WO2013004972A1 - Systeme d'echange thermique et procede de regulation d'une puissance thermique developpee par un tel systeme d'echange thermique - Google Patents

Systeme d'echange thermique et procede de regulation d'une puissance thermique developpee par un tel systeme d'echange thermique Download PDF

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compression
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Definitions

  • the invention relates to a heat exchange system and to a method of regulating the thermal power developed by such a heat exchange system.
  • the invention relates to a heat exchange system adapted to perform heat exchange between outside air located outside a space and an internal medium flowing inside the space, said heat exchange system comprising:
  • first and second heat exchangers for exchanging heat respectively with the outside air and the interior medium, said first and second heat exchangers each having an inlet and an outlet and forming one an evaporator and the other an condenser,
  • a coolant circuit adapted to circulate a coolant between the evaporator and the condenser, said coolant circuit comprising a compression unit placed between the outlet of the evaporator and the inlet of the condenser, and a unit of expansion located between the condenser outlet and the inlet of the evaporator, - a control unit connected to the coolant circuit.
  • the invention applies, in particular, to the regulation of a thermal power developed by the heat exchange system, in particular in an operation as a heat pump associated with a space or a building, to allow to maintain an instruction of temperature inside the space or the building by bringing to this space or this building a thermal power equivalent to the thermal losses (internal and external contributions deducted).
  • a vapor compression air / water heat pump recovers heat from outside air at an outside temperature, and then transmits this heat to the space at a temperature of a heating water circuit.
  • the compression unit has a constant capacity (constant suction flow)
  • the thermal power of the cycle will decrease with the outside temperature (the density of the heat transfer fluid at the suction of the compression unit decreases, therefore, the mass flow rate of the coolant in the cycle decreases, and the thermal power carried by the heat transfer fluid of a cold source to which the evaporator draws heat to a hot well to which the condenser transfers the heat removed decreases).
  • the calorific demand of the building and the heat production of the heat pump are therefore in opposition. If the heat pump is dimensioned to meet the needs at a given outdoor temperature, it will be more powerful at higher outdoor temperatures with, for cons, performance losses related to the cycling of the heat pump (on / off) and the surplus heat transported (exchanger losses, pressure losses).
  • the known heat exchange systems do not, however, make it possible in a simple manner to precisely regulate the thermal power developed by the heat exchange system.
  • the invention improves the situation.
  • the invention proposes a heat exchange system adapted to perform heat exchanges between outside air located outside a space and an internal medium circulating inside of space, said heat exchange system comprising:
  • first and second heat exchangers for exchanging heat respectively with the outside air and the interior medium, said first and second heat exchangers each having an inlet and an outlet and forming one an evaporator and the other an condenser, a coolant circuit adapted to circulate a coolant between the evaporator and the condenser, said coolant circuit comprising a compression unit placed between the outlet of the evaporator and the inlet of the condenser, and a unit of a detent placed between the outlet of the condenser and the inlet of the evaporator, said compression unit comprising at least first and second compression stages arranged in series, the first compression stage discharging the coolant in the second compression stage,
  • the first compression stage comprises a plurality of fixed capacity compressors connected in parallel and has a step variable capacitance, said plurality of fixed capacity compressors having a plurality of different configurations defining the capacitance steps
  • the second stage of compression comprises at least one variable capacity compressor and has a continuously variable capacity
  • the control unit being adapted to regulate a thermal power developed by the heat exchange system from variations of the capacities of the first and second stages of compression , the control unit being adapted for:
  • the heat exchange system according to the invention has a simple structure whose thermal power can be regulated precisely according to the heat demand of the space.
  • the capacity of the first compression stage is chosen from a plurality of discrete capacitance values to reach a thermal power close to a target thermal power, and the capacity of the second compression stage is modulated to approach the target thermal power.
  • the compression unit may comprise a bypass line connected in parallel with the first compression stage, the control unit being adapted to control:
  • the heat exchange system may further comprise a subcooling exchanger located between the first and second heat exchangers, and an injection line connecting the second heat exchanger to a suction inlet.
  • the control unit being adapted for, in multi-stage operation, circulating a first portion of the coolant from the outlet of the second heat exchanger forming the condenser to the suction inlet of the second compression stage by the injection pipe, and a second portion of the heat transfer fluid from the outlet of the second heat exchanger forming the condenser to the inlet of the first heat exchanger forming the evaporator .
  • the heat exchange system may further comprise an air circuit and a water circuit to which the first and second heat exchangers are respectively associated, and wherein the control unit can be adapted. for measuring a water temperature in the water circuit and for determining a set water temperature in the water circuit, the control unit being adapted for successively and continuously:
  • the control unit can then be adapted to measure an air temperature in the air circuit, the control unit being adapted to choose an initial capacity step of the first compression stage at least as a function of the temperature of the air. 'air. Furthermore, the control unit can be adapted to select an initial capacity of the second compression stage at least as a function of the capacity step of the first compression stage. In addition, the control unit is adapted to change the capacity step of the first compression stage if the capacity of the second compression stage is in a determined range.
  • the heat exchange system may further comprise an air circuit and a water circuit to which the first and second heat exchangers are respectively associated, and wherein the control unit may be adapted to measure a water temperature in the water circuit and to determine a set water temperature in the water circuit, the control unit being adapted for successively and continuously:
  • the control unit can then be adapted to measure an air temperature in the air circuit and to determine a target thermal power, the control unit being adapted to determine the plurality of capacitance couples as a function of the temperature. of air and the target thermal power.
  • control unit may be adapted to limit the capacity of the second compression stage between a minimum capacity and a maximum capacity, said minimum and maximum capacities being chosen to maintain the first and second stages of compression in respective operating envelopes and to obtain a coefficient of performance greater than or equal to a determined minimum coefficient of performance.
  • control unit can be adapted to vary the minimum and maximum capacities of the second compression stage according to the capacity step of the first compression stage.
  • the control unit can be adapted to reduce the capacity of the second compression stage when a quantity representative of an operating state of the second compression stage reaches a critical value, in particular said quantity is chosen from a temperature measured at the output the second compression stage, a pressure measured at the output of the second compression stage, an electric current supplying the second compression stage and a compression ratio supported by the second compression stage.
  • the invention proposes a method of regulating a thermal power developed by a heat exchange system, said method implementing a heat exchange system adapted to perform heat exchange between outside air located outside a space and an interior medium flowing inside the space, said heat exchange system comprising:
  • first and second heat exchangers for exchanging heat respectively with the outside air and the interior medium, said first and second heat exchangers each having an inlet and an outlet and forming one an evaporator and the other an condenser,
  • a coolant circuit adapted to circulate a coolant between the evaporator and the condenser, said coolant circuit comprising a compression unit placed between the outlet of the evaporator and the inlet of the condenser, and a unit of a detent placed between the outlet of the condenser and the inlet of the evaporator, said compression unit comprising at least first and second compression stages arranged in series, the first compression stage discharging the coolant in the second compression stage, the first compression stage comprising a plurality of fixed capacity compressors connected in parallel and having a pitch variable capacitance, said plurality of fixed capacity compressors having a plurality of different configurations defining the capacitance steps, and the second compression stage comprising at least one compressor with variable capacity and prese being a continuously variable capacitor,
  • said regulating method providing for regulating the thermal power developed by the heat exchange system from variations in the capacities of the first and second compression stages, said regulation method providing for:
  • the regulation method implements a heat exchange system as defined above.
  • the compression unit may include a branch line connected in parallel with the first stage of compression.
  • the control method can then provide for controlling:
  • the heat exchange system may further comprise a subcooling exchanger located between the first and second heat exchangers, and an injection line connecting the first heat exchanger to a suction inlet. the second compression stage through the subcooling exchanger.
  • the control method can then provide, in multi-stage operation, to circulate a first portion of the heat transfer fluid from the outlet of the first heat exchanger forming the condenser to the suction inlet of the second compression stage by the control pipe. injection, and a second portion of the heat transfer fluid from the outlet of the first heat exchanger forming the condenser to the inlet of the second heat exchanger forming the evaporator.
  • the heat exchange system may further comprise an air circuit and a water circuit to which the first and second heat exchangers are respectively associated, the control method being able to provide:
  • the control method can provide:
  • the control method may provide for selecting an initial capacity of the second compression stage at least as a function of the capacity step of the first compression stage.
  • the control method may provide for changing the capacity step of the first compression stage if the capacity of the second compression stage is in a determined range.
  • the heat exchange system may further comprise an air circuit and a water circuit to which the first and second heat exchangers are respectively associated, the control method being able to provide:
  • the control method can provide:
  • control method may provide for limiting the capacity of the second compression stage between a minimum capacity and a maximum capacity, said minimum and maximum capacities being chosen to maintain the first and second compression stages in respective operating envelopes and to obtain a determined coefficient of performance.
  • the control method may provide for varying the minimum and maximum capacities of the second compression stage according to the capacity step of the first compression stage.
  • the control method can provide for reducing the capacity of the second compression stage when a quantity representative of an operating state of the second compression stage reaches a critical value, in particular said quantity is chosen from a temperature measured at the output of the second compression stage, a pressure measured at the output of the second compression stage, an electric current supplying the second compression stage and a compression ratio supported by the second compression stage.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a heat exchange system according to one embodiment of the invention, the heat exchange system comprising a two-stage compression unit, the compression unit comprising a first stage a stepwise variable compression device and a second continuously variable series compression stage, the heat exchange system operating in an air conditioner mode,
  • FIG. 2 is a schematic representation of the heat exchange system of FIG. 1 operating in a heat pump mode
  • FIG. 3 is a diagrammatic representation of four configurations of the first compression stage of the heat exchange system of FIG. 2, the configurations making it possible to obtain different thermal powers developed by the heat exchange system
  • FIG. 4 is a graph schematically illustrating the evolution of the thermal power developed by each of the configurations of FIG. 3 as a function of an outside temperature located outside a space to be heated
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the steps of a first embodiment of a method for regulating the thermal power developed by the heat exchange system of FIG. 2, the regulation method providing for regulating the thermal power. by choosing a capacity step of the first compression stage and then varying the capacity of the second compression stage,
  • FIG. 6 illustrates a step of selecting the initial configuration of the first compression stage in the control method of FIG. 5, the selection being made as a function of the outside temperature
  • FIG. 7 illustrates a variant of the step of selecting the initial configuration of the first compression stage in the control method of FIG. 5, the selection being made from abacuses giving the initial configuration as a function of the temperature. outside, a target water temperature and a target thermal power,
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the steps of a second embodiment of the method of regulating the thermal power developed by the heat exchange system of FIG. 2, the regulation method providing for regulating the thermal power by choosing one of a plurality of capacitance couples each comprising one of the capacitance steps of the first compression stage and one of the capacitances of the second compression stage,
  • FIG. 9 illustrates a torque selection step comprising the configuration of the first compression stage and the capacity of the second compression stage in the control method of FIG. 8, the selection being made from abacuses giving the torque in FIG. depending on the outside temperature, a set water temperature and a power indicator.
  • FIGS. 1 and 2 show a heat exchange system 1 respectively for cooling and heating an internal medium, for example water, circulating in a space 2, such as a part of a dwelling, a technical room or other.
  • a space 2 such as a part of a dwelling, a technical room or other.
  • the internal environment could be other than water, including air.
