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Title:
SYSTEM AND METHOD FOR OPTIMISING THE OPERATION OF A HEAT PUMP SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2013/017572
Kind Code:
A1
Abstract:
The heat pump operates from a cold source (A) and comprises at least two exchange systems (12, 12') with the cycle fluid mounted in parallel, each system comprising a first zone (Z1, Z1') designed for subcooling of the cycle fluid and a second zone (Z2, Z2') designed to heat this fluid. When the external temperature is higher than a threshold value, the exchange systems (12, 12') operate at the same time, the cycle fluid is subcooled in the first zone (Z1, Z1') of the exchange systems (12, 12') and heated in the second zone (Z2, Z2') of each system after expansion, thus avoiding power peaks. However, when the external temperature falls, the heat pump switches to "winter" operating mode: the cycle fluid is subcooled in a first exchange system, defrosting it as it flows through. This subcooled fluid is then heated in the evaporator of another exchange system. This design makes it possible to both improve the output of the heat pump in all operating modes, and to defrost the exchange systems (12, 12') alternately, without interrupting the operation of the heat pump at the condenser, since the supply of calories from the condenser to the heating circuit is continuous.

Inventors:
RAMOS, Fernando (44 Rue Saint Hubert, Morsang Sur Orge, F-91390, FR)
Application Number:
EP2012/064902
Publication Date:
February 07, 2013
Filing Date:
July 30, 2012
Export Citation:
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Assignee:
PRESTICLIM (Chemin Latéral Rue de la Martinière, Bievres, F-91570, FR)
RAMOS, Fernando (44 Rue Saint Hubert, Morsang Sur Orge, F-91390, FR)
International Classes:
F25B5/02; F25B30/02; F25B40/02; F25B47/00
Foreign References:
DE102005018125A12006-10-26
FR2909440A12008-06-06
DE2921257A11980-12-04
EP1801522A22007-06-27
DE3323338A11985-02-14
DE3128352A11983-01-27
FR2338465A11977-08-12
GB2001422A1979-01-31
FR2901015A12007-11-16
CA2561123A12007-03-28
US3777508A1973-12-11
DE2243784A11973-03-22
US20060144060A12006-07-06
Attorney, Agent or Firm:
DEBAY, Yves (126 Elysee 2, La Celle St Cloud, F-78170, FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1 . Installation de pompe à chaleur fonctionnant à partir d'une source froide (A), comprenant un circuit doté d'au moins un compresseur (1 ), d'un condenseur (2), de moyens de détente (3, 3'), et d'au moins un évaporateur (4, 4'), un fluide de cycle circulant dans le circuit, le condenseur (2) étant refroidi par un fluide à chauffer, l'installation comportant :

- au moins deux systèmes (12, 12') échangeurs, composés chacun de deux zones (Z1 et ΖΓ, Z2 et Z2') d'échange de chaleur disjointes fluidiquement et liées thermiquemen la première zone (Z1 , Ζ ) d'échange remplissant la fonction de sous-refroidissement du fluide de cycle et de dégivreur de la deuxième zone (Z2, Z2') d'échange, cette dernière remplissant la fonction d'évaporateur (4, 4'), les deux systèmes (12, 12') échangeurs étant montés en parallèle par rapport à l'ensemble compresseur (1 ) - condenseur (2), de part et d'autre d'au moins deux moyens de détentes (3, 3') ;

- des moyens de circulation du fluide de cycle entre l'ensemble compresseur (1 ) - condenseur (2) et les systèmes (12, 12') échangeurs, ainsi que des moyens de contrôle (6, 6') et des moyens de dérivation (7, 7') du flux de fluide de cycle dans le circuit permettant le fonctionnement de l'installation selon un mode de circulation alternée du fluide de cycle dans le dégivreur d'un premier système (12, 12') échangeur puis dans l'évaporateur (4, 4') du deuxième système (12, 12') échangeur, l'installation de pompe à chaleur étant caractérisé en outre en ce que les moyens de contrôle (6, 6') et les moyens de dérivation (7, 7') du flux de fluide de cycle dans le circuit permettent le fonctionnement de l'installation selon un mode de circulation simultanée en parallèle, dans chaque système (12, 12') échangeur, du fluide de cycle passant d'abord dans le dégivreur puis dans l'évaporateur (4, 4').

