WO2008037896A2 - Module utilisable pour le stockage et le transfert thermique - Google Patents

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WO2008037896A2
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    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the invention relates to a thermodynamic device of the heat pump or air conditioning system type.
  • the invention relates to a hybrid module for storage and heat transfer, comprising on the one hand known elements of a conventional thermodynamic device (compressor, expander, regulation) and on the other hand specific exchange blocks and heat storage to increase the performance of the device.
  • a conventional thermodynamic device compressor, expander, regulation
  • specific exchange blocks and heat storage to increase the performance of the device.
  • the module can be equipped with additional storage blocks if the application requires it.
  • the module applies flexibly to many different types of systems.
  • Typical use is in individual or collective housing, but other uses may be considered, for example for larger buildings, such as office buildings, or for non-permanent dwellings (because in module according to the invention there is no hot water storage) or for mobile applications.
  • the consumption of heating, air conditioning and domestic hot water typically represents about 30% of the energy consumption of an industrialized country.
  • Thermodynamic systems offer an alternative to conventional systems using electrical resistors or the combustion of fossil fuels to heat domestic water or space.
  • Hydro Fluoro Carbon HFC
  • Hydrocarbons particularly alkanes such as butane and propane, are also used in household refrigerators, and their use should extend to heat pumps and air conditioners in the coming years.
  • Carbon dioxide (CO 2 ) is a promising refrigerant, especially for heating domestic hot water and for heating and cooling vehicles.
  • the domestic hot water is heated by the sensible heat and the latent heat of the compressor discharge gases. It is possible to heat domestic hot water without the need for heating or cooling. However, the efficiency of the system decreases sharply as the temperature of the hot water increases. In addition, it is not possible to simultaneously heat the domestic hot water and heating or cooling the space.
  • Patent EP 1 572 479 DAIMLER CHRYSLER describes a system using a heat accumulator comprising a heat storage material as a cold reserve in a car air conditioning system.
  • the heat accumulator serves as a cold accumulator and condenser.
  • This system makes it possible to cool the interior of a vehicle when the compression refrigeration circuit is stopped.
  • the preferred refrigerant in this patent is carbon dioxide.
  • the patent application EP 1 632 734 of MATSUSHITA ELECTRIC presents a heat pump system with heat storage. The system is based on a different adsorption cycle of the conventional thermodynamic compression system used in heat pumps. This system is relatively complex and requires having several reservoirs for storing the heat storage material.
  • the storage of heat is carried out by the decomposition of a compound (for example decomposition of 2-propanolol into acetone and hydrogen) and adsorption of the decomposition products if they are in the gaseous state (case of hydrogen).
  • US Patent 5,680,898 discloses a heat pump including a heat storage device having phase change materials with different phase change temperatures.
  • the exchange and storage device described in this patent includes a container defining an inner region configured to receive a first unencapsulated phase change material with a first phase change temperature, which material may be water.
  • the exchange and storage device also includes a refrigerant loop.
  • the exchange and storage device further comprises a plurality of capsules containing a second phase change material with a second phase change temperature greater than that of the first material. The second material is immersed in the first. The heat is transferred to the encapsulated phase change material which has low thermal conductivity by the unencapsulated material having a higher thermal conductivity.
  • phase change material of this invention is a composite material comprising a phase change material in which graphite particles are incorporated, the graphite being natural graphite or anisotropic synthetic graphite.
  • the phase-change material has a melting point between -100 and +500 ° C., and is chosen from paraffins, alcohols, gas hydrates, water, aqueous solutions of salts, hydrated salts, eutectic mixtures of salts, alkali metal hydroxides, and mixtures of these materials.
  • the preferred phase change materials are sodium acetate trihydrate and calcium chloride hexahydrate.
  • SGL patent application WO 2006/034829 discloses a container-based beverage cooling system charged with a phase change material using expanded natural graphite.
  • a similar material is described in patent application WO 98/04644 (ZAB discussion Bay, Zentrum fur Angewandte Energytechnik). It allows the manufacture of heat or cold storage blocks with a phase change temperature between -25 ° C and +150 0 C.
  • thermodynamic device based on a system comprising, in addition to conventional elements of thermodynamic systems, at least 2, and preferably at least 3, distinct elements for the storage of heat.
  • the Module Usable for Storage and Thermal Transfer (MUSTT) which represents a first object of the present invention, is a hybrid module comprising the following components:
  • the MUSTT module may further include, if necessary or useful: - Regulating and electrical power components to supply the various elements of the thermodynamic system reliably and optimally energy;
  • a second object of the present invention is a system operating in non-reversible mode and integrating a module according to the invention as described above (MUSTT module), said system being characterized in that said components are arranged in such a way as to that the refrigerant 20 leaves the discharge of the compressor 1 by passing first through the high temperature block 2 and then through the medium temperature block 3, then
  • said refrigerant 20 passes through the low temperature block 4, the expander 5, a heat exchanger (such as an exchanger on the extracted air or a geothermal loop), then, by a circuit different from that of the first passage, again by the low temperature block 4, then said refrigerant 20 enters the suction of the compressor 1 , and the cycle resumes;
  • a heat exchanger such as an exchanger on the extracted air or a geothermal loop
  • a third object of the present invention is a system operating in reversible mode and integrating a module according to the invention as described above (MUSTT module) and characterized in that said components are arranged so that the refrigerant 20 leaves the discharge of the compressor 1 by first passing through the high temperature block 2 and then by the four-way valve cycle reversal 6, then
  • the first heat load preferably being domestic hot water, this first heat load being connected by an independent circuit in series to the high temperature and medium temperature blocks, the second thermal load (such as underfloor heating, radiator, fresh air heat exchanger, fan coil) that can be used either in heating mode or in cooling mode, (i) in heating mode: refrigerant passes firstly through a first check valve 26, then by the medium temperature block 3, then by the exchanger of the second heat load, then by the expander 5, then by the exchanger of the first source of heat, then by the low temperature block 4 used as exchanger of the second heat source, then again by the four-way valve of cycle 6 inversion, in a different circuit, then the refrigerant 20 enters the suction of the compressor 1, and the cycle resumes;
  • the second thermal load such as underfloor heating, radiator, fresh air heat exchanger, fan coil
  • the third thermal load being preferentially the sanitary water (of capacity more limited compared to the case (a)), this third thermal load being connected by an independent circuit to the high temperature block 2, the first thermal loads being preferably a floor heating, a radiator, a fresh air heating exchanger , a fan coil, (i) in heating mode: the refrigerant 20 passes first through the medium temperature block 3 used as exchanger of the first heat load, then by the exchanger of the second heat load, then the expander 5, then by the heat exchanger of the first heat source, then by the low temperature block 4 used as exchanger of the second heat source, then by the four-way valve with cycle reversal 6, in a different circuit, then the refrigerant 20 enters the suction of the compressor 1, and the cycle resumes;
  • the refrigerant 20 passes firstly through the low temperature block 4 used as exchanger of the second source, then by the exchanger of the first source, then by the expander 5, then by the exchanger the second charge, then by the medium temperature block 3 used as exchanger of the first charge, then by the four-way valve to cycle reversal 6, in a different circuit, then the refrigerant 20 enters the suction of the compressor 1 , and the cycle resumes.
  • FIGS 1 to 27 refer to the invention of which they illustrate the principle or specific embodiments.
  • the figures show the operation in heating mode of the module according to the invention and systems comprising said module.
  • Figure 1 describes the MUSTT module according to the invention in a non-reversible version.
  • Figure 2 describes the MUSTT module in a reversible version with non-return valves that can be used for space heating and cooling.
  • FIG. 3 represents the reversible module according to the invention not equipped with check valves, on which additional storage blocks 200, 300 have been added by way of example for the eventual needs of a specific installation.
  • FIGS. 4 to 18 and 26, 27 describe, in a non-exhaustive manner, various embodiments of particular installations according to the invention (in a non-reversible and reversible version).
  • Figures 4 to 6 more specifically describe embodiments based on a single heat source in a non-reversible module.
  • FIG. 4 describes a system provided with a non-reversible module used solely for heating domestic hot water from an air exchanger (extract or outside) / refrigerant 7.
  • Figure 5 describes a system provided with a non-reversible module used to heat domestic hot water and a space from an air exchanger (extract or outside) / refrigerant.
  • the space heating exchanger is a refrigerant / air type exchanger 16.
  • FIG. 6 describes a system provided with a non-reversible module used for heating domestic hot water and a space from a first source constituted by a water or brine 14 geothermal loop that transmits its heat to a water / fluid exchanger refrigerant 12.
  • the intermediate refrigerant / water exchanger 11 is completed by one or more water exchangers 15, 17.
  • FIG. 7 describes a system provided with a non-reversible module used for heating domestic hot water and a space from a first source constituted by a water or brine 14 geothermal loop that transmits its heat to a water / fluid exchanger refrigerant 12 and a second source consisting of an exchanger air / refrigerant 7 (extract air or outside air).
  • the intermediate refrigerant / water cooler 11 is completed by one or more water exchangers 15 and 17.
  • FIG. 8 describes a system provided with a non-reversible module used to heat domestic hot water and a space from an air / refrigerant exchanger 7 (extract air or outside air) and a solar thermal panel.
  • the intermediate refrigerant / water exchanger 11 is completed by one or more water exchangers 15, 17.
  • FIG. 9 describes a system provided with a non-reversible module used for heating domestic hot water and a space from a first source constituted by a water or brine 14 geothermal loop that transmits its heat to a water / fluid exchanger refrigerant 12 and a second source constituted by a solar thermal panel 10.
  • the intermediate refrigerant / water cooler 11 is completed by one or more water exchangers 15, 17.
  • FIG. 10 depicts a system provided with a reversible module provided with non-return valves 26, 36 on the block 3 used to heat domestic hot water and to heat / cool a space from a geothermal water or brine loop. which transmits its heat to a water / refrigerant heat exchanger 12 and a solar thermal panel 10.
  • the heat exchanger or heat exchanger space or are water exchangers 15, 17, connected to a refrigerant / water intermediate exchanger or brine 11.
  • FIG. 11 describes a system provided with a reversible module provided with check valves 26, 36 on the block 3 used for heating domestic hot water and heating / cooling a space from an air / refrigerant exchanger 7 (Extracted air or outside air) and a solar thermal panel 10.
  • the exchanger or heat exchanger or space cooling are exchangers refrigerant / air type 16.
  • FIG. 12 describes a system provided with a reversible module provided with non-return valves 26, 36 on the block 3 used for heating domestic hot water and for heating / cooling a space from a geothermal water or brine loop. which transmits its heat to a water / refrigerant exchanger 12 and an air / refrigerant exchanger 7 (extract air or outside air)
  • the space heating or cooling exchanger (s) are water exchangers (15, 17) connected to an intermediate exchanger refrigerant / water or brine 11.
  • FIG. 13 describes a system provided with a non-reversible module used to heat domestic hot water and a space from an air / refrigerant exchanger 7 (extracted air or outside air) and a solar thermal panel.
  • the space-heating exchanger or exchangers are water exchangers 15, 17, such as water radiators, connected directly to the medium-temperature exchange and storage block 3.
  • FIG. 14 describes a system provided with a reversible module used to heat domestic hot water and to heat / cool a space from an air / refrigerant exchanger 7 (exhaust air or outside air) and a solar panel 10.
  • the space heating or cooling exchanger (s) are water exchangers (15, 17) directly connected to the medium temperature exchange and storage unit (3). Only the high temperature exchange and storage unit heats the heat exchanger. sanitary water.
  • FIG. 15 describes a system provided with a reversible module used to heat domestic hot water and to heat / cool a space from a first source constituted by a water or brine 14 geothermal loop that transmits or takes its heat to a water / refrigerant exchanger 12 and a second source constituted by a solar thermal panel 10.
  • the heat exchanger or heat exchanger or space cooling are water exchangers 15, 17 connected directly to the exchange and storage block to average temperature 3. Only the high temperature exchange and storage block 2 heats the domestic hot water.
  • a refrigerant / space-type space heating or cooling exchanger 16 is added to the system.
  • FIG. 16 describes a system provided with a reversible module not equipped with non-return valves, used to heat domestic hot water and to heat / cool a space from an air / refrigerant exchanger 7 (extract air or outside air) and a solar thermal panel 10.
  • the heat exchanger or heat exchanger space are water exchangers 15, 17 connected directly to the exchange unit and storage medium temperature 3.
  • a heat exchanger or cooling refrigerant / air space space 16 is added to the system.
  • an exchange and storage block 300 is added to the circuit of the solar thermal panel 10. The domestic hot water passes in series first by this exchange and additional storage block, then by the block of high temperature exchange and storage 2.
  • FIG. 17 is similar to FIG. 10, except that each exchange and storage block 2, 3, 4 is replaced by a set of exchange and storage sub-blocks, respectively 210, 220 for block 2, 310, 320, 330, 340 for block 3 and 410, 420, 430 for block 4.
  • FIG. 18 depicts a system provided with a reversible module provided with non-return valves 26, 36 on the block 3 used for heating domestic hot water and for heating / cooling a space from a geothermal water or brine loop. which transmits its heat to a water / refrigerant exchanger 12, an air / refrigerant exchanger 7 in series with the loop 14 and a solar thermal panel 10.
  • the heat exchanger or exchangers or space cooling are water exchangers 15, 17, connected to a refrigerant / water or brine 11 intermediate heat exchanger.
  • FIG. 19 represents a block diagram representing the exchange and storage blocks according to the technological approach of plate heat exchangers.
  • Figure 19a is a top view
  • Figure 19b is a side view.
  • FIG. 20 represents a block diagram representing the exchange and storage blocks according to the technological approach of the copper tubular exchangers.
  • Figure 18a is a front view
  • Figure 18b is a top view.
  • Fig. 21 shows a way of organizing the components in one of the systems according to the invention.
  • Fig. 22 shows a way of organizing the components in one of the systems according to the invention.
  • FIG. 23 shows a way of organizing the components in one of the systems according to the invention.
  • FIG. 24 represents a block diagram representing the exchange and storage blocks according to the technological approach of plate heat exchangers.
  • Figure 24a is a view from above
  • Figure 24b is a side view.
  • FIG. 25 represents a schematic diagram representing the exchange and storage blocks provided with three fluid circuits and an electrical heating resistor.
  • Figure 26 describes a system with a non-reversible module and three sources and three thermal loads, used to heat domestic hot water, heat a space and heat a pool or spa, from a water geothermal loop or brine 14 which transmits its heat to a water / refrigerant exchanger 12, an air / refrigerant exchanger 7 in series with the loop 14 and a solar thermal panel 10.
  • an exchange block and very low temperature storage 50 with two circuits is placed upstream of the non-reversible module, before the exchange block and low temperature storage.
  • Figure 27 describes a system with a non-reversible module and 4 sources and 3 heat loads used to heat domestic hot water, heat or cool a space, and heat a pool or spa from a geothermal loop water or brine 14 which transmits its heat to a water / refrigerant exchanger 12, an air / refrigerant exchanger 7 in series with the loop 14 and a solar thermal panel 10.
  • a block exchange and storage very low temperature 50 to three circuits is placed upstream of the non-reversible module.
  • a hydraulic three-way valve 34 is placed on the space heating circuit and connected to the very low temperature block 50.
  • Air / refrigerant type exchanger typically extract air or outside air
  • Thermodynamic system assembly comprising a compressor and several exchangers in which circulates a specific transfer fluid usually called refrigerant.
  • - Geothermal loop set of pipes placed in the ground typically in vertical or horizontal position and intended to exchange the heat between the heating or cooling system and the ground.
  • Transfer fluid fluid used to transfer heat; conventional examples are refrigerant, water or brine sometimes called brine.
  • Thermal source or source by convention, the terms source and heat load refer to the heating mode.
  • the source is the medium from which the heat is extracted in heating mode. This heat extraction is carried out with certain physical characteristics such as the thermal inertia or the available power that characterize the source. It may be noted that the source term is unsuitable in cooling mode because it actually rejects heat from the building.
  • Thermal load or load The load is the medium where the heat is rejected in heating mode. This heat rejection is achieved with certain physical characteristics such as the thermal inertia or the available power that characterize the load, so the load is the place where the heat is removed in cooling mode.
  • Secondary fluid fluid flowing in one of the circuits of an exchange and storage block that is not traversed by the refrigerant.
  • gas cooler or gas cooler.
  • the term gas cooler is often used in cycles using CO 2 since there is no condensation in this cycle, which prohibits the use of the term "condenser” used for conventional refrigerants.
  • Subcooler Located downstream of the condenser, this exchanger performs additional cooling of the liquid refrigerant in order to increase the performance of the refrigeration cycle.
  • hybrid module as well as the systems that incorporate it according to the invention bring together, on the one hand, the conventional components of thermodynamic systems and, on the other hand, storage and heat exchange elements using a material capable of storing heat.
  • hybrid is related to this dual function of exchange and storage of heat.
  • the hybrid module is the main basis of multiple systems adaptable to many facilities for heating sanitary water and / or heating and / or cooling a space.
  • the module according to the invention When placed in one of the various systems described below, the module according to the invention transfers the heat energy and the charge of one or more heat sources into a plurality of blocks 2, 3, 4, 50 d. exchange and storage of heat.
  • the storage of heat is obtained through the use of solid / liquid phase change materials which make it possible to store the heat in latent form.
  • Each block has a different phase change temperature.
  • the heat energy stored in each block is used by the system according to the needs of hot water and / or heating.
  • a specific version of the module also provides the cooling function.
  • Heat storage materials usable for the manufacture of heat exchange and storage blocks according to the invention are the composites consisting of a porous matrix of graphite and paraffin as described in the publication entitled "Paraffin / porous-graphite composite matrix as a high and constant power thermal storage material "by Xavier Py, Régis Olives and Sylvain Mauran (International Journal of Heat and Mass Transfer 44 (2001) 2727-2737).
  • Other storage materials such as new or known phase-change materials, such as fatty acids or melted salts mixed with expanded natural graphite can also be used for the manufacture of the exchange and storage blocks of the module according to the invention. the invention.
  • Storage materials with change of phase are well adapted to the invention presented. Any other constant or near constant temperature storage material, present or future, could be employed in the storage exchanger blocks described in the invention.
  • the module according to the invention is usable with the current HFC refrigerants, such as 134A, 410A, 407C or 404A, these references being known to those skilled in the art.
  • the module according to the invention is also usable with hydrocarbons and in particular propane, butane and their mixtures. It can also work with carbon dioxide (CO 2 ), or with any other suitable refrigerant.
  • the compressor is volumetric, pallet type or spiro-orbital type for HFCs and hydrocarbons. Piston models can also be used for CO 2 or other suitable performance compressors.
  • the operating range of the compressor accepts the highest possible low pressure to maximize the coefficient of performance, in particular when a solar thermal collector 10 is connected to the low temperature exchange and storage block.
  • the COP of the heating system is higher as the suction pressure of the compressor is high.
  • the heat input of the second heat source makes it possible to increase the low pressure, in particular in the case where the second source is a solar thermal collector 10.
  • the compressor 1 is supplied with direct current of photovoltaic origin in order to maximize the energy efficiency of the module.
  • the electrical energy of photovoltaic origin will be deducted from the electrical energy consumption of the system.
  • the power of the compressor at a given operating condition may be fixed because the exchange and storage blocks limit by their thermal inertia the frequency of starts. It will however also be possible to connect a variable power compressor (for example of the "inverter" type)
  • Each heat exchange and storage block consists of a storage part and an exchanger part.
  • the storage of heat uses materials with high thermal conductivity.
  • an expanded natural paraffin / graphite composite material is advantageously used.
  • the phase change temperature of the material is adapted to the needs.
  • at least one of the heat exchange and storage blocks 2, 3, 4 is composed of several sub-blocks, respectively 210, 220, 230 for block 2.
  • each of the sub-blocks being characterized by its own phase change temperature, said phase change temperatures being chosen so as to for each block 2, 3, 4, the phase change temperatures of the successive sub-blocks increase or decrease in the direction of the refrigerant flow 20 according to the intended use of said module, and decrease in the blocks 2 and 3 and grow in block 4 in the case where said module is used in heating mode.
  • the thermal conductivity of pure paraffin is 0.24 W / M / K.
  • the thermal conductivity of the expanded natural graphite / paraffin composite material can reach values between 4 and 70 W / M / K.
  • the thermal conductivity of the expanded natural paraffin / graphite composite material is equal to that of the graphite matrix (the thermal conductivity of paraffin being very low compared to that of graphite).
  • the exchanger part allows the transfer of heat on the one hand between the refrigerant and the storage material and on the other hand between the storage material and the secondary exchange fluid. These 2 types of exchanges are made for example by the exchanger shown in FIG. 24.
  • the recovered heat is first stored in latent form by the material at its specific phase change temperature. When the material is liquid, a sensitive additional storage intervenes by raising the temperature of the liquid material.
  • the material may solidify in part or in full depending on the amount of heat exchanged.
  • the regulation of the machine will intervene then to start the compressor and thus reload the material in amount of heat.
  • the amount of material will be optimized for medium intensity use. It can be adapted to specific needs with additional blocks 200, 300 shown in FIG.
  • the high-temperature exchange and storage block can be a single block or can be divided into several independent sub-blocks 210, 220, 230, for example in the form of plates, as in FIG. 20.
  • each sub-blocks comprise materials having different phase change temperatures to create a temperature gradient.
  • the temperature.de phase change of each of the blocks and sub-blocks of exchange and storage at high temperature is set to a value advantageously between 60 and 75 ° C and preferably 65 to 70 0 C for HFC fluids and hydrocarbons. This value is between 75 and 90 ° C. and preferably 80 to 85 ° C. for the CO 2 taking into account the operating conditions of this fluid.
  • the secondary exchange fluid is domestic hot water.
  • the heat exchange between the refrigerant and the water is through the storage material. This tends to restrict the performance but allows to have a double wall effect between the sanitary water and the refrigerant. This double wall effect is a legal requirement in some countries.
  • the high temperature exchange and storage blocks and sub-blocks 2, 200, 210, 220, 230 are used as storage of the sensible heat of the refrigerant, thus as a gas cooler or desuperheater, as well in the case where the refrigerant is an HFC or a hydrocarbon only in the case where the refrigerant is CO 2 .
  • the sanitary water as it circulates, recovers the sensible and latent heat stored by the phase change material, and thus it heats up.
  • the high temperature blocks or sub-blocks are located before the cycle reversal valve. Therefore, their mode of operation remains the same in heating mode and in cooling mode.