  • the heat exchange system 1 allows either to heat the water by drawing heat from outside air located outside the space 2 (cold source) and transferring to the water (hot source / hot well) the heat taken (Figure 2), either to cool the water by taking heat (cold source) and transferring to the outside air (hot source / hot well) the heat taken ( figure 1 ).
  • the heat exchange system 1 comprises:
  • first heat exchanger 5 selectively forming an evaporator or a condenser, intended to perform heat exchanges with the outside air, the first heat exchanger having a first end 6 and a second end which form one input E and the other an output S,
  • a second heat exchanger 15 selectively forming an evaporator or a condenser, intended to perform heat exchanges with water, the second heat exchanger having a first end and a second end forming an inlet; E and the other an output S,
  • a heat transfer fluid circuit connected to the first and second heat exchangers and adapted to circulate a heat transfer fluid, such as a refrigerant, between the first heat exchanger and the second heat exchanger.
  • the heat transfer fluid circuit comprises a multi-stage compression unit 20 and an expansion unit 10.
  • the compression unit 20 is bi-staged and comprises a first compression stage 21 and a second compression stage 22 arranged in series.
  • the compression unit 20 could comprise more than two compression stages arranged in series.
  • the first compression stage or low pressure (LP) compression stage 21 has a pitch variable capacitance, i.e., it has a plurality of discrete capacitance values each defining a capacitance step.
  • the low pressure compression stage 21 comprises only several compressors with fixed capacity connected in parallel, and does not have a variable capacity compressor.
  • the low pressure compression stage 21 comprises two first compressors or low pressure compressors (LP) 23a, 23b connected in parallel.
  • the low-pressure compressors 23a, 23b respectively have different displacements.
  • the low-pressure compressor 23b has a higher capacity than that of the low pressure compressor 23a.
  • the low pressure compression stage 21 could comprise one or more two low pressure compressors 23 in parallel.
  • the second compression stage or high pressure (HP) compression stage 22 has a continuously variable capacitance, i.e. it has a plurality of capacitance values in a determined range.
  • the high pressure compression stage 22 comprises one or more variable speed compressors.
  • the high pressure compression stage 22 is devoid of fixed capacity compressor and comprises a single second compressor or high pressure compressor (HP) 24.
  • the high pressure compression stage 22 could comprise a plurality of high-pressure compressors 24 in parallel, at least one of which is of continuously variable capacity.
  • Each of the low pressure compressors 23a, 23b and high pressure 24 has a suction inlet 25 and a discharge outlet 26.
  • the suction inlets 25 of the low pressure compressors 23a, 23b are connected to a same suction line 27 and the discharge outlets 26 of the low pressure compressors 23a, 23b are connected to the same discharge line 28.
  • the low pressure compressors 23a, 23b and high pressure 24 are arranged in series, that is to say that is, the delivery line 28 of the low-pressure compressors 23a, 23b is connected to the suction inlet 25 of the high-pressure compressor 24.
  • suction line 27 low pressure compressors 23a, 23b are connected to the output S of the first and second heat exchangers 15 which form the evaporator, and the discharge outlet 26 of the high pressure compressor 24 e It is connected to the inlet E of the first 5 and second 15 heat exchangers which forms the condenser.
  • the compression unit 20 comprises a bypass line January 1 provided with a valve 12 connected in parallel with the compression stage low pressure 21, with an upstream end connected upstream of the suction line 27 and a downstream end connected downstream of the discharge line 28 of the low pressure compressors 23a, 23b.
  • the bypass line 1 1 bypasses the low pressure compression stage 21 to use only the high pressure compression stage 22 in the single-stage operation.
  • a bypass line 3 provided with a valve 4 may also be provided in parallel with the high pressure compression stage 22, with an upstream end connected upstream of the suction inlet 25 and a connected downstream end. downstream of the discharge outlet 26 of the high-pressure compressor 24.
  • This bypass line 3 has a role of protection against possible high pressures in the event of failure of the high-pressure compressor 24 while the low-pressure compressors 23a, 23b are in walk.
  • the heat exchange system used in heat pump mode described below and according to the two-stage operation, operates according to an injection cycle with a subcooling exchanger 45 or economizer.
  • the subcooling exchanger 45 is connected to the first end 6 of the first heat exchanger 5 and to the second end 17 of the second heat exchanger 15.
  • the heat exchange system 1 further comprises a heat pipe.
  • injection 46 connecting the second end 17 of the second heat exchanger 15 to the suction inlet 25 of the high pressure compressor 24 through the subcooling exchanger 45.
  • a pressure regulator 47 is placed in the injection line 46, between the second heat exchanger 15 and the subcooling exchanger.
  • a liquid receiver 48 may be provided. It is thus possible to cool the heat transfer fluid between the low pressure compression stage 21 and the high pressure compression stage 22 to limit the temperature at the discharge outlet 26 of the high pressure compression stage 22 and thereby achieve a higher condensing pressure.
  • the cooling is carried out here by taking condensed heat transfer fluid at the outlet of the condenser and re-injecting it between the delivery line 28 of the low pressure compression stage 21 and the suction inlet 25 of the compression stage. 22.
  • the invention is however not limited to a heat exchange system implementing an injection cycle with a subcooling exchanger and applies to a heat exchange system implementing, for example a total injection cycle, a partial injection cycle or a cascade cycle, the heat exchange system being adapted accordingly.
  • the heat transfer fluid circuit also comprises a distribution circuit 40 for circulating the coolant from the compression unit 20 to the first heat exchanger 5 or from the compression unit 20 to the second heat exchanger 15 in order to ensure the reversibility or invertibility of the heat exchange system 1.
  • the distribution circuit 40 comprises a compression loop 41 in which the low-pressure compressors 23a, 23b and high-pressure 24 are placed, and a four-way valve 42 connecting the compression loop 41 to the first 5 and second 15 heat exchangers. heat.
  • the four-way valve 42 is adapted to circulate the heat transfer fluid from one of the first 5 and second 15 heat exchangers and entering the compression loop 41 to the suction line 27 of the low-pressure compressors 23a, 23b, and for distributing the heat transfer fluid from the discharge outlet 26 of the high pressure compressor 24 to the other heat exchanger 5, 15.
  • the expansion unit 10 comprises an expansion valve connecting via one or more pipes the output of that of the first and second heat exchangers which forms the condenser and the inlet of the first and second heat exchangers which forms the evaporator.
  • the heat exchange system 1 also comprises an air circuit 35 associated with the first heat exchanger 5 to achieve a heat exchange between the coolant and the outside air, and a water circuit 36 associated with the second heat exchanger 15 to achieve a heat exchange between the coolant and the water circulating inside the space 2.
  • the air circuit 35 may comprise pipes, not shown, connected to an air intake and an air outlet, and a fan 39 adapted to circulate the air between the air inlet and the air outlet through the first heat exchanger 5.
  • the water circuit 36 for example d a sanitary heating or floor heating installation may include pipes connected to a pumping system ensuring the circulation of water in the pipes.
  • the heat exchange system 1 can operate in an air conditioner mode ( Figure 1) or in a heat pump mode ( Figure 2).
  • a control of the heat exchange system 1 between the different modes is provided by a control unit connected to the coolant circuit.
  • the control unit comprises for example an electronic microprocessor to which a temperature sensor adapted to measure an outside temperature (Text) of the outside air is connected.
  • Other sensors or instruments Measurement of the control unit can be connected to the electronic microprocessor.
  • the control unit may comprise a temperature probe adapted to measure an internal temperature (Tint) of the indoor air located inside the space 2, a temperature probe adapted to measure the temperature of water (Tw) in the water circuit 36.
  • the control unit may also comprise a memory in which different data, and in particular a threshold temperature for the outside temperature and a set water temperature (Tw_c) for the circuit water 36 or, as will appear in the following description, abacuses or water laws, are stored.
  • a threshold temperature for the outside temperature and a set water temperature (Tw_c) for the circuit water 36 or, as will appear in the following description, abacuses or water laws, are stored.
  • the control of the heat exchange system 1 according to the air conditioner mode and the heat pump mode can be achieved according to the need for cooling or heating of the indoor environment.
  • the need for cooling or heating can be determined in any suitable manner.
  • an operator can choose the mode by acting directly on an input interface of the control unit.
  • the control unit may include a thermostat measuring a temperature of the indoor environment and determining the mode of the heat exchange system 1 from a set temperature for the indoor environment.
  • the control unit can determine the mode of the heat exchange system 1 from the outside temperature, in particular by means of a water law stored in the memory of the control unit. .
  • the heat exchange system 1 when there is a need for cooling of the internal environment, the heat exchange system 1 is in air conditioner mode, shown in FIG. 1.
  • the heat transfer fluid then circulates in a closed loop:
  • the second heat exchanger 15 From the first end 16, forming the output S, the second heat exchanger 15 to the compression unit 20.
  • the second heat exchanger 15 forms the evaporator removing heat to the interior and the first heat exchanger 5 forms the condenser transferring the heat to the outside air, so as to cool the internal environment.
  • the heat exchange system 1 is in heat pump mode, shown in Figure 2.
  • the heat transfer fluid then circulates in a closed loop:
  • the first heat exchanger 5 forms the evaporator which draws heat from the outside air and the second heat exchanger 15 forms the heat transfer condenser, thereby heating the interior medium.
  • the heat exchange system described above makes it possible in particular to ensure operation in heat pump mode in which a thermal power level can be adjusted by acting on the capacity step of the low pressure compression stage 21, the capacity of the continuously variable high pressure compression stage 22 being modulated to regulate the thermal power of the heat pump (around a value set by the capacity step of the low pressure compression stage 21).
  • the compression unit 20 can deliver a higher or lower condensation pressure so as to regulate the power thermal system developed by the heat exchange system.
  • the higher-capacity 23b low-pressure compressor operates in series with the high-pressure compressor 24 enabling the heat exchange system to develop a thermal power in a third range, greater than the first and second ranges, depending in particular on the speed of the high-pressure compressor 24 and an outside temperature of the outside air.
  • the two low-pressure compressors 23a, 23b operate in series with the high-pressure compressor 24 enabling the heat exchange system to develop a thermal power in a fourth range, greater than the first, second and third ranges, depending in particular on the speed of the high pressure compressor 24 and an outside temperature of the outside air.
  • a relative dimensioning of the low-pressure compressors 23a, 23b and high-pressure compressors 24 for the third two-stage operation offering an optimized coefficient of performance is:
  • variable speed compressor 24 having a capacity ranging from X to 100%, with X less than 50%
  • the control unit acts on the heat transfer fluid circuit so that a first portion of the heat transfer fluid circulates from the second end 17 (outlet) of the second heat exchanger 15 (condenser) to the suction inlet 25 of the high pressure compressor 24 through the injection pipe 46, and a second portion of the heat transfer fluid from the second end 17 (outlet ) of the second heat exchanger 15 (condenser) to the first end 6 (inlet) of the first heat exchanger 5 (evaporator).
  • the heat exchange system then makes it possible to implement a control method that allows, for each capacity step of the first compression stage 21 defining a main power level (determined by the configuration of low pressure compressors 23a , 23b in operation), to benefit from a range of regulation of the thermal power of the heat pump, by acting on the speed of the high-pressure compressor 24. It is thus possible to regulate more finely the thermal power of the heat pump and reduce losses due to configuration changes and overpowering operation. On the other hand, the regulation process does not aim at maximizing the instantaneous coefficient of performance (COP) of the heat exchange system 1.
