EP3587954A1 - Installation de production d'eau chaude sanitaire et procédé de pilotage de celle-ci - Google Patents

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EP3587954A1
EP3587954A1 EP19182417.6A EP19182417A EP3587954A1 EP 3587954 A1 EP3587954 A1 EP 3587954A1 EP 19182417 A EP19182417 A EP 19182417A EP 3587954 A1 EP3587954 A1 EP 3587954A1
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EP
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refrigerant
condenser
heat pump
installation
hot water
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EP19182417.6A
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Kevin Ruben DEUTZ
Odile Cauret
François Courtot
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.)
Electricite de France SA
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Claude Bernard Lyon 1 UCBL
Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
Original Assignee
Electricite de France SA
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Claude Bernard Lyon 1 UCBL
Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
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Definitions

  • the invention relates to the field of thermodynamic water heaters, that is to say water heaters coupled to a heat pump.
  • the present invention relates more particularly to a domestic hot water production installation comprising a storage tank and domestic hot water production and a heat pump whose condenser allows a heat exchange with the water contained in said tank in order to heat it.
  • the invention also relates to a method for controlling this installation.
  • thermodynamic water heaters include a thermal storage tank coupled to a low power heat pump. Such an installation makes it possible to efficiently meet the demand for hot water in the dwellings.
  • the condenser of the heat pump is fixed relative to the tank and makes it possible to supply heat to most of the storage volume of this tank. This technique makes it possible to heat all of the water contained in the storage tank but with a consequent heating time. In the majority of the cases observed, it follows that the entire volume of water contained in the tank is heated independently of the demand for domestic hot water in the accommodation, and without the possibility of partial load of the tank.
  • This conventional system is therefore not very flexible and can cause a drop in comfort for the user, due to a lack of hot water which can be quite long. Indeed, after a significant hot water withdrawal, the tank reaches a low temperature level and it is necessary to wait for the complete heating of the tank to find a high temperature level at the outlet of the tank.
  • the refrigerant circulating in the heat pump is composed of a mixture of two refrigerants with different boiling points.
  • the heat pump includes an accumulator which makes it possible to vary the ratio between the two refrigerants circulating in the circuit of the heat pump. This accumulator is arranged downstream of the evaporator and upstream of the compressor.
  • this device does not make it possible to manage the additional volume of refrigerant to act on the total height of the condensation zone of the refrigerant in said condenser and its displacement over the height.
  • the object of the invention is to propose an installation for producing domestic hot water which makes it possible to respond effectively, continuously and inexpensively to the variation in hot water needs of the users of a thermodynamic water heater.
  • the invention relates to a domestic hot water production installation comprising a storage tank and domestic hot water production, a heat pump which comprises a compressor, a condenser, a pressure reducer and an evaporator mounted in series on a refrigerant circuit, the condenser making it possible to perform a heat exchange with the water contained in said tank, a device for introducing and extracting an additional volume of refrigerant in and out of said refrigerant circuit of the heat pump.
  • the installation comprises a central control unit of said device for introducing and extracting an additional volume of refrigerant, this unit being provided with a control interface, said condenser is a heat exchanger heat disposed around said tank or inside said tank over at least part of the height thereof, said central control unit acting on said device either to introduce an additional volume of refrigerant into the refrigerant circuit of the heat pump and cause the reduction of the total height of the condensing area of the refrigerant in said condenser and its upward movement of said condenser, either to extract a volume of refrigerant from the refrigerant circuit of the heat pump and cause the total height of the condensing region of the refrigerant in said condenser and its dep lacing down said condenser.
  • the invention also relates to a method for controlling the above-mentioned installation.
  • the invention also relates to a computer program comprising instructions for implementing the aforementioned control method when it is executed on the central unit.
  • the installation 1 comprises a storage tank 2 for producing and producing domestic hot water, coupled to a heat pump 3.
  • the balloon 2 extends vertically. It is for example conventionally a cylindrical balloon.
  • the heat pump 3 comprises a refrigerant circuit 30, inside which a refrigerant circulates, preferably a single fluid.
  • a compressor 31 On this circuit 30 are mounted in series: a compressor 31, a heat exchanger 32, (here a condenser) coupled to the tank 2, a pressure reducer 33 and another heat exchanger 34, which here acts as an evaporator.
  • the evaporator 34 is for example an air / refrigerant exchanger, which recovers the heat contained in the air, for example the air outside the building in which the installation 1 is located according to the invention.
  • the condenser 32 is a heat exchanger arranged vertically inside the tank 2 or preferably around it (see figures 1 and 2 ) over at least part of its height.
  • this condenser 32 is a tube 320, wound in a spiral over at least part of the height of the balloon 2. More preferably, this tube 320 extends over at least two thirds of the height of the balloon 2, from the bottom of it. It can also extend over the entire height of the balloon 2, as shown in the figures 1 and 2 .
  • the installation 1 also includes a device 4 for introducing and extracting an additional volume of refrigerant in and out of the refrigerant circuit 30 of the heat pump.
  • this introduction / extraction device 4 is connected to the portion 301 of the circuit 30 which extends between the downstream of the compressor 31 and the upstream of the condenser 32, relative to the direction of circulation of the fluid in the circuit 30.
