FR2972791A1

FR2972791A1 - Pompe a charleur pour une installation de chauffage, comprenant un evaporateur de type batterie a ailettes.

Info

Publication number: FR2972791A1
Application number: FR1152212A
Authority: FR
Inventors: Bernard Hildenbrand
Original assignee: Individual
Current assignee: Geopowair Lu
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2012-09-21
Anticipated expiration: 2031-03-17
Also published as: EP2505942B1; FR2972791B1; EP2505942A1

Abstract

L'invention concerne une pompe à chaleur pour une installation de chauffage, comprenant un évaporateur (10) de type batterie à ailette, le dit évaporateur comprenant dans un volume prédéfini une pluralité d'ailettes (60) montées transversalement le long d'une pluralité de tubes (70) rectilignes orientés parallèlement les uns aux autres, au moins certains tubes étant reliés entre eux par des portions (80) de raccordement pour former un circuit de circulation d'un fluide. Selon l'invention, l'évaporateur comprend également au moins une résistance électrique, et un moyen de commande de la résistance électrique pour dégivrer la batterie. L'invention concerne également une installation de chauffage d'un bâtiment, comprenant une telle pompe à chaleur.

Description

Domaine technique et état de l'art L'invention concerne une pompe à chaleur pour une installation de chauffage, comprenant un évaporateur de type batterie à ailette, la dite batterie comprenant dans un volume prédéfini une pluralité d'ailettes montées transversalement le long d'une pluralité de tubes rectilignes orientés parallèlement les uns aux autres, au moins certains tubes étant reliés entre eux par des portions de raccordement pour former un circuit de circulation d'un fluide. Une telle pompe à chaleur est de type air/ eau ou air/ air. Elle permet de prélever de l'énergie à une source froide primaire pour chauffer un fluide secondaire tel que l'air intérieur d'un bâtiment, l'eau d'un système de chauffage d'un bâtiment, l'eau d'un ballon d'eau chaude sanitaire, etc. L'évaporateur d'une telle pompe à chaleur est généralement positionné à l'extérieur du bâtiment, la source froide étant l'air ambiant extérieur. Lorsque la température des parois extérieures de l'évaporateur devient inférieure à la température de rosée de l'air, il se produit un phénomène de condensation ou de givrage sur l'évaporateur, condensation si la température de paroi est supérieure à 2 à 5 °C et givrage si non. Au fur et à mesure qu'il se forme, le givre a pour effet de produire une isolation thermique de l'évaporateur conduisant à une chute du coefficient d'échange thermique. Il contribue également à la diminution du passage d'air, conduisant à une augmentation de la perte de charge côté air et par suite à une diminution du débit d'air, voire un arrêt total de la circulation d'air. Un moyen de dégivrage doit donc être prévu et ce moyen de dégivrage doit être activé régulièrement, toutes les 6 à 12H pour permettre un fonctionnement de la pompe à chaleur en dessous de 2 à 5°C. Une technique couramment utilisée dans le domaine des pompes à chaleur consiste à inverser le cycle de fonctionnement de la pompe à chaleur pour utiliser l'énergie du fluide secondaire pour faire fondre le givre présent dans l'évaporateur. La mise en oeuvre de cette technique suppose que la pompe à chaleur soit réversible, ce qui complexifie sa réalisation. De plus, à chaque démarrage et arrêt d'un cycle de dégivrage, le compresseur de la pompe à chaleur subit des variations de pression importantes, il est ainsi fortement sollicité ; faute d'être dimensionné en conséquence, le compresseur est généralement le l'élément faible des pompes à chaleur commercialisées aujourd'hui. Egalement, l'énergie nécessaire au dégivrage est prélevée à la source secondaire que la pompe à chaleur vise à réchauffer en dehors des cycles de dégivrage. Il s'ensuit une baisse de la température de la source secondaire, non souhaitée, et il faut après chaque cycle de dégivrage compenser l'énergie prise à la source secondaire ; la pompe à chaleur doit donc être dimensionnée en conséquence. Enfin, le temps d'un cycle de dégivrage est relativement long car, du fait de l'inversion du mode de fonctionnement, il est nécessaire de réchauffer l'ensemble du circuit de circulation de fluide avant de chauffer la batterie en début de cycle de dégivrage, et de refroidir ensuite l'ensemble du circuit de circulation de fluide à la fin du cycle de dégivrage avant de revenir à un fonctionnement normal de pompe à chaleur. Une autre technique consiste à faire circuler un gaz chaud (température supérieure à 2 à 5°C) à l'intérieur de la batterie, mais cela suppose de disposer un moyen de chauffage du gaz et d'un moyen de canalisation et de direction du gaz. 135 Description de l'invention L'invention propose une nouvelle solution pour le dégivrage des batteries à ailettes des pompes à chaleur pour installation de chauffage. Plus précisément, l'invention propose une nouvelle pompe à chaleur pour une installation de chauffage, comprenant un évaporateur de type batterie (10) à ailette, la dite batterie comprenant dans un volume prédéfini une pluralité d'ailettes (60) montées