FR3063802B3 - Chauffe-eau a accumulation a pompe a chaleur - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un chauffe-eau à accumulation à pompe à chaleur (HP-WH) de type air-eau, muni d'un compresseur (Cp), d'un condenseur (Cond), d'un évaporateur (Evap), d'un appoint de chauffage (RI), capable de chauffer un volume (V) d'eau contenue dans un réservoir d'accumulation (S) d'une température initiale (T.w.i) à une température finale (T.w.set). La puissance nominale (P.cp.nom) dudit compresseur (Cp) est choisie de façon à ce que le rapport (R.P/Va) entre la puissance électrique moyenne (P.cp.m.a) absorbée par ledit compresseur (Cp) et le débit (V.a) du puits froid (CW) soit compris entre 2 et 2,6 W/(m3/h). La présente invention a pour avantage que la puissance nominale (P.cp.nom) ainsi choisie permet l'installation du chauffe-eau à accumulation à pompe à chaleur (HP-WH) dans une salle de bains en utilisant comme puits froid (CW) le débit d'air (V.a) normalement disponible pour la ventilation sans induire de conditions thermo-hygrométriques désagréables pour les utilisateurs.

Description

CHAUFFE-EAU HYBRIDE

La présente invention concerne un chauffe-eau à accumulation à pompe à chaleur doté de caractéristiques innovantes susceptibles d'élargir son cadre d'application domestique et commerciale.

Par souci de concision, les chauffe-eau à accumulation à pompe à chaleur seront désignés dans la suite du document par l’acronyme HP-WH (Heat Pump Water Heater).

Le fonctionnement des HP-WH est bien connu. En référence également à la figure 1 des dessins joints, un cycle frigorifique à expansion/compression d’un fluide frigorigène, obtenu dans un circuit frigorifique comprenant un compresseur Cp, un condenseur Cond, un clapet ou un tube de laminage VI, un évaporateur Evap, absorbe, par l’intermédiaire dudit évaporateur Evap, de la chaleur provenant d’un premier fluide F.a qui se trouve à une première température T.a et le transfère, par l’intermédiaire dudit condenseur Cond, à un second fluide F.w qui se trouve à une seconde température T.w > T.a.

Ledit premier fluide F.a dont la chaleur est récupérée est également appelé « puits froid CW » tandis que le second fluide F.w auquel est transmise la chaleur est quant à lui appelé « puits chaud HW ».

On appelle COP (Coefficient Of Performance) du cycle frigorifique le rapport entre la puissance thermique P.hp fournie au condenseur Cond et la puissance électrique P.cp absorbée par le compresseur Cp (COP = P.hp/P.cp). Le COP ainsi défini est une valeur instantanée et, de fait, en plus de dépendre bien entendu de nombreuses caractéristiques mécaniques structurelles, telles que l’efficacité des échangeurs et du compresseur Cp, qui est en général moins efficace pour de petits débits, est très sensible aux conditions de fonctionnement instantanées du cycle frigorifique, autrement dit, en particulier à la valeur de la première température T.a du puits froid CW et de la seconde température T.w du puits chaud HW. En effet, cela induit des variations non seulement de la puissance thermique P.hp délivrée mais également de la puissance électrique P.cp du compresseur Cp. Par conséquent, le COP d’une machine frigorifique varie selon les conditions de fonctionnement. A cet égard, la puissance électrique P.cp moyennement absorbée par le compresseur Cp est différente de la puissance électrique P.cp.nom absorbée par le compresseur Cp dans des conditions standard.

De manière plus significative, pour identifier l’efficacité du compresseur indépendamment de ses modalités d’utilisation, c’est le COP qui sera qualifié ici de « nominal COP.nom », en rapport à des conditions de fonctionnement standard précises et caractérisant la qualité du compresseur Comp en matière d’efficacité.

En l’espèce, c’est-à-dire pour les HP-WH, ledit second fluide F.w est l’eau contenue dans le réservoir S, de volume V, destiné aux besoins en eau chaude sanitaire, tandis que le premier fluide F.a est, dans la majeure partie des cas, l’air aspiré puis de nouveau rejeté à l’extérieur par des gaines appropriées. Beaucoup plus rarement, il s’agit d'air prélevé et restitué depuis/vers un local (par exemple une cave, une réserve ou une arrière-salle) dans lequel peuvent être tolérées, car il ne s'agit pas d’une pièce d’habitation, Ta basse température T.a et l’humidité élevée relative (p.a produites par l’air restitué dans l’air ambiant et où, dans tous les cas, il existe d’une manière ou d’une autre un apport constant et suffisant en chaleur au puits froid CW.

Les pompes à chaleur dans lesquelles le puits froid CW est constitué d’air et le puits chaud HW d’eau sont appelées « pompes à chaleur air-eau ». Un ventilateur Vent déplace l’air à travers l’évaporateur Evap.