  • This direction of traffic is symbolized by the arrows on the figures 1 and 2 .
  • This choice of positioning is motivated by the fact that it is at the outlet of the compressor 31 that the pressure is highest in the refrigerant circuit 30 and by the fact that the greater the pressure difference between the point of the circuit 30 from which the refrigerant is extracted and the bottle and the more the filling thereof is quick and efficient.
  • the device 4 comprises a storage bottle 40, connected to the portion 301 of the circuit 30 by a so-called “extraction” pipe 41, which opens in the upper part of the bottle 40.
  • the part lower of this bottle 40 is also also connected to the portion 301 of the circuit 30, by a pipe 42 called “introduction”, equipped with a valve 43, for example a solenoid valve.
  • This valve 43 is controlled by a central control unit 5, such as a unit for regulating the operation of the installation.
  • This central unit 5 is equipped with a computer program 50 comprising instructions for implementing the control of the installation 1.
  • the central unit 5 is also equipped with a control interface 51, by which the user of the installation 1 can act on said unit to give instructions and enter operating instructions.
  • This control interface 51 is for example a forced start button, a keyboard or a screen.
  • portion 301 of the circuit 30 has a reduction in section 300 at the level of which the pipe 42 opens.
  • the bottle 40 To charge the bottle 40 with refrigerant, it is kept at a temperature lower than the condensation temperature of the refrigerant circulating in the circuit 30. This has the effect of sucking up part of the refrigerant circulating in the circuit 30 to 1. inside the bottle 40. A fraction of the suctioned refrigerant condenses to obtain refrigerant in the low position of the bottle 40, and the rest of the refrigerant is in the form of a gas in the upper part of the bottle 40. A a certain volume of refrigerant is thus withdrawn from circuit 30.
  • the installation 1 comprises a central unit 7 for measuring the volume of domestic hot water consumed during a given period (for example an hourly or daily duration), prior to a given instant t.
  • This central unit 7 also makes it possible to record the data collected.
  • the measurement unit 7 is positioned inside the tank 2 or at the outlet thereof as shown in the figures, (for example on the hot water drawing pipe or.
  • Such a central unit 7 is advantageously connected to a learning program 52 of the central unit 5, to which it sends information on the consumption of domestic hot water.
  • This program 52 implements an algorithm for forecasting the consumption of hot water, for a future period, from the history of past consumption.
  • the central measurement unit 7 makes it possible to follow the evolution of the quantity of hot water present in the tank 2 and consequently the evolution of the consumption of hot water over time.
  • the forecast of domestic hot water consumption established using the learning program 52, then allows the computer program 50 of the central unit 5 to define a refrigerant charge instruction for the device 4.
  • the installation 1 also comprises a device 6 for measuring the charge (quantity) of refrigerant present in real time in the introduction / extraction device 4, for example in the bottle 40.
  • the device measure 6 is positioned in the bottle (as shown in the figures), or at the inlet or outlet thereof.
  • the device 6 is connected to the computer program 50 of the central unit 5 to send it the information collected.
  • the central unit 5 regulates the level of refrigerant in the device 4, for example by controlling the solenoid valve 43 (see figure 3 ).
  • this control by the central unit 5 can also be done as a function of the forecast of consumption of domestic hot water made by the learning and forecasting program 52.
  • the installation 1 can operate in "normal” mode, in “stimulated” (or “boost ”) mode , or in “learning” mode.
  • the figure 1 represents the normal operating mode of the installation.
  • the refrigerant leaves the compressor 31 at high temperature and in the vapor state and then enters the condenser 32 where it releases the accumulated heat and thus performs a heat exchange with the domestic water contained in the tank 2.
  • the condenser 32 here at the bottom of the figure 1 , the refrigerant cooled, in the liquid state and under high pressure enters the regulator 33 where its pressure decreases.
  • the low pressure and liquid refrigerant then enters the evaporator 34 where it accumulates heat coming from an external source, for example here the air, which has the effect of vaporizing the refrigerant which returns to the compressor 31 .
  • the quantity of refrigerant circulating in the circuit 30 then corresponds to the nominal quantity of fluid necessary for the normal operation of the heat pump 3.
  • the refrigerant enters the upper part of the condenser 32 where it desuperheats until it reaches its saturation temperature.
  • the desuperheating zone 321 the refrigerant gives up a small amount of energy, and the water contained in the tank 2 is little heated
  • This "normal" operating mode corresponds to a situation where the domestic hot water needs are significant but not urgent.
  • the quantity of refrigerant in circulation is nominal, condensation then takes place on most of the exchange surface with the tank 2.
  • the installation 1 can then switch to operation according to the "boost" or "stimulated” mode. This situation is represented on the figure 2 .
  • This transition to stimulated mode can for example be activated by the user of the installation who acts on the control interface 51 of the central unit 5.
  • the central unit 5 controls the device 4 and in particular the valve 43 so as to release an additional quantity of refrigerant contained in the bottle 40 to add it to the volume of fluid circulating in the circuit 30.
  • the pressure in the condenser 32 also increases relative to its level in "normal" mode.
  • the user enters the corresponding setpoint via the interface 51, which has the effect that the central unit 5 acts on the device 4 and on the valve 43 to close the latter.
