configuration and / or to disconnect the power supply of the cascaded units, knowing that to meet a high power requirement a parallel parallel connection is required. at least a portion of the thermoelectric units is necessary to maintain an optimal COP.
  • the second exchanger of the input unit is connected to a first exchanger separate from the first exchanger of the input unit and, in the same way, the first exchanger of the unit. output is connected to a second separate exchanger of the second exchanger of the output unit.
  • the fluid leaving the second exchanger of the input unit must necessarily then flow into the first exchanger of another unit cascaded with the input unit, before returning to the second exchanger. This produces at least one closed loop which is isolated from the nipples of the first and second circuits.
  • the cascading configuration can use a large number of identical units, which provides a wider range of operation.
  • the thermoelectric units each have 10 CEPs
  • a cascade association of five of these units with a feed stream selected to optimize the COP may correspond to the equivalent input of two CEPs
  • similar cascading association of ten units may correspond to the equivalent contribution of a CEP.
  • the advantage of using identical thermoelectric units is the modularity of the system and the possibility of assembling these thermoelectric units more easily in a support and fluid connection structure of the heat pump.
  • control device is furthermore adapted to parameterize a configuration in parallel in which the first exchangers of the plurality of thermoelectric units of the first group and / or of at least one thermoelectric unit of the same nature as the thermoelectric units of the first group and which may belong to a second group, are connected to the first circuit and the second exchangers of the same units thermoelectric devices are connected to the second circuit, whereby first exchangers can be connected to the first circuit in parallel and second exchangers can be connected to the second circuit in parallel.
  • thermoelectric units and the associated supply units can be further increased by such selective operation as required.
  • the present invention also aims to provide a thermoelectric heat pump with several thermoelectric units whose operation can be managed closer to the real needs in heat transfer.
  • Such a heat pump can be in the form of a device connecting to the urban electrical network and can be directly installed in a building by connecting to an existing central heating system or nine forming the first circuit, such as a floor heating system, and a heat exchange system with the external environment forming the second circuit.
  • the exchange system with the outside can be inter alia network type or tank buried in the ground, or exchange system with air or a body of water.
  • thermoelectric units that can be associated in many configurations (cascade, parallel and mixed associations) depending on the power demand, thanks to a fluid circulation network (for example water) equipped with valves controlled centrally.
  • the controller is adapted to parameterize a number of thermoelectric units cascaded together from 0 to N, where N is an integer greater than or equal to two, and greater than or equal to four in preferred embodiments.
  • the design of the heat pump can be simplified by integrating a large number of thermoelectric modules, for example greater than or equal to two, into each of the heat transfer units.
  • thermoelectric units for example less than 15 and preferably less than or equal to twelve
  • CEPs per unit eg greater than or equal to 4
  • the modularity is particularly advantageous when it is necessary to provide a contribution or a low power supplement (maintaining optimal operation). In In effect, it is sufficient to cascade several of the thermoelectric units of the heat pump to provide the required input or supplement.
  • Another object of the present invention is to propose a method of controlling a thermoelectric heat pump making it possible to adapt the level of electrical consumption to the actual needs for heat transfer.
  • the power supply of the thermoelectric units of the first group is further controlled and a heat transfer fluid is circulated in identical or symmetrical conduits of the first and second exchangers of each electrically powered thermoelectric unit, so as to maintain a difference in substantially constant temperature between the faces of the thermoelectric modules of said first group.
  • thermoelectric units are activated differently depending on the power demand.
  • the exchangers can each have a single input and a single output and it is understood that at least one pair of valves is associated with each exchanger can be connected to another exchanger.
  • the communication with the main circuits is cut off thanks to the two pairs of associated valves, and the two valves formed in the two direct connection pipes are thus opened. the respective inputs and outputs of the two exchangers.
  • solenoid valves or similar valves connected to an automation unit no human intervention is necessary when moving from one configuration to another.
  • the heat transfer between two exchangers of an electrically unpowered thermoelectric unit is reduced at least in a heating mode of the reversible thermoelectric heat pump.
  • This lowering can be obtained by stopping a circulation of the coolant at one or more of the thermoelectric units, for example those which are not electrically powered. In the heating mode of the heat pump, this minimizes the adverse heat loss by entropy. Indeed, heat is diffused from the fluid flowing in the thermoelectric units not electrically powered to the ambient environment.
  • an actuator may be provided to lower the thermal conductivity of the interface between the coolant and the exchange surface, the actuator for example to separate or bring closer the heat exchange zones of the thermoelectric modules.
  • thermoelectric modules 3 for heat transfer.
  • the control system 2 has a power supply unit 10, corresponding here to a modular system with multiple DC outputs, connected for example to a source of alternating current typically 230V. Several modular systems with multiple DC outputs can also be used.
  • the thermoelectric modules 3 are arranged in groups of six in respective thermoelectric units 41, 44, 45, 46 which define a heat exchanger system 4 of the heat pump. Of course, the number of thermoelectric modules 3 is not fixed and can be variable, for example and not limited to between two and ten per thermoelectric unit 41, 44, 45, 46.
  • the heat pump equipped with control 2 shown in the figure 1 is reversible thanks to the possibility of reversing the supply current for all or part of the thermoelectric units 41, 44, 45, 46.
  • each of the thermoelectric units 41, 42, 43, 44, 45, 46 comprises a first exchanger 41a, 42a, 43a, 44a, 45a, 46a connectable to a first circuit C1 for heat exchange, as well as a second exchanger 41b, 42b, 43b, 44b, 45b, 46b can be connected to a second circuit C2 heat exchange.
  • One or more thermoelectric modules 3 make it possible to transfer heat between the two exchangers.
  • one or more thermoelectric units may be arranged in an intermediate position between a so-called input unit 41 and an output unit 44, without necessarily being connected to the circuits C1 and C2.
  • thermoelectric units 42 and 43 could only operate in a cascade configuration between the input unit 41 and the output unit 44, the valves V5-V8 and V11-V14 and the connection lines to the respective N1-N4 nipples being in this case suppressed.
  • a closed loop fluid circulation is allowed by a pair of intermediate pipes connecting the first exchanger 44a of the output unit at the first exchanger 41b of the input unit 41.
  • the calories of a fluid coolant are taken from the first circuit C1 ( figure 2 ) to which the first exchanger 41a of the input unit 41 is connected and the useful zone is heated using the second circuit C2 ( figure 2 ) to which is connected the second exchanger 44b of the output unit 44.
  • the control system 2 may more generally comprise a plurality of valves V1-V20, as can be seen on the figure 2 .
  • a device of the control system 2 controls these valves V1-V20 to set the fluid supply configuration of the exchanger system 4.
  • the control system 2 makes it possible to manage the power supply supplied at the respective outputs S1 and S2 to optimize the cascade operation of the thermoelectric units 41 and 44.
  • Each of the outputs S1 and S2 of the power supply unit 10 may be associated with a rectified low-voltage supply circuit.
  • the power supply unit 10 thus delivers a rectified current in full alternation with an optimized power.
  • the frequency obtained may be of the order of 100 Hz for example.
  • the voltage may be higher.
  • the thermoelectric units 45, 46 may optionally form a second group whose mode of operation is different from the units 41-44 of the first group. It is understood that the thermoelectric units 45, 46 may be part of a conventional system which would be associated with the group of thermoelectric units 41-44 can operate in cascade.
  • thermoelectric units 41, 42, 43, 44 of the first group may be greater than two and it is understood that the manner of supplying the additional units 42 and 43 may be identical or similar to the power supply illustrated in FIG. figure 1 for thermoelectric units 41 and 44. More generally, it is thus possible to widen the range of operating points that can be obtained without using too many thermoelectric units 41, 42, 43, 44, 45, 46.
  • the heat pump uses at least one circulation of a coolant such as water.
  • a coolant such as water.
  • Each of the thermoelectric units 41, 44, 45, 46 comprises a first exchanger 41a, 44a, 45a, 46a and a second exchanger 41b, 44b, 45b, 46b located opposite the first.
  • the respective heat transfer fluids circulate in channels to provide heat exchange with the planar outer face of the corresponding exchanger 45a, 45b.
  • the first exchanger 45a has a fluid inlet E1 located on the right side of the thermoelectric unit 45 and an oppositely arranged output O1.
  • the second exchanger 45b has a fluid inlet E2 on the left side and an opposite outlet 02.
  • thermoelectric modules 3 when electrically powered, allow a heat transfer between the two exchangers 45a, 45b in a direction that is dictated by the power supply direction of the current.
  • a motor valve v1 stops the flow of the first fluid in the first exchanger 45a and a motor valve v2 stops the circulation of the second fluid in the second exchanger 45b.
  • the figure 6 illustrates thus the use of motor-valves v1, v2 each adapted to selectively cut the circulation of coolant in circuit portions of a thermoelectric unit 45.
  • the motor gates v1, v2 are each adapted to close the fluid communication with the exchanger 45a, 45b. It is understood that the circulation of the first and second fluids can, however, continue through other parts of a circuit. This can be achieved for example by using motor-valves v1, v2 which interrupt or short-circuit only a sinuous circulation in the exchanger 45a, 45b, while a longitudinal or external circulation to the exchanger 45a, 45b is permitted.
  • thermoelectric unit 45 refers to the example of the thermoelectric unit 45
  • thermoelectric unit 46 shown on the figure 1 can be equipped in a similar way with at least one valve motor.
  • the other units may have valves V1-V6, V7-V12 and V13-V18 also to interrupt or short circuit the sinuous circulation in the corresponding exchangers.
  • the advantage of short circuit circuits formed at the level of thermoelectric units 41, 42, 43, 44, 45, 46 is to satisfy more closely the specific needs parameterized for the heat pump, with an optimization of the coefficient of performance (COP), especially when in a dwelling or similar room equipped with the heat pump, heat transfer needs vary from place to place.
  • COP coefficient of performance
  • the motor gates v1, v2 are closed in particular when there is no particular need for heat transfer by the circuit C1 or C2 of corresponding heat exchange. Closing the motor-valves v1, v2 is advantageous in the heating mode of the heat pump, in order to avoid thermal coupling between the faces of the thermoelectric modules 3 that are not powered, and therefore heat exchanges in the opposite direction to those desired. These entropy losses of the exchanger system 4 can thus be avoided.
  • the heat pump can be equipped with any means apparatus for varying, at one or more of the thermoelectric units 41, 42, 43, 44, 45, 46, a heat transfer coefficient between the two heat exchangers.
  • a device provided with the motor-valves v1, v2 or arranged differently thus makes it possible to modify the heat exchange conditions.
  • the entropic effect is favorable since one seeks to evacuate heat from the ambient environment. Therefore, it is possible to use a thermal coupling / decoupling device configured to stop the heat-dissipating hydraulic circulation and / or locally increase the thermal resistance by other known means, in the heating mode, and to circulate the heat transfer fluid. and / or locally lowering the thermal resistance by any other known means, in the cooling mode.
  • the heat pump may be particularly suitable for low temperature heating and cooling applications for the home.
  • the heat pump may be in the form of a housing or apparatus with a front panel control panel (not shown).
  • a control interface 6 and the exchanger system 4 are for example arranged in the housing.
  • the heat pump is typically intended for heating residential or professional premises, but also to cool these premises through the use of thermoelectric modules 3.
  • the thermoelectric heat pump is therefore preferably reversible.
  • Several rooms of a living space can be heated, respectively refreshed, using heat exchange loops connected to the housing.
  • the living quarters in question are typically single-family dwellings ranging from a few-room apartment to a single-family house.
  • the power is typically provided between three and thirty kilowatts of maximum heating power, without the latter value is an upper limit.
  • thermoelectric module 3 The circulation of heat transfer fluid (s) is carried out through pipes in thermal contact with the faces of the same type of thermoelectric modules 3 of the same type. It is understood that the heat transfer between the two circuits C1, C2 can be achieved using any suitable heat transfer circuit configuration. Whatever the configuration adopted, the face of the thermoelectric module 3 which pumps heat is typically at a temperature colder than the face which evacuates heat. A set temperature can be entered via a programming module or comparable device of the heat pump, which module is for example connected to the control interface 6 and is part of the control device. The temperature of the face of the thermoelectric module 3 which pumps the The heat and the set temperature form a couple of parameters that determine how to obtain a maximum coefficient of performance (COP).
  • COP maximum coefficient of performance
  • the supply current is preferably a full alternating rectified alternating current.
  • the optimum DC voltage is multiplied by a correction coefficient to determine the amplitude of the corresponding AC voltage. For example, for a sinusoidal alternating current, the optimal DC voltage is multiplied by a coefficient equal to ⁇ 2.
  • the thermal heating requirement is used here as a reference to determine the number of PECs or thermoelectric modules 3 required in the heat pump because this need is greater than that of the cooling thermal requirement, which would result in a smaller and therefore insufficient number of PELs. for heating.
  • thermoelectric units 41, 44, 45, 46 of the heat pump With reference to the figure 1 , there is shown a control diagram of the thermoelectric units 41, 44, 45, 46 of the heat pump.
  • the control system 2 comprises a connection 7 to an electric power source 8 and a power supply unit 10 adapted to supply said thermoelectric units 41, 44, 45, 46 from the electric power source 8.
  • the electric power source 8 provides an AC power supply.
  • the current source can then be the urban network (at 230 V as is the case in many European countries in particular).
  • Several protection fuses F are provided in the power supply unit 10.
  • the number of thermoelectric modules 3 represented is twenty-four in the example illustrated in FIG. figure 1 but this number can of course be different, for example higher to meet the heating power requirements.
  • the control system 2 can select a heating mode from among a plurality of heating modes.
  • the selection of the operating mode involves an adjustment of the fluid supply configuration of the thermoelectric units 41, 44, 45, 46.
  • This setting enables the range of heating modes capable of covering the variety of thermal needs in a dwelling or similar room, these modes being able to be distinguished with respect to each other by a different number of active thermoelectric modules 3 and / or at a supply voltage U1, U2, U3, U4 across the terminals of the thermoelectric units 41, 44, 45, 46.
  • thermoelectric units 41, 44, 45, 46 makes it possible to produce any useful thermal power greater than the optimal power supplied by a single thermoelectric unit while maintaining the same performances, for a torque "fluid temperature useful / temperature of the source fluid "given.
  • this temperature difference that governs the COP of the module 3.
  • thermoelectric modules 3 of different units that operate at the same intensity and provide the same useful heat flow.
  • the optimal number of modules 3 to be associated then corresponds to the ratio between the desired useful heat flow and the optimal heat flow generated by a single thermal module 3 for the given operating conditions.
  • thermoelectric modules 3 it is furthermore possible to produce a useful thermal power that is advantageously less than the optimum power supplied by a single thermoelectric unit, by cascading a combination between at least two thermoelectric units 41, 42 , 43, 44 ( figures 1 and 2 ).
  • a useful thermal power that is advantageously less than the optimum power supplied by a single thermoelectric unit, by cascading a combination between at least two thermoelectric units 41, 42 , 43, 44 ( figures 1 and 2 ).
  • thermoelectric modules 3 present in the heat pump.
  • the parallel and / or cascade connection must then be effectively managed: when the power requirement drops, it is then sufficient to electrically disconnect the necessary number of thermoelectric modules 3 to maintain the optimal COP (by cutting the power supply to minus one of the units for example) or to activate a cascade operation of thermoelectric units 41, 42, 43, 44 in which the supply level is adjusted for optimum operation of the corresponding thermoelectric modules 3.
