FR3063801A1 - Procede et dispositif de chauffage par recyclage de la chaleur interieure - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un chauffage qui pompe plus de chaleur dans l'air vicié de ventilation rejeté qu'il est nécessaire pour réchauffer l'air neuf aspiré. Il est constitué : - D'un circuit 1 en fonctionnement continu qui : ? pompe sans former de givre une première quantité de chaleur dans le flux d'air vicié extrait, chaud et humide ? assèche le flux d'air vicié. - D'un circuit 2, à température d'évaporateur plus basse que le circuit précédent, qui pompe une seconde quantité de chaleur dans l'air asséché. Le dispositif selon les inventions est, sans installation extérieure disgracieuse, particulièrement destiné à produire, à faible coût en hiver et en été, un intérieur confortable et sain : Confortable : • température régulée dans tout le logement avec un recyclage avantageux des chaleurs intérieures ; la version avec stockage est tout particulièrement adaptée aux constructions à faible chaleur massique (murs en béton cellulaire, à ossature bois...) • climatisation silencieuse et économique : fin de la souffrance trop souvent mortelle des personnes fragilisées par la canicule. • intérieur protégé du bruit extérieur avec l'aération continue sans ouverture de fenêtre. Sain : l'air neuf est filtré et son aspiration est éloignée des sources de pollution. Faible coût : ? d'installation: ? pas de double installation de VMC avec un chauffage annexe ? les panneaux hydrauliques solaires en toiture sont remplacés par un chauffe-eau sanitaire thermodynamique ? d'exploitation : faible consommation électrique annuelle.

Description

© N° de publication : 3 063 801 (à n’utiliser que pour les commandes de reproduction) (© N° d’enregistrement national : 17 00240 ® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE
COURBEVOIE © Int Cl8 : F24 F3/00 (2017.01), F24 D 5/12
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1
©) Date de dépôt : 07.03.17. © Demandeur(s) : REBDENIS— FR, REB MARC—RR
(© Priorité : et GEINAERT REB MARIELLE— FR.
@ Inventeur(s) : REB DENIS, REB MARC et GEI-
NAERT REB MARIELLE.
(43) Date de mise à la disposition du public de la
demande : 14.09.18 Bulletin 18/37.
©) Liste des documents cités dans le rapport de
recherche préliminaire : Se reporter à la fin du
présent fascicule
(© Références à d’autres documents nationaux ® Titulaire(s) : REB DENIS,REB MARC, GEINAERT
apparentés : REB MARIELLE.
©) Demande(s) d’extension : (© Mandataire(s) : REB DENIS.
Pty PROCEDE ET DISPOSITIF DE CHAUFFAGE PAR RECYCLAGE DE LA CHALEUR INTERIEURE.
FR 3 063 801 - A1 (üç) L'invention concerne un chauffage qui pompe plus de chaleur dans l'air vicié de ventilation rejeté qu'il est nécessaire pour réchauffer l'air neuf aspiré.
Il est constitué:
- D'un circuit 1 en fonctionnement continu qui:
? pompe sans former de givre une première quantité de chaleur dans le flux d'air vicié extrait, chaud et humide ? assèche le flux d'air vicié.
- D'un circuit 2, à température d'évaporateur plus basse que le circuit précédent, qui pompe une seconde quantité de chaleur dans l'air asséché.
Le dispositif selon les inventions est, sans installation extérieure disgracieuse, particulièrement destiné à produire, à faible coût en hiver et en été, un intérieur confortable et sain:
Confortable: température régulée dans tout le logement avec un recyclage avantageux des chaleurs intérieures; la version avec stockage est tout particulièrement adaptée aux constructions à faible chaleur massique (murs en béton cellulaire, à ossature bois...) climatisation silencieuse et économique: fin de la souffrance trop souvent mortelle des personnes fragilisées par la canicule.
intérieur protégé du bruit extérieur avec l'aération continue sans ouverture de fenêtre.
Sain: l'air neuf est filtré et son aspiration est éloignée des sources de pollution.
Faible coût: ? d'installation:
? pas de double installation de VMC avec un chauffage annexe ? les panneaux hydrauliques solaires en toiture sont remplacés par un chauffe-eau sanitaire thermodynamique ? d'exploitation: faible consommation électrique annuelle.
Figure FR3063801A1_D0001
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Procédé et dispositif de chauffage par recyclage de la chaleur intérieure.
Description de l'existant : domaine technique.
Etat de la technique : Configuration actuelle selon figure 1.
Actuellement la VMC double flux thermodynamique (VMC DF th), de puissance de chauffe insuffisante, est utilisée pour réduire les pertes de chaleur contenue dans l'air vicié rejeté par la ventilation. Pour maintenir la température du logement, un chauffage d'appoint externe à l'installation de VMC est nécessaire.
