Système et procédé de ventilation double flux de production d'eau chaude sanitaire et de chauffage compact à pompe à chaleur intégrée

La présente invention concerne un système hygiénique et économique de ventilation double flux de production d'eau chaude sanitaire et de chauffage compact à pompe à chaleur intégrée, ainsi qu'un procédé de mise en oeuvre. Elle a des applications dans le domaine de la construction et/ou rénovation de bâtiments et notamment de logements d'habitation.

Les nouvelles constructions et notamment les logements d'habitation, doivent répondre à des normes d'isolation, en particulier thermique, de plus en plus sévères. De même, du fait du coût du chauffage aussi bien des locaux en eux-mêmes que de l'eau chaude sanitaire, les particuliers ou collectivités sont amenés lors de rénovations à choisir des équipements plus performants et à améliorer l'isolation des bâtiments anciens.

On constate donc progressivement une baisse des déperditions calorifiques des bâtiments. Il en résulte une demande moindre en chauffage. Par exemple, on a constaté sur des logements témoins entre deux et quatre pièces, que les déperditions de chaleur étaient comprises entre 1 kW et 4 kW selon la région climatique. Or les équipements de chauffage classiques sont largement surdimensionnés en terme de puissance par rapport à ces pertes. Par exemple une chaudière murale au gaz est capable de délivrer une puissance calorifique de 24 kW en général. Une telle chaudière apparaît donc largement surdimensionnée par rapport à l'utilisation habituelle qui en est faite.

Il serait donc souhaitable de pouvoir disposer de moyens de chauffage plus adaptés à ces besoins plus réduits et qui puisse, en plus, utiliser des sources de chauffage plus naturelles que le gaz et/ou le pétrole et ses dérivés. On pense en particulier aux capacités calorifiques de l'air dans son utilisation avec une pompe à chaleur.

C'est ainsi qu'il est proposé d'utiliser une pompe à chaleur utilisant de l'air, aussi bien air extérieur qu'intérieur au local, pour à la fois chauffer par air chaud ledit local que pour permettre la production d'eau chaude sanitaire. De plus, du fait des besoins énergétiques plus réduits, le système proposé est intégré sous un volume réduit et il peut être installé/mis en oeuvre facilement. Il en résulte une réduction du coût de fabrication, d'installation/mise en oeuvre et, ensuite, d'utilisation.

On connaît par les documents W02007/138954, EP 0 055 00, W02009/000974, DE 100 58 273 des systèmes de chauffage de locaux divers de type pompe à chaleur mais tous ces systèmes sont complexes et volumineux car ils mettent en oeuvre des échangeurs double flux air/air dans leurs circuits aérauliques. De plus, certains de ces systèmes sont réversibles, ce qui les rend encore plus complexes et ne peut pas permettre la production d'eau chaude notamment lorsqu'ils sont en mode de production de fraîcheur/froid. Enfin les deux derniers systèmes mentionnés utilisent des configurations lourdes avec, respectivement, un échangeur air/air rotatif plus deux condenseurs séparés ou une absence de possibilité de récupération de l'énergie disponible à l'extérieur.

Ainsi, l'invention concerne un système de ventilation double flux de production d'eau chaude sanitaire et de chauffage à pompe à chaleur pour un local.