  • the temperature difference between the bottle 40 and the temperature of the refrigerant circulating in the circuit 30 will have the effect of filling the bottle 40 again. This thus extracts the additional volume of refrigerant previously introduced into the circuit 30.
  • the pressure in the condenser 32 decreases, the extent of the sub-cooling zone 323 also decreases and the condensation zone 322 is again distributed over a greater part of the height of the condenser 32. We then find our in the normal operating situation represented on the figure 1 .
  • the program 52 makes it possible to establish forecasts of domestic hot water consumption over different periods (for example at different times of the day).
  • the learning program 52 sends data and instructions to the computer program 50.
  • the central unit 5 can then be controlled to act directly on the device 4 and allow the introduction of an additional volume of refrigerant in the circuit 30 of refrigerant or on the contrary its extraction and thus anticipate the production of domestic hot water according to the times of the day.

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Abstract

L'invention concerne une installation (1) de production d'eau chaude sanitaire comprenant un ballon (2) de stockage et de production d'eau chaude sanitaire couplé à une pompe à chaleur (3).Cette installation est remarquable en ce qu'elle comprend :- un dispositif (4) d'introduction et d'extraction d'un volume additionnel de fluide frigorigène dans et hors du circuit de fluide frigorigène de la pompe à chaleur,- une unité centrale (5) de pilotage dudit dispositifet en ce que le condenseur (32) de la pompe à chaleur est un échangeur de chaleur disposé autour dudit ballon (2) ou à l'intérieur dudit ballon sur au moins une partie de la hauteur de celui-ci, ladite unité centrale de pilotage (5) agissant sur ledit dispositif (4) pour introduire un volume additionnel de fluide frigorigène dans le circuit de fluide frigorigène et provoquer la réduction de la hauteur totale de la zone de condensation du fluide frigorigène dans ledit condenseur et son déplacement vers le haut dudit condenseur.

Description

    DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
  • L'invention se situe dans le domaine des chauffe-eau thermodynamiques, c'est-à-dire des chauffe-eau couplés à une pompe à chaleur.
  • La présente invention concerne plus particulièrement une installation de production d'eau chaude sanitaire comprenant un ballon de stockage et de production d'eau chaude sanitaire et une pompe à chaleur dont le condenseur permet de réaliser un échange thermique avec l'eau contenue dans ledit ballon afin de chauffer celle-ci.
  • L'invention concerne également un procédé de pilotage de cette installation.
    • ETAT DE LA TECHNIQUE
  • De façon classique, les chauffe-eau thermodynamiques comprennent un ballon de stockage thermique couplé à une pompe à chaleur de faible puissance. Une telle installation permet de satisfaire de façon efficace la demande en eau chaude des logements.
  • Le condenseur de la pompe à chaleur est fixe par rapport au ballon et permet de fournir de la chaleur à la plus grande partie du volume de stockage de ce ballon. Cette technique permet de chauffer l'ensemble de l'eau contenue dans le ballon de stockage mais avec un temps de chauffe conséquent. Dans la majorité des cas constatés, il en résulte que la totalité du volume d'eau contenue dans le ballon est chauffée indépendamment de la demande en eau chaude sanitaire dans le logement, et sans possibilité de charge partielle du ballon.
  • Ce système classique est donc peu flexible et peut engendrer une baisse de confort pour l'utilisateur, en raison d'un manque d'eau chaude pouvant être assez long. En effet, après un prélèvement d'eau chaude important, le ballon atteint un niveau de température bas et il faut attendre la chauffe complète du ballon pour retrouver un niveau de température élevé à la sortie du ballon.
  • Par ailleurs, on constate que, lorsque les besoins journaliers en eau chaude sanitaire sont faibles par rapport au volume du ballon, autrement dit lorsque le ballon est surdimensionné, un volume important d'eau chaude sanitaire se retrouve inutilisé. Ceci engendre des pertes thermiques vers l'air ambiant qui pénalisent l'efficacité thermique et économique globale de ce type de chauffe-eau.
  • On connaît, d'après le document US 2010/0193156 , une installation comprenant un ballon de stockage d'eau chaude sanitaire et une pompe à chaleur. L'eau contenue dans le ballon de stockage peut circuler dans un échangeur thermique de la pompe à chaleur, de façon à y récupérer des calories.
  • Par ailleurs, le fluide frigorigène circulant dans la pompe à chaleur est composé d'un mélange de deux fluides frigorigènes présentant des points d'ébullition différents. En outre, la pompe à chaleur comprend un accumulateur qui permet de faire varier le ratio entre les deux fluides frigorigènes circulant dans le circuit de la pompe à chaleur. Cet accumulateur est disposé en aval de l'évaporateur et en amont du compresseur.
  • En agissant sur le détendeur, il est ainsi possible de stocker plus de l'un des deux fluides frigorigènes dans l'accumulateur et de faire circuler plus de l'autre dans la pompe à chaleur.
  • Toutefois, cette installation ne permet pas de réguler le chauffage de l'eau contenue dans le ballon en fonction des besoins des utilisateurs.
  • On connaît également, d'après le document US 2009/0013702 , une installation comprenant une pompe à chaleur et un réservoir de stockage temporaire de fluide frigorigène qui, suivant son activation, permet de charger ou au contraire de décharger en fluide frigorigène, le circuit de fluide frigorigène de la pompe à chaleur.