  • COP instantaneous coefficient of performance
  • a main control loop that manages the choice of low-pressure compressors 23a, 23b in operation, that is to say the choice of the configuration of the low-pressure compression stage 21, or the choice of the capacity step the low pressure compression stage 21, and
  • step S1 A secondary control loop that regulates the speed of the high pressure compressor 24 to modulate the heat output level of the heat pump around the main level.
  • the initial configuration of the low pressure compression stage 21 is selected (step S1).
  • each configuration Config.1, Config.2, Config.3 and Config. 4 may then correspond to a defined external temperature range Text, for example respectively between 5 ° C and 15 ° C, between 0 ° C and 5 ° C, between -5 ° C and 0 ° C and -10 ° C and -5 ° C.
  • the selection of the starting configuration is based on charts, shown in FIG. 7, or interpolation functions stored in the control unit and giving the starting configuration as a function of the temperature.
  • Tw_c f (Text)
  • the target thermal power to be delivered obtained in particular by a power law, depending on the outside temperature Text.
  • the first available configuration of higher capacity can be selected.
  • the configuration which presents the best instantaneous energetic efficiency at the considered point can be selected.
  • the start-up configuration can possibly be modulated by the measurement / setpoint error on the water temperature Tw at startup.
  • the initial speed of the high pressure compressor 24 is then selected (step S2).
  • the selection of the initial speed is based on the configuration of the low-pressure compression stage 21 only (typically median value of the range of variation).
  • the selection of the initial speed is made from charts or interpolation functions stored in the control unit and giving the initial speed of the high-pressure compressor 24 as a function of the configuration of the low-pressure compressors. 23a, 23b, the estimated thermal power and the external temperature Text (and possibly the set water temperature Tw_c).
  • the selection of the initial speed is done in a mixed way, as a function of the configuration of the low-pressure compressors 23a, 23b for the two-stage operations, and as a function of the estimated thermal power and the outside temperature. (and possibly the set water temperature Tw_c) for single-stage operation.
  • the compressors of the low pressure compression stage 21 are then actuated according to the initial configuration selected (step S3).
  • step S4 It then enters the secondary control loop in which the speed of the high pressure compressor 24 is managed by a regulator of the control unit intended to reduce the difference between the measured water temperature Tw_mes fatee and the set water temperature Tw_c (step S4) .
  • This deviation is determined by the absolute value of the difference between the measured water temperature Tw_mes fatee and the temperature setpoint water Tw_c (abs (Tw_measured-Tw_c)).
  • the measured water temperature Tw_measured may be the water flow temperature (at the heat pump outlet), the water return temperature (at the heat pump inlet) or a combination of the two.
  • the controller used can be a controller of PID, PI, fuzzy logic, state space, etc.
  • the regulator has for input the error measurement / instruction, with generally the evolution of this error, possibly taking into account the external temperature Text and its evolution.
  • the speed of the high pressure compressor 24 is preferably limited between a maximum speed or capacity and a minimum speed or capacity to guarantee the operation of the compressors in their respective operating envelopes and an instantaneous coefficient of performance (COP) greater than or equal to a minimum coefficient of performance determined and deemed acceptable.
  • the terminals can be:
  • the operating limits to measured operating conditions, such as the suction and discharge pressures of the low pressure compressors 23a, 23b and / or high pressure 24, the discharge temperatures of the low pressure compressors 23a , 23b and / or high pressure 24, intensity of the current in the compressors and the compression ratios supported by the low pressure and / or high pressure compressors.
  • An additional level of regulation may be provided to reduce the speed of the high pressure compressor 24 when one of the above operating conditions reaches a critical value, and in particular when:
  • the delivery temperature of the high-pressure compressor 24 approaches a maximum value (by acting on the setpoint of the secondary regulation loop),
  • the current in the high-pressure compressor 24 approaches a maximum value (by acting on the setpoint of the secondary loop).
  • the condensing pressure at the output of the high pressure compressor 24 approaches a maximum value (by acting on the setpoint of the main loop).
  • the main control loop then acts on the main heat output level of the heat pump which is regulated so that the water temperature Tw in the water circuit 36 approaches the set water temperature Tw_c.
  • the choice of the configuration of the low pressure compression stage 21 is managed by a simple loop which increments or decrements the configuration when the water temperature Tw exits a range Tw_c +/- ATw (steps S5 and S6, S7 and S8).
  • the main control loop is preferably provided by a discrete output type PID controller, possibly with hysteresis and / or a minimum duration between two configuration changes.
  • This controller may optionally include an operating point, that is to say a calculated estimated configuration (charts) as a function of the outside temperature, and, possibly, depending on the water loop setpoint temperature (law of water) and the thermal power to be delivered (power law).
  • the PID controller modulates the estimated configuration according to the measurement / setpoint error on the water temperature Tw.
  • the controller of the main control loop can manage the succession of configurations of the low pressure compression stage 21 to maintain the water temperature Tw in a range defined around the setpoint Tw_c, with hysteresis and / or a minimum duration between two configuration changes.
  • step S5 when the speed of the high-pressure compressor 24 reaches a maximum speed Vmax and the measured water temperature Tw_mes fatee remains lower than the set water temperature Tw_c, to a certain extent ATw predefined, the next configuration of higher available capacity is selected (steps S5 and S6).
  • step S7 and S8 the next configuration of lower capacity available is selected (steps S7 and S8).
  • some configurations may not be available. For example, single-stage operation is not available when the overall compression ratio is too large to be supported by the single high pressure compressor 24.
  • control method can be carried out continuously, continuously measuring the control variables such as the outdoor and water temperatures and successively performing the steps described above.
  • This method is based on the knowledge of the complete functioning mapping of the heat pump, in the form of charts, shown in FIG. 9, or of interpolation functions stored in the control unit.
  • the power demanded by the regulator from the heat pump is given by a capacity indicator I which varies continuously in the same direction as the thermal power supplied by the heat pump.
  • This indicator I is translated, thanks to the complete mapping, into a pair comprising a capacity step corresponding to a configuration of the low-pressure compression stage 21, and a speed of the high-pressure compressor 24, the torque thus determined being applied to the heat pump.
  • the regulator controls this indicator I to act on the thermal power of the heat pump.
  • the controller used can be PID, PI, fuzzy logic, state space, etc.
  • the controller controls the capacity indicator I to reduce the difference between the measured water temperature Tw_measured and the set water temperature Tw_c (abs (tw_measured-Tw_c)) (step S1 ').
  • the regulator has as input the difference between the measured water temperature Tw_measured and the set water temperature Tw_c, with generally the evolution of this difference, possibly taking into account the external temperature Text and its evolution.
  • the capacitance indicator I is then translated into a configuration choice of the low pressure compression stage 21 and a speed of the high pressure compressor 24, taking into account the outside temperature Text and the water temperature Tw (step S2 '). It is this step which is based on the detailed knowledge of the heat pump, whose operation mapping is represented by interpolation functions or charts ( Figure 9).
  • the control unit determines the torques comprising the capacity step of the low-pressure compression stage 21 and the speed of the high-pressure compressor 24 available, that is, that is, compatible with the operating envelopes of the compressors and with a sufficient instantaneous coefficient of performance. Of the couples available, a couple is selected. If the configuration of the low pressure compression stage 21 in progress is available, it is selected. If the current configuration is no longer available, the next available configuration is selected. Optionally, an additional condition may impose a minimum time between two configuration changes.
  • the low pressure compressors 23a, 23b are turned on or off according to the selected configuration (steps S3 'and S4'). On the other hand, if the selected configuration is not different from the current configuration, only the speed of the high pressure compressor 24 is changed to reach the selected speed.
  • the step of selecting the torque comprising the capacity step of the low pressure compression stage 21 and the speed of the high pressure compressor 24 can be treated in several ways, in particular with or without hysteresis, with or without additional conditions over the duration minimum between two configuration changes, etc.
  • the control method can be carried out continuously, continuously measuring the control variables such as the outdoor and water temperatures and successively performing the steps described above.

Abstract

Système d'échange thermique et procédé de régulation d'une puissance thermique développée par un tel système d'échange thermique Système d'échange thermique (1) comprenant: -deux échangeurs de chaleur (5, 15) formant l'un un évaporateur et l'autre un condenseur, -un circuit de fluide caloporteur comprenant au moins des premier (21) et deuxième (22) étages de compression agencés en série, le premier étage de compression (21) refoulant le fluide caloporteur dans le deuxième étage de compression (22), -une unité de commande connectée au circuit de fluide caloporteur, dans lequel le premier étage de compression (21) comprend une pluralité de compresseurs à capacité fixe (23a, 23b) connectés en parallèle et présente une capacité variable par pas, et le deuxième étage de compression (22) comprend au moins un compresseur à capacité variable (24) et présente une capacité variable en continu, l'unité de commande étant adaptée pour: -régler un niveau de puissance thermique du système d'échange thermique (1) en choisissant l'un parmi une pluralité de pas de capacité du premier étage de compression (21), et -moduler la puissance thermique du système d'échange thermique (1) autour du niveau réglé en utilisant la capacité du deuxième étage de compression (22).

Description

Système d'échange thermique et procédé de régulation d'une puissance thermique développée par un tel système d'échange thermique
L'invention se rapporte à un système d'échange thermique et à un procédé de régulation de la puissance thermique développée par un tel système d'échange thermique.
En particulier, l'invention se rapporte à un système d'échange thermique adapté pour réaliser des échanges thermiques entre de l'air extérieur situé à l'extérieur d'un espace et un milieu intérieur circulant à l'intérieur de l'espace, ledit système d'échange thermique comprenant :
- des premier et deuxième échangeurs de chaleur pour échanger de la chaleur respectivement avec l'air extérieur et le milieu intérieur, lesdits premier et deuxième échangeurs de chaleur présentant chacun une entrée et une sortie et formant l'un un évaporateur et l'autre un condenseur,
- un circuit de fluide caloporteur adapté pour faire circuler un fluide caloporteur entre l'évaporateur et le condenseur, ledit circuit de fluide caloporteur comprenant une unité de compression placée entre la sortie de l'évaporateur et l'entrée du condenseur, et une unité de détente placée entre la sortie du condenseur et l'entrée de l'évaporateur, - une unité de commande connectée au circuit de fluide caloporteur.
L'invention s'applique, en particulier, à la régulation d'une puissance thermique développée par le système d'échange thermique, notamment dans un fonctionnement comme pompe à chaleur associée à un espace ou un bâtiment, pour permettre de maintenir une consigne de température à l'intérieur de l'espace ou du bâtiment en apportant à cet espace ou ce bâtiment une puissance thermique équivalente aux pertes thermiques (apports internes et externes déduits).
Par exemple, une pompe à chaleur air/eau à compression de vapeur récupère de la chaleur sur l'air extérieur à une température extérieure, puis elle transmet cette chaleur à l'espace à une température d'un circuit d'eau de chauffage. Si l'unité de compression a une capacité constante (débit d'aspiration constant), la puissance thermique du cycle va diminuer avec la température extérieure (la densité du fluide caloporteur à l'aspiration de l'unité de compression diminue, donc, le débit massique du fluide caloporteur dans le cycle diminue, et la puissance thermique transportée par le fluide caloporteur d'une source froide à laquelle l'évaporateur prélève de la chaleur vers un puits chaud auquel le condenseur transfère la chaleur prélevée diminue). Pour une pompe à chaleur à capacité constante associée à un bâtiment, la demande calorifique du bâtiment et la production calorifique de la pompe à chaleur sont donc en opposition. Si la pompe à chaleur est dimensionnée pour répondre aux besoins à une température extérieure donnée, elle sera surpuissante aux températures extérieures plus élevées avec, pour inconvénients, des pertes de performance liées au cyclage de la pompe à chaleur (marche/arrêt) et au surplus de chaleur transporté (pertes échangeurs, pertes de charge).