Le principe de base de la VMC thermodynamique à compression de gaz avec changement de phase est d'extraire une quantité de chaleur de l'air vicié avant son rejet pour la transférer à l'air neuf entrant via le cycle thermodynamique et le fluide frigorigène.
Le transfert de la quantité de chaleur de l'air intérieur vicié extrait dans l'évaporateur (4) (source froide voisine de 21’C) vers le condenseur (2) qui échauffe l'air neuf entrant (source chaude) est rendu possible grâce au travail d'un compresseur (1), celui-ci étant couplé à un condenseur (2), un détendeur (3) et un évaporateur (4). La quantité de chaleur fournie à l'air neuf entrant est, aux rendements d'échange près, la somme de la quantité de chaleur pompée dans l'air vicié extrait et d'une partie de l'énergie fournie au compresseur, celle-ci dépendant de son rendement global. La performance énergétique du circuit thermodynamique est définie par le coefficient de performance (COP) qui est le rapport entre la quantité de chaleur fournie par le condenseur à l'air neuf entrant et l'énergie fournie au compresseur.
Etat de la technique connue :
La demande de brevet Canadien CA 2 476 049 décrit une pompe à chaleur avec évaporateur de dégivrage à étapes multiples pour utilisation dans une ambiance extérieure à très basse température. La température de la surface du premier évaporateur est maintenue au-dessus de zéro degré Celsius. Cela produit la déshumidification de l'air tout en évitant la formation de givre sur la surface. L'air passe successivement au travers du deuxième évaporateur dont la surface peut être maintenue à une température au-dessous de zéro degré sans qu'il y ait formation de givre.
Cette demande prescrit la collocation des deux évaporateurs à l'extérieur et elle ne divulgue pas une pompe à chaleur à étapes multiples utilisée, comme dans la présente demande, à l'intérieur d'un immeuble pour récupérer la chaleur de l'air vicié pendant le recyclage de l'air intérieur.
La demande de brevet européen EP 2 511 627 décrit une pompe à chaleur bi-étagée et son procédé de fonctionnement. Toutefois elle ne divulgue pas son utilisation avec température de l'évaporateur du premier étage maintenue proche de zéro par valeur positive pour réduire la formation de givre. Au contraire, elle prévoit d'inverser le cycle sur le premier circuit dans le cas où un dégivrage se rendrait nécessaire.
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Descriptif succinct des figures jointes :
La figure 1 décrit l'état de la technique actuelle.
La figure 2 décrit le principe du chauffage par ventilation avec recyclage.
La figure 3 décrit le principe général de l'invention sans le couplage des condenseurs.
La figure 3-1 décrit le principe général de l'invention avec le couplage des condenseurs.
La figure 4 décrit un 1er mode de réalisation avec stockage de la chaleur en excès.
La figure 5 décrit l'installation d'un distributeur d'inversion de flux du fluide frigorigène en mode chauffage.
La figure 5-a décrit l'installation de deux distributeurs d'inversion de flux du fluide frigorigène en mode chauffage.
La figure 6 décrit l'installation d'un distributeur d'inversion du fluide frigorigène en mode climatisation ou dégivrage.
La figure 6-a décrit l'installation de deux distributeurs d'inversion du fluide frigorigène en mode climatisation ou dégivrage.
La figure 7 décrit une installation d'exploitation du froid gratuit avant son rejet.
La figure 8 décrit le couplage optimisé de l'invention sur un puits canadien.
Exposé de l'invention : le chauffage par ventilation et recyclage est caractérisé par les quantités de chaleur échangées.
Principe de base selon figure 2 :
L'air neuf aspiré est à la température de l'air extérieur.
Condition de fonctionnement optimisé du recyclage : le logement doit être étanche pour que le débit d'air vicié rejeté soit égal au débit d'air neuf insufflé : murs et fermetures étanches, hotte de cuisine à recyclage sans évacuation extérieure et en cas d'installation d'un chauffage d'appoint avec flamme, prévoir un tirage d'air relié à l'extérieur et non en communication avec l'air intérieur.
Les débits air neuf et air vicié sont supposés identiques.
Pour refroidir l'air vicié extrait de 21°C à t2, on pompe une quantité de chaleur Q 2 Pour chauffer l'air insufflé de t3 à 21°C on fournit une quantité de chaleur Q 2.
