FR3042856B1 - Systeme de traitement d’air hybride solaire et thermodynamique - Google Patents

Systeme de traitement d’air hybride solaire et thermodynamique Download PDF

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Abstract

La présente invention a pour objet un système de traitement d'air, pour le rafraîchissement et le chauffage du volume intérieur d'un bâtiment, mettant en œuvre la combinaison d'un collecteur solaire thermique ou hybride, d'un système thermodynamique à compression mécanique classique et d'un système à dessiccation, en vue d'assurer la régulation de la température à l'intérieur d'un bâtiment de façon optimale sur les plans économique, énergétique et écologique. Dans un mode de fonctionnement « climatisation », la roue à dessiccation appartient à la veine de soufflage et déshydrate l'air entrant dans ladite veine de soufflage, par adsorption, et au moins un équipement thermodynamique de rafraîchissement assure le rafraîchissement du flux d'air entrant avant qu'il ne soit soufflé dans le volume intérieur du bâtiment, l'énergie thermique produite par le collecteur solaire étant au moins partiellement utilisée pour assurer la régénération de ladite roue à dessiccation, Dans un mode de fonctionnement « chauffage », la roue à dessiccation est désactivée et l'énergie thermique produite par le collecteur solaire est au moins partiellement utilisée, directement ou indirectement, pour le chauffage du volume intérieur du bâtiment.

Description

SYSTEME DE TRAITEMENT D’AIR HYBRIDE SOLAIRE ET THERMODYNAMIQUE
DOMAINE TECHNIQUE ET OBJET DE L’INVENTION L’invention concerne le domaine des systèmes hybrides de climatisation et de chauffage de bâtiments. Plus précisément, la présente invention vise un système réversible apte à rafraîchir comme à réchauffer le volume intérieur d’un bâtiment, à l’aide de collecteurs solaires couplés à un système thermodynamique, dans le but d’assurer la double fonction de climatisation et de chauffage avec une consommation énergétique réduite.
ETAT DE LA TECHNIQUE
La problématique générale réside ainsi dans la régulation de la température à l’intérieur de bâtiments, nécessitant typiquement de rafraîchir en période estivale et de chauffer en période hivernale, tout en n’induisant qu’une consommation d’énergie non renouvelable très réduite, notamment dans un contexte réglementaire de plus en plus sévère.
Pour assurer la climatisation et le chauffage de bâtiments, l’état de la technique comprend des unités de traitement d’air, consistant en des systèmes thermodynamiques, parfois réversibles lorsqu’elles sont en mesure d’assurer elles-mêmes la double fonction.
Les unités de traitement d’air connues fonctionnent majoritairement avec des systèmes thermodynamiques à compression mécanique. Ces unités de traitement d’air connues utilisent ainsi de l’énergie électrique, absorbée par un compresseur, pour assurer le fonctionnement du système et réguler la température du bâtiment.
Un avantage de ces systèmes connus réside dans leur efficacité reconnue. En effet, le coefficient de performance, connu sous l’acronyme COP, défini comme le rapport entre la puissance thermique produite, entendue comme de la puissance thermique froide ou chaude, et la puissance électrique absorbée, est supérieur à 1 et peut atteindre des valeurs proches de 3, voire 4. Ces systèmes constituent ainsi une progression, en termes d’économie énergétique, en comparaison avec les systèmes de chauffage de technologies plus anciennes, à résistances électriques ou à combustion, pour lesquels les COP seront inférieurs ou égaux à 1.
Cependant, l’optimisation énergétique est aujourd’hui une problématique majeure, en particulier dans le secteur du bâtiment, dont l’évolution est notamment balisée par la réglementation en vigueur, telle que la norme RT 2012 actuellement en France. Cette réglementation impose des critères de consommation énergétique réduite et même des futurs standards de bâtiments à énergie positive, capables de produire de l’énergie. II est par conséquent primordial de mettre au point des systèmes de régulation de la température des bâtiments qui respectent les réglementations actuelles et anticipent les probables futures réglementations encore plus strictes.
Dans ce contexte général, afin de proposer des systèmes de traitement d’air, en vue de rafraîchir ou de chauffer, selon le besoin, le volume intérieur de bâtiments, il a été mis au point différentes technologies appartenant à l’état de la technique D’abord, comme le sait l’homme du métier, l’utilisation de l’énergie solaire constitue un premier moyen de répondre aux exigences réglementaires à la fois en matière de consommation énergétique, mais également en matière de production d’énergie. L’énergie solaire peut être collectée par des panneaux solaires, sous forme d’énergie électrique, par l’intermédiaire de cellules photovoltaïques, ou d’énergie thermique, au moyen d’un fluide vecteur de chaleur. II est possible de stocker cette énergie ou de l’utiliser directement. II est à noter que même si la production d’énergie électrique fournit une plus grande polyvalence d’utilisation, en comparaison à une production d’énergie thermique, son rendement reste assez faible aujourd’hui (10 % à 20 %) par rapport à une production d’énergie thermique qui peut atteindre des rendements de l’ordre de 80 %.