  • control system 2 allows a rigorous management in order to cover the entire range of useful thermal power required by connection-disconnections of the thermoelectric units and cascading, parallel or cascading-parallel association of the units.
  • thermoelectric 41, 42, 43, 44 Once the combination of thermoelectric units 41, 42, 43, 44, 45, 46 parametrized, it remains only to provide an optimal intensity to the thermoelectric modules 3.
  • the power supply unit 10 will now be described in more detail in connection with the figure 1 .
  • the power supply unit 10 has a plurality of output connections S1, S2, S3, S4 for transmitting a supply voltage to each of the thermoelectric units 41, 44, 45, 46.
  • the control device may be provided in association with the control device a switching device or other means for changing the power supply voltages.
  • the control device comprises an ECU electronic control unit connected to the control interface 6 and for example to change the state of the switches of the switching device.
  • the controller and the power supply unit 10 may be formed in respective housings connected to each other.
  • the electronic control unit ECU can be used to change the configuration of the switching device in a heating mode by controlling the state of switches.
  • a non-limiting example of control of a power supply unit 10 with four outputs S1, S2, S3, S4 is disclosed in the patent application FR 09 59196 (the figure 1 of this document shows an embodiment applicable for the unit 10).
  • a rectified alternating low-voltage can be provided in particular to the two thermo-electric units 41, 42.
  • Servo-feedback with at least one appropriate switch or similar voltage control element can be implemented by collecting information representative of a need for heating by the ECU electronic control unit.
  • the information representative of the heating need is for example one or more characteristic temperatures of the two heat exchange circuits and the set temperature.
  • Such a control is for example present for each of the thermoelectric units 41, 44, 45, 46.
  • the output connections S3, S4, and possibly the output connections S1, S2, may each be associated with a current-reversing device.
  • This inverter device can be actuated by the control device.
  • the reversible nature of the power supplied to the thermoelectric units 45, 46 makes it easy to switch from the heating mode to the cooling mode. At least for one of these thermoelectric units 45, 46 with a supply reversal, it is optionally possible to provide a higher heating power. Less power can also be obtained by using only one of the outputs S3, S4 to selectively supply one or the other of the thermoelectric units 45, 46.
  • thermoelectric units 41, 42, 43, 44 For the cascade configuration of the thermoelectric units 41, 42, 43, 44, it is expected that the currents may be different for the units thus associated, so as to maintain a substantially identical temperature difference between the faces of each of the thermoelectric modules 3 component of the system.
  • the voltage across each of the thermoelectric units 41, 42, 43, 44 is therefore different.
  • a device known per se adapted to vary the current using for example a variable electrical resistance
  • a device known per se adapted to vary the current using for example a variable electrical resistance
  • the two tables below is a numerical example showing the gain in COP with a variation of the intensity supplied to thermoelectric units configured in cascade.
  • the intensities are determined according to the analytical model and the input variables which may be the outside temperature of the air (outside the building equipped with the heat pump), the thermal resistance or the insulation coefficient of the building, the set temperature, which determine the thermal power to be supplied.
  • Another input data is the thermal resistance and the emissivity of the floor when the transfer loop or loops are integrated into a floor of the building. This then makes it possible to determine the temperature necessary for the fluid circulating in the useful transfer loops.
  • the model takes into account a "water law” type law to estimate the power required to provide at the level of the exchanger system 4.
  • the water law can take into account the thermal losses of the housing or building to estimate the power to provide that makes it possible to compensate for such thermal losses.
  • the set of configurations is modeled for example in the form of a correspondence table making it possible to connect the power requirement to a configuration and the supply of power supply current (s) and possibly of the circulation flow (s). fluid.
  • a complete mapping of these configurations and possible operating modes, depending on the fluid temperature regime (commonly called the water regime, then taking into account the water temperature pair - useful power) to which we will operate the pump, can be stored in a memory of the control system 2 and can be operated using an algorithm ECU electronic control unit.
  • the best configuration can be determined with, in particular, data representative of the specific currents in the case of a cascade association between at least two thermoelectric units 41, 44, 45, 46. The optimal operation can then be to be activated.
  • the exchangers 41a-41b, 44a-44b, 45a-45b, 46a-46b units 41, 44, 45, 46 are preferably designed to homogenize the temperature on the surface of the thermoelectric modules 3.
  • an exchanger design can be used with two pipes arranged symmetrically with each other with respect to a plane normal to the exchange surface portion of the exchanger which is opposite one or several faces of a thermoelectric module 3. This design is described in Figures 3a-3b of the document WO 2006/070096 . More generally, it is possible to use double-flow heat exchangers making it possible to obtain a substantially homogeneous temperature at the level of the exchange surface with the thermoelectric module or modules 3.
  • the two exchangers 45a, 45b of the same thermoelectric unit 45 as represented in FIG. figure 6 may have a single-flow design with a single input E1 or E2 and a single output O1 or O2, using Tickelman loops of the same geometry in the pair of exchangers 45a-45b.
  • a constant temperature gradient is then obtained for the thermoelectric unit 45 and it is then possible to obtain a homogenization of the differential ⁇ T with such loops when they are designed as cross current.
  • the cross flow design is for example carried out with the input E1 of the first exchanger 45a in correspondence with the output 02 of the second exchanger 45b and the input E2 of the second exchanger 45b corresponding to the output O1 of the first exchanger 45a. It is understood that there is here also a symmetry of the pipes between the exchangers and it is preferable to use pipes which are identical from one exchanger to another.
  • thermocouples 41, 42, 43, 44 that can be configured in cascade and the circulation of the coolant in identical or symmetrical conduits of the first and second exchangers 41a-41b, 42a-42b, 43a-43b, 44a-44b associated, it It is permitted to maintain a substantially constant temperature difference between the faces of the thermoelectric modules 3 of said first group.
  • the power supply for the other thermoelectric units 45 and 46 can of course be adjusted according to the heat transfer requirements.
  • the heat pump can be slaved in a simple and economical way, the control device for regulating the ambient temperature of one or more premises by minimizing the number of CEP and / or the supply voltage of these CEP.
  • the supply voltage u of the CEP is equal to the supply voltage U of said unit divided by 6.
  • thermoelectric units 41, 42, 43, 44 here four in number, which can operate both in a parallel association and a cascading association.
  • the embodiment illustrated in figure 2 allows to respond to a complete modularity of the thermoelectric heat pump.
  • the control device sets the desired number ( 0 to N) of units to be cascaded according to heat transfer requirements.
  • N integer greater than or equal to two and for example greater than or equal to four
  • the control device sets the desired number ( 0 to N) of units to be cascaded according to heat transfer requirements.
  • the part of the exchanger system 4 illustrated is connected to four feeders N1, N2, N3, N4 of which two feeders N1-N2 are part of the first circuit C1 and two other feeders N3-N4 are part of the second circuit C2.
  • the N3 feeder is connected upstream of the zone for useful heat exchange (the side to be heated when the pump is operating in heating mode) and the N4 feeder is connected downstream of this zone.
  • the nurse N2 is connected upstream of the zone for the heat exchange with the source (the side where calories are taken in the heating mode) and the nurse N1 is connected downstream of this zone.
  • the control system 2 comprises pumping members P1, P5 for circulating a heat transfer fluid in each of the two circuits C1, C2.
  • the pumps are typically placed between one of the two nipples and the circuit portion external to the housing or apparatus enclosing the thermoelectric units 41, 42, 43, 44, 45, 46.
  • the pumps may be conventional or may be circulating devices. variable speed.
  • the diagram of the fluidic connections shown in figure 2 shows a pumping member P1 used by the first circuit C1 to circulate the coolant in the zone for heat exchange with the source and then at least in the first exchanger 41a of the input unit 41.
  • An organ P5 pump is similarly used by the second circuit C2 to circulate the coolant at least in the second heat exchanger 44b of the output unit 44 and then convey it into the area for useful heat exchange.
  • Valves V1-V20 which are for example solenoid valves, are here in number greater than or equal to four times the number of thermoelectric units 41, 42, 43, 44.
  • valves V3-V4, V9-V10 and V15-V16 remain in the closed state and only the two main pumps P1, P5 operate.
  • the four N1-N4 feeders are fully open, so as to supply all exchangers directly, via the lines connecting the nipples to the thermoelectric units.
  • this number of pipes is for example 4N.
  • a unit of the exchanger system 4 can easily be isolated since it is sufficient to close the respective valves of the four pipes connecting the exchangers of this unit to the nipples.
  • the valve or valves connecting an exchanger adjacent to the exchanger of the unit that is to be isolated must be closed.
  • unit 44 could be isolated by closing valves V15-V18 and V19.
  • the switching device 20 would be controlled in order not to electrically power the CEP or the CEP of this thermoelectric unit 44.
  • the pump P1 allows the passage into the first exchanger 41a of the input unit 41 of the fluid having taken calories at the source. Only valves V3-V4, V9-V10, V15-V16 and V19-V20 are open. Through the staged heat transfers made between the different units 41, 42, 43, 44, it is the fluid circulated in the outlet loop by the pump P5 which ultimately transmits calories in the exchange part of the side. useful.
  • the pumping members P2, P3 and P4 each make it possible to circulate a coolant in a closed loop that passes through neither the first exchanger 41a of the input unit 41 nor the second exchanger 44b of the output unit 44.
  • the intermediate closed loops are formed by combining a first exchanger 42a, 43a, 44a with a second exchanger 41b, 42b, 43b.
  • thermoelectric units configured in cascade can easily vary, the insulation mechanism of a previously described thermoelectric unit remaining applicable for a selective disconnection of the supply of fluid and electricity of one of the thermoelectric units 41, 42, 43, 44.
  • thermoelectric units 41-42 and 43-44 each using the cascade association.
  • This mixed combination makes it possible to use the pumps P1 and P5 to feed heat exchangers 41a, 42b, 43a, 44b belonging to separate thermoelectric units 41, 42, 43, 44.
  • the valves V7-V8, V11-V12 and V19-V20 are open for this purpose.
  • the rest of the exchangers are supplied with fluid thanks to the pumps P2 and P4 of two intermediate loops which ensure the cascade between the units 41 and 42 and the units 43 and 44.
  • Only the valves V3, V4, V15 and V16 allow the circulation of the fluid to the adjacent exchanger, namely the circulation between the exchanger 41b and 42a and between the exchanger 43b and 44a.
  • the electronic control unit ECU can use different analog inputs, for example provided using first temperature sensors 31 and second temperature sensors 32.
  • the first sensors 31 deliver for example signals representative of characteristic temperatures of the two heat exchange circuits, such as the flow and return temperatures of the coolant in the emitter circuit C1, the temperatures of start and return of the heat transfer fluid in the external circuit C2.
  • the second temperature sensors 32 make it possible to measure the temperature outside the dwelling or similar room equipped with the heat pump, as well as the ambient temperature of the dwelling. More generally, the set of temperature sensors 31, 32 is provided to provide sufficient information for an estimation of the conditions in which the heat transfer is carried out.
  • a CAN converter from the ECU electronic control unit is used to collect the different inputs.
  • the exploitation of the corresponding information can be performed at the electronic control unit ECU of the control device.
  • the temperature setpoint (it may be a desired ambient temperature) indicated by the user is taken into account so as to determine the temperature that should be reached in the heat transfer fluid circuits to meet the user's request.
  • the knowledge of the overall heat resistance of the exchanger and preferably of the temperature and the overall thermal resistance of the habitat can allow a correlation between a set temperature set directly by a user and the actual need for heat transfer.
  • servocontrol of a parameter representative of the heat transfer requirement for example an average water temperature obtained from the temperatures measured by two of the sensors 31, can be implemented by using a corresponding setpoint parameter.
  • This setpoint parameter takes into account the setpoint temperature set by the user.
  • the difference between the reference parameter and the corresponding parameter estimated in real time is calculated by using the measurements of the sensors 31, 32.
  • An algorithm of the ECU electronic control unit is provided. to perform this calculation and perform a correlation, according to said temperature setpoint and the signals delivered by all the first and second temperature sensors 31, 32, between heat transfer requirements and a single optimal operating mode. For this, calculating the deviation from the setpoint parameter allows the room thermostat to deliver the heating or cooling command.
  • the operating mode was thus determined using the algorithm of the electronic control unit ECU to maximize the coefficient of performance of the heat pump.
  • the algorithm typically calculates in this case two parameters such as the heating power and the average temperature of water (or similar heat transfer fluid) of that of the circuits which is heat emitter. This pair of parameters makes it possible, for example by using a correspondence table, to find the number of thermoelectric modules 3 optimal for the need as well as the optimal current for these thermoelectric modules 3. The choice of the power supply mode is then in the configuration that is closest to the optimization parameters thus determined.
  • the algorithm can thus, using the correspondence table, select one of the predetermined operating points of the modules 3, as a function of the setpoint parameter and the signals delivered by the set of temperature sensors 31, 32.
  • a suitable configuration of valves V1-V20 and pumps P1-P5 can be set according to the selected operating point.
  • the number of thermoelectric modules 3 in operation can advantageously evolve dynamically to meet a large number of couples (amount of heat for heating / average water temperature of the transmitter circuit) and (amount of heat for cooling / average temperature of the circuit water transmitter). Since this torque varies as a function of time and the design of the overall system integrating the heat pump, the process of determination by the algorithm of the number of thermoelectric modules 3 in operation must be repeated regularly, with a simultaneous determination of the mode of operation. optimal supply of this determined number of modules 3 which satisfies the real need for the minimum power consumption.
  • thermoelectric modules 3 supplied is directly related to the number of thermoelectric units in operation. Indeed, all the modules 3 of a thermoelectric unit operate in the same way. It is understood in this case that there can be for example half of the modules 3 of the same thermoelectric unit in operation and the other stopped.
  • the electronic control unit ECU shown on the figure 1 may comprise a parameterization module for setting a defined number of predetermined operating modes of the heat pump, so as to define different configurations each, in order to better correspond to a specific need for heat transfer.
  • the operating modes are parameterized by the parameterization module as a function, on the one hand, of a number of thermoelectric modules 3 which are activated, and on the other hand of supply voltages each associated with the thermoelectric modules 3 which are enabled.
  • control device can advantageously configure the means of adjusting the supply voltage of the units and the plurality of valves V1-V20 so as to select a heating mode with a number of thermoelectric modules 3 (by a selective supply of units 41-46) sufficient to meet the transfer requirements of heat, and deliver a supply current just sufficient to optimize the COP.
  • thermoelectric module 3 considered has a maximum COP (cf. figure 5 of the patent application FR 09 59196 , illustrating an example of modeling called "law of water" in the case where the coolant is water).
  • COP maximum COP
  • the graph of the figure 7 thus reflects a mapping of the heat pump that can be advantageously used with the water law which defines the evolution of the fluid temperature torque T / useful power P. It is understood that for any of the points of operation forming the water law, it is possible to determine the optimum configuration of the thermoelectric units 41, 42, 43, 44, 45, 46. It is visible on the figure 7 that the selection of a configuration in the wide range of A1-A12 configurations makes it possible to maintain the performance of the heat pump at a high level (with a high COP) for any useful power requirement.
  • the water law will typically require the A1-A6 configurations to be used only in the case of low requirements, ie for a fluid temperature / useful power pair with low values.