Supposons par exemple : · une température extérieure t3 = + 5°C • l'air vicié extrait rejeté à température t2 = 0°C
Si le débit d'air neuf entrant est égal au débit d'air vicié extrait, tant que la quantité de chaleur Ch pompée dans le flux d'air extrait est supérieure à la quantité de chaleur Ch( nécessaire à réchauffement à 21°c du flux d'air entrant, on aura chauffage du logement par ventilation ce qui est le cas avec l'exemple précité. Le chauffage par ventilation avec recyclage sera suffisant tant que Qi - Ch sera supérieur aux pertes de chaleur de l'habitat Ch- Par ailleurs, Ch et Q2 doivent être majorés pour tenir compte des échangeurs et des rendements thermodynamiques non parfaits. Ainsi, pour qu'il y ait chauffage du logement, la température de rejet devra être nettement inférieure à t3 et cet écart par valeur inférieure devra augmenter proportionnellement aux pertes de chaleur de l'habitat qui augmentent avec le froid extérieur.
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Sur une durée d'évaluation de T secondes :
Q i = quantité de chaleur pompée en T secondes dans l'air vicié Q 2 = quantité de chaleur fournie en T secondes à l'air neuf insufflé
Q v» = quantité de chaleur dégagée par la vie intérieure : chaleur dégagée en T secondes par la respiration des occupants, la cuisine, le bain, le multimédia...
Q 4 = quantité de chaleur solaire fournie en T secondes au travers des vitrages exposés
Q vi et Q 4 augmentent la température intérieure et sont intégrées dans Q v
Q 3 = quantité de chaleur perdue en T secondes au travers des murs et des fermetures.
Généralisation : durant un temps T de mesure des débits et des quantités de chaleur avec un débit d'air vicié égal au débit d'air neuf entrant, la température intérieure 11 du logement est maintenue voire augmentée quand :
Limites du système actuel représenté par la VMC double flux thermodynamique défiguré 1 Supposons une température de l'air neuf aspiré t3 froide, par exemple t3= -10°C ; la température t2 de I'évaporateur (4) doit être abaissée à une température encore plus basse, par ex -20°C pour tenir compte des pertes de chaleur du logement et de la chaleur non transférée dans les échangeurs. Or, l'air vicié extrait du logement, voisin de 21°C, dans lequel on pompe la quantité de chaleur Qi contient de la vapeur d'eau provenant notamment de la respiration des occupants, de la cuisine, des bains.... Au contact avec I'évaporateur (4), la vapeur d'eau contenue dans l'air vicié se solidifie en glace qui se dépose sur les parois froides en formant une couche isolante. Pour maintenir l'échange optimal dans I'évaporateur, un dégivrage régulier s'impose ; durant le dégivrage, l'énergie de liquéfaction de la glace ne sera pas disponible pour chauffer l'air neuf aspiré d'où une diminution ponctuelle de la puissance de chauffe et, plus désagréable, une insufflation d'air rafraîchi.
Exposé de l'invention :
II ressort du développement précédent le besoin de faire fonctionner I'évaporateur à des températures nettement inférieures à zéro degré Celsius tout en réduisant au plus bas la formation de givre sur les parois de I'évaporateur ; une solution revient à assécher au mieux l'air vicié avant son passage dans I'évaporateur à température inférieure à 0°C.
L'invention propose, à cet effet, une installation de chauffage avec VMC thermodynamique bi-étagée notée dorénavant ACAPACI comportant deux circuits thermodynamiques montés en série selon figure 3.
(ACAPACI est l'acronyme de Aération Continue Avec Pompe A Chaleur Intérieure).
La puissance de chauffe ou de refroidissement d'un flux d'air de ventilation dépend de son débit et de sa température.
Un ventilateur Vi assure le débit d'air neuf insufflé et un ventilateur V2 celui de l'air vicié extrait. La caractéristique manométrique globale est ainsi celle de deux ventilateurs montés en série sur un grand réservoir formé par le logement, ouvert à ses deux extrémités avec les canalisations
4/11 d'aspiration de l'air neuf et de refoulement de l'air vicié. Le débit optimisé d'air neuf insufflé est voisin de celui qui assure un renouvellement du volume du logement chaque heure en journée ; de nuit, le débit peut-être réduit.
Les avantages du double ventilateur sont :
- la réduction du bruit d'entraînement des flux d'air
- la réduction des pertes par défaut d'étanchéité du logement
- la possibilité de faire varier, sur une courte durée, le débit d'air extrait par rapport au débit d'air neuf aspiré, qui génère une faible variation de pression dans le grand réservoir que forme le logement.