  • the medium-temperature exchange and storage block may be a single block or be divided into several independent sub-blocks 310, 320, 330, for example in the form of plates as in FIG. 20.
  • each sub-blocks comprise materials having different phase change temperatures to create a temperature gradient.
  • the phase change temperature of each of the medium temperature storage and exchange blocks and sub-blocks 3, 300, 310, 320, 330, 340 is set to a value between 32 and 45 °. C and preferably between 35 to 40 0 C for HFC fluids, hydrocarbons and for CO 2 .
  • the secondary fluid is domestic water 25 (example Figure 10) or water heating circuit 24 (Figure 11).
  • These blocks and sub-blocks are mainly used as storage of the latent heat of the refrigerant, thus as a condenser in the case of HFCs and hydrocarbons or as storage of the sensible heat of the refrigerant in the case of CO 2 (second gas cooler).
  • the recovered heat is first stored in latent form by the material at its specific phase change temperature.
  • the material is liquid, a sensitive additional storage intervenes by raising the temperature of the liquid material.
  • cooling mode the refrigeration cycle is reversed.
  • the system is equipped with non-return valves, because of these valves the blocks or sub-blocks average temperature do not "see" refrigerant, so the stored heat remains stored, and can be used for heating the sanitary water.
  • the blocks or sub-blocks cool down until the storage material is solid and then their temperature drops to reach the operating condition of the system.
  • a second block or set of medium temperature exchange and storage sub-blocks may be used in some systems having a solar collector as a source of heat.
  • the use of this second block or set of sub-blocks will increase the power available for heating the sanitary water.
  • the medium-temperature blocks are provided with an additional electrical resistance to enable a heating cycle to be carried out with a final temperature of the domestic hot water greater than 60 ° C. sufficient to ensure a thermal shock capable of killing any legionella.
  • the cycle can be done once a week, or once a day if necessary. It is programmable, and ensured by the regulation of the system.
  • the power of the electrical resistance is of the order of 1 to 3 kW; preferably 2 kW for a heat pump with a power of 10 kW.
  • the low-temperature exchange and storage block may be a single block or be divided into several independent sub-blocks 410, 420, 430, for example in the form of plates as in FIG. 20.
  • each sub-blocks comprise materials having different phase change temperatures to create a temperature gradient.
  • the phase change temperature of the material of each of the low temperature blocks and sub-blocks is set to a value between 15 and 25 ° C and preferably 17 and 22 0 C regardless of the refrigerant.
  • the low-pressure circuit of the refrigerant must be sufficiently sized to limit the losses.
  • the secondary fluid is the refrigerant itself (in the case of the internal exchanger of FIGS. 4 to 8), water or brine (according to the systems of FIGS. 9 to 22)
  • the low temperature block has two main functions.
  • the low temperature block can serve as a heat source used separately or in conjunction with another source.
  • the machine control controls the pressure and temperature parameters to optimize system efficiency within the reliable operating range. The regulation takes place on the compressor 1, the position of the electronic expansion valve 5 and the activation of the circulation pumps 9.
  • the recovered heat is first stored in latent form by the material at its specific phase change temperature.
  • the material is liquid and the second source is sufficiently hot, a sensitive additional storage occurs by raising the temperature of the liquid material (case of Figure 8 equipped with a solar collector) up to the maximum value accepted by the regulation .
  • the low-temperature exchange and storage block may be a single block or be divided into several independent sub-blocks 510, 520, 530, 540, for example in the form of plates as in FIG. 20.
  • each of the sub-blocks comprises materials having different phase change temperatures to create a temperature gradient.
  • the phase change value of the material of each of the low temperature blocks is set to a value between 5 and 15 ° C and preferably 7 and 12 0 C regardless of the refrigerant.
  • the low-pressure circuit of the refrigerant must be sufficiently sized to limit the losses.
  • the set of very low temperature blocks has two main functions:
  • the very low temperature block stores a quantity of heat that can be used punctually by the compressor to meet the hot water needs. This is useful in particular if there is only one continuous source but of low power, for example when the source is only a heat exchanger on the extracted air. It is thus possible to assemble a slightly more powerful compressor on a lower power source to allow a higher instantaneous power.
  • the very low temperature block can be used to cool the space using a non-reversible module.
  • the 3-circuit very low temperature exchanger can be connected by a hydraulic circuit (water) and a three-way valve to the heating / cooling circuit of the space. This allows a transfer of heat directly from the space to the very low temperature block.
  • heating mode the heat thus recovered at the source is first stored in latent form by liquefaction by the material at its specific phase change temperature.
  • cooling mode and exclusively for a non-reversible system, the block will be cooled by the compressor if there is a heat demand for hot water and / or a spa or pool. The block will cool until the phase change material is solid. It will also continue to cool in sensible. This cooling can also be provided by a sufficiently cold source.
  • This regulator is typically constituted by a valve whose opening and closing are controlled by a stepper motor. It regulates the flow of refrigerant in the circuit according to the command sent by the regulation.
  • This valve makes it possible to reverse the direction of the refrigerant in the circuit and thus ensure heating and cooling operation as required.
  • the air used by this exchanger is typically extracted air (by the controlled mechanical ventilation of the apartment or the living space on which the system is installed) or outside air.
  • This exchanger is a source of heat in heating mode. It can also reject heat in cold mode.
  • Water Pump and Expansion Tank 9 This pump circulates water or brine (typically ethylene or propylene glycol) between system heat exchangers.
  • water or brine typically ethylene or propylene glycol
  • the water pump may be on the heating water circuit and / or on the heat source circuit when this source is a geothermal loop.
  • Solar thermal panel 10 This panel captures solar energy and transmits it to the fluid (such as propylene glycol) from its own circuit.
  • the solar thermal panel powers the low temperature exchange and storage block
  • the low temperature block during the duration of its liquefaction tends to stabilize a certain time the return temperature of the fluid to the solar panel at a low level, which increases its efficiency.
  • This exchanger makes it possible to transfer the heat between the refrigerant and the heating water of a space and consequently allows the use of different types of water exchangers described in 15 and 17.
  • This exchanger makes it possible to transfer the heat between the water or the brine and the refrigerant. It allows open-loop operation or the use of a geothermal water loop (Figure 7).
  • This loop transfers energy between the soil and the brine.
  • the current devices that can be used in the context of the present invention are fan coils, water-air exchangers for heating or cooling the fresh air and floor heating - refreshing water circulation.
  • the current devices that can be used in the context of the present invention are wall units, consoles and refrigerant batteries for air new.
  • HFC fluids e.g., 134A, 407C, 404A & 410A
  • hydrocarbons e.g., propane
  • propane e.g., propane
  • CO 2 e.g., CO 2 or any other suitable fluid.
  • the module according to the invention adapts to all types of fluids.
  • the high operating pressures of systems using CO 2 require specific sizing according to principles known to those skilled in the art.
  • the pressure is given by the water supply network.
  • the domestic hot water passes either through the high temperature exchange and storage block or in series through the high temperature exchange and storage block and the medium temperature exchange and storage block. . 21 - Domestic hot water mixing valve 23:
  • This optional valve makes it possible to avoid burns of the user of domestic hot water by maintaining a water outlet temperature of approximately 50 ° C before use by mixing a water at approximately 10-20 ° C. the water supply network and a water at 60-70 0 C from the high temperature exchange and storage block. It is indeed necessary to heat (store) domestic hot water at a temperature of 60 ° C and if possible to 7O 0 C for storage at temperatures between 25 and 60 0 C promotes the development of colonies of legionella.
  • the two check valves used together allow the passage of refrigerant through the medium temperature block in heating mode and allow a direct passage of the refrigerant in cooling mode.
  • thermodynamic system such as a heat pump
  • the heating of the water can be done by means of a gas cooler still called desuperheater.
  • a gas cooler still called desuperheater.
  • This type of system has two major disadvantages.
  • the first disadvantage of systems using a gas cooler is the insufficient discharge temperature which does not generate enough heat output available in sensitive to the discharge of the compressor.
  • the invention solves this first problem thanks to the low temperature exchange and storage block 4 used here as a vapor liquid exchanger, which increases the temperature at the suction of the compressor and therefore its discharge temperature.
  • a conventional liquid vapor exchanger without storage could also achieve this temperature rise, but with the following limitation: due to the phenomenon of heat transfer by a wall, the temperature rise of the gas is all the more more important than the temperature difference is large between the low pressure part of this exchanger and its high pressure part.
  • a vapor-liquid exchanger In practice, a vapor-liquid exchanger must not be oversized in a conventional system if it is desired to avoid excessively high discharge temperatures when the conditions change (lowering the suction pressure or increasing the discharge pressure). This therefore limits the effectiveness of this conventional liquid vapor exchanger.
  • the advantage of using, as in the present invention, a heat exchanger block provided with a phase change heat storage material is to stabilize the suction temperature at the phase change value of the material for a certain time, during this time, the other storage blocks can be loaded. Therefore, the exchanger block and the phase change temperature of the material can be dimensioned to maximize its efficiency at the conditions stabilized by the phase change materials. This is true even for relatively low condensation temperatures such as that chosen for the medium temperature exchange and storage block.
  • the power recovered at high temperature will be greater, which will be favorable for heating domestic hot water.
  • This temperature stabilization is also useful in systems with two heat sources when one of the sources has a high instantaneous power under certain conditions. This can be the case if said source is a solar thermal collector.
  • said source is a solar thermal collector.
  • the exchange is done at an acceptable temperature for the compressor by controlling the risk of excessive rise in pressure and / or suction temperature.
  • the operating time of the circulation pump determines the power transmitted per hour by the solar thermal collector to the thermodynamic circuit. When using a phase change material for heat storage, this power is more constant over time due to the phase change process of the material, which stabilizes the operating conditions of the compressor.
  • the energy stored in the low temperature block 4 is available for the compressor 1 for a power peak of limited duration to compensate more quickly for intense drawing of domestic hot water.
  • This available stored energy is added to that of the conventional source of the system and can in certain cases avoid the start-up of electrical resistance booster systems, which are not very energy efficient. This case is particularly useful if the compressor 1 is provided with a variation of speed. Additional power can be added to the second source without the use of a phase change material exchanger but the temperature stabilization and power reserve described above will not be achieved.
  • the second disadvantage of systems using a gas cooler is the need to have a heat load (heating or air conditioning) that is not used to heat domestic hot water.
  • the system according to the invention responds to it thanks to the combined use of the low 4, medium 3 and high temperature 2 blocks in a charge phase by thermodynamic cycle and a discharge phase by hot water circulation.
  • the coefficient of performance (COP) of this type of operation depends on the conditions and the system but is typically of the order of 4 to 4.5.
  • the sanitary water heating can be done also by the use of the condensing power of the thermodynamic cycle.
  • a valve called “three-way valve” derives water from the condensation circuit to an exchanger located in the hot water storage.
  • the condensing temperature is increased to a value close to the temperature of the domestic hot water stored
  • the coefficient of performance will thus gradually decrease until reaching values of the order of 2 to 2.5. It can be estimated that the average COP during the period of heating and keeping water temperature Domestic hot water is about 3.
  • a first embodiment is the non-reversible mode described above as a second object of the present invention.
  • This embodiment can be realized in different ways. a) Use with a heat source and a thermal load
  • the components are arranged so that the refrigerant 20 leaves the discharge of the compressor 1 by first passing through the high temperature block 2 and then by the medium temperature block 3, then passes through the low temperature block 4, by the expander 5, by a heat source exchanger (such as a heat exchanger on the extracted air or a geothermal loop), then by a different circuit of that of the first pass, again by the low temperature block 4, then said refrigerant 20 enters the suction of the compressor 1, and the cycle resumes.
  • a heat source exchanger such as a heat exchanger on the extracted air or a geothermal loop
  • FIG. 4 represents a system provided with the module according to the invention which is not reversible and an air exchanger (extract or external) / refrigerant 7.
  • the heat load is very preferably the hot water.
  • the heating power is typically about 2 KW on the extracted air. In the case of outdoor air, the heating power depends on weather conditions and is typically between 2 and 10 kW for residential applications, but could reach higher values for other uses.
  • load the compressor 1 operates and charges the exchange blocks and storage high temperature 2 and medium temperature 3.
  • the load is at a high performance coefficient of operation, of the order of 4 to 5, in particular for the heating of the sanitary water, with typically 40 ° C. of condensation for an HFC or a hydrocarbon.
  • the refrigerant then passes into an internal heat exchanger which transfers heat to the gases at the suction of the compressor. It then passes through the electronic expansion valve and joins the heat source evaporator.
  • the low temperature exchange and storage block 4 is used as an internal exchanger.
  • the air exchanger (extract or external) / refrigerant 7 can be replaced by another source of heat, for example by a geothermal loop loaded with refrigerant 13, or a geothermal loop loaded with water 14.
  • the geothermal loops with refrigerant 13 or water 14 are usually more powerful and more stable than air / refrigerant exchangers, but are not usable on all homes / buildings.
  • the components are arranged so that the refrigerant 20 leaves the discharge of the compressor 1 by first passing through the high temperature block 2 and then by the medium temperature block 3, then passes through the exchanger of the second heat load, then passes through the low temperature block 4, by the expander 5, by a heat source exchanger (such as a heat exchanger on the extract air or a geothermal loop), then, by a circuit different from that of the first pass, again by the low temperature block 4, then said refrigerant 20 enters the suction of the compressor 1, and the cycle resumes.
  • a heat source exchanger such as a heat exchanger on the extract air or a geothermal loop
  • FIG. 5 This embodiment of the invention is shown in FIG. 5.
  • the system is similar to that of the first embodiment of FIG. 4 and is provided with the module according to the invention which is not reversible and with an air exchanger (extract or external) / refrigerant 7.
  • the device of this embodiment further has an additional function of space heating, given by a refrigerant / air exchanger 16.
  • the first heat load is preferably hot water.
  • the second heat load can be for example underfloor heating, a radiator, a fresh air exchanger, a convector fan.
  • the compressor 1 transfers refrigerant successively in the two exchange blocks and storage high temperature 2 and medium temperature 3 and the fluid passes through the heat exchanger. space heating.
  • the regulation may be made to make arbitrations if the heat available at the source is insufficient.
  • the heat energy may for example mainly be intended for heating the hot water health. In this case, the capacity of the heat exchanger will be limited for example by stopping the exchange fan or reducing its speed.
  • the low temperature exchange and storage block 4 is used as an internal exchanger.
  • air exchanger extract or external
  • refrigerant 7 may be replaced by another source of heat if necessary, for example by a geothermal loop charged with refrigerant.
  • the operation of the system will be similar to that described above.
  • the geothermal loop is usually more powerful and more stable than the air / refrigerant exchanger.
  • FIG. 6 Another embodiment of this type is shown in FIG. 6.
  • the device of the embodiment according to the invention of FIG. 6 is provided with a non-reversible module according to the invention, with a set consisting of a intermediate source exchanger water (or brine) / refrigerant 12 and a geothermal loop 14 as a heat source, an intermediate exchanger refrigerant / water 11 itself supplemented by one or more water exchangers 15 , 17.
  • the operation is similar to that of the embodiment of Figure 5.
  • the low temperature exchange and storage block 4 is used as an internal exchanger.
  • the components are arranged so that the refrigerant 20 leaves the discharge of the compressor 1 by first passing through the high temperature block 2 and then through the medium temperature block 3, then passes through a first heat exchanger on the heat load, then by the expander 5, then by an exchanger of a first heat source, then by the low temperature block 4 used as exchanger of a second heat source, then the refrigerant 20 enters the suction of the compressor 1, and the cycle resumes.
  • One of said thermal loads is preferably domestic hot water, the other may be for example a floor heating, a radiator, a fresh air heating exchanger, a convector fan.
  • FIG. 7 describes a non-reversible module used for heating domestic hot water and a space from a first source constituted by a geothermal loop. which transmits its heat to a water / refrigerant exchanger 12 and a second source consisting of an air / refrigerant exchanger (extract air or outside air) 7.
  • a refrigerant / intermediate refrigerant exchanger water 11 is completed by one or more water exchangers 15 and 17.
  • FIG. 8 Another embodiment of this type is shown in FIG. 8.
  • the system is provided with a non-reversible module according to the invention, with an air / refrigerant exchanger (air extract or outside air) 7 and a solar thermal panel 10 as heat sources and a refrigerant / water intermediate exchanger 11 supplemented by one or more water exchangers 15, 17 used for space heating .
  • air / refrigerant exchanger air extract or outside air
  • a solar thermal panel 10 as heat sources
  • a refrigerant / water intermediate exchanger 11 supplemented by one or more water exchangers 15, 17 used for space heating .
  • the system of the embodiment shown in FIG. 8 is used to heat domestic hot water and a space.
  • the exchange and storage block is used both for the heating of the sanitary water and for space heating through the intermediate heat exchanger 11.
  • the regulation manages the power distribution thanks to the regulator and the actuators (pumps or fan).
  • FIG. 9 Another embodiment of the invention is shown in FIG. 9.
  • FIG. 9 describes a non-reversible module used to heat domestic hot water and a space from a first source constituted by a geothermal loop 14 which transmits its heat to a water / refrigerant exchanger and a second source constituted by a solar thermal panel (10).
  • the intermediate refrigerant / water cooler 11 is completed by one or more water exchangers 15 and 17.
  • the temperature of the geothermal source is of the order of 0 0 C (case of a horizontal capture)
  • the heat of the solar thermal panel 10 will have to first, the material of the low temperature block 4 will be liquefied.
  • the discharge temperature will still be sufficient to charge the high temperature block 2.
  • the components are arranged so that the refrigerant 20 leaves the discharge of the compressor 1 by first passing through the high temperature block 2 and then by the medium temperature block 3, used as a heat exchanger. thermal loads, then by the expander 5, then by a very low temperature block 50 used as exchanger of the first two heat sources, then by the low temperature block 4 used as exchanger of a third source of heat, then the refrigerant 20 enters the suction of compressor 1, and the cycle resumes.
  • One of said thermal loads is preferably domestic hot water, the others may be for example for the second underfloor heating, a radiator, a new air heat exchanger, a convector fan, and for the third a pool or spa.
  • FIG. 1 An embodiment of this type according to the invention is represented by FIG. 1
  • Figure 26 describes a system with a non-reversible module and three sources and three heat loads, used to heat domestic hot water, heat a space and heat a pool or spa, from a geothermal loop 14 which transmits its heat to a water / refrigerant exchanger 12, an air / refrigerant exchanger 7 in series with the loop 14 and a solar thermal panel 10.
  • the block medium temperature 3, 300, 310, 320, 330 is equipped with 4 fluid circuits, which makes it possible to exchange heat between the storage material and 4 fluids simultaneously.
  • the 4 fluids are respectively: refrigerant, hot water, space heating water, heating water of a pool or spa.
  • a two-circuit very low temperature exchange and storage block 50 is placed upstream of the non-reversible module, before the low temperature exchange and storage block, and thus creates a thermal inertia at the temperature of 50.degree. phase change.
  • the components are arranged so that the refrigerant 20 leaves the discharge of the compressor 1 by passing first through the high temperature block 2 and then through the medium temperature block 3, used as a heat exchanger. thermal loads, then by the expander 5, then by a very low temperature block 50 used as exchanger of the first three heat sources, then by the low temperature block 4 used as exchanger of a third source of heat, then the refrigerant 20 enters the suction of compressor 1, and the cycle resumes.
  • One of said thermal loads is preferably domestic hot water, the others may be for example for the second underfloor heating, a radiator, a new air heat exchanger, a convector fan, and for the third a pool or spa.
  • FIG. 27 An embodiment of this type according to the invention is represented in FIG. 27.
  • Figure 27 shows a system with a non-reversible module and 4 sources and 3 heat loads, used to heat domestic hot water, heat or cool a space, and heat a pool or spa from a loop geothermal 14 which transmits its heat to a water / refrigerant exchanger 12, an air / refrigerant exchanger 7 in series with the loop 14 and a solar thermal panel 10.
  • the medium temperature block 3, 300, 310, 320 , 330 is equipped with 4 fluid circuits, which makes it possible to exchange heat between the phase-change material and 4 fluids simultaneously.
  • the 4 fluids are respectively: refrigerant, hot water, space heating water, heating water of a pool or spa.
  • a very low temperature exchange and storage block 50 Three circuits is placed upstream of the non-reversible module and thus creates a thermal inertia at the phase change temperature. Furthermore a hydraulic three-way valve 34 is placed on the space heating circuit and connected to the very low temperature block 50. This allows to cool the space although the module is not reversible.
  • a second embodiment is the reversible mode described above as the third subject of the present invention. This embodiment can be realized in different ways. a) Embodiments with two heat sources and two heat loads
  • the first heat load is preferably domestic hot water.
  • This first thermal load is connected by an independent circuit in series to the high temperature and medium temperature blocks.
  • the second heat load can be used in either heating or cooling mode.
  • the components are arranged in such a way that the refrigerant 20 leaves the discharge of the compressor 1 by first passing through the high temperature block 2 and then through the four-way reversing valve 6. then:
  • FIG. 10 depicts a reversible module according to the invention provided with non-return valves as shown in FIG. 2, used to heat domestic hot water and a space from a first source constituted by a geothermal loop water or brine 14 which transmits its heat to a water / refrigerant exchanger 12 and a second source constituted by a solar thermal panel 10.
  • the intermediate refrigerant / water exchanger 11 is completed by one or more water exchangers 15 and 17.
  • the medium temperature block 3 is provided with non-return valve flaps.
  • the reversible module is thus adapted to the heating of sanitary water simultaneously with a thermal load (heating mode or cooling mode)
  • the medium temperature block 3 In heating mode, the medium temperature block 3 is traversed by the refrigerant. This block is therefore charged with heat for use by domestic hot water. In cooling mode, the set of two flaps makes it possible to bypass the medium temperature block 3. The heat stored therein remains available for domestic hot water.
  • FIG. 11 describes a reversible module according to the invention provided with nonreturn valves 26, 36 as represented in FIG. 2, used for heating domestic hot water and a space from a first source constituted by an air exchanger (extract or external) / refrigerant 7 and a second source constituted by a solar thermal panel (10).
  • the exchanger is a refrigerant / air exchanger 16.
  • FIG. 12 describes a reversible module according to the invention provided with nonreturn valves 26, 36 as represented in FIG. 2, used for heating domestic hot water and a space from a first source constituted by a geothermal water loop or brine 14 which transmits its heat to a water / refrigerant exchanger and a second source constituted by an air exchanger (extract or external) / refrigerant 7.