Pour maximiser le rendement de la pompe à chaleur, il est donc intéressant de pouvoir réguler la puissance thermique pour coller aux besoins de l'espace ou du bâtiment.
Le document US 5 927 088 décrit un système d'échange thermique dans lequel l'unité de compression comprend un compresseur additionnel utilisé en série avec un compresseur primaire comme appoint lorsque le compresseur primaire ne peut satisfaire un besoin, notamment en chauffage.
Les documents EP 2 088 388 et US 4 947 655 décrivent, par ailleurs, des systèmes d'échange thermique dans lesquels la puissance thermique est régulée par un premier étage de compression pour atteindre une puissance thermique cible, un deuxième étage de compression servant à réguler un niveau de pression intermédiaire pour optimiser le coefficient de performance.
Les systèmes d'échange thermique connus ne permettent toutefois pas de réaliser de manière simple une régulation précise de la puissance thermique développée par le système d'échange thermique.
L'invention vient améliorer la situation. A cet effet, selon un premier aspect, l'invention propose un système d'échange thermique adapté pour réaliser des échanges thermiques entre de l'air extérieur situé à l'extérieur d'un espace et un milieu intérieur circulant à l'intérieur de l'espace, ledit système d'échange thermique comprenant :
- des premier et deuxième échangeurs de chaleur pour échanger de la chaleur respectivement avec l'air extérieur et le milieu intérieur, lesdits premier et deuxième échangeurs de chaleur présentant chacun une entrée et une sortie et formant l'un un évaporateur et l'autre un condenseur, - un circuit de fluide caloporteur adapté pour faire circuler un fluide caloporteur entre l'évaporateur et le condenseur, ledit circuit de fluide caloporteur comprenant une unité de compression placée entre la sortie de l'évaporateur et l'entrée du condenseur, et une unité de détente placée entre la sortie du condenseur et l'entrée de l'évaporateur, ladite unité de compression comprenant au moins des premier et deuxième étages de compression agencés en série, le premier étage de compression refoulant le fluide caloporteur dans le deuxième étage de compression,
- une unité de commande connectée au circuit de fluide caloporteur,
dans lequel le premier étage de compression comprend une pluralité de compresseurs à capacité fixe connectés en parallèle et présente une capacité variable par pas, ladite pluralité de compresseurs à capacité fixe présentant une pluralité de configurations différentes définissant les pas de capacité, et le deuxième étage de compression comprend au moins un compresseur à capacité variable et présente une capacité variable en continu, l'unité de commande étant adaptée pour réguler une puissance thermique développée par le système d'échange thermique à partir de variations des capacités des premier et deuxième étages de compression, l'unité de commande étant adaptée pour :
- régler un niveau de puissance thermique du système d'échange thermique en choisissant l'un parmi la pluralité de pas de capacité du premier étage de compression, et - moduler la puissance thermique du système d'échange thermique autour du niveau réglé en utilisant la capacité du deuxième étage de compression.
Ainsi, le système d'échange thermique selon l'invention présente une structure simple dont la puissance thermique peut être régulée de manière précise en fonction de la demande calorifique de l'espace. En particulier, selon l'invention, la capacité du premier étage de compression est choisie parmi une pluralité de valeurs de capacité discrètes pour atteindre une puissance thermique voisine d'une puissance thermique cible, et la capacité du deuxième étage de compression est modulée pour approcher la puissance thermique cible.
Par ailleurs, l'unité de compression peut comprendre une conduite de dérivation connectée en parallèle du premier étage de compression, l'unité de commande étant adaptée pour commander :
- un fonctionnement multi-étagé dans lequel les premier et deuxième étages de compression fonctionnent en série, le fluide caloporteur circulant successivement dans les premier et deuxième étages de compression, - un fonctionnement mono-étagé dans lequel le deuxième étage de compression fonctionne, le premier étage de compression étant arrêté, le fluide caloporteur circulant successivement dans la conduite de dérivation et dans le deuxième étage de compression.
Dans un mode de réalisation, le système d'échange thermique peut comprendre en outre un échangeur de sous-refroidissement placé entre les premier et deuxième échangeurs de chaleur, et une conduite d'injection connectant le deuxième échangeur de chaleur à une entrée d'aspiration du deuxième étage de compression au travers de l'échangeur de sous-refroidissement, l'unité de commande étant adaptée pour, en fonctionnement multi-étagé, faire circuler une première partie du fluide caloporteur depuis la sortie du deuxième échangeur de chaleur formant le condenseur vers l'entrée d'aspiration du deuxième étage de compression par la conduite d'injection, et une deuxième partie du fluide caloporteur depuis la sortie du deuxième échangeur de chaleur formant le condenseur vers l'entrée du premier échangeur de chaleur formant l'évaporateur.
De telles dispositions permettent d'améliorer le rendement et la capacité du cycle. Dans un mode de réalisation, le système d'échange thermique peut comprendre en outre un circuit d'air et un circuit d'eau auxquels les premier et deuxième échangeurs de chaleur sont respectivement associés, et dans lequel l'unité de commande peut être adaptée pour mesurer une température d'eau dans le circuit d'eau et pour déterminer une température d'eau de consigne dans le circuit d'eau, l'unité de commande étant adaptée pour successivement et en continu :
- choisir l'un des pas de capacité du premier étage de compression,
- faire varier la capacité du deuxième étage de compression pour réduire un écart entre la température d'eau mesurée et la température d'eau de consigne,
- si la capacité du deuxième étage de compression atteint une borne et si l'écart reste supérieur à un écart seuil, changer le pas de capacité du premier étage de compression.
L'unité de commande peut alors être adaptée pour mesurer une température d'air dans le circuit d'air, l'unité de commande étant adaptée pour choisir un pas de capacité initial du premier étage de compression au moins en fonction de la température d'air. Par ailleurs, l'unité de commande peut être adaptée pour sélectionner une capacité initiale du deuxième étage de compression au moins en fonction du pas de capacité du premier étage de compression. En outre, l'unité de commande est adaptée pour changer le pas de capacité du premier étage de compression si la capacité du deuxième étage de compression est dans une plage déterminée.
Dans un autre mode de réalisation, le système d'échange thermique peut comprendre en outre un circuit d'air et un circuit d'eau auxquels les premier et deuxième échangeurs de chaleur sont respectivement associés, et dans lequel l'unité de commande peut être adaptée pour mesurer une température d'eau dans le circuit d'eau et pour déterminer une température d'eau de consigne dans le circuit d'eau, l'unité de commande étant adaptée pour successivement et en continu :
- déterminer une pluralité de couples de capacités comprenant chacun l'un des pas de capacité du premier étage de compression et l'une des capacités du deuxième étage de compression,
- choisir l'un des couples de capacités pour réduire un écart entre la température d'eau mesurée et la température d'eau de consigne,
- si l'écart reste supérieur à un écart seuil, changer le couple de capacités.
L'unité de commande peut alors être adaptée pour mesurer une température d'air dans le circuit d'air et pour déterminer une puissance thermique cible, l'unité de commande étant adaptée pour déterminer la pluralité de couples de capacités en fonction de la température d'air et de la puissance thermique cible.
Dans l'un comme dans l'autre des modes de réalisation, l'unité de commande peut être adaptée pour borner la capacité du deuxième étage de compression entre une capacité minimale et une capacité maximale, lesdites capacités minimale et maximale étant choisies pour maintenir les premier et deuxième étages de compression dans des enveloppes de fonctionnement respectives et pour obtenir un coefficient de performance supérieur ou égale à un coefficient de performance minimum déterminé.
En particulier, l'unité de commande peut être adaptée pour faire varier les capacités minimale et maximale du deuxième étage de compression en fonction du pas de capacité du premier étage de compression. L'unité de commande peut être adaptée pour réduire la capacité du deuxième étage de compression lorsqu'une grandeur représentative d'un état de fonctionnement du deuxième étage de compression atteint une valeur critique, en particulier ladite grandeur est choisie parmi une température mesurée en sortie du deuxième étage de compression, une pression mesurée en sortie du deuxième étage de compression, un courant électrique alimentant le deuxième étage de compression et un taux de compression supporté par le deuxième étage de compression.
Selon un deuxième aspect l'invention propose un procédé de régulation d'une puissance thermique développé par un système d'échange thermique, ledit procédé mettant en œuvre un système d'échange thermique adapté pour réaliser des échanges thermiques entre de l'air extérieur situé à l'extérieur d'un espace et un milieu intérieur circulant à l'intérieur de l'espace, ledit système d'échange thermique comprenant :
- des premier et deuxième échangeurs de chaleur pour échanger de la chaleur respectivement avec l'air extérieur et le milieu intérieur, lesdits premier et deuxième échangeurs de chaleur présentant chacun une entrée et une sortie et formant l'un un évaporateur et l'autre un condenseur,
- un circuit de fluide caloporteur adapté pour faire circuler un fluide caloporteur entre l'évaporateur et le condenseur, ledit circuit de fluide caloporteur comprenant une unité de compression placée entre la sortie de l'évaporateur et l'entrée du condenseur, et une unité de détente placée entre la sortie du condenseur et l'entrée de l'évaporateur, ladite unité de compression comprenant au moins des premier et deuxième étages de compression agencés en série, le premier étage de compression refoulant le fluide caloporteur dans le deuxième étage de compression, le premier étage de compression comprenant une pluralité de compresseurs à capacité fixe connectés en parallèle et présentant une capacité variable par pas, ladite pluralité de compresseurs à capacité fixe présentant une pluralité de configurations différentes définissant les pas de capacité, et le deuxième étage de compression comprenant au moins un compresseur à capacité variable et présentant une capacité variable en continu,
- une unité de commande connectée au circuit de fluide caloporteur,
ledit procédé de régulation prévoyant de réguler la puissance thermique développée par le système d'échange thermique à partir de variations des capacités des premier et deuxième étages de compression, ledit procédé de régulation prévoyant de :
- régler un niveau de puissance thermique du système d'échange thermique en choisissant l'un parmi la pluralité de pas de capacité du premier étage de compression, et
- moduler la puissance thermique du système d'échange thermique autour du niveau réglé en utilisant la capacité du deuxième étage de compression. Dans un mode de réalisation particulier, le procédé de régulation met en œuvre un système d'échange thermique tel que défini précédemment. L'unité de compression peut comprendre une conduite de dérivation connectée en parallèle du premier étage de compression. Le procédé de régulation peut alors prévoir de commander :
- un fonctionnement multi-étagé dans lequel les premier et deuxième étages de compression fonctionnent en série, le fluide caloporteur circulant successivement dans les premier et deuxième étages de compression,
- un fonctionnement mono-étagé dans lequel le deuxième étage de compression fonctionne, le premier étage de compression étant arrêté, le fluide caloporteur circulant successivement dans la conduite de dérivation et dans le deuxième étage de compression.