  • a need corresponding to a power P less than that which can be obtained with a single unit (configuration A7) could be optimally satisfied with one of the configurations A1-A6.
  • Such a need corresponds to a power for example less than 120 W and a desired temperature of the useful side not exceeding by more than 10 ° C the temperature of the source side (with a source side temperature typically of the order of 285 K).
  • the power supply unit 10 supplies, from the electric power source 8, the thermoelectric units 41, 42, 43, 44 which have been judiciously associated as described above.
  • the voltage delivered at each of the output connections S1, S2, S3, S4 of the power supply unit 10 is then suitably adjusted, by the means of the unit 10 to change the power supply of each thermoelectric units 41, 42, 43, 44, 45, 46. It is thus possible to obtain the desired power output.
  • a selection step 65 the adjustment means of the supply voltage of the thermoelectric units 41, 42, 43, 44 are controlled as a function of the preceding step 64 (ie in correspondence with the selected operating mode) .
  • the selected power mode makes it possible to select different currents between the thermoelectric units 41, 42, 43, 44 associated in cascade, so that the temperature differential remains constant between the faces. each of the PIUs.
  • the control device is capable of controlling the valves V1-V20 and the pumping members P1-P5. A setpoint temperature change will be taken into account by the device which will immediately adjust the operating mode.
  • thermoelectric units 41, 42, 43, 44 are in operation.
  • the control system 2 may also have a variable speed circulation device that allows for example to lower the flow in operating modes that generate more pressure losses, for example in the case of a circulation in cascade in several thermoelectric units 41, 42, 43, 44. This allows to lower the power consumption of the pumping means.
  • the ECU electronic control unit may include a management algorithm of data representative of the fluid velocity and electrical consumption data of the pumping means for selecting the flow rate in the respective loops.
  • the characteristics related to the convective transfer can thus be evaluated according to the traffic speeds and the management algorithm can then set the most interesting speed to improve the performance of the heat pump. For example, when thermoelectric units are disconnected from the exchanger system 4 (no more fluid supply or power supply), the management algorithm can control a change in fluid circulation speed after a global comparative analysis. performance of the heat pump.
  • One of the advantages of the invention is to optimize the use of the exchanger system 4 in the case in particular where the desired power output is less than the optimal power generated by a single thermoelectric unit.
  • the operator can be provided with a means of optimizing the power consumption of the heat pump while using thermoelectric modules 3 which may be identical (modular system).
  • the optimization is automated to ensure efficient operation of the heat pump.
  • the speed of response and the flexibility of the control system 2 are also advantages of such a heat pump.
  • control system 2 is not limited to the particular examples described in connection with the figures 1 and 2 and can use different types of servo means for controlling a switching device or other means for adjusting the voltage, as a function of signals and / or data representative of one or more setpoint temperatures and one or more temperatures measured.
  • the power supply unit 10 may be in various forms and may have physically separate power supplies and / or be connected to a plurality of power sources. For example, it is possible to use, depending on the operating conditions, at least one current of an urban network and / or the current supplied by additional equipment with photovoltaic cells or converting into electricity an external energy.
  • the thermal coupling / decoupling between the sources supplying the The exchangers of the thermoelectric units 41, 42, 43, 44 can be used in a heat pump only in combination with the selective supply of these thermoelectric units 41, 42, 43, 44.
  • the setting of the voltage delivered by each of the output connections S1, S2, S3, S4 is optional and can be removed.
  • the control device allows a selective setting of the number of thermoelectric modules 3 and activates a suitable configuration of the thermal coupling / decoupling device associated with the thermoelectric units 40, 41, 42, 43, 44.

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Description

  • La présente invention est relative aux installations de chauffage ou de rafraîchissement, et concerne un système de contrôle d'une pompe à chaleur du type thermoélectrique, c'est-à-dire comportant des modules thermoélectriques aussi appelés Cellules à effet Peltier (CEP).
  • Les CEP présentent chacune typiquement deux faces dont l'une est d'un premier type dit « froid » et l'autre d'un second type dit « chaud », un transfert de chaleur pouvant s'exercer d'une face à l'autre en fonction du sens d'un courant électrique injecté dans la cellule.
  • Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un système de contrôle d'une pompe à chaleur thermoélectrique comprenant un premier circuit d'échange de chaleur, un deuxième circuit d'échange de chaleur et une pluralité d'unités thermoélectriques de transfert de chaleur formant un premier groupe et comprenant chacune :
    • un premier échangeur ;
    • un second échangeur ;
    • au moins un module thermoélectrique ou Peltier adapté pour transférer de la chaleur entre les deux échangeurs ;
    le système de contrôle comprenant au moins une unité d'alimentation électrique permettant d'alimenter électriquement chacune des unités thermoélectriques.
  • Les pompes à chaleur thermoélectriques peuvent être avantageusement réversibles. Il est en effet permis de passer d'un fonctionnement en mode chauffage, dans lequel les unités thermoélectriques prélèvent des calories à l'un des circuits (côté source, dans ce cas en face froide) pour les transférer à l'autre des circuits (côté utile, dans ce cas en face chaude), à un fonctionnement en mode rafraîchissement, dans lequel les unités thermoélectriques sont alimentées avec un courant électrique inverse, de façon à prélever les calories dans le sens opposé à celui du mode chauffage (dans ce cas, le côté source est relié à la face chaude et le côté utile à la face froide), par exemple pour rafraîchir un local d'habitation en été en évacuant vers l'extérieur de la chaleur.
  • Un inconvénient des pompes à chaleur thermoélectriques est que le coefficient de performance (COP) réel des modules thermoélectriques se dégrade sensiblement quand les conditions de fonctionnement changent et notamment quand la différence de températures des fluides circulant dans les deux circuits augmente. Aussi, il n'est pas envisagé ce jour d'atteindre un COP supérieur à 4, contrairement aux dernières pompes à chaleur traditionnelles qui rencontrent un grand succès commercial. Pour rappel, ces pompes à chaleur traditionnelles utilisent un circuit fermé dans lequel un fluide frigorigène comme un hydrofluorocarbure subit un cycle de compression/détente entre un condenseur et un évaporateur.
  • Il est connu, par le document JP2001330339 A , d'utiliser dans un système de réfrigération un circuit de contrôle de commutateurs électriques pour configurer la connexion des modules thermoélectriques, de façon à faire varier la tension d'alimentation des modules. Avec un tel contrôle qui permet d'alimenter électriquement des modules thermoélectriques selon plusieurs modes distincts, le dispositif échangeur peut être modulaire et configuré en fonction des besoins en puissance pour l'amélioration du COP. Cependant, ce système destiné à la production de froid n'est pas utilisable pour des applications de chauffage domestique qui exigent généralement une puissance d'apport de chaleur de quelques kilowatts à 25 kW. Il est connu, par le document DE102007053381B3 , d'utiliser un système de contrôle d'une pompe à chaleur thermoélectrique comprenant deux circuits d'échange de chaleur.
  • La société ACOME a proposé dans la demande de brevet FR n°09 59196 un système de contrôle qui permet d'améliorer le fonctionnement d'une pompe à chaleur en alimentant de manière optimale les modules thermoélectriques. Le coefficient de performance (COP) réel est alors maintenu à un haut niveau. Ce système présente une unité d'alimentation électrique avec plusieurs configurations de commutation, ce grâce à quoi la gestion des configurations d'alimentation électrique permet de faire fonctionner les modules thermoélectriques au plus près du point de fonctionnement idéal, avec l'obtention d'un COP global de la pompe à chaleur plus élevé.
  • Pour couvrir une large gamme de puissance, la pompe à chaleur équipée d'un tel système de contrôle présente un nombre important de modes d'alimentation. En particulier en mode chauffage, il est intéressant de pouvoir alimenter avec au moins deux courants différents une même unité thermoélectrique pour disposer d'un nombre élevé de configurations adaptées pour répondre à des besoins différents de puissance, sans pour autant requérir un nombre excessivement élevé d'unités et de branchements pour alimenter en fluide les premiers échangeurs via le premier circuit d'une part, et alimenter en fluide les seconds échangeurs via le deuxième circuit d'autre part. La figure 1 de la demande de brevet FR n° 09 59196 décrit ainsi un système contrôlant quatre unités thermoélectriques connectées hydrauliquement en parallèle.
  • Cependant, il existe encore un besoin, dans le contexte environnemental et énergétique actuel, pour optimiser au maximum la gestion d'une pompe à chaleur thermoélectrique.
  • La présente invention a pour but de proposer un système de contrôle de pompe à chaleur thermoélectrique réversible qui permet d'utiliser de manière optimale des modules thermoélectriques.
  • A cet effet, la présente invention a pour objet un système de contrôle du type précité, caractérisé en ce que la pluralité d'unités thermoélectriques comprend une unité d'entrée dont le premier échangeur est connecté au premier circuit et une unité de sortie dont le second échangeur est connecté au deuxième circuit, le système de contrôle comprenant une pluralité de vannes associées à un dispositif de commande adapté pour paramétrer une configuration en cascade dans laquelle le second échangeur de l'unité d'entrée est connecté à un premier échangeur de ladite pluralité d'unités thermoélectriques, et le premier échangeur de l'unité de sortie est connecté à un second échangeur de ladite pluralité d'unités thermoélectriques, et en ce que le dispositif de commande comprend une unité de contrôle électronique qui comporte :
    • des moyens de paramétrer un nombre défini de points de fonctionnement prédéterminés des modules thermoélectriques de la pompe à chaleur; et
    • un algorithme adapté pour sélectionner un des points de fonctionnement prédéterminés pour les modules thermoélectriques dudit premier groupe et permettant d'activer un transfert de chaleur généré par ladite configuration en cascade en fonction de la sélection du point de fonctionnement.
  • Ainsi, la pompe à chaleur présente des unités thermoélectrique dont la configuration (habituellement en parallèle entre deux circuits) est modifiable en fonction du besoin et permet l'utilisation d'une configuration en cascade pour optimiser les performances de la pompe à chaleur. Le paramétrage des configurations est obtenu avantageusement à l'aide d'une pluralité de vannes et d'une unité d'automatisation. Il est donc permis d'ajuster, typiquement à l'aide d'une modélisation analytique qui couvre une gamme étendue de besoin en transfert de chaleur, le mode de fonctionnement de la pompe à chaleur avec une précision accrue. En effet, si une modélisation permet de déterminer avec précision l'intensité optimale à fournir à une unité thermoélectrique pour n'importe quelle condition de fonctionnement, il est très avantageux de pouvoir configurer des unités thermoélectriques en cascade afin de conserver un COP optimal pour des conditions de température données. C'est en particulier le cas lorsqu'il existe une demande en puissance plus faible que la puissance optimale générée par une unique unité.
  • Cette configuration peut en outre bien se combiner avec d'autres configurations. Par exemple, les vannes peuvent servir à réaliser une commutation entre une configuration en cascade et une configuration en parallèle et/ou couper l'alimentation des unités configurées en cascade, en sachant que pour répondre à un besoin élevé en puissance une association en parallèle d'au moins une partie des unités thermoélectriques est nécessaire pour maintenir un COP optimal.
  • Bien évidemment, dans la configuration en cascade, le second échangeur de l'unité d'entrée est connecté à un premier échangeur distinct du premier échangeur de l'unité d'entrée et, de la même façon, le premier échangeur de l'unité de sortie est connecté à un second échangeur distinct du second échangeur de l'unité de sortie. Le fluide qui sort du second échangeur de l'unité d'entrée doit nécessairement circuler ensuite dans le premier échangeur d'une autre unité associée en cascade avec l'unité d'entrée, avant de revenir dans ce second échangeur. On réalise ainsi au moins une boucle fermée qui est isolée par rapport aux nourrices des premier et deuxième circuits.
  • Selon une particularité, la pluralité d'unités thermoélectriques du premier groupe comporte en outre au moins une unité intermédiaire présentant :
    • un premier échangeur connecté dans ladite configuration en cascade à un second échangeur d'une autre unité de ladite pluralité d'unités thermoélectriques ; et
    • un second échangeur connecté dans ladite configuration en cascade à un premier échangeur d'une autre unité de ladite pluralité d'unités thermoélectriques.
  • Ainsi, la configuration en cascade peut utiliser un nombre élevé d'unités identiques, ce qui permet d'obtenir une gamme plus étendue de fonctionnement. A titre d'exemple, lorsque les unités thermoélectriques présentent chacune 10 CEP, une association en cascade de cinq de ces unités avec un courant d'alimentation choisi pour optimiser le COP peut correspondre à l'apport équivalent de deux CEP, tandis qu'une association en cascade similaire de dix unités peut correspondre à l'apport équivalent d'une CEP. L'avantage d'utiliser des unités thermoélectriques identiques est la modularité du système et la possibilité d'assembler plus aisément ces unités thermoélectriques dans une structure de support et de connexion fluidique de la pompe à chaleur.
  • Selon une autre particularité, le dispositif de commande est adapté en outre pour paramétrer une configuration en parallèle dans laquelle les premiers échangeurs de la pluralité d'unités thermoélectriques du premier groupe et/ou d'au moins une unité thermoélectrique de même nature que les unités thermoélectriques du premier groupe et pouvant appartenir à un deuxième groupe, sont connectés au premier circuit et les seconds échangeurs des mêmes unités thermoélectriques sont connectés au deuxième circuit, ce grâce à quoi des premiers échangeurs peuvent être connectés au premier circuit en parallèle et des seconds échangeurs peuvent être connectés au deuxième circuit en parallèle.
  • Dans divers modes de réalisation du système de contrôle selon l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes :
    • le système de contrôle comprend :
      • des premiers organes de pompage adaptés pour faire circuler un fluide caloporteur, utilisé par le premier circuit, au moins dans le premier échangeur de l'unité d'entrée et pour faire circuler un fluide caloporteur, utilisé par le deuxième circuit, au moins dans le second échangeur de l'unité de sortie ; et
      • des deuxièmes organes de pompage adaptés pour faire circuler dans la configuration en cascade un fluide caloporteur dans une boucle fermée qui ne traverse ni le premier échangeur de l'unité d'entrée ni le second échangeur de l'unité de sortie, la boucle fermée comprenant au moins un premier échangeur et au moins un second échangeur de ladite pluralité d'unités thermoélectriques formant le premier groupe.