Différentes évolutions ont ainsi été mises au point, dans le but de maximiser le rendement des cellules photovoltaïques. Par exemple, le document EP2227694 décrit un dispositif de collecte d’énergie solaire, transformée en énergie électrique stockée en vue d’être utilisée librement.
Cependant, le rendement des panneaux photovoltaïques reste faible et limite leur impact sur le bilan énergétique global d’un bâtiment.
Or, il est connu que la récupération de l’énergie thermique issue du rayonnement solaire peut présenter un bien meilleur rendement d’un point de vue énergétique, et des panneaux solaires thermiques ont ainsi été mis au point.
De tels capteurs solaires thermiques permettent de récupérer jusqu’à 80 % de la puissance solaire rayonnée reçue, sous forme d’énergie thermique, c’est-à-dire de chaleur. Cette chaleur captée peut être utilisée directement, ou, plus généralement, stockée dans un réservoir tampon, à l’aide d’un fluide vecteur de chaleur, par exemple de l’eau, pour être ensuite redistribuée en fonction des besoins du bâtiment. De fait, le stockage de l’énergie thermique collectée peut sembler nécessaire pour satisfaire les besoins en chauffage d’un bâtiment. Cependant, dans des régions à climat tempéré comme la zone Europe, les apports solaires durant la période hivernale ne permettent généralement pas de satisfaire les besoins en chauffage d’un bâtiment, même en présence d’un élément de stockage thermique. De plus, pour certaines applications industrielles, par exemple pour réaliser du séchage industriel, nécessitant un besoin constant de chaleur, le stockage de l’énergie thermique n’est pas indispensable, comme dans le dispositif décrit dans le document WO2011146993.
En pratique, la fonction de chauffage d’un bâtiment à l’aide d’énergie solaire se fait donc généralement par l’intermédiaire d’un dispositif de stockage thermique, qui permet de compenser les variations du rayonnement solaire et d’optimiser la redistribution de la chaleur en fonction des besoins réels. Ce stockage thermique peut être de plusieurs natures. D’une part, certaines techniques mettent en œuvre des ballons de stockage d’eau chaude, comme décrit dans le document WO2015054313. D’autre part, certaines techniques prévoient le stockage de chaleur par un matériau à changement de phase liquide / solide, comme décrit dans le document WO2011007009. Ces dernières techniques présentent l’avantage d’avoir une capacité de stockage par unité de masse plus importante que l’eau. Cependant, elles nécessitent par ailleurs un média fluide additionnel pour ramener la chaleur des panneaux solaires, et pour la redistribuer vers le bâtiment.
Par ailleurs, plus récemment, des technologies de nouveaux collecteurs solaires ont été développées, permettant la récupération d’énergie solaire sous forme d’énergie électrique et sous forme d’énergie thermique, en vue d’améliorer le rendement énergétique global desdits collecteurs solaires.
Ces panneaux - ou collecteurs - solaires sont dit « hybrides >>, et présentent en effet l’avantage de la synergie entre des cellules photovoltaïques, présentant un bon rendement à basse température et des cellules thermiques. D’un autre côté, une autre catégorie de technologies visant à la récupération d’énergie solaire pour réaliser une fonction de climatisation rassemble les systèmes fermés à absorption et à adsorption.
La sorption est un phénomène physico-chimique d’assimilation d’un gaz par un média liquide - on parle alors d’absorption - ou par un média solide - on parle alors d’adsorption. Par le procédé de sorption, il est ainsi possible de concevoir un cycle thermodynamique similaire à un cycle frigorifique à compression mécanique. Dans ce cas, la compression mécanique est remplacée par une compression thermique, en ce sens qu’il est nécessaire d’apporter une énergie thermique extérieure afin de régénérer le média absorbant. Le fonctionnement du système est alors assuré par une énergie thermique et non plus mécanique ou électrique. L’inconvénient de ce type de système est un coefficient de performance faible, défini comme le rapport entre la puissance froide produite et la puissance thermique nécessaire, de l’ordre de 0,5, contre 3 ou 4 pour les systèmes à compression mécanique.
Dans ce contexte, des technologies récentes prévoient le couplage de la technologie de la sorption et de la récupération de l’énergie solaire, comme décrit dans le document W02007063119. Cependant, les inconvénients majeurs de ces systèmes résident dans la nécessité d’une surface de panneaux solaires très importante, notamment en raison du faible rendement évoqué ci-dessus, un encombrement du système, une grande complexité de mise en oeuvre et un coût élevé.