Les HP-WH, outre le chauffage obtenu par le cycle frigorifique, disposent habituellement également d’une source de chaleur conventionnelle ayant une puissance de sortie Pi, appelée ci-après « appoint de chauffage RI » qui peut en général être constitué, sans limitation, d’une quelconque source de chaleur adaptée, telle qu’un échangeur dont le fluide caloporteur est l’eau chaude d’un circuit de chauffage d’ambiance ou un gaz de combustion d'un combustible. Il s’agit toutefois le plus souvent d’un groupe d’une ou plusieurs résistances électriques RI. L’appoint de chauffage RI a divers objectifs, parmi lesquels de toute évidence celui de servir de moyen de secours en cas de panne du circuit frigorifique, mais aussi d’accélérer le chauffage quand c’est nécessaire vu qu’en général sa puissance de sortie Pi est plus élevée que la puissance P.hp délivrée au condenseur Cond par le circuit frigorifique et enfin, plus important, d'augmenter la température T.w de l’eau de l’accumulateur jusqu’à des valeurs supérieures à la température T.w.hp.max atteignable avec le circuit frigorifique. Celui-ci atteint au maximum des valeurs à peine supérieures à 60 °C alors qu’il peut être souhaitable dans certains cas, par exemple une forte consommation d’eau chaude sur une courte période, d'avoir une réserve d’eau chaude plus importante en portant le volume V du réservoir S à une température T.w supérieure (par exemple 70 °C).

Ainsi, compte tenu du paramètre connu du facteur de mélange, la quantité d’eau chaude Q.u pouvant être obtenue à partir d’un réservoir S de volume V à la température adaptée pour l’utilisation de T.w.u = 40 °C est inférieure à la quantité théorique pouvant être obtenue à partir du contenu enthalpique du réservoir proprement dit ayant un facteur de mélange M considéré ici comme égal à 0,8. Par exemple, dans le cas où la température de l’eau courante est T.h = 15 °C et T.w = 70 °C, on obtient alors d’un réservoir S de volume V = 80 litres Q.u - Μ . V . (T.w -T.h)/( T.w.u - T.h) = 140 et non pas 176 litres.

Pour revenir au COP, du point de vue pratique il est plus significatif d’étudier le « COP thermodynamique moyen COP.tdn », relatif à une période de chauffage complet qui amène le second fluide F.w, sous l’effet unique du compresseur Cp, d’une température initiale T.w.i à une température finale T.w.set nécessairement < T.w.hp.max et qui est égal au total de l’énergie E.cond fournie au second fluide F.w par le condenseur Cond divisée par le total de l'énergie E.comp fournie au compresseur Cp pendant la période (COP.tdn = E.cond/ E.comp).

Encore plus significatif pour les HP-WH, le COP global de la machine COP.glob relatif à une période de chauffage complet pour amener le second fluide F.w de ladite température initiale T.w.i à une température finale T.w.set quelconque (c’est-à-dire aussi bien > que < à la température limite T.w.hp.max atteignable avec le cycle frigorifique), sous l’effet aussi bien du compresseur Cp que de l’appoint de chauffage RI, est égal à la somme de l’énergie fournie au second fluide F.w aussi bien par le condenseur Cond que par l’appoint de chauffage RI, respectivement E.cond et E.ri, divisée par le total de l’énergie fournie au HP-WH, respectivement E.comp et E.ri, non seulement par le compresseur Cp mais également par l’appoint de chauffage RI (COP.glob = (E.cond + E.ri)/ (E.comp + E.ri)).

Ce COP global de la machine COP.glob a un intérêt pratique très important car, comme on l'a vu, l’appoint de chauffage RI peut être amené à intervenir non seulement dans les situations d’urgence mais aussi au cours du fonctionnement normal nécessaire pour accélérer le chauffage ou porter l’eau à une température finale T.w.set > T.w.hp.max. C’est le COP global COP.glob qui, conformément à la norme EN 16147, attribue sa classe d’efficacité au HP-WH. A chauffage égal d’une température initiale T.w.i à une température finale T.w.set, le COP global COP.glob est naturellement différent selon que les modalités de chauffage prévoient ou rendent possible l’une des quatre modalités de chauffage suivantes : fonctionnement du seul compresseur Cp jusqu’à une température finale T.w.set < T.w.hp.max, désigné ci-après par «mode thermodynamique [Cp] » ou simplement « mode [CP] » ; fonctionnement séquentiel du seul compresseur Cp (par ex. jusqu’à la température limite T.w.hp.max) suivi uniquement par l’appoint de chauffage RI de T.w.hp.max à T.w.set > T.w.hp.max, ci-après désigné par « mode séquentiel [CP-RI] » ou simplement « mode [CP-RI] » ; fonctionnement du compresseur Cp en parallèle avec l’appoint de chauffage RI jusqu’à une température < T.w.hp.max pour ensuite continuer éventuellement avec uniquement l’appoint de chauffage RI si la température finale T.w.set > T.w.hp.max, ci-après désigné par « mode parallèle [Cp+RI] » ou simplement « mode [CP+RI] » ; fonctionnement du seul appoint de chauffage RI en cas d’utilisation impossible ou inadaptée du compresseur Cp, désigné ci-après par « mode dissipatif [RI] » ou simplement « mode [RI] ».