Description : ACAPACI A-A (comme Air/Air) comporte selon figure 3, deux circuits thermodynamiques montés en cascade ; le premier des deux circuits comporte un compresseur (1), un dispositif de transfert de chaleur formant condenseur (2), un détendeur (3), un dispositif d'extraction de chaleur (4) formant évaporateur de température de fonctionnement au plus bas voisine de 0°C par valeur positive ; ainsi le premier circuit ne produira jamais de givre et ne nécessitera aura dégivrage. L'innovation 1 par rapport à l'existant est caractérisée par l'installation en série d'un second circuit, comportant successivement un compresseur (5), un condenseur (6), un détendeur (7) et un évaporateur (8) fonctionnant à des températures plus basses que l'évaporateur (4). A titre d'exemple indicatif, le fluide frigorigène du circuit 1 pompe une quantité de chaleur qui fait passer le flux d'air vicié en entrée dans l'évaporateur (4) de +21°C à +2°C à sa sortie alors que le fluide frigorigène de l’évaporateur (8) pompe une quantité de chaleur qui fait passer le flux d'air vicié en entrée de (8) de +2°C à -25°C à sa sortie. La quantité de chaleur totale pompée dans le flux d'air vicié sera la somme des quantités de chaleur pompées par les évaporateurs (4) et(8).
Le circuit 1 est réglé afin que la température de l'évaporateur (4) soit au plus bas voisine de zéro degré Celsius mais par valeur positive et sa conception évitera tout « point d'air immobile » où l'air pourrait stagner et givrer. Ainsi l'évaporateur (4), qui pompe en continu sans givrer une quantité de chaleur qui fait passer l'air vicié par exemple de 21 à 2°, assèche le débit d'air vicié entrant dans l'évaporateur basse température (8). La quantité de chaleur pompée en (4) intègre la chaleur de vie, la chaleur de condensation et l'apport solaire journalier de toutes les fenêtres exposées au soleil ; elle est amplifiée par le COP du circuit thermodynamique 1 et transférée au condenseur (2). Cette quantité de chaleur reste disponible en continu pour échauffer l'air neuf de ventilation du fait qu'il n'y a aucun besoin de dégivrage du circuit 1.
L'air vicié asséché en sortie de l'évaporateur (4) du circuit 1 passe dans l'évaporateur (8) du circuit 2, réglé suffisamment bas par rapport à la température extérieure pour pomper une quantité de chaleur supplémentaire et donner la puissance de chauffe nécessaire au maintien de l'air intérieur du logement à 21°C. La chaleur pompée par l'évaporateur (8), est comprimée puis transférée par le compresseur (5) pour amplifier réchauffement du condenseur (6).
La source froide de l'évaporateur (4) varie de 21°C à 2°C alors que celle de l'évaporateur (8) varie de +2°C à des températures nettement inférieures à zéro degré Celsius ; donc, le fluide frigorigène du circuit 2 doit s'évaporer à température plus basse que le fluide du circuit 1. On augmente la température du condenseur en augmentant sa pression ; augmenter la pression de condensation augmente le taux de compression et le travail que doit fournir le compresseur pour un même débit de fluide frigorigène. En outre, l'augmentation du taux de compression augmente la charge mécanique sur le compresseur qui diminue sa durée de vie. Donc, pour optimiser le COP (coefficient
5/11 de performance) et la durée de vie des compresseurs, il convient d'utiliser deux fluides frigorigènes adaptés aux conditions différentes de fonctionnement et de limiter les taux de compression dans chaque circuit.
Ainsi, avec une consommation énergétique moindre et une durée de vie optimisée, on obtient une température du condenseur (2) plus élevée que celle du condenseur (6). L'air entrant froid traverse les deux condenseurs en série ; réchauffement du flux d'air neuf sera plus progressif et plus important s'il traverse en premier le condenseur (6) qui est à la température la plus faible avant de traverser le condenseur (2) qui est à une température plus élevée ce qui revient à la disposition de la figure 3-1.
Introduction d'un besoin de puissance particulière de rechargement en chaleur :
De nuit, pour le confort, la santé et l'économie d'énergie, le débit de ventilation et la température d'insufflation sont réduits et réglés selon la température nocturne souhaitée (Habituellement 16°C). Au petit matin en hiver, généralement avant le lever du soleil, il faut réchauffer le logement à 21°C alors que la température intérieure n'est par exemple plus que de 16°C. En outre, la température extérieure froide augmente les pertes de chaleur de l'habitat. Ainsi, avec de l'air vicié à 16°C, peu d'énergie de vie et peu ou pas d'apport solaire, l'installation doit produire plus de puissance pour ramener l'air intérieur à 21’C en temps limité.
On augmente la puissance du chauffage en augmentant le débit ou la température de l'air neuf ou les deux ; le débit est limité par le bruit d'insufflation et le ressenti de courant d'air alors que la température est limitée par la température produite par le dernier condenseur avant insufflation. Différents modes de puissance particulière de chauffe produits par ACAPACi A-A :
•lire solution pour augmenter la puissance de chauffe : augmenter la quantité de chaleur pompée dans l'évaporateur (8) car celle pompée dans 4 (de 21°C à +2X) reste sensiblement constante.