  • a first source constituted by a geothermal water loop or brine 14 which transmits its heat to a water / refrigerant exchanger and a second source constituted by an air exchanger (extract or external) / refrigerant 7.
  • the intermediate refrigerant fluid exchanger Water 11 is completed by one or more water exchangers 15 and 17.
  • FIG. 18 Another embodiment of the invention is shown in FIG. 18.
  • the system comprises three heat sources and two heat loads. Two of the heat sources are placed in series.
  • FIG. 18 describes a reversible module according to the invention provided with non-return valves as represented in FIG. 2, used for heating domestic hot water and a space from a first source constituted by a geothermal water or brine loop. which transmits its heat to a water / refrigerant exchanger 12, a second source placed in series in the circuit of the geothermal loop, and downstream of said geothermal loop and constituted by an exchanger on the extracted air 7.
  • This second source usually at a temperature above the geothermal loop warms the water circuit and therefore improves the performance coefficient of the machine more specifically in heating mode.
  • the system further comprises a third heat source constituted by a solar thermal panel 10.
  • the intermediate refrigerant / water exchanger 11 is completed by one or more water exchangers 15 and 17.
  • the third heat load is preferably domestic hot water (of more limited capacity than in the case 2a) described above).
  • This third heat load is connected by an independent circuit to the high temperature block 2.
  • the other two heat loads can be used either in heating mode or in cooling mode.
  • the components are arranged so that the refrigerant 20 leaves the discharge of the compressor 1 by first passing through the high temperature block 2 and then through the four-way reversal valve 6, then:
  • the refrigerant 20 passes first through the medium temperature block 3 used as exchanger of the first heat load, then by the exchanger of the second heat load, then the expander. 5, then by the heat exchanger of the first heat source, then by the low temperature block 4 used as exchanger of the second heat source, then by the four-way valve with cycle reversal 6, in a different circuit, then the refrigerant 20 enters the suction of the compressor 1, and the cycle resumes.
  • the refrigerant 20 passes first through the low temperature block 4 used as the exchanger of the second source, then through the exchanger of the first source, then through the expander 5, then through the exchanger the second charge, then by the medium temperature block 3 used as exchanger of the first charge, then by the four-way valve to cycle reversal 6, in a different circuit, then the refrigerant 20 enters the suction of the compressor 1 , and the cycle resumes.
  • FIG. 14 An example of this embodiment of the invention is shown in FIG. 14: the system is provided with a reversible module according to the invention not equipped with non-return valves, with an air / refrigerant exchanger (extracted air or air 7) and a solar thermal panel 10 as heat sources, as well as one or more exchangers heating or cooling the space.
  • the heat exchanger or heat exchanger space are water exchangers 15, 17 connected directly to the exchange block and storage medium temperature 3.
  • a refrigerant / space type space heating or cooling exchanger 16 is added to the system a refrigerant / space type space heating or cooling exchanger 16.
  • the solar thermal panel 10 Only the high temperature exchange and storage block 2 heats the domestic hot water.
  • the extracted air is typically already at 20 0 C, the solar thermal panel 10 will tend to quickly liquefy the low temperature block and overheat the gas.
  • the regulation manages overheating at the compressor and its suction pressure.
  • the solar panel provides additional power that is conveyed by the compressor to the high pressure portion of the circuit with high efficiency.
  • the regulation manages the power distribution thanks to the regulator and the actuators (pumps or fan).
  • the specified system as shown in Figure 14 is to allow simultaneous cooling by air and by water cooling (ground cooling). for example).
  • the air cooling allows a rapid temperature drop and dehumidification of the room and the cooling of the ground gives the thermal inertia; Dehumidification of the air limits the risk of condensation on the floor.
  • the system easily enables this feature through its multiple connections. The heat will be rejected at the exchanger 7 whose flow must be sufficient.
  • the high temperature exchange and storage block 2 When the system is used simultaneously to cool the space and heat the sanitary water, the high temperature exchange and storage block 2 is always supplied with heat and thus allows the heating of domestic hot water.
  • the medium temperature exchange and storage block 3 is in solid form.
  • the preferable configuration from the point of view of heat transfer is that of the plate heat exchanger shown in FIG. 23. This configuration allows a direct exchange between the refrigerant and the water of the exchangers 15.
  • the low temperature exchange and storage block 4 is supplied with hot gas. It does not reject summer heat because it is connected to a solar collector itself at high temperature. The solar collector pump will generally not be powered. Indeed, the cooling mode is used especially in summer when the temperature of the solar collector is high and higher than the condensing temperature of the system.
  • FIG. 1 Another embodiment of the invention is shown in FIG. 1
  • the system is provided with a reversible module according to the invention not equipped with nonreturn valves, with a first source constituted by a geothermal water or brine loop 14 which transmits or takes its heat to a water / refrigerant exchanger 12, a second source constituted by a solar thermal panel 10, and exchangers heating or cooling the space.
  • the space heating or cooling exchanger (s) are water exchangers (15, 17) directly connected to the exchanger / storage unit (at medium temperature).
  • a space heating or cooling exchanger is added to the system. refrigerant / air 16.
  • FIG. 1 Another embodiment of the invention is shown in FIG. 1
  • the system is provided with a reversible module according to the invention not equipped with non-return valves, with a first source constituted by an air / refrigerant exchanger (extracted air or air 7), a second source constituted by a solar thermal panel 10, and exchangers heating or cooling the space.
  • the exchanger (s) heating or cooling the space are water exchangers 15, 17 connected directly to the heat exchanger / storage unit at medium temperature 3.
  • a system is added to the system. space heating or cooling exchanger of refrigerant / air type 16.
  • a medium-temperature exchange and storage block is added in the circuit of the solar thermal panel 10.
  • the heat will be stored in two exchange blocks and storage: on the one hand, the low temperature block 4 to ensure the superheating of the compressor suction gas and create stored energy in case of compressor demand and secondly, in the additional medium temperature block 300
  • the sanitary water will first pass through this medium temperature block and then into the high temperature block charged by the thermodynamic cycle.
  • FIG. 13 Yet another embodiment of the invention, of the non-reversible type, is represented in FIG. 13.
  • the system is provided with a non-reversible module, an air / refrigerant exchanger (extract air or outside air) 7 and a solar thermal panel 10 as sources. of heat, as well as exchangers heating the space.
  • the heat exchanger or heat exchangers are on the one hand water exchangers 15, 17 connected directly to the exchange and storage unit at medium temperature 3, and on the other hand a refrigerant / refrigerant type heat exchanger. air 16.
  • Only the high temperature exchange and storage block 2 is used to heat the domestic hot water 25.
  • the solar thermal panel 10 When the system is used simultaneously to heat space and sanitary water, the extracted air is typically already at 20 0 C, the solar thermal panel 10 will tend to quickly liquefy the low temperature block and overheat the gas.
  • the regulation manages overheating at the compressor and its suction pressure.
  • the solar panel provides additional power that is conveyed by the compressor to the high pressure portion of the circuit with high efficiency.
  • the regulation manages the power distribution thanks to the regulator and the actuators (pumps or fan).
  • the specificity of the system of the embodiment of Figure 13 is to allow space heating simultaneously by air and by water heaters (floor heating for example), the air for rapid warming up of the piece and the ground giving the thermal inertia and the radiating effect.
  • the system according to the invention easily allows this functionality.
  • the disadvantage of the system of the embodiment of FIG. 13 is a certain reduction in the amount of domestic hot water supplied since only the exchange and storage block 2 is used for the heating of the sanitary water.
  • the exchange and storage blocks have been broken down into several independent sub-blocks (for example having the plate shape as in FIG. 20) loaded with materials having different phase change temperatures in order to create a temperature gradient.
  • the interest is to maintain a high average coefficient of performance (COP) while increasing the temperature of the last high temperature exchange and storage block that is in contact with domestic hot water. This increases the destructive effect of legionellosis.
  • COP average coefficient of performance
  • the refrigerant 20 first passes through a series of high temperature sub-blocks having decreasing phase change temperature values over the range described in the detailed description (for example, can use the following sequence of sub-blocks: 75 ° C., 70 ° C. and 65 ° C.), then by a series of sub-blocks of medium temperature having decreasing phase change temperature values over the range described in the description detailed (we can for example have the following sequence of blocks: 45 ° C, 42 0 C and 39 0 C,
  • the high temperature and medium temperature blocks are used here as exchangers of the first heat load.
  • the fluid passes through the exchanger of the second heat load, then by the expander 5, then by the exchanger of the first heat source, then by the low temperature block.
  • the Low temperature blocks are typically used as heat exchangers of the second source.
  • the refrigerant then passes through the four-way valve to cycle reversal 6, in a different circuit, then the refrigerant 20 enters the suction of the compressor 1, and the cycle resumes.
  • the high and medium temperature blocks having respectively the lowest phase change temperatures are loaded first with a maximum coefficient of performance. This corresponds to the lowest compressor output and condensation temperatures. Then the condensing temperature increases (under the control of the regulation if necessary) in order to charge the medium and high temperature blocks having the higher phase change temperature values. This decreases the coefficient of performance but it remains significantly higher than that obtained in a conventional system using only the condensation circuit.
  • the medium and high temperature blocks are typically serially connected.
  • the domestic hot water passes through the blocks having approximately the following temperatures: 33 ° C and then 36 ° C, 39 ° C, 42 ° C, 45 ° C and then the high temperature blocks 65 ° C, 70 ° C. 0 C and 75 ° C to maximize the thermal effect.
  • the water thus heated is mixed if necessary with cold water to bring it to the desired value for use (typically about 45 ° C).
  • the temperature gradation of the low temperature blocks is more suitable for circuits equipped with solar collectors whose temperature range is wider. This makes it easier for the control system to improve the COP in the summer by allowing the systems with sensors to have a high suction pressure on summer days with high overheating during the charging of the blocks.
  • the refrigerant 20 passes firstly through the low temperature blocks 4 used as exchangers of the second source, then by the exchanger of the first source, then by the expander 5, then by the exchanger of the second charge, then by the medium temperature blocks 3 used as exchangers of the first charge, then by the four-way valve to cycle reversal 6, in a different circuit, then the refrigerant 20 enters the suction of the compressor 1 then returns to the high temperature blocks, and the cycle resumes.
  • Figures 4 to 18 do not exhaustively deal with all configurations. They aim to show the flexibility of the module for various installations.
  • FIG. 19 represents a block diagram representing the exchange and storage blocks according to the technological approach of plate heat exchangers.
  • This exchanger allows a direct exchange respectively between refrigerant and storage material, refrigerant and secondary fluid which increases the thermal power exchanged but it is however necessary to add a second plate between the refrigerant and domestic hot water so to obtain a double wall.
  • a plate heat exchanger is already used in this way with two refrigerant circuits and one water circuit. But the use with storage material is particular to this invention and therefore part of it. It should be noted that the spacing of the plates must be greater for the storage material in order to allow sufficient thermal storage.
  • FIG. 20 represents a schematic diagram representing the exchange and storage blocks according to the technological approach of the copper tubular exchangers, known as such.
  • FIG. 21 represents one of the ways of organizing the components in one of the systems according to the invention.
  • FIG. 22 represents one of the following ways of organizing the components in one of the systems according to the invention for the production of a water heater which comprises as heat source a geothermal loop 14.
  • the dimensions of the module are 600 mm wide, 820 mm high and 600 to 650 mm deep.
  • FIG. 23 represents one of the following ways of organizing the components in one of the systems according to the invention for the realization of a water / water heat pump with a heat storage according to the technology of plate heat exchangers, which comprises as heat sources a geothermal loop 14 and a heat exchanger on the extracted air (or outside) 7.
  • the dimensions of the module are in this case 600 mm wide, 820 mm high and 600 at 650 mm depth.
  • FIG. 24 represents a block diagram representing the exchange and storage blocks according to the technological approach of the plates. This type of plate, loaded with a low temperature storage material can be used for example in refrigerated trucks. This exchanger is similar to the conventional heat exchanger block.
  • FIG. 25 represents a schematic diagram representing the exchange and storage blocks provided with three fluid circuits and an electrical heating resistor.
  • a typical detached house before 1980 requires a total heating energy of about 200 kWh / m 2 / year of which about 20 kWh / m 2 / year, about 10% is used for domestic hot water.
  • a house less than 10 years old will require about 100 kWh / m 2 / year.
  • the proportion of domestic hot water (20 kWh / m 2 / year) represents 20% of the total.
  • This energy makes it possible to heat 265 liters of water per day from 15 ° C to 40 ° C
  • an average latent heat value of 250 kJ / kg and a density of 800 kg / m 3 can be taken .
  • the total volume of the two exchanger blocks can be estimated at 100 cubic decimetres.
  • the hypotheses taken for this example are as follows:
  • the system under consideration comprises two sources: on the one hand, a brine geothermal loop and, on the other hand, a solar panel.
  • the system under consideration comprises the charge of the domestic hot water circuit and may optionally include another load constituted by a hot water heating circuit (the case of FIG. 9).
  • the refrigerant chosen is 410A. We consider a 100% hot water operation (no heating space charge).
  • the blocks are loaded according to the operating condition below:
  • the condensation temperature is 40 ° C, considered equal to the phase change temperature of the medium temperature block.
  • the evaporation temperature is -5 ° C. (usual case of a geothermal loop).
  • the enthalpy of the refrigerant at -5 ° C. is: 421 kJ / kg.
  • the temperature at the suction of the compressor is 20 ° C., considered equal to the phase change temperature of the low temperature block (the compressor suction temperature may be higher if necessary, by keeping the circuit of the compressor on. solar captor).
  • the enthalpy of the refrigerant at 20 ° C. is 446 kJ / kg.
  • the discharge temperature of the compressor is 95 ° C: the enthalpy of the refrigerant at the discharge of the compressor ⁇ 500 kJ / kg
  • the phase change temperature of the high temperature block is 70 ° C.
  • the enthalpy of the refrigerant at 70 ° C. is 470 kJ / kg.
  • the change in enthalpy of the fluid during the condensation in the medium temperature block at 40 ° C. is equal to 160 kJ / kg.
  • the ratio of enthalpy variations 30/160 gives about 20% for the high temperature block.
  • the high temperature block we thus obtain about 20 liters for the high temperature block and 80 liters for the medium temperature block. In practice, it will oversize the high temperature block for example up to 40 liters to be able to benefit from certain favorable operating conditions at the solar collector and thus be able to store more energy at high temperature. Indeed, during most of the year, the power available at the solar collector not only liquefies the storage material of the low temperature block, but also to increase the temperature of the low temperature storage material to a value significantly higher than its melting temperature. This has the consequence of raising the temperature at the suction of the compressor, and therefore at the discharge of the compressor. So we have an increase in the amount of sensible heat available at the level of the compressor discharge gases and therefore the energy that can be stored in the high temperature block, thus increasing the efficiency of the system.
  • Circulation of domestic hot water in the medium and high temperature exchange blocks will be done so that 80% of the difference in temperature (from 15 ° C to 35 ° C) is made in the medium temperature block and 20% ( 35 ° C to 40 ° C) is made in the high temperature block.

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Abstract

L'invention concerne un module utilisable pour le stockage et le transfert thermique, comprenant les composants suivants : (a) un compresseur (1) de fluide frigorigène; (b) un bloc d'échange et de stockage de la chaleur dit bloc haute température (2) situé au refoulement du compresseur (1); (c) un bloc d'échange et de stockage de la chaleur dit bloc moyenne température (3); (d) un autre échangeur de chaleur, ou préférentiellement un bloc d'échange et de stockage de la chaleur dit bloc basse température (4); (e) une vanne quatre voies (6) située en sortie du module haute température (2), cette vanne étant obligatoire si ledit module est destiné à fonctionner en mode réversible; (f) optionnellement deux clapets anti-retour (26, 36); (g) optionnellement une vanne d'injection (19) ladite vanne (19) injectant en amont du compresseur (1 ); (h) un détendeur (5).

Description

Module utilisable pour le stockage et le transfert thermique
Domaine de l'invention L'invention concerne un dispositif thermodynamique de type pompe à chaleur ou système de climatisation.
Plus particulièrement, l'invention concerne un module hybride pour le stockage et le transfert thermique, comportant d'une part des éléments connus d'un dispositif thermodynamique classique (compresseur, détendeur, régulation) et d'autre part des blocs spécifiques d'échange et de stockage de la chaleur permettant d'accroître les performances du dispositif.
Le module peut être équipé de blocs additionnels de stockage si l'application le requiert. Le module s'applique avec flexibilité à de nombreux types de systèmes différents.
Une utilisation typique est celle dans un logement individuel ou collectif, mais d'autres utilisations peuvent être envisagées, par exemple pour des immeubles de taille plus importante, comme des immeubles de bureau, ou pour des habitations non permanentes (car dans les installations utilisant le module selon l'invention on n'a pas de stockage d'eau chaude sanitaire) ou pour des applications mobiles.
Etat de la technique
La consommation de chauffage, de climatisation et d'eau chaude sanitaire représentent typiquement environ 30% de la consommation d'énergie d'un pays industrialisé.
Les gains en rendement des équipements de chauffage, de climatisation et de production d'eau chaude sanitaire sont essentiels car le coût de l'énergie augmente et il existe un besoin fort de diminuer la dépendance aux énergies fossiles.
Parallèlement, la climatisation se développe, ce qui va à rencontre des économies d'énergie.
L'encombrement des dispositifs de chauffage et de climatisation devient un critère de plus en plus important du fait du coût au mètre carré de l'immobilier. La production d'eau chaude sanitaire représente une part croissante de la facture totale d'énergie d'un foyer. Cette tendance devrait se confirmer à l'avenir, en particulier du fait de l'amélioration de l'isolation des bâtiments (exemple des maisons passives en Allemagne et du label Minergie en Suisse). En outre, les besoins en eau chaude sanitaire sont spécifiques : ils existent toute l'année mais sont discontinus au cours de la journée d'où un besoin de surpuissance calorifique et/ou de stockage de l'eau chaude sanitaire.
Il existe donc un besoin de systèmes thermiques capables de gérer efficacement des besoins continus et discontinus de chaleur et de refroidissement à des niveaux de température différents tout au long de l'année.
Les systèmes thermodynamiques, et plus particulièrement les pompes à chaleur, offrent une alternative aux systèmes classiques utilisant des résistances électriques ou la combustion d'énergies fossiles pour chauffer l'eau domestique ou l'espace. En ce qui concerne les fluides frigorigènes, les Hydro Fluoro Carbone (HFC) sont actuellement couramment utilisés pour les pompes à chaleur domestiques et pour les systèmes d'air conditionnés. Les hydrocarbures, en particulier les alcanes tels que le butane et le propane sont également utilisés dans des applications de type réfrigérateurs domestiques, et leur utilisation devrait s'étendre aux pompes à chaleur et climatisations dans les années à venir. Le dioxyde de carbone (CO2) est un fluide frigorigène prometteur, en particulier pour le chauffage d'eau chaude sanitaire et pour le chauffage et la climatisation des véhicules.
On trouve actuellement dans le commerce des systèmes conventionnels de pompe à chaleur équipés d'un refroidisseur de gaz (gas cooler en anglais) ou de désurchauffeur. Dans ces systèmes, la chaleur sensible des gaz de refoulement du compresseur est utilisée pour chauffer l'eau d'un stockage d'eau. L'efficacité énergétique de tels systèmes est potentiellement élevée. Cependant la pompe à chaleur ne chauffe pas l'eau sanitaire en l'absence de chauffage ou de climatisation de l'espace. Par ailleurs, la quantité de chaleur récupérée est souvent trop faible du fait des conditions de fonctionnement du compresseur. Dans ce cas, très courant en Europe, un système de chauffage complémentaire est nécessaire. C'est, de façon typique, un chauffage par résistance électrique ou encore un chauffage basé sur les énergies fossiles. Ce système est donc utilisé préférentiellement dans les parties du monde où il existe des besoins de chauffage ou de climatisation tout au long de l'année. On trouve également des pompes à chaleur conventionnelles équipées de vannes 3 voies sur le circuit d'eau de condensation. Dans ce cas, l'eau chaude domestique est chauffée par la chaleur sensible et la chaleur latente des gaz de refoulement du compresseur. Il est possible de chauffer l'eau chaude sanitaire sans qu'il y ait demande de chauffage ou de refroidissement. Cependant, l'efficacité du système décroît fortement au fur et à mesure que la température de l'eau chaude augmente. De plus, il n'est pas possible d'avoir simultanément le chauffage de l'eau chaude sanitaire et le chauffage ou le refroidissement de l'espace.
Le brevet EP 1 572 479 de DAIMLER CHRYSLER décrit un système utilisant un accumulateur thermique comportant un matériau de stockage de la chaleur comme réserve de froid dans un système de climatisation automobile. L'accumulateur thermique sert d'accumulateur de froid et de condenseur. Ce système permet de refroidir l'intérieur d'un véhicule lorsque le circuit de réfrigération par compression est stoppé. Le fluide frigorigène préféré dans ce brevet est le dioxyde de carbone. La demande de brevet EP 1 632 734 de MATSUSHITA ELECTRIC présente un système de pompe à chaleur avec stockage de chaleur . Le système est basé sur un cycle à adsorption différent du système thermodynamique classique par compression utilisé dans les pompes à chaleur. Ce système est relativement complexe et nécessite d'avoir plusieurs réservoirs pour le stockage du matériau de stockage de la chaleur. Le stockage de la chaleur est réalisé par la décomposition d'un composé (par exemple décomposition du 2-propanolol en acétone et hydrogène) et adsorption des produits de décomposition s'ils sont à l'état gazeux (cas de l'hydrogène).
La demande de brevet WO98/11397 de Marius POCOL et Constantin PANDURU décrit un réservoir de stockage utilisé sur une boucle d'eau de l'air conditionné afin de lisser la consommation du système dans le temps.
Le brevet US 5,680,898 décrit une pompe à chaleur incluant un dispositif de stockage de la chaleur comportant des matériaux à changement de phase avec des températures de changement de phase différentes. Le dispositif d'échange et de stockage décrit dans ce brevet comporte un conteneur définissant une région intérieure configuré pour recevoir un premier matériau à changement de phase non encapsulé avec une première température de changement de phase, ce matériau pouvant être de l'eau. Le dispositif d'échange et de stockage comporte également une boucle de réfrigérant. Le dispositif d'échange et de stockage comprend de plus une pluralité de capsules contenant un second matériau à changement de phase avec une seconde température de changement de phase, supérieure à celle du premier matériau. Le second matériau est immergé dans le premier. La chaleur est transférée au matériau à changement de phase encapsulé qui a une faible conductivité thermique par le matériau non encapsulé ayant une conductivité thermique supérieure.