Dans un mode de réalisation, le système d'échange thermique peut comprendre en outre un échangeur de sous-refroidissement placé entre les premier et deuxième échangeurs de chaleur, et une conduite d'injection connectant le premier échangeur de chaleur à une entrée d'aspiration du deuxième étage de compression au travers de l'échangeur de sous-refroidissement. Le procédé de régulation peut alors prévoir de, en fonctionnement multi-étagé, faire circuler une première partie du fluide caloporteur depuis la sortie du premier échangeur de chaleur formant le condenseur vers l'entrée d'aspiration du deuxième étage de compression par la conduite d'injection, et une deuxième partie du fluide caloporteur depuis la sortie du premier échangeur de chaleur formant le condenseur vers l'entrée du deuxième échangeur de chaleur formant l'évaporateur.
Dans un mode de réalisation, le système d'échange thermique peut comprendre en outre un circuit d'air et un circuit d'eau auxquels les premier et deuxième échangeurs de chaleur sont respectivement associés, le procédé de régulation pouvant prévoir de :
- mesurer une température d'eau dans le circuit d'eau et déterminer une température d'eau de consigne dans le circuit d'eau, et
- réaliser successivement et en continu les étapes consistant à :
choisir l'un des pas de capacité du premier étage de compression, faire varier la capacité du deuxième étage de compression pour réduire un écart entre la température d'eau mesurée et la température d'eau de consigne, si la capacité du deuxième étage de compression atteint une borne et si l'écart reste supérieur à un écart seuil, changer le pas de capacité du premier étage de compression.
Le procédé de régulation peut prévoir de :
- mesurer une température d'air dans le circuit d'air et
- choisir un pas de capacité initial du premier étage de compression au moins en fonction de la température d'air.
Le procédé de régulation peut prévoir de sélectionner une capacité initiale du deuxième étage de compression au moins en fonction du pas de capacité du premier étage de compression.
Le procédé de régulation peut prévoir de changer le pas de capacité du premier étage de compression si la capacité du deuxième étage de compression est dans une plage déterminée.
Dans un autre mode de réalisation, le système d'échange thermique peut comprendre en outre un circuit d'air et un circuit d'eau auxquels les premier et deuxième échangeurs de chaleur sont respectivement associés, le procédé de régulation pouvant prévoir de :
- mesurer une température d'eau dans le circuit d'eau et déterminer une température d'eau de consigne dans le circuit d'eau, et
- réaliser successivement et en continu les étapes consistant à :
déterminer une pluralité de couples de capacités comprenant chacun l'un des pas de capacité du premier étage de compression et l'une des capacités du deuxième étage de compression,
choisir l'un des couples de capacités pour réduire un écart entre la température d'eau mesurée et la température d'eau de consigne,
si l'écart reste supérieur à un écart seuil, changer le couple de capacités.
Le procédé de régulation peut prévoir de :
- mesurer une température d'air dans le circuit d'air et de déterminer une puissance thermique cible,
- déterminer la pluralité de couples de capacités en fonction de la température d'air et de la puissance thermique cible. Dans l'un ou l'autre des modes de réalisation, le procédé de régulation peut prévoir de borner la capacité du deuxième étage de compression entre une capacité minimale et une capacité maximale, lesdites capacités minimale et maximale étant choisies pour maintenir les premier et deuxième étages de compression dans des enveloppes de fonctionnement respectives et pour obtenir un coefficient de performance déterminé.
Le procédé de régulation peut prévoir de faire varier les capacités minimale et maximale du deuxième étage de compression en fonction du pas de capacité du premier étage de compression.
Le procédé de régulation peut prévoir de réduire la capacité du deuxième étage de compression lorsqu'une grandeur représentative d'un état de fonctionnement du deuxième étage de compression atteint une valeur critique, en particulier ladite grandeur est choisie parmi une température mesurée en sortie du deuxième étage de compression, une pression mesurée en sortie du deuxième étage de compression, un courant électrique alimentant le deuxième étage de compression et un taux de compression supporté par le deuxième étage de compression. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers de l'invention donnés à titre d'exemple non limitatif, la description étant faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique d'un système d'échange thermique selon un mode de réalisation de l'invention, le système d'échange thermique comprenant une unité de compression bi-étagée, l'unité de compression comprenant un premier étage de compression à capacité variable par pas et un deuxième étage de compression en série à capacité variable en continu, le système d'échange thermique fonctionnant selon un mode climatiseur,
- la figure 2 est une représentation schématique du système d'échange thermique de la figure 1 fonctionnant selon un mode pompe à chaleur,
- la figure 3 est une représentation schématique de quatre configurations du premier étage de compression du système d'échange thermique de la figure 2, les configurations permettant d'obtenir des puissances thermiques différentes développées par le système d'échange thermique, - la figure 4 est un graphe illustrant schématiquement l'évolution de la puissance thermique développée par chacune des configurations de la figure 3 en fonction d'une température extérieure situé à l'extérieur d'un espace à chauffer,
- la figure 5 est un diagramme illustrant les étapes d'un premier mode de réalisation d'un procédé de régulation de la puissance thermique développée par le système d'échange thermique de la figure 2, le procédé de régulation prévoyant de réguler la puissance thermique en choisissant un pas de capacité du premier étage de compression puis en faisant varier la capacité du deuxième étage de compression,
- la figure 6 illustre une étape de sélection de la configuration initiale du premier étage de compression dans le procédé de régulation de la figure 5, la sélection étant faite en fonction de la température extérieure,
- la figure 7 illustre une variante de l'étape de sélection de la configuration initiale du premier étage de compression dans le procédé de régulation de la figure 5, la sélection étant faite à partir d'abaques donnant la configuration initiale en fonction de la température extérieure, d'une température d'eau de consigne et d'une puissance thermique cible,
- la figure 8 est un diagramme illustrant les étapes d'un deuxième mode de réalisation du procédé de régulation de la puissance thermique développée par le système d'échange thermique de la figure 2, le procédé de régulation prévoyant de réguler la puissance thermique en choisissant l'un parmi une pluralité de couples de capacités comprenant chacun l'un des pas de capacité du premier étage de compression et l'une des capacités du deuxième étage de compression,
- la figure 9 illustre une étape de sélection du couple comprenant la configuration du premier étage de compression et la capacité du deuxième étage de compression dans le procédé de régulation de la figure 8, la sélection étant faite à partir d'abaques donnant le couple en fonction de la température extérieure, d'une température d'eau de consigne et d'un indicateur de puissance.
Sur les figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou analogues.
Les figures 1 et 2 représentent un système d'échange thermique 1 respectivement pour le refroidissement et le chauffage d'un milieu intérieur, par exemple de l'eau, circulant dans un espace 2, tel qu'une pièce d'une habitation, un local technique ou autre. En variante, le milieu intérieur pourrait être autre que de l'eau, et notamment de l'air. Le système d'échange thermique 1 permet soit de chauffer l'eau en prélevant de la chaleur à de l'air extérieur situé à l'extérieur de l'espace 2 (source froide) et en transférant à l'eau (source chaude/puits chaud) la chaleur prélevée (figure 2), soit de refroidir l'eau en lui prélevant de la chaleur (source froide) et en transférant à l'air extérieur (source chaude/puits chaud) la chaleur prélevée (figure 1 ). Le système d'échange thermique 1 comprend :
- un premier échangeur de chaleur 5, formant sélectivement un évaporateur ou un condenseur, destiné à réaliser des échanges thermiques avec l'air extérieur, le premier échangeur de chaleur 5 présentant une première extrémité 6 et une deuxième extrémité 7 qui forment l'une une entrée E et l'autre une sortie S,
- un deuxième échangeur de chaleur 15, formant sélectivement un évaporateur ou un condenseur, destiné à réaliser des échanges thermiques avec l'eau, le deuxième échangeur de chaleur 15 présentant une première extrémité 16 et une deuxième extrémité 17 qui forment l'une une entrée E et l'autre une sortie S,
- un circuit de fluide caloporteur connecté aux premier 5 et deuxième 15 échangeurs de chaleur et adapté pour faire circuler un fluide caloporteur, tel qu'un fluide frigorigène, entre le premier échangeur de chaleur 5 et le deuxième échangeur de chaleur 15.
Le circuit de fluide caloporteur comprend une unité de compression multi-étagée 20 et une unité de détente 10.
Sur les figures 1 et 2, l'unité de compression 20 est bi-étagée et comprend un premier étage de compression 21 et un deuxième étage de compression 22 agencés en série. En variante, l'unité de compression 20 pourrait comprendre plus de deux étages de compression agencés en série.
Le premier étage de compression ou étage de compression basse pression (BP) 21 présente une capacité variable par pas, c'est-à-dire qu'il présente une pluralité de valeurs de capacité discrètes définissant chacune un pas de capacité. Pour ce faire, l'étage de compression basse pression 21 comprend uniquement plusieurs compresseurs à capacité fixe connectés en parallèle, et est dépourvu de compresseur à capacité variable. Dans le mode de réalisation représenté, l'étage de compression basse pression 21 comprend deux premiers compresseurs ou compresseurs basse pression (BP) 23a, 23b connectés en parallèle. De manière avantageuse, les compresseurs basse pression 23a, 23b présentent respectivement des cylindrées différentes. En particulier, le compresseur basse pression 23b présente une capacité plus élevée que celle du compresseur basse pression 23a. En variante, l'étage de compression basse pression 21 pourrait comprendre un ou plus de deux compresseurs basse pression 23 en parallèle.
Le deuxième étage de compression ou étage de compression haute pression (HP) 22 présente une capacité variable en continu, c'est-à-dire qu'il présente une pluralité de valeurs de capacité dans un intervalle déterminé. Pour ce faire, l'étage de compression haute pression 22 comprend un ou plusieurs compresseurs à vitesse variable. Dans le mode de réalisation représenté, l'étage de compression haute pression 22 est dépourvu de compresseur à capacité fixe et comprend un unique deuxième compresseur ou compresseur haute pression (HP) 24. En variante, l'étage de compression haute pression 22 pourrait comprendre plusieurs compresseurs haute pression 24 en parallèle dont au moins un est a capacité variable en continu.
Chacun des compresseurs basse pression 23a, 23b et haute pression 24 présente une entrée d'aspiration 25 et une sortie de refoulement 26. Dans le mode de réalisation représenté, les entrées d'aspiration 25 des compresseurs basse pression 23a, 23b sont connectées à une même ligne d'aspiration 27 et les sorties de refoulement 26 des compresseurs basse pression 23a, 23b sont connectées à une même ligne de refoulement 28. Les compresseurs basse pression 23a, 23b et haute pression 24 sont agencés en série, c'est-à-dire que la ligne de refoulement 28 des compresseurs basse pression 23a, 23b est connectée à l'entrée d'aspiration 25 du compresseur haute pression 24. Par ailleurs, comme il apparaîtra de la suite de la description, la ligne d'aspiration 27 des compresseurs basse pression 23a, 23b est connectée à la sortie S de celui des premier 5 et deuxième 15 échangeurs de chaleur qui forme l'évaporateur, et la sortie de refoulement 26 du compresseur haute pression 24 est connectée à l'entrée E de celui des premier 5 et deuxième 15 échangeurs de chaleur qui forme le condenseur.