En parallèle des systèmes à sorption fermés, décrits ci-dessus, il existe également des techniques fondées sur des systèmes ouverts, dits « à dessiccation >>. Ces systèmes fonctionnent sur le principe de dessiccation (déshydratation), réalisée au moyen d’une assimilation de la vapeur d’eau contenue dans l’air par un média solide ou liquide. Le système est couplé avec un refroidisseur adiabatique indirect et/ou direct et un récupérateur d’énergie, pour une production de froid efficace.
De la même manière que pour les systèmes à sorption ouverts, le matériau dessiccant doit être régénéré par un apport de chaleur. Des systèmes à dessiccation liquide, très complexes à mettre en oeuvre, et des systèmes à dessiccation solide, utilisant par exemple des roues dessiccantes, ont ainsi été mis en point.
Ainsi, dans un contexte dans lequel, pour des raisons énergétiques, économiques et écologiques évidentes au regard de ce qui a été décrit précédemment, il existe un besoin pour un système de traitement d’air, visant à la régulation de la température dans un bâtiment, mettant en oeuvre une fonction de chauffage et une fonction de climatisation, en exploitant au mieux des collecteurs solaires et en minimisant la consommation énergétique résiduelle.
En effet, les systèmes de climatisation utilisant l’absorption ou la dessiccation souffrent aujourd’hui d’un coefficient de performance faible, d’environ 0,5, ce coefficient de performance étant défini comme le rapport entre la puissance frigorifique produite et la puissance thermique absorbée.
De plus, pour que de tels systèmes entrent significativement dans le bilan énergétique d’un bâtiment, ces derniers mettent nécessairement en œuvre des surfaces importantes de panneaux solaires, induisant notamment un coût important et une fiabilité mise à mal par le nombre de connexions hydrauliques induites.
Or, conformément à la présente invention, il a été rendu possible d’améliorer la synergie entre une technique de production de froid par sorption et une technique de production d’énergie thermique solaire. II est connu que les systèmes dits à « dessiccation >> ont pour principale fonction la déshumidication d’un air humide. Ces systèmes ont donc un réel sens économique lorsque la charge principale du traitement de l’air est la déshumidification. En outre, la fonction de refroidissement est aujourd’hui assurée par des systèmes de climatisation à compression mécanique. Ainsi, pour pouvoir introduire une part d’énergie renouvelable dans un système de climatisation, quand la répartition entre la charge de déshumidification et le rafraîchissement penche vers le rafraîchissement, il peut être envisagé une hybridation entre les systèmes à compression mécanique et les systèmes à dessiccation utilisant de l’énergie solaire ou de la chaleur fatale.
Ainsi, dans ce contexte, la présente invention consiste notamment en la combinaison d’une unité de climatisation à dessiccation, d’un système thermodynamique à compression mécanique, et d’un collecteur solaire thermique ou hybride. Le collecteur solaire hybride permet de préférence de récupérer à la fois de l’électricité et de la chaleur, tandis que l’unité de climatisation à dessiccation met en œuvre une roue à dessiccation régénérée notamment grâce à l’énergie thermique issue du collecteur solaire et du condenseur du système thermodynamique. Habituellement, lorsque le système thermodynamique fonctionne en climatisation, la chaleur rejetée au niveau de son condenseur est perdue. La présente invention permet ainsi de revaloriser cette perte énergétique et de la réutiliser pour régénérer une roue à dessiccation.
La combinaison entre un collecteur solaire, un système à dessiccation et un circuit thermodynamique permet un gain sur la consommation électrique important, typiquement compris entre 20 % et 40 % suivant la surface des panneaux du collecteur solaire allouée.