Selon l'invention, le système est un module intégré destiné à être raccordé à des réseaux aérauliques et des canalisations d'eau sanitaire du local, ainsi qu'à une alimentation électrique, ledit système comportant des circuits aérauliques avec des entrées/sorties d'air, ledit système comportant en relation avec l'air extérieur au local, une entrée dans le système d'air extérieur dit air source, une sortie vers l'extérieur du système d'air du système dit air rejeté, ledit système comportant en relation avec l'air intérieur au local, une sortie vers l'intérieur du local d'air du système dit air soufflé, une première entrée dans le système d'air intérieur du local dit air repris et une seconde entrée dans le système d'air intérieur du local dit air vicié, ledit air vicié provenant de gaines d'évacuation d'air de type VMC, le circuit aéraulique d'air source étant relié au circuit aéraulique d'air rejeté par un by-pass à ouverture/fermeture commandée, le circuit aéraulique d'air soufflé étant relié au circuit aéraulique d'air repris par un clapet à ouverture/fermeture commandée, le circuit aéraulique d'air rejeté comportant un second ventilateur et un second échangeur thermique air/fluide frigorigène, le by-pass arrivant en amont dudit second échangeur thermique et dudit second ventilateur sur le circuit aéraulique d'air rejeté, le circuit aéraulique d'air soufflé comportant un premier ventilateur et un premier échangeur thermique air/fluide frigorigène, le circuit aéraulique d'air repris en aval du clapet arrivant en amont dudit premier échangeur thermique et dudit premier ventilateur sur le circuit aéraulique d'air soufflé, le premier et le second échangeurs de chaleur étant reliés par un premier circuit de fluide frigorigène et un second circuit de fluide frigorigène, le premier circuit de fluide frigorigène comportant un compresseur pour faire circuler le fluide frigorigène entre le second échangeur et le premier échangeur et le second circuit de fluide frigorigène pour retour du fluide frigorigène du premier échangeur vers le second échangeur comportant un détendeur, et pour production de l'eau chaude sanitaire, un échangeur de chaleur fluide frigorigène/eau sanitaire est branché en dérivation sur le premier circuit de fluide frigorigène, une vanne trois voies réglable disposée en aval du compresseur permettant de régler le débit de fluide frigorigène vers l'échangeur de chaleur fluide frigorigène/eau sanitaire, l'échangeur de chaleur fluide frigorigène/eau sanitaire étant dans un ballon de stockage d'eau sanitaire chaude intégré dans le système, le système comportant en outre un moyen de gestion de son fonctionnement permettant de commander le by-pass à ouverture/fermeture commandée, le clapet à ouverture/fermeture commandée, le premier ventilateur, le second ventilateur, le compresseur et la vanne trois voies réglable.

Les termes amont et aval se référent aux sens d'écoulement de l'air ou du fluide frigorigène dans les différents circuits aérauliques ou de fluide frigorigène. Le terme circuit de fluide frigorigène pour ce qui concerne les échangeurs de chaleur air/fluide frigorigène doit être compris comme un circuit véhiculant un fluide frigorigène à l'état liquide ou gazeux en fonction de sa pression ou de sa température. Ainsi, dans certaines applications particulières, certaines portions des circuits de fluide frigorigène peuvent en fait contenir du gaz comme ce peut être le cas lors de la détente de certains fluides frigorigènes.

Dans divers modes de mise en oeuvre de l'invention, les moyens suivants pouvant être utilisés seuls ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont employés :