transversalement le long d'une pluralité de tubes (70) rectilignes orientés parallèlement les uns aux autres, au moins certains tubes étant reliés entre eux par des portions (80) de raccordement pour former un circuit de circulation d'un fluide. Selon l'invention, la batterie comprend également au moins une résistance électrique, et un moyen de commande de la résistance électrique pour chauffer la batterie. Dit autrement, l'invention propose de dégivrer la batterie à ailette en utilisant la chaleur dissipée par des résistances électriques. La pompe à chaleur selon l'invention n'a ainsi pas besoin d'être réversible et aucune chaleur n'est prise dans le réseau secondaire pendant les cycles de dégivrage. Le compresseur, non sollicité par des inversions de cycle a une durée de vie plus longue. L'évaporateur selon l'invention peut comprendre plusieurs résistances électriques, de préférence réparties à l'intérieur du volume de l'évaporateur de sorte à chauffer uniformément le volume de l'évaporateur, le moyen de commande étant adapté pour commander simultanément toutes les résistances. Chaque résistance électrique peut être positionnée à l'intérieur d'un tube (70) non raccordé aux autres tubes de la pluralité de tubes. Elles sont ainsi protégées et ne génèrent pas de perte de charge dans l'évaporateur. La pompe à chaleur selon l'invention comprend également un compresseur (20) pour comprimer le fluide dans le circuit de circulation du fluide. Selon un mode de réalisation, le moyen de commande peut être adapté pour inhiber le fonctionnement du compresseur lorsque la ou les résistances électriques sont commandées. Arrêter le compresseur lors du dégivrage de l'évaporateur permet de ne pas chauffer et refroidir simultanément l'évaporateur pendant un cycle de dégivrage, donc de limiter la consommation énergétique de la pompe à chaleur pendant un cycle de dégivrage. De plus, le compresseur ne subit pas les fortes variations de pression que subissent les compresseurs des pompes à chaleur dont le dégivrage est assuré par inversion de cycle. Egalement, comme la consommation d'énergie électrique des résistances électriques est du même ordre de grandeur que la consommation électrique du compresseur, la consommation électrique globale de la pompe à chaleur complète est sensiblement la même en fonctionnement normal de la pompe et en mode de dégivrage. Enfin, aucune énergie n'est prise dans le réseau secondaire pour dégivrer l'évaporateur. Pour corroborer ceci, des essais montrent que le coefficient d'efficacité global de la pompe à chaleur selon l'invention est supérieur à celui d'une pompe à chaleur classique de même puissance, le coefficient d'efficacité étant le rapport entre la puissance thermique et la consommation électrique d'une pompe à chaleur, et le coefficient d'efficacité global étant la valeur moyenne du coefficient d'efficacité instantané sur une période donnée, par exemple une année. L'invention concerne également une installation de chauffage d'un bâtiment, comprenant une pompe à chaleur telle que décrite ci-dessus. 2 Brève description des figures L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description qui suit d'un exemple de réalisation d'une pompe à chaleur selon l'invention. Cet exemple est donné à titre non limitatif. La description est à lire en relation avec les dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue d'ensemble d'une pompe à chaleur selon l'invention, - la figure 2 est une vue de profil d'une batterie à ailette selon l'invention - la figure 3 est un agrandissement du détail A de la batterie de la figure 2, vue de face. Description d'un mode de réalisation de l'invention Une pompe à chaleur comprend de manière connue un évaporateur 10 de type batterie à ailettes, un compresseur 20, un échangeur 30 de chaleur et un détendeur 40 ; le compresseur et le ventilateur sont alimentés par un réseau d'alimentation en énergie électrique. Un circuit frigorifique, dans lequel circule un fluide frigorigène, relie en série les différents organes de la pompe à chaleur. L'évaporateur prélève de l'énergie à un flux d'air ambiant circulant à travers l'évaporateur et transmet l'énergie prélevée au fluide frigorigène. Le compresseur comprime le fluide frigorigène sortant de l'évaporateur et élève ainsi sa température et sa pression. Dans l'échangeur de chaleur, le fluide frigorigène libère sa chaleur à un fluide secondaire en passant de l'état gazeux à l'état liquide. Le détendeur réduit la pression du fluide frigorigène avant son retour vers l'évaporateur. L'évaporateur 10, de type batterie à ailettes (figure 2) est de forme sensiblement parallélépipédique, il comprend une pluralité d'ailettes 60 montées transversalement le long d'une pluralité de tubes 70 rectilignes orientés parallèlement les uns aux autres. La plupart des tubes sont reliés les uns aux autres, en série et / ou en parallèle, par des portions 80 de raccordement fixées aux extrémités des tubes pour former une partie du circuit de circulation du fluide frigorigène. Selon l'invention, l'évaporateur comprend également au moins une résistance électrique, et un moyen de commande de la résistance électrique pour dégivrer l'évaporateur.