Pour permettre un fonctionnement mono-étagé en plus d'un fonctionnement bi- étagé qui seront décrit plus loin, l'unité de compression 20 comprend une conduite de dérivation 1 1 pourvue d'un clapet 12 connectée en parallèle de l'étage de compression basse pression 21 , avec une extrémité amont connectée en amont de la ligne d'aspiration 27 et une extrémité aval connectée en aval de la ligne de refoulement 28 des compresseurs basse pression 23a, 23b. La conduite de dérivation 1 1 permet de contourner l'étage de compression basse pression 21 pour n'utiliser que l'étage de compression haute pression 22 dans le fonctionnement mono-étagé. Comme représenté, une conduite de dérivation 3 pourvue d'un clapet 4 peut également être prévue en parallèle de l'étage de compression haute pression 22, avec une extrémité amont connectée en amont de l'entrée d'aspiration 25 et une extrémité aval connectée en aval de la sortie de refoulement 26 du compresseur haute pression 24. Cette conduite de dérivation 3 a un rôle de protection contre d'éventuelles hautes pressions en cas de panne du compresseur haute pression 24 alors que les compresseurs basse pression 23a, 23b sont en marche.
Dans le mode de réalisation représenté, le système d'échange thermique, utilisé dans mode pompe à chaleur décrit plus loin et selon le fonctionnement bi-étagé, fonctionne selon un cycle à injection avec un échangeur de sous-refroidissement 45 ou économiseur.
Pour ce faire, l'échangeur de sous-refroidissement 45 est relié à la première extrémité 6 du premier échangeur de chaleur 5 et à la deuxième extrémité 17 du deuxième échangeur de chaleur 15. Le système d'échange thermique 1 comprend outre une conduite d'injection 46 connectant la deuxième extrémité 17 du deuxième échangeur de chaleur 15 à l'entrée d'aspiration 25 du compresseur haute pression 24 au travers de l'échangeur de sous-refroidissement 45. Un détendeur 47 est placé dans la conduite d'injection 46, entre le deuxième échangeur de chaleur 15 et l'échangeur de sous- refroidissement. Dans ce mode de réalisation, un receveur de liquide 48 peut être prévu. On peut ainsi réaliser un refroidissement du fluide caloporteur entre l'étage de compression basse pression 21 et l'étage de compression haute pression 22 pour limiter la température à la sortie de refoulement 26 de l'étage de compression haute pression 22 et ainsi atteindre une pression de condensation plus élevée. Le refroidissement est ici réalisé en prélevant du fluide caloporteur condensé, en sortie du condenseur, et en la réinjectant entre la ligne de refoulement 28 de l'étage de compression basse pression 21 et l'entrée d'aspiration 25 de l'étage de compression haute pression 22. L'invention n'est toutefois pas limitée à un système d'échange thermique mettant en œuvre un cycle à injection avec un échangeur de sous-refroidissement et s'applique à un système d'échange thermique mettant en œuvre par exemple un cycle à injection totale, un cycle à injection partielle ou un cycle en cascade, le système d'échange thermique étant adapté en conséquence.
Le circuit de fluide caloporteur comprend également un circuit de distribution 40 permettant de faire circuler le fluide caloporteur depuis l'unité de compression 20 vers le premier échangeur de chaleur 5 ou depuis l'unité de compression 20 vers le deuxième échangeur de chaleur 15 afin d'assurer la réversibilité, ou l'inversibilité, du système d'échange thermique 1 . En particulier, le circuit de distribution 40 comporte une boucle de compression 41 dans laquelle les compresseurs basse pression 23a, 23b et haute pression 24 sont placés, et une vanne quatre voies 42 reliant la boucle de compression 41 aux premier 5 et deuxième 15 échangeurs de chaleur. La vanne quatre voies 42 est adaptée pour faire circuler le fluide caloporteur provenant de l'un des premier 5 et deuxième 15 échangeurs de chaleur et entrant dans la boucle de compression 41 vers la ligne d'aspiration 27 des compresseurs basse pression 23a, 23b, et pour distribuer le fluide caloporteur provenant de la sortie de refoulement 26 du compresseur haute pression 24 vers l'autre échangeur de chaleur 5, 15. L'unité de détente 10 comprend un détendeur reliant, par l'intermédiaire d'une ou plusieurs conduites, la sortie de celui des premier 5 et deuxième 15 échangeurs de chaleur qui forme le condenseur et l'entrée de celui des premier 5 et deuxième 15 échangeurs de chaleur qui forme l'évaporateur. Le système d'échange thermique 1 comprend également un circuit d'air 35 associé au premier échangeur de chaleur 5 pour réaliser un échange thermique entre le fluide caloporteur et l'air extérieur, et un circuit d'eau 36 associé au deuxième échangeur de chaleur 15 pour réaliser un échange thermique entre le fluide caloporteur et l'eau circulant à l'intérieur de l'espace 2. En particulier, le circuit d'air 35 peut comprendre des conduites, non représentées, reliées à une entrée d'air et à une sortie d'air , et un ventilateur 39 adapté pour faire circuler l'air entre l'entrée d'air et la sortie d'air au travers du premier échangeur de chaleur 5. Le circuit d'eau 36, par exemple d'une installation de chauffage sanitaire ou de plancher chauffant, peut comprendre des conduites reliées à un système de pompage assurant la circulation de l'eau dans les conduites.
En fonction du sens de circulation du fluide caloporteur, le système d'échange thermique 1 peut fonctionner selon un mode climatiseur (figure 1 ) ou selon un mode pompe à chaleur (figure 2). Un pilotage du système d'échange thermique 1 entre les différents modes est assuré par une unité de commande connectée au circuit de fluide caloporteur. L'unité de commande comprend par exemple un microprocesseur électronique auquel une sonde de température adaptée pour mesurer une température extérieure (Text) de l'air extérieur est connectée. D'autres capteurs ou instruments de mesure de l'unité de commande peuvent être connectés au microprocesseur électronique. En particulier, l'unité de commande peut comprendre une sonde de température adaptée pour mesurer une température intérieure (Tint) de l'air intérieur situé à l'intérieur de l'espace 2, une sonde de température adaptée pour mesurer la température d'eau (Tw) dans le circuit d'eau 36. L'unité de commande peut également comprendre une mémoire dans laquelle différentes données, et notamment une température seuil pour la température extérieure et une température d'eau de consigne (Tw_c) pour le circuit d'eau 36 ou encore, comme il apparaîtra dans la suite de la description, des abaques ou des lois d'eau, sont mémorisées.
Le pilotage du système d'échange thermique 1 selon le mode climatiseur et le mode pompe à chaleur peut être réalisé en fonction du besoin en refroidissement ou en chauffage du milieu intérieur. Le besoin en refroidissement ou en chauffage peut être déterminé de toute manière appropriée. Par exemple, un opérateur peut choisir le mode en agissant directement sur une interface d'entrée de l'unité de commande. En variante, l'unité de commande peut comprendre un thermostat mesurant une température du milieu intérieur et déterminant le mode du système d'échange thermique 1 à partir d'une température de consigne pour le milieu intérieur. Selon une autre variante, l'unité de commande peut déterminer le mode du système d'échange thermique 1 à partir de la température extérieure, notamment par l'intermédiaire d'une loi d'eau mémorisée dans la mémoire de l'unité de commande.
Ainsi, lorsqu'il existe un besoin en refroidissement du milieu intérieur, le système d'échange thermique 1 est en mode climatiseur, représenté sur la figure 1. Le fluide caloporteur circule alors en boucle fermée :
- depuis l'unité de compression 20 vers la deuxième extrémité 7, formant l'entrée E, du premier échangeur de chaleur 5, puis
- depuis la première extrémité 6, formant la sortie S, du premier échangeur de chaleur 5 vers la deuxième extrémité 17, formant l'entrée E, du deuxième échangeur de chaleur 15 au travers de l'unité de détente 10 et de l'échangeur de sous-refroidissement 45, puis
- depuis la première extrémité 16, formant la sortie S, du deuxième échangeur de chaleur 15 vers l'unité de compression 20. Le deuxième échangeur de chaleur 15 forme l'évaporateur prélevant de la chaleur au milieu intérieur et le premier échangeur de chaleur 5 forme le condenseur transférant la chaleur à l'air extérieur, de sorte à refroidir le milieu intérieur. Lorsqu'il existe un besoin de chauffage du milieu intérieur, le système d'échange thermique 1 est en mode pompe à chaleur, représenté sur la figure 2. Le fluide caloporteur circule alors en boucle fermée :
- depuis l'unité de compression 20 vers la première extrémité 16, formant l'entrée
E, du deuxième échangeur de chaleur 15, puis
- depuis la deuxième extrémité 17, formant la sortie S, du deuxième échangeur de chaleur 15 vers la première extrémité 6, formant l'entrée E, du premier échangeur de chaleur 5 au travers de l'unité de détente 10 et de l'échangeur de sous-refroidissement 45, puis
- depuis la deuxième extrémité 7, formant la sortie S, du premier échangeur de chaleur 5 vers l'unité de compression 20.
Le premier échangeur de chaleur 5 forme l'évaporateur prélevant de la chaleur à l'air extérieur et le deuxième échangeur de chaleur 15 forme le condenseur transférant la chaleur milieu intérieur, de sorte à chauffer le milieu intérieur.
Le système d'échange thermique décrit précédemment permet d'assurer notamment un fonctionnement en mode pompe à chaleur dans lequel un niveau de puissance thermique peut être réglée en agissant sur le pas de capacité de l'étage de compression basse pression 21 , la capacité de l'étage de compression haute pression 22, variable en continu, étant modulée pour réguler la puissance thermique de la pompe à chaleur (autour d'une valeur fixée par le pas de capacité de l'étage de compression basse pression 21 ).
En effet, comme représenté sur les figures 3 et 4, en fonction des compresseurs basse pression 23a, 23b et haute pression 24 en fonctionnement, l'unité de compression 20 peut délivrer une pression de condensation plus ou moins élevée de manière à réguler la puissance thermique développée par le système d'échange thermique.
Dans le fonctionnement mono-étagé, identifié Config.1 sur les figures 3 et 4, seule le compresseur haute pression 24 fonctionne permettant au système d'échange thermique de développer une puissance thermique dans une première plage en fonction notamment de la vitesse du compresseur haute pression 24 et d'une température extérieure de l'air extérieur. Dans un premier fonctionnement bi-étagé, identifié Config.2 sur les figures 3 et 4, le compresseur basse pression 23a de plus faible capacité fonctionne en série avec le compresseur haute pression 24 permettant au système d'échange thermique de développer une puissance thermique dans une deuxième plage, supérieure à la première plage, en fonction notamment de la vitesse du compresseur haute pression 24 et d'une température extérieure de l'air extérieur.
Dans un deuxième fonctionnement bi-étagé, identifié Config.3 sur les figures 3 et 4, le compresseur basse pression 23b de plus haute capacité fonctionne en série avec le compresseur haute pression 24 permettant au système d'échange thermique de développer une puissance thermique dans une troisième plage, supérieure aux première et deuxième plages, en fonction notamment de la vitesse du compresseur haute pression 24 et d'une température extérieure de l'air extérieur. Dans un troisième fonctionnement bi-étagé, identifié Config.4 sur les figures 3 et 4, les deux compresseurs basse pression 23a, 23b fonctionnent en série avec le compresseur haute pression 24 permettant au système d'échange thermique de développer une puissance thermique dans une quatrième plage, supérieure aux première, deuxième et troisième plages, en fonction notamment de la vitesse du compresseur haute pression 24 et d'une température extérieure de l'air extérieur.