2. Installation selon la revendication 1 , dans laquelle le mode de fonctionnement dépend de la température extérieure, mesurée par des moyens de mesure thermométrique contrôlés par un processeur et un logiciel, actionnant les moyens de contrôle (6, 6') en fonction du mode requis pour la température extérieure correspondante.

3. Installation selon la revendication 1 , dans laquelle chaque système (1 2, 1 2') échangeur comprend :

- des ailettes parallèles alignées suivant un plan (P) ;

- Une zone (Z2, Z2') d'échange constituées de deux sous-zones (Z2a et Z2a', Z2b et Z2b') reliées fluidiquement, la première sous zone (Z2a, Z2a') étant positionnée sur un premier coté recevant un flux d'air selon une composante parallèle au plan P dans le système (1 2, 1 2') échangeur, la deuxième sous-zone (Z2b, Z2b') étant positionnée sur un deuxième côté opposée audit premier côté pour faire ressortir ledit flux d'air du système (1 2, 1 2') échangeur ;

- une zone (Z1 , Z1 ') d'échange située entre les deux sous zones (Z2a et Z2a', Z2b et Z2b') d'échange et reliée thermiquement aux dites sous-zones (Z2a et Z2a\ Z2b et Z2b') d'échange.

4. Installation selon une des revendications 1 à 3, dans laquelle la deuxième zone (Z2, Z2') d'échange de chaleur, entourant la première zone (Z1 ,

Ζ ) d'échange de chaleur de chaque système (1 2, 1 2') échangeur, est du type tube à ailettes.

5. Installation selon une des revendications 1 à 4, dans laquelle chaque système échangeur (12, 1 2') comprend un radiateur incluant les deux zones (Z1 et Z1 ', Z2 et Z2') d'échange.

6. Installation selon une des revendications 1 à 5, dans laquelle chacune desdites zones (Z1 et Z1 ', Z2 et Z2') d'échange s'étend sur toute la hauteur (h) d'un volume occupé par chaque système échangeur (12, 1 2').

7. Installation selon une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le ventilateur (5, 5'), adjacent à un évaporateur (4, 4') en cours de dégivrage, est à l'arrêt, et disposé dans un caisson semi-clos à ouvertures (51 , 51 ', 52, 52') à un niveau inférieur à celui de l'évaporateur (4, 4').

8. Procédé d'optimisation de fonctionnement d'une installation de pompe à chaleur fonctionnant à partir d'une source froide (A), comprenant un circuit doté d'au moins un compresseur (1 ), d'un condenseur (2), de moyens de détente (3, 3'), d'un fluide de cycle circulant dans le circuit, et d'au moins deux systèmes (12, 12') échangeurs pouvant remplir une fonction d'évaporateur (4, 4'), caractérisé en ce qu'il comporte :

- Une étape de transfert de chaleur du fluide de cycle vers une zone d'un système échangeur (12, 12') différente de celle remplissant la fonction d'évaporateur (4, 4'), et ayant pour effet le sous- refroidissement du fluide de cycle et le dégivrage dudit système (12, 12') échangeur ;

- Une étape de circulation du fluide de cycle sous-refroidi vers des moyens de détente (3, 3'), puis dans la seconde zone (Z2, Z2') d'échange d'un système (12, 12') échangeur, permettant le réchauffement du fluide de cycle au niveau de l'évaporateur (4, 4') ;

- Une étape de fonctionnement simultané, les moyens de dérivation (7, 7') du flux de fluide de cycle étant ouverts et les moyens de contrôle (6, 6') étant fermés, permettant le réchauffement du fluide de cycle dans les deux évaporateurs (4, 4') simultanément ;

9. Procédé selon la revendication 8, comprenant une étape de fonctionnement alternatif, le fluide de cycle ne circulant pas dans au moins un des évaporateurs (4, 4') par l'association des moyens de minuterie et de la fermeture d'au moins un des moyens de contrôle (6, 6') et des moyens de dérivation (7, 7'), le refroidissement du fluide de cycle dans le condenseur (2) et le fonctionnement du compresseur (1 ) étant continus.

10. Procédé selon une des revendications 8 à 9, comprenant une étape de basculement d'un mode de fonctionnement à l'autre lorsque la température extérieure, mesurée à l'aide d'au moins un capteur thermométrique, franchit une valeur seuil.

1 1 . Procédé selon une des revendications 8 à 10, dont l'étape de sous- refroidissement du fluide de cycle et de dégivrage des systèmes (12, 12') échangeurs est uniquement réalisée avec les systèmes (12, 12') échangeurs de l'installation de pompe à chaleur, sans interruption de l'étape amont de refroidissement du fluide de cycle dans le condenseur (2).