Si en pompant dans (8) la quantité de chaleur qui abaisse le flux d'air vicié +2 à -25°C ne suffit pas, on abaisse par exemple la température de l'évaporateur (8) pour pomper de +2 à -30°C ; cette solution impose que le fluide frigorigène continue à s'évaporer suffisamment à cette basse température.
• 2ème solution : le chauffage d'appoint.
Si l'abaissement de la température de l'évaporateur (8) ne permet plus le chauffage, une autre solution consiste à installer dans une ou plusieurs pièces où l'air vicié est directement extrait, un chauffage d'appoint de puissance modérée et à faible inertie. Si la source d'énergie est électrique, l'air des pièces équipées du chauffage d'appoint à faible inertie (généralement la ou les salles de bain) est chauffé sur le tarif Heures creuses, par exemple entre 4 h et 6h du matin. Cette chaleur d'appoint, après avoir échauffé la pièce, est évacuée dans l'air vicié de ventilation ; elle est ensuite pompée par les évaporateurs puis est amplifiée par les cycles thermodynamiques pour échauffer le flux d'air neuf avant insufflation. Ainsi, le chauffage d'appoint, direct en 1er emploi, est ensuite pompé et amplifié pour apporter à coût réduit et en second emploi, le supplément de quantité de chaleur nécessaire au petit matin.
Remarque : l'air est peu caloporteur, peut calostockeur et génère peu d'inertie thermique. En outre, il n'y a pas de production d'eau chaude sanitaire.
En réponse à ces nouveaux besoins, la présente demande propose une machine à 2 étages appelée « ACAPACI- ECS ».
6/11
Description d'un deuxième aspect de l'invention appelée : ACAPACI - ECS (Eau Chaude Sanitaire)
ACAPACI - ECS comporte, selon figure 4, deux circuits thermodynamiques montés en série et un circuit hydraulique de stockage et de puissance ; ainsi, le circuit 1 échauffe en continu et en direct de l'eau dans (9) et le circuit 2 échauffe en direct l'air neuf de ventilation avec (6).
Le circuit thermodynamique 1 est composé de l'évaporateur (4), du compresseur (1), du condenseur (2) et du détendeur (3). Le condenseur (2) est plongé dans le réservoir d'eau (9) et forme un ballon d'eau chaude sanitaire thermodynamique.
Le circuit hydraulique de stockage complémentaire est composé du circulateur (11), des réservoirs (9) et (14) et le circuit hydraulique de production de puissance de chauffe supplémentaire est composé du circulateur (12), du réservoir( 14) et de l'échangeur (13).
Le circuit thermodynamique 2 inchangé est composé de l'évaporateur (8), du compresseur (5), du condenseur (6) et du détendeur (7).
Nouvelle solution d'apport de puissance par prélèvement dans le réservoir de stockage (14).
Mais avant de pouvoir prélever, il faut stocker l'énergie en exploitant une source et une technologie économiquement rentables ; or, la chaleur de vie (respiration, bains, multimédia...) et l'énergie solaire sont gratuites mais pas toujours directement disponibles.
ACAPACI - ECS est capable de stocker de façon rentable les énergies gratuites quand elles sont économiquement disponibles.
A titre d'exemple, supposons le lever du soleil à 9 h. A cette heure, le logement est déjà à la température de confort de 21°C et les pertes de chaleur du logement sont en baisse du fait de l'accroissement de la température extérieure en journée. Le soleil chauffant au travers de tous les vitrages qui lui sont exposés provoque une augmentation de température de l'air intérieur. Cette augmentation de température est d'autant plus importante quand :
° le logement est équipé d'un chauffage à grande inertie (ex : chauffage hydraulique sous chape en béton...) ° les murs sont à faible chaleur massique (maison en bois ou à ossature bois, en béton cellulaire...)
L'installation idéale est donc celle qui :
Stocke un maximum de chaleur disponible gratuitement et exploitable de façon rentable tout en préservant l'intérieur d'une forte augmentation de température. Maintient et stabilise la température intérieure du logement en réduisant au minimum la durée d'emploi des brises soleil orientables.
Principe du stockage d'énergie par ACAPACI - ECS :
Quand le soleil chauffe au travers des vitrages, la température intérieure dans les pièces exposées au soleil, augmente. Ce supplément de chaleur, énergétiquement semblable au chauffage d'appoint développé dans la 2eme solution en page précédente, est pompé en continu par l'évaporateur (4) qui ne nécessite aucun dégivrage, ce qui réduit et stabilise la température intérieure près de la consigne. La chaleur pompée dans l'évaporateur (4) échauffe en continu le condenseur (2) en contact avec l'eau dans (9). Quand la température mini, par exemple de 50°C est atteinte dans (9), le circulateur (11), augmente le stockage en transportant le complément de chaleur dans le réservoir de stockage (14) jusqu'à une température de consigne maxi commune à (9) et (14).