    • le système de contrôle comprend un ensemble de capteurs de température adaptés pour délivrer notamment des signaux représentatifs de températures caractéristiques des deux circuits d'échange de chaleur, le dispositif de commande étant relié à un dispositif d'entrée d'une température de consigne, l'algorithme du dispositif de commande étant adapté pour sélectionner un des points de fonctionnement prédéterminés en fonction de ladite consigne de température et des signaux délivrés par ledit ensemble de capteurs de température, une configuration de ladite pluralité de vannes étant ensuite paramétrée en fonction du point de fonctionnement sélectionné (cette disposition permet une gestion des transferts de chaleur en fonction du besoin réel, le fonctionnement optimal n'empêchant pas une réactivité de la pompe à chaleur pour un meilleur confort de l'utilisateur). L'algorithme peut être adapté pour effectuer une corrélation, en fonction de ladite consigne de température et des signaux délivrés par ledit ensemble de capteurs de température, entre des besoins de transfert de chaleur et un unique mode de fonctionnement, de façon à choisir le mode de fonctionnement qui maximise le coefficient de performance de la pompe à chaleur (une ou plusieurs tables de correspondance peuvent être avantageusement utilisées pour déterminer le point de fonctionnement, compte tenu du besoin en puissance et des conditions de température) ;
    • le dispositif de commande est adapté pour modifier l'alimentation électrique et une alimentation hydraulique de chacune des unités thermoélectriques en fonction de la configuration paramétrée pour la pluralité de vannes (cette disposition permet de couper électriquement et en fluide l'alimentation d'unités thermoélectriques non nécessaires, comme cela peut être le cas par exemple dans des modes de fonctionnement moins exigeants en transfert de chaleur, et inversement d'augmenter la tension pour un besoin très important en transfert de chaleur. Par ailleurs un dispositif inverseur du sens du courant peut être prévu pour faire fonctionner la pompe à chaleur de manière réversible) ;
    • l'unité d'alimentation électrique comprend des moyens d'ajustement pour délivrer dans la configuration en cascade des courants différents à l'unité d'entrée et à l'unité de sortie (cette disposition permet avantageusement d'adapter l'alimentation électrique de chaque unité pour contrôler la différence de température entre les faces de chacune des unités thermoélectriques constituant le système global, les unités pouvant fonctionner alors avec un même ΔT de façon à conserver un COP optimal (l'expérience montre que faire varier l'intensité I plutôt que ΔT permet d'obtenir des COP plus élevés, en particulier lorsque les températures sont très différentes entre la face froide et la face chaude des CEP) ;
    • l'unité de contrôle électronique comprend un module de paramétrage pour paramétrer un nombre défini de modes de fonctionnement (cascade, parallèle, cascade-parallèle) prédéterminés de la pompe à chaleur, qui correspondent à des besoins différents en puissance de transfert de chaleur, le module de paramétrage comprenant ledit algorithme et lesdits moyens de paramétrer un nombre défini de points de fonctionnement prédéterminés des modules thermoélectriques de la pompe à chaleur, l'algorithme permettant de sélectionner l'un des modes de fonctionnement de la pompe à chaleur de façon à minimiser la puissance électrique totale consommée par les modules thermoélectriques tout en répondant aux besoins en transfert de chaleur (cette disposition permet d'obtenir un fonctionnement réellement optimal de la pompe à chaleur puisque la configuration (liée au paramétrage du mode de fonctionnement) des unités et le nombre d'unités activées permet d'obtenir un fonctionnement optimisé qui minimise la puissance électrique consommée par chacune des CEP) ;
    • chacune des unités thermoélectriques du premier groupe comprend au moins une vanne adaptée pour couper sélectivement la circulation dé fluide caloporteur dans les échangeurs de l'unité thermoélectrique (ainsi, on peut éviter de faire circuler inutilement le fluide caloporteur dans des parties de circuit non activées par le dispositif de commande. Deux moto-vannes peuvent être prévues par unité thermoélectrique. La ou les moto-vannes peuvent former ainsi avantageusement un dispositif de réduction du transfert de chaleur).
  • On comprend que chacune des dispositions ci-dessus contribue à affiner l'ajustement du point de fonctionnement, sans complexifier la partie de transfert de chaleur de la pompe à chaleur thermoélectrique et en minimisant la puissance consommée. La durée de vie des unités thermoélectriques et des unités d'alimentation associées peut être en outre accrue par un tel fonctionnement sélectif selon les besoins.
  • La présente invention a également pour but de proposer une pompe à chaleur thermoélectrique à plusieurs unités thermoélectriques dont le fonctionnement peut être géré au plus près des besoins réels en transfert de chaleur.
  • A cet effet, il est proposé une pompe à chaleur thermoélectrique réversible, comprenant deux circuits d'échange de chaleur et une pluralité d'unités thermoélectriques de transfert de chaleur d'un premier groupe comprenant chacune :
    • un premier échangeur ;
    • un second échangeur ; et
    • au moins un module thermoélectrique ou Peltier adapté pour transférer de la chaleur entre les deux échangeurs ;
    caractérisée en ce qu'elle comprend le système de contrôle selon l'invention.
  • Une telle pompe à chaleur peut se présenter sous la forme d'un appareil se connectant sur le réseau électrique urbain et pouvant directement être installé dans un bâtiment moyennant le raccordement à un système de chauffage central existant ou neuf formant le premier circuit, comme par exemple un système de chauffage par plancher, et un système d'échange de chaleur avec le milieu extérieur formant le deuxième circuit. Le système d'échange avec l'extérieur peut être entre autre de type réseau ou cuve enterrée dans le sol, ou système d'échange avec l'air ou une masse d'eau.
  • Selon une particularité, la pompe à chaleur peut présenter en outre une autre pluralité d'unités thermoélectriques de transfert de chaleur d'un deuxième groupe comprenant chacune :
    • un premier échangeur ;
    • un second échangeur ;
    • au moins un module thermoélectrique ou Peltier adapté pour transférer de la chaleur entre les deux échangeurs ;
    le dispositif de commande étant adapté pour faire fonctionner les groupes d'unités thermoélectriques dans au moins une configuration en parallèle. Cette configuration en parallèle peut être choisie parmi :
    • une configuration dans laquelle toute les unités thermoélectriques alimentées électriquement sont en parallèle entre elles ; et
    • une configuration dans laquelle une partie des unités thermoélectriques alimentées électriquement sont dans une configuration en cascade à l'intérieur du premier groupe d'unités thermoélectriques (mixte cascade-parallèle).
  • On peut obtenir un ensemble d'unités thermoélectriques pouvant être associées selon de nombreuses configurations (associations cascade, parallèle et mixte) en fonction de la demande de puissance, grâce à un réseau de circulation de fluide (par exemple de l'eau) équipé de vannes contrôlées de façon centralisée. Le dispositif de commande est adapté pour paramétrer un nombre d'unités thermoélectriques en cascade entre elles de 0 à N, où N est un nombre entier supérieur ou égal à deux, et supérieur ou égal à quatre dans des modes de réalisation préférés. La conception de la pompe à chaleur peut être simplifiée en intégrant un nombre élevé de modules thermoélectriques, par exemple supérieur ou égal à deux, dans chacune des unités de transfert de chaleur. On comprend en effet qu'il est intéressant de prévoir un nombre restreint d'unités thermoélectriques (par exemple inférieur à 15 et de préférence inférieur ou égal à douze) pour limiter les connexions hydrauliques dans la pompe à chaleur et d'utiliser en revanche un nombre élevé de CEP par unité (par exemple supérieur ou égal à 4).
  • Compte tenu de ces contraintes de conception et d'encombrement, la modularité est particulièrement avantageuse lorsqu'il faut fournir un apport ou un complément de puissance peu élevé (en conservant un fonctionnement optimal). En effet, il suffit de configurer en cascade plusieurs des unités thermoélectriques de la pompe à chaleur pour fournir l'apport ou complément requis.
  • La présente invention a également pour but de proposer un procédé de contrôle d'une pompe à chaleur thermoélectrique permettant d'adapter le niveau de consommation électrique aux besoins réels en transfert de chaleur.
  • A cet effet, il est proposé un procédé de contrôle d'une pompe à chaleur thermoélectrique, dans lequel on fait circuler un fluide caloporteur respectivement dans deux circuits d'échange de chaleur d'une pompe à chaleur thermoélectrique qui comprend une pluralité d'unités thermoélectriques de transfert de chaleur formant un premier groupe et comprenant chacune :
    • un premier échangeur ;
    • un second échangeur ;
    • au moins un module thermoélectrique ou Peltier adapté pour transférer de la chaleur entre les deux échangeurs ;
    le procédé comprenant les étapes qui consistent essentiellement à :
    • connecter un premier échangeur d'une unité d'entrée de ladite pluralité d'unités thermoélectriques à un premier circuit des deux circuits ;
    • connecter un second échangeur d'une unité de sortie de ladite pluralité d'unités thermoélectriques à un deuxième circuit des deux circuits ;
    • alimenter à partir d'une source de courant électrique au moins l'unité d'entrée et l'unité de sortie desdites unités thermoélectriques par au moins une unité d'alimentation électrique présentant une pluralité de connexions de sortie et/ou au moins une unité thermoélectrique de transfert de chaleur faisant partie d'un deuxième groupe ;
    • entrer une consigne de température ;
    • délivrer, par un ensemble de capteurs de température, des signaux représentatifs de températures caractéristiques des deux circuits d'échange de chaleur ;
    • sélectionner un mode de fonctionnement prédéterminé de la pompe à chaleur pour répondre à des besoins en transfert de chaleur, chacun des modes de fonctionnement (parallèle, cascade ou cascade-parallèle) pouvant être sélectionnés résultant d'une utilisation des modules thermoélectriques de la pompe à chaleur à des points de fonctionnement prédéterminés ; et
    • pour permettre une utilisation des modules thermoélectriques dudit premier groupe à des points de fonctionnement qui minimisent la puissance électrique consommée tout en contribuant à répondre aux besoins en transfert de chaleur, transférer de la chaleur par une configuration en cascade dans laquelle le second échangeur de l'unité d'entrée est connecté à un premier échangeur de ladite pluralité d'unités thermoélectriques , et le premier échangeur de l'unité de sortie est connecté à un second échangeur de ladite pluralité d'unités thermoélectriques.
  • Selon une particularité, on contrôle en outre l'alimentation électrique des unités thermoélectriques du premier groupe et on fait circuler un fluide caloporteur dans des canalisations identiques ou symétriques des premier et second échangeurs de chaque unité thermoélectrique électriquement alimentée, de façon à conserver une différence de température sensiblement constante entre les faces des modules thermoélectriques dudit premier groupe.
  • Selon une autre particularité, le procédé comportant les étapes suivantes :
    • fermer deux vannes raccordées au second échangeur de l'unité d'entrée pour déconnecter du deuxième circuit le second échangeur de l'unité d'entrée ;
    • fermer deux vannes raccordées à un premier échangeur déterminé de ladite pluralité d'unités thermoélectriques, distinct du premier échangeur de l'unité d'entrée, pour déconnecter du premier circuit ledit premier échangeur déterminé ;
    • ouvrir deux vannes raccordées au second échangeur de ladite unité d'entrée pour faire circuler un fluide caloporteur entre le premier échangeur déterminé et le second échangeur de l'unité d'entrée ; et
    • optionnellement lorsque le premier groupe comprend au moins trois unités thermoélectriques, ouvrir deux vannes raccordées au premier échangeur de l'unité de sortie pour faire circuler un fluide caloporteur entre un second échangeur du premier groupe, distinct du second échangeur de l'unité de sortie, et le premier échangeur de l'unité de sortie.
  • Ainsi, grâce à un réseau de circulation de fluide approprié, les unités thermoélectriques sont activées de manière différente en fonction de la demande de puissance. Les échangeurs peuvent chacun présenter une unique entrée et une unique sortie et on comprend qu'au moins une paire de vannes est associée à chacun des échangeurs pouvant être relié à un autre des échangeurs. Pour obtenir une boucle de circulation de fluide fermée entre deux échangeurs, on coupe la communication avec les circuits principaux grâce aux deux paires de vannes associées et on ouvre donc les deux vannes formées dans les deux conduites de raccordement direct entre les entrées et sorties respectives des deux échangeurs. Avec des électrovannes ou vannes similaires reliées à une unité d'automatisation, aucune intervention humaine n'est nécessaire lors du passage d'une configuration à une autre.
  • Selon une particularité du procédé, le transfert de chaleur entre deux échangeurs d'une unité thermoélectrique non alimentée électriquement est réduit au moins dans un mode de chauffage de la pompe à chaleur thermoélectrique réversible. Cet abaissement peut être obtenu par l'arrêt d'une circulation du fluide caloporteur au niveau d'une ou plusieurs des unités thermoélectriques, par exemple celles qui ne sont pas alimentées électriquement. Dans le mode de chauffage de la pompe à chaleur, cela permet de minimiser la perte défavorable de chaleur par entropie. En effet, de la chaleur est diffusée depuis le fluide circulant dans les unités thermoélectriques non alimentées électriquement vers le milieu ambiant. Alternativement, un actionneur peut être prévu pour abaisser la conductivité thermique de l'interface entre le fluide caloporteur et la surface échangeuse, l'actionneur permettant par exemple d'écarter ou de rapprocher les zones échangeuses de chaleur des modules thermoélectriques.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante de plusieurs modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en regard des dessins joints dans lesquels :
    • la figure 1 est une vue schématique d'un système de contrôle d'une pompe à chaleur réversible à plusieurs unités thermoélectriques, selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
    • la figure 2 montre un groupe d'unités thermoélectriques pouvant être associé, en cascade, en parallèle ou une combinaison mixte, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
    • la figure 3 représente le groupe d'unités thermoélectriques de la figure 2, dans une configuration « tout parallèle » ;
    • la figure 4 représente le groupe d'unités thermoélectriques de la figure 2, dans une configuration « tout cascade » ;
    • la figure 5 représente le groupe d'unités thermoélectriques de la figure 2, dans une configuration mixte ;
    • la figure 6 est un schéma illustrant un exemple d'unité thermoélectrique utilisable dans une pompe à chaleur selon l'invention ;
    • la figure 7 montre un graphique qui illustre des domaines de configurations optimales pour un ensemble d'unités thermoélectriques, en fonction du couple température de fluide / puissance utile désiré ;
    • la figure 8 montre un diagramme d'étapes permettant de déterminer un mode de chauffage optimal.
  • Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires.
  • A la figure 1, est représenté un mode de réalisation d'un système de contrôle 2 pour gérer des Cellules à Effet Peltier (CEP) ou modules thermoélectriques 3 de transfert de chaleur. Le système de contrôle 2 présente une unité d'alimentation électrique 10, correspondant ici à un système modulaire à sorties multiples de courant continu, connecté par exemple à une source de courant alternatif typiquement de 230V. Plusieurs systèmes modulaires à sorties multiples de courant continu peuvent aussi être utilisés. Les modules thermoélectriques 3 sont agencés par groupe de six dans des unités thermoélectriques 41, 44, 45, 46 respectives qui définissent un système échangeur 4 de la pompe à chaleur. Bien entendu, le nombre de modules thermoélectriques 3 n'est pas figé et peut être variable, par exemple et de manière non limitative compris entre deux et dix par unité thermoélectrique 41, 44, 45, 46. La pompe à chaleur équipée du système de contrôle 2 illustré à la figure 1 est réversible grâce à la possibilité d'inverser le courant d'alimentation pour tout ou partie des unités thermoélectriques 41, 44, 45, 46.
  • Dans l'exemple des figures 1 à 5, chacune des unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44, 45, 46 comprend un premier échangeur 41 a, 42a, 43a, 44a, 45à, 46a pouvant être relié à un premier circuit C1 d'échange de chaleur, ainsi qu'un second échangeur 41 b, 42b, 43b, 44b, 45b, 46b pouvant être relié à un deuxième circuit C2 d'échange de chaleur. Un ou plusieurs modules thermoélectriques 3 permettent de transférer de la chaleur entre les deux échangeurs. Alternativement, une ou plusieurs unités thermoélectriques peuvent être agencées en position intermédiaire entre une unité dite d'entrée 41 et une unité de sortie 44, sans être nécessairement raccordées aux circuits C1 et C2. En référence à la figure 2, on comprend ainsi que les unités thermoélectriques 42 et 43 pourraient ne fonctionner que dans une configuration en cascade entre l'unité d'entrée 41 et l'unité de sortie 44, les vannes V5-V8 et V11-V14 et les conduites de raccordement vers les nourrices respectives N1-N4 étant dans ce cas supprimées.