• le moyen de gestion du fonctionnement du système est en plusieurs parties, au moins une des parties étant intégrée au système,
• dans le circuit aéraulique d'air rejeté, le second ventilateur est en amont du second échangeur thermique air/fluide frigorigène,
• dans le circuit aéraulique d'air rejeté, le second ventilateur est en aval du second échangeur thermique air/fluide frigorigène,
• dans le circuit aéraulique d'air soufflé, le premier ventilateur est en amont du premier échangeur thermique air/fluide frigorigène,
• dans le circuit aéraulique d'air soufflé, le premier ventilateur est en aval du premier échangeur thermique air/fluide frigorigène,
• pour le by-pass et/ou le clapet, l'ouverture/fermeture commandée est tout ou rien (soit ouvert, soit fermé),
• pour le by-pass et/ou le clapet, l'ouverture/fermeture commandée est par paliers (degré d'ouverture réglable par paliers),
• pour le by-pass et/ou le clapet, l'ouverture/fermeture commandée est proportionnelle (degré d'ouverture réglable en continu),
• pour un ou les ventilateurs, la commande est par paliers,
• pour un ou les ventilateurs, la commande est proportionnelle,
• le système comporte des moyens pour que la commande des ventilateurs soit par paliers ou proportionnelle,
• pour le compresseur, la commande est tout ou rien,
• pour le compresseur, la commande est par paliers,
• pour le compresseur, la commande est proportionnelle,
• le diamètre du circuit aéraulique d'air source est supérieur au diamètre du circuit aéraulique d'air soufflé,
• le diamètre du circuit aéraulique d'air source est égal au diamètre du circuit aéraulique d'air soufflé,
• le diamètre du circuit aéraulique d'air rejeté est supérieur au diamètre du circuit aéraulique d'air vicié,
• le diamètre du circuit aéraulique d'air rejeté est égal au diamètre du circuit aéraulique d'air vicié,
• le système comporte en outre une sortie d'un circuit d'évacuation d'eau,
• le circuit d'évacuation d'eau est relié à un collecteur d'eau de condensation du second échangeur thermique air/fluide frigorigène,
• le circuit d'évacuation d'eau est relié à un robinet de purge du ballon de stockage d'eau sanitaire intégré dans le système,
• le système comporte en outre un robinet d'arrêt sur le circuit d'arrivée de l'eau en amont du ballon de stockage d'eau sanitaire intégré dans le système,
• le système comporte des moyens pour fixation sur un mur,
• le système comporte des moyens pour fixation sur un sol,
• le système comporte des moyens pour fixation au plafond,
• le système comporte en outre au moins un capteur de température,
• le système comporte en outre un capteur de température vers la sortie du circuit aéraulique d'air soufflé,
• le système comporte en outre un capteur de température vers l'entrée du circuit aéraulique d'air source,
• le système comporte en outre un capteur de température dans le ballon de stockage d'eau sanitaire intégré dans le système.

L'invention concerne également un procédé qui se présente selon les modalités qui suivent.

Le procédé de mise en oeuvre d'un système de ventilation double flux de production d'eau chaude sanitaire et de chauffage à pompe à chaleur pour un local, est tel que l'on met en oeuvre le système selon l'une ou plusieurs des caractéristiques décrites et que :

• le premier ventilateur et le second ventilateur sont en marche permanente, le débit de ventilation variant en fonction des besoins,
• dans le cas où il n'y a pas besoin de chauffage et d'eau chaude sanitaire, le by-pass et le clapet sont fermés, le compresseur étant arrêté,
• dans le cas où il y a un faible besoin de chauffage, le by-pass est ouvert et le clapet reste fermé, le compresseur étant en marche,
• dans le cas où il y a un fort besoin de chauffage, le by-pass et le clapet sont ouverts, le compresseur étant en marche.

Dans des variantes, possiblement combinées:

• dans le cas où il y a besoin d'eau chaude sanitaire, le by-pass est ouvert et le clapet est fermé, le compresseur étant en marche, et la vanne trois voies envoie du fluide frigorigène du premier circuit de fluide frigorigène vers l'échangeur de chaleur fluide frigorigène/eau sanitaire,
• lorsqu'à la fois un besoin de chauffage et un besoin d'eau chaude sanitaire sont présents, le chauffage est prioritaire,
• lorsqu'à la fois un besoin de chauffage et un besoin d'eau chaude sanitaire sont présents, l'eau chaude sanitaire est prioritaire,
• lorsqu'à la fois un besoin de chauffage et un besoin d'eau chaude sanitaire sont présents, le by-pass et le clapet sont ouverts, le compresseur étant en marche, et la vanne trois voies envoie du fluide frigorigène du premier circuit de fluide frigorigène vers l'échangeur de chaleur fluide frigorigène/eau sanitaire.

Le système de l'invention du fait de sa simplicité et qu'il ne comporte pas d'échangeur double flux air/air est compact et peut être mis en oeuvre dans un module de taille réduite, ballon d'eau chaude compris, pouvant s'intégrer dans une partie d'un ensemble meuble de cuisine par exemple. Le système de l'invention malgré sa simplicité et compacité est particulièrement efficace puisqu'il peut tirer de l'énergie de toutes les sources disponibles, aussi bien internes qu'externe et, cela, pour assurer aussi bien le chauffage de l'habitation que la production d'eau chaude sanitaire.