La demande de brevet US 2005 / 0258349 de SGL décrit un matériau à changement de phase utilisé pour le stockage de chaleur sous forme latente, ainsi que des dispositifs utilisant ce matériau. Le matériau à changement de phase de cette invention est un matériau composite, comprenant un matériau à changement de phase dans lequel sont incorporées des particules de graphite, le graphite étant du graphite naturel ou du graphite synthétique anisotrope. Le matériau à changement de phase possède un point de fusion compris entre -100 et +5000C, et est choisi parmi les paraffines les alcools, les hydrates de gaz, l'eau, les solutions aqueuses de sels, les sels hydratés, les mélanges eutectiques de sels, les hydroxydes de métaux alcalins, et les mélanges de ces matériaux. Les matériaux à changement de phase préférés sont l'acétate de sodium trihydraté et le chlorure de calcium hexahydraté.
La demande de brevet WO 2006/034829 de SGL décrit un système de refroidissement de boisson basé sur un container chargé avec un matériau à changement de phase utilisant le graphite naturel expansé. Un matériau similaire est décrit dans la demande de brevet WO 98/04644 (ZAB Bayern Bay. Zentrum fur Angewandte Energieforschung). Il permet la fabrication de blocs de stockage de chaleur ou de froid avec une température de changement de phase comprise entre -25°C et +1500C.
Tous ces systèmes existants possèdent au plus un élément de stockage de la chaleur. Soit ils ne permettent pas le chauffage simultané de l'eau chaude sanitaire et d'un espace, soit le système manque d'efficacité.
La présente invention propose un dispositif thermodynamique basé sur un système comprenant, en plus d'éléments classiques des systèmes thermodynamiques, au moins 2, et de préférence au moins 3, éléments distincts pour le stockage de la chaleur. Objet de l'invention
Le Module Utilisable pour le Stockage et le Transfert thermique (MUSTT) selon l'invention, qui représente un premier objet de la présente invention, est un module hybride comprenant les composants suivants :
(a) Un compresseur 1 de fluide frigorigène ;
(b) un bloc d'échange et de stockage de la chaleur dit bloc haute température 2 situé au refoulement du compresseur 1 ;
(c) un bloc d'échange et de stockage de la chaleur dit bloc moyenne température 3 ;
(d) un autre échangeur de chaleur, ou préférentiellement un bloc d'échange et de stockage de la chaleur dit bloc basse température 4 ;
(e) optionnellement une vanne quatre voies 6 située en sortie du module haute température 2, cette vanne étant obligatoire si ledit module est destiné à fonctionner en mode réversible ;
(f) optionnellement au moins deux clapets anti-retour 26, 36, notamment pour l'utilisation du module en tant que système réversible chauffage/refroidissement ;
(g) optionnellement une vanne d'injection 19 pour limiter la température de refoulement du compresseur en mode chauffage, ladite vanne 19 injectant en amont du compresseur 1 ; (h) un détendeur 5.
Le module MUSTT peut comporter en outre, si cela est nécessaire ou utile : - Des composants de régulation et de puissance électrique pour alimenter les différents éléments du système thermodynamique de façon fiable et optimale énergétiquement ;
- un ou plusieurs blocs additionnels d'échange et de stockage de la chaleur si nécessaire ou utile pour l'installation envisagée ; - d'autres composants utiles ou nécessaires pour l'utilisation envisagée. Plus particulièrement, un deuxième objet de la présente invention est un système fonctionnant en mode non réversible et intégrant un module selon l'invention comme décrit ci-dessus (module MUSTT), ledit système étant caractérisé en ce que lesdits composants sont disposés de manière à ce que le fluide frigorigène 20 quitte Ie refoulement du compresseur 1 en passant d'abord par le bloc haute température 2 et ensuite par le bloc moyenne température 3, puis
(a) pour une utilisation dans un système avec une source de chaleur et une charge thermique, préférentiellement l'eau chaude sanitaire, ledit fluide frigorigène 20 passe par le bloc basse température 4, par le détendeur 5, par un échangeur source de chaleur (tel qu'un échangeur sur l'air extrait ou une boucle géothermique), puis, par un circuit différent de celui du premier passage, de nouveau par le bloc basse température 4, puis ledit fluide frigorigène 20 rentre dans l'aspiration du compresseur 1 , et le cycle reprend ;
(b) pour une utilisation dans un système avec une source de chaleur et une première charge thermique, cette première charge thermique étant préférentiellement de l'eau chaude sanitaire, et une deuxième charge thermique (tel qu'un chauffage par le sol, un radiateur, un échangeur de chauffage d'air neuf, un ventilo- convecteur), ledit fluide frigorigène 20 passe par l'échangeur de la deuxième charge thermique, puis passe par le bloc basse température 4, par le détendeur 5, par un échangeur source de chaleur (tel qu'un échangeur sur l'air extrait ou une boucle géothermique), puis, par un circuit différent de celui du premier passage, de nouveau par le bloc basse température 4, puis ledit fluide frigorigène 20 rentre dans l'aspiration du compresseur 1 , et le cycle reprend ;
(c) pour une utilisation dans un système avec deux sources de chaleur et deux charges thermiques, l'une desdites charges thermiques étant préférentiellement de l'eau chaude sanitaire (l'autre pouvant être par exemple un chauffage par le sol, un radiateur, un échangeur de chauffage d'air neuf, un ventilateur convecteur), ledit fluide frigorigène 20 passe par un premier échangeur sur la charge thermique, puis par le détendeur 5, puis par un échangeur d'une première source de chaleur, puis par le bloc basse température 4 utilisé comme échangeur d'une deuxième source de chaleur, puis le fluide frigorigène 20 rentre dans l'aspiration du compresseur 1 , et le cycle réprend. Un troisième objet de la présente invention est un système fonctionnant en mode réversible et intégrant un module selon l'invention comme décrit ci-dessus (module MUSTT) et caractérisé en ce que lesdits composants sont disposés de manière à ce que le fluide frigorigène 20 quitte le refoulement du compresseur 1 en passant d'abord par le bloc haute température 2 et ensuite par la vanne quatre voies d'inversion de cycle 6, puis
(a) pour une utilisation avec deux sources de chaleur et deux charges thermiques, la première charge thermique étant préférentiellement l'eau chaude sanitaire, cette première charge thermique étant reliée par un circuit indépendant en série aux blocs haute température et moyenne température, la deuxième charge thermique (tel qu'un chauffage par le sol, un radiateur, un échangeur de chauffage d'air neuf, un ventilo-convecteur) pouvant être utilisée soit en mode chauffage, soit en mode refroidissement, (i) en mode chauffage : ledit fluide frigorigène passe d'abord par un premier clapet anti-retour 26, puis par le bloc moyenne température 3, puis par l'échangeur de la deuxième charge thermique, puis par le détendeur 5, puis par l'échangeur de la première source de chaleur, puis par le bloc basse température 4 utilisé comme échangeur de la deuxième source de chaleur, puis de nouveau par la vanne quatre voies d'inversion de cycle 6, dans un circuit différent, puis le fluide frigorigène 20 rentre dans l'aspiration du compresseur 1 , et le cycle reprend ;
(ii) en mode refroidissement : ledit fluide frigorigène 20 passe par le bloc basse température 4 utilisé comme échangeur de la deuxième source, puis par l'échangeur de la première source, puis par le détendeur 5, puis par l'échangeur de la deuxième charge thermique, puis par un deuxième clapet anti-retour 36, et ensuite par Ia vanne quatre voie à inversion de cycle 6, dans un circuit différent, puis le fluide frigorigène 20 rentre dans l'aspiration du compresseur 1 , et le cycle reprend ;
(b) pour une utilisation avec deux sources de chaleur et trois charges thermiques, la troisième charge thermique étant préférentiellement l'eau sanitaire (de capacité plus limitée par rapport au cas (a)), cette troisième charge thermique étant reliée par un circuit indépendant au bloc haute température 2, les premières charges thermiques étant préférentieilement un chauffage par le sol, un radiateur, un échangeur de chauffage d'air neuf, un ventilo-convecteur, (i) en mode chauffage : le fluide frigorigène 20 passe d'abord par le bloc moyenne température 3 utilisé comme échangeur de la première charge thermique, puis par l'échangeur de la deuxième charge thermique, puis le détendeur 5, puis par l'échangeur de la première source de chaleur, puis par le bloc basse température 4 utilisé comme échangeur de la deuxième source de chaleur, puis par la vanne quatre voie à inversion de cycle 6, dans un circuit différent, puis le fluide frigorigène 20 rentre dans l'aspiration du compresseur 1, et le cycle reprend ;
(ii) en mode refroidissement : le fluide frigorigène 20 passe d'abord par le bloc basse température 4 utilisé comme échangeur de la deuxième source, puis par l'échangeur de la première source, puis par le détendeur 5, puis par l'échangeur de la deuxième charge, puis par le bloc moyenne température 3 utilisé comme échangeur de la première charge, puis par la vanne quatre voies à inversion de cycle 6, dans un circuit différent, puis le fluide frigorigène 20 rentre dans l'aspiration du compresseur 1 , et le cycle reprend.
Description des figures
Les figures 1 à 27 se réfèrent à l'invention dont elles illustrent le principe ou des modes de réalisation spécifiques. Les figures représentent le fonctionnement en mode chauffage du module selon l'invention et des systèmes comprenant ledit module.
La figure 1 décrit le module MUSTT selon l'invention dans une version non réversible.
La figure 2 décrit le module MUSTT dans une version réversible avec des clapets antiretour utilisable pour le chauffage et le refroidissement d'espace.
La figure 3 représente le module réversible selon l'invention non muni de clapets anti- retour, sur lequel ont été ajoutés à titre d'exemple des blocs de stockage complémentaires 200, 300 pour les besoins éventuels d'une installation spécifique. Les figures 4 à 18 et 26, 27 décrivent, de manière non exhaustive, différents modes de réalisation d'installations particulières selon l'invention (en version non réversible et réversible).
Les figurent 4 à 6 décrivent plus spécifiquement des modes de réalisation basés sur une seule source de chaleur dans un module non réversible.
La figure 4 décrit un système pourvu d'un module non réversible utilisé uniquement pour chauffer l'eau chaude sanitaire à partir d'un échangeur air (extrait ou extérieur) / fluide frigorigène 7.
La figure 5 décrit un système pourvu d'un module non réversible utilisé pour chauffer l'eau chaude sanitaire et un espace à partir d'un échangeur air (extrait ou extérieur) / fluide frigorigène. L'échangeur chauffant l'espace est un échangeur de type fluide frigorigène/air 16.
La figure 6 décrit un système pourvu d'un module non réversible utilisé pour chauffer l'eau chaude sanitaire et un espace à partir d'une première source constituée par une boucle géothermique eau ou saumure 14 qui transmet sa chaleur à un échangeur eau/fluide frigorigène 12. L'échangeur intermédiaire fluide frigorigène/eau 11 est complété par un ou plusieurs échangeurs à eau 15, 17.
La figure 7 décrit un système pourvu d'un module non réversible utilisé pour chauffer l'eau chaude sanitaire et un espace à partir d'une première source constituée par une boucle géothermique eau ou saumure 14 qui transmet sa chaleur à un échangeur eau/fluide frigorigène 12 et d'une deuxième source constitué d'un échangeur air/fluide frigorigène 7 (air extrait ou air extérieur). L'échangeur intermédiaire fluide frigorigène/eau 11 est complété par un ou plusieurs échangeurs à eau 15 et 17.
La figure 8 décrit un système pourvu d'un module non réversible utilisé pour chauffer l'eau chaude sanitaire et un espace à partir d'un échangeur air/fluide frigorigène 7 (air extrait ou air extérieur) et d'un panneau solaire thermique 10. L'échangeur intermédiaire fluide frigorigène/eau 11 est complété par un ou plusieurs échangeurs à eau 15, 17.
La figure 9 décrit un système pourvu d'un module non réversible utilisé pour chauffer l'eau chaude sanitaire et un espace à partir d'une première source constituée par une boucle géothermique eau ou saumure 14 qui transmet sa chaleur à un échangeur eau/fluide frigorigène 12 et d'une deuxième source constitué par un panneau solaire thermique 10. L'échangeur intermédiaire fluide frigorigène/eau 11 est complété par un ou plusieurs échangeurs à eau 15, 17. La figure 10 décrit un système pourvu d'un module réversible muni de clapets anti-retour 26, 36 sur le bloc 3 utilisé pour chauffer l'eau chaude sanitaire et chauffer/refroidir un espace à partir d' une boucle géothermique eau ou saumure 14 qui transmet sa chaleur à un échangeur eau/fluide frigorigène 12 et d'un panneau solaire thermique 10. Le ou les échangeurs chauffant ou refroidissant l'espace sont des échangeurs à eau 15, 17, raccordés à un échangeur intermédiaire fluide frigorigène / eau ou saumure 11.
La figure 11 décrit un système pourvu d'un module réversible muni de clapets anti-retour 26, 36 sur le bloc 3 utilisé pour chauffer l'eau chaude sanitaire et chauffer/refroidir un espace à partir d'un échangeur air/fluide frigorigène 7 (air extrait ou air extérieur) et d'un panneau solaire thermique 10. Le ou les échangeurs chauffant ou refroidissant l'espace sont des échangeurs type fluide frigorigène/air 16.
La figure 12 décrit un système pourvu d'un module réversible muni de clapets anti-retour 26, 36 sur le bloc 3 utilisé pour chauffer l'eau chaude sanitaire et chauffer/refroidir un espace à partir d' une boucle géothermique eau ou saumure 14 qui transmet sa chaleur à un échangeur eau/fluide frigorigène 12 et d'un échangeur air/fluide frigorigène 7 (air extrait ou air extérieur. Le ou les échangeurs chauffant ou refroidissant l'espace sont des échangeurs à eau 15, 17, raccordés à un échangeur intermédiaire fluide frigorigène / eau ou saumure 11.
La figure 13 décrit un système pourvu d'un module non réversible utilisé pour chauffer l'eau chaude sanitaire et un espace à partir d'un échangeur air/fluide frigorigène 7 (air extrait ou air extérieur) et d'un panneau solaire thermique 10. Le ou les échangeurs chauffant l'espace sont des échangeurs à eau 15, 17, tels que des radiateurs à eau, raccordés directement sur le bloc d'échange et de stockage à température moyenne 3.
Seul le bloc d'échange et de stockage haute température 2 chauffe l'eau chaude sanitaire. De plus, un échangeur de chauffage de l'espace de type fluide frigorigène/air
16 est ajouté au système.
La figure 14 décrit un système pourvu d'un module réversible utilisé pour chauffer l'eau chaude sanitaire et chauffer/refroidir un espace à partir d'un échangeur air/fluide frigorigène 7 (air extrait ou air extérieur) et d'un panneau solaire thermique 10. Le ou les échangeurs chauffant ou refroidissant l'espace sont des échangeurs à eau 15, 17 raccordés directement sur le bloc d'échange et de stockage à température moyenne 3. Seul le bloc d'échange et de stockage haute température chauffe l'eau sanitaire. De plus est ajouté au système un échangeur de chauffage ou de refroidissement de l'espace de type fluide frigorigène/air 16.
La figure 15 décrit un système pourvu d'un module réversible utilisé pour chauffer l'eau chaude sanitaire et chauffer/refroidir un espace à partir d'une première source constituée par une boucle géothermique eau ou saumure 14 qui transmet ou prend sa chaleur à un échangeur eau/fluide frigorigène 12 et d'une deuxième source constitué par un panneau solaire thermique 10. Le ou les échangeurs chauffant ou refroidissant l'espace sont des échangeurs à eau 15, 17 raccordés directement sur le bloc d'échange et de stockage à température moyenne 3. Seul le bloc d'échange et de stockage haute température 2 chauffe l'eau chaude sanitaire. De plus est ajouté au système un échangeur de chauffage ou de refroidissement de l'espace de type fluide frigorigène/air 16.
La figure 16 décrit un système pourvu d'un module réversible non muni de clapets antiretour, utilisé pour chauffer l'eau chaude sanitaire et chauffer/refroidir un espace à partir d'un échangeur air/fluide frigorigène 7 (air extrait ou air extérieur) et d'un panneau solaire thermique 10. Le ou les échangeurs chauffant ou refroidissant l'espace sont des échangeurs à eau 15, 17 raccordés directement sur le bloc d'échange et de stockage à température moyenne 3. Un échangeur de chauffage ou de refroidissement de l'espace de type fluide frigorigène/air 16 est ajouté au système. En outre, un bloc d'échange et de stockage 300 est ajouté sur le circuit du panneau solaire thermique 10. L'eau chaude sanitaire passe en série d'abord par ce bloc d'échange et de stockage supplémentaire, puis par le bloc d'échange et de stockage haute température 2.
La figure 17 est similaire à la figure 10, hormis que chaque bloc d'échange et de stockage 2, 3, 4 est remplacé par un ensemble de sous-blocs d'échange et de stockage, respectivement 210, 220 pour le bloc 2, 310, 320, 330, 340 pour le bloc 3 et 410, 420, 430 pour le bloc 4.
La figure 18 décrit un système pourvu d'un module réversible muni de clapets anti-retour 26, 36 sur le bloc 3 utilisé pour chauffer l'eau chaude sanitaire et chauffer/refroidir un espace à partir d' une boucle géothermique eau ou saumure 14 qui transmet sa chaleur à un échangeur eau/fluide frigorigène 12, d'un échangeur air/fluide frigorigène 7 en série avec la boucle 14 et d'un panneau solaire thermique 10. Le ou les échangeurs chauffant ou refroidissant l'espace sont des échangeurs à eau 15, 17, raccordés à un échangeur intermédiaire fluide frigorigène / eau ou saumure 11.
La figure 19 représente un schéma de principe représentant les blocs d'échange et de stockage suivant l'approche technologique des échangeurs à plaques. La figure 19a est une vue de dessus, la figure 19b est une vue de côté.
La figure 20 représente un schéma de principe représentant les blocs d'échange et de stockage suivant l'approche technologique des échangeurs tubulaires cuivre. La figure 18a est une vue de face, la figure 18b est une vue de dessus.
La figure 21 représente une manière d'organiser les composants dans un des systèmes selon l'invention.
La figure 22 représente une manière d'organiser les composants dans un des systèmes selon l'invention.
La figure 23 représente une manière d'organiser les composants dans un des systèmes selon l'invention. La figure 24 représente un schéma de principe représentant les blocs d'échange et de stockage suivant l'approche technologique des échangeurs à plaques. La figure 24a est une vue de dessus, la figure 24b est une vue de côté.
La figure 25 représente un schéma de principe représentant les blocs d'échange et de stockage muni de trois circuits fluides et d'une résistance électrique de chauffage. La figure 26 décrit un système pourvu d'un module non réversible et de trois sources et trois charges thermiques, utilisé pour chauffer l'eau chaude sanitaire, chauffer un espace et chauffer une piscine ou un spa, à partir d'une boucle géothermique eau ou saumure 14 qui transmet sa chaleur à un échangeur eau/fluide frigorigène 12, d'un échangeur air/fluide frigorigène 7 en série avec la boucle 14 et d'un panneau solaire thermique 10. D'autre part, un bloc d'échange et de stockage très basse température 50 à deux circuits est placée en amont du module non réversible, avant le bloc d'échange et de stockage basse température.
La figure 27 décrit un système pourvu d'un module non réversible et de 4 sources et 3 charges thermiques utilisé pour chauffer l'eau chaude sanitaire, chauffer ou refroidir un espace, et chauffer une piscine ou un spa à partir d'une boucle géothermique eau ou saumure 14 qui transmet sa chaleur à un échangeur eau/fluide frigorigène 12, d'un échangeur air/fluide frigorigène 7 en série avec la boucle 14 et d'un panneau solaire thermique 10. Un bloc d'échange et de stockage très basse température 50 à trois circuits est placée en amont du module non réversible. Par ailleurs une vanne trois voies hydraulique 34 est placée sur le circuit de chauffage de l'espace et reliée au bloc très basse température 50.
Liste de repères utilisés sur les figures :
1/ Compresseur de fluide frigorigène
2, 200, 210, 220, 230/ Bloc d'échange et de stockage de la chaleur haute température
3, 300, 310, 320, 330, 340/ Bloc d'échange et de stockage de la chaleur moyenne température 4, 400, 410, 420, 430/ Bloc d'échange et de stockage de la chaleur basse température
5/ Détendeur
6/ Vanne 4 voies d'inversion de cycle
7/ Échangeur de type air/fluide frigorigène (typiquement air extrait ou air extérieur)
8/ Moto ventilateur 9/ Pompe à eau et vase d'expansion
10/ Panneau solaire thermique
11/ Échangeur chauffage de type fluide frigorigène vers eau
12/ Échangeur source de type eau ou saumure / fluide frigorigène
13/ Boucle géothermique fluide frigorigène 14/ Boucle géothermique eau ou saumure (typiquement propylène glycol)
15/ Appareils destinés au chauffage ou à la climatisation utilisant l'eau comme fluide de transfert
16/ Appareils destinés au chauffage ou à la climatisation utilisant Ie fluide frigorigène comme fluide de transfert 17/ Radiateur à eau chaude
18/ Alimentation électrique classique courant alternatif
19/ Vanne d'injection pour limiter la température de refoulement du compresseur en mode chauffage
20/ Fluide frigorigène 21/ Régulation électronique 22/ Circuit d'eau chaude sanitaire
23/ Vanne de mélange eau chaude sanitaire
24/ Eau ou saumure (Ethylène Glycol ou équivalent)
25/ Eau chaude sanitaire 26, 36/ Clapet anti-retour
27, 28/ Connexion du fluide frigorigène
29, 30/ Connexion du fluide frigorigène
31/ Tubes cuivre
32/ Matériau d'échange et de stockage de la chaleur 33/ Plaques d'échange thermique
34/ Vanne trois voies hydraulique
35/ Résistance électrique
36/ Piscine ou spa
50, 500, 510, 520, 530/ Bloc d'échange et de stockage de la chaleur très basse température
Description détaillée de l'invention
A) Définitions Dans le présent document, on entend par
• Système thermodynamique : ensemble comportant un compresseur et plusieurs échangeurs dans lesquels circule un fluide de transfert spécifique appelé usuellement fluide frigorigène.