Une pompe à chaleur HP-WH étudiée pour répondre aux besoins domestiques d’une famille standard est sensiblement caractérisée par : volume V du réservoir S, puissance électrique moyenne P.cp.m.a absorbée durant un cycle de fonctionnement du compresseur Cp, définie selon la norme EN 16147, COP nominal COP.nom du compresseur Cp, température limite T.w.hp.max atteignable avec le compresseur Cp, puissance Pi de l’appoint de chauffage Rl, volume de l’air traité au niveau de l’évaporateur Evap.

Ces caractéristiques mécaniques et les conditions de travail réelles, aussi bien demandées par les utilisateurs qu’imposées par les conditions ambiantes et/ou par des méthodes de gestion adaptées du HP-WH, permettent d’obtenir le COP global de la machine COP.glob, c’est-à-dire le coût énergétique réel du service fourni.

Un HP-WH à usage domestique de moyennes-petites dimensions a typiquement des caractéristiques analogues aux suivantes : volume V du réservoir S............................ litres 80 puissance électrique moyenne a absorbée par le compresseur Cp P.cp.m.a......................................... W 280 COP.nom.......................................... - 3,9 température T.w.hp.max atteignable avec le cycle frigorifique................................, °C 62 débit d'air V.a traité au niveau de l’évaporateur Evap m3/h 200 COP thermodynamique COP.tdn ; mode [Cp] (EN) - 2,5 COP global COP.glob en chauffage séquentiel mode [CP-RI] jusqu’à 65 °C (EN),................... - 2,1 puissance de sortie Pi de l’appoint de chauffage RI (constitué par une résistance électrique) W 1200 température de l'air à la sortie d’Evap........................ °C 12 condensation produite............................... 1/h 0,2 durée de chauffage en mode thermodynamique [Cp] de 10 °C à T.w............................... h 5:30 avec T.w = ............................................ °C 55 durée de chauffage en mode dissipatif [RI] jusqu’à 65 °C.................................... h 0:45 à partir de la température de........................... °C 55 temps de chauff. total de 10 °C à 65 °C......... h 6:15 eau à T.w.u = 40 °C avec T.w.set = T.w.hp.max et avec facteur de mélange M = 0,8............. 1 120

Dans l’exemple, le chauffage est effectué en mode séquentiel [CP-RI] même si on aurait sensiblement pu obtenir la température T.w.set = 65 °C presque uniquement avec le mode thermodynamique [Cp] uniquement pour accélérer l’obtention de T.w.set.

Les valeurs suivies de (EN) ci-dessus et ci-après sont mesurées conformément à la norme EN 1614 avec des conditions au puits froid CW T.a = 20 °C et (p.a = 37 % ; T.w.i = 10 °C et T.w.set = T.w.hp.max.

Si l’on considère qu'une famille de quatre personnes consomme environ 200 litres par jour d’eau à 40 °C (soit environ 50 litres par personne), avec un pic de consommation le matin et le soir, on voit que ce HP-WH est en mesure de satisfaire les besoins des utilisateurs presque toujours en mode [Cp], c’est-à-dire sans avoir à faire des réserves à des températures supérieures à T.w.hp.max (en l’espèce 62 °C) ni à accélérer en utilisant le compresseur Cp parallèlement à l’appoint de chauffage RI.

Par conséquent, le COP global COP.glob coïncide sensiblement avec le COP thermodynamique moyen COP.tdn qui est typiquement égal à 2,5, tandis qu’il chuterait à 2,1 seulement si l’on devait atteindre des températures de l’ordre de 65 °C.

On peut toutefois souligner qu’une telle machine, bien qu’étudiée à des fins « domestiques », est inadaptée pour une installation dans un appartement car, compte tenu du débit d'air au niveau de l’évaporateur (200 m3/h) et de sa température à la sortie de l’évaporateur, l’air ne peut ni être prélevé ni restitué dans l'air ambiant. Dans ce cas, des conduites d'aspiration et d’expulsion d'au moins 15 cm de diamètre doivent être prévues. Compte tenu de l’aspect encombrant de ces conduites, il est nécessaire d'installer le HP-WH non pas dans la salle de bains, en correspondance avec le lieu d’utilisation, mais dans un local de service comme un garage, un grenier ou une cave.

Ceci présente deux inconvénients.

Le premier concerne la facilité d’utilisation du produit car seuls les propriétaires de maisons ou d’habitations similaires peuvent utiliser cette machine, excluant potentiellement de fait des catégories d’utilisateurs les personnes habitant en appartement.