La présente invention, sans qu'elle en soit pour autant limitée, va maintenant être exemplifiée avec la description qui suit de modes de réalisation et de mise en oeuvre en relation avec :

• la Figure 1 qui représente schématiquement le système de l'invention, et
• la Figure 2 qui représente schématiquement une mise en oeuvre particulière du système de l'invention dans le cas d'un local d'habitation de plusieurs pièces.

Le système 1 de l'invention, dénommé PAC.R² ®, se présente sous forme d'un module de taille relativement réduite intégrant des moyens permettant une ventilation double flux, la production d'eau chaude sanitaire et le chauffage avec pompe à chaleur. Ce module peut être installé dans un local d'habitation, par exemple dans une cuisine ou une pièce dédiée, voire dans un faux plafond. Il est configuré pour être raccordé à des réseaux aérauliques et des canalisations d'eau sanitaire du local, ainsi qu'à une alimentation électrique. Les réseaux aérauliques sont typiquement pour ce qui concerne l'air à l'intérieur du local, une canalisation de soufflage d'air vers les pièces du local, une gaine de récupération d'air vicié de type VMC et une canalisation spécifique de récupération d'air à l'intérieur du local. Les réseaux aérauliques sont typiquement pour ce qui concerne l'air à l'extérieur du local, une canalisation d'air source provenant de l'extérieur du local et une canalisation de rejet d'air vers l'extérieur du local.

Le système 1 comporte intérieurement des circuits aérauliques avec des entrées/sorties d'air pour connexion avec les réseaux aérauliques du local. Ainsi, en relation avec l'air extérieur au local, le système comporte :

• une entrée 2 dans le système d'air extérieur, dit air source, connectée à la canalisation d'air source, et
• une sortie 3 vers l'extérieur du système d'air du système, dit air rejeté, connectée à la canalisation de rejet d'air vers l'extérieur du local.

En relation avec l'air intérieur au local, le système comporte:

• une sortie 4 vers l'intérieur du local d'air du système, dit air soufflé, connectée à la canalisation de soufflage d'air,
• une première entrée 5 dans le système d'air intérieur du local, dit air repris, connectée à la canalisation spécifique de récupération d'air à l'intérieur du local, et
• une seconde entrée 6 dans le système d'air intérieur du local, dit air vicié, connectée à la gaine d'évacuation d'air de type VMC.

Dans le système, le circuit aéraulique d'air source est relié au circuit aéraulique d'air rejeté par un by-pass 7 à ouverture/fermeture commandée électriquement et le circuit aéraulique d'air soufflé est relié au circuit aéraulique d'air repris par un clapet 8 à ouverture/fermeture commandée électriquement.

Le circuit aéraulique d'air soufflé comporte un premier ventilateur 9 et un premier échangeur thermique air/fluide frigorigène 11, le circuit aéraulique d'air repris d'aval du clapet 8 arrivant en amont dudit premier échangeur thermique 11 et dudit premier ventilateur 9 sur le circuit aéraulique d'air soufflé. Dans cet exemple, le premier échangeur thermique 11 est en amont dudit premier ventilateur 9. Dans une variante, l'inverse est mis en oeuvre.

Le circuit aéraulique d'air rejeté comporte un second ventilateur 10 et un second échangeur thermique air/fluide frigorigène 12, le by-pass arrivant en amont dudit second échangeur thermique 12 et dudit second ventilateur 10 sur le circuit aéraulique d'air rejeté. Dans cet exemple, le second échangeur thermique 12 est en aval dudit second ventilateur 10. Dans une variante, l'inverse est mis en oeuvre. Les ventilateurs sont, par exemple, de type turbine.