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Principe de l'exploitation de l'énergie stockée dans (14) :
° en mode chauffage d'hiver : une première puissance de chauffe est obtenue en abaissant la température de l’évaporateur (8) à une valeur suffisamment inférieure à la température extérieure pour augmenter la quantité de chaleur pompée et chauffer l'air neuf avec (6). Or, comme le circuit 2 exploite l'air asséché par le circuit 1, il ne peut fonctionner qu'avec le circuit 1 en marche. En conséquence, il faut prélever de la chaleur dans (14) afin d'éviter que la température maxi soit atteinte dans (9) et (14) qui couperait le fonctionnement du circuit 1 alors que le circuit 2 serait en fonctionnement. C'est une des fonctions du circulateur (12) qui prélève dans le réservoir de stockage (14) un débit d'eau chaude suffisant pour maintenir un fonctionnement continu du circuit 1 mais aussi pour donner une seconde chauffe à l'air neuf via l'échangeur (13), donc une stabilisation et une augmentation de puissance de chauffe.
Quand la puissance de chauffe par abaissement de température de (8) et exploitation de l'énergie stockée dans (14) deviennent insuffisantes, le chauffage d'appoint à faible inertie, précédemment développé en 2eme solution, apporte le besoin supplémentaire de chauffage.
Par ailleurs au petit matin, le circulateur (12) mis en marche de puissance, apporte par augmentation du débit de (14) vers (13) un supplément de puissance de chauffe pour ramener l'air intérieur au plus vite à 21°C.
° en mode été = chauffage eau sanitaire seule : le circulateur (12) et le circuit 2 sont à l'arrêt ; le circuit 1 pompe la chaleur de l'air vicié dans l’évaporateur (4) pour échauffer (9) ; à partir d'une température préréglée de (9), le circulateur (11) transporte le complément de chaleur dans (14) jusqu'à ce que la consigne haute soit atteinte. Quand elle est atteinte le circuit 1 est arrêté.
En cas de prélèvement d'eau chaude sanitaire important, continu et sur une longue durée, la température baisse dans (9) et l'apport de chaleur du circuit 1 peut ne plus suffire. A partir d'une température minimale préréglée dans (9), en plus de la chaleur fournie par le circuit 1, le circulateur (11) apporte un complément de chauffe prélevé de (14).
Principe du dégivrage :
- Pour ACAPACI - ECS.
Même si l’évaporateur (4) assèche l'air vicié, il reste une faible quantité de vapeur d'eau entrant dans l'échangeur (8); elle givre et impose un dégivrage périodique de (8) seul, mais à intervalle plus espacé qu'en l'absence d'assèchement par l’évaporateur du circuit 1.
Pour dégivrer l’évaporateur du circuit 2, les flux du fluide frigorigène sont inversés entre (8) et (6) ; ainsi, (8) devient condenseur et (6) évaporateur. Durant le dégivrage, le condenseur (6) devenu évaporateur refroidit le débit d'air neuf; il faut donc davantage échauffer l'air dans (13). Pour limiter le refroidissement durant le dégivrage, le débit d'air neuf insufflé par Vi est réduit, le débit extrait parV2est maintenu et le débit prélevé par (12) dans (14) est augmenté pour que l'accroissement de ia puissance de chauffe dans (13) compense la perte de puissance dans (6) générée par le dégivrage. Le débit maintenu d'air vicié extrait par V2 accélère encore la vitesse du dégivrage tout en créant une faible dépression dans le logement non perceptible pour l'habitant.
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Pour ACAPACI A-A.
Le dégivrage est également obtenu par inversion des flux de fluide frigorigène entre (8) et (6) ; cependant, comme sur le modèle air/air il n'y a pas de stockage hydraulique de chaleur, les débits air neuf et air vicié sont gérés comme sur la version ECS et c'est la seule production de chaleur de (4) qui réduit ia sensation d'air frais insufflé à débit réduit durant le dégivrage de courte durée.
Principe de la climatisation qui est identique pour ACAPACI A-A, et ACAPACI - ECS.
La climatisation du logement est obtenue par l'inversion des flux du circuit 2. Le condenseur (6) devenu évaporateur refroidit l'air insufflé pour une climatisation de puissance qui sera silencieusement répartie sur tout le logement.
Principe de la commande d'inversion des flux entre 16 et 4 selon les figures 5 et 6 :
Dans la pratique actuelle, un distributeur à tiroir (15) à 4 orifices et 2 positions selon figure 5 relie l’évaporateur au condenseur. Le tiroir en position « 0 », (8) est l’évaporateur, (6) le condenseur et on constate que les flux sont inversés ou croisés dans (6) et (8) pour un meilleur échange de chaleur avec les deux débits d'air. (Air neuf et air vicié).