Les ailettes sont distantes de plus de 3 mm. Une telle distance entre les ailettes est très supérieure à la distance entre ailettes des évaporateurs actuellement dans le commerce (environ 1 à 2 mm) ; mais elle permet de limiter le nombre de cycles de dégivrage, sans risque d'une augmentation de la perte de charge côté air due à une diminution du flux d'air circulant dans l'évaporateur. Dans la pratique, une distance entre ailettes de l'ordre de 5 mm donne de bons résultats : un dégivrage seulement toutes les 6 à 12 heures, selon la température et le taux d'humidité de l'air ambiant extérieur. Dans un exemple pratique (figure 2), l'évaporateur comprend environ 200 ailettes planes en aluminium, montées verticales et parallèles les unes aux autres pour assurer une surface de contact maximale avec le flux d'air ambiant entrant dans l'évaporateur. L'évaporateur comprend également 120 tubes en cuivre parallèles, s'étendant selon une 3 direction perpendiculaire aux plans des ailettes. Les ailettes sont percées et les tubes traversent les ailettes ; le contact entre une ailette et un tube assure un échange thermique parfait entre l'ailette et le tube. 111 tubes sont reliés entre eux par des portions de raccordement 80 pour former une partie du circuit de circulation du fluide frigorigène. L'évaporateur comprend également 9résistances électriques, chacune positionnée à l'intérieur d'un tube non raccordé aux tubes voisins. Les résistances électriques sont dans l'exemple montées en parallèle et sont reliées au réseau d'alimentation électrique par un moyen de commande comprenant notamment un interrupteur commandé. L'évaporateur ainsi réalisé a une puissance d'environ 12 KW. Bien sûr, le nombre le nombre et la forme des ailettes et des tubes, le nombre et la position des résistances sont à adapter en fonction de la puissance souhaitée pour l'évaporateur et de l'efficacité recherchée pour le moyen de dégivrage.