Dans l'exemple donné, le circuit aéraulique d'air source se raccorde au circuit aéraulique d'air soufflé au niveau d'une première restriction de passage 19, et le circuit aéraulique d'air vicié se raccorde au circuit aéraulique d'air rejeté au niveau d'une seconde restriction de passage 20. Dans d'autres modalités de réalisation du système de l'invention, ces restrictions sont absentes.

Le premier 11 et le second 12 échangeurs de chaleur sont reliés par un premier circuit de fluide frigorigène et un second circuit de fluide frigorigène. Le premier circuit de fluide frigorigène comporte un compresseur 13 électrique pour faire circuler le fluide frigorigène entre le second échangeur et le premier échangeur. Le second circuit de fluide frigorigène pour retour du fluide frigorigène du premier échangeur vers le second échangeur comporte un détendeur 14.

Pour production de l'eau chaude sanitaire, un échangeur de chaleur fluide frigorigène/eau sanitaire 16 est branché en dérivation parallèle sur le premier circuit de fluide frigorigène, une vanne trois voies 15 réglable électriquement étant disposée en aval du compresseur 13 et permettant de régler le débit de fluide frigorigène vers l'échangeur de chaleur fluide frigorigène/eau sanitaire 16. L'échangeur de chaleur fluide frigorigène/eau sanitaire est dans un ballon 17 de stockage d'eau sanitaire chaude intégré dans le système. Le ballon reçoit en amont de l'eau froide sanitaire, EFS, et produit en aval de l'eau chaude sanitaire, ECS. De préférence, un robinet d'arrêt et un purgeur sont disposés en amont du ballon 17.

Le système comporte en outre un moyen de gestion de son fonctionnement permettant de commander le by-pass 7 à ouverture/fermeture commandée, le clapet 8 à ouverture/fermeture commandée, le premier ventilateur 9, le second ventilateur 10, le compresseur 13 et la vanne trois voies 15 réglable. Ce moyen de gestion est typiquement un automate relié à un/des capteurs et agissant en fonction d'une éventuelle programmation par les occupants du local (horaire de mise en fonctionnement, activation en heures creuses, seuils de température...). Pendant le fonctionnement du système, le premier ventilateur et le second ventilateur sont en marche permanente, le débit de ventilation variant en fonction des besoins. Les débits minimaux des ventilateurs correspondent au débit de base du système.

Comme représenté Figure 2, la canalisation de soufflage d'air vers les pièces du local est reliée à un séjour, une première chambre et une seconde chambre. Des moyens de réglage de débit permettent de répartir le flux d'air soufflé par le système entre ces différentes pièces et typiquement, respectivement, 2x (30 à 60) m³/h, 30 à 60 m³/h, 30 à 60 m³/h. La gaine de récupération d'air vicié de type VMC est reliée aux pièces suivantes : la cuisine, la salle de bains et les WC. Ici encore, des moyens de réglage de débit permettent de répartir le flux d'air vicié aspiré par le système entre ces différentes pièces et typiquement, respectivement, 45 à 135 m³/h, 30 m³/h, 30 m³/h. La canalisation spécifique de récupération d'air à l'intérieur du local débouche dans un couloir du local et permet une reprise d'air typiquement comprise entre 0 et 120 m³/h. Pour ce qui concerne l'air à l'extérieur du local, la canalisation d'air source permet une aspiration d'air extérieur typiquement de 120 à 700 m³/h et la canalisation de rejet d'air vers l'extérieur du local permet un rejet typiquement de 120 à 700 m³/h.

Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers qui viennent d'être décrits, mais s'étend à toutes variantes et équivalents conformes à son esprit. Ainsi, on comprend bien que l'invention peut être déclinée selon de nombreuses autres possibilités sans pour autant sortir du cadre défini par la description et les revendications. Par exemple, outre les possibilités de chauffage, le système de l'invention peut être configuré pour apporter de la fraîcheur dans les pièces par la sortie d'air soufflé par exemple via l'utilisation de deux vannes d'inversion de cycle qui sont rajoutées au système.