PRESENTATION GENERALE DE L’INVENTION A cet effet, plus précisément, l’invention concerne un système de traitement d’air, pour le rafraîchissement et le chauffage du volume intérieur d’un bâtiment, comprenant : un collecteur solaire, pour recevoir de l’énergie solaire et la transformer, au moins pour une part, en énergie thermique configurée pour chauffer un fluide vecteur de ladite énergie thermique, une unité de traitement d’air, ladite unité de traitement d’air comprenant : une veine de rejet comprenant une entrée d’air extrait du volume intérieur du bâtiment, et une sortie d’air rejeté vers l’extérieur, ainsi que des moyens de ventilation pour créer un flux d’air extrait du volume intérieur du bâtiment via l’entrée d’air extrait puis rejeté vers l’extérieur via la sorite d’air rejeté, une veine de soufflage présentant une entrée d’air neuf issu de l’extérieur du bâtiment, et une sortie d’air soufflé vers le volume intérieur du bâtiment, ainsi que des moyens de ventilation pour créer un flux d’air entrant via l’entrée d’air neuf puis soufflé vers le volume intérieur du bâtiment via la sortie d’air soufflé, un système à dessiccation constitué d’une roue à dessiccation et de deux humidificateurs adiabatiques et ayant pour fonction d’assurer un rafraîchissement partiel du flux d’air entrant, une pluralité d’équipements thermodynamiques constituant un système de pompe à chaleur à compression mécanique et ayant pour fonction d’assurer un complément de rafraîchissement du flux d’air entrant, et ladite unité de traitement d’air présentant les modes de fonctionnement suivant : dans un mode de fonctionnement de climatisation du système, la roue à dessiccation appartient à la veine de soufflage et déshydrate l’air entrant dans ladite veine de soufflage, par dessiccation, les humidificateurs adiabatiques rafraîchissent partiellement le flux d’air entrant et ledit au moins un équipement thermodynamique de rafraîchissement assure un complément de rafraîchissement du flux d’air entrant avant qu’il ne soit soufflé dans le volume intérieur du bâtiment, l’énergie thermique produite par le collecteur solaire étant au moins partiellement utilisée pour assurer la régénération de ladite roue à dessiccation, dans un mode de fonctionnement de chauffage, la roue à dessiccation et les humidificateurs adiabatiques sont désactivés et l’énergie thermique produite par le collecteur solaire est au moins partiellement utilisée, directement ou indirectement, pour le chauffage du volume intérieur du bâtiment.
Il est à noter, en outre, que dans des régions nécessitant un chauffage du bâtiment et où l’air extérieur possède une humidité élevée, il sera possible d’utiliser la roue à dessiccation pour déshumidifier et réchauffer l’air traité. Dans ce cas particulier, les humidificateurs adiabatiques seront à l’arrêt.
Le système selon l’invention s’appuie ainsi sur la synergie entre un collecteur solaire thermique ou hybride et une unité de traitement d’air, comportant une roue à dessiccation, des humidificateurs adiabatiques et une pluralité d’équipements thermodynamiques pour assurer la climatisation et le chauffage de l’intérieur d’un bâtiment de façon sobre en termes de consommation d’énergie.
Selon un mode de réalisation, ledit système de pompe à chaleur à compression mécanique et ledit système à dessiccation, appartenant, dans le mode de fonctionnement de climatisation, à la veine de soufflage, et assurant le rafraîchissement du flux d’air entant, est formé d’une pluralité d’équipements thermodynamiques de rafraîchissement comprenant une roue à dessiccation, un refroidisseur adiabatique indirect, composé d’une roue à enthalpie et d’un humidificateur, un refroidisseur adiabatique direct, et un évaporateur, disposés dans cet ordre entre l’entrée d’air neuf et la sortie d’air soufflé.
Selon un mode de réalisation, l’unité de traitement d’air comprend par ailleurs un local technique comprenant au moins un compresseur alimentant ledit système de pompe à chaleur à compression mécanique.
Selon un mode de réalisation, le fluide vecteur de l’énergie thermique issue du collecteur solaire est de l’eau, et le système comprend un circuit hydraulique comportant des conduits et des moyens de stockage de l’eau chauffée par l’énergie thermique, assurant le stockage d’énergie thermique produite par le collecteur solaire.
Selon un mode de réalisation, le fluide vecteur de l’énergie thermique issue du collecteur solaire est de l’air, et le système comprend un circuit aéraulique permettant d’acheminer l’air chaud dans ladite unité de traitement d’air.
Selon un mode de réalisation préféré, dans le mode de fonctionnement de climatisation, la veine de rejet comprend au moins un équipement thermodynamique de réchauffage de l’air extrait du volume intérieur du bâtiment, et l’air extrait chauffé est acheminé sur la roue à dessiccation pour vaporiser l’eau adsorbée par ladite roue à dessiccation avant que l’air extrait chauffé puis refroidi et rendu humide lors de la vaporisation de l’eau adsorbée par la roue à dessiccation ne soit rejeté vers l’extérieur via la sortie d’air rejeté.
Selon un mode de réalisation particulier, ledit au moins un équipement thermodynamique de réchauffage est formé d’une pluralité d’équipements thermodynamiques de réchauffage comprenant un refroidisseur adiabatique indirect, composé d’un humidificateur et d’une roue à enthalpie, un condenseur et un échangeur de chaleur entre l’air extrait et le fluide vecteur de l’énergie thermique produite par le collecteur solaire, disposés dans cet ordre entre l’entrée d’air extrait et la sortie d’air rejeté, pour réchauffer le flux d’air extrait de façon à ce que l’air réchauffé vaporise l’eau adsorbée par la roue à dessiccation.
Selon un mode de réalisation, le système selon l’invention peut comprendre une source auxiliaire de chaleur pour apporter de l’énergie thermique complémentaire en vue de chauffer le fluide vecteur de chaleur.