  • Dans l'exemple de la figure 1, à l'état fermé des vannes V1-V2 et V5-V6 et à l'état ouvert des vannes V3-V4, une circulation de fluide en boucle fermée est permise par une paire de conduites intermédiaires reliant le premier échangeur 44a de l'unité de sortie au premier échangeur 41 b de l'unité d'entrée 41. Les calories d'un fluide caloporteur sont ici prélevées dans le premier circuit C1 (figure 2) auquel est relié le premier échangeur 41 a de l'unité d'entrée 41 et la zone utile est chauffée à l'aide du deuxième circuit C2 (figure 2) auquel est relié le second échangeur 44b de l'unité de sortie 44. Le système de contrôle 2 peut plus généralement comporter une pluralité de vannes V1-V20, comme cela est visible sur la figure 2. Un dispositif du système de contrôle 2 commande ces vannes V1-V20 pour paramétrer la configuration d'alimentation en fluide du système échangeur 4. Le système de contrôle 2 permet de gérer l'alimentation électrique fournie au niveau des sorties respectives S1 et S2 pour optimiser le fonctionnement en cascade des unités thermoélectriques 41 et 44.
  • Chacune des sorties S1 et S2 de l'unité d'alimentation électrique 10 peut être associée à un circuit d'alimentation très basse tension redressée. L'unité d'alimentation électrique 10 délivre ainsi un courant redressé en double alternance avec une puissance optimisée. La fréquence obtenue peut être de l'ordre de 100 Hz par exemple. Pour les sorties S3 et S4, la tension peut être éventuellement plus élevée. Les unités thermoélectriques 45, 46 peuvent former optionnellement un deuxième groupe dont le mode de fonctionnement est différent des unités 41-44 du premier groupe. On comprend que les unités thermoélectriques 45, 46 peuvent faire partie d'un système conventionnel auquel serait associé le groupe d'unités thermoélectriques 41-44 pouvant fonctionner en cascade. Comme illustré notamment à la figure 2, le nombre d'unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44 du premier groupe peut être supérieur à deux et on comprend que la façon d'alimenter les unités supplémentaires 42 et 43 peut être identique ou similaire à l'alimentation illustrée à la figure 1 pour les unités thermoélectriques 41 et 44. Plus généralement, il est ainsi permis d'élargir la gamme de points de fonctionnement que l'on peut obtenir sans utiliser un nombre trop élevé d'unités thermoélectriques 41, 42, 43 ,44, 45 ,46.
  • Toujours en référence à la figure 1, la pompe à chaleur utilise au moins une circulation d'un fluide caloporteur tel que l'eau. Chacune des unités thermoélectriques 41, 44, 45, 46 comprend un premier échangeur 41 a, 44a, 45a, 46a et un second échangeur 41 b, 44b, 45b, 46b situé à l'opposé du premier. En référence à la figure 6, dans une unité thermoélectrique 45, les fluides caloporteurs respectifs circulent dans des canaux pour assurer un échange de chaleur avec la face externe plane de l'échangeur correspondant 45a, 45b. Le premier échangeur 45a présente une entrée de fluide E1 située du côté droit de l'unité thermoélectrique 45 et une sortie O1 agencée de façon opposée. Le second échangeur 45b, présente une entrée de fluide E2 du côté gauche et une sortie opposée 02. Ce second échangeur 45b, avec sa face d'échange orientée vers le bas, peut être en tout point identique au premier échangeur 45a. Les modules thermoélectriques 3, lorsqu'ils sont alimentés électriquement, permettent un transfert de chaleur entre les deux échangeurs 45a, 45b selon un sens qui est dicté par le sens d'alimentation du courant.
  • Dans cet exemple non limitatif, une moto-vanne v1, permet d'arrêter la circulation du premier fluide dans le premier échangeur 45a et une moto-vanne v2 permet d'arrêter la circulation du deuxième fluide dans le second échangeur 45b. La figure 6 illustre ainsi l'utilisation de moto-vannes v1, v2 chacune adaptées pour couper sélectivement la circulation de fluide caloporteur dans des parties de circuit d'une unité thermoélectrique 45. Naturellement tout type de vanne est utilisable, avec de préférence un organe de commande de l'ouverture/fermeture du clapet de la vanne. Ici, les moto-vannes v1, v2 sont chacune adaptées pour fermer la communication fluidique avec l'échangeur 45a, 45b. On comprend que la circulation des premier et second fluides peut cependant se poursuivre à travers d'autres parties d'un circuit. Ceci est réalisable par exemple en utilisant des moto-vannes v1, v2 qui interrompent ou court-circuitent uniquement une circulation sinueuse dans l'échangeur 45a, 45b, tandis qu'une circulation longitudinale ou externe à l'échangeur 45a, 45b est permise.
  • Bien que la figure 6 se réfère à l'exemple de l'unité thermoélectrique 45, on comprend qu'au moins l'unité thermoélectrique 46 montrée sur la figure 1 peut être équipée de façon analogue avec au moins une moto-vanne. Les autres unités peuvent présenter des vannes V1-V6, V7-V12 et V13-V18 permettant également d'interrompre ou de court-circuiter la circulation sinueuse dans les échangeurs correspondants. L'intérêt de court-circuiter des parties de circuit formées au niveau d'unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44, 45, 46 est de satisfaire au plus près les besoins spécifiques paramétrés pour la pompe à chaleur, avec une optimisation du coefficient de performance (COP), en particulier lorsque dans une habitation ou local similaire équipé avec la pompe à chaleur, les besoins de transfert de chaleur varient d'un lieu à l'autre. Les moto-vannes v1, v2 sont fermées en particulier lorsqu'il n'y a pas un besoin particulier de transfert de chaleur par le circuit C1 ou C2 d'échange de chaleur correspondant. La fermeture des moto-vannes v1, v2 est avantageuse dans le mode de chauffage de la pompe à chaleur, afin d'éviter un couplage thermique entre les faces des modules thermoélectriques 3 non alimentés, et donc des échanges de chaleur dans le sens opposé à ceux désirés. Ces pertes par entropie du système échangeur 4 peuvent être ainsi évitées.
  • Plus généralement, la pompe à chaleur peut être équipée de tous moyens permettant de faire varier, au niveau d'une ou plusieurs des unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44, 45, 46 un coefficient de transfert de chaleur entre les deux échangeurs. En mode de chauffage, un dispositif pourvu des moto-vannes v1, v2 ou agencé différemment permet ainsi de modifier les conditions d'échange thermique.
  • Dans le mode de rafraîchissement, l'effet entropique est favorable puisque l'on cherche à évacuer la chaleur du milieu ambiant. Par conséquent, on peut utiliser un dispositif de couplage/découplage thermique configuré pour stopper la circulation hydraulique dissipatrice de chaleur et/ou augmenter localement la résistance thermique par d'autres moyens connus, dans le mode de chauffage, et pour laisser circuler le fluide caloporteur et/ou baisser localement la résistance thermique par tout autre moyen connu, dans le mode de rafraîchissement.
  • La pompe à chaleur peut être plus particulièrement destinée aux applications de chauffage basse température et de rafraîchissement pour l'habitat. La pompe à chaleur peut se présenter sous la forme d'un boîtier ou d'un appareil avec en façade un panneau de commande (non représenté). Une interface de commande 6 et le système échangeur 4 sont par exemple agencés dans le boîtier. La pompe à chaleur est typiquement destinée à chauffer des locaux d'habitation ou professionnels, mais aussi à rafraîchir ces locaux grâce à l'utilisation des modules thermoélectriques 3. La pompe à chaleur thermoélectrique est donc préférentiellement réversible. Plusieurs pièces d'un local d'habitation peuvent être chauffées, respectivement rafraîchies, à l'aide de boucles d'échanges de chaleur raccordées au boîtier. Les locaux d'habitation en question sont typiquement des habitations individuelles allant d'un appartement de quelques pièces à une maison individuelle. La puissance est donc typiquement prévue entre trois et trente kilowatts de puissance de chauffage maximale, sans que cette dernière valeur constitue une limite supérieure.
  • La circulation de fluide(s) caloporteur(s) est réalisée à travers des canalisations en contact thermique avec les faces de même type des modules thermoélectriques 3 de même type. On comprend que le transfert de chaleur entre les deux circuits C1, C2 peut être réalisé en utilisant toute configuration adaptée de circuit caloporteur. Quelle que soit la configuration adoptée, la face du module thermoélectrique 3 qui pompe de la chaleur se trouve typiquement à une température plus froide que la face qui évacue de la chaleur. Une température de consigne peut être entrée par l'intermédiaire d'un module de programmation ou dispositif comparable de la pompe à chaleur, lequel module est par exemple relié à l'interface de commande 6 et fait partie du dispositif de commande. La température de la face du module thermoélectrique 3 qui pompe de la chaleur et la température de consigne forment un couple de paramètres déterminant pour l'obtention d'un coefficient de performance (COP) maximal. En effet, il existe une tension d'alimentation continue optimale pour laquelle un module thermoélectrique 3 a un COP maximal. Ceci est valable aussi bien dans le mode de chauffage que dans le mode de rafraîchissement. Dans le cas présent, le courant d'alimentation est de préférence un courant alternatif redressé double alternance. Pour approcher le COP maximal, la tension continue optimale est multipliée par un coefficient correcteur afin de déterminer l'amplitude de la tension alternative correspondante. Par exemple, pour un courant alternatif sinusoïdal on multiplie la tension continue optimale par un coefficient égal à √2.
  • Le besoin thermique en chauffage sert ici de référence pour déterminer le nombre de CEP ou modules thermoélectriques 3 nécessaires dans la pompe à chaleur car ce besoin est supérieur à celui du besoin thermique en rafraîchissement, lequel aboutirait à un nombre de CEP plus petit et donc insuffisant pour le chauffage.
  • En référence à la figure 1, il est montré un schéma de contrôle des unités thermoélectriques 41, 44, 45, 46 de la pompe à chaleur. Le système de contrôle 2 comprend une connexion 7 à une source de courant électrique 8 et une unité d'alimentation électrique 10 adaptée pour alimenter lesdites unités thermoélectriques 41, 44, 45, 46 à partir de la source de courant électrique 8. Ici, la source de courant électrique 8 fournit une alimentation alternative. Dans ce cas, la source de courant peut alors être le réseau urbain (à 230 V comme c'est le cas dans de nombreux pays d'Europe notamment). Plusieurs fusibles de protection F sont prévus dans l'unité d'alimentation électrique 10. Le nombre de modules thermoélectriques 3 représenté est de vingt-quatre dans l'exemple illustré à la figure 1 mais ce nombre peut bien entendu être différent, par exemple supérieur pour satisfaire les besoins en puissance de chauffage. Il est ici prévu de choisir un mode de fonctionnement adapté pour obtenir la température souhaitée dans des locaux d'habitation ou locaux similaires, le point de fonctionnement choisi étant celui qui correspond au coefficient de performance (COP) optimal. Afin d'optimiser ce coefficient COP, quel que soit le mode de fonctionnement de la pompe à chaleur (ce mode de fonctionnement variant avec la température du ou des fluides caloporteurs et la puissance thermique de chauffage ou de rafraîchissement), le système de contrôle 2 peut effectuer une sélection d'un mode de chauffage parmi une pluralité de modes de chauffage.
  • Ces modes de chauffage sont obtenus par :
    • une sélection du mode de fonctionnement prédéterminé de la pompe à chaleur qui répond aux besoins et dans lequel il est permis d'utiliser les modules thermoélectriques 3 à des points de fonctionnement prédéterminés considérés comme optimaux ; et
    • un réglage de l'unité d'alimentation électrique 10 pour obtenir le fonctionnement optimal pour les modules thermoélectriques.
  • Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, la sélection du mode de fonctionnement fait intervenir un réglage de la configuration d'alimentation en fluide des unités thermoélectriques 41, 44, 45, 46. Ce réglage permet d'élargir encore la gamme de modes de chauffage susceptibles de couvrir la variété de besoins thermiques dans une habitation ou local similaire, ces modes pouvant se distinguer l'un par rapport à l'autre par un nombre différent de modules thermoélectriques 3 actifs et/ou à une tension d'alimentation U1, U2, U3, U4 différente aux bornes des unités thermoélectriques 41, 44, 45, 46.
  • En référence à la figure 1, l'association en parallèle des unités thermoélectriques 41, 44, 45, 46 permet de produire n'importe quelle puissance thermique utile supérieure à la puissance optimale fournie par une seule unité thermoélectrique en conservant les mêmes performances, pour un couple « température du fluide utile/température du fluide source » donné. En effet avec cette configuration, il est préférable de conserver les mêmes différences de température entre les faces de chacun des modules thermoélectriques 3 constituant le système global. Or c'est cette différence de température qui régit le COP du module 3. Finalement pour une association en parallèle, on peut obtenir aisément des modules thermoélectriques 3 d'unités distinctes qui fonctionnent à la même intensité et fournissent le même flux thermique utile. Dans ce cas, le nombre optimal de modules 3 à associer correspond alors au ratio entre le flux thermique utile désiré et le flux thermique optimal généré par un unique module thermique 3 pour les conditions de fonctionnement données.
  • Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, il est permis en outre de produire une puissance thermique utile avantageusement inférieure à la puissance optimale fournie par une seule unité thermoélectrique, grâce à une association en cascade entre au moins deux unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44 (figures 1 et 2). Une telle association qui permet de faire fonctionner des modules thermoélectriques 3 avec une puissance particulièrement faible est donc intéressante pour obtenir selon un fonctionnement optimal un complément de puissance d'une valeur inférieure à la puissance optimale fournie par une seule unité thermoélectrique.
  • Les résultats d'un modèle analytique prenant en compte l'évolution du COP avec la puissance montrent que la puissance optimale pour des conditions de température données est inférieure à la puissance maximale que peut délivrer le module pour les mêmes conditions de température. Par conséquent le cas le plus contraignant du système (cas où la puissance nécessaire est la plus élevée) permet en pratique de déterminer le nombre précis de modules 3 présents dans la pompe à chaleur. L'association en parallèle et/ou en cascade doit ensuite être gérée efficacement : lorsque le besoin en puissance baisse, il suffit alors de déconnecter électriquement le nombre nécessaire de modules thermoélectriques 3 pour conserver le COP optimal (en coupant l'alimentation d'au moins une des unités par exemple) ou d'activer un fonctionnement en cascade d'unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44 dans lequel le niveau d'alimentation est ajusté pour un fonctionnement optimal des modules thermoélectriques 3 correspondants. Dans un mode de réalisation préféré, le système de contrôle 2 selon l'invention permet une gestion rigoureuse afin de couvrir toute la gamme de puissance thermique utile nécessaire par connexions-déconnexions des unités thermoélectriques et association en cascade, parallèle ou cascade-parallèle des unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44. Une fois l'association d'unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44, 45, 46 paramétrée, il reste seulement à fournir une intensité optimale aux modules thermoélectriques 3.
  • L'unité d'alimentation électrique 10 va à présent être décrite plus en détail en liaison avec la figure 1.