Le second se rapporte à l’énergie car les pertes thermiques dans les canalisations du point d’installation du HP-WH jusqu’aux points d’utilisation réduisent fortement le rendement apparent, d’autant plus si la distance est telle que s’y ajoute également le désagrément de devoir attendre l'arrivée de l’eau chaude à l’ouverture des robinets, ou de devoir prévoir une conduite de recirculation, se traduisant par une augmentation supplémentaire des pertes thermiques.

La présente invention a pour objet de doter un chauffe-eau à pompe à chaleur HP-WH de caractéristiques telles qu'il puisse être installé dans une salle de bains.

Un autre objet, au moins dans certains modes de réalisation de l’invention, est de recourir, pour certains composants, à des modèles grand public et par conséquent de plus faible coût et de grande fiabilité, au lieu de ceux habituellement utilisés dans les chauffe-eau à pompe à chaleur HP-WH.

Un autre objet, au moins dans certains modes de réalisation, est de fournir des moyens pour conférer aux chauffe-eau à pompe à chaleur HP-WH une ou plusieurs fonctions accessoires en plus de l’eau chaude sanitaire.

Ces objectifs, ainsi que d'autres, qui seront décrits plus en détail ci-après, sont obtenus à l'aide d’un chauffe-eau à pompe à chaleur à accumulation à pompe à chaleur de type air-eau, muni d’un compresseur, d’un condenseur, d’un évaporateur, d’un appoint de chauffage, capable de chauffer un volume d’eau contenue dans un réservoir d'accumulation d’une température initiale à une température finale, caractérisé en ce que la puissance nominale dudit compresseur est choisie de façon à ce que le rapport R.P/Va entre la puissance électrique moyenne absorbée par ledit compresseur et le débit V.a du puits froid soit compris entre 2 et 2,6 W/(m3/h). D’autres objectifs peuvent en outre être obtenus avec un chauffe-eau à accumulation à pompe à chaleur, caractérisé en ce que ledit rapport R.P/Va est sensiblement égal à 2,4 W/(m3/h) ; caractérisé en ce que le rapport R.P/V entre ladite puissance électrique moyenne absorbée par ledit compresseur et le volume dudit réservoir est compris entre 2 et 3 W/litre ; caractérisé en ce que ledit rapport R.P/V est sensiblement égal à 2,4 W/litre ; caractérisé en ce que ladite portée au niveau dudit puits froid sur la base de laquelle est déterminée la puissance nominale dudit compresseur est égale à 20 m3/h pour chacun des utilisateurs dudit chauffe-eau ; caractérisé en ce que ledit volume dudit réservoir est égal à 20 litres pour chacun des utilisateurs dudit chauffe-eau ; caractérisé en ce que ledit débit est expulsé de l’évaporateur à une température minimale de 10 °C ; caractérisé en ce qu’il est équipé de moyens de traitement qui reçoivent des signaux de moyens capteurs et envoient des commandes à des moyens actionneurs et capables au moins de : contrôler la température de l’eau dans ledit réservoir, interdire le fonctionnement dudit compresseur si ladite température de l’eau est > à la température limite pouvant être atteinte avec ledit compresseur, interdire le fonctionnement dudit appoint de chauffage et/ou dudit compresseur si ladite température de l'eau est > à ladite température finale ; caractérisé en ce que lesdits moyens de traitement sont capables d’interdire le fonctionnement dudit compresseur si l'air entrant dans ledit évaporateur a une température ou éventuellement une humidité relative inférieures aux valeurs minimales acceptables pour le bon fonctionnement du cycle thermodynamique, l'air expulsé par ledit évaporateur a une température ou éventuellement une humidité relative inférieures aux valeurs minimales acceptables pour le bien-être thermo-hygrométrique ; caractérisé en ce que lesdits moyens de traitement, disposant éventuellement d'informations ultérieures, sont en outre aptes à gérer de la manière la plus opportune en fonction des circonstances l’activation/désactivation desdits compresseur et appoint de chauffage ; caractérisé en ce qu’il fait office d’extracteur d’air. D'autres caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après d'un mode de réalisation préféré, conforme aux revendications et illustré, à simple titre d'exemple non limitatif, sur les planches de dessins jointes, sur lesquelles : la figure 1 représente schématiquement les parties essentielles d’un chauffe-eau à accumulation à pompe à chaleur HP-WH indifféremment selon l’art antérieur ou selon l’invention ; les figures 2.a, 2.b et 2.c représentent des graphiques illustratifs non à l’échelle de la variation dans le temps de la température dans l’accumulateur selon les modes [Cp], [CP-RI], [Cp+RI] décrits plus haut.

Conformément aux normes en vigueur, dans une salle de bains il convient de prévoir un taux de renouvellement d'air de 4 vol/h. La salle de bains principale d’une habitation a une surface en plan d’environ 4,5 m2 et une hauteur minimale de 2,7 m. Ceci donne un volume de 12,5 m3 et un taux de renouvellement d’air minimum de 48,5 m3/h.

Dans la réalité, les extracteurs d’air pour salle de bains disponibles dans le commerce ont pour la plupart des débits d'air V.a supérieurs à 80 m3/h et sont prévus pour une installation dans des conduits de 8 10 cm de diamètre (autrement dit sont prévus pour une vitesse de circulation de l'air d’environ 3 m/s). Il est donc difficile de trouver des salles de bains qui n'auraient pas un tel taux de renouvellement d'air. Il faut également tenir compte du fait que, dans un appartement, il faudrait prévoir un renouvellement de 34 m3/h pour chaque occupant, ce qui donne, pour trois à quatre personnes, un taux de renouvellement d'air de 100 à 140 m3/h. En cas de ventilation mécanique, l'air doit obligatoirement être aspiré de la salle de bains étant donné que les autres pièces n’ont pas d’extracteur, en dehors de la cuisine qui toutefois, soit utilise une hotte aspirante uniquement pendant la cuisson des repas soit, en présence d’un appareil uniquement filtrant, ne permet aucun renouvellement de l’air.

En définitive, il est d’usage qu’un appartement standard possède dans la salle de bains un extracteur ayant un débit V.a d'au moins 80 m3/h pour le renouvellement d'air ou, à défaut, que son amélioration jusqu’à au moins ledit débit soit bénéfique du point de vue du bien-être et de l’hygiène. Même s’il s’agit d’un appartement dépourvu de dispositif de ventilation mécanique, il est toujours recommandé d’installer un extracteur car les systèmes de ventilation naturelle, dont le degré ne peut pas être contrôlé, entraînent en hiver des pertes thermiques excessives ou, au contraire, des environnements malsains.

Selon l’invention, le chauffe-eau à accumulation à pompe à chaleur HP-WH utilise un compresseur CP de puissance moyenne absorbée pendant un cycle de fonctionnement P.cp.m.a suffisamment basse pour pouvoir utiliser comme puits froid CW de l'air de débit V.a égal aux valeurs habituellement rencontrées dans une salle de bains d’une habitation privée équipée d’une ventilation mécanique et pour pouvoir restituer dans la même salle de bains ledit débit V.a expulsé par l’évaporateur Evap sans altération des conditions thermo-hygrométriques de ladite salle de bains.

De préférence, le chauffe-eau à accumulation à pompe à chaleur HP-WH selon l'invention possède un compresseur Cp de puissance nominale P.cp.nom suffisante pour pouvoir utiliser comme puits froid CW un débit d'air V.a d'au moins 20 °C et refroidissable jusqu’à au moins 10 °C et égal à 20 m3/h pour chacun des utilisateurs dudit appareil.

De manière encore plus préférable, le chauffe-eau à accumulation à pompe à chaleur HP-WH selon l’invention possède un compresseur d’une puissance nominale suffisante pour pouvoir utiliser comme puits froid CW un débit d'air V.a à 20 °C refroidissable jusqu’à 10 °C de 80 m3/h, où ledit débit est égal au débit de renouvellement d’air raisonnablement prévisible dans un appartement de quatre personnes.

De préférence, le chauffe-eau à accumulation à pompe à chaleur HP-WH selon l’invention possède un réservoir d’accumulation S de volume V égal à 20 litres pour chacun des utilisateurs dudit appareil.

Mieux encore, le chauffe-eau à accumulation à pompe à chaleur HP-WH selon l’invention possède un réservoir d’accumulation S de volume V égal à 80 litres.

En synthèse, tandis que dans un HP-WH on optimise la puissance du compresseur Cp en fonction des besoins des utilisateurs et on met à disposition, au puits froid CW, une quantité d'air suffisante pour les capacités d’absorption de chaleur de l’évaporateur Evap, dans le HP-WH selon l’invention, on adapte la puissance du compresseur Cp au puits froid CW disponible et représenté par l'air circulant normalement dans une salle de bains d’une habitation. Autrement dit, dans le HP-WH selon l’invention, la puissance du compresseur Cp est compatible avec le renouvellement d’air dont il est raisonnable de pouvoir disposer dans une salle de bains d’un appartement.

Bien qu’il puisse, comme on le verra ci-après, présenter des limites en matière de prestations comparativement à un HP-WH traditionnel, le HP-WH selon l'invention a toutefois l'avantage de pouvoir être installé dans des habitations dans lesquelles l’utilisation d’un HP-WH serait autrement totalement exclue. Ainsi, de fait, si un utilisateur du HP-WH selon l’invention obtient des bénéfices inférieurs par rapport à l’utilisation d’un HP-WH traditionnel, le nombre de bénéficiaires potentiels de ces bénéfices est en revanche plus élevé, ce qui représente un avantage énergétique pour la collectivité. A titre d’exemple concret, sans limitation, sont de nouveau présentées les caractéristiques possibles d’un HP-WH traditionnel comparées aux caractéristiques correspondantes le cas échéant d’un HP-WH selon l’invention qui, pour des raisons qui seront expliquées ci-après, est appelé ci-après HP-WH hybride :