Avantageusement, la veine de rejet comprend en outre une entrée d’air neuf issu de l’extérieur du bâtiment, pour favoriser la régénération de la roue à dessiccation.
Avantageusement, la veine de soufflage comprend en outre une entrée d’air repris issu du volume intérieur du bâtiment.
Par ailleurs, selon un mode de réalisation préféré, le collecteur solaire est hybride, produisant de l’énergie électrique en plus de l’énergie thermique, l’énergie électrique produite étant utilisée pour la consommation des équipements électriques de ladite unité de traitement d’air.
DESCRIPTION DES FIGURES L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple, et se référant aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 montre le schéma d’un premier mode de réalisation du système selon l’invention, dans lequel le fluide vecteur de la chaleur issue des collecteurs solaires est typiquement de l’eau, en mode de fonctionnement « climatisation >> ; la figure 2 représente le même mode de réalisation que la figure 1, mais en mode de fonctionnement « chauffage >> ; la figure 3 montre le schéma d’un autre mode de réalisation du système selon l’invention, dans lequel le fluide vecteur de la chaleur issue des collecteurs solaires est de l’air circulant en circuit fermé ; la figure 4 montre le schéma d’un autre mode de réalisation du système selon l’invention, dans lequel le fluide vecteur de la chaleur issue des collecteurs solaires est de l’air circulant en circuit ouvert ; la figure 5 représente un mode de réalisation similaire à celui de la figure 4, dans lequel l’air chauffé par l’énergie thermique collectée est injecté directement dans la veine de rejet de l’unité de traitement d’air du système.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
Il est rappelé que la présente invention est décrite ci-après à l’aide de différents modes de réalisation non limitatifs et est susceptible d’être mise en oeuvre dans des variantes à la portée de l’homme du métier, également visées par la présente invention.
La figure 1 décrit le fonctionnement en mode « climatisation >> du système de traitement d’air, pour le rafraîchissement et le chauffage du volume intérieur d’un bâtiment, selon l’invention. Le système comprend un collecteur solaire 1, thermique ou, de préférence, hybride, c’est-à-dire apte à produire de l’énergie thermique et de l’énergie électrique à partir de l’énergie solaire collectée. Il comporte en outre une unité de traitement d’air 10, apte à gérer les flux d’air entrant et sortant du bâtiment, en vue de rafraîchir ou de réchauffer, selon le cas, le volume intérieur du bâtiment.
Le collecteur solaire 1 transmet l’énergie thermique produite à un fluide vecteur de chaleur, tel que de l’eau par exemple. Par ailleurs, si le collecteur solaire 1 est hybride, l’énergie électrique produite peut être directement consommée par les équipements électriques de l’unité de traitement d’air 10, comme représenté sur les figures 3 à 5.
Le fluide vecteur de chaleur, chauffé par l’énergie thermique issue du collecteur solaire 1, est acheminé, selon le mode de réalisation de la figure 1, jusqu’à un dispositif de stockage de chaleur 4 par une conduit de fluide chaud 3. Ce dispositif de stockage 4 peut être un réservoir d’eau, ou un élément constitué de matériaux à changement de phase, par exemple. Selon ce mode de réalisation, du fluide froid fait le chemin inverse, allant de l’élément de stockage vers le collecteur solaire 1 via une conduite d’eau froide 7, en vue d’être chauffée par l’énergie thermique produite.
Selon un mode de réalisation, une source auxiliaire de chaleur 6 peut être disposée proche de l’élément de stockage de chaleur 4 pour apporter une puissance thermique supplémentaire en cas d’ensoleillement réduit. Cette source auxiliaire de chaleur 6 peut être alimentée en énergie d’origine fossile (gaz, fuel...), en énergie fatale (pertes énergétiques du bâtiment à revaloriser) ou en énergie électrique (par exemple d’origine thermodynamique). L’unité de traitement d’air 10 comporte : - une veine de rejet, incluant une entrée d’air extrait du volume intérieur du bâtiment, de préférence une entrée d’air neuf complémentaire, issu de l’extérieur, et une sortie d’air rejeté ver l’extérieur du bâtiment ; - une veine de soufflage, incluant une entrée d’air neuf, issu de l’extérieur, de préférence une entrée d’air repris issu du volume intérieur du bâtiment, et une sortie d’air soufflé vers le volume intérieur du bâtiment.
En mode de fonctionnement « climatisation >>, la veine de soufflage comporte une roue à dessiccation 13. Cette roue permet de déshydrater l’air la traversant. Ce phénomène de dessiccation possède également pour effet de chauffer légèrement l’air traversant la roue à dessiccation 13. L’air de la veine de soufflage est ensuite refroidi par des équipements thermodynamiques adaptés. En l’espèce, les équipements thermodynamiques mis en œuvre dans le mode de réalisation représenté à la figure 1 comprennent un refroidisseur adiabatique indirect, composé d’une roue à enthalpie 16 et d’un humidificateur 19, puis un refroidisseur adiabatique directe 17. Enfin, l’échangeur thermodynamique en mode évaporateur 17 apporte un supplément de puissance frigorifique pour assurer le confort des usagers dans le bâtiment.