  • Dans le mode de réalisation non limitatif de la figure 1, l'unité d'alimentation électrique 10 présente plusieurs connexions de sortie S1, S2, S3, S4 permettant de transmettre une tension d'alimentation à chacune des unités thermoélectriques 41, 44, 45, 46. Pour maximiser le COP associé à chacun des modules thermoélectriques 3, il peut être prévu en association avec le dispositif de commande un dispositif de commutation ou autres moyens pour modifier les tensions d'alimentation électrique. Le dispositif de commande comprend une unité de contrôle électronique ECU reliée à l'interface de commande 6 et permettant par exemple de modifier l'état des commutateurs du dispositif de commutation. Le dispositif de commande et l'unité d'alimentation électrique 10 peuvent être formés dans des boîtiers respectifs connectés entre eux.
  • Dans l'exemple de la figure 1, l'unité de contrôle électronique ECU peut permettre de modifier la configuration du dispositif de commutation dans un mode de chauffage en contrôlant l'état de commutateurs. Un exemple non limitatif de contrôle d'une unité d'alimentation électrique 10 avec quatre sorties S1, S2, S3, S4 est exposé dans la demande de brevet FR n° 09 59196 (la figure 1 de ce document montre une forme de réalisation applicable pour l'unité 10). Une très basse tension alternative redressée peut être fournie notamment aux deux unités thermoétectriques 41, 42. Un asservissement avec rétroaction sur au moins un commutateur approprié ou élément de réglage de tension analogue peut être mis en oeuvre grâce une collecte d'informations représentatives d'un besoin de chauffe par l'unité de contrôle électronique ECU. Ici, les informations représentatives du besoin de chauffe sont par exemple une ou plusieurs températures caractéristiques des deux circuits d'échange de chaleur et la température de consigne. Un tel asservissement est par exemple présent pour chacune des unités thermoélectriques 41, 44, 45, 46.
  • Les connexions de sortie S3, S4, et éventuellement les connexions de sortie S1, S2, peuvent être chacune associées à un dispositif inverseur du sens du courant. Ce dispositif inverseur peut être actionné par le dispositif de commande. Le caractère réversible de l'alimentation fournie aux unités thermoélectriques 45, 46 permet, de façon simple, de passer du mode chauffage au mode rafraîchissement. Au moins pour une de ces unités thermoélectriques 45, 46 à inversion d'alimentation, on peut prévoir optionnellement une plus grande puissance de chauffage. Une puissance moindre peut aussi être obtenue en utilisant seulement l'une des sorties S3, S4 pour alimenter sélectivement l'une ou l'autre des unités thermoélectriques 45, 46.
  • Pour la configuration en cascade des unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44, il est prévu que les courants puissent être différents pour les unités ainsi associées, de façon à conserver une différence de température sensiblement identique entre les faces de chacun des modules thermoélectriques 3 composant le système. La tension aux bornes de chacune des unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44 est donc différente. Un dispositif connu en soi adapté pour faire varier le courant (en utilisant par exemple une résistance électrique variable) avec une précision au moins de l'ordre de 10mA est éventuellement utilisé pour ajuster le courant d'alimentation des modules thermoélectriques 3. Les deux tableaux ci-dessous correspondent à un exemple numérique montrant le gain en COP avec une variation de l'intensité fournie à des unités thermoélectriques configurées en cascade.
    ΔT=20°C I constant = 0,92A Unité 1 (face froide) Unité 2 Unité 3 Unité 4 (face froide) COP
    4 unités (1 CEP / unité) u1 =2,4V u2 =2,34V u3 =2,28V u4 =2,21 V 1,62
    ΔT= 20°C Unité 1 (face froide) Unité 2 Unité 3 Unité 4 (face froide) COP
    I variable i1 =0,84A i2 =0,8A i3 =0,94A i4 =1A
    4 unités (1 CEP / unité) u1 =2,15V u2 =2,23V u3 =2,33V u4 =2,44V 1,66
  • Les intensités sont déterminées en fonction du modèle analytique et des variables d'entrée qui peuvent être la température extérieure de l'air (à l'extérieur du bâtiment équipé de la pompe à chaleur), la résistance thermique ou le coefficient d'isolation du bâtiment, la température de consigne, qui permettent de déterminer la puissance thermique à fournir. Une autre donnée d'entrée est la résistance thermique et l'émissivité du plancher lorsque la ou les boucles de transfert sont intégrées à un sol du bâtiment. Cela permet alors de déterminer la température nécessaire pour le fluide circulant dans les boucles utiles de transfert.
  • Le modèle prend en compte une loi de type « loi d'eau » pour estimer la puissance nécessaire à fournir au niveau du système échangeur 4. La loi d'eau peut prendre en compte les pertes thermiques du logement ou bâtiment pour estimer la puissance à fournir qui permet de compenser de telles pertes thermiques. L'ensemble des configurations est modélisé par exemple sous la forme d'une table de correspondance permettant de relier le besoin en puissance à une configuration et la fourniture de courant(s) d'alimentation électrique et éventuellement de débit(s) de circulation de fluide. Une cartographie complète de ces configurations et des modes de fonctionnement possibles, en fonction du régime de température de fluide (appelé couramment le régime d'eau ; il y a alors prise en compte du couple température d'eau - puissance utile) à laquelle on va faire fonctionner la pompe, peut être ainsi stockée dans une mémoire du système de contrôle 2 et peut être exploitée à l'aide d'un algorithme de l'unité de contrôle électronique ECU. Grâce à la table de correspondance, la meilleure configuration peut être déterminée avec en particulier des données représentatives des courants spécifique dans le cas d'une association en cascade entre au moins deux unités thermoélectriques 41, 44, 45, 46. Le fonctionnement optimal peut alors être activé.
  • Les échangeurs 41 a-41 b, 44a-44b, 45a-45b, 46a-46b des unités 41, 44, 45, 46 sont de préférence conçus pour homogénéiser la température à la surface des modules thermoélectriques 3. A titre d'exemple non limitatif, on peut utiliser une conception d'échangeur avec deux canalisations agencées de façon symétrique l'une à l'autre par rapport à un plan normal à la portion de surface d'échange de l'échangeur qui est en regard d'une ou plusieurs faces d'un module thermoélectrique 3. Cette conception est décrite aux figures 3a-3b du document WO 2006/070096 . Plus généralement, on peut utiliser des échangeurs à double flux permettant l'obtention d'une température sensiblement homogène au niveau de la surface d'échange avec le ou les modules thermoélectriques 3. On comprend que de tels échangeurs présentent alors deux entrées et deux sorties. Bien qu'une seule entrée et une seule sortie soient montrées sur la figure 1, il doit être clair que les conduites hydrauliques peuvent être dédoublées au voisinage des unités thermoélectriques 41, 44, 45, 46 pour obtenir une circulation à double flux dans les échangeurs 41 a-41 b, 44a-44b, 45a-45b, 46a-46b.
  • Alternativement ou en complément, les deux échangeurs 45a, 45b d'une même unité thermoélectrique 45 telle que représentée à la figure 6 (avec ou sans moto-vanne) peuvent présenter une conception à simple flux avec une seule entrée E1 ou E2 et une seule sortie O1 ou 02, en utilisant des boucles de Tickelman de même géométrie dans la paire d'échangeurs 45a-45b. On obtient alors un gradient de température constant pour l'unité thermoélectrique 45 et il est alors permis d'obtenir une homogénéisation du différentiel ΔT avec de telles boucles lorsqu'elles sont conçues en courant croisé. La conception en courant croisé est par exemple réalisée avec l'entrée E1 du premier échangeur 45a en correspondance avec la sortie 02 du second échangeur 45b et l'entrée E2 du second échangeur 45b en correspondance à la sortie O1 du premier échangeur 45a. On comprend qu'il y a ici également une symétrie des canalisations entre les échangeurs et il est préférable d'utiliser des canalisations qui sont identiques d'un échangeur à l'autre.
  • Avec le contrôle cumulé de l'alimentation électrique de chacune des unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44 pouvant être configurées en cascade et la mise en circulation du fluide caloporteur dans des canalisations identiques ou symétriques des premier et second échangeurs 41a-41b, 42a-42b, 43a-43b, 44a-44b associés, il est permis de conserver une différence de température sensiblement constante entre les faces des modules thermoélectriques 3 dudit premier groupe. L'alimentation électrique pour les autres unités thermoélectriques 45 et 46 peut bien entendu être ajustée en fonction des besoins en transfert de chaleur.
  • La pompe à chaleur peut être asservie de manière simple et économique, le dispositif de commande permettant de réguler la température ambiante d'un ou plusieurs locaux en minimisant le nombre de CEP et/ou la tension d'alimentation de ces CEP. Pour une unité thermoélectrique donnée comportant 6 CEP identiques, on comprend que la tension d'alimentation u des CEP est égale à la tension d'alimentation U de ladite unité divisée par 6.
  • En référence à la figure 2, tout ou partie du système échangeur 4 peut être composé de plusieurs unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44, ici au nombre de quatre, pouvant fonctionner à la fois dans une association en parallèle et une association en cascade. La forme de réalisation illustrée à la figure 2 permet de répondre à une modularité complète de la pompe à chaleur thermoélectrique.
  • Lorsque le nombre d'unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44 pouvant être configurées en cascade est de N (nombre entier supérieur ou égal à deux et par exemple supérieur ou égal à quatre), le dispositif de commande paramètre le nombre souhaité (de 0 à N) d'unités à associer en cascade en fonction des besoins en transfert de chaleur. Dans l'exemple de la figure 2, la partie du système échangeur 4 illustrée est connecté à quatre nourrices N1, N2, N3, N4 dont deux nourrices N1-N2 font partie du premier circuit C1 et deux autres nourrices N3-N4 font partie du deuxième circuit C2. La nourrice N3 est connectée en amont de la zone pour l'échange de chaleur utile (côté à chauffer lorsque la pompe fonctionne en mode de chauffage) et la nourrice N4 est connectée en aval de cette zone. La nourrice N2 est connectée en amont de la zone pour l'échange de chaleur avec la source (côté où l'on prélève des calories dans le mode de chauffage) et la nourrice N1 est connectée en aval de cette zone. Le système de contrôle 2 comporte des organes de pompage P1, P5 pour faire circuler un fluide caloporteur dans chacun des deux circuits C1, C2. Les pompes sont typiquement placées entre l'une des deux nourrices et la partie de circuit externe au boîtier ou appareil renfermant les unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44, 45, 46. Les pompes peuvent être classiques ou former des dispositifs de circulation à vitesse variable.
  • Le schéma des connexions fluidiques montré à la figure 2 montre un organe de pompage P1 utilisé par le premier circuit C1 pour faire circuler le fluide caloporteur dans la zone pour l'échange de chaleur avec la source puis au moins dans le premier échangeur 41 a de l'unité d'entrée 41. Un organe de pompage P5 est utilisé de manière similaire par le deuxième circuit C2 pour faire circuler le fluide caloporteur au moins dans le second échangeur 44b de l'unité de sortie 44 et ensuite l'acheminer dans la zone pour l'échange de chaleur utile.
  • Toujours en référence à la figure 2, un nombre de pompes P1-P5 supérieur à celui du nombre d'unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44 est prévu ici pour permettre d'alimenter différemment en fluide chacune des ces unités. Les vannes V1-V20, qui sont par exemple des électrovannes, sont ici en nombre supérieur ou égal au quadruple du nombre d'unité thermoélectriques 41, 42, 43, 44.
  • La figure 3 montre le cas de la configuration en « tout parallèle », dans laquelle le dispositif de commande active :
    • d'une part la circulation du fluide caloporteur en parallèle dans les premiers échangeurs 41 a, 42a, 43a, 44a, par actionnement de la pompe P1 ; et
    • d'autre part la circulation du fluide caloporteur en parallèle dans les seconds échangeurs 41 b, 42b, 43b, 44b, par actionnement de la pompe P5
  • Dans ce cas, les vannes V3-V4, V9-V10 et V15-V16 restent à l'état fermé et seules les deux pompes principales P1, P5 fonctionnent. Les quatre nourrices N1-N4 sont entièrement ouvertes, de façon à alimenter directement tous les échangeurs, par l'intermédiaire des conduites reliant les nourrices aux unités thermoélectriques. Pour N unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44, ce nombre de conduites est par exemple de 4N.
  • Une unité du système échangeur 4 peut aisément être isolée puisqu'il suffit de fermer les vannes respectives des quatre conduites reliant les échangeurs de cette unité aux nourrices. Bien entendu, la ou les vannes reliant un échangeur adjacent à l'échangeur de l'unité que l'on veut isoler doivent être fermées. A titre d'exemple, l'unité 44 pourrait être isolée en fermant les vannes V15-V18 et V19. Bien entendu, le dispositif de commutation 20 serait commandé en correspondance pour ne pas alimenter électriquement la ou les CEP de cette unité thermoélectrique 44.
  • La configuration en « tout cascade » par utilisation des mêmes quatre unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44 est permise comme illustré à la figure 4 en générant une circulation séparée de fluide caloporteur dans les boucles intermédiaires traversant chacune un premier échangeur et un second échangeur d'une paire d'unités thermoélectriques 41-42, 42-43, 43-44. Ici, les organes de pompage P1-P5 sont tous en fonctionnement et on peut distinguer :
    • une boucle d'entrée, formant un circuit du côté de la source, qui traverse le premier échangeur 41 a de l'unité d'entrée 41, et permettant au fluide caloporteur de circuler au niveau des nourrices N1 et N2 ;
    • une pluralité de boucles intermédiaires ici au nombre de trois ; et
    • une boucle de sortie, formant un circuit du côté utile, qui traverse le second échangeur 44b de l'unité de sortie 44, et permettant au fluide caloporteur de circuler au niveau des nourrices N3 et N4.
  • La pompe P1 permet le passage dans le premier échangeur 41 a de l'unité d'entrée 41 du fluide ayant prélevé des calories à la source. Seules les vannes V3-V4, V9-V10, V15-V16 et V19-V20 sont ouvertes. Par l'intermédiaire des transferts de chaleur étagés réalisés entre les différentes unités 41, 42, 43, 44, c'est le fluide mis en circulation dans la boucle de sortie par la pompe P5 qui transmet finalement des calories dans la partie échangeuse du côté utile. Dans cette configuration, les organes de pompage P2, P3 et P4 permettent chacune de faire circuler un fluide caloporteur dans une boucle fermée qui ne traverse ni le premier échangeur 41 a de l'unité d'entrée 41 ni le second échangeur 44b de l'unité de sortie 44. Comme cela est visible à la figure 4, les boucles fermées intermédiaires sont formées en associant un premier échangeur 42a, 43a, 44a à un second échangeur 41 b, 42b, 43b.
  • Le nombre d'unités thermoélectriques configurées en cascade peut aisément varier, le mécanisme d'isolation d'une unité thermoélectrique précédemment décrit restant applicable pour une déconnexion sélective de l'alimentation en fluide et en électricité d'une des unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44.
  • En référence à la figure 5, une configuration en parallèle de deux paires d'unités thermoélectriques 41-42 et 43-44 utilisant chacune l'association en cascade est activée. Cette association mixte permet d'utiliser les pompes P1 et P5 pour alimenter des échangeurs 41a, 42b, 43a, 44b appartenant à des unités thermoélectriques distinctes 41, 42, 43, 44. Les vannes V7-V8, V11-V12 et V19- V20 sont ouvertes à cet effet. Le reste des échangeurs est alimenté en fluide grâce aux pompes P2 et P4 de deux boucles intermédiaires qui assurent la cascade entre les unités 41 et 42 et les unités 43 et 44. Seules les vannes V3, V4, V15 et V16 autorisent la circulation du fluide vers l'échangeur adjacent, à savoir la circulation entre l'échangeur 41 b et 42a et entre l'échangeur 43b et 44a.