A titre d'exemple, un dimensionnement relatif des compresseurs basse pression 23a, 23b et haute pression 24 pour le troisième fonctionnement bi-étagé offrant un coefficient de performance optimisé est :
- pour l'étage de compression haute pression 22, un compresseur à vitesse variable 24 de capacité variant de X à 100%, avec X inférieur à 50%,
- pour l'étage de compression basse pression 21 , deux compresseurs à vitesse fixe 23a, 23b de capacités fixes à 80% et 120%. Dans chacun des premier, deuxième et troisième fonctionnements bi-étagé, pour améliorer le rendement et la capacité de la pompe à chaleur, l'unité de commande agit sur le circuit de fluide caloporteur pour qu'une première partie du fluide caloporteur circule depuis la deuxième extrémité 17 (sortie) du deuxième échangeur de chaleur 15 (condenseur) vers l'entrée d'aspiration 25 du compresseur haute pression 24 par la conduite d'injection 46, et une deuxième partie du fluide caloporteur depuis la deuxième extrémité 17 (sortie) du deuxième échangeur de chaleur 15 (condenseur) vers la première extrémité 6 (entrée) du premier échangeur de chaleur 5 (évaporateur). Le système d'échange thermique selon l'invention permet alors de mettre en œuvre un procédé de régulation qui permet, pour chaque pas de capacité du premier étage de compression 21 définissant un niveau de puissance principal (déterminé par la configuration de compresseurs basse pression 23a, 23b en marche), de bénéficier d'une plage de régulation de la puissance thermique de la pompe à chaleur, en agissant sur la vitesse du compresseur haute pression 24. On peut ainsi réguler plus finement la puissance thermique de la pompe à chaleur et réduire les pertes liées aux changements de configurations et au fonctionnement en surpuissance. Le procédé de régulation ne vise, en revanche, pas à maximiser le coefficient de performance (COP) instantané du système d'échange thermique 1 .
En relation avec les figures 5 à 7, un premier mode de réalisation du procédé de régulation est décrit.
Dans ce procédé de régulation, il y a deux boucles de régulation :
- une boucle de régulation principale qui gère le choix des compresseurs basse pression 23a, 23b en fonctionnement, c'est-à-dire le choix de la configuration de l'étage de compression basse pression 21 , ou encore le choix du pas de capacité de l'étage de compression basse pression 21 , et
- une boucle de régulation secondaire qui régule la vitesse du compresseur haute pression 24 afin de moduler le niveau de puissance calorifique de la pompe à chaleur autour du niveau principal. La configuration initiale de l'étage de compression basse pression 21 est sélectionnée (étape S1 ).
Dans une première variante, la sélection de la configuration initiale se fait en fonction de la température extérieure uniquement Text. Comme représenté sur la figure 6, chaque configuration Config.1 , Config.2, Config.3 et Config. 4 peut correspondre alors à une plage de température extérieur Text définie, par exemple respectivement entre 5°C et 15°C, entre 0°C et 5°C, entre -5°C et 0°C et entre -10°C et -5°C.
Dans une deuxième variante, la sélection de la configuration de démarrage se fait en fonction d'abaques, représentées sur la figure 7, ou de fonctions d'interpolation mémorisées dans l'unité de commande et donnant la configuration de démarrage en fonction de la température extérieure Text, et, éventuellement, en fonction la température d'eau de consigne Tw_c (fixée par une loi d'eau mémorisée dans l'unité de commande, en fonction de la température extérieure Text, Tw_c=f(Text)) et de la puissance thermique cible à délivrer (obtenue notamment par une loi de puissance, en fonction de la température extérieure Text). Dans le cas où aucune configuration ne correspond au point de démarrage, la première configuration disponible de capacité supérieure peut être sélectionnée. Dans le cas où plusieurs configurations sont disponibles, la configuration qui présente le meilleur rendement énergétique instantané au point considéré (toujours grâce aux abaques ou aux fonctions d'interpolation) peut être sélectionnée. La configuration au démarrage peut éventuellement être modulée par l'erreur mesure/consigne sur la température d'eau Tw au démarrage.
La vitesse initiale du compresseur haute pression 24 est ensuite sélectionnée (étape S2).
Dans une première variante, la sélection de la vitesse initiale se fait en fonction de la configuration de l'étage de compression basse pression 21 uniquement (typiquement valeur médiane de la plage de variation). Dans une deuxième variante, la sélection de la vitesse initiale se fait à partir d'abaques ou de fonctions d'interpolation mémorisées dans l'unité de commande et donnant la vitesse initiale du compresseur haute pression 24 en fonction de la configuration des compresseurs basse pression 23a, 23b, de la puissance thermique estimée et de la température extérieure Text (et éventuellement de la température d'eau de consigne Tw_c).
Dans une troisième variante, la sélection de la vitesse initiale se fait de façon mixte, en fonction de la configuration des compresseurs basse pression 23a, 23b pour les fonctionnements bi-étagés, et en fonction de la puissance thermique estimée et de la température extérieure Text (et éventuellement de la température d'eau de consigne Tw_c) pour le fonctionnement mono-étagé.
Les compresseurs de l'étage de compression basse pression 21 sont ensuite actionnés selon la configuration initiale sélectionnée (étape S3).
On entre ensuite dans la boucle de régulation secondaire dans laquelle la vitesse du compresseur haute pression 24 est gérée par un régulateur de l'unité de commande visant à réduire l'écart entre la température d'eau mesurée Tw_mesurée et la température d'eau de consigne Tw_c (étape S4).Cet écart est déterminé par la valeur absolue de la différence entre la température d'eau mesurée Tw_mesurée et la température d'eau de consigne Tw_c (abs(Tw_mesurée-Tw_c)). La température d'eau mesurée Tw_mesurée peut être la température de départ d'eau (en sortie de pompe à chaleur), la température de retour d'eau (en entrée de pompe à chaleur) ou une combinaison des deux.
Le régulateur utilisé peut être un contrôleur de type PID, PI, logique floue, espace d'état, etc.
Le régulateur a pour entrée l'erreur mesure/consigne, avec généralement l'évolution de cette erreur, en prenant éventuellement en compte la température extérieure Text et son évolution. La vitesse du compresseur haute pression 24 est, de préférence, bornée entre une vitesse ou capacité maximale et une vitesse ou capacité minimale pour garantir le fonctionnement des compresseurs dans leurs enveloppes de fonctionnement respectives et un coefficient de performance (COP) instantané supérieur ou égal à un coefficient de performance minimum déterminé et jugé acceptable. Les bornes peuvent être :
- soit fixes et dépendantes de la configuration de l'étage de compression basse pression 21 uniquement,
- soit dynamiques, pour adapter les limites de fonctionnement à des conditions de fonctionnement mesurées, telles que les pressions d'aspiration et de refoulement des compresseurs basse pression 23a, 23b et/ou haute pression 24, les températures de refoulement des compresseurs basse pression 23a, 23b et/ou haute pression 24, intensité du courant dans les compresseurs et les taux de compression supportés par les compresseurs basse pression et/ou haute pression.
Un niveau de régulation supplémentaire peut être prévu pour réduire la vitesse du compresseur haute pression 24 lorsque l'une des conditions de fonctionnement précitées atteint une valeur critique, et en particulier lorsque :
- la température de refoulement du compresseur haute pression 24 s'approche d'une valeur maximale (en agissant sur la consigne de la boucle de régulation secondaire),
- le courant dans le compresseur haute pression 24 s'approche d'une valeur maximale (en agissant sur la consigne de la boucle secondaire). - la pression de condensation en sortie du compresseur haute pression 24 s'approche d'une valeur maximale (en agissant sur la consigne de la boucle principale).
La boucle de régulation principale agit ensuite sur le niveau de puissance calorifique principal de la pompe à chaleur qui est régulée pour que la température d'eau Tw dans le circuit d'eau 36 approche la température d'eau de consigne Tw_c. Le choix de la configuration de l'étage de compression basse pression 21 est géré par une boucle simple qui incrémente ou décrémente la configuration lorsque la température d'eau Tw sort d'une plage Tw_c +/- ATw (étapes S5 et S6, S7 et S8).
La boucle de régulation principale est préférentiellement assurée par un contrôleur de type PID à sortie discrétisée, éventuellement avec de l'hystérésis et/ou une durée minimale entre deux changements de configuration. Ce contrôleur peut éventuellement inclure un point de fonctionnement, c'est-à-dire une configuration estimée calculée (abaques) en fonction de la température extérieure, et, éventuellement, en fonction la température de consigne de boucle d'eau (loi d'eau) et de la puissance thermique à délivrer (loi de puissance). Dans ce cas, le contrôleur PID module la configuration estimée en fonction de l'erreur mesure/consigne sur la température d'eau Tw. Dans une alternative plus simple, le contrôleur de la boucle de régulation principale peut gérer la succession des configurations de l'étage de compression basse pression 21 pour maintenir la température d'eau Tw dans une plage définie autour de la consigne Tw_c, avec de l'hystérésis et/ou une durée minimale entre deux changements de configuration.
En particulier, lorsque la vitesse du compresseur haute pression 24 atteint une vitesse maximale Vmax et que la température d'eau mesurée Tw_mesurée reste inférieure à la température d'eau de consigne Tw_c, dans une certaine mesure ATw prédéfinie, la prochaine configuration de plus haute capacité disponible est sélectionnée (étapes S5 et S6).
Parallèlement, lorsque la vitesse du compresseur haute pression 24 atteint une vitesse minimale Vmin et si la température d'eau mesurée Tw_mesurée reste supérieure à la température d'eau de consigne Tw_c, dans une certaine mesure ATw prédéfinie, la prochaine configuration de plus basse capacité disponible est sélectionnée (étapes S7 et S8). En fonction des conditions de fonctionnement, certaines configuration peuvent toutefois ne pas être disponibles. Par exemple, le fonctionnement mono-étagée n'est pas disponible lorsque le taux de compression global est trop important pour être supporté par le seul compresseur haute pression 24.
En outre, il peut y avoir une condition sur la vitesse du compresseur haute pression 24 pour le changement de configuration de l'étage de compression basse pression 21 , la vitesse compresseur haute pression 24 devant être dans une plage déterminée pour changer le pas de capacité du l'étage de compression basse pression 21 . La méthode de régulation peut être réalisée en continu, en mesurant en continu les grandeurs de contrôle telles que les températures extérieure et d'eau et en réalisant successivement les étapes décrites précédemment.
En relation avec les figures 8 et 9, un deuxième mode de réalisation de la méthode de régulation est décrit.
Dans cette méthode de régulation, il n'y a qu'une boucle de régulation, le choix de la configuration de l'étage de compression basse pression 21 et la vitesse du compresseur haute pression 24 étant régulés dans la même boucle par un même régulateur de l'unité de commande. Les contraintes de fonctionnement liées aux enveloppes des compresseurs et au maintien d'un coefficient de performance instantané acceptable sont intégrées à la boucle de régulation.
Cette méthode est basée sur la connaissance de la cartographie de fonctionnement complète de la pompe à chaleur, sous forme d'abaques, représentées sur la figure 9, ou de fonctions d'interpolation mémorisées dans l'unité de commande.
La puissance demandée à la pompe à chaleur par le régulateur est donnée par un indicateur de capacité I qui varie en continu dans le même sens que la puissance thermique fournie par la pompe à chaleur. Cet indicateur I est traduit, grâce à la cartographie complète, en un couple comprenant un pas de capacité correspondant à une configuration de l'étage de compression basse pression 21 , et une vitesse du compresseur haute pression 24, le couple ainsi déterminé étant appliqué à la pompe à chaleur. Le régulateur contrôle cet indicateur I pour agir sur la puissance thermique de la pompe à chaleur.
Le régulateur utilisé peut être de type PID, PI, logique floue, espace d'état, etc. Le régulateur contrôle l'indicateur de capacité I pour réduire l'écart entre la température d'eau mesurée Tw_mesurée et la température d'eau de consigne Tw_c (abs(tw_mesurée-Tw_c)) (étape S1 ').
Le régulateur a pour entrée l'écart entre la température d'eau mesurée Tw_mesurée et la température d'eau de consigne Tw_c, avec généralement l'évolution de cet écart, en prenant éventuellement en compte la température extérieure Text et son évolution.
L'indicateur de capacité I est ensuite traduit en un choix de configuration de l'étage de compression basse pression 21 et une vitesse du compresseur haute pression 24, en prenant en compte la température extérieure Text et la température d'eau Tw (étape S2'). C'est cette étape qui se base sur la connaissance détaillée de la pompe à chaleur, dont la cartographie de fonctionnement est représentée par des fonctions d'interpolation ou des abaques (figure 9). En particulier, pour chaque point (I, Text, Tw), l'unité de commande détermine les couples comprenant le pas de capacité de l'étage de compression basse pression 21 et la vitesse du compresseur haute pression 24 disponibles, c'est-à-dire compatible avec les enveloppes de fonctionnement des compresseurs et avec un coefficient de performance instantané suffisant. Parmi les couples disponibles, un couple est sélectionné. Si la configuration de l'étage de compression basse pression 21 en cours est disponible, elle est sélectionnée. Si la configuration en cours n'est plus disponible, la configuration disponible suivante est sélectionnée. Eventuellement, une condition supplémentaire peut imposer un temps minimum entre deux changements de configuration.
Si la configuration sélectionnée est différent de la configuration en cours, les compresseurs basse pression 23a, 23b sont activés ou désactivés selon la configuration sélectionnée (étapes S3' et S4'). En revanche, si la configuration sélectionnée n'est pas différente de la configuration en cours, seule la vitesse du compresseur haute pression 24 est modifiée pour atteindre la vitesse sélectionnée.
L'étape de sélection du couple comprenant le pas de capacité de l'étage de compression basse pression 21 et la vitesse du compresseur haute pression 24 peut être traitée de plusieurs façons, notamment avec ou sans hystérésis, avec ou sans conditions supplémentaires sur la durée minimum entre deux changements de configuration, etc. En outre, comme dans la méthode de régulation décrite précédemment, il peut y avoir ou non une régulation dynamique complémentaire des bornes de la vitesse du compresseur haute pression 24 pour maintenir les compresseurs dans leurs enveloppes de fonctionnement respectives.
La méthode de régulation peut être réalisée en continu, en mesurant en continu les grandeurs de contrôle telles que les températures extérieure et d'eau et en réalisant successivement les étapes décrites précédemment.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Système d'échange thermique (1 ) adapté pour réaliser des échanges thermiques entre de l'air extérieur situé à l'extérieur d'un espace (2) et un milieu intérieur circulant à l'intérieur de l'espace (2), ledit système d'échange thermique (1 ) comprenant :
- des premier (5) et deuxième (15) échangeurs de chaleur pour échanger de la chaleur respectivement avec l'air extérieur et le milieu intérieur, lesdits premier (5) et deuxième (15) échangeurs de chaleur présentant chacun une entrée (E) et une sortie (S) et formant l'un un évaporateur et l'autre un condenseur,
- un circuit de fluide caloporteur adapté pour faire circuler un fluide caloporteur entre l'évaporateur et le condenseur, ledit circuit de fluide caloporteur comprenant une unité de compression (20) placée entre la sortie (S) de l'évaporateur et l'entrée (E) du condenseur, et une unité de détente (10) placée entre la sortie (S) du condenseur et l'entrée (E) de l'évaporateur, ladite unité de compression (20) comprenant au moins des premier (21 ) et deuxième (22) étages de compression agencés en série, le premier étage de compression (21 ) refoulant le fluide caloporteur dans le deuxième étage de compression (22),
- une unité de commande connectée au circuit de fluide caloporteur,
ledit système d'échange thermique étant caractérisé en ce que le premier étage de compression (21 ) comprend une pluralité de compresseurs à capacité fixe (23a, 23b) connectés en parallèle et présente une capacité variable par pas, ladite pluralité de compresseurs à capacité fixe (23a, 23b) présentant une pluralité de configurations différentes définissant les pas de capacité, et le deuxième étage de compression (22) comprend au moins un compresseur à capacité variable (24) et présente une capacité variable en continu, l'unité de commande étant adaptée pour réguler une puissance thermique développée par le système d'échange thermique (1 ) à partir de variations des capacités des premier (21 ) et deuxième (22) étages de compression, l'unité de commande étant adaptée pour :
- régler un niveau de puissance thermique du système d'échange thermique (1 ) en choisissant l'un parmi la pluralité de pas de capacité du premier étage de compression
(21 ), et
- moduler la puissance thermique du système d'échange thermique (1 ) autour du niveau réglé en utilisant la capacité du deuxième étage de compression (22).
2. Système d'échange thermique (1 ) selon la revendication 1 , dans lequel l'unité de compression (20) comprend une conduite de dérivation (1 1 ) connectée en parallèle du premier étage de compression (21 ), l'unité de commande étant adaptée pour commander :
- un fonctionnement multi-étagé dans lequel les premier (21 ) et deuxième (22) étages de compression fonctionnent en série, le fluide caloporteur circulant successivement dans les premier (21 ) et deuxième (22) étages de compression,
- un fonctionnement mono-étagé dans lequel le deuxième étage de compression (22) fonctionne, le premier étage de compression (21 ) étant arrêté, le fluide caloporteur circulant successivement dans la conduite de dérivation (1 1 ) et dans le deuxième étage de compression (22).
3. Système d'échange thermique (1 ) selon la revendication 2, comprenant en outre un échangeur de sous-refroidissement (45) placé entre les premier (5) et deuxième (15) échangeurs de chaleur, et une conduite d'injection (46) connectant le deuxième échangeur de chaleur (15) à une entrée d'aspiration (25) du deuxième étage de compression (22) au travers de l'échangeur de sous-refroidissement (45), l'unité de commande étant adaptée pour, en fonctionnement multi-étagé, faire circuler une première partie du fluide caloporteur depuis la sortie (S) du deuxième échangeur de chaleur (15) formant le condenseur vers l'entrée d'aspiration (25) du deuxième étage de compression (22) par la conduite d'injection (46), et une deuxième partie du fluide caloporteur depuis la sortie (S) du deuxième échangeur de chaleur (15) formant le condenseur vers l'entrée (E) du premier échangeur de chaleur (15) formant l'évaporateur.
4. Système d'échange thermique (1 ) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre un circuit d'air (35) et un circuit d'eau (36) auxquels les premier (5) et deuxième (15) échangeurs de chaleur sont respectivement associés, et dans lequel l'unité de commande est adaptée pour mesurer une température d'eau dans le circuit d'eau (36) et pour déterminer une température d'eau de consigne dans le circuit d'eau (36), l'unité de commande étant adaptée pour successivement et en continu :
- choisir l'un des pas de capacité du premier étage de compression (21 ),
- faire varier la capacité du deuxième étage de compression (22) pour réduire un écart entre la température d'eau mesurée et la température d'eau de consigne,
- si la capacité du deuxième étage de compression (22) atteint une borne et si l'écart reste supérieur à un écart seuil, changer le pas de capacité du premier étage de compression (21 ).
5. Système d'échange thermique (1 ) selon la revendication 4, dans lequel l'unité de commande est adaptée pour mesurer une température d'air dans le circuit d'air (35), l'unité de commande étant adaptée pour choisir un pas de capacité initial du premier étage de compression (21 ) au moins en fonction de la température d'air.
6. Système d'échange thermique (1 ) selon la revendication 4 ou 5, dans lequel l'unité de commande est adaptée pour sélectionner une capacité initiale du deuxième étage de compression (22) au moins en fonction du pas de capacité du premier étage de compression (21 ).
7. Système d'échange thermique (1 ) selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel l'unité de commande est adaptée pour changer le pas de capacité du premier étage de compression (21 ) si la capacité du deuxième étage de compression (22) est dans une plage déterminée.
8. Système d'échange thermique (1 ) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre un circuit d'air (35) et un circuit d'eau (36) auxquels les premier
(5) et deuxième (15) échangeurs de chaleur sont respectivement associés, et dans lequel l'unité de commande est adaptée pour mesurer une température d'eau dans le circuit d'eau (36) et pour déterminer une température d'eau de consigne dans le circuit d'eau (36), l'unité de commande étant adaptée pour successivement et en continu :
- déterminer une pluralité de couples de capacités comprenant chacun l'un des pas de capacité du premier étage de compression (21 ) et l'une des capacités du deuxième étage de compression (22),
- choisir l'un des couples de capacités pour réduire un écart entre la température d'eau mesurée et la température d'eau de consigne,
- si l'écart reste supérieur à un écart seuil, changer le couple de capacités.
9. Système d'échange thermique (1 ) selon la revendication 8, dans lequel l'unité de commande est adaptée pour mesurer une température d'air dans le circuit d'air (35) et pour déterminer une puissance thermique cible, l'unité de commande étant adaptée pour déterminer la pluralité de couples de capacités en fonction de la température d'air et de la puissance thermique cible.
10. Système d'échange thermique (1 ) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel l'unité de commande est adaptée pour borner la capacité du deuxième étage de compression (22) entre une capacité minimale et une capacité maximale, lesdites capacités minimale et maximale étant choisies pour maintenir les premier et deuxième étages de compression dans des enveloppes de fonctionnement respectives et pour obtenir un coefficient de performance déterminé.
1 1 . Système d'échange thermique (1 ) selon la revendication 10, dans lequel l'unité de commande est adaptée pour faire varier les capacités minimale et maximale du deuxième étage de compression (22) en fonction du pas de capacité du premier étage de compression (21 ).
12. Système d'échange thermique (1 ) selon l'une quelconque des revendications 1 à 1 1 , dans lequel l'unité de commande est adaptée pour réduire la capacité du deuxième étage de compression (22) lorsqu'une grandeur représentative d'un état de fonctionnement du deuxième étage de compression (22) atteint une valeur critique, en particulier ladite grandeur est choisie parmi une température mesurée en sortie du deuxième étage de compression (22), une pression mesurée en sortie du deuxième étage de compression (22) et un courant électrique alimentant le deuxième étage de compression (22).
13. Procédé de régulation d'une puissance thermique développée par un système d'échange thermique (1 ), ledit procédé mettant en œuvre un système d'échange thermique (1 ) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 et prévoyant de réguler la puissance thermique développée par le système d'échange thermique (1 ) à partir de variations des capacités des premier (21 ) et deuxième (22) étages de compression, ledit procédé de régulation prévoyant de :
- régler un niveau de puissance thermique du système d'échange thermique (1 ) en choisissant l'un parmi la pluralité de pas de capacité du premier étage de compression
(21 ), et
- moduler la puissance thermique du système d'échange thermique (1 ) autour du niveau réglé en utilisant la capacité du deuxième étage de compression (22).
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