CARACTÉRISTIQUES HP-WH HP-WH traditionnel hybride volume V du réservoir S................... litres 80 80 puissance électrique moyenne a absorbée par le compresseur Cp P.cp.m.a................................. W 280 190 COP.nom.................................... - 3,9 3,16 température T.w.hp.max atteignable avec le cycle frigorifique........................... °C 62 53 débit d'air V.a traité au niveau de l’évaporateur Evap...................m3/h 200 80 COP thermodynamique COP.tdn (mode [Cp])(EN) 2,5 2 COP global COP.glob en chauffage séquentiel en mode [CP-RI] jusqu’à 65 °C (EN)...... - 2,1 1,8 puissance de sortie Pi de l’appoint de chauffage RI (constitué par une résistance électrique) W 1200 1200 température de l'air à la sortie d’Evap........... °C 12 14 condensation produite........................ 1/h 0,2 0,11 durée de chauffage en mode thermodynamique [Cp] del0°CàT.w= °C 55 53 h 5:30 8:37 durée de chauffage en mode dissipatif [RI] de la température de............... °C 55 53 jusqu’à 65 °C............................ h 0:45 1 durée de chauff. totale de 10 °C à 65 °C h 6:15 9:37 eau pouvant être obtenue à T.w.u = 40 °C avec T.w.set =T.w.hp.max et avec facteur de mélange M = 0,8 1 120 97 R.P/Va égal au rapport P.cp.m.a/V.a W/(m3/h) 1,5 2,4 R.P/Va égal au rapport P.cp.m.a/V W/litres 3,75 2,4

Comme cela apparaît de manière évidente sur le tableau, la puissance inférieure du compresseur Cp pose des limites à la possibilité d’utiliser uniquement celui-ci pour porter le volume d’eau V du réservoir S à la température T.w.set requise par les utilisateurs et à la quantité d’eau requise par les utilisateurs. Par conséquent, pour assurer un service rapide ainsi que pour éviter, dans des conditions particulières de renouvellement d’air insuffisant, de créer des conditions ambiantes désagréables dans la salle de bains (abaissement de la température ou augmentation de l’humidité relative excessifs), l’appoint de chauffage RI sera amené à intervenir très fréquemment, à l’inverse de ce qui se produit dans un HP-WH traditionnel.

Il convient d’attirer l’attention sur le fait que, dans le tableau comparatif précédent, le rapport R.P/Va = P.cp.m.a/ V.a (puissance du compresseur Cp divisée par le débit au puits froid CW) pour le HP-WH traditionnel pris comme exemple est égal à 1,5 et varie généralement, pour les appareils disponibles dans le commerce, entre 1 et 1,8 W/(m3/h).

Pour le HP-WH hybride selon l’invention présenté ci-dessus à titre d’exemple non limitatif, il est en revanche d’environ 2,4. Il s’agit seulement d’une valeur préférée mais, selon l’invention, elle peut être choisie entre 2 et 2,6 W/(m3/h). Plus ce rapport sera élevé, plus le COP thermodynamique COP.tdn et le COP global COP.glob atteignables seront faibles, mais plus le HP-WH hybride sera adapté pour utiliser la recïrculation de l’air d’une salle de bains comme puits froid CW.

Concernant le rapport R.P/V (rapport entre P.cp.m.a et le volume V du réservoir S), pour le HP-WH traditionnel pris comme exemple, il est égal à 3,75 et varie généralement, pour les appareils disponibles dans le commerce, entre 3,5 et 4.

Pour le HP-WH hybride selon l'invention, il est en revanche égal à 2,4 environ, qui est une valeur préférée parmi des valeurs possibles comprises entre 2 et 3. A simple titre d’exemple sont reportés ci-dessous les résultats des trois modes de fonctionnement possibles typiques mais non uniques déjà décrits, à savoir le mode [Cp], le mode [CP-RI], le mode [Cp+RI] d’un HP-WH hybride selon l’invention ayant les caractéristiques thermodynamiques et structurelles particulières présentées ci-dessus.

Les essais ont été réalisés conformément à la norme EN 16147 et prévoient : température initiale T.w.i du réservoir S (puits chaud HW) égale à 10 °C seulement, température de l’air (puits froid CW) T.a = 20 °C humidité relative de l'air (puits froid CW) <p.a égale à 37 %

Conditions de fonctionnement : mode [Cp] activation du compresseur Cp uniquement

température objectif T.w.set = T.w.hp.max = 53 °C durée de chauffage 8 h

eau chaude obtenue équivalente à 97 1 à 40 °C COP.glob = 2

classe d’efficacité conformément à EN 16147 A

Conditions de fonctionnement : mode [Cp-RI]

activation du seul compresseur Cp jusqu’à 53 °C puis du seul appoint de chauffage RI de 53 °C à 65 °C

température objectif T.w.set = 65 °C durée de chauffage 5:30 h

eau chaude obtenue équivalente à 128 1 à 40 °C COP.glob = 1,7

classe d’efficacité conformément à EN 16147 A

Conditions de fonctionnement : mode [Cp+RI]

activation du compresseur Cp jusqu’à 53 °C et, en même temps, de l’appoint de chauffage RI de 10 °C à 65 °C

température objectif T.w.set = 65 °C durée de chauffage 2 h

eau chaude obtenue équivalente à 128 1 à 40 °C COP.glob = 1,1

classe d’efficacité conformément à EN 16147 C

Le fonctionnement selon le mode [Cp], bien qu’il nécessite 8 h pour atteindre la T.w.set, est plus que satisfaisant vu qu’il peut mettre à disposition la moitié des besoins quotidiens d’une famille moyenne le matin et autant le soir. La eondition de fonctionnement normale va être étudiée.

Le fonctionnement selon le mode [Cp-RI] montre qu'il est possible d’avoir à disposition plus d’eau en moins de temps, sans que cela nuise particulièrement à l’efficacité.

Le fonctionnement selon le mode [Cp+RI] montre qu’en deux heures seulement, en cas d’urgence, on obtient le service, mais au détriment de l’efficacité.

Bien entendu, un fonctionnement selon le mode [RI] donnerait un COP.glob = 1.

Les trois figures 2.a, 2.b et 2.c illustrent, dans l’ordre mais non à l’échelle, les trois précédentes modalités de fonctionnement dans le cas de deux prélèvements d’eau successifs. Il convient de noter que les conditions définies par la norme EN 16147 sont plutôt lourdes par rapport à la situation réelle dans une salle de bains, en effet : la température initiale T.w.i est la température de l’eau du robinet, en général de 15 °C ; l’humidité relative de l’air dans la salle de bains peut être beaucoup plus élevée (au moins de 60 %) après une douche ; la température de l’air dans la salle de bains est généralement de 22 °C, en particulier après une douche, en conséquence de quoi, dans la pratique, il faut s’attendre à des prestations encore meilleures.

Les considérations ci-dessus concernant le renouvellement d'air possible dans une salle de bains démontrent seulement que, s’il est installé dans une pièce en raison du renouvellement d'air qu’on peut raisonnablement penser obtenir, les prestations sont plus que satisfaisantes, alors que, dans d'autres situations, le COP global COP.glob sera plus faible mais toujours > 1.

Bien entendu, le HP-WH hybride selon l’invention est équipé de moyens de traitement qui reçoivent des signaux de moyens capteurs et envoient des commandes à des moyens actionneurs et capables au moins de : connaître la température T.w dans le réservoir S, interdire le fonctionnement du compresseur Cp si T.w > T.w.hp.max, interdire le fonctionnement de l’appoint de chauffage RI et/ou du compresseur Cp si T.w > température finale T.w.set.

De préférence, donc, interdire le fonctionnement du compresseur Cp si : l'air entrant dans l’évaporateur Evap a une température T.a ou éventuellement une humidité relative <p.a inférieures aux valeurs minimales acceptables pour le bon fonctionnement du cycle thermodynamique, l'air expulsé par l’évaporateur Evap a une température T.a.u ou éventuellement une humidité relative <p.a.u inférieures aux valeurs minimales acceptables pour le bien-être thermo-hygrométrique.

En outre, lesdits moyens de traitement, disposant éventuellement d’informations supplémentaires, peuvent gérer de la manière la plus adaptée en fonction des circonstances l'activation/désactivation du compresseur Cp et de l’appoint de chauffage RI, en passant de l’un à l’autre des modes OFF, [Cp], [Cp-RI], [Cp+RI], [RI].

Il convient de préciser que le HP-WH selon l’invention ne doit pas nécessairement être installé dans une salle de bains équipée d’une ventilation mécanique mais possède simplement des caractéristiques qui le rendent compatible avec une telle installation y compris pour un fonctionnement en hiver.

Le HP-WH hybride selon l’invention, en plus de la possibilité d’être installé sensiblement dans toutes les salles de bains, offre au moins deux avantages supplémentaires en matière de coûts.

La faible puissance requise permet d’utiliser pour le compresseur Cp, plutôt que des compresseurs spécifiquement développés pour les pompes à chaleur, des compresseurs pour réfrigérateurs domestiques ou, mieux, pour déshumidificateurs domestiques qui, grâce à des volumes de production élevés, sont d’une grande fiabilité et d’un faible coût.

Le faible débit d'air V.a requis, de l'ordre de 80 m3/h, permet de choisir le ventilateur Vent parmi les extracteurs d’air conçus pour la ventilation des armoires des installations électriques et électroniques, très compacts et économiques.