Toujours en mode de fonctionnement « climatisation >>, la veine de rejet comporte des équipements thermodynamiques, visant notamment à favoriser la régénération de la roue à dessiccation 13. Ces équipements thermodynamiques comprennent, dans le mode de réalisation représenté à la figure 1, un refroidisseur adiabatique indirect composé de l’humidificateur 19 et de la roue à enthalpie 16.
En outre, ce mode de réalisation comprend une batterie à eau chaude 15, alimentée par l’énergie thermique issue du collecteur solaire 1. Cette batterie à eau chaude 15 réchauffe l’air dans la veine de rejet. Ainsi, l’eau chaude arrive à l’échangeur 15 par l’intermédiaire d’une conduite 5 et repart de l’échangeur par une autre conduite 9.
De plus, une vanne trois voies 8 permet la régulation du débit d’eau chaude et donc de la puissance thermique apporté à l’air de rejet. Ensuite, l’échangeur thermodynamique 14, fonctionnant en mode condenseur, termine le chauffage de l’air dans la veine de rejet. L’air chaud arrive sur la roue à dessiccation pour vaporiser l’eau adsorbée. A ce stade, plus l’air est chaud, plus il possède un pouvoir hygroscopique important, c’est-à-dire une capacité à récupérer de la vapeur d’eau dans la roue à dessiccation 13. De cette manière l’air chaud évacue l’eau adsorbée dans la roue à dessiccation 13 et un air refroidi par la vaporisation de cette eau, et donc humide, est rejeté à l’extérieur. A propos de la batterie à eau chaude 15, il est à noter que dans un mode de fonctionnement «chauffage», ladite batterie chaude 15, alimentée par le collecteur solaire 1, est de préférence positionnée dans la veine de soufflage, afin de distribuer la totalité de l’énergie thermique collectée, issue du rayonnement solaire, pour le chauffage des locaux du bâtiment. En revanche, dans le mode de fonctionnement « climatisation », comme décrit ci-dessus, la batterie chaude 15 est positionnée dans la veine de rejet pour permettre la régénération de la roue à dessiccation 13. De ce fait, le système comprend de préférence, dans ce mode de réalisation comprenant une batterie à eau chaude 15, deux circuits hydrauliques pilotables par l’intermédiaire d’un jeu de vannes trois voies aptes à placer ladite batterie à eau chaude 15 dans la veine de rejet en mode de fonctionnement « climatisation » et dans la veine de soufflage en mode de fonctionnement « chauffage ».
Il est en outre représenté, sur l’ensemble des figures, que l’unité de traitement d’air 10 peut comprendre un compartiment technique 23 dans lequel est (sont) disposé(s) un ou plusieurs compresseur(s) 24, destinés au circuit thermodynamique, et une platine électrique 22 sur laquelle sont disposés des éléments de contrôle électrique des équipements thermodynamiques mis en oeuvre dans la veine de rejet ou dans la veine de soufflage.
Par ailleurs, chaque veine comporte un ventilateur, respectivement 11 et 18, pour créer le flux d’air entrant dans le bâtiment, de l’entrée de la veine de soufflage à la sortie de la veine de soufflage, et le flux d’air rejeté, entre l’entrée et la sortie de la veine de rejet.
Chaque veine peut comprendre par ailleurs un ensemble de registres 12, 21, 20, 30. Les registres 12 et 21 ont pour fonction de moduler, par un système de volets inclinables, la répartition d’air neuf et d’air repris injecté dans la veine de soufflage. De même, les registres 20 et 30 ont pour fonction de moduler, par un système de volets inclinables, la répartition d’air neuf complémentaire et d’air extrait injecté dans la veine de rejet.
La figure 2 présente la même unité de traitement d’air 10 que la figure 1, mais dans un mode de fonctionnement « chauffage >>. Ainsi l’échangeur thermique 25 utilisant le fluide vecteur de chaleur chauffé par l’énergie thermique issue du collecteur solaire 1 se trouve désormais dans la veine de soufflage.
Le fluide chauffé, typiquement de l’eau chaude, arrive et repart de l’échangeur thermique 25, respectivement par l’intermédiaire des conduites 5 et 9. Une vanne trois voies 8 permet, comme précédemment, la régulation du débit de fluide chaud.
Dans ce mode de fonctionnement « chauffage >>, la roue à dessiccation 13 est désactivée et n’assure aucune fonction. De même, les humidificateurs 19 et 17 sont eux aussi arrêtés.