En déplaçant le tiroir en position « 1 » selon figure 6, il y a inversion des flux de fluide frigorigène ; (8) devient le condenseur, (6) l’évaporateur mais on constate que les flux avec l'air ne sont plus inversés dans (6) et (8) ce qui est préjudiciable aux échanges de chaleur avec l'air d'où baisse du rendement global de l'installation.
La présente demande propose aussi une nouvelle commande avec une inversion double selon les figures 5.a et 6.a.
Le circuit de commande comporte deux distributeurs (15) et (16), chacun à 4 orifices et 2 positions ; les fig 5.a et 6.a, montrent que tous les flux sont inversés, quel que soit le mode de marche, pour des transferts optimisés dans tous les échangeurs.
Un autre aspect de la présente demande consiste à exploiter le froid produit par l’évaporateur (4) avant son rejet.
Un débit d'air d'environ 2°C, prélevé selon la figure 7 par un piquage en (E) contrôlé par clapet réglable en sortie de l’évaporateur du circuit 1, circule dans un ou plusieurs échangeur(s) installés dans la chambre froide (18) afin d'éviter toute pollution microbienne. Après l'échangeur de la chambre froide et selon sa position, l'air vicié est, soit éjecté directement à l'air libre en (F) soit refoulé en (D) vers la canalisation centrale de rejet de ACAPACI. Cependant, afin de sécuriser la chaîne du froid, un groupe réfrigérant (17) à consommation électrique est installé, mais sa durée de fonctionnement sera réduite d'où un gain notoire de consommation électrique. Ainsi, le froid produit en hiver pour le chauffage et en été pour la production d'eau chaude sanitaire est exploité presque gratuitement pour réfrigérer la chambre froide.
En mode chauffage, la perte de puissance de pompage de chaleur liée à la perte de débit d'air vicié dans l’évaporateur (8) sera compensée par un abaissement de la température de (8).
Même si le chauffage ACAPACI par recyclage est autonome et suffisant pour les constructions à faibles pertes de chaleur, le couplage sur un puits canadien augmente notoirement sa puissance de
9/11 chauffe et de climatisation tout en réduisant sa consommation électrique donc élargit son domaine d'emploi vers des bâtiments plus énergivores.
Description du puits canadien selon figure 8 :
II s'agit d'une ou plusieurs conduites enterrées sous terre où circule l'air aspiré en (ΑΊ) par la ventilation pour :
En été, rafraîchir la ventilation en stockant dans la terre la chaleur solaire prélevée.
En hiver, réchauffer la ventilation en prélevant la chaleur stockée dans la terre.
Explications :
Relevés de température le 19 janvier 2016 à 8h en sortie de puits canadien installé en Moselle Es t depuis 2009 :
- t° extérieure -4°C
- t° de sortie du puits canadien : +6,5°C Interprétations des relevés du 19 janvier 2016 à 8h :
Le couplage sur le puits canadien a permis d'économiser le courant électrique habituellement nécessaire pour ramener le débit d'air neuf d'environ 350 m3/h de -4°C à + 6,5°C; c'est un gain énergétique conséquent.
Cependant, en raison de la grande inertie du puits canadien, il arrive que la température de sortie du puits soit inférieure à la température de l'air extérieur en prise directe en (A-2) ; ainsi le 19/1/2016, la température de sortie du puits était de +6,5°C sur la journée alors que celle de l'air était à +10°C sur une partie de l'après-midi ensoleillé. L'intérêt énergétique est alors d'aspirer l'air de ventilation directement à l'extérieur pour économiser la chaleur stockée dans le sol mais aussi pour réduire le besoin de chauffage de l'air insufflé. Un sélecteur d'aspiration motorisée (20), temporisé afin d'éviter les allers/retours répétés quand les températures extérieur et de sortie du puits canadien sont voisines, ou 2 vannes (21) et (22) automatise(nt) la fonction d'optimisation.
Généralisation de l'optimisation du puits canadien :
En mode chauffage : un clapet motorisé d'aspiration ou deux vannes motorisées, piloté(es) par une unité comparant la température de sortie du puits canadien avec la température extérieure, sélectionne l'aspiration extérieure directe quand la température extérieure est plus chaude que la température du flux en sortie du puits canadien ; en dehors, le couplage se fait sur le puits canadien. En été pour le rafraîchissement ou la climatisation :
Pour le rafraîchissement :
Le clapet motorisé ou les deux vannes motorisées sélectionne(nt) l'aspiration par le puits canadien quand la température intérieure du logement est supérieure à la température intérieure de confort, par exemple de 22°C.
Pour la climatisation :
Durant ia canicule en 2015, une température en sortie du puits canadien de 18°C a été mesurée alors que la température extérieure était supérieure à 30°C.