Le moyen de commande peut également comprendre, selon des variantes : - un relai temporisé, pour déclencher le début d'un cycle de dégivrage, et / ou - un relai temporisé, pour déclencher la fin d'un cycle de dégivrage, et / ou - une sonde de température à l'intérieur de l'évaporateur et / ou - une sonde de température sur une paroi externe de l'évaporateur Le moyen de commande peut être adapté pour commander les résistances électriques : - en fonction d'un temps prédéfini et / ou - en fonction d'une température prédéfinie à l'intérieur de l'évaporateur et / ou - en fonction d'une température prédéfinie sur une surface externe de l'évaporateur et / ou - en fonction d'une différence de température entre la température de l'air ambiant extérieur et la température à l'intérieur de l'évaporateur. Ainsi, dans une variante, on peut prévoir de déclencher des cycles de dégivrage à des instants prédéfinis, par exemple toutes les 6 à 12 heures. Dans une autre variante, on peut prévoir de déclencher un cycle de dégivrage lorsque la température sur la surface externe de l'évaporateur ou la température à l'intérieur de l'évaporateur est restée inférieure à une température minimale pendant un temps prédéfinie correspondant à un temps nécessaire à la formation d'une quantité de givre maximale acceptable sur les ailettes. Dans une autre variante encore, on peut prévoir de déclencher un cycle de dégivrage lorsque la différence entre la température de l'air ambiant extérieur et la température à l'intérieur de l'évaporateur est supérieur à une valeur prédéfinie, par exemple supérieure à une valeur comprise 8 à 12°C. On déclenche ainsi un cycle de dégivrage uniquement lorsque cela est nécessaire. En effet, en l'absence de givre, la différence de température entre la température de l'évaporateur et la température de l'air ambiant est de l'ordre de 3 à 6°C. Le givre qui se forme et s'accumule sur les ailettes et les tubes de l'évaporateur forme un isolant de plus en plus épais qui isole thermiquement de plus en plus les ailettes et les tubes de l'air ambiant qui circule à l'intérieur de l'évaporateur. L'efficacité de l'échangeur diminue progressivement, de même que la température sur l'échangeur, la température de l'air ambiant restant par ailleurs constante. L'expérience montre que lorsque la différence entre la température de l'air ambiant et la température de l'échangeur atteint 8 à 12°C, l'évaporateur n'est plus assez efficace et un dégivrage est nécessaire.

La durée d'un cycle de dégivrage peut également être choisie de différentes manières. Dans une variante, la durée d'un cycle de dégivrage peut être prédéfinie, par exemple de l'ordre de 3 à 9 minutes, constante ou non (variable en fonction de la température ambiante mesurée avant dégivrage par exemple). Dans une autre variante, un cycle de dégivrage est stoppé dès que la température sur la surface extérieure ou à l'intérieur de l'évaporateur atteint une valeur prédéfinie. De préférence, le moyen de commande est adapté pour inhiber le fonctionnement du compresseur lorsque la ou les résistances électriques sont commandées. Dit autrement, pendant le dégivrage, le compresseur est arrêté. On limite ainsi la consommation électrique de la pompe à chaleur. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, l'évaporateur a une forme sensiblement parallélépipédique et il est positionné dans un plan sensiblement horizontal, les ailettes étant planes et sensiblement verticales et les tubes s'étendant horizontalement dans une direction longitudinale des ailettes. Un tel positionnement de l'évaporateur permet d'utiliser la convection naturelle verticale et de haut en bas d'un flux d'air froid, et évite le recyclage de l'air. De plus, lors d"un cycle de dégivrage, le givre commençant à fondre se décolle est tombe naturellement à l'extérieur de l'évaporateur ; ainsi pour dégivrer, il est suffisant de fournir une énergie adaptée pour décoller le givre des ailettes et des tubes, il n'est pas nécessaire de l'énergie pour fondre totalement le givre. Ceci est particulièrement vrai si la distance entre les ailettes est importante (supérieure à 3 mm). Dans le mode de réalisation de la figure 1 également, un ventilateur 50 positionné physiquement au dessus de l'évaporateur, en amont dans le flux d'air traversant la batterie. Le ventilateur permet d'avoir une circulation d'air forcée du haut vers le bas et de débit sensiblement constant sur l'évaporateur, tout en bénéficiant de la convection naturelle du flux d'air. Le ventilateur étant en amont de l'évaporateur, il pousse l'air en direction de l'évaporateur, ce qui entraîne une moindre fatigue du ventilateur, par rapport à un positionnement en aval du ventilateur. Egalement, l'énergie dissipée par le ventilateur par pertes Joule est poussée avec le flux d'air vers l'évaporateur qui récupère cette énergie supplémentaire. Le ventilateur et l'évaporateur sont positionnés dans un boîtier supérieur 120 fermé sur le dessus par une grille permettant l'entrée du flux d'air et ouvert en dessous de l'évaporateur. Tous les éléments de commande de la pompe à chaleur, notamment le moyen de commande de dégivrage, sont positionnés à l'intérieur du boîtier supérieur 120, et des boutons de réglage et de commande sont accessibles à l'utilisateur sur une face avant 130 du boîtier 120. Le compresseur 20, l'échangeur 30 de chaleur, le détendeur 40 et un ballon tampon 45 sont regroupés dans le bas de la pompe à chaleur, en dessous de l'évaporateur, dans un boîtier inférieur 110 fermé sur le dessus par un capot 115 incliné pour permettre une évacuation par gravité des résidus de glace ou d'eau tombant de l'évaporateur. Des joues 140 positionnées de part et d'autre des boîtiers 110, 120 solidarisent les boîtiers 110, 120 et forment les parois latérales des dits boîtiers. La figure 1 montre ne pompe à chaleur monobloc, destinée à être installée à l'extérieur d'un bâtiment à chauffer. Tous les éléments sont regroupés dans un même boîtier. Mais l'invention peut s'appliquer plus généralement à tous types de pompes à chaleur, par exemple des pompes à chaleur en deux parties, une parties comprenant l'évaporateur et positionnée à l'extérieur du bâtiment à chauffer, et une partie comprenant tous les autres éléments (compresseur, détendeur, échangeur, etc.) et positionnée à l'intérieur du bâtiment à chauffer. Nomenclature 10 évaporateur 20 compresseur 30 échangeur 40 détendeur 45 ballon tampon 50 ventilateur 60 ailettes 70 tubes 80 portions de raccordement 110 boîtier inférieur 115 capot 120 boîtier supérieur 130 face avant du boîtier supérieur 140 joues