Ainsi, dans ce mode de fonctionnement « chauffage >>, l’énergie thermique issue du collecteur solaire 1 est employée pour chauffer le volume intérieur du bâtiment, par l’intermédiaire de l’échangeur thermique 25 alimenté en fluide chaud, tel que de l’eau chaude, chauffé grâce à ladite énergie thermique. Alternativement, le fluide vecteur de chaleur peut être de l’air utilisé directement, une fois chauffé grâce à l’énergie solaire collectée, pour chauffer le volume intérieur du bâtiment après avoir été acheminé et ventilé dans la veine de soufflage.
Les figures 3 à 5 représentent des variantes du mode de réalisation décrit ci- dessus.
Ainsi, la figure 3 représente un système selon l’invention, utilisant de l’air comme fluide vecteur de chaleur, pour transformer l’énergie solaire reçue par le collecteur solaire 1 en énergie thermique. L’avantage d’utiliser de l’air comme fluide vecteur de chaleur réside dans la plus grande réactivité obtenue du collecteur solaire 1. En contrepartie, cependant, le collecteur solaire 1 doit de préférence être placé à proximité immédiate de l’unité de traitement d’air 10, afin de limiter les pertes de chaleur plus importantes avec l’air qu’avec de l’eau par exemple, l’air présentant une inertie thermique faible.
Dans ce mode de réalisation, il n’y a naturellement pas d’élément de stockage ni de batterie à eau chaude comme aux figures 1 et 2.
En revanche, selon le mode de réalisation représenté à la figure 3, le système comporte un caisson de récupération d’énergie thermique 28 comprenant des moyens de récupération de chaleur 29, tels qu’une roue à enthalpie ou un échangeur thermique à plaques par exemple. L’énergie thermique ainsi récupérée est apte à être acheminée jusqu’à la veine de rejet, pour favoriser la régénération de la roue à dessiccation 13 en mode de fonctionnement « climatisation >>. En mode de fonctionnement « chauffage >>, l’énergie thermique ainsi récupérée permet d’augmenter la température d’évaporation de l’évaporateur 14 et ainsi d’améliorer le coefficient de performance thermodynamique (COP) du système.
La figure 4 représente un mode de réalisation similaire à celui de la figure 3, dans lequel l’air, assurant la fonction de fluide vecteur de chaleur, circulant dans le collecteur solaire 1, ne s’écoule pas en circuit fermé comme à la figure 3. Au contraire, comme le montre la figure 4, conformément à ce mode de réalisation, l’entrée d’air 27 du collecteur solaire 1 est ouverte sur l’environnement extérieur. L’échange de chaleur entre le collecteur solaire 1 et l’unité de traitement d’air 10 est réalisé, comme pour la figure 3, par un échangeur thermique 29, qui peut être échangeur rotatif, un échangeur à plaques, ou un caloduc par exemple.
Dans le mode de réalisation de la figure 5, similaire à celui de la figure 4, l’échange de chaleur entre le collecteur solaire 1 et l’unité de traitement d’air 10 est réalisé par injection directe de l’air chauffé par l’énergie solaire 26 dans la veine de rejet de l’unité de traitement d’air 10.
En résumé, la présente invention concerne un système de traitement d’air, pour le rafraîchissement et le chauffage du volume intérieur d’un bâtiment, exploitant une combinaison optimisée entre un collecteur solaire thermique ou hybride, un système thermodynamique à compression mécanique et un système à dessiccation, en vue d’assurer la régulation de la température à l’intérieur d’un bâtiment de façon optimale sur les plans économique, énergétique et écologique. II est à noter, en outre, que l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits à titre d’exemples et est susceptible de variantes à la portée de l’homme du métier.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS
    1. Système de traitement d’air, pour le rafraîchissement et le chauffage du volume intérieur d’un bâtiment, comprenant : un collecteur solaire, pour recevoir de l’énergie solaire et la transformer, au moins pour une part, en énergie thermique configurée pour chauffer un fluide vecteur de ladite énergie thermique, une unité de traitement d’air, ladite unité de traitement d’air présentant une veine de rejet comprenant une entrée d’air extrait du volume intérieur du bâtiment, et une sortie d’air rejeté vers l’extérieur, ainsi que des moyens de ventilation pour créer un flux d’air extrait du volume intérieur du bâtiment via l’entrée d’air extrait puis rejeté vers l’extérieur via la sorite d'air rejeté, une veine de soufflage présentant une entrée d'air neuf issu de l’extérieur du bâtiment, et une sortie d’air soufflé vers le volume intérieur du bâtiment, ainsi que des moyens de ventilation pour créer un flux d’air entrant via l’entrée d’air neuf puis soufflé vers ie volume intérieur du bâtiment via la sortie d’air soufflé, un système à dessiccation constitué d’une roue à dessiccation et de deux humidificateurs adiabatiques et ayant pour fonction d’assurer un rafraîchissement partiel du flux d’air entrant, au moins un équipement thermodynamique constituant un système de pompe à chaleur à compression mécanique et ayant pour fonction d’assurer un complément de rafraîchissement du flux d’air entrant, et ladite unité de traitement d’air présentant les modes de fonctionnement suivant : dans un mode de fonctionnement de climatisation du système, ia roue à dessiccation appartient à ia veine de soufflage et déshydrate l’air entrant dans ladite veine de soufflage, par dessiccation, les humidificateurs adiabatiques rafraîchissent partiellement le flux d'air entrant et ledit au moins un équipement thermodynamique de rafraîchissement assure un complément de rafraîchissement du flux d’air entrant avant qu’il ne soit soufflé dans le volume intérieur du bâtiment, l’énergie thermique produite par le collecteur solaire étant au moins partiellement utilisée pour assurer la régénération de ladite roue à dessiccation, dans un mode de fonctionnement de chauffage, la roue à dessiccation et les humidificateurs adiabatiques sont désactivés et l’énergie thermique produite par le collecteur solaire est au moins partiellement utilisée, directement ou indirectement, pour le chauffage du volume intérieur du bâtiment.