Le puits canadien apporte ainsi de la fraîcheur qui fait passer l'air neuf de plus de 30°C à 18°C sans consommation électrique. La chaleur de rafraîchissement, naturellement produite par le puits canadien, est chargée dans la terre qui entoure les canalisations du puits canadien. La chaleur solaire ainsi stockée demeure disponible pour une exploitation ultérieure en période de chauffage ; en climatisation, l'aspiration reste toujours couplée sur le puits canadien.
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Claims (1)

  1. Revendications :
    Revendication 1
    Procédé de chauffage d'un bâtiment au travers d'une ventilation mécanique contrôlée (VMC) en utilisant un dispositif de récupération de la chaleur sur l'air intérieur vicié extrait du bâtiment pour réchauffer l'air neuf de ventilation frais injecté dans le bâtiment, ledit dispositif étant constitué d'une pompe à chaleur (PAC) à deux étages, le premier étage comprenant un évaporateur (4) extrayant une première quantité de chaleur de l'air vicié extrait du bâtiment en abaissant la température de l'air vicié à une valeur proche de zéro par valeur positive et un condenseur (2), suivi d'un deuxième étage comprenant un évaporateur (8) qui pompe une seconde quantité de chaleur en abaissant la température de l'air asséché par le premier étage à une température inférieure à celle du premier étage et un condenseur (6).
    Revendication 2
    Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'air frais injecté dans le bâtiment est chauffé en traversant les condenseurs du premier (2) et du deuxième étage (6).
    Revendication 3
    Procédé selon la revendication 2 dans lequel l'air frais traverse en premier le condenseur du deuxième étage (6).
    Revendication 4
    Procédé selon les revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le condenseur (2) du premier étage est associé à un réservoir (9) contenant de l’eau pour stocker la chaleur pompée par l’évaporateur (4) du premier étage et former un ballon d’eau chaude sanitaire thermodynamique.
    Revendication 5
    Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que le premier étage comprend un échangeur (13) associé à un réservoir (14) contenant du fluide caloporteur et que les réservoirs (9) et (14) sont reliés par un circuit d’eau caloporteur entraîné par un circulateur (11) pour stocker plus de quantité de chaleur produite par l’évaporateur (4) du premier circuit.
    Revendication 6
    Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que le réservoir de stockage (14) et l’échangeur (13) sont reliés par un circuit caloporteur entraîné par un circulateur (12) pour chauffer et stabiliser la température de l’air neuf avant insufflation.
    11/11
    Revendication 7
    Procédé selon les revendications 1 à 6 caractérisé en ce que dans le deuxième étage, le rôle de l’évaporateur et du condenseur peut être inversé pour permettre le dégivrage de l’évaporateur (8), au moyen de deux distributeurs commandés (15, 16), à quatre orifices et deux positions, branchés de sorte que tous les flux demeurent croisés dans le condenseur (6) et l’évaporateur (8) respectivement avec l’air neuf et l’air vicié.
    Revendication 8
    Pompe à chaleur à deux étages pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 1, chaque étage comprenant un évaporateur (4,8) et un condenseur (2,6).
    Revendication 9
    Pompe à chaleur selon la revendication 8 caractérisé en ce que le premier étage comprend aussi un échangeur (13) pour chauffer une deuxième fois l'air frais après avoir traversé le condenseur du deuxième étage (6).
    Revendication 10
    Pompe à chaleur selon la revendication 9 caractérisée en ce que le condenseur du 1er étage (2) et l'échangeur (13) sont associés chacun à un réservoir (9, 14) contenant de l'eau pour stocker la chaleur pompée dans l’évaporateur du premier étage (4) et former un ballon d’eau chaude sanitaire thermodynamique composé de deux volumes distincts.
    Revendication 11
    Pompe à chaleur selon la revendication 10 caractérisée en ce que le condenseur du premier étage (2) comprend deux circuits d’eau avec deux circulateurs (11) et (12), l’un des circulateurs (11) reliant les réservoirs (9) et (14) pour stocker une plus grande quantité de chaleur pompée par l’évaporateur du 1er étage (4) et l’autre circulateur (12) reliant le réservoir de stockage (14) avec l’échangeur (13) pour une deuxième chauffe et aussi pour stabiliser la température de l’air neuf insufflé.
    Revendication 12
    Pompe à chaleur selon les revendications 8 à 10 caractérisée en ce que dans le deuxième étage, le rôle de l’évaporateur et du condenseur peut être inversé pour permettre le dégivrage de l’évaporateur (8), ou la climatisation du logement au moyen de deux distributeurs commandés (15, 16), à quatre orifices et deux positions, branchés de sorte que tous les flux de fluide frigorigène demeurent inversés et les échanges entre le fluide frigorigène avec l’air neuf ainsi qu’avec l’air vicié demeurent croisés.
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