  • Toutefois, une telle installation ne concerne pas un chauffe-eau d'eau chaude sanitaire.
  • On connaît enfin d'après le document EP 0 134 015 une installation de production d'eau chaude sanitaire comprenant un ballon de stockage et de production d'eau chaude sanitaire, une pompe à chaleur dont le condenseur réalise un échange thermique avec l'eau du ballon et un dispositif d'introduction et d'extraction d'un volume additionnel de fluide frigorigène dans et hors dudit circuit de fluide frigorigène.
  • Toutefois, ce dispositif ne permet pas de gérer le volume additionnel de fluide frigorigène pour agir sur la hauteur totale de la zone de condensation du fluide frigorigène dans ledit condenseur et son déplacement sur la hauteur.
    • PRESENTATION DE L'INVENTION
  • L'invention a pour but de proposer une installation de production d'eau chaude sanitaire qui permette de répondre de manière efficace, continue et peu coûteuse à la variation des besoins en eau chaude des utilisateurs d'un chauffe-eau thermodynamique.
  • A cet effet, l'invention concerne une installation de production d'eau chaude sanitaire comprenant un ballon de stockage et de production d'eau chaude sanitaire, une pompe à chaleur qui comprend un compresseur, un condenseur, un détendeur et un évaporateur montés en série sur un circuit de fluide frigorigène, le condenseur permettant de réaliser un échange thermique avec l'eau contenue dans ledit ballon, un dispositif d'introduction et d'extraction d'un volume additionnel de fluide frigorigène dans et hors dudit circuit de fluide frigorigène de la pompe à chaleur.
  • Conformément à l'invention, l'installation comprend une unité centrale de pilotage dudit dispositif d'introduction et d'extraction d'un volume additionnel de fluide frigorigène, cette unité étant munie d'une interface de pilotage, ledit condenseur est un échangeur de chaleur disposé autour dudit ballon ou à l'intérieur dudit ballon sur au moins une partie de la hauteur de celui-ci, ladite unité centrale de pilotage agissant sur ledit dispositif soit pour introduire un volume additionnel de fluide frigorigène dans le circuit de fluide frigorigène de la pompe à chaleur et provoquer la réduction de la hauteur totale de la zone de condensation du fluide frigorigène dans ledit condenseur et son déplacement vers le haut dudit condenseur, soit pour extraire un volume de fluide frigorigène du circuit de fluide frigorigène de la pompe à chaleur et provoquer l'augmentation de la hauteur totale de la zone de condensation du fluide frigorigène dans ledit condenseur et son déplacement vers le bas dudit condenseur.
  • Grâce à ces caractéristiques de l'invention, il devient possible de cibler une zone de chauffe dans le ballon et d'accroitre le chauffage dans cette zone, pour répondre plus rapidement aux besoins en eau chaude des utilisateurs.
  • Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou en combinaison :
    • le condenseur s'étend sur au moins les deux tiers de la hauteur dudit ballon à partir du bas du ballon ;
    • ledit condenseur est un tube enroulé en spirale à l'intérieur duquel circule ledit fluide frigorigène ;
    • ledit tube du condenseur est enroulé autour de la paroi extérieure dudit ballon ;
    • le dispositif d'introduction et d'extraction d'un volume additionnel de fluide frigorigène est raccordé sur le circuit de fluide frigorigène de la pompe à chaleur en aval du compresseur et en amont du condenseur ;
    • ledit dispositif d'introduction et d'extraction d'un volume additionnel de fluide frigorigène comprend une bouteille de stockage raccordée audit circuit de fluide frigorigène d'une part par une canalisation d'extraction et d'autre part par une canalisation d'introduction, équipée d'une vanne pilotée par ladite unité centrale, cette canalisation d'introduction débouchant dans une partie de section réduite dudit circuit de fluide frigorigène ;
    • elle comprend un dispositif de mesure de la charge de fluide frigorigène présente en temps réel dans le dispositif d'introduction et d'extraction d'un volume additionnel de fluide frigorigène, ce dispositif de mesure de la charge étant connecté à ladite unité centrale de pilotage pour lui transférer les données mesurées ;
    • elle comprend une centrale de mesure et d'enregistrement du volume d'eau chaude sanitaire consommé pendant une durée donnée, antérieure à un instant donné, l'unité centrale de pilotage inclut un programme d'apprentissage, cette centrale de mesure est connectée audit programme d'apprentissage et ledit programme d'apprentissage fait des prévisions de consommation d'eau chaude sanitaire, sur la base des informations recueillies par ladite centrale de mesure et d'enregistrement et pilote l'unité centrale pour qu'elle agisse sur ledit dispositif d'introduction et d'extraction d'un volume additionnel de fluide frigorigène, afin d'introduire un volume additionnel de fluide frigorigène dans le circuit de fluide frigorigène de la pompe à chaleur ou l'en extraire.
  • L'invention concerne également un procédé de pilotage de l'installation précitée.