Claims

REVENDICATIONS1. Pompe à chaleur pour une installation de chauffage, comprenant un évaporateur (10) de type batterie à ailette, le dit évaporateur comprenant dans un volume prédéfni une pluralité d'ailettes (60) montées transversalement le long d'une pluralité de tubes (70) rectilignes orientés parallèlement les uns aux autres, au moins certains tubes étant reliés entre eux par des portions (80) de raccordement pour former un circuit de circulation d'un fluide, caractérisée en ce que l'évaporateur comprend également au moins une résistance électrique, et un moyen de commande de la résistance électrique pour dégivrer la batterie.
2. Pompe à chaleur selon la revendication 1, dans laquelle l'évaporateur comprend plusieurs résistances électriques réparties dans le volume de la batterie de sorte à chauffer uniformément le volume de la batterie, le moyen de commande étant adapté pour commander simultanément toutes les résistances.
3. Pompe à chaleur selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle chaque résistance électrique est positionnée à l'intérieur d'un tube (70) non raccordé aux autres tubes de la pluralité de tubes.
4. Pompe à chaleur selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le moyen de commande est adapté pour commander les résistances électriques : - à des instants prédéfinis, et / ou - lorsqu'une différence de température entre une température de l'air ambiant et une température à l'intérieur de l'évaporateur soit supérieure à une valeur prédéfinie
5. Pompe à chaleur selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le moyen de commande est adapté pour commander les résistances électriques : - pendant un temps prédéfini et / ou - jusqu'à ce qu'une température prédéfinie soit atteinte à l'intérieur de l'évaporateur et / ou - jusqu'à ce qu'une température prédéfinie soit atteinte sur une surface externe de l'évaporateur.
6. Pompe à chaleur selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'évaporateur (10), de volume sensiblement parallélépipédique, est positionné dans un plan sensiblement horizontal de sorte qu'un flux d'air circule naturellement verticalement dans l'évaporateur du haut vers le bas.
7. Pompe à chaleur selon la revendication 6, comprenant également un ventilateur (50) positionné physiquement au dessus de l'évaporateur, en amont dans le flux d'air traversant la batterie.
8. Pompe à chaleur selon l'une des revendications précédentes, comprenant également un compresseur (20) pour comprimer le fluide dans le circuit de circulation du fluide.
9. Pompe à chaleur selon la revendication 8, dans laquelle le moyen de commande est adapté pour inhiber le fonctionnement du compresseur lorsque la ou les résistances électriques sont commandées.
10.Installation de chauffage d'un bâtiment, comprenant une pompe à chaleur selon l'une des revendications précédentes.