On observe enfin qu'il est possible de prévoir une variante dans laquelle le HP-WH hybride selon l’invention peut également faire office d’extracteur d’air relié à l’extérieur par l’intermédiaire d’un conduit qui, compte tenu de la vitesse habituelle de l'air dans les canalisations de 3 m/s, aurait un diamètre d’environ 9/10 cm. Ce conduit pourrait relier la sortie de l’évaporateur Evap à un extracteur préexistant, le cas échéant, ou s’insérer dans un conduit d’évacuation préexistant.

En variante, le HP-WH hybride selon l’invention pourrait décharger directement l’air expulsé par l’évaporateur Evap à travers une ouverture pratiquée dans le mur où il est installé, encore mieux s’il s’agit d’un mur extérieur et donc, de préférence, sans nécessiter de conduits ou au moins de conduits visibles.

Il faut enfin préciser que ce qui est dit ici pour un cycle frigorifique à compression est valable mutatis mutandis pour un cycle frigorifique à absorption.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d’autres formes de réalisation, sans pour autant sortir du cadre de l'invention.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS

   1. Chauffe-eau à accumulation à pompe à chaleur (HP-WH) de type air-eau, muni d’un compresseur (Cp), d’un condenseur (Cond), d’un évaporateur (Evap), d’un appoint de chauffage (RI), capable de chauffer un volume V d’eau contenue dans un réservoir d'accumulation (S) d’une température initiale (T.w.i) à une température finale (T.w.set), caractérisé en ce que la puissance nominale (P.cp.nom) dudit compresseur (Cp) est choisie de façon à ce que le rapport (R.P/Va) entre la puissance électrique moyenne (P.cp.m.a) absorbée par ledit compresseur (Cp) et le débit (V.a) du puits froid (CW) soit compris entre 2 et 2,6 W/(m3/h).
2. 2. Chauffe-eau à accumulation à pompe à chaleur (HP-WH) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit rapport (R.P/Va) est sensiblement égal à 2,4 W/(m3/h).
3. 3. Chauffe-eau à accumulation à pompe à chaleur (HP-WH) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport (R.P/V) entre ladite puissance électrique moyenne (P.cp.m.a) absorbée par ledit compresseur (Cp) et le volume (V) dudit réservoir (S) est compris entre 2 et 3 W/litre.
4. 4. Chauffe-eau à accumulation à pompe à chaleur (HP-WH) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit rapport (R.P/V) est sensiblement égal à 2,4 W/litre.
5. 5. Chauffe-eau à accumulation à pompe à chaleur (HP-WH) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite portée (V.a) au niveau dudit puits froid (CW) sur la base de laquelle est déterminée la puissance nominale (P.cp.nom) dudit compresseur (Cp) est égale à -5 20 m /h pour chacun des utilisateurs dudit chauffe-eau (HP-WH).
6. 6. Chauffe-eau à accumulation à pompe à chaleur (HP-WH) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit volume (V) dudit réservoir (S) est égal à 20 litres pour chacun des utilisateurs dudit chauffe-eau (HP-WH).
7. 7. Chauffe-eau à accumulation à pompe à chaleur (HP-WH) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit débit V.a est expulsé de l’évaporateur Evap à une température minimale de 10 °C.
8. 8. Chauffe-eau à accumulation à pompe à chaleur (HP-WH) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est équipé de moyens de traitement qui reçoivent des signaux de moyens capteurs et envoient des commandes à des moyens actionneurs et capables au moins de : contrôler la température de l’eau (T.w) dans ledit réservoir (S), interdire le fonctionnement dudit compresseur (Cp) si ladite température (T.w) de l’eau est > à la température limite (T.w.hp.max) pouvant être atteinte avec ledit compresseur (Cp), interdire le fonctionnement dudit appoint de chauffage (RI) et/ou dudit compresseur (Cp) si ladite température (T.w) de l'eau est > à ladite température finale (T.w.set).
9. 9. Chauffe-eau à accumulation à pompe à chaleur (HP-WH) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdits moyens de traitement sont capables d’interdire le fonctionnement dudit compresseur (Cp) si l'air entrant dans ledit évaporateur (Evap) a une température (T.a) ou éventuellement une humidité relative (p.a inférieures aux valeurs minimales acceptables pour le bon fonctionnement du cycle thermodynamique, l'air expulsé par ledit évaporateur (Evap) a une température (T.a.u) ou éventuellement une humidité relative (p.a.u inférieures aux valeurs minimales acceptables pour le bien-être thermo-hygrométrique.
10. 10 Chauffe-eau à accumulation à pompe à chaleur (HP-WH) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdits moyens de traitement, disposant éventuellement d'informations ultérieures, sont en outre aptes à gérer de la manière la plus opportune en fonction des circonstances l’activation/désactivation desdits compresseur (Cp) et appoint de chauffage (RI).
11. 11. Chauffe-eau à accumulation à pompe à chaleur (HP-WH) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il fait office d’extracteur d’air.