  • Conformément à l'invention, ce procédé comprend les étapes consistant à :
    • recueillir des données sur la charge de fluide frigorigène présente en temps réel dans le dispositif d'introduction et d'extraction d'un volume additionnel de fluide frigorigène, à l'aide du dispositif de mesure,
    • recueillir une consigne de pilotage de l'installation, à l'aide de l'interface de pilotage et/ou du programme d'apprentissage,
    • piloter le dispositif d'introduction et d'extraction d'un volume additionnel de fluide frigorigène pour ajouter ou respectivement extraire ce volume additionnel dans ou hors du circuit de fluide frigorigène de la pompe à chaleur de ladite installation et provoquer la réduction de la hauteur totale de la zone de condensation du fluide frigorigène dans ledit condenseur et son déplacement vers le haut dudit condenseur ou respectivement l'augmentation de la hauteur totale de la zone de condensation du fluide frigorigène dans ledit condenseur et son déplacement vers le bas dudit condenseur.
  • Enfin, l'invention concerne également un programme d'ordinateur comportant des instructions pour la mise en oeuvre du procédé de pilotage précité lorsqu'il est exécuté sur l'unité centrale.
    • PRESENTATION DES FIGURES
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront de la description qui va maintenant en être faite, en référence aux dessins annexés, qui en représentent, à titre indicatif mais non limitatif, un mode de réalisation possible.
  • Sur ces dessins :
    • les figures 1 et 2 sont des schémas représentant l'installation conforme à l'invention, dans deux états de fonctionnement différents, et
    • la figure 3 est une vue de détail d'un exemple de réalisation d'un dispositif d'introduction et d'extraction d'un volume additionnel de fluide frigorigène de ladite installation.
    DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
  • L'installation de production d'eau chaude sanitaire conforme à l'invention va maintenant être décrite plus en détail en liaison avec la figure 1.
  • Sur cette figure, on peut voir que l'installation 1 comprend un ballon 2 de stockage et de production d'eau chaude sanitaire, couplé à une pompe à chaleur 3.
  • Le ballon 2 s'étend verticalement. Il s'agit par exemple classiquement d'un ballon cylindrique.
  • La pompe à chaleur 3 comprend un circuit 30 de fluide frigorigène, à l'intérieur duquel circule un fluide frigorigène, de préférence un unique fluide.
  • Sur ce circuit 30 sont montés en série : un compresseur 31, un échangeur de chaleur 32, (ici un condenseur) couplé au ballon 2, un détendeur 33 et un autre échangeur de chaleur 34, qui joue ici le rôle d'évaporateur.
  • L'évaporateur 34 est par exemple un échangeur air/fluide frigorigène, qui récupère la chaleur contenue dans l'air, par exemple l'air extérieur au bâtiment dans lequel se trouve l'installation 1 conforme à l'invention.
  • Le condenseur 32 est un échangeur de chaleur disposé verticalement à l'intérieur du ballon 2 ou préférentiellement autour de celui-ci (voir figures 1 et 2) sur au moins une partie de la hauteur de celui-ci.
  • De préférence, et comme représenté sur la figure 1, ce condenseur 32 est un tube 320, enroulé en spirale sur au moins une partie de la hauteur du ballon 2. De préférence encore, ce tube 320 s'étend sur au moins les deux tiers de la hauteur du ballon 2, à partir du bas de celui-ci. Il peut également s'étendre sur toute la hauteur du ballon 2, comme représenté sur les figures 1 et 2.
  • L'installation 1 comprend également un dispositif 4 d'introduction et d'extraction d'un volume additionnel de fluide frigorigène dans et hors du circuit 30 de fluide frigorigène de la pompe à chaleur.
  • De façon avantageuse, ce dispositif d'introduction/extraction 4 est raccordé sur la portion 301 du circuit 30 qui s'étend entre l'aval du compresseur 31 et l'amont du condenseur 32, par rapport au sens de circulation du fluide dans le circuit 30. Ce sens de circulation est symbolisé par les flèches sur les figures 1 et 2.
  • Ce choix de positionnement est motivé par le fait que c'est à la sortie du compresseur 31 que la pression est la plus élevée dans le circuit 30 de fluide frigorigène et par le fait que plus la différence de pression est élevée entre le point du circuit 30 d'où le fluide frigorigène est extrait et la bouteille et plus le remplissage de celle-ci est rapide et efficace.
  • Un exemple possible de réalisation de ce dispositif 4 va maintenant être décrit plus en détail en liaison avec la figure 3.
  • Sur celle-ci, on peut voir que le dispositif 4 comprend une bouteille de stockage 40, raccordée à la portion 301 du circuit 30 par une canalisation dite « d'extraction » 41, qui débouche en partie supérieure de la bouteille 40. La partie inférieure de cette bouteille 40 est par ailleurs également raccordée à la portion 301 du circuit 30, par une canalisation 42 dite « d'introduction », équipée d'une vanne 43, par exemple une vanne solénoïde.
  • Cette vanne 43 est pilotée par une unité centrale de pilotage 5, tel qu'un boitier de régulation du fonctionnement de l'installation. Cette unité centrale 5 est équipée d'un programme d'ordinateur 50 comprenant des instructions pour mettre en oeuvre le pilotage de l'installation 1.
  • L'unité centrale 5 est également équipée d'une interface de pilotage 51, par laquelle l'utilisateur de l'installation 1 peut agir sur ladite unité pour donner des instructions et entrer des consignes de fonctionnement. Cette interface de pilotage 51 est par exemple un bouton de marche forcée, un clavier ou un écran.