- Boucle géothermique : ensemble de tuyauteries placé dans le sol typiquement en position verticale ou horizontale et destiné à échanger la chaleur entre le système de chauffage ou de refroidissement et le sol.
- Echangeur : dispositif destiné à transférer de la chaleur entre plusieurs circuits. • Fluide de transfert : fluide utilisé pour transféré de la chaleur ; les exemples classiques sont le fluide frigorigène, l'eau ou l'eau glycolée parfois appelé saumure.
• Source thermique ou source : par convention, les termes source et charge thermique se réfèrent au mode chauffage. La source est le milieu d'où l'on extrait la chaleur en mode chauffage. Cette extraction de chaleur s'effectue avec certaines caractéristiques physiques comme l'inertie thermique ou la puissance disponible qui caractérisent la source. On peut noter que le terme source est impropre en mode refroidissement car on y rejette en fait de la chaleur issue du bâtiment.
• Charge thermique ou charge : La charge est le milieu ou l'on rejette la chaleur en mode chauffage. Ce rejet de chaleur s'effectue avec certaines caractéristiques physiques comme l'inertie thermique ou la puissance disponible qui caractérisent la charge, de même la charge est le lieu d'où l'on retire la chaleur en mode refroidissement.
• Fluide secondaire : fluide circulant dans un des circuits d'un bloc d'échange et de stockage qui n'est pas parcouru par le fluide frigorigène.
- Désurchauffeur : refroidisseur de gaz dans des cycles utilisant des fluides frigorigènes classiques (tels que les HFC). Cet échangeur ne réalise qu'un échange de chaleur sensible. Il n'y a pas de condensation dans l'échangeur.
- « gas cooler » ou refroidisseur de gaz . Le terme gas cooler est souvent utilisé dans les cycles utilisant le CO2 puisqu'il n'y a pas de condensation dans ce cycle, ce qui interdit l'utilisation du terme « condenseur » utilisé pour les fluides frigorigènes classiques. - Sous-refroidisseur : Situé en aval du condenseur, cet échangeur réalise un refroidissement additionnel du fluide frigorigène sous forme liquide en vue d'augmenter les performances du cycle frigorifique.
- Boucle ouverte : dans une boucle ouverte, le fluide de transfert est constamment renouvelé. Il ne circule pas indéfiniment sur un même circuit comme dans le cas d'une boucle dite fermée.
» COP ou coefficient de performance d'un système en mode chauffage: rapport entre la puissance de chauffage disponible sur la puissance électrique consommée par le système. B) Description générale
Le module hybride ainsi que les systèmes qui l'incorporent selon l'invention rassemblent d'une part les composants classiques de systèmes thermodynamiques et d'autre part des éléments de stockage et d'échange de chaleur utilisant un matériau apte à stocker la chaleur. Le terme « hybride » se rattache à cette double fonction d'échange et de stockage de la chaleur.
Selon l'invention Le module hybride (MUSTT) constitue la base principale de systèmes multiples adaptables à de nombreuses installations destinées au chauffage d'eau sanitaire et/ou au chauffage et/ou au refroidissement d'un espace.
Lorsqu'il est placé dans un des différents systèmes décrits ci-après, le module selon l'invention transfère l'énergie calorifique et la charge d'une ou plusieurs sources de chaleur dans une pluralité de blocs 2, 3, 4, 50 d'échange et de stockage de la chaleur. Dans un mode de réalisation préféré du module selon l'invention, le stockage de la chaleur est obtenu grâce à l'emploi de matériaux à changement de phase solide / liquide qui permettent de stocker la chaleur sous forme latente. Chaque bloc a une température de changement de phase différente. L'énergie calorifique stockée dans chaque bloc est utilisée par le système en fonction des besoins d'eau chaude sanitaire et/ou de chauffage. Une version spécifique du module assure également la fonction refroidissement.
On préfère les modes de réalisation avec deux ou trois blocs d'échange et de stockage, mais dans certains modes de réalisation, un 4Θ bloc pourra avantageusement être ajouté, de manière à augmenter le rendement de production de l'eau chaude sanitaire.
Des matériaux de stockage de la chaleur utilisables pour la fabrication des blocs d'échange et de stockage de la chaleur selon l'invention sont les composites constitués par une matrice poreuse de graphite et par de la paraffine tels que décrits dans la publication intitulée « Paraffin/porous-graphite matrix composite as a high and constant power thermal storage material » de Xavier Py, Régis Olives et Sylvain Mauran (International Journal of Heat and Mass Transfer 44 (2001) 2727-2737). D'autres matériaux de stockage tels des matériaux à changement de phase nouveaux ou connus, tels que les acides gras ou les sels fondus mélangés à du graphite naturel expansé peuvent également être utilisés pour la fabrication des blocs d'échange et de stockage du module selon l'invention. Les matériaux de stockage à changement de phase sont bien adaptés à l'invention présentée. Tout autre matériau de stockage à température constante ou quasi constante, présent ou à venir, pourrait être employé dans les blocs échangeurs stockage décrits dans l'invention invention.
Le module selon l'invention est utilisable avec les fluides frigorigènes HFC courants, tels que 134A, 410A, 407C ou 404A, ces références étant connues de l'homme du métier. Le module selon l'invention est aussi utilisable avec les hydrocarbures et en particulier le propane, le butane et leurs mélanges. Il peut également fonctionner avec le dioxyde de carbone (CO2), ou avec tout autre fluide frigorigène approprié.
Nous décrirons d'abord chacun des éléments du système selon l'invention et leur rôle.
Nous préciserons si nécessaire le cas des deux principaux types de fluide frigorigène considérés : d'une part les fluides de type HFC (hydro fluoro carbone) tels que les R134a, R407C, R404A, R410A, ou les hydrocarbures tels que le propane, et d'autre part le cas spécifique du CO2.
C) Description détaillée des composants 1 - Compresseur de fluide frigorigène 1
Typiquement, le compresseur est volumétrique, de type à palettes ou de type spiro- orbital pour les HFC et les hydrocarbures. On peut également utiliser des modèles à pistons pour le CO2 ou d'autres compresseurs de performance appropriée.
Avantageusement, la plage de fonctionnement du compresseur accepte une basse pression la plus élevée possible pour maximiser le coefficient de performance, en particulier lorsqu'un capteur solaire thermique 10 est connecté au bloc d'échange et de stockage basse température. Le COP du système en chauffage est d'autant plus élevé que la pression d'aspiration du compresseur est élevée. L'apport thermique de la seconde source de chaleur permet d'augmenter la basse pression en particulier dans le cas où la seconde source est un capteur solaire thermique 10.
Dans une variante du module selon l'invention, le compresseur 1 est alimenté en courant continu d'origine photovoltaïque afin de maximiser l'efficacité énergétique du module. En effet l'énergie électrique d'origine photovoltaïque viendra en déduction de la consommation d'énergie électrique du système. La puissance du compresseur à une condition de fonctionnement donnée pourra être fixe car les blocs d'échange et de stockage limiteront par leur inertie thermique la fréquence des démarrages. Il sera cependant également possible de connecter un compresseur à puissance variable (par exemple de type « inverter »)
2 - Blocs d'échange et de stockage de la chaleur 2, 3, 4, 200, 300, 210, 220, 310, 320, 330, 340, 410, 420, 430, 50, 500, 510, 520, 530
Chaque bloc d'échange et de stockage de la chaleur est constitué d'une partie stockage et d'une partie échangeur. Le stockage de la chaleur fait appel à des matériaux à forte conductivité thermique. Dans les blocs d'échange et de stockage de la chaleur du module selon l'invention, on utilise avantageusement un matériau composite de type paraffine / graphite naturel expansé. La température de changement de phase du matériau est adaptée aux besoins. Dans un mode de réalisation avantageux du module selon l'invention, au moins un des blocs d'échange et de stockage de la chaleur 2, 3, 4 est composé de plusieurs sous- blocs, respectivement 210, 220, 230 pour le bloc 2, 310, 320, 330, 340 pour le bloc 3, 410, 420, 430 pour le bloc 4, chacun des sous-blocs étant caractérisé par sa propre température de changement de phase, lesdites températures de changement de phase étant choisies de manière à ce que pour chaque bloc 2, 3, 4 les températures de changement de phase des sous-blocs successifs croissent ou décroissent dans le sens du flux de fluide frigorigène 20 selon l'utilisation prévue dudit module, et décroissent dans lés blocs 2 et 3 et croissent dans le bloc 4 dans le cas où ledit module est utilisé en mode chauffage.
La conductivité thermique de la paraffine pure est de 0,24 W/M/K. La conductivité thermique du matériau composite graphite naturel expansé / paraffine peut atteindre des valeurs comprises entre 4 et 70 W/M/K. La conductivité thermique du matériau composite paraffine / graphite naturel expansé est égale à celle de la matrice graphite (la conductivité thermique de la paraffine étant très faible par rapport à celle du graphite). La partie échangeur permet le transfert de chaleur d'une part entre le fluide frigorigène et le matériau de stockage et d'autre part entre le matériau de stockage et le fluide d'échange secondaire. Ces 2 types d'échanges sont réalisés par exemple par l'échangeur représenté sur la figure 24. La chaleur récupérée est d'abord stockée sous forme latente par le matériau à sa température spécifique de changement de phase. Lorsque le matériau est liquide, un stockage complémentaire sensible intervient par élévation de la température du matériau liquide. Le matériau pourra se solidifier en partie ou en totalité en fonction de la quantité de chaleur échangée.
La régulation de la machine interviendra alors pour démarrer le compresseur et ainsi recharger le matériau en quantité de chaleur. La quantité de matériau sera optimisée pour une utilisation d'intensité moyenne. Elle pourra être adapté à des besoins spécifiques grâce à des blocs additionnels 200, 300 représentés figure 3.
a) Blocs d'échange et de stockage à haute température 2, 200, 210, 220, 230
Le bloc d'échange et de stockage haute température peut être un seul bloc ou se décliner en plusieurs sous-blocs indépendants 210, 220, 230, par exemple en forme de plaques comme sur la figure 20. Dans un mode de réalisation avantageux, chacun des sous-blocs comporte des matériaux ayant des températures de changement de phase différentes afin de créer un gradient de température.
Selon l'invention, la temperature.de changement de phase de chacun des blocs et sous- blocs d'échange et de stockage à haute température est réglée à une valeur avantageusement comprise entre 60 et 75°C et préférentiellement 65 et 700C pour les fluides HFC et les hydrocarbures. Cette valeur est comprise entre 75 et 900C et préférentiellement 80 à 85°C pour le CO2 compte tenu des conditions de fonctionnement de ce fluide.
Dans le cas des blocs et sous-blocs d'échange et de stockage à haute température, le fluide d'échange secondaire est l'eau chaude sanitaire. L'échange de chaleur entre le fluide frigorigène et l'eau se fait à travers le matériau de stockage. Ceci tend à restreindre la performance mais permet d'avoir un effet de double paroi entre l'eau sanitaire et le réfrigérant. Cet effet de double paroi est une exigence légale dans certains pays. Les blocs et sous-blocs d'échange et de stockage à haute température 2, 200, 210, 220, 230 sont utilisés en tant que stockage de la chaleur sensible du fluide frigorigène, donc en tant que refroidisseur de gaz (gas cooler) ou désurchauffeur, aussi bien dans le cas où le fluide frigorigène est un HFC ou un hydrocarbure que dans le cas où le fluide frigorigène est du CO2.
L'eau sanitaire, lorsqu'elle circule, récupère la chaleur sensible puis latente stockée par le matériau à changement de phase, et ainsi elle s'échauffe. Dans le circuit, les blocs ou sous-blocs haute température se situent avant la vanne d'inversion de cycle. Par conséquent, leur mode de fonctionnement reste le même en mode chauffage et en mode refroidissement.
b) Blocs d'échange et de stockage à moyenne température 3, 300, 310, 320, 330, 340:
Le bloc d'échange et de stockage moyenne température peut être un seul bloc ou se décliner en plusieurs sous-blocs indépendants 310, 320, 330, par exemple en forme de plaques comme sur la figure 20. Dans un mode de réalisation avantageux, chacun des sous-blocs comporte des matériaux ayant des températures de changement de phase différentes afin de créer un gradient de température.
Selon l'invention, la température de changement de phase de chacun des blocs et sous-blocs d'échange et de stockage à moyenne température 3, 300, 310, 320, 330, 340 est réglée à une valeur comprise entre 32 et 45 °C et de préférence entre 35 à 40 0C pour les fluides HFC, les hydrocarbures et pour le CO2. Le fluide secondaire est de l'eau sanitaire 25 (exemple figure 10) ou de l'eau du circuit de chauffage 24 (figure 11).
Ces blocs et sous-blocs sont utilisés principalement en tant que stockage de la chaleur latente du fluide frigorigène, donc en tant que condenseur dans le cas des HFC et des hydrocarbures ou en tant que stockage de la chaleur sensible du fluide frigorigène dans le cas du CO2 (second refroidisseur de gaz (gas cooler)).
En mode chauffage, la chaleur ainsi récupérée est d'abord stockée sous forme latente par le matériau à sa température spécifique de changement de phase. Lorsque le matériau est liquide, un stockage complémentaire sensible intervient par élévation de la température du matériau liquide. En mode refroidissement, le cycle frigorifique est inversé. Lorsque le système est muni de clapets anti-retour, du fait de ces clapets les blocs ou sous-blocs moyenne température ne « voient » pas de fluide frigorigène, donc la chaleur emmagasinée reste stockée, et peut être utilisée pour le chauffage de l'eau sanitaire.
Lorsque le système n'est pas muni de clapet anti-retour, les blocs ou sous-blocs se refroidissent jusqu'à ce que le matériau de stockage soit solide puis leur température descend de façon à atteindre la condition de fonctionnement du système. Il y a une inertie thermique sensible liée à la masse du matériau.
Un second bloc ou ensemble de sous-blocs d'échange et de stockage à moyenne température peut être utilisé dans certains systèmes comportant un capteur solaire en tant que source de chaleur. L'utilisation de ce second bloc ou ensemble de sous-blocs permettra d'augmenter Ia puissance disponible pour le chauffage de l'eau sanitaire.
Dans certains systèmes, les blocs moyenne température sont munis d'une résistance électrique additionnelle pour permettre de réaliser un cycle de chauffage avec une température finale de l'eau chaude sanitaire supérieure à 600C suffisante pour assurer un choc thermique apte à tuer les éventuelles légionella. Le cycle peut être effectué une fois par semaine, ou une fois par jour si nécessaire. Il est programmable, et assuré par la régulation du système. La puissance de la résistance électrique est de l'ordre de 1 à 3 kW; de préférence 2 kW pour une pompe à chaleur d'une puissance de 10 kW.
c) Bloc d'échange et de stockage à basse température 4, 400, 410, 420, 430:
Le bloc d'échange et de stockage basse température peut être un seul bloc ou se décliner en plusieurs sous-blocs indépendants 410, 420, 430, par exemple en forme de plaques comme sur la figure 20. Dans un mode de réalisation avantageux, chacun des sous-blocs comporte des matériaux ayant des températures de changement de phase différentes afin de créer un gradient de température.
Selon l'invention, la température de changement de phase du matériau de chacun des blocs et sous-blocs basse température est réglée à une valeur comprise entre 15 et 25°C et de préférence 17 et 220C quel que soit le fluide frigorigène. Par ailleurs, le circuit basse pression du fluide frigorigène doit être suffisamment dimensionné pour limiter les pertes de charges.
Le fluide secondaire est le fluide frigorigène lui-même (cas de l'échangeur interne des figures 4 à 8), de l'eau ou de la saumure (en fonctions des systèmes des figures 9 à 22) Le bloc basse température a deux fonctions principales.
D'une part, comme c'est le cas sur les figures 4 à 6, il agit en tant qu'échangeur interne qui retire de la chaleur en sortie de condenseur. C'est un sous-refroidisseur dans le cas des HFC ou des hydrocarbures ou un troisième refroidisseur de gaz (gas cooler) dans le cas du CO2. Simultanément, il échauffe les gaz d'aspiration du compresseur. Ainsi, il contribue à échauffer les gaz de refoulement et par conséquent à augmenter la quantité de chaleur qui est stockée par le bloc haute température. Or la quantité de chaleur stockée par le bloc haute température est un point critique pour le chauffage instantané de l'eau chaude sanitaire. Par ailleurs, Ie bloc basse température stocke une quantité de chaleur qui peut être utilisée ponctuellement par le compresseur pour répondre aux besoins d'eau chaude sanitaire. Ceci est utile en particulier s'il n'y a qu'une seule source continue mais de faible puissance, par exemple lorsque la source est uniquement un échangeur sur l'air extrait. D'autre part, comme c'est le cas sur les figures 7 à 18, le bloc basse température peut servir de source de chaleur utilisée séparément ou conjointement à une autre source. La régulation de Ia machine contrôle les paramètres de pression et de température afin d'optimiser l'efficacité du système en restant dans la plage de fonctionnement fiable. La régulation intervient sur le compresseur 1, Ia position du détendeur électronique 5 et l'activation des pompes de circulation 9.
En mode chauffage, la chaleur ainsi récupérée est d'abord stockée sous forme latente par le matériau à sa température spécifique de changement de phase. Lorsque le matériau est liquide et que la seconde source est suffisamment chaude, un stockage complémentaire sensible intervient par élévation de la température du matériau liquide (cas de la figure 8 équipé d'un capteur solaire) jusqu'à la valeur maximale acceptée par la régulation.
En mode refroidissement, le cycle frigorifique est inversé. Le bloc se réchauffera jusqu'à ce que le matériau à changement de phase soit liquide. II chauffera ensuite en sensible. Cette chaleur pourra être évacuée en partie si le matériau est connecté à un échangeur à air (figure 20). Ou encore , le bloc sera passif et la chaleur dus système sera transmise à la première par le fluide frigorigène (figure 19).
d) Bloc d'échange et de stockage à très basse température 50, 510, 520, 530, 540: Le bloc d'échange et de stockage basse température peut être un seul bloc ou se décliner en plusieurs sous-blocs indépendants 510, 520, 530, 540, par exemple en forme de plaques comme sur la figure 20. Dans un mode de réalisation avantageux, chacun des sous-blocs comporte des matériaux ayant des températures de changement de phase différentes afin de créer un gradient de température.
La valeur de changement de phase du matériau de chacun des blocs basse température est réglée à une valeur comprise entre 5 et 15°C et de préférence 7 et 12 0C quel que soit le fluide frigorigène. Par ailleurs, le circuit basse pression du fluide frigorigène doit être suffisamment dimensionné pour limiter les pertes de charges. L'ensemble de blocs très basse température a deux fonctions principales :
D'une part, comme c'est le cas sur les figures 26-27, il agit en tant qu'échangeur interne qui échange de la chaleur avec les sources, soit pour en prendre (en mode chauffage), soit pour en ôter (en mode refroidissement).
Par ailleurs, le bloc très basse température stocke une quantité de chaleur qui peut être utilisée ponctuellement par le compresseur pour répondre aux besoins d'eau chaude sanitaire. Ceci est utile en particulier s'il n'y a qu'une seule source continue mais de faible puissance, par exemple lorsque la source est uniquement un échangeur sur l'air extrait. On peut ainsi assembler un compresseur un peu plus puissant sur une source de puissance plus faible pour permettre une puissance instantanée plus élevée. D'autre part, comme sur la figure 27, le bloc très basse température peut servir à refroidir l'espace en utilisant un module non réversible. En effet l'échangeur très basse température à 3 circuits peut être relié par un circuit hydraulique (eau) et une vanne trois voies au circuit de chauffage/refroidissement de l'espace. Ceci permet un transfert de chaleur directement de l'espace vers le bloc très basse température. Il peut donc y avoir refroidissement par changement d'état du matériau à très basse température et transfert de chaleur vers une source si la température de ladite source est suffisamment basse. Ceci représente une limitation du système par rapport à un système réversible mais reste acceptable dans des climats suffisamment tempérés et notamment si la source est un échangeur géothermique. En mode chauffage, la chaleur ainsi récupérée au niveau de la source est d'abord stockée sous forme latente par liquéfaction par le matériau à sa température spécifique de changement de phase. En mode refroidissement, et exclusivement pour un système non réversible, le bloc sera refroidi par le compresseur si il y a une demande de chaleur pour l'eau chaude sanitaire et/ou un spa ou piscine. Le bloc se refroidira jusqu'à ce que le matériau à changement de phase soit solide. Il continuera également à se refroidir en sensible. Ce refroidissement pourra également être assuré par une source suffisamment froide.
3 - Détendeur commandé à distance par une régulation électronique 5 :
Ce détendeur est typiquement constitué d'une vanne dont l'ouverture et la fermeture sont commandés par un moteur pas à pas. Il régule le flux de fluide frigorigène dans le circuit en fonction de la commande envoyée par la régulation.
On veille à ce que le détendeur électronique reste dans la plage de pression acceptable pour le compresseur.
4 - Vanne quatre voies d'inversion de cycle 6 :
Cette vanne permet d'inverser le sens du réfrigérant dans le circuit et d'assurer ainsi les fonctionnement en chauffage et refroidissement selon les besoins.
5 - Échangeur de type air/fluide frigorigène 7 :
L'air utilisé par cet échangeur est typiquement de l'air extrait (par la Ventilation Mécanique Contrôlée de l'appartement ou du local d'habitation sur lequel est installé le système) ou de l'air extérieur. Cet échangeur constitue une source de chaleur en mode chauffage. Il peut également rejeter de la chaleur en mode froid.
6 - Moto ventilateur 8:
II est constitué d'un ventilateur et de son moteur associé.
7 - Pompe à eau et vase d'expansion 9: Cette pompe fait circuler l'eau ou la saumure (typiquement éthylène ou propylène glycol) entre des échangeurs du système.
La pompe à eau peut se trouver sur le circuit d'eau de chauffage et/ou sur le circuit de la source de chaleur lorsque cette source est une boucle géothermique.
8 - Panneau solaire thermique 10: Ce panneau capte l'énergie solaire et la transmet au fluide (tel que le propylène glycol) de son propre circuit. Dans certains modes de réalisation de là présente invention, le panneau solaire thermique alimente le bloc d'échange et de stockage basse température
Le bloc basse température, pendant la durée de sa liquéfaction tend à stabiliser un certain temps la température de retour du fluide au panneau solaire à un niveau bas, ce qui augmente son efficacité.