  • En référence à la figure 1, pour le choix des commandes de sortie qui vont permettre de configurer l'alimentation électrique et le mode de connexion fluidique, l'unité de contrôle électronique ECU peut utiliser différentes entrées analogiques, par exemple fournies à l'aide de premiers capteurs de température 31 et de deuxièmes capteurs de température 32. Les premiers capteurs 31 délivrent par exemple des signaux représentatifs de températures caractéristiques des deux circuits d'échange de chaleur, comme les températures de départ et de retour du fluide caloporteur dans le circuit émetteur C1, les températures de départ et de retour du fluide caloporteur dans le circuit extérieur C2. Les deuxièmes capteurs de température 32 permettent de mesurer la température extérieure à l'habitation ou local similaire équipé avec la pompe à chaleur, ainsi que la température ambiante de l'habitation. Plus généralement, l'ensemble de capteurs de température 31, 32 est prévu pour fournir des informations suffisantes pour une estimation des conditions dans lesquelles est réalisé le transfert de chaleur.
  • L'unité de contrôle électronique ECU reçoit aussi des entrées tout ou rien, numériques dans un mode de réalisation préféré, pouvant correspondre à l'un au moins des ordres suivants :
    • Commande de mise en marche de la pompe à chaleur, avec par exemple une mise sous tension de l'automate (cet ordre est typiquement manuel et donné par l'utilisateur en appuyant sur un bouton en façade) ;
    • Commande de mise en marche du mode chauffage (cet ordre est également typiquement manuel) ;
    • Commande de mise en marche du mode rafraîchissement (cet ordre est également typiquement manuel) ; et
    • L'ordre de chauffage ou de rafraîchissement par le thermostat d'ambiance en fonction de l'écart de température entre la température ambiance et la consigne dans l'habitat.
  • Un convertisseur CAN de l'unité de contrôle électronique ECU permet de collecter les différentes entrées. L'exploitation des informations correspondantes peut être réalisée au niveau de l'unité de contrôle électronique ECU du dispositif de commande. On comprend que la température de consigne (il peut s'agir d'une température ambiante souhaitée) indiquée par l'utilisateur est prise ainsi en compte de façon à déterminer la température qu'il faudrait atteindre dans les circuits de fluide caloporteur pour répondre à la demande de l'utilisateur. La connaissance de la résistance thermique globale de l'échangeur et préférentiellement de la température extérieure et la résistance thermique globale de l'habitat peuvent permettre une corrélation entre une température de consigne paramétrée directement par un utilisateur et le besoin réel en transfert de chaleur.
  • Ainsi, un asservissement d'un paramètre représentatif du besoin en transfert de chaleur, par exemple une température moyenne d'eau obtenue à partir des températures mesurées par deux des capteurs 31, peut être mis en oeuvre par utilisation d'un paramètre de consigne correspondant. Ce paramètre de consigne prend ici en compte la température de consigne paramétrée par l'utilisateur. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'écart entre le paramètre de consigne et le paramètre correspondant estimé en temps réel est calculé par exploitation des mesures des capteurs 31, 32. Un algorithme de l'unité de contrôle électronique ECU est prévu pour effectuer ce calcul et réaliser une corrélation, en fonction de ladite consigne de température et des signaux délivrés par l'ensemble des premiers et deuxièmes capteurs de température 31, 32, entre des besoins de transfert de chaleur et un unique mode de fonctionnement optimal. Pour cela, le calcul de l'écart au paramètre de consigne permet au thermostat d'ambiance de délivrer l'ordre de chauffage ou de rafraîchissement.
  • Dans l'exemple de la figure 1, qui correspond à un mode de fonctionnement par chauffage en utilisant les deux unités thermoélectriques 41, 42, le mode de fonctionnement a ainsi été déterminé à l'aide de l'algorithme de l'unité de contrôle électronique ECU pour maximiser le coefficient de performance de la pompe à chaleur. De manière non limitative, l'algorithme calcule typiquement dans ce cas deux paramètres tels que la puissance de chauffage et la température moyenne d'eau (ou fluide caloporteur similaire) de celui des circuits qui est émetteur de chaleur. Ce couple de paramètres permet, par exemple par utilisation d'une table de correspondance, de trouver le nombre de modules thermoélectriques 3 optimal pour le besoin ainsi que le courant optimal pour ces modules thermoélectriques 3. Le choix du mode d'alimentation se fait alors dans la configuration qui se rapproche le plus des paramètres d'optimisation ainsi déterminés. L'algorithme peut ainsi, à l'aide de la table de correspondance, sélectionner un des points de fonctionnement prédéterminés des modules 3, en fonction du paramètre de consigne et des signaux délivrés par l'ensemble de capteurs de température 31, 32. Ensuite, une configuration adaptée des vannes V1-V20 et des pompes P1-P5 peut être paramétrée en fonction du point de fonctionnement sélectionné.
  • On comprend que le nombre de modules thermoélectriques 3 en fonctionnement peut avantageusement évoluer de façon dynamique pour répondre à un large nombre de couples (Quantité de chaleur pour le chauffage/Température moyenne de l'eau du circuit émetteur) et (Quantité de chaleur pour le rafraîchissement/ Température moyenne de l'eau du circuit émetteur). Comme ce couple varie en fonction du temps et de la conception du système global intégrant la pompe à chaleur, le processus de détermination par l'algorithme du nombre de modules thermoélectriques 3 en fonctionnement doit être répété régulièrement, avec une détermination simultanée du mode d'alimentation optimal de ce nombre déterminé de modules 3 qui satisfait le besoin réel pour la consommation électrique minimale.
  • Il est important de noter que, dans les modes de réalisation représentés, le nombre de modules thermoélectriques 3 alimentés est directement lié au nombre d'unités thermoélectriques en fonctionnement. En effet tous les modules 3 d'une unité thermoélectrique fonctionnent de la même manière. On comprend dans ce cas qu'il ne peut y avoir par exemple la moitié des modules 3 d'une même unité thermoélectrique en fonctionnement et l'autre à l'arrêt.
  • L'unité de contrôle électronique ECU montrée sur la figure 1 peut comporter un module de paramétrage pour paramétrer un nombre défini de modes de fonctionnement prédéterminés de la pompe à chaleur, de façon à définir des configurations chacune différentes, dans le but de mieux correspondre à un besoin spécifique en transfert de chaleur. Les modes de fonctionnement sont paramétrés par le module de paramétrage en fonction, d'une part, d'un nombre de modules thermoélectriques 3 qui sont activés, et d'autre part, de tensions d'alimentation chacune associées aux modules thermoélectriques 3 qui sont activés.
  • Comme l'augmentation de la tension d'alimentation affectée à chaque module thermoélectrique 3 a tendance à abaisser le COP au-delà d'une certaine valeur et pour des conditions de température données, la faculté de modifier les connexions fluidiques permet d'ajouter des options pour lesquelles il n'est pas nécessaire d'augmenter la tension d'alimentation au-delà de ce qui est suffisant pour obtenir un point de fonctionnement optimal du module 3. C'est pourquoi le dispositif de commande peut avantageusement configurer les moyens de réglages de la tension d'alimentation des unités et la pluralité de vannes V1-V20 de façon à sélectionner un mode de chauffage avec un nombre de modules thermoélectriques 3 (par une alimentation sélective des unités 41-46) suffisant pour répondre aux besoins de transfert de chaleur, et délivrer un courant d'alimentation juste suffisant pour optimiser le COP. Pour un couple de températures mesurées dans les deux circuits, il existe un courant d'alimentation unique pour lequel un module thermoélectrique 3 considéré possède un COP maximal (cf. figure 5 de la demande de brevet FR n° 09 59196 , illustrant un exemple de modélisation appelé « loi d'eau » dans le cas où le fluide caloporteur est de l'eau). Autrement dit, on peut associer à un tel point de fonctionnement un couple unique de flux de chaleur pour le transfert de chaleur dans les deux circuits émetteur et récepteur de chaleur.
  • En référence à la figure 8, la pompe à chaleur peut être contrôlée en procédant comme suit :
    • on connecte dans une étape préliminaire la pompe à chaleur à la source de courant électrique 8 ;
    • on programme lors d'une première étape de paramétrage 61 au moins une consigne de température ;
    • on délivre à la suite d'une étape de mesure 62, par les capteurs de température 31, 32, des signaux représentatifs de températures caractéristiques des deux circuits d'échange de chaleur ;
    • lors d'une étape 63 de détermination des besoins en transfert de chaleur, on utilise l'algorithme de l'unité contrôle électronique ECU et on calcule en fonction de la consigne de température et des signaux délivrés par l'ensemble de capteurs de température 31, 32 des paramètres représentatifs d'un besoin de transfert de chaleur (pouvant inclure la puissance de chauffage ou de rafraîchissement et une température caractéristique dans le circuit émetteur d'un tel chauffage ou rafraîchissement) ;
    • dans une étape 64 mise en oeuvre par l'algorithme de l'unité contrôle électronique ECU, on détermine le nombre de modules thermoélectriques 3 suffisant (en fonction du couple puissance/température du fluide dans les circuits), de façon à conserver un COP optimisé ; un courant d'alimentation optimal de ces modules thermoélectriques 3 est également déterminé ; en pratique, c'est une sélection de configuration d'alimentation fluidique et électrique, avec l'activation d'un nombre déterminé d'unités thermoélectriques, qui permet d'obtenir un fonctionnement optimal de la pompe à chaleur (fonctionnement dans lequel chacun des modules thermoélectriques 3 a une puissance optimale et la puissance fournie coïncide avec la puissance utile désirée).
  • En référence à la figure 7, les configurations optimales sont sélectionnées en fonction du couple température de fluide / puissance utile désiré (couple également appelé « régime d'eau »). Le graphique illustré montre ici douze configurations A1-A12 pouvant être obtenues à partir d'un ensemble de douze unités thermoélectriques. Ces configurations sont activées à l'aide de vannes de manière complètement similaire à ce qui a été décrit ci-dessus en référence aux figures 2-5. Ainsi, l'algorithme de l'unité de contrôle électronique ECU est ici adapté pour sélectionner un mode de fonctionnement correspondant à l'une des configurations suivantes :
    • une première configuration A1 avec douze unités en cascade, bien adaptée lorsqu'il y a un faible besoin en puissance P ;
    • une deuxième configuration A2 avec six des unités en cascade ;
    • une troisième configuration A3 avec quatre des unités en cascade ;
    • une quatrième configuration A4 avec trois unités en cascade ;
    • une cinquième configuration A5 avec deux unités en cascade ;
    • une sixième configuration A6 de type « 3*4 » avec trois groupes en parallèle utilisant chacun quatre unités associées en cascade ;
    • une septième configuration A7 avec une seule unité ;
    • une huitième configuration A8 de type « 4*3 » avec quatre groupes en parallèle utilisant chacun trois unités associées en cascade ;
    • une neuvième configuration A9 avec deux des unités associées en parallèle ;
    • une dixième configuration A10 avec trois des unités associées en parallèle ;
    • une onzième configuration A11 avec six des unités associées en parallèle ;
    • une douzième configuration A12 avec les douze unités associées en parallèle, permettant de fournir une puissance élevée.
  • Le graphique de la figure 7 reflète ainsi une cartographie de la pompe à chaleur que l'on peut avantageusement utiliser avec la loi d'eau qui définit l'évolution du couple température de fluide T / Puissance utile P. On comprend que, pour n'importe lequel des points de fonctionnement formant la loi d'eau, il est possible de déterminer la configuration optimale des unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44, 45, 46. Il est visible sur la figure 7 que la sélection d'une configuration dans la large gamme de configurations A1-A12 permet de maintenir les performances de la pompe à chaleur à niveau élevé (avec un haut COP), et cela pour n'importe quel besoin en puissance utile. La loi d'eau imposera typiquement de n'utiliser les configurations A1-A6 que dans le cas de faibles besoins, c'est-à-dire pour un couple Température de fluide/Puissance utile avec des valeurs basses. Par exemple un besoin correspondant à une puissance P inférieure à ce qui peut être obtenu avec une seule unité (configuration A7) pourrait être satisfait de manière optimale avec l'une des configurations A1-A6. Un tel besoin correspond à une puissance par exemple inférieure à 120 W et à une température désirée du côté utile n'excédant pas de plus de 10°C la température du côté source (avec une température du côté source typiquement de l'ordre de 285 K).
  • En référence à la figure 8, en fonction de la configuration sélectionnée, l'unité d'alimentation électrique 10 alimente, à partir de la source de courant électrique 8, les unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44 qui ont été judicieusement associées comme décrit ci-dessus. La tension délivrée au niveau de chacune des connexions de sortie S1, S2, S3, S4 de l'unité d'alimentation électrique 10 est alors réglée de manière adéquate, grâce aux moyens de l'unité 10 pour modifier l'alimentation électrique de chacune des unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44, 45, 46. On peut ainsi obtenir la puissance utile souhaitée.
  • Lors d'une étape de sélection 65, on commande les moyens de réglages de la tension d'alimentation des unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44 en fonction de l'étape précédente 64 (i.e. en correspondance avec le mode de fonctionnement choisi). Lorsqu'une configuration en cascade est utilisée, le mode d'alimentation retenu permet de sélectionner des courants différents entre les unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44 associées en cascade, de façon à ce que le différentiel de température reste constant entre les faces de chacune des CEP.
  • Dans la configuration d'alimentation fluidique et électrique retenue, il est permis d'atteindre ou de s'approcher au plus près du COP optimal pour chacun des modules thermoélectriques 3. En effet, en fonction de la variation de la température extérieure mesurée par l'un des capteurs 32, le dispositif de commande est capable de piloter les vannes V1-V20 et les organes de pompage P1-P5. Un changement de température de consigne sera pris en compte par le dispositif qui ajustera aussitôt le mode de fonctionnement.
  • Dans ce qui précède, il peut être prévu d'utiliser un débit sensiblement constant, dans chacune des boucles de circulation en parallèle et dans les boucles de circulation en cascade. Le débit est par exemple adapté au cas dans lequel toutes les unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44 sont en fonctionnement. Mais bien entendu, le système de contrôle 2 peut aussi présenter un dispositif de circulation à vitesse variable qui permet par exemple de baisser le débit dans des modes de fonctionnement qui génèrent plus de pertes de charge, par exemple dans le cas d'une circulation en cascade dans plusieurs unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44. Ceci permet de faire baisser la consommation électrique des moyens de pompage.
  • L'unité de contrôle électronique ECU peut inclure un algorithme de gestion de données représentatives de la vitesse du fluide et de données de consommation électrique des moyens de pompage pour sélectionner le débit de circulation dans les boucles respectives. Les caractéristiques liées au transfert convectif peuvent être ainsi évaluées en fonction des vitesses de circulation et l'algorithme de gestion peut alors paramétrer la vitesse la plus intéressante pour améliorer les performances de la pompe à chaleur. A titre d'exemple, lorsque des unités thermoélectriques seront déconnectées du système échangeur 4 (plus d'alimentation en fluide ni d'alimentation électrique), l'algorithme de gestion peut commander un changement de vitesse de circulation de fluide après une analyse comparative globale des performances de la pompe à chaleur.