  • En outre, la portion 301 du circuit 30 présente une réduction de section 300 au niveau de laquelle débouche la canalisation 42.
  • Le fonctionnement de ce dispositif 4 est le suivant.
  • Pour charger la bouteille 40 en fluide frigorigène, elle est maintenue à une température plus faible que la température de condensation du fluide frigorigène circulant dans le circuit 30. Ceci a pour effet d'aspirer une partie du fluide frigorigène circulant dans le circuit 30 à l'intérieur de la bouteille 40. Une fraction du fluide frigorigène aspiré se condense pour obtenir du liquide frigorigène en position basse de la bouteille 40, et le reste du fluide frigorigène est sous forme d'un gaz en partie haute de la bouteille 40. Un certain volume de fluide frigorigène est ainsi soutiré du circuit 30.
  • Inversement, lorsque l'on souhaite introduire un volume additionnel de fluide frigorigène dans le circuit 30, il est nécessaire de créer une différence de pression motrice entre le fluide frigorigène liquide se trouvant dans la bouteille 40 et le fluide frigorigène sous haute pression se trouvant en amont du condenseur 32. Dans l'exemple illustré sur la figure 3, ceci est obtenu par la réduction de section 300, qui a pour effet de diminuer localement la pression. En outre, la vanne solénoïde 43 permet de contrôler sélectivement la charge ou la décharge de la bouteille 40 en fonction des besoins en eau chaude sanitaire de l'utilisateur.
  • Enfin, on notera qu'il serait possible de raccorder plusieurs bouteilles 40 en parallèle sur la portion 301 du circuit 30 s'étendant entre le compresseur 31 et le condenseur 32.
  • De préférence, l'installation 1 comprend une centrale 7 de mesure du volume d'eau chaude sanitaire consommé pendant une durée donnée (par exemple une durée horaire ou journalière), antérieure à un instant donné t. Cette centrale 7 permet également d'enregistrer les données recueillies. La centrale de mesure 7 est positionnée à l'intérieur du ballon 2 ou en sortie de celui-ci comme représenté sur les figures, (par exemple sur la canalisation de puisage d'eau chaude ou.
  • Une telle centrale 7 est avantageusement connectée à un programme d'apprentissage 52 de l'unité centrale 5, auquel elle envoie les informations sur la consommation d'eau chaude sanitaire. Ce programme 52 met en oeuvre un algorithme de prévision de la consommation d'eau chaude, pour une période à venir, à partir de l'historique de la consommation passée.
  • En d'autres termes, la centrale de mesure 7 permet de suivre l'évolution de la quantité d'eau chaude présente dans le ballon 2 et en conséquence l'évolution de la consommation d'eau chaude au cours du temps.
  • La prévision de consommation d'eau chaude sanitaire, établie à l'aide du programme d'apprentissage 52, permet ensuite au programme d'ordinateur 50 de l'unité centrale 5 de définir une consigne de charge en fluide frigorigène pour le dispositif 4.
  • Enfin, de façon avantageuse, l'installation 1 comprend également un dispositif de mesure 6 de la charge (quantité) de fluide frigorigène présente en temps réel dans le dispositif d'introduction/extraction 4, par exemple dans la bouteille 40. Le dispositif de mesure 6 est positionné dans la bouteille (comme représenté sur les figures), ou bien en entrée ou en sortie de celle-ci.
  • Le dispositif 6 est connecté au programme d'ordinateur 50 de l'unité centrale 5 pour lui envoyer les informations recueillies. En fonction de celles-ci, l'unité centrale 5 régule le niveau de fluide frigorigène dans le dispositif 4, par exemple en pilotant la vanne solénoïde 43 (voir figure 3).
  • Lorsque le programme d'apprentissage et de prévision 52 est présent, ce pilotage par l'unité centrale 5 peut également se faire en fonction de la prévision de consommation d'eau chaude sanitaire effectuée par le programme d'apprentissage et de prévision 52.
  • Le fonctionnement de l'installation 1 va maintenant être expliqué plus en détail. L'installation 1 peut fonctionner en mode "normal", en mode "stimulé" (ou "boost"), ou en mode "apprentissage".
    • Mode de fonctionnement "normal":
  • La figure 1 représente le mode de fonctionnement normal de l'installation. Lorsque la pompe à chaleur 3 fonctionne, le fluide frigorigène sort du compresseur 31 à haute température et à l'état de vapeur puis entre dans le condenseur 32 où il libère la chaleur accumulée et réalise ainsi un échange thermique avec l'eau sanitaire contenue dans le ballon 2. A la sortie du condenseur 32, ici en bas de la figure 1, le fluide frigorigène refroidi, à l'état liquide et sous haute pression pénètre dans le détendeur 33 où sa pression diminue. Le fluide frigorigène à basse pression et liquide pénètre alors dans l'évaporateur 34 où il accumule la chaleur provenant d'une source extérieure, par exemple ici l'air, ce qui a pour effet de vaporiser le fluide frigorigène qui retourne dans le compresseur 31.
  • La quantité de fluide frigorigène circulant dans le circuit 30 correspond alors à la quantité nominale de fluide nécessaire au fonctionnement normal de la pompe à chaleur 3.