9 - Échangeur de chauffage de type fluide frigorigène vers eau 11 :
Cet échangeur permet de transférer la chaleur entre le fluide frigorigène et l'eau de chauffage d'un espace et par conséquent permet l'utilisation de différents types d'échangeurs à eau décrits en 15 et 17. 10 - Échangeur source de type eau ou saumure / fluide frigorigène 12:
Cet échangeur permet de transférer la chaleur entre l'eau ou la saumure et le fluide frigorigène. Il permet un fonctionnement sur boucle ouverte ou l'utilisation d'une boucle géothermique à eau (figure 7).
11 - Boucle géothermique fluide frigorigène 13: Cette boucle transfère l'énergie entre le sol et le fluide frigorigène.
12 - Boucle géothermique eau ou saumure (typiquement propylène glycol) 14 ;
Cette boucle transfère l'énergie entre le sol et la saumure.
13 - Appareils destinés au chauffage et/ou à la climatisation utilisant l'eau comme fluide de transfert 15: Les appareils courants utilisables dans le cadre de la présente invention sont les ventilo- convecteurs , lés échangeurs eau - air pour réchauffer ou refroidir l'air neuf et le plancher chauffant - rafraîchissant à circulation d'eau .
14 - Appareils destinés au chauffage et/ou à la climatisation et utilisant le fluide frigorigène comme fluide de transfert 16: Les appareils courants utilisables dans le cadre de la présente invention sont les unités murales, les consoles et les batteries fluide frigorigène pour l'air neuf.
15 - Radiateur à eau chaude 17 :
Ces appareils ne permettent pas le refroidissement à cause de la condensation générée. 16 - Alimentation électrique 18:
Typiquement, on emploiera une alimentation classique en courant alternatif: II est également possible d'envisager l'utilisation d'une alimentation en courant continu notamment obtenu à partir d'un panneau solaire photovoltaïque.
17 - Vanne d'injection pour limiter la température de refoulement du compresseur en mode chauffage 19: Cette vanne limite la température de refoulement du compresseur en mode chauffage. De ce fait, elle permet d'étendre la plage de fonctionnement du compresseur dans les systèmes équipés d'échangeur liquide vapeur.
18 - Fluide frigorigène 20 :
Les fluides HFC (par exemple 134A, 407C, 404A & 410A) sont les plus courants. On peut également envisager d'utiliser les hydrocarbures, et plus particulièrement le propane en tant que fluide frigorigène. On peut aussi utiliser le CO2 ou tout autre fluide adapté.
Le module selon l'invention s'adapte à tous les types de fluides. Les pressions de fonctionnement élevées des systèmes utilisant le CO2 nécessitent un dimensionnement spécifique selon des principes connus de l'homme du métier.
19 - Régulation électronique 21 :
Elle reçoit les informations (pression, températures, consignes de fonctionnement) et commande les différents éléments du système (compresseurs, détendeur, pompes, ventilateurs). Ii est à noter que la régulation du détendeur électronique sera très différente dans le cas des HFC et dans le cas du CO2.
20 - Circuit d'eau chaude sanitaire 22:
La pression est donnée par le réseau d'alimentation en eau. En fonction des systèmes, l'eau chaude sanitaire passe soit uniquement par le bloc d'échange et de stockage haute température soit en série par le bloc d'échange et de stockage haute température et par le bloc d'échange et de stockage moyenne température. 21 - Vanne de mélange eau chaude sanitaire 23:
Cette vanne optionnelle permet d'éviter les brûlures de l'utilisateur de l'eau chaude sanitaire en maintenant une température de sortie d'eau d'environ 50 °C avant utilisation par mélange d'une eau à 10-20 0C environ issue du réseau d'alimentation en eau et d'une eau à 60-70 0C issue du bloc d'échange et de stockage haute température. Il est en effet nécessaire de chauffer (stocker) l'eau chaude sanitaire à une température d'au moins 60°C et si possible de 7O0C car le stockage à des températures comprises entre 25 et 600C favorise le développement des colonies de légionella.
22 - Clapets anti-retour 26, 36 :
Ils ne permettent le passage du gaz que dans un seul sens. Par conséquent, les 2 clapets anti-retour utilisés conjointement autorisent le passage du fluide frigorigène par le bloc moyenne température en mode chauffage et autorisent un passage direct du fluide frigorigène en mode refroidissement.
D) Avantages de l'invention Le module selon l'invention présente de nombreux avantages par rapport aux solutions existantes, parmi lesquels on peut citer, de manière non exhaustive :
- L'augmentation du rendement en mode chauffage d'eau chaude sanitaire qu'il y ait ou pas une charge de chauffage ou de refroidissement,
- Le chauffage instantané de l'eau à haute température pour permettre un choc thermique qui limite le risque de légionellose lié à un stockage à moyenne température,
- La réduction de l'encombrement,
Une installation flexible due à la présence simultanée de connections réfrigérants et eau, - La facilité d'installer à l'origine ou ultérieurement des capteurs solaires thermiques (ou photovoltaïques avec l'option adaptée)
- La réduction ou même souvent la suppression du ballon tampon destiné à éviter le cyclage du compresseur (lorsque l'inertie du système est suffisante).
- Le chauffage et le refroidissement simultané de l'eau et de l'air pour un confort optimal.
E) Description détaillée du fonctionnement des dispositifs selon l'invention
L'augmentation de l'efficacité du chauffage de l'eau sanitaire est un avantage spécifique de l'invention. Le chauffage d'eau sanitaire par un système thermodynamique tel qu'une pompe à chaleur peut se faire classiquement de deux manières :
D'une part, le chauffage de l'eau peut se faire au moyen d'un refroidisseur de gaz appelé encore désurchauffeur. Ce type de système a deux inconvénients majeurs. Le premier inconvénient des systèmes utilisant un refroidisseur de gaz est la température de refoulement insuffisante qui ne génère pas assez de puissance calorifique disponible en sensible au refoulement du compresseur. L'invention résout ce premier problème grâce au bloc d'échange et de stockage basse température 4 utilisé ici en tant qu'échangeur liquide vapeur, ce qui augmente la température à l'aspiration du compresseur et par conséquent sa température de refoulement. Il est à noter qu'un échangeur liquide vapeur classique sans stockage pourrait également réaliser cette élévation de température, mais avec la limitation suivante : du fait du phénomène de transfert de chaleur par une paroi, l'élévation de température du gaz est d'autant plus importante que l'écart de température est grand entre la partie basse pression de cet échangeur et sa partie haute pression. En pratique, un échangeur liquide vapeur ne doit pas être surdimensionné dans un système classique si on veut éviter des températures de refoulement trop élevées quand les conditions changent (baisse de la pression d'aspiration ou augmentation de la pression de refoulement). Ceci limite donc l'efficacité de cet échangeur liquide vapeur classique. L'intérêt d'utiliser comme dans la présente invention un bloc échangeur muni d'un matériau de stockage de la chaleur à changement de phase est de stabiliser la température d'aspiration à la valeur de changement de phase du matériau pendant un certain temps, ce qui permet pendant ce temps de charger les autres blocs de stockage. Par conséquent on peut dimensionner le bloc échangeur et la température de changement de phase du matériau pour maximiser son efficacité aux conditions stabilisées par les matériaux à changement de phase. Ceci est vrai même pour des températures de condensation relativement basses telle que celle choisie pour le bloc d'échange et de stockage à moyenne température. Ainsi, la puissance récupérée à haute température sera plus importante ce qui sera favorable pour chauffer l'eau chaude sanitaire. Cette stabilisation en température est également utile dans les systèmes avec deux sources de chaleur lorsque l'une des sources a une puissance instantanée élevée dans certaines conditions. Ceci peut être le cas si ladite source est un capteur solaire thermique. En cas d'ensoleillement fort, on peut mettre en marche la pompe de circulation du capteur solaire. L'échange se fait à une température acceptable pour le compresseur en contrôlant le risque de montée excessive de la pression et/ou de la température d'aspiration. La durée de fonctionnement de la pompe de circulation détermine la puissance transmise par heure par le capteur solaire thermique au circuit thermodynamique. Lorsque l'on utilise un matériau à changement de phase pour le stockage de la chaleur, cette puissance est plus constante dans le temps de par le processus de changement de phase du matériau, ce qui stabilise les conditions de fonctionnement du compresseur.
Par ailleurs l'énergie stockée dans le bloc basse température 4 est disponible pour le compresseur 1 pour une pointe de puissance de durée limitée pour compenser plus rapidement un puisage intense d'eau chaude sanitaire. Cette énergie stockée disponible s'ajoute à celle de la source classique du système et peut éviter dans certains cas la mise en marche de systèmes d'appoint par résistances électriques, qui sont peu efficaces énergétiquement. Ce cas est particulièrement utile si le compresseur 1 est muni d'une variation de vitesse. On peut ajouter une puissance supplémentaire avec la deuxième source sans utiliser d'échangeur avec matériau à changement de phase mais on n'aura pas la stabilisation en température ni la réserve de puissance décrite ci dessus.
Le second inconvénient des systèmes utilisant un refroidisseur de gaz est la nécessité d'avoir une charge thermique (de chauffage ou de climatisation) qui n'est pas utilisée pour chauffer l'eau chaude sanitaire. Le système selon l'invention y répond grâce à l'utilisation combinée des blocs basse 4, moyenne 3 et haute température 2 dans une phase de charge par cycle thermodynamique et une phase de décharge par circulation d'eau chaude sanitaire.
Le coefficient de performance (COP) de ce type de fonctionnement dépend des conditions et du système mais il est typiquement de l'ordre de 4 à 4,5.
Classiquement, le chauffage d'eau sanitaire peut se faire également par l'utilisation de la puissance de condensation du cycle thermodynamique. Dans ce cas habituellement, une vanne dite « vanne trois voies » dérive l'eau du circuit de condensation vers un échangeur situé dans le stockage d'eau chaude sanitaire. La température de condensation est augmentée jusqu'à une valeur proche de la température de l'eau chaude sanitaire stockée Le coefficient de performance va ainsi diminuer progressivement jusqu'à atteindre des valeurs de l'ordre de 2 à 2,5. On peut estimer que Ie COP moyen pendant la période de chauffage et de maintien en température de l'eau chaude sanitaire est d'environ 3. De plus, avec un tel système utilisant une vanne trois voies, on ne peut pas simultanément chauffer ou refroidir l'espace et chauffer l'eau chaude sanitaire
La réduction de consommation avec le système selon l'invention dépasse 30% pour le chauffage d'eau chaude sanitaire (COP de 4,5 au lieu de 3). Le chauffage ou le refroidissement simultané de l'espace reste possible.
Nous décrivons ci-dessous plusieurs modes de réalisation de systèmes selon l'invention pour détailler le fonctionnement des systèmes représentés sur les figures 4 à 18.
1) Modes de réalisation non réversibles
Un premier mode de réalisation est le mode non réversible décrit ci-dessus comme deuxième objet de la présente invention. Ce mode de réalisation peut être réalisé de différentes manières. a) Utilisation avec une source de chaleur et une charge thermique Dans ce mode de réalisation, les composants sont disposés de manière à ce que le fluide frigorigène 20 quitte le refoulement du compresseur 1 en passant d'abord par le bloc haute température 2 et ensuite par le bloc moyenne température 3, puis passe par le bloc basse température 4, par le détendeur 5, par un échangeur source de chaleur (tel qu'un échangeur sur l'air extrait ou une boucle géothermique), puis, par un circuit différent de celui du premier passage, de nouveau par le bloc basse température 4, puis ledit fluide frigorigène 20 rentre dans l'aspiration du compresseur 1 , et le cycle reprend.
Un premier mode de réalisation de ce type est décrit schématiquement sur la figure 4. La figure 4 représente un système pourvu du module selon l'invention non réversible et d'un échangeur air (extrait ou extérieur) / fluide frigorigène 7. Dans le présent système, la charge thermique est de manière très préférentielle l'eau chaude sanitaire.
La puissance de chauffage est typiquement d'environ 2 KW sur l'air extrait. S'il s'agit d'air extérieur, la puissance de chauffage dépend des conditions météorologiques et est typiquement comprise entre 2 et 10 kW pour des applications résidentielles, mais pourrait atteindre des valeurs plus élevées pour d'autres utilisations.. Pendant la période de charge, le compresseur 1 fonctionne et charge les blocs d'échange et de stockage haute température 2 et moyenne température 3. La charge se fait à un régime de fonctionnement à coefficient de performance élevé, de l'ordre de 4 à 5, en particulier pour le chauffage de l'eau sanitaire, avec typiquement 400C de condensation pour un HFC ou un hydrocarbure. Le réfrigérant passe ensuite dans un échangeur interne qui transfère de la chaleur vers les gaz à l'aspiration du compresseur. Il passe ensuite à travers le détendeur électronique et rejoint l'évaporateur source de chaleur.
Lorsqu'il y a demande d'eau chaude sanitaire, celle-ci passe en série d'abord dans le bloc moyenne température 3 puis dans le bloc haute température 2. Cette eau est si nécessaire mixée à une eau plus froide pour éviter les brûlures. Il a été ainsi généré instantanément une eau de température adaptée qui est passé au contact d'un bloc à haute température (au moins 7O0C), ce qui est favorable à la destruction des éventuelles légionella. Il est à noter que la quantité d'eau stockée dans le bloc moyenne température est faible, ce qui diminue le risque de légionellose. Afin de supprimer ce risque, il suffit de réaliser chauffer périodiquement le bloc moyenne température à plus de 700C. Ce cycle anti-légionellose est obtenu en pratique en maintenant le compresseur en fonctionnement jusqu'à la température voulue du bloc moyenne température. Au stockage de chaleur latente à moyenne température s'ajoute alors un stockage de chaleur sensible lié à l'élévation de la température du bloc moyenne température jusqu'à 700C minimum. L'utilisation de compresseur à vitesse variable dont on ralentit la vitesse et/ou d'un détendeur électronique que l'on ferme progressivement sont des moyens de faciliter la régulation de ce cycle anti-légionellose. On peut également ajouter au bloc échangeur moyenne température une résistance électrique additionnelle pour obtenir cette élévation de température sans le compresseur de la pompe à chaleur. Il est à noter que le système MUSTT est là encore plus efficace qu'un chauffe-eau classique suivant un cycle anti-légionellose similaire. En effet, dans le cas de l'invention, l'énergie nécessaire pour chauffer uniquement le bloc moyenne température est inférieure à celle nécessaire pour chauffer l'ensemble du chauffe eau à 700C. Ceci est dû à deux facteurs : d'une part la chaleur spécifique de la paraffine est de l'ordre de 2,4 KJ/Kg donc plus faible que celle de l'eau (4,18 KJ/Kg), d'autre part à la masse à chauffer est plus faible car il s'agit de ne chauffer que le bloc moyenne température par comparaison à l'ensemble de l'eau du cumulus pour un chauffe-eau classique- Dans ce mode de réalisation, le bloc d'échange et de stockage à basse température 4 est utilisé en tant qu'échangeur interne. II est à noter que l'échangeur air (extrait ou extérieur) / fluide frigorigène 7 peut être remplacé par une autre source de chaleur, par exemple par une boucle géothermique chargée en fluide frigorigène 13, ou une boucle géothermique chargée en eau 14.
Le fonctionnement du système reste similaire à ce qui est décrit ci-dessus. Les boucles géothermiques à fluide frigorigène 13, ou à eau 14 sont habituellement plus puissantes et plus stables que les échangeurs air / fluide frigorigène, mais ne sont pas utilisables sur toutes les habitations/immeubles.
b) Mode de réalisation avec une source de chaleur et deux charges thermiques Dans ce mode de réalisation, les composants sont disposés de manière à ce que le fluide frigorigène 20 quitte le refoulement du compresseur 1 en passant d'abord par le bloc haute température 2 et ensuite par le bloc moyenne température 3, puis passe par l'échangeur de la deuxième charge thermique, puis passe par le bloc basse température 4, par le détendeur 5, par un échangeur source de chaleur (tel qu'un échangeur sur l'air extrait ou une boucle géothermique), puis, par un circuit différent de celui du premier passage, de nouveau par le bloc basse température 4, puis ledit fluide frigorigène 20 rentre dans l'aspiration du compresseur 1 , et le cycle reprend.
Ce mode de réalisation de l'invention est représenté par la figure 5. Le système est similaire à celui du premier mode de réalisation de la figure 4 et est pourvu du module selon l'invention non réversible et d'un échangeur air (extrait ou extérieur) / fluide frigorigène 7. Le dispositif de ce mode de réalisation possède en outre une fonction supplémentaire de chauffage de l'espace, donnée par un échangeur fluide frigorigène / air 16.
La première charge thermique est préférentiellement l'eau chaude sanitaire. La deuxième charge thermique peut être par exemple un chauffage par le sol, un radiateur, un échangeur d'air neuf, un ventilateur convecteur. Lorsque le système est utilisé simultanément pour chauffer l'espace et l'eau sanitaire, le compresseur 1 transfère du fluide frigorigène successivement dans les deux blocs d'échange et de stockage haute température 2 et moyenne température 3 puis le fluide traverse l'échangeur de chauffage de l'espace. La régulation pourra être amenée à effectuer des arbitrages si la chaleur disponible à la source est insuffisante. En fonction de l'utilisation, l'énergie calorifique pourra par exemple principalement être destiné à chauffer l'eau chaude sanitaire. Dans ce cas, la capacité de l'échangeur chauffage sera limitée par exemple par arrêt du ventilateur d'échange ou diminution de sa vitesse.
Lorsque le système est utilisé uniquement pour chauffer l'eau sanitaire, son fonctionnement est similaire à celui décrit dans le premier mode de réalisation. Dans ce mode de réalisation, le bloc d'échange et de stockage à basse température 4 est utilisé en tant qu'échangeur interne.
Il est à noter que l'échangeur air (extrait ou extérieur) / fluide frigorigène 7 pourra être remplacé par une autre source de chaleur si nécessaire, par exemple par une boucle géothermique chargée en fluide frigorigène. Le fonctionnement du système sera similaire à celui décrit ci-dessus. La boucle géothermique est habituellement plus puissante et plus stable que l'échangeur air / fluide frigorigène).
Un autre mode de réalisation de ce type est représenté par la figure 6. Le dispositif du mode de réalisation selon l'invention de la figure 6 est pourvu d'un module non réversible selon l'invention, d'un ensemble composé d'un échangeur source intermédiaire de type eau (ou saumure) / fluide frigorigène 12 et d'une boucle géothermique 14 en tant que source de chaleur, d'un échangeur intermédiaire fluide frigorigène/eau 11 lui-même complété par un ou plusieurs échangeurs à eau 15, 17. Dans le mode de réalisation représenté par la figure 6, le fonctionnement est similaire à celui du mode de réalisation de la figure 5.
Dans ce mode de réalisation, le bloc d'échange et de stockage à basse température 4 est utilisé en tant qu'échangeur interne.
c) Mode de réalisation avec deux sources de chaleur et deux charges thermiques
Dans ce mode de réalisation, les composants sont disposés de manière à ce que le fluide frigorigène 20 quitte le refoulement du compresseur 1 en passant d'abord par le bloc haute température 2 et ensuite par le bloc moyenne température 3, puis passe par un premier échangeur sur la charge thermique, puis par le détendeur 5, puis par un échangeur d'une première source de chaleur, puis par le bloc basse température 4 utilisé comme échangeur d'une deuxième source de chaleur, puis le fluide frigorigène 20 rentre dans l'aspiration du compresseur 1, et le cycle reprend. L'une desdites charges thermiques est préférentiel lement de l'eau chaude sanitaire, l'autre pouvant être par exemple un chauffage par le sol, un radiateur, un échangeur de chauffage d'air neuf, un ventilateur convecteur.
Un mode de réalisation de ce type selon l'invention est représenté par la figure 7. La figure 7 décrit un module non réversible utilisé pour chauffer l'eau chaude sanitaire et un espace à partir d'une première source constituée par une boucle géothermique 14 qui transmet sa chaleur à un échangeur eau/fluide frigorigène 12 et d'une deuxième source constituée d'un échangeur air / fluide frigorigène (air extrait ou air extérieur) 7. Pour le chauffage de l'espace, un échangeur intermédiaire fluide frigorigène/eau 11 est complété par un ou plusieurs échangeurs à eau 15 et 17.
Un autre mode de réalisation de ce type est représenté par la figure 8. Dans le mode de réalisation selon l'invention, le système est pourvu d'un module non réversible selon l'invention, d'un échangeur air/fluide frigorigène (air extrait ou air extérieur) 7 et d'un panneau solaire thermique 10 en tant que sources de chaleur et d'un échangeur intermédiaire fluide frigorigène/eau 11 complété par un ou plusieurs échangeurs à eau 15, 17 utilisés pour le chauffage de l'espace.
Le système du mode de réalisation représenté par la figure 8 est utilisé pour chauffer l'eau chaude sanitaire et un espace. Dans le mode de réalisation représenté par la figure 8, lorsque le système est utilisé simultanément pour chauffer l'espace et l'eau sanitaire, le bloc d'échange et de stockage est utilisé à la fois pour le chauffage de l'eau sanitaire et pour le chauffage de l'espace grâce à l'échangeur intermédiaire 11.
Lorsque le système est utilisé uniquement pour chauffer l'eau sanitaire, il y a surabondance de puissance disponible grâce aux deux sources. La régulation gère la répartition des puissances grâce au détendeur et aux actuateurs (pompes ou ventilateur).
Un autre mode de réalisation de l'invention est représenté par la figure 9.