  • Un des avantages de l'invention est d'optimiser l'utilisation du système échangeur 4 dans le cas notamment où la puissance utile désirée est inférieure à la puissance optimale générée par une seule unité thermoélectrique. En outre, on peut fournir à l'opérateur un moyen d'optimiser la consommation électrique de la pompe à chaleur tout en utilisant des modules thermoélectriques 3 qui peuvent être identiques (système modulaire). L'optimisation est automatisée pour assurer un fonctionnement performant de la pompe à chaleur. La rapidité de réponse et la flexibilité du système de contrôle 2 sont également des avantages d'une telle pompe à chaleur.
  • On comprend que chacune des formes et des détails de réalisation décrits précédemment peuvent être utilisés isolément ou en combinaison. Il doit être évident pour les personnes versées dans l'art que la présente invention permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans l'éloigner du domaine d'application de l'invention comme revendiqué. On comprend notamment que le système de contrôle 2 n'est pas limité aux exemples particuliers décrits en liaison avec les figures 1 et 2 et peut utiliser différents types de moyens d'asservissement permettant de commander un dispositif de commutation ou autres moyens de réglage de la tension, en fonction de signaux et/ou données représentatives d'une ou plusieurs températures de consigne et d'une ou plusieurs températures mesurées.
  • L'unité d'alimentation électrique 10 peut se présenter sous différentes formes et peut comporter des dispositifs d'alimentation électrique physiquement séparés et/ou être raccordée à plusieurs sources de courant. Par exemple on peut utiliser, en fonction des conditions de fonctionnement, au moins un courant d'un réseau urbain et/ou et le courant fourni par un équipement additionnel à cellules photovoltaïques ou convertissant en électricité une énergie extérieure.
  • Par ailleurs, le couplage/découplage thermique entre les sources alimentant les échangeurs des unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44 peut être utilisé dans une pompe à chaleur seulement en association avec l'alimentation sélective de ces unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44. Dans un tel mode de réalisation, le réglage de la tension délivrée par chacune des connexions de sortie S1, S2, S3, S4 est donc optionnel et peut être supprimé. Dans ce cas, même en l'absence de fonctions d'ajustement des niveaux de tension, on obtient avantageusement une pompe à chaleur d'un coût moindre et permettant de s'adapter efficacement aux besoins en s'approchant d'un point de fonctionnement optimal : le dispositif de commande permet un paramétrage sélectif du nombre de modules thermoélectriques 3 et active une configuration adéquate du dispositif de couplage/découplage thermique associé aux unités thermoélectriques 40, 41, 42, 43, 44.

Claims (15)

  1. Pompe à chaleur thermoélectrique, comprenant deux circuits (C1, C2) d'échange de chaleur et une pluralité d'unités thermoélectriques (41, 42, 43, 44) de transfert de chaleur d'un premier groupe comprenant chacune :
    - un premier échangeur (41 a, 42a, 43a, 44a) ;
    - un second échangeur (41 b, 42b, 43b, 44b) ; et
    - au moins un module thermoélectrique (3) adapté pour transférer de la chaleur entre les deux échangeurs ;
    caractérisée en ce qu'elle comprend un système de contrôle (2) qui comporte au moins une unité d'alimentation électrique (10) permettant d'alimenter électriquement chacune des unités thermoélectriques (41, 42, 43, 44) ;
    en ce que ladite pluralité d'unités thermoélectriques (41, 42, 43, 44) comprend une unité d'entrée (41) dont le premier échangeur (41 a) est connecté à un premier circuit (C1) des deux circuits et une unité de sortie (44) dont le second échangeur (44b) est connecté à un deuxième circuit (C2) des deux circuits, le système de contrôle (2) comprenant une pluralité de vannes (V1-V20) associées à un dispositif de commande adapté pour paramétrer une configuration en cascade dans laquelle le second échangeur (41 b) de l'unité d'entrée est connecté à un premier échangeur (42a ; 44a) de ladite pluralité d'unités thermoélectriques, et le premier échangeur (44a) de l'unité de sortie (44) est connecté à un second échangeur (41 b ; 43b) de ladite pluralité d'unités thermoélectriques,
    et en ce que le dispositif de commande comprend une unité de contrôle électronique (ECU) qui comporte :
    - des moyens de paramétrer un nombre défini de points de fonctionnement prédéterminés des modules thermoélectriques (3) de la pompe à chaleur; et
    - un algorithme adapté pour sélectionner un des points de fonctionnement prédéterminés pour les modules thermoélectriques dudit premier groupe et permettant d'activer un transfert de chaleur généré par ladite configuration en cascade en fonction de la sélection du point de fonctionnement.
  2. Pompe à chaleur thermoélectrique selon la revendication 1, dans laquelle ladite pluralité d'unités thermoélectriques (41, 42, 43, 44) du premier groupe comporte en outre au moins une unité intermédiaire (42, 43) présentant :
    - un premier échangeur (42a, 43a) connecté dans ladite configuration en cascade à un second échangeur (41b, 42b) d'une autre unité (41, 42) de ladite pluralité d'unités thermoélectriques ; et
    - un second échangeur (42b, 43b) connecté dans ladite configuration en cascade à un premier échangeur (43a, 44a) d'une autre unité (43, 44) de ladite pluralité d'unités thermoélectriques.
  3. Pompe à chaleur thermoélectrique selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre une autre pluralité d'unités thermoélectriques (45, 46) de transfert de chaleur d'un deuxième groupe comprenant chacune :
    - un premier échangeur (45a, 46a) ;
    - un second échangeur (45b, 46b) ;
    - au moins un module thermoélectrique (3) adapté pour transférer de la chaleur entre les deux échangeurs ;
    le dispositif de commande étant adapté pour faire fonctionner les groupes d'unités thermoélectriques dans au moins une configuration en parallèle choisie parmi :
    - une configuration dans laquelle toute les unités thermoélectriques alimentées électriquement sont en parallèle entre elles ; et
    - une configuration dans laquelle une partie des unités thermoélectriques alimentées électriquement sont dans une configuration en cascade à l'intérieur du premier groupe d'unités thermoélectriques.
  4. Pompe à chaleur thermoélectrique selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le dispositif de commande est adapté en outre pour paramétrer une configuration en parallèle dans laquelle les premiers échangeurs (41 a, 42a, 43a, 44a ; 45a, 46a) de ladite pluralité d'unités thermoélectriques (41, 42, 43, 44) dudit premier groupe et/ou d'au moins une unité thermoélectrique (45, 46) de même nature que les unités thermoélectriques du premier groupe et pouvant appartenir à un deuxième groupe sont connectés au premier circuit (C1) et les seconds échangeurs (41 b, 42b, 43b, 44b ; 45b, 46b) des mêmes unités thermoélectriques sont connectés au deuxième circuit (C2), ce grâce à quoi des premiers échangeurs (41 a, 42a, 43a, 44a ; 45a, 46a) peuvent être connectés au premier circuit (C1) en parallèle et des seconds échangeurs (41 b, 42b, 43b, 44b ; 45b, 46b) peuvent être connectés au deuxième circuit (C2) en parallèle.
  5. Pompe à chaleur thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant :
    - des premiers organes de pompage (P1, P5) adaptés pour faire circuler un fluide caloporteur, utilisé par le premier circuit (C1), au moins dans le premier échangeur (41 a) de l'unité d'entrée (41) et pour faire circuler un fluide caloporteur, utilisé par le deuxième circuit (C2), au moins dans le second échangeur (44b) de l'unité de sortie (44) ; et
    - des deuxièmes organes de pompage (P2, P3, P4) adaptés pour faire circuler dans ladite configuration en cascade un fluide caloporteur dans une boucle fermée qui ne traverse ni le premier échangeur (41 a) de l'unité d'entrée (41) ni le second échangeur (44b) de l'unité de sortie (44), la boucle fermée comprenant au moins un premier échangeur (42a, 43a, 44a) et au moins un second échangeur (41 b, 42b, 43b) de ladite pluralité d'unités thermoélectriques formant le premier groupe.
  6. Pompe à chaleur thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un ensemble de capteurs de température (31, 32) adaptés pour délivrer notamment des signaux représentatifs de températures caractéristiques des deux circuits d'échange de chaleur (C1, C2), le dispositif de commande étant relié à un dispositif d'entrée d'une température de consigne, l'algorithme du dispositif de commande étant adapté pour sélectionner un des points de fonctionnement prédéterminés en fonction de ladite consigne de température et des signaux délivrés par ledit ensemble de capteurs de température, une configuration de ladite pluralité de vannes (V1-V20) étant ensuite paramétrée en fonction du point de fonctionnement sélectionné.
  7. Pompe à chaleur thermoélectrique selon la revendication 9, dans laquelle le dispositif de commande est adapté pour modifier l'alimentation électrique et une alimentation hydraulique de chacune des unités thermoélectriques (41, 42, 43, 44, 45, 46) en fonction de la configuration paramétrée pour la pluralité de vannes (V1-V20).
  8. Pompe à chaleur thermoélectrique selon la revendication 9 ou 10, dans laquelle ledit algorithme est adapté pour effectuer une corrélation, en fonction de ladite consigne de température et des signaux délivrés par ledit ensemble de capteurs de température (31, 32), entre des besoins de transfert de chaleur et un unique mode de fonctionnement, de façon à choisir le mode de fonctionnement qui maximise le coefficient de performance de la pompe à chaleur.
  9. Pompe à chaleur thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ladite unité d'alimentation électrique (10) comprend des moyens d'ajustement pour délivrer, dans la configuration en cascade des courants différents à l'unité d'entrée et à l'unité de sortie.
  10. Pompe à chaleur thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'unité de contrôle électronique (ECU) comprend un module de paramétrage pour paramétrer un nombre défini de modes de fonctionnement prédéterminés de la pompe à chaleur, qui correspondent à des besoins différents en puissance de transfert de chaleur, le module de paramétrage comprenant ledit algorithme et lesdits moyens de paramétrer un nombre défini de points de fonctionnement prédéterminés des modules thermoélectriques (3) de la pompe à chaleur, l'algorithme permettant de sélectionner l'un des modes de fonctionnement de la pompe à chaleur de façon à minimiser la puissance électrique totale consommée par les modules thermoélectriques tout en répondant aux besoins en transfert de chaleur.
  11. Pompe à chaleur thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle chacune des unités thermoélectriques (41, 42, 43, 44) du premier groupe comprend au moins une vanne (v1, v2) adaptée pour couper sélectivement la circulation de fluide caloporteur dans les échangeurs de l'unité thermoélectrique.
  12. Pompe à chaleur thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le dispositif de commande est adapté pour paramétrer un nombre d'unités thermoélectriques (41, 42, 43, 44) en cascade entre elles de 0 à N, où N est un nombre entier supérieur ou égal à deux, et supérieur ou égal à quatre dans des modes de réalisation préférés.
  13. Procédé de contrôle d'une pompe à chaleur thermoélectrique, dans lequel on fait circuler un fluide caloporteur respectivement dans deux circuits (C1, C2) d'échange de chaleur d'une pompe à chaleur thermoélectrique qui comprend une pluralité d'unités thermoélectriques (41, 42, 43, 44) de transfert de chaleur formant un premier groupe et comprenant chacune :
    - un premier échangeur (41 a, 42a, 43a, 44a) ;
    - un second échangeur (41 b, 42b, 43b, 44b) ;
    - au moins un module thermoélectrique (3) adapté pour transférer de la chaleur entre les deux échangeurs ;
    le procédé comprenant les étapes qui consistent à :
    - connecter un premier échangeur (41 a) d'une unité d'entrée (41) de ladite pluralité d'unités thermoélectriques à un premier circuit (C1) des deux circuits ;
    - connecter un second échangeur (44b) d'une unité de sortie (44) de ladite pluralité d'unités thermoélectriques à un deuxième circuit (C2) des deux circuits ;
    - alimenter à partir d'une source de courant électrique (8) au moins l'unité d'entrée (41) et l'unité de sortie (44) desdites unités thermoélectriques (41, 42, 43, 44) par au moins une unité d'alimentation électrique (10) présentant une pluralité de connexions de sortie (S1, S2, S3, S4, S5) et/ou au moins une unité thermoélectrique (45, 46) de transfert de chaleur faisant partie d'un deuxième groupe ;
    - entrer une consigne de température ;
    - délivrer, par un ensemble de capteurs de température (31, 32), des signaux représentatifs de températures caractéristiques des deux circuits (C1, C2) d'échange de chaleur ;
    - sélectionner un mode de fonctionnement prédéterminé de la pompe à chaleur pour répondre à des besoins en transfert de chaleur, chacun des modes de fonctionnement pouvant être sélectionnés résultant d'une utilisation des modules thermoélectriques (3) de la pompe à chaleur à des points de fonctionnement prédéterminés ; et
    - pour permettre une utilisation des modules thermoélectriques dudit premier groupe à des points de fonctionnement qui minimisent la puissance électrique consommée tout en contribuant à répondre aux besoins en transfert de chaleur, transférer de la chaleur par une configuration en cascade dans laquelle le second échangeur (41 b) de l'unité d'entrée (41) est connecté à un premier échangeur (42a ; 44a) de ladite pluralité d'unités thermoélectriques , et le premier échangeur (44a) de l'unité de sortie (44) est connecté à un second échangeur (41 b ; 43b) de ladite pluralité d'unités thermoélectriques.
  14. Procédé de contrôle selon la revendication 13, dans lequel on contrôle en outre l'alimentation électrique des unités thermoélectriques (41, 42, 43, 44) du premier groupe et on fait circuler un fluide caloporteur dans des canalisations identiques ou symétriques des premier et second échangeurs (41 a-41 b, 42a-42b, 43a-43b, 44a-44b) de chaque unité thermoélectrique électriquement alimentée, de façon à conserver une différence de température sensiblement constante entre les faces des modules thermoélectriques (3) dudit premier groupe.
  15. Procédé de contrôle selon la revendication 13 ou 14, comportant les étapes suivantes :
    - fermer deux vannes (V1, V2) raccordées au second échangeur (41b) de l'unité d'entrée (41) pour déconnecter du deuxième circuit (C2) le second échangeur (41 b) de l'unité d'entrée ;
    - fermer deux vannes (V5, V6 ; V17, V18) raccordées à un premier échangeur déterminé (42a ; 44a) de ladite pluralité d'unités thermoélectriques, distinct du premier échangeur (41 a) de l'unité d'entrée, pour déconnecter du premier circuit (C1) ledit premier échangeur (42a ; 44a) déterminé ;
    - ouvrir deux vannes (V3, V4) raccordées au second échangeur (41b) de ladite unité d'entrée (41) pour faire circuler un fluide caloporteur entre le premier échangeur déterminé (42a; 44a) et le second échangeur (41b) de l'unité d'entrée (41) ; et
    - optionnellement lorsque le premier groupe comprend au moins trois unités thermoélectriques, ouvrir deux vannes (V15, V16) raccordées au premier échangeur (44a) de l'unité de sortie (44) pour faire circuler un fluide caloporteur entre un second échangeur du premier groupe, distinct du second échangeur (44b) de l'unité de sortie (44), et le premier échangeur (44a) de l'unité de sortie (44).
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