Procédé pour le traitement de l'air extrait hygiénique d'un bâtiment, bâtiment pour la mise en œuyre dudit procédé et pompe à chaleur Domaine de l'invention

L'invention se rapporte au traitement de l'air des bâtiments, spécialement les bâtiments destinés à abriter des êtres vivants, tout spécialement des personnes.

L'invention se rapporte plus particulièrement aux bâtiments ventilés et concerne un procédé garantissant en permanence le caractère hygiénique de l'air dans le bâtiment .

Etat de la technique

La réglementation en vigueur impose de ventiler les bâtiments abritant des êtres vivants, spécialement les locaux publics, les ateliers et les logements. Dans le cas d'une ventilation forcée, de l'air frais est prélevé à l'extérieur du bâtiment, est mis à circuler dans celui-ci et est ensuite rejeté à l'extérieur. La mise en œuvre de cette technique de ventilation grève le coût des bâtiments et est une source de consommation d'énergie.

Il est également connu d'utiliser des pompes à chaleur pour le chauffage des bâtiments ou la production d'eau chaude sanitaire. Des pompes à chaleur communément utilisées à cette fin utilisent de l'air comme source froide, que l'on prélève à l'extérieur du bâtiment et que l'on envoie dans 1 ' évaporateur de la pompe à chaleur.

Cette technique de production de chaleur a toutefois ses limites, car on court le risque d'un givrage de

1 'évaporateur, surtout par temps froid. Résumé de l'invention

L'invention vise à remédier aux inconvénients cités plus haut .

L'invention vise dès lors à fournir un procédé qui réalise, aux moindres frais, à la fois une ventilation efficace des bâtiments et une production de chaleur destinée au chauffage du bâtiment ou à la production d'eau chaude sanitaire.

L'invention vise également à fournir un procédé qui évite un givrage de 1 ' évap rateur des pompes à chaleur.

En conséquence, l'invention concerne un procédé pour le traitement de l'air extrait hygiénique d'un bâtiment, qui se caractérise en ce qu'on envoie une partie au moins de l'air extrait hygiénique dans 1 ' évaporateur d'une pompe à chaleur.

Description détaillée de l'invention

Dans le présent mémoire, on entend par l'expression « air extrait hygiénique », de l'air qui a été

successivement prélevé à l'extérieur du bâtiment, mis en circulation forcée dans le bâtiment, puis extrait de celui-ci. En général, la circulation de l'air dans le bâtiment a pour effet de le chauffer. Il en résulte que l'air extrait hygiénique est habituellement plus chaud que l'air qui a été prélevé hors du bâtiment, bien que ce ne soit pas une condition -impérative pour la définition de l'invention.

Le procédé selon l'invention s'applique à tous bâtiments destinés à abriter des êtres vivants, ceux-ci étant, par définition, des plantes, des animaux ou des humains. L'invention s'applique de préférence aux êtres humains. Dans la suite du prése'nt mémoire, le vocable « personnes » sera utilisé pour désigner, de manière générale, des êtres humains.

Dans le procédé selon l'invention, une partie au moins, de préférence la totalité, de l'air extrait hygiénique est envoyée dans 1 'éyaporateur d'une pompe à chaleur. L ' évaporateur comprend, de manière connue en soi, une ouïe d'admission de l'air extrait hygiénique et une ouïe d'évacuation de l'air extrait hygiénique.

Conformément à l'invention, l'ouïe d'admission de l'air extrait hygiénique se trouve en communication avec l'intérieur du bâtiment et-l-iouïe d'évacuation débouche à l'extérieur du bâtiment. Un dispositif d'extraction (généralement un ventilateur) prélève de l'air à l'extérieur du bâtiment, le soumet à une circulation à l'intérieur du bâtiment, puis l'extrait du bâtiment via l' évaporateur de la pompe à chaleur. Dans un mode de réalisation particulier de 1 ' irventïon, l' évaporateur de la pompe à chaleur est disposé dans une gaine

d'extraction, située en périphérie du bâtiment. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, 1 ' évaporateur est disposé à l'intérieur du bâtiment et son ouïe d'évacuation est disposée dans une gaine d'extraction située à l'extérieur du bâtiment.

Pendant la circulation de l'air dans le bâtiment, un échange de chaleur se fait entre cet air et l'ambiance du bâtiment. Par temps froid, la circulation de l'air dans le bâtiment avant son transfert dans 1 'évaporateur a pour résultat avantageux d'éviter un givrage de 1 ' évaporateu . La durée optimum de la circulation de l'air dans le bâtiment, avant son envoi dans 1 'évaporateur va dépendre de divers paramètres, parmi lesquels figurent notamment le débit de l'air, sa température, à l'entrée du bâtiment et la température régnant dans le bâtiment (liste non limitative) . Ces paramètres doivent être déterminés dans chaque cas particulier par l'homme du métier.

La température dans le bâtiment doit être supérieure à 0°C. Elle doit de préférence être suffisante pour éviter un givrage de 1 ' évaporateur . Moyennant cette condition, la température dans le bâtiment n'est pas critique pour la définition de l'invention. Elle est avantageusement supérieure à 10°C et inférieure à 50°C, les valeurs de 15 à 30°C étant préférées dans le cas de bâtiments destinés à abriter des personnes.

Dans une forme de réalisation particulière du procédé selon l'invention, on fait circuler l'air extrait hygiénique au contact du compresseur de la pompe à chaleur, avant de l'envoyer dans 1 ' évaporateur . La chaleur libérée par le compresseur est ainsi exploitée pour préchauffer l'air extrait hygiénique avant son envoi dans 1 'évaporateur . Cette forme de réalisation du procédé selon l'invention présente le double avantage de réduire le risque de givrage de 1 ' évaporateur de la pompe à chaleur et d'augmenter le rendement de celle-ci.

Dans le procédé selon l'invention, la destination de la chaleur libérée au condenseur de la pompe à chaleur (la source chaude de la pompe à chaleur) n'est pas critique pour la définition de l'invention.

Dans une forme de réalisation avantageuse de l'invention, la chaleur libérée au condenseur de la pompe à chaleur est utilisée pour chauffer de l'eau que l'on envoie dans un accumulateur d'eau chaude sanitaire. Cette forme de réalisation de l'invention est spécialement destinée aux bâtiments conçus pour abriter des personnes.

Dans une autre forme de réalisation avantageuse de l'invention, la chaleur libérée au condenseur de la pompe à chaleur est utilisée pour chaufferie bâtiment. Cette forme de réalisation du procédé selon l'invention peut être combinée à une installation séparée de chauffage du bâtiment, telle qu'une chaudière fonctionnant au bois ou au moyen d'un combustible fossile (gaz naturel ou mazout) (liste exemplative, non exhaustive).

En variante, les deux* formes de réalisation

avantageuses qui viennent d'être décrites peuvent être combinées. Dans ce cas, une fraction de la chaleur libérée au condenseur de la pompe à chaleur est exploitée pour produire de l'eau chaude sanitaire et le solde est utilisé pour chauffer le bâtiment.

Dans la mise en œuvre du procédé selon l'invention, il peut s'avérer souhaitable de réguler le débit de l'air extrait hygiénique, notamment pour réaliser un confort défini dans le bâtiment ou pour respecter des normes d'hygiène dans celui-ci. A cet effet, divers paramètres peuvent être pris en considération, tels que le volume du bâtiment, son taux d'occupation, le type d'occupants (plantes, animaux, personnes) la température, le degré hygrométrique de l'air extrait hygiénique, sa teneur en dioxyde de carbone et sa teneur en composés organiques volatiles (COV) (liste exemplative, non exhaustive) .

Dans une forme de réalisation particulière du procédé selon l'invention, on régule le débit de l'air extrait hygiénique en fonction de la teneur en dioxyde de carbone et/ou du degré hygrométrique et/ou de la teneur en composés organiques volatile*s de l'air à l'intérieur du bâtiment. La régulation peut être réalisée au moyen de sondes de mesure, qui agissent sur un régulateur du débit de l'air, extrait. Dans une autre forme de réalisation du procédé selon l'invention, on régule le débit de l'air extrait hygiénique en fonction de la présence ou de l'absence d'êtres vivants (spécialement des personnes) dans le bâtiment. Cette régulation peut être réalisée

manuellement, par tout ou rien (on déclenché le

ventilateur d'extraction d'air quand le bâtiment est occupé ou susceptible d'accueillir à court terme des occupants et on l'interrompt dans le cas inverse). En variante, la régulation peut être réalisée au moyen de capteurs de mouvement ou de capteurs infra-rouge.

Dans une forme de réalisation supplémentaire de l'invention, la régulation du débit d'air est opérée au moyen d'un thermostat d'ambiance. On utilise

avantageusement un thermostat associant un programme de jour et un programme de nuit.

Le procédé selon l'invention présente la

particularité avantageuse de permettre une récupération du froid généré à 1 'évaporateur de la pompe à chaleur pour réfrigérer le bâtiment lorsque celui-ci est soumis a une surchauffe, notamment en période estivale.

Le procédé selon l'inveRtion trouve une application dans tous les bâtiments destinés à abriter des êtres vivants, tels que des serres destinées à abriter des plantes, des locaux destinés à abriter des animaux (cages de jardins zoologiques, bâtiments d'exploitations agricoles et piscicoles) et des locaux destinés à abriter des personnes. L'invention s'applique tout spécialement aux bâtiments destinés à abriter des personnes,

spécialement des bâtiments publics, des salles de spectacles, des salles de sport, des écoles, des piscines publiques ou privées, des locaux administratifs, des ateliers, des logements (maisons, hôtels, complexes d'appartements) (liste exemplative, non exhaustive) .

Le procédé selon l'invention trouve une application spécialement intéressante dans les logements performants, dont l'isolation thermique est importante.

Dans cette application de l'invention, la chaleur libérée au condenseur de la pompe à chaleur est utilisée en priorité pour la production de l'eau chaude sanitaire destinée aux utilisateurs du bâtiment, le surplus éventuel de chaleur étant utilisé pour le chauffage du bâtiment. La température à la sortie de 1 ' évaporateur de la pompe à chaleur est habituellement fort inférieure à la température de confort des logements. Elle est habituellement inférieure à 15 °C, voire 10 °C et excède rarement 5 °C. Le froid généré de la sorte à

1 'évaporateur est avantageusement récupéré pour

rafraîchir le bâtiment lorsqu'il est soumis à une surchauffe, notamment en période estivale ou en présence d'une source de chaleur externe momentanée (par exemple une affluence anormale de personnes ou apports solaires ou la présence d ' appareils _^ générateurs de chaleurs tels que des ordinateurs ou un éclairage intensif).

L'invention concerne dès lors aussi un bâtiment dans lequel on met en œuvre un procédé conforme à l'invention.

De manière plus concrète, le bâtiment selon

l'invention comprend, d'une part, une installation pour prélever de l'air à 1 ' extérieur ^* dudit bâtiment , le faire circuler dans le bâtiment et l'extraire du bâtiment et, d'autre part, une pompe à chaleur dont 1 ' évaporateur est alimenté avec l'air extrait du bâtiment.

Dans le bâtiment selon l'invention, la circulation de l'air dans le bâtiment a pour objectif de l'échauffer avant de l'envoyer dans 1 'évaporateur de la pompe à chaleur. L ' évaporateur de la pompe à chaleur est disposé à l'intérieur du bâtiment ou dans une gaine d'extraction de l'air du bâtiment et sa position, par rapport à la zone d'admission de l'air extérieur, est réglée pour assurer un temps de séjour suffisant de l'air dans le bâtiment pour que cet air puisse s'échauffer avant son extraction et son transfert dans 1 ' évaporateur de la pompe à chaleur. Ce temps de séjour doit notamment être suffisant pour éviter un givrage de 1 ' évaporateur .

Dans une forme de réalisation avantageuse de l'invention, le bâtiment incorpore un circuit de production d'eau chaude sanitaire et celui-ci est couplé au condenseur de la pompe à chaleur. Dans cette forme de réalisation, le circuit d'ê ^" aû chaude sanitaire peut être relié exclusivement au condenseur de la pompe à chaleur, ou conjointement à ce condenseur et à une autre source de chaleur (telle qu'une chaudière alimentée avec un combustible fossile) . Dans cette forme de réalisation de l'invention, le circuit de production d'eau chaude peut comprendre, de manière conventibnnelle, de l'eau comme fluide caloporteur circulant dans le condenseur de la pompe à chaleur.

Dans une autre forme de réalisation particulière de l'invention, le bâtiment incorpore un circuit de

chauffage dudit bâtiment et celui-ci est couplé au condenseur de la pompe à chaleur. Dans cette forme de réalisation, le circuit de chauffage peut être relié exclusivement au condenseur de la pompe à chaleur. En variante, le circuit de cha-uf-fage du bâtiment peut être relié conjointement au condenseur de la pompe à chaleur et à une autre source de chaleur (telle qu'une chaudière alimentée avec un combustible fossile) . Dans cette forme de réalisation de l'invention, le circuit de chauffage du bâtiment peut comprendre, de manière conventionnelle, un circuit d'un fluide caloporteur (habituellement de l'eau) qui est relié en boucle au condenseur de la pompe à chaleur .

Le bâtiment selon l'invention est avantageusement du type basse énergie ou passif ou NZEB (nearly zéro energy building) .

L'invention concerne également une pompe a chaleur de conception nouvelle, utilisable dans le bâtiment selon l'invention défini plus haut. La pompe à chaleur selon l'invention comprend, de manière connue en soi, d'une part, un circuit pour un fluide frigorigène associant un compresseur, un condenseur, un détendeur et un

évaporateur et, d'autre part, un dispositif pour la circulation d'air au contact de 1 ' évaporateur, le dit dispositif comprenant une ouïe d'admission d'air en amont de 1 'évaporateur, une ouïe d'évacuation d'air en aval de 1 'évaporateur et un ventilateur ; selon l'invention, la pompe à chaleur se caractérise par le fait que le compresseur est situé entre l'ouïe d'admission d'air et 1 ' évaporateur .

Dans une forme de réalisation préférée de la pompe à chaleur selon l'invention, le ventilateur est disposé en aval de 1 ' évaporateur (le vocable « aval » étant défini par rapport au sens de circulation de l'air dans là pompe à chaleur) .

Dans une autre forme de réalisation de la pompe à chaleur selon l'invention, celle-ci comprend un boîtier percé de l'ouïe d'admission et de l'ouïe d'évacuations précitées et le compresseur, le condenseur, le détendeur, l' évaporateur et le ventilateur sont logés dans ledit boîtier, de telle manière que le compresseur et

l' évaporateur soient situés entre les deux ouïes

susdites. Dans cette forme de réalisation, le ventilateur est idéalement situé entre l' évaporateur et l'ouïe d' évacuation .

Le procédé et le bâtiment selon l'invention

apportent de multiples avantages innovants, parmi

lesquels figurent notamment :

- la récupération d'énergie en évitant la nécessité d'un cycle de dégivrage ce ui optimise la performance de la pompe à chaleur ;

- la récupération de la chaleur latente de l'air extrait du bâtiment (« air extrait hygiénique ») ;

- une récupération d'énergie de manière constante toute l'année, quelle que soit la température extérieure et quelle que soit la demande thermique de chauffage ;

- le contrôle du degré hygrométrique et de la teneur en C0 ₂ de l'atmosphère du bâtiment assurant de la sorte le confort et l'hygiène dans le bâtiment ;

- une modulation du débit d'air de ventilation dans le bâtiment, à la demande et en fonction de l'occupation.

- La recirculation dans le, logement de l'air froid généré à la sortie de l' évaporateur lors de surchauffes.

Des particularités et détails de l'invention vont apparaître au cours de la description suivante des figures annexées, qui sont des schémas de quelques formes de réalisation particulières de ,1' invention.

Brève description des figures : La figure 1 est un schéma d'une pompe à chaleur conforme à l'invention ; La figure 2 est un schéma d'une forme de réalisation particulière du bâtiment selon l'invention ; et

La figure 3 est un schéma d'une autre forme de réalisation du bâtiment selon l'invention.

Dans ces figures les mêmes numéros de référence désignent les mêmes éléments.

Description détaillée de modes de réalisation particuliers

La pompe à chaleur schématisée à la figure 1 est du type utilisant un gaz comme source froide (généralement de l'air). Elle comprend, à l'intérieur d'un boîtier 8, un condenseur 1, un compresseur 2, un évaporateur 3 et un ventilateur 4. Le boîtier 8 est percé d'une ouïe

d'admission d'air 6 et d'une ouïe d'évacuation d'air 7. Le ventilateur 4 est situé à prôximité immédiate de l'ouïe d'évacuation 7 et le compresseur 2 est situé à proximité immédiate de l'ouïe d'admission 6. Pendant le fonctionnement de la pompe à chaleur, de l'air frais est aspiré depuis l'extérieur dans le boîtier 8 par le

ventilateur 4. L'air aspiré pénètre dans le boîtier 8 par l'ouïe d'admission 6, traverse le boîtier dans le sens de la flèche X et quitte le boîtier par l'ouïe d'évacuation 7.

Conformément à l'invention, 1 ' évaporateur 3 est disposé en aval du compresseur 2, par rapport au sens de circulation de l'air X. Ainsi, le compresseur 2 est ventilé par de l'air frais qui s'échauffe à son contact, avant de pénétrer dans l' évaporateur 3. Toutes autres choses étant égales par ailleurs, ces dispositions

respectives du compresseur 2 et de l' évaporateur 3

augmentent le rendement énergétique de la pompe à

chaleur. Aux figures 2 et 3, la notation de référence 9 désigne un bâtiment dans son ensemble, par exemple une classe d'une école. La paroi 10 du bâtiment est percée de deux ouvertures raccordées respectivement à une gaine d'admission d'air 11 et à une gaine d'évacuation d'air 12.

La notation de référence 13 désigne, dans son ensemble, une pompe à chaleur du type utilisant de l'air comme source froide. La pompe à chaleur 13 est

avantageusement analogue à celle décrite plus haut, en référence à la figure 1. L' évaporateur 3 de ^' la pompe à chaleur 13 est logé dans la gaine 12 servant à évacuer l'air du bâtiment 9 (« air extrait hygiénique ») . Des capteurs (non représentés) peuvent être logés dans la gaine d'extraction 12, pour mesurer le degré

hygrométrique de l'air extr-ai-t du bâtiment, sa teneur en dioxyde de carbone et sa température et comparer les mesures relevées à des valeurs de consigne. Des capteurs peuvent également être présents pour détecter la présence de composés organiques volatiles et, le cas échéant, pour mesurer la teneur de ceux-ci dans l'air. Ces capteurs sont couplés au moteur du ventilateur 4 pour démarrer celui-ci, l'arrêter ou régler sa vitesse en fonction des mesures relevées et des valeurs de consigne.

L' installation peut également comprendre un commutateur à fonctionnement manuel pour démarrer le ventilateur

41orsque le bâtiment 9 est occupé ou l'arrêter lorsqu'il est vide. En variante, le commutateur peut être actionné automatiquement au moyen d'un détecteur de présence de personnes dans le bâtiment (détecteur de mouvement ou détecteur à infra-rouge) . Dans l'installation de la figure 2, le condenseur 1 de la pompe à chaleur est raccordé à un circuit d'eau 14 servant de fluide caloporteur pour la production d'eau chaude sanitaire dans un réservoir 15. Le réservoir 15 est raccordé (référence 16) au réseau public de

fourniture d'eau et au circuit 17 d'eau sanitaire du bâtiment 9. Pendant l'occupation du bâtiment 9 par un groupe de personnes (par exemple une classe d'enfants), la pompe à chaleur 13 est active, de sorte que, sous l'action de son ventilateur, de l'air frais est soutiré de l'extérieur, pénètre dans le bâtiment 9 par la gaine 11, circule dans le bâtiment et est extrait de celui-ci via la gaine 12 où il traverse l' évaporateur 3. Pendant sa circulation dans le bâtiment 9, depuis la gaine 11 jusqu'à la gaine 12, l'air s'échauffe. Dans la gaine 12, l'air chaud extrait du bâtiment (« air extrait

hygiénique ») traverse 1 ' évaporateur 3 où il cède sa chaleur sensible et latente.

Dans l'installation schématisée à la figure 3, le condenseur 1 de la pompe à chaleur 13 est raccordé en dérivation au circuit d'eau 14 (servant à la production d'eau chaude sanitaire dans le réservoir 15) et à un circuit de chauffage 18 du bâtiment, incorporant des radiateurs 19. Une vanne à trois voies 20 permet de régler les débits relatifs d'eau chaude dans le circuit d'eau sanitaire 14 et dans le circuit de chauffage 18. Le circuit de chauffage 18 comporte en outre une chaudière 21, alimentée avec un combustible fossile (gaz naturel, charbon ou mazout) . En fonction des besoins en chauffage ou en chaude sanitaire, un ensemble de vannes et

circulateur 22 et 23 permet d'isoler la chaudière 21 ou de la mettre en série avec le condenseur 4 de la pompe à chaleur 3.