La figure 9 décrit un module non réversible utilisé pour chauffer l'eau chaude sanitaire et un espace à partir d'une première source constituée par une boucle géothermique 14 qui transmet sa chaleur à un échangeur eau/fluide frigorigène et d'une deuxième source constitué par un panneau solaire thermique (10). L'échangeur intermédiaire fluide frigorigène/eau 11 est complété par un ou plusieurs échangeurs à eau 15 et 17. Lorsque le système est utilisé simultanément pour chauffer l'espace et l'eau sanitaire, la température de Ia source géothermique est de l'ordre de 00C (cas d'un captage horizontal), aussi la chaleur du panneau solaire thermique 10 devra d'abord liquéfier le matériau du bloc basse température 4. La température de refoulement restera pourtant suffisante pour charger le bloc haute température 2. En effet la pression d'aspiration plus basse et la surchauffe du panneau solaire thermique 10 maintiendront une surchauffe à l'aspiration suffisamment élevée. Le rendement sera moins bon que dans le cas de la figure 9 mais la puissance dans un système bien dimensionné sera suffisante tout au long de l'année. Lorsque le système est utilisé uniquement pour chauffer l'eau sanitaire, il y a surabondance de puissance disponible grâce aux deux sources. La régulation gère la répartition des puissances grâce au détendeur et aux actuateurs (pompes ou ventilateur).
d) Mode de réalisation avec trois sources de chaleur et trois charges thermiques
Dans ce mode de réalisation, les composants sont disposés de manière à ce que le fluide frigorigène 20 quitte le refoulement du compresseur 1 en passant d'abord par le bloc haute température 2 et ensuite par le bloc moyenne température 3, utilisé comme échangeur de deux charges thermiques, puis par le détendeur 5, puis par un bloc très basse température 50 utilisé comme échangeur des deux premières sources de chaleur, puis par le bloc basse température 4 utilisé comme échangeur d'une troisième source de chaleur, puis le fluide frigorigène 20 rentre dans l'aspiration du compresseur 1 , et le cycle reprend.
L'une desdites charges thermiques est préférentiellement de l'eau chaude sanitaire, les autres pouvant être par exemple pour la seconde un chauffage par le sol, un radiateur, un échangeur de chauffage d'air neuf, un ventilateur convecteur, et pour la troisième une piscine ou un spa.
Un mode de réalisation de ce type selon l'invention est représenté par la figure 26.
La figure 26 décrit un système pourvu d'un module non réversible et de trois sources et trois charges thermiques, utilisé pour chauffer l'eau chaude sanitaire, chauffer un espace et chauffer une piscine ou un spa, à partir d'une boucle géothermique 14 qui transmet sa chaleur à un échangeur eau/fluide frigorigène 12, d'un échangeur air/fluide frigorigène 7 en série avec la boucle 14 et d'un panneau solaire thermique 10. Le bloc moyenne température 3, 300, 310, 320, 330 est muni de 4 circuits fluides, ce qui permet d'échanger de la chaleur entre le matériau de stockage et 4 fluides simultanément. Dans ce mode de réalisation, les 4 fluides sont respectivement : le fluide frigorigène, l'eau chaude sanitaire, l'eau de chauffage de l'espace, l'eau de chauffage d'une piscine ou d'un spa. D'autre part, un bloc d'échange et de stockage très basse température 50 à deux circuits est placée en amont du module non réversible, avant le bloc d'échange et de stockage basse température et crée ainsi une inertie thermique à la température de changement de phase.
e) Mode de réalisation avec quatre sources de chaleur et trois charges thermiques
Dans ce mode de réalisation, les composants sont disposés de manière à ce que le fluide frigorigène 20 quitte Ie refoulement du compresseur 1 en passant d'abord par le bloc haute température 2 et ensuite par le bloc moyenne température 3, utilisé comme échangeur de deux charges thermiques, puis par le détendeur 5, puis par un bloc très basse température 50 utilisé comme échangeur des trois premières sources de chaleur, puis par le bloc basse température 4 utilisé comme échangeur d'une troisième source de chaleur, puis le fluide frigorigène 20 rentre dans l'aspiration du compresseur 1 , et le cycle reprend.
L'une desdites charges thermiques est préférentiellement de l'eau chaude sanitaire, les autres pouvant être par exemple pour la seconde un chauffage par le sol, un radiateur, un échangeur de chauffage d'air neuf, un ventilateur convecteur, et pour la troisième une piscine ou un spa.
Un mode de réalisation de ce type selon l'invention est représenté par la figure 27.
La figure 27 décrit un système pourvu d'un module non réversible et de 4 sources et 3 charges thermiques, utilisé pour chauffer l'eau chaude sanitaire, chauffer ou refroidir un espace, et chauffer une piscine ou un spa à partir d'une boucle géothermique 14 qui transmet sa chaleur à un échangeur eau/fluide frigorigène 12, d'un échangeur air/fluide frigorigène 7 en série avec la boucle 14 et d'un panneau solaire thermique 10. Le bloc moyenne température 3, 300, 310, 320, 330 est muni de 4 circuits fluides, ce qui permet d'échanger de la chaleur entre le matériau à changement de phase et 4 fluides simultanément. Dans ce mode de réalisation, les 4 fluides sont respectivement : le fluide frigorigène, l'eau chaude sanitaire, l'eau de chauffage de l'espace, l'eau de chauffage d'une piscine ou d'un spa. Un bloc d'échange et de stockage très basse température 50 à trois circuits est placée en amont du module non réversible et crée ainsi une inertie thermique à la température de changement de phase. Par ailleurs une vanne trois voies hydraulique 34 est placée sur le circuit de chauffage de l'espace et reliée au bloc très basse température 50. Ceci permet de refroidir l'espace bien que le module ne soit pas réversible.
2) Modes de réalisations réversibles
Un deuxième mode de réalisation est le mode réversible décrit ci-dessus comme troisième objet de la présente invention. Ce mode de réalisation peut être réalisé de différentes manières. a) Modes de réalisation avec deux sources de chaleur et deux charges thermiques
Dans ces modes de réalisation, la première charge thermique est préférentiellement l'eau chaude sanitaire. Cette première charge thermique est reliée par un circuit indépendant en série aux blocs haute température et moyenne température. La deuxième charge thermique peut être utilisée soit en mode chauffage, soit en mode refroidissement.
Dans un premier mode de réalisation, les composants sont disposés de manière à ce que le fluide frigorigène 20 quitte le refoulement du compresseur 1 en passant d'abord par le bloc haute température 2 et ensuite par la vanne quatre voies d'inversion de cycle 6, puis :
(i) Si la deuxième charge thermique est utilisée en mode chauffage : ledit fluide frigorigène passe d'abord par un premier clapet anti-retour 26, puis par le bloc moyenne température 3, puis par l'échangeur de la deuxième charge thermique, puis par le détendeur 5, puis par l'échangeur de la première source de chaleur, puis par le bloc basse température 4 utilisé comme échangeur de la deuxième source de chaleur, puis de nouveau par la vanne quatre voies d'inversion de cycle 6, dans un circuit différent, puis le fluide frigorigène 20 rentre dans l'aspiration du compresseur 1 , et le cycle reprend. (ii)Si la deuxième charge thermique est utilisée en mode refroidissement : ledit fluide frigorigène 20 passe par le bloc basse température 4 utilisé comme échangeur de la deuxième source, puis par l'échangeur de la première source, puis par le détendeur 5, puis par l'échangeur de la deuxième charge thermique, puis par un deuxième clapet anti-retour 36, et ensuite par la vanne quatre voie à inversion de cycle 6, dans un circuit différent, puis le fluide frigorigène 20 rentre dans l'aspiration du compresseur 1 , et le cycle reprend.
Un exemple de ce mode de réalisation de l'invention est représenté par la figure 10. La figure 10 décrit un module réversible selon l'invention muni de clapets anti-retour tel que représenté figure 2, utilisé pour chauffer l'eau chaude sanitaire et un espace à partir d'une première source constituée par une boucle géothermique eau ou saumure 14 qui transmet sa chaleur à un échangeur eau/fluide frigorigène 12 et d'une deuxième source constituée par un panneau solaire thermique 10. Pour la partie chauffage de l'espace, l'échangeur intermédiaire fluide frigorigène/eau 11 est complété par un ou plusieurs échangeurs à eau 15 et 17.
Dans ce mode de réalisation, le bloc moyenne température 3 est muni de clapets de clapet anti-retour. Le module réversible est ainsi adapté au chauffage de l'eau sanitaire simultanément avec une charge thermique (mode chauffage ou mode refroidissement)
En mode chauffage, le bloc moyenne température 3 est parcouru par Ie fluide frigorigène. Ce bloc se charge donc de chaleur en vue d'une utilisation par l'eau chaude sanitaire. En mode refroidissement, le jeu de deux clapets permet de court-circuiter le bloc moyenne température 3. La chaleur qui y est emmagasinée reste disponible pour l'eau chaude sanitaire.
Un autre mode de réalisation de l'invention est représenté par Ia figure 11 qui décrit un module réversible selon l'invention muni de clapets anti-retour 26, 36 tel que représenté figure 2, utilisé pour chauffer l'eau chaude sanitaire et un espace à partir d'une première source constituée par un échangeur air (extrait ou extérieur) / fluide frigorigène 7 et d'une deuxième source constituée par un panneau solaire thermique (10). Pour la partie chauffage de l'espace, l'échangeur est un échangeur fluide frigorigène / air 16.
Le fonctionnement du système de ce mode de réalisation est similaire à celui représenté par la figure 10.
Un autre mode de réalisation de l'invention est représenté par la figure 12. La figure 12 décrit un module réversible selon l'invention muni de clapets anti-retour 26, 36 tel que représenté figure 2, utilisé pour chauffer l'eau chaude sanitaire et un espace à partir d'une première source constituée par une boucle géothermique eau ou saumure 14 qui transmet sa chaleur à un échangeur eau/fluide frigorigène et d'une deuxième source constituée par un échangeur air (extrait ou extérieur) / fluide frigorigène 7. Pour la partie chauffage de l'espace, l'échangeur intermédiaire fluide frigorigène/eau 11 est complété par un ou plusieurs échangeurs à eau 15 et 17.
Le fonctionnement du système de ce mode de réalisation est similaire à celui représenté par la figure 10.
Un autre mode de réalisation de l'invention est représenté par la figure 18. Dans ce mode de réalisation le système comporte trois sources de chaleur et deux charges thermiques. Deux des sources de chaleur sont placées en série.
La figure 18 décrit un module réversible selon l'invention muni de clapets anti-retour tel que représenté figure 2, utilisé pour chauffer l'eau chaude sanitaire et un espace à partir d'une première source constituée par une boucle géothermique eau ou saumure 14 qui transmet sa chaleur à un échangeur eau/fluide frigorigène 12, d'une deuxième source placée en série dans le circuit de la boucle géothermique, et en aval de ladite boucle géothermique et constituée par un échangeur sur l'air extrait 7. Cette deuxième source, se trouvant généralement à une température supérieure à la boucle géothermique réchauffe le circuit d'eau et donc améliorera le coefficient de performance de la machine plus spécifiquement en mode chauffage.
Le système comporte en outre une troisième source de chaleur constituée par un panneau solaire thermique 10. Pour la partie chauffage de l'espace, l'échangeur intermédiaire fluide frigorigène/eau 11 est complété par un ou plusieurs échangeurs à eau 15 et 17.
Le fonctionnement du système de ce mode de réalisation est similaire à celui représenté par la figure 10.
b) Modes de réalisation avec deux sources de chaleur et trois charges thermiques
Dans ces modes de réalisation, la troisième charge thermique est préférentiellement l'eau chaude sanitaire (de capacité plus limitée que dans le cas 2a) décrit ci-dessus). Cette troisième charge thermique est reliée par un circuit indépendant au bloc haute température 2. Les deux autres charges thermique peuvent être utilisées soit en mode chauffage, soit en mode refroidissement.
Dans ce mode de réalisation, les composants sont disposés de manière à ce que le fluide frigorigène 20 quitte le refoulement du compresseur 1 en passant d'abord par le bloc haute température 2 et ensuite par Ia vanne quatre voies d'inversion de cycle 6, puis :
(i) En mode chauffage : le fluide frigorigène 20 passe d'abord par le bloc moyenne température 3 utilisé comme échangeur de la première charge thermique, puis par l'échangeur de la deuxième charge thermique, puis le détendeur. 5, puis par l'échangeur de Ia première source de chaleur, puis par le bloc basse température 4 utilisé comme échangeur de la deuxième source de chaleur, puis par la vanne quatre voie à inversion de cycle 6, dans un circuit différent, puis le fluide frigorigène 20 rentre dans l'aspiration du compresseur 1, et le cycle reprend.
(ii) En mode refroidissement : le fluide frigorigène 20 passe d'abord par le bloc basse température 4 utilisé comme échangeur de la deuxième source, puis par l'échangeur de la première source, puis par le détendeur 5, puis par l'échangeur de la deuxième charge, puis par le bloc moyenne température 3 utilisé comme échangeur de la première charge, puis par la vanne quatre voies à inversion de cycle 6, dans un circuit différent, puis le fluide frigorigène 20 rentre dans l'aspiration du compresseur 1 , et le cycle reprend.
Un exemple de ce mode de réalisation de l'invention est représenté par la figure 14 : le système est pourvu d'un module réversible selon l'invention non muni des clapets antiretour, d'un échangeur air/fluide frigorigène (air extrait ou air extérieur) 7 et d'un panneau solaire thermique 10 en tant que sources de chaleur, ainsi que d'un ou plusieurs échangeurs chauffant ou refroidissant l'espace. Le ou les échangeurs chauffant ou refroidissement l'espace sont des échangeurs à eau 15, 17 raccordés directement sur le bloc d'échange et de stockage à température moyenne 3. De plus est ajouté au système un échangeur de chauffage ou de refroidissement de l'espace de type fluide frigorigène/air 16.
Seul le bloc d'échange et de stockage haute température 2 chauffe l'eau chaude sanitaire. Lorsque le système est utilisé simultanément pour chauffer l'espace et l'eau sanitaire, l'air extrait est typiquement déjà à 20 0C, le panneau solaire thermique 10 va avoir tendance à rapidement liquéfier le bloc basse température et surchauffer le gaz. La régulation gère la surchauffe au compresseur et sa pression d'aspiration. Le panneau solaire apporte une puissance supplémentaire qui est véhiculée par le compresseur vers la partie du circuit en haute pression avec un rendement élevé.
Lorsque le système est utilisé uniquement pour chauffer l'eau sanitaire, il y a surabondance de puissance disponible grâce aux deux sources. La régulation gère la répartition des puissances grâce au détendeur et aux actuateurs (pompes ou ventilateur).
Lorsque le système est utilisé simultanément pour refroidir l'espace et chauffer l'eau sanitaire, la spécifié du système tel que représenté par la figure 14 est de permettre un refroidissement simultané par l'air et par des refroidissements à eau (rafraîchissement par le sol par exemple). Le refroidissement par air permet une baisse de température rapide et une déshumidification de la pièce et le refroidissement du sol donne l'inertie thermique; La déshumidification de l'air limite le risque de condensation sur le sol. Le système permet facilement cette fonctionnalité grâce à ses connections multiples. La chaleur sera rejetée au niveau de l'échangeur 7 dont le débit devra être suffisant.
Lorsque le système est utilisé simultanément pour refroidir l'espace et chauffer l'eau sanitaire, le bloc d'échange et de stockage haute température 2 est toujours alimenté en chaleur et permet donc le chauffage de l'eau chaude sanitaire. Le bloc d'échange et de stockage moyenne température 3 est sous forme solide. La configuration préférable du point de vue du transfert thermique est celle de l'échangeur à plaques représenté sur la figure 23. En effet cette configuration permet un échange direct entre le fluide frigorigène et l'eau des échangeurs 15. Le bloc d'échange et de stockage basse température 4 est alimenté en gaz chaud. Il ne rejette pas de chaleur l'été car il est relié à un capteur solaire lui-même à température élevée. La pompe du capteur solaire ne sera en général pas alimentée. En effet, le mode refroidissement est utilisé surtout l'été quand la température du capteur solaire est élevée et supérieure à la température de condensation du système. Il n'y aurait pas de rejet de chaleur mais plus souvent un transfert vers le capteur géothermique. Ce mode est envisageable dans certains cas pour recharger le capteur géothermique ou pour refroidir le circuit du capteur solaire mais il n'est pas indispensable. La chaleur peut donc être rejetée au niveau de l'échangeur 7 dont le débit devra être suffisant.
Un autre mode de réalisation de l'invention est représenté par la figure 15.
Dans le mode de réalisation représenté par la figure 15, le système est pourvu d'un module réversible selon l'invention non muni des clapets anti-retour, d'une première source constituée par une boucle géothermique eau ou saumure 14 qui transmet ou prend sa chaleur à un échangeur eau/fluide frigorigène 12, d'une deuxième source constitué par un panneau solaire thermique 10, ainsi que d' échangeurs chauffant ou refroidissement l'espace. Le ou les échangeurs chauffant ou refroidissement l'espace sont des échangeurs à eau 15, 17 raccordés directement sur le bloc échangeur/stockage à température moyenne 3. De plus est ajouté au système un échangeur de chauffage ou de refroidissement de l'espace de type fluide frigorigène/air 16.
Seul le bloc d'échange et de stockage haute température chauffe l'eau chaude sanitaire. Le système est similaire dans son fonctionnement à celui de la figure 14. Le rejet de chaleur se fera par la boucle géothermique 14.
Un autre mode de réalisation de l'invention est représenté par la figure 16.
Dans le mode de réalisation représenté par la figure 16, le système est pourvu d'un module réversible selon l'invention non muni des clapets anti-retour, d'une première source constituée par un échangeur air/fluide frigorigène (air extrait ou air extérieur) 7, d'une deuxième source constitué par un panneau solaire thermique 10, ainsi que d' échangeurs chauffant ou refroidissement l'espace. Le ou les échangeurs chauffant ou refroidissement l'espace sont des échangeurs à eau 15, 17 raccordés directement sur le bloc échangeur/stockage à température moyenne 3. De plus est ajouté au système un échangeur de chauffage ou de refroidissement de l'espace de type fluide frigorigène/air 16.
En outre, dans ce mode de réalisation, un bloc d'échange et de stockage moyenne température est ajouté dans le circuit du panneau solaire thermique 10. Lorsque la pompe de circulation est activée, la chaleur va se stocker dans deux blocs d'échange et de stockage: d'une part, le bloc basse température 4 pour assurer la surchauffe des gaz d'aspiration du compresseur et créer de l'énergie stockée en cas de demande du compresseur et d'autre part, dans le bloc supplémentaire moyenne température 300. En phase de décharge, l'eau sanitaire passera d'abord dans ce bloc moyenne température puis dans le bloc haute température chargé par le cycle thermodynamique.
: Encore un autre mode de réalisation de l'invention, de type non réversible, est représenté par la figure 13.
Dans le mode de réalisation représenté par la figure 13, Ie système est pourvu d'un module non réversible, d'un échangeur air/fluide frigorigène (air extrait ou air extérieur) 7 et d'un panneau solaire thermique 10 en tant que sources de chaleur, ainsi que d'échangeurs chauffant l'espace. Le ou les échangeurs chauffant l'espace sont d'une part des échangeurs à eau 15, 17 raccordés directement sur le bloc d'échange et de stockage à température moyenne 3, et d'autre part un échangeur de chauffage de type fluide frigorigène/air 16.
Seul le bloc d'échange et de stockage haute température 2 est utilisé pour chauffer l'eau chaude sanitaire 25.
Lorsque le système est utilisé simultanément pour chauffer l'espace et l'eau sanitaire, l'air extrait est typiquement déjà à 200C, le panneau solaire thermique 10 va avoir tendance à rapidement liquéfier Ie bloc basse température et surchauffer le gaz. La régulation gère la surchauffe au compresseur et sa pression d'aspiration. Le panneau solaire apporte une puissance supplémentaire qui est véhiculée par le compresseur vers la partie du circuit en haute pression avec un rendement élevé.
Lorsque le système est utilisé uniquement pour chauffer l'eau sanitaire, il y a surabondance de puissance disponible grâce aux deux sources. La régulation gère la répartition des puissances grâce au détendeur et aux actuateurs (pompes ou ventilateur). La spécificité du système du mode de réalisation de la figure 13 est de permettre un chauffage de l'espace simultanément par l'air et par des chauffages à eau (chauffage par le sol par exemple), l'air permettant une mise en température rapide de Ia pièce et le sol donnant l'inertie thermique et l'effet rayonnant. Le système selon l'invention permet facilement cette fonctionnalité.
En revanche l'inconvénient du système du mode de réalisation de la figure 13 est une certaine réduction de la quantité d'eau chaude sanitaire fournie puisque seul le bloc d'échange et de stockage 2 est utilisé pour le chauffage de l'eau sanitaire.
Un autre mode de réalisation est présenté à la figure 17.
Dans ce cas, les blocs d'échange et de stockage ont été déclinés en plusieurs sous- blocs indépendants (par exemple ayant la forme de plaque comme à la figure 20) chargés avec des matériaux ayant des températures de changement de phase différentes afin de créer un gradient de température. L'intérêt est de maintenir un coefficient de performance (COP) moyen élevé tout en augmentant la température du dernier bloc d'échange et de stockage haute température qui est en contact avec l'eau chaude sanitaire. Ceci permet d'augmenter l'effet de destruction de la légionellose.
(i) En mode chauffage : le fluide frigorigène 20 passe d'abord par une série de sous- blocs haute température ayant des valeurs de température de changement de phase décroissantes sur la plage décrite dans la description détaillée (à titre d'exemple, on peut utiliser la séquence suivante de sous-blocs : 750C, 7O0C et 650C), puis par une série de sous-blocs moyenne température ayant des valeurs de température de changement de phase décroissante sur la plage décrite dans la description détaillée (nous pouvons par exemple avoir la séquence suivante de blocs : 45°C, 420C et 390C,
36°C et 330C).
Les blocs haute température et moyenne température sont utilisés ici comme échangeurs de la première charge thermique. Le fluide passe par l'échangeur de la deuxième charge thermique, puis par le détendeur 5, puis par l'échangeur de la première source de chaleur, puis par le bloc basse température. On peut également avoir ici une série de bloc basse température ayant une valeur de température de changement de phase croissante sur la plage décrite dans la description détaillée (à titre d'exemple, on peut utiliser Ia séquence suivante de blocs : 15 0C, 20 0C et 25 0C). Les blocs basse températures sont typiquement utilisés comme échangeurs de la deuxième source de chaleur. Le fluide frigorigène passe ensuite puis par la vanne quatre voie à inversion de cycle 6, dans un circuit différent, puis Ie fluide frigorigène 20 rentre dans l'aspiration du compresseur 1 , et le cycle reprend.