  • Dans ce mode de fonctionnement dit "normal", le fluide frigorigène pénètre dans la partie supérieure du condenseur 32 où il se désurchauffe jusqu'à arriver à sa température de saturation. Dans cette zone, dite "zone de désurchauffe" 321, le fluide frigorigène cède une faible quantité d'énergie, et l'eau contenue dans le ballon 2 est peu réchauffée
  • Le fluide frigorigène qui continue de descendre à l'intérieur du condenseur 32 passe alors en phase principale de condensation. Il libère de l'énergie en se condensant, et c'est dans cette phase de changement d'état qu'il libère la majorité de son énergie. Ce phénomène de changement d'état du gaz au liquide a lieu dans une zone du condenseur 32, dite "zone de condensation", référencée 322.
  • Enfin, lorsque le fluide frigorigène continue de descendre dans le bas du condenseur 32, il est à l'état liquide et il continue de se refroidir. Ce refroidissement se déroule dans une zone du condenseur 32, dite "zone de sous-refroidissement", référencée 323. Dans cette zone 323, située sous la zone de condensation 322, l'eau contenue dans le ballon 2 n'est pas sensiblement chauffée.
  • Le transfert d'énergie thermique du fluide frigorigène vers l'eau contenue dans le ballon 2 se fait donc essentiellement dans la zone de condensation 322. En effet, le changement d'état libère beaucoup plus d'énergie thermique qu'un simple changement de température sans changement d'état.
  • Ce mode "normal" de fonctionnement correspond à une situation où les besoins en eau chaude sanitaire sont importants mais non urgents. La quantité de fluide frigorigène en circulation est nominale, la condensation a alors lieu sur la plus grande partie de la surface d'échange avec le ballon 2.
    • Mode de fonctionnement "stimulé" :
  • Lorsque l'utilisateur a besoin à court terme d'une quantité importante d'eau chaude sanitaire, l'installation 1 peut alors passer en fonctionnement selon le mode "boost" ou mode "stimulé". Cette situation est représentée sur la figure 2.
  • Ce passage en mode stimulé peut par exemple être activé par l'utilisateur de l'installation qui agit sur l'interface de pilotage 51 de l'unité centrale 5.
  • Dans ce cas, à reception de la consigne de pilotage de l'interface 51, indiquant un besoin accru en eau chaude, l'unité centrale 5 pilote le dispositif 4 et notamment la vanne 43 de façon à libérer une quantité additionnelle de fluide frigorigène contenue dans la bouteille 40 pour l'ajouter au volume de fluide circulant dans le circuit 30.
  • Lorsque la quantité de fluide frigorigène augmente, la pression dans le condenseur 32 augmente également par rapport à son niveau en mode « normal ». De ce fait, la hauteur sur laquelle s'étend la zone de sous-refroidissement 323 augmente, celle sur laquelle s'étend la zone de condensation 322 se réduit par rapport à la hauteur qu'elle occupait en fonctionnement normal et la zone de condensation 322 est déplacée vers le haut, c'est-à-dire vers l'entrée du condenseur 32.
  • Ceci a pour effet de concentrer la puissance thermique délivrée par le condenseur 32 dans le haut du ballon 2, en regard d'un volume réduit d'eau se trouvant dans la partie haute du ballon. Dans cette zone de condensation 322 où le fluide frigorigène cède l'essentiel de son énergie thermique, cette énergie thermique est donc transmise à un volume d'eau réduit. L'eau se trouvant dans la partie supérieure du ballon, plus précisément en regard de la zone de condensation 322, est donc chauffée plus rapidement.
  • Inversement, lorsqu'il n'est plus nécessaire que l'installation 1 fonctionne dans ce mode "stimulé", l'utilisateur entre la consigne correspondante via l'interface 51, ce qui a pour effet que l'unité centrale 5 agit sur le dispositif 4 et sur la vanne 43 pour fermer celle-ci. L'écart de température entre la bouteille 40 et la température du fluide frigorigène circulant dans le circuit 30 aura pour effet de remplir de nouveau la bouteille 40. On extrait ainsi le volume additionnel de fluide frigorigène préalablement introduit dans le circuit 30. La pression dans le condenseur 32 diminue, l'étendue de la zone de sous-refroidissement 323 diminue également et la zone de condensation 322 se répartit de nouveau sur une plus grande partie de la hauteur du condenseur 32. On se retrouve alors dans la situation de fonctionnement normal représentée sur la figure 1.
    • Mode de fonctionnement "par apprentissage" :
  • A partir du recueil des données de la centrale de mesure 7, le programme 52 permet d'établir des prévisions de consommation d'eau chaude sanitaire sur différentes périodes (par exemple à différents moments de la journée). Le programme d'apprentissage 52 envoie des données et instructions au programme d'ordinateur 50. L'unité centrale 5 peut alors être pilotée pour agir directement sur le dispositif 4 et permettre l'introduction d'un volume additionnel de fluide frigorigène dans le circuit 30 de fluide frigorigène ou au contraire son extraction et anticiper ainsi la production d'eau chaude sanitaire en fonction des moments de la journée.