  2. 2. Système de traitement d'air selon ia revendication 1, caractérisé en ce que ledit système de pompe à chaleur à compression mécanique est formé d’une pluralité d’équipements thermodynamiques de rafraîchissement comprenant un refroidisseur adiabatique indirect, composé d’une roue à enthalpie et d’un humidificateur, un refroidisseur adiabatique direct, et un évaporateur, disposés dans cet ordre entre l’entrée d’air neuf et la sortie d’air soufflé, et ledit système à dessiccation, appartenant, dans le mode de fonctionnement de climatisation, à la veine de soufflage, et assurant le rafraîchissement du flux d’air entant, comprend une roue à dessiccation disposée en amont de ladite pluralité d’équipements thermodynamiques formant le système de pompe à chaleur à compression mécanique.
  3. 3. Système de traitement d’air selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’unité de traitement d’air comprend un local technique comprenant au moins un compresseur alimentant ledit système de pompe à chaleur à compression mécanique,
  4. 4. Système de traitement d’air selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide vecteur de l’énergie thermique issue du collecteur solaire est de l’eau, et en ce que le système comprend un circuit hydraulique comportant des conduits et des moyens de stockage de l'eau chauffée par l’énergie thermique, assurant le stockage d’énergie thermique produite par le collecteur solaire.
  5. 5. Système de traitement d’air selon i’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide vecteur de l’énergie thermique issue du collecteur solaire est de l’air, et le système comprend un circuit aéraulique permettant d’acheminer l’air chaud dans ladite unité de traitement d’air.
  6. 6. Système de traitement d'air selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans le mode de fonctionnement de climatisation du système, la veine de rejet comprend au moins un équipement thermodynamique de réchauffage de l’air extrait du volume intérieur du bâtiment, et en ce que l’air extrait chauffé est acheminé sur la roue à dessiccation pour vaporiser l’eau adsorbée par ladite roue à dessiccation avant que l’air extrait chauffé puis refroidi et rendu humide lors de la vaporisation de i’eau adsorbée par ia roue à dessiccation ne soit rejeté vers l’extérieur via la sortie d’air rejeté. I. Système de traitement d'air selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit au moins un équipement thermodynamique de réchauffage est formé d'une pluralité d’équipements thermodynamiques de réchauffage comprenant un refroidisseur adiabatique indirect, composé d’un humidificateur et d’une roue à enthalpie, un condenseur et un échangeur de chaleur entre l’air extrait et le fluide vecteur de l’énergie thermique produite par le collecteur solaire, disposés dans cet ordre entre l’entrée d’air extrait et la sortie d’air rejeté, pour réchauffer le flux d’air extrait de façon à ce que l’air réchauffé vaporise l’eau adsorbée par ia roue à dessiccation,
  7. 8. Système de traitement d’air selon i’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une source auxiliaire de chaleur pour apporter de l’énergie thermique complémentaire en vue de chauffer le fluide vecteur de chaleur.
  8. 9. Système de traitement d’air selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la veine de rejet comprend en outre une entrée d’air neuf issu de l’extérieur du bâtiment, pour favoriser la régénération de la roue à dessiccation.
  9. 10. Système de traitement d’air selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la veine de soufflage comprend en outre une entrée d’air repris issu du volume intérieur du bâtiment. II. Système de traitement d’air selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le collecteur solaire est hybride, produisant de l’énergie électrique en plus de l’énergie thermique, l’énergie électrique étant utilisée directement pour la consommation électrique des équipements de ladite unité de traitement d'air.
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