Au cours de ce cycle, les blocs haute et moyenne température ayant respectivement les températures de changement de phase le plus faible se chargent d'abord avec un coefficient de performance maximal. Ceci correspond aux températures de sortie du compresseur et de condensation les plus faibles. Puis la température de condensation augmente (sous le contrôle de la régulation si nécessaire) afin de charger les blocs moyennes et hautes températures ayant les valeurs de température de changement de phase plus élevées. Ceci diminue le coefficient de performance mais celui-ci reste nettement supérieur à celui obtenu dans un système classique utilisant uniquement le circuit de condensation. Les blocs moyenne et haute température sont typiquement circuités en série. Dans le présent mode de réalisation, l'eau chaude sanitaire traverse les blocs ayant approximativement les températures suivantes : 33°C puis 36°C, 39°C, 42°C, 45°C puis les blocs haute température 65°C, 700C et 75°C pour maximiser l'effet thermique. Enfin, l'eau ainsi réchauffée est mixée si nécessaire avec de l'eau froide pour l'amener à la valeur souhaitée pour l'utilisation (typiquement environ 45°C). La gradation de température des blocs basse température est plus adaptée aux circuits équipés de capteurs solaires dont la plage de température est plus large. Ceci permet à la régulation d'améliorer plus facilement encore le COP en été en autorisant sur les systèmes munis de capteurs une pression d'aspiration élevée les journées d'été avec une surchauffe élevée pendant la charge des blocs.
En mode refroidissement, le fluide frigorigène 20 passe d'abord par les blocs basse températures 4 utilisés comme échangeurs de la deuxième source, puis par l'échangeur de la première source, puis par le détendeur 5, puis par l'échangeur de la deuxième charge, puis par les bloc moyennes températures 3 utilisés comme échangeurs de la première charge, puis par la vanne quatre voies à inversion de cycle 6, dans un circuit différent, puis le fluide frigorigène 20 rentre dans l'aspiration du compresseur 1 repasse ensuite dans les blocs haute températures, et le cycle reprend. Les figures 4 à 18 ne traitent pas de façon exhaustive toutes les configurations. Elles ont pour but de montrer la flexibilité du module pour des installations variées.
La figure 19 représente un schéma de principe représentant les blocs d'échange et de stockage suivant l'approche technologique des échangeurs à plaques. Cet échangeur permet un échange direct respectivement entre fluide frigorigène et matériau de stockage, fluide frigorigène et fluide secondaire ce qui augmente la puissance thermique échangée mais il est cependant nécessaire d'ajouter une deuxième plaque entre le fluide frigorigène et l'eau chaude sanitaire de façon a obtenir une double paroi. Un échangeur à plaques est déjà utilisé de cette manière avec deux circuits réfrigérants et un circuit eau. Mais l'utilisation avec du matériau de stockage est particulière à cette invention et en fait donc partie. On notera que l'écartement des plaques doit être plus important pour le matériau de stockage afin de permettre un stockage thermique suffisant. La figure 20 représente un schéma de principe représentant les blocs d'échange et de stockage suivant l'approche technologique des échangeurs tubulaires cuivre, connue en tant que telle.
Cette approche est plus classique que celle des échangeurs à plaque, mais elle ne permet pas en permanence le contact deux par deux des trois fluides en présence. Le matériau de transition s'intercale entre les deux autres fluides. L'effet de double paroi entre le fluide frigorigène et l'eau chaude sanitaire est respecté.
La figure 21 représente une manière parmi d'autres d'organiser les composants dans un des systèmes selon l'invention..
La figure 22 représente une manière parmi d'autres d'organiser les composants dans un des systèmes selon l'invention pour la réalisation d'un chauffe-eau qui comporte comme source de chaleur une boucle géothermique 14. Dans un mode de réalisation typique, les dimensions du module sont de 600 mm de largeur, 820 mm de hauteur et 600 à 650 mm de profondeur.
La figure 23 représente une manière parmi d'autres d'organiser les composants dans un des systèmes selon l'invention pour la réalisation d'une pompe à chaleur eau/eau avec un stockage de la chaleur selon la technologie des échangeurs à plaques, qui comporte comme sources de chaleur une boucle géothermique 14 et un échangeur sur l'air extrait (ou extérieur) 7. Dans un mode de réalisation typique, les dimensions du module sont dans ce cas de 600 mm de largeur, 820 mm de hauteur et 600 à 650 mm de profondeur. La figure 24 représente un schéma de principe représentant les blocs d'échange et de stockage suivant l'approche technologique des plaques. Ce type de plaque, chargé d'un matériau de stockage à basse température peut être utilisé par exemple dans les camions frigorifiques. Cet échangeur est similaire au bloc échangeur classique. Son épaisseur faible permet de placer physiquement plusieurs blocs dans un espace réduit pour obtenir un gradient de température (par exemple plusieurs blocs haute température chargés avec des produits sélectionnés pour créer un gradient de température adapté). Les dimensions d'une plaque sont typiquement de 80 mm pour l'épaisseur et 750 à 800 mm pour la hauteur. Les blocs d'échange et de stockage selon la présente invention peuvent selon . les modes de réalisation comporter entre un et quatre circuits de fluides. Les blocs d'échange et de stockage peuvent en outre être pourvus d'une résistance électrique de chauffage. A titre d'exemple la figure 25 représente un schéma de principe représentant les blocs d'échange et de stockage muni de trois circuits fluides et d'une résistance électrique de chauffage.
F) Exemple d'application : Maison individuelle (i) Evolution des besoin thermiques :
La proportion de l'eau chaude sanitaire augmente dans la consommation d'énergie, en effet l'isolation des bâtiments et maisons individuelles s'améliore, ce qui diminue la quantité d'énergie nécessaire au chauffage de l'espace. En revanche, les besoins de chauffage de l'eau chaude sanitaire restent les mêmes.
Par exemple, une maison individuelle typique d'avant 1980 demande une énergie de chauffage totale d' environ 200 kWh/m2/an dont environ 20 kWh/m2/an , environ 10% est utilisée pour l'eau chaude sanitaire .
Une maison de moins de 10 ans demandera environ 100 kWh/m2/an. La part d'eau chaude sanitaire (20 kWh/m2/an) représente alors 20% du total.
La tendance va vers des maisons très isolées qui demandent environ 65 kWh/m2/an et moins. La part de l'eau chaude sanitaire est alors de 30% du total. L'efficacité du mode de chauffage de l'eau chaude sanitaire devient donc un point de plus en plus important. (ii) Réponse aux besoins avec le module selon l'invention
Nous allons prendre ce dernier cas et l'appliquer à une maison d'une surface habitable de 140 m2.
Les besoins calorifiques totaux sont donc de 65x140=9100 kWh dont 2800 kWh pour l'eau chaude sanitaire. En prenant l'hypothèse vraisemblable d'un besoin quotidien constant d'eau chaude sanitaire tout au long de l'année, on obtient un besoin de 2800/365=7.7 kWh/jour = 27720 kJ/jour
Cette énergie permet de chauffer 265 litres d'eau par jour de 15°C à 400C
Si on considère un matériau de stockage de type paraffine, on peut prendre une valeur de chaleur latente de fusion moyenne de 250 kJ/kg et une densité de 800 kg/m3.
Il faudra globalement chauffer 27720/250 =110 kg de matériau par jour pour assurer les besoins.
Si on considère le cas réaliste de deux cycles de fusion et de solidification du matériau par jour, on obtient le besoin d'une masse de 55 kg de matériau de stockage. Cette quantité de matière s'applique à la somme des masses des blocs haute et moyenne température.
Ceci représente un volume de 55/800*1000= 69 dm3 de matériau.
Compte tenu du volume nécessaire pour les circuits eau et fluide frigorigène, on peut estimer le volume total des deux blocs échangeurs à 100 décimètre cubes. On peut repartir les volumes entre les deux blocs haute et moyenne températures si on fixe certaines hypothèses. La répartition ci-dessous est donnée à titre d'exemple, elle pourra varier en fonction des hypothèses prises.
Les hypothèses prises pour cet exemple sont les suivantes : Le système considéré comprends deux sources : d'une part, une boucle géothermique à eau glycolée, d'autre part un panneau solaire. Le système considéré comprend la charge du circuit d'eau chaude sanitaire et peut éventuellement comprendre une autre charge constituée par un circuit de chauffage par eau chaude (cas de la figure 9).
Le fluide frigorigène choisi est le 410A. On considère un fonctionnement 100% eau chaude sanitaire (pas de charge de chauffage de l'espace).
Les blocs se chargent selon la condition de fonctionnement-ci dessous : La température de condensation est de 40°C, considérée égale à la température de changement de phase du bloc moyenne température.
La température d' évaporation est de -5 0C (cas usuel d'une boucle géothermique) L'enthalpie du fluide frigorigène à -5 0C est de: 421 kJ/kg. La température à l'aspiration du compresseur est de 20 0C, considérée égale à la température de changement de phase du bloc basse température (Ia température à l'aspiration du compresseur pourra être plus élevée si besoin est, en maintenant activé le circuit du capteur solaire).
L'enthalpie du fluide frigorigène à 20 0C est de 446 kJ/kg. La variation d'enthalpie du fluide dans le bloc basse température est donc égale à : 446-421=25 kJ/kg
La température de refoulement du compresseur est de 95°C : l'enthalpie du fluide frigorigène au refoulement du compresseur≈ 500 kJ/kg
La température de changement de phase du bloc haute température est de 70 °C. L'enthalpie du fluide frigorigène à 700C est de 470 kJ/kg.
La variation d'enthalpie du fluide dans le bloc haute température est donc égale à : 500-470=30 kJ/kg.
La variation d'enthalpie du fluide lors de la condensation dans Ie bloc moyenne température à 400C est égale à 160 kJ/kg. Le rapport des variations d'enthalpie 30/160 donne environ 20% pour le bloc .haute température.
Nous obtenons donc environ 20 litres pour le bloc haute température et 80 litres pour le bloc moyenne température. En pratique, on surdimensionnera le bloc haute température par exemple jusqu'à 40 litres pour pouvoir bénéficier de certaines conditions de fonctionnement favorables au niveau du capteur solaire et donc pouvoir stocker plus d' énergie à haute température. En effet, pendant la majeure partie de l'année, Ia puissance disponible au niveau du capteur solaire permet non seulement de liquéfier le matériau de stockage du bloc basse température, mais également d'augmenter la température du matériau de stockage basse température jusqu'à une valeur significativement plus élevée que sa température de fusion. Ceci a pour conséquence d'élever Ia température à l'aspiration du compresseur, et donc au refoulement du compresseur. On a donc une augmentation de la quantité de chaleur sensible disponible au niveau des gaz de refoulement du compresseur et donc de l'énergie qu'il est possible de stocker dans le bloc haute température, augmentant ainsi l'efficacité du système.
Appliqué aux blocs basse et haute température, le rapport des enthalpies donne : 25/30=0.67 d'où un volume pour le bloc basse température de 0,67*0.2=14 litres. En pratique on surdimensionnera également ce bloc, par exemple jusqu'à 30 litres, de façon à garder une réserve de stockage utilisable par le compresseur.
On suppose les températures moyennes d'eau sanitaire suivantes : eau du réseau . à 15°C et sortie d'eau chaude à 4O0C soit un différentiel moyen de 25°C.
Le circuitage de l'eau chaude sanitaire dans les blocs échangeurs moyenne et haute température sera fait de façon que 80% de l'écart de température (de 15°C à 35°C) soit fait dans le bloc moyenne température et 20% (de 35°C à 400C) soit fait dans le bloc haute température.
Nous obtenons donc une quantité d'environ 30+80+40= 150 litres pour l'ensemble des blocs échangeurs. A titre de comparaison, les dimensions standard d'un lave vaisselle sont de 600 mmx600mmx850mm générant un volume de 300 litres. Il apparaît envisageable de réaliser le système choisi pour I' exemple dans un volume proche d'un lave vaisselle.
(iii) Dimensionnement des sources On considérera pour la maison ci-dessus un besoin de puissance calorifique maximal de 6 kW qui sera obtenu de la façon suivante : . . .
- 2 kW obtenu sur l'air extrait de façon permanente
- 3 kW par une boucle géothermique horizontale d'environ 400 mètres linéaires reparti en 4 boucles séparées de 40 cm , enterrées à un mètre de profondeur et entourant par exemple la maison comme un rectangle de périmètre 100 mètres.
Cette longueur limitée est ainsi plus facile à trouver sur des terrains réduits .
- 3 m2 de capteur solaire classique donnent alors un appoint suffisant pour le KW restant.

Claims

REVENDICATIONS
1) Module utilisable pour le stockage et le transfert thermique, comprenant les composants suivants : (a) un compresseur (1 ) de fluide frigorigène ;
(b) un bloc d'échange et de stockage de la chaleur dit bloc haute température (2) situé au refoulement du compresseur (1) ;
(c) un bloc d'échange et de stockage de la chaleur dit bloc moyenne température (3) ; (d) un autre échangeur de chaleur, ou préférentiellement un bloc d'échange et de stockage de la chaleur dit bloc basse température (4) ; (e) optionnellement une vanne quatre voies (6) située en sortie du module haute température (2), cette vanne étant obligatoire si ledit module est destiné à fonctionner en mode réversible ; (f) optionnellement deux clapets anti-retour (26, 36) ;
(g) optionnellement une vanne d'injection (19) ladite vanne (19) injectant en amont du compresseur (1) ; (h) un détendeur (5).
2) Module selon la revendication 1 dans lequel au moins un des blocs d'échange et de stockage de la chaleur (2), (3), (4) est composé de plusieurs sous-blocs, (210), (220), (230), (310), (320), (330), (340), (410), (420), (430), chacun des sous-blôcs étant caractérisé par sa propre température de changement de phase, lesdites températures de changement de phase étant choisies de manière à ce que pour chaque bloc (2), (3), (4) les températures de changement de phase des sous-blocs successifs croissent ou décroissent dans le sens du flux de fluide frigorigène (20) selon l'utilisation prévue dudit module, et décroissent dans les blocs (2) et (3) et croissent dans le bloc (4) dans le cas où ledit module est utilisé en mode chauffage.
3) Module selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le bloc moyenne température comprend en outre une résistance électrique destinée à permettre un cycle de chauffage du bloc moyenne température jusqu'à une température de 7O0C. 4) Système intégrant un module selon une quelconque des revendications 1 à 3, ledit système fonctionnant en mode non réversible, et caractérisé en ce que lesdits composants sont disposés de manière à ce que le fluide frigorigène (20) quitte le refoulement du compresseur (1) en passant d'abord par le bloc haute température (2) et ensuite par le bloc moyenne température (3), puis
(a) pour une utilisation dans un système avec une source de chaleur et une charge thermique, préférentiellement l'eau chaude sanitaire, ledit fluide frigorigène (20) passe par Ie bloc basse température (4), par le détendeur (5), par un échangeur source de chaleur, puis, par un circuit différent de celui du premier passage, de nouveau par le bloc basse température (4), puis ledit fluide frigorigène (20) rentre dans l'aspiration du compresseur (1), et le cycle reprend ;
(b) pour une utilisation dans un système avec une source de chaleur et une première charge thermique, cette première charge thermique étant préférentiellement de l'eau chaude sanitaire, et une deuxième charge thermique, ledit fluide frigorigène (20) passe par l'échangeur de la deuxième charge thermique, puis passe par le bloc basse température (4), par le détendeur (5), par un échangeur source de chaleur, puis, par un circuit différent de celui du premier passage, de nouveau par le bloc basse température (4), puis ledit fluide frigorigène (20) rentre dans l'aspiration du compresseur (1), et le cycle reprend ;
(c) pour une utilisation dans un système avec deux sources de chaleur et deux charges thermiques, l'une desdites charges thermiques étant préférentiellement de l'eau chaude sanitaire, ledit fluide frigorigène (20) passe par un premier échangeur sur la charge thermique, puis par le détendeur (5), puis par un échangeur d'une première source de chaleur, puis par le bloc basse température (4) utilisé comme échangeur d'une deuxième source de chaleur, puis le fluide frigorigène (20) rentre dans l'aspiration du compresseur (1), et le cycle reprend.
5) Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit échangeur de la première source de chaleur (12) est remplacé par un bloc d'échange et de stockage dit bloc très basse température (50), comportant un matériau à changement de phase dont la température de changement de phase est réglée à une valeur comprise entre 50C et 150C, et avantageusement comprise entre 7°C et 12°C.
6) Système selon la revendication 4 ou 5, comprenant en outre une troisième source de chaleur (7), placée en série sur le circuit du fluide frigorigène de la première source de chaleur.
7) Système selon une des revendications 4 à 6 comprenant en outre une troisième charge thermique (36) placée sur le bloc moyenne température (3).
8) Système selon la revendication 7 dans lequel la deuxième charge (15, 17) agit en tant que source de chaleur reliée au bloc très basse température (50).
9) Système intégrant un module selon la revendication 1 ou 2, ledit système fonctionnant en mode réversible, et caractérisé en ce que lesdits composants sont disposés de manière à ce que le fluide frigorigène (20) quitte le refoulement du compresseur (1) en passant d'abord par le bloc haute température (2) et ensuite par la vanne quatre voies d'inversion de cycle (6), puis (a) pour une utilisation avec deux sources de chaleur et deux charges thermiques, dont la première charge thermique étant préférentiellement l'eau chaude sanitaire, cette première charge thermique étant reliée par un circuit indépendant en série aux blocs haute température et moyenne température, la deuxième charge thermique pouvant être utilisée soit en mode chauffage, soit en mode refroidissement,
(i) en mode chauffage : ledit fluide frigorigène passe d'abord par un premier clapet anti-retour (26), puis par le bloc moyenne température (3), puis par l'échangeur de la deuxième charge thermique, puis par le détendeur (5), puis par l'échangeur de la première source de chaleur, puis par le bloc basse température (4) utilisé comme échangeur de la deuxième source de chaleur, puis de nouveau par la vanne quatre voies d'inversion de cycle (6), dans un circuit différent, puis le fluide frigorigène (20) rentre dans l'aspiration du compresseur (1), et le cycle reprend ; (ii) en mode refroidissement : ledit fluide frigorigène (20) passe par le bloc basse température (4) utilisé comme échangeur de la deuxième source, puis par l'échangeur de la première source, puis par le détendeur (5), puis par l'échangeur de la deuxième charge thermique, puis par un deuxième clapet anti-retour (36), et ensuite par la vanne quatre voie à inversion de cycle (6), dans un circuit différent, puis le fluide frigorigène (20) rentre dans l'aspiration du compresseur (1), et le cycle reprend ;
(b) pour une utilisation avec deux sources de chaleur et trois charges thermiques, dont la troisième charge thermique étant préférentiellement l'eau sanitaire (de capacité plus limitée par rapport au cas (a)), cette troisième charge thermique étant reliée par un circuit indépendant au bloc haute température (2), (i) en mode chauffage : le fluide frigorigène (20) passe d'abord par le bloc moyenne température (3) utilisé comme échangeur de la première charge thermique, puis par l'échangeur de la deuxième charge thermique, puis le détendeur (5), puis par l'échangeur de la première source de chaleur, puis par le bloc basse température (4) utilisé comme échangeur de la deuxième source de chaleur, puis par la vanne quatre voie à inversion de cycle (6), dans un circuit différent, puis le fluide frigorigène (20) rentre dans l'aspiration du compresseur (1), et le cycle reprend ; (ϋ) en mode refroidissement : le fluide frigorigène (20) passe d'abord par le bloc basse température (4) utilisé comme échangeur de la deuxième source, puis par l'échangeur de la première source, puis par le détendeur (5), puis par . . l'échangeur de la deuxième charge, puis par le bloc moyenne température (3) utilisé comme échangeur de la première charge, puis par la vanne quatre voies à inversion de cycle (6), dans un circuit différent, puis le fluide frigorigène- (20) rentre dans l'aspiration du compresseur (1), et le cycle reprend.
10) Système selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un bloc moyenne température additionnel (300), placé en série avec le bloc basse température (4) dans le circuit de la deuxième source de chaleur, et en ce que ledit bloc moyenne température (300) est également un échangeur additionnel de la première charge thermique. 11) Module ou système selon la revendication 1 à 10, dans lequel ledit bloc haute température (2) comporte un matériau à changement de phase dont la température de changement de phase est réglée à une valeur comprise entre 600C et 75°C et avantageusement 65 et 700C, ou à une température comprise entre 75°C et 900C, et avantageusement 80 à 85°C si le fluide frigorigène (20) est le CO2.
12) Module ou système selon une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel ledit bloc moyenne température (3) comporte un matériau à changement de phase dont la température de changement de phase est réglée à une valeur comprise entre 32°C et 45°C, et avantageusement comprise entre 35°C et 400C.
13) Module ou système selon une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel ledit bloc basse température (4) comporte un matériau à changement de phase dont la température de changement de phase est réglée à une valeur comprise entre 15°C et 25°C, et avantageusement comprise entre 17°C et 220C.
14) Module ou système selon une quelconque des revendications 1 à 13 dans lequel les sources de chaleur sont choisies dans le groupe constitué par les boucles géothermiques à fluide frigorigène, les boucles géothermiques à eau ou saumure, les échangëurs fluide frigorigène / air extrait ou air extérieur, les panneaux solaires thermiques.
15) Module ou système selon une quelconque des revendications 1 à 13 dans lequel les charges thermiques sont choisies dans le groupe constitué par l'eau chaude sanitaire, les planchers chauffants à eau, les planchers rafraîchissants à eau, les planchers chauffants/rafraîchissants à eau, les échangëurs eau/air pour chauffer ou refroidir l'air neuf, les radiateurs à eau chaude, des ventiloconvecteurs, les piscines, les spas. 16) Système selon une quelconque des revendications 4 à 15 dans lequel la source thermique est un échangeur sur l'air extrait (7), et la charge thermique est l'eau chaude sanitaire (25).
17) Système selon une quelconque des revendications 4 à 15 dans lequel la source thermique est un échangeur sur l'air extrait, et les charges thermiques sont l'eau chaude sanitaire (25) et des appareils de chauffage et/ou climatisation (15) ou (16).
18) Système selon une quelconque des revendications 4 à 15 dans lequel les sources thermiques sont un échangeur sur l'air extrait (7) et un panneau solaire thermique (10), et les charges thermiques sont l'eau chaude sanitaire (25) et des appareils de chauffage et/ou climatisation (15) ou (16).
19) Utilisation d'un module ou système selon une quelconque des revendications 1 à 18 pour le refroidissement ou le chauffage de wagons ferroviaires, navires ou camions, ou pour le chauffage de l'eau sanitaire d'un bâtiment.
20) Utilisation selon la revendication 19, dans laquelle ledit module ou système est utilisé en plus pour le chauffage et / ou pour le refroidissement de l'air dudit bâtiment.
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