Claims (10)

  1. Installation (1) de production d'eau chaude sanitaire comprenant :
    - un ballon (2) de stockage et de production d'eau chaude sanitaire,
    - une pompe à chaleur (3) qui comprend un compresseur (31), un condenseur (32), un détendeur (33) et un évaporateur (34) montés en série sur un circuit (30) de fluide frigorigène, le condenseur (32) permettant de réaliser un échange thermique avec l'eau contenue dans ledit ballon (2),
    - un dispositif (4) d'introduction et d'extraction d'un volume additionnel de fluide frigorigène dans et hors dudit circuit (30) de fluide frigorigène de la pompe à chaleur,
    caractérisée en ce qu'elle comprend :
    - une unité centrale de pilotage (5) dudit dispositif (4) d'introduction et d'extraction d'un volume additionnel de fluide frigorigène, cette unité (5) étant munie d'une interface de pilotage (51),
    et en ce que ledit condenseur (32) est un échangeur de chaleur disposé autour dudit ballon (2) ou à l'intérieur dudit ballon (2) sur au moins une partie de la hauteur de celui-ci, ladite unité centrale de pilotage (5) agissant sur ledit dispositif (4) soit pour introduire un volume additionnel de fluide frigorigène dans le circuit (30) de fluide frigorigène de la pompe à chaleur et provoquer la réduction de la hauteur totale de la zone de condensation (322) du fluide frigorigène dans ledit condenseur (32) et son déplacement vers le haut dudit condenseur, soit pour extraire un volume de fluide frigorigène du circuit (30) de fluide frigorigène de la pompe à chaleur et provoquer l'augmentation de la hauteur totale de la zone de condensation (322) du fluide frigorigène dans ledit condenseur et son déplacement vers le bas dudit condenseur.
  2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le condenseur (32) s'étend sur au moins les deux tiers de la hauteur dudit ballon (2) à partir du bas du ballon.
  3. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit condenseur (32) est un tube (320) enroulé en spirale à l'intérieur duquel circule ledit fluide frigorigène.
  4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit tube (320) du condenseur est enroulé autour de la paroi extérieure dudit ballon (2).
  5. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif (4) d'introduction et d'extraction d'un volume additionnel de fluide frigorigène est raccordé sur le circuit (30) de fluide frigorigène de la pompe à chaleur en aval du compresseur et en amont du condenseur (32).
  6. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit dispositif (4) d'introduction et d'extraction d'un volume additionnel de fluide frigorigène comprend une bouteille de stockage (40) raccordée audit circuit (30) de fluide frigorigène d'une part par une canalisation d'extraction (41) et d'autre part par une canalisation d'introduction (42), équipée d'une vanne (43) pilotée par ladite unité centrale (5), cette canalisation d'introduction (42) débouchant dans une partie de section réduite (300) dudit circuit (30) de fluide frigorigène.
  7. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif(6) de mesure de la charge de fluide frigorigène présente en temps réel dans le dispositif (4) d'introduction et d'extraction d'un volume additionnel de fluide frigorigène, ce dispositif (6) de mesure de la charge étant connecté à ladite unité centrale de pilotage (5) pour lui transférer les données mesurées.
  8. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend une centrale (7) de mesure et d'enregistrement du volume d'eau chaude sanitaire consommé pendant une durée donnée, antérieure à un instant donné, en ce que l'unité centrale de pilotage (5) inclut un programme d'apprentissage (52), en ce que cette centrale (7) de mesure est connectée audit programme d'apprentissage (52) et en ce que ledit programme d'apprentissage (52) fait des prévisions de consommation d'eau chaude sanitaire, sur la base des informations recueillies par ladite centrale (7) de mesure et d'enregistrement et pilote l'unité centrale (5) pour qu'elle agisse sur ledit dispositif d'introduction et d'extraction (4) d'un volume additionnel de fluide frigorigène, afin d'introduire un volume additionnel de fluide frigorigène dans le circuit (30) de fluide frigorigène de la pompe à chaleur ou l'en extraire.
  9. Procédé de pilotage de l'installation (1) telle que revendiquée dans la revendication 7 ou dans la revendication 8 lorsqu'elle est dépendante de la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à :
    - recueillir des données sur la charge de fluide frigorigène présente en temps réel dans le dispositif (4) d'introduction et d'extraction d'un volume additionnel de fluide frigorigène, à l'aide du dispositif de mesure (6),
    - recueillir une consigne de pilotage de l'installation (1), à l'aide de l'interface de pilotage (51) et/ou du programme d'apprentissage (52),
    - piloter le dispositif (4) d'introduction et d'extraction d'un volume additionnel de fluide frigorigène pour ajouter ou respectivement extraire ce volume additionnel dans ou hors du circuit (30) de fluide frigorigène de la pompe à chaleur (3) de ladite installation (1) et provoquer la réduction de la hauteur totale de la zone de condensation (322) du fluide frigorigène dans ledit condenseur (32) et son déplacement vers le haut dudit condenseur ou respectivement l'augmentation de la hauteur totale de la zone de condensation (322) du fluide frigorigène dans ledit condenseur (32) et son déplacement vers le bas dudit condenseur.
  10. Programme d'ordinateur, comportant des instructions pour la mise en oeuvre du procédé de pilotage suivant la revendication 9, lorsqu'il est exécuté sur l'unité centrale (5).
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