12. Procédé selon une des revendications 8 à 1 1 , dans lequel le fluide de cycle est amené à un état supercritique dans une partie du circuit.

13. Procédé selon une des revendications 8 à 12, dans lequel l'étape de circulation d'air au niveau des systèmes (12, 12') échangeurs atteint une vitesse d'au moins 2 m/s.

14. Procédé selon une des revendications 8 à 13, comprenant une étape d'évaporation dans la zone (Z2, Z2') d'échange remplissant la fonction d'évaporateur (4, 4') réalisée à une température maximum comprise entre - W °C et -20 °C.

Description:
Installation et procédé d'optimisation de fonctionnement d'une installation de pompe à chaleur

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION

La présente invention se rapporte au domaine des pompes à chaleur. L'invention concerne plus particulièrement un procédé d'optimisation de fonctionnement d'une installation de pompe à chaleur, dans laquelle le fluide de cycle sous-refroidi par le dégivrage d'un échangeur thermique permet d'améliorer le rendement de l'installation. L'invention concerne également une installation de pompe à chaleur à rendement amélioré fonctionnant en continu. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION

De façon connue en soi, une pompe à chaleur capte de l'énergie thermique d'un environnement extérieur ou plus généralement d'une source de chaleur dite source froide pour la restituer dans un circuit de chauffage, de l'eau circulant dans ce circuit, généralement à l'intérieur d'un bâtiment. Une pompe à chaleur comprend classiquement un compresseur, un condenseur pour fournir de la chaleur, un détendeur préparant la réaction de vaporisation en abaissant la pression du liquide (pour fournir un liquide basse pression à l'évaporateur) et un évaporateur. L'évaporateur consiste généralement en un échangeur thermique dans lequel le fluide frigorigène liquide est vaporisé par la chaleur extraite de la source froide.

Le coefficient de performance COP d'une pompe à chaleur se définit comme le ratio entre la puissance calorifique délivrée au niveau du condenseur et le travail fourni. Ce travail correspond à la puissance électrique consommée par le moteur pour mouvoir le système de compression, appelée également « puissance absorbée ». Le coefficient de performance est souvent très inférieur à 3 pour des pompes à chaleur fonctionnant dans des milieux où la température extérieure est par exemple inférieure à 0 °C. II existe donc depuis longtemps un besoin pour augmenter le coefficient de performance des pompes à chaleur. Toujours en se basant sur le fonctionnement classique d'une installation de pompe à chaleur, il est essentiel de noter que l'évaporateur, qui prélève de la chaleur à la source froide, sera donc soumis à des températures très basses. Pour éviter une baisse du débit de circulation du fluide de cycle et donc une chute de rendement, il est nécessaire de dégivrer périodiquement l'évaporateur. Pour procéder à ce dégivrage, il est courant :

• soit, et c'est fréquemment le cas, d'inverser le cycle de fonctionnement de la pompe à chaleur, auquel cas le condenseur devient l'évaporateur et réciproquement,

· soit de créer une dérivation conduisant le fluide de cycle chaud directement de la sortie du compresseur à l'évaporateur. Ce système est bien décrit dans le document CA 2561 123 A1 , qui révèle un dispositif permettant de dériver une partie du fluide de cycle depuis la sortie du compresseur afin de l'injecter directement dans l'évaporateur, pour le dégivrer.

Ces deux façons de procéder ne permettent cependant pas d'assurer un fonctionnement en continu de l'installation, et donc une alimentation continue du circuit de chauffage.

11 est connu dans l'état de la technique, par le document US 3,777,508 A ou son équivalent DE 2,243,784 A , une pompe à chaleur dont le rendement et l'efficacité de dégivrage d'un évaporateur est amélioré en dérivant une partie du fluide de cycle vers un échangeur de chaleur électrique, qui fournit un surplus d'énergie calorifique au fluide de cycle pour le réinjecter dans l'évaporateur.

Cependant, ce type d'installation engage périodiquement une consommation d'énergie électrique importante alors qu'au même moment, la pompe à chaleur ne fournit pas ou peu d'énergie. Ainsi le coefficient de performance de la pompe à chaleur baisse inexorablement.

Il est également connu dans l'état de la technique la possibilité d'utiliser plusieurs évaporateurs dans l'installation de pompe à chaleur, afin d'assurer un fonctionnement continu de l'installation et une alimentation continue du circuit de chauffage. En d'autre terme, même pendant le dégivrage d'un évaporateur, pourvu qu'au moins un autre continue de fonctionner, la pompe à chaleur sera en mesure de délivrer de la chaleur. Un tel dispositif est décrit dans le document US 2006/0,144,060 A1 : une installation de pompe à chaleur est composée de plusieurs évaporateurs, dont les performances peuvent être mutuaiisées. Quand un des évaporateurs a besoin d'être dégivré, le sens de circulation du fluide de cycle est inversé dans cet évaporateur, mais les autres continuent d'échanger de la chaleur avec la source froide. De cette manière, le condenseur fonctionne de manière continue ce qui permet à l'installation de fournir de la chaleur même pendant le dégivrage d'un évaporateur.

Cependant, rien dans ce type d'installation ne permet d'améliorer le rendement de la pompe à chaleur.

DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION

La présente invention a donc pour objet de pallier un ou plusieurs des inconvénients de l'art antérieur en proposant une installation de pompe à chaleur récupérant un maximum d'énergie de façon à augmenter son coefficient de performance, et fournissant de la chaleur en continu tout en dégivrant une partie de l'installation lorsque cela est nécessaire.

A cet effet, l'invention concerne une installation de pompe à chaleur fonctionnant à partir d'une source froide, comprenant un circuit doté d'au moins un compresseur, d'un condenseur, de moyens de détente, et d'au moins un évaporateur, un fluide de cycle circulant dans le circuit, le condenseur étant refroidi par un fluide à chauffer, caractérisée en ce qu'elle comporte :

- au moins deux systèmes échangeurs, composés chacun de deux zones d'échange de chaleur disjointes fluidiquement et liées thermiquement, la première zone d'échange remplissant la fonction de sous-refroidissement du fluide de cycle et de dégivreur de la deuxième zone d'échange, cette dernière remplissant la fonction d'évaporateur, les deux systèmes échangeurs étant montés en parallèle par rapport à l'ensemble compresseur - condenseur, de part et d'autre d'au moins deux moyens de détentes ; - des moyens de circulation du fluide de cycle entre l'ensemble compresseur - condenseur et les systèmes échangeurs, ainsi que des moyens de contrôle et des moyens de dérivation du flux de fluide de cycle dans le circuit permettant le fonctionnement de l ' installation selon soit ; o un mode de circulation alternée du fluide de cycle dans le dégivreur d'un premier système échangeur puis dans l'évaporateur du deuxième système échangeur, o un mode de circulation simultanée en parallèle, dans chaque système échangeur, du fluide de cycle passant d'abord dans le dégivreur puis dans l'évaporateur.

Ainsi, l'installation composée d'au moins deux systèmes échangeurs permet de réaliser deux optimisations dans le cadre du fonctionnement de l'installation. D'une part, le fluide de cycle en traversant la première zone d'échange d'un premier système échangeur, cède une partie de son énergie calorifique à ce dernier afin de le dégivrer. D'autre part, cette extraction de chaleur permet de refroidir le fluide de cycle et à cet effet d'augmenter significativement le rendement de la pompe à chaleur.

Selon une autre particularité, le mode de fonctionnement de l'installation dépend de la température extérieure, mesurée par des moyens de mesure thermométrique contrôlés par un processeur et un logiciel, actionnant les moyens de contrôle en fonction du mode requis pour la température extérieure correspondante.

Ainsi, L'installation est conçue pour fonctionner dans différents mode suivant la température extérieure, pour assurer dans tous les cas une restitution continue de la chaleur dans le circuit de chauffage.

Selon une autre particularité, chaque système échangeur comprend :

- des ailettes parallèles alignées suivant un plan;

- Une zone d'échange constituées de deux sous-zones reliées fluidiquement, la première sous zone étant positionnée sur un premier coté recevant un flux d'air selon une composante parallèle au plan P dans le système échangeur, la deuxième sous-zone étant positionnée sur un deuxième côté opposée audit premier côté pour faire ressortir ledit flux d'air du système échangeur ; - une zone d'échange située entre les deux sous zones d'échange et reliée thermiquement aux dites sous-zones d'échange.

Ainsi, chaque échangeur en fonctionnement peut recevoir un flux d'air latéral qui va instantanément se refroidir dans la zone correspondant aux côtés d'entrée et de sortie du flux d'air, sur lesquels on trouve la canalisation de l'évaporateur dans laquelle circule le fluide de cycle. La zone située au centre du système échangeur réchauffe et dégivre la zone en prenant des calories au fluide de cycle circulant dans la canalisation de la zone d'échange.

Selon une autre particularité, la deuxième zone d'échange de chaleur, entourant la première zone d'échange de chaleur de chaque système échangeur, est du type tube à ailettes.

Selon une autre particularité, chaque système échangeur comprend un radiateur incluant les deux zones d'échange.

Selon une autre particularité, chacune desdites zones d'échange s'étend sur toute la hauteur d'un volume occupé par chaque système échangeur.

Ainsi, les échanges de chaleur entre le fluide de cycle et les zones d'échange du système échangeur sont maximisés.

Un objectif supplémentaire de l'invention est de proposer une méthode d'optimisation de fonctionnement d'une installation de pompe à chaleur, à rendement amélioré et d'échanges calorifiques continus.

A cet effet, l'invention concerne un procédé d'optimisation de fonctionnement d'une installation de pompe à chaleur fonctionnant à partir d'une source froide, comprenant un circuit doté d'au moins un compresseur, d'un condenseur, de moyens de détente, d'un fluide de cycle circulant dans le circuit, et d'au moins un système échangeur remplissant une fonction d'évaporateur, caractérisé en ce qu'il comporte : - Une étape de transfert de chaleur du fluide de cycle vers une zone d'un système échangeur différente de celle remplissant la fonction d'évaporateur, et ayant pour effet le sous-refroidissement du fluide de cycle et le dégivrage dudit système échangeur ;

- Une étape de circulation du fluide de cycle sous-refroidi vers des moyens de détente, puis dans la seconde zone d'échange d'un système échangeur, permettant le réchauffement du fluide de cycle au niveau de l'évaporateur.

Selon une autre particularité, le procédé comprend une étape de fonctionnement alternatif, le fluide de cycle ne circulant pas dans au moins un des évaporateurs par l'association des moyens de minuterie et de la fermeture d'au moins un des moyens de contrôle et des moyens de dérivation, le refroidissement du fluide de cycle dans le condenseur et le fonctionnement du compresseur étant continus.

Selon une autre particularité, le procédé comprend une étape de fonctionnement simultané, les moyens de dérivation du flux de fluide de cycle étant ouverts et les moyens de contrôle étant fermés, permettant le réchauffement du fluide de cycle dans les deux évaporateurs simultanément.

Selon une autre particularité, le procédé comprend une étape de basculement d'un mode de fonctionnement à l'autre lorsque la température extérieure, mesurée à l'aide d'au moins un capteur thermométrique, franchit une valeur seuil.

Selon une autre particularité, le procédé comprend une étape de sous- refroidissement du fluide de cycle et de dégivrage des systèmes échangeurs uniquement réalisée avec les systèmes échangeurs de l'installation de pompe à chaleur, sans interruption de l'étape amont de refroidissement du fluide de cycle dans le condenseur.

Selon une autre particularité, le fluide de cycle est amené à un état supercritique dans une partie du circuit.

Ainsi, après la phase de détente du fluide de cycle, ce dernier se trouve dans des conditions de pression et de température telles qu'il y a coexistence des phases liquide et gazeuse. Le réchauffement du fluide de cycle dans l'évaporateur va entraîner un gain d ' enthalpie à pression constante et induire un passage progressif à l'état gazeux du fluide de cycle.

Selon une autre particularité, le procédé comprend une étape de circulation d'air au niveau des systèmes échangeurs atteignant une vitesse d'au moins 2 m/s.

Selon une autre particularité, le procédé comprend une étape d'évaporatïon dans la zone d'échange remplissant la fonction d'évaporateur réalisée à une température maximum comprise entre -10 °C et -20 °C.

L'invention, avec ses caractéristiques et avantages, ressortira plus clairement à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1 illustre un premier mode de réalisation de l'invention ;

- la figure 2 montre schématiquement un deuxième mode de réalisation de l'invention ;

- la figure 3 illustre une vue en coupe selon un plan P d'un système échangeur ;

- la figure 4 représente une vue en coupe d'une installation de pompe à chaleur dans un mode de réalisation de l'invention ;

- les figures 5a, 5b et 5c illustrent deux modes de fonctionnement alternatif et un mode de fonctionnement simultané de l'invention ;

o dans le premier mode alternatif représenté illustré par la figure 5a, les dérivations (7, 7') sont coupées et le moyen de contrôle (6) laisse circuler le fluide de cycle, o dans le deuxième mode alternatif représenté illustré par la figure 5b, les dérivations (7, T) sont coupées et le moyen de contrôle (6 ' ) laisse circuler le fluide de cycle, o Dans le mode simultané représenté illustré par la figure 5c, les moyens de contrôle (6, 6') sont fermés et les dérivations (7, 7') ouvertes laissent circuler le fluide de cycle.

- la figure 6 représente un diagramme pression/enthalpie illustrant l'apport de l'invention pour le cycle d'une pompe à chaleur ; DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES DE L'INVENTION

En référence aux figures 1 et 2, l'installation de pompe à chaleur fonctionne à partir d'une source froide (A). L'installation comprenant conventionneliement un circuit doté d'au moins un compresseur (1 ), d'un condenseur (2), d'au moins deux détendeur (3, 3') d'au moins deux évaporateurs (4, 4') et d'au moins deux ventilateurs (5, 5'). Le fluide de cycle qui circule dans le circuit peut par exemple être un fluide frigorifique connu en soi (fluide frigorigène R1 34a, R22 ou autre fluide similaire), pouvant être amené ou non à un état supercritique.

Dans un fonctionnement de pompe à chaleur, par exemple celui d'une installation de chauffage ou d'un chauffe-eau, le condenseur (2) est refroidi par un fluide à chauffer. L'installation comprend au moins deux systèmes (1 2, 1 2') échangeurs avec le fluide de cycle, chacun doté d'une première zone (Z1 , Z1 ') d'échange de chaleur destinée au refroidissement du fluide de cycle et d'une seconde zone (Z2, Z2') d'échange de chaleur entourant la première (Z1 , Z1 ') et destinée au réchauffement du fluide de cycle.

Tandis qu'au moins une canalisation (21 , 22) du circuit en amont du système de détente (3, 3') est placée dans la première zone (Z1 , ΖΓ) d'échange, la seconde zone (Z2, Z2') correspond à l'évaporateur (4, 4') du circuit. En référence à la figure 4, des ventilateurs (5, 5') à pales placés à côté des systèmes échangeurs (12, 12') génèrent un flux par exemple circulaire ou hélicoïdal traversant de part en part la deuxième zone (Z2, Z2') d'échange avant de sortir du caisson enfermant l'ensemble ventilateur-système échangeur (5, 5', 1 2, 1 2'). La figure 4 montre un positionnement des ventilateurs (5, 5') au niveau des parties latérales d'un caisson (50) renfermant les composants (1 , 2, 12, 1 2', 3, 3', 4, 4') de la pompe à chaleur. Ledit caisson (fig 4, 50) est réalisé avec des ouvertures vers le bas (51 , 51 ') et en dessous (52, 52') des évaporateurs (4, 4') de telle sorte que le flux d'air généré par le fonctionnement des ventilateurs (5, 5') et traversant de part en part la deuxième zone d'échange (S2, Z2') des systèmes échangeurs (1 2, 1 2'), entre et ressorte par le bas du caisson (50). Ainsi, l'espace semi-clos (53, 53') formé par le caisson et existant entre chaque ventilateur (5, 5') adjacent à un évaporateur (4, 4') et la paroi interne du caisson (50) en regard de chaque ventilateur (5, 5'), permet lorsque un ventilateur (5, 5') est arrêté de maintenir l'air chaud réchauffé par le fluide de cycle dans le haut du caisson (50), la densité de l'air chaud étant plus faible que celle de l'air froid, favorise ainsi le dégivrage de l'évaporateur (4, 4') adjacent au ventilateur (5, 5') à l'arrêt.

Les systèmes échangeurs (12, 12') sont constitués de deux zones disjointes (Z1 et ΖΓ, Z2 et Z2') d'échange, dans lesquelles circulent le fluide de cycle. Tandis que la première zone (Z1 , ΖΓ) d'échange, en amont du détendeur (3, 3') dans le sens de circulation, est traversée par le fluide de cycle de manière à réchauffer le système (12, 12') échangeur, la deuxième zone (Z2, Z2') est traversée en aval du détendeur (3, 3') de manière à ce que l'évaporateur (4, 4') réchauffe le fluide de cycle par extraction de la chaleur de la source froide (A). Afin d'alimenter de façon homogène plusieurs circuits sur le système échangeur (12, 12'), l'alimentation de l'évaporateur (4, 4') après la sortie du détendeur (3, 3') peut s'effectuer avec un distributeur (E2, E2'). Dans ce cas, plusieurs circuits de la seconde zone (Z2, Z2') d'échange sont alimentés parallèlement. La première zone (Z1 , ΖΓ) constitue un échangeur liquide/air.

En référence à la figure 1 , le système (12, 12') échangeur peut comporter des ailettes parallèles alignées suivant un axe. Ces ailettes peuvent être espacées entre elles de 3,2 mm ou de tout autre écart conventionnel. Ce système (12, 12') se répartit entre un premier côté, commun à une pluralité d'ailettes, de ladite deuxième zone (Z2, Z2') qui reçoit le flux d'air pénétrant dans le système (12, 12') échangeur selon une direction à composante perpendiculaire à l'axe d'alignement des ailettes ou parallèle aux ailettes, et un deuxième côté commun à la même pluralité d'ailettes qui est opposé au premier côté pour faire ressortir ledit flux d'air du système (12, 12') échangeur. La canalisation (21 , 22) destinée à recevoir de la chaleur issue du flux d'air sortant forme tout ou partie de l'évaporateur (4, 4') du circuit et est positionnée de part et d'autre des côtés du système (12, 12') échangeur. Le pourcentage d'humidité relative du flux d'air utilisé peut être de 90%. De manière non limitative, la circulation d'air s'effectue avec une vitesse comprise entre 1 et 2,5 m/s. pour une face d'entrée dans le système échangeur (12, 12') ayant une superficie de l'ordre de 0,1 de 5 m 2 et même plus. Le débit peut aussi atteindre 15m 3 /s et même plus pour des applications à des bâtiments industriels.

Le système (12, 12') échangeur peut aussi être dépourvu d ' ailettes et comporter essentiellement un tube lisse en matière inoxydable, ce qui le rend adapté pour des utilisations dans des atmosphères corrosives ou chargées.

Dans l ' exemple qui suit, la température du fluide de cycle (liquide) est de 65° à l'entrée (E1 , Ε ) d'un système échangeur (12, 12'), la température de condensation pouvant être de 67°C. Le fluide de cycle qui sort de la première zone (Z1 , ΖΓ) est refroidi à une température de 8°C et est conduit via la sortie (S1 , S1 ') vers le détendeur (3, 3').

Dans un mode de réalisation de l'invention, le volume occupé par chaque système échangeur (12, 12 ' ) peut avoir une hauteur (h) sensiblement constante. Le flux d ' air traverse par exemple une surface complète de ce volume globalement parailélépipédique, en entrant par la deuxième zone (Z2, Z2') d'échange, c'est à dire par le premier côté. En référence à la figure 1 , la hauteur (h) est de préférence supérieure à la profondeur (d) du système échangeur (12, 12'). Cette profondeur peut être constante et de l'ordre de 0,1 à 0,2 m alors que la surface de la face d'entrée du flux d'air peut correspondre à 1 m 2 et plus. Les systèmes échangeurs (12, 12') peuvent avantageusement être positionnés de façon verticale, comme illustré dans la figue 1 . Dans une forme de réalisation préférée, chacune des zones (Z1 et ΖΓ, Z2 et Z2') d'échange s'étend sur toute la hauteur (h) du volume occupé par le système échangeur (12, 12'). L'épaisseur de la seconde zone (Z2. Z2') d'échange où est localisé l'évaporateur (4, 4') peut être comparable à ou correspondre au moins au triple de l'épaisseur de la première zone (Z1 , Ζ ) d'échange. En référence à la figure 3, Il y a quatre rangs pour l'échange réalisé dans l ' évaporateur (4, 4') et un simple rang pour l'échange de sous-refroidissement. L'épaisseur de ladite seconde zone (Z2, Z2') est donc bien supérieure dans ce cas à l'épaisseur de la première zone (Z1 , Z1 ') d'échange. On comprend que la taille du système échangeur (12, 12') incluant les deux zones (Z1 et Ζ , Z2 et Z2') est variable en fonction des puissances envisagées. L'épaisseur totale de la surface d'échange peut être de 180 mm pour 5 rangs : 4 rangs pour l'évaporateur (4, 4') et 1 rang pour la zone (Z1 , Z1 ') formant le sous-refroidisseur et le dégivreur. Le pompage de calories vers le fluide de cycle dans la seconde zone d'échange (Z2, Z2') nécessite un surplus d'épaisseur par rapport à l'opération de libération de calories effectuée dans la zone (Z1 , ΖΓ) de sous-refroidissement. De manière non limitative, la taille du système (12, 12') échangeur de la figure 1 est de 1000 x 1000 x 150. H faut ici préciser que ce type de dimensionnement avec accolement selon la plus grande section (1 m 2 dans ce cas) du sous-refroidisseur de l'échangeur (12, 12') contre l'évaporateur (4, 4') permet d'optimiser le dégivrage.

Dans un mode de réalisation, le circuit se divise en au moins deux canalisations (21 , 22) à la sortie du condenseur (2), chacune des canalisations (21 , 22) étant connectée à l'entrée (E1 , E1 ') de la première zone (Z1 , Z1 ') d'un système échangeur (12, 12'). Entre la sortie (S1 , S1 ') de la première zone (Z1 , Ζ ) et le détendeur (3, 3'), lui même situé en amont de l'entrée (E2, E2') de la deuxième zone (Z2, Z2') d'échange, est installé un système de contrôle (6, 6') de la circulation du fluide de cycle, par exemple une électrovanne, pilotée par exemple par un logiciel sur la base de données temporelles et de données recueillies par exemple à l'aide de capteurs de température. Les détendeurs (3, 3') et les systèmes de contrôle (6, 6') sont extérieurs aux systèmes échangeurs (12, 12'). Dans un mode de réalisation, les canalisations (21 , 22) se divisent en amont de l'entrée dans la première zone (Z1 , Ζ ) d'échange et fusionnent en aval des moyens de contrôle (6, 6'), créant une dérivation permettant d'éviter la circulation du fluide de cycle dans la première zone (Z1 , Z1 ') d'échange. La circulation du fluide de cycle dans ces circuits de dérivation est contrôlée par des moyens de dérivation (7, 7'), qui peuvent être du même type que les moyens de contrôle (6, 6'). Les canalisations (21 , 22) connectés aux sorties (S2, S2') des évaporateurs (4, 4') fusionnent en amont du compresseur (1 ), formant une unique canalisation connectée à l'entrée du compresseur (1 ). L'entrée (E2, E2') et/ou la sortie (S2, S2') des évaporateurs peut être placée à un même niveau de hauteur que l'entrée (E1 , E1 ') ou la sortie (S1 , S1 ') de la partie circuit en amont des détendeurs (3, 3') placées dans la première zone (Z1 , ΖΓ) d'échange. Dans l'exemple de la figure 1 , seule la sortie (S1 , S1 ') de la première zone (Z1 , ΖΓ) d'échange est placée à un niveau de hauteur différent des autres entrées (E1 et E1 ', E2 et E2') ou de la sortie (S2, S2') de la deuxième zone (Z2, Z2') d'échange des systèmes échangeurs (1 2, 1 2')„

Comme illustré par le diagramme de la figure 6, le refroidissement du fluide de cycle en amont du détendeur (3, 3') se traduit par un sous- refroidissement par rapport à un cycle normal (C1 ). Le cycle (C2) obtenu permet donc de démarrer la détente avec un fluide de moindre enthalpie. L'effet de ce sous-refroidissement est d'obtenir en fin de détente (isenthalpique) une augmentation du taux de liquide pour le fluide de cycle arrivant dans l'évaporateur (4, 4'). Par conséquent, La capacité de l'évaporateur (4, 4') peut être améliorée.

En référence à la figure 1 , le système échangeur (1 2, 1 2') peut comprendre un radiateur incluant les deux zones (Z1 et Ζ , Z2 et Z2') d'échange.

Pour obtenir le complément d'efficacité comme illustré à la figure 6, et pour proposer le dégivrage des systèmes (1 2, 1 2') échangeurs sans inversion de cycle et sans interruption du refroidissement du fluide de cycle dans le condenseur (2), il est proposé selon l'invention un procédé d'optimisation du fonctionnement d'une installation de pompe à chaleur. Dans un mode de fonctionnement, en référence aux figures 5a et 5b, le fluide de cycle circule alternativement, à l'aide des systèmes de contrôle, dans l'une ou l'autre portion du circuit en aval du condenseur. A un instant T, et en référence à la figure 5a, un des systèmes de contrôle, par exemple le deuxième (6'), est fermé, empêchant ainsi la circulation du fluide de cycle dans la première zone (Ζ ) du deuxième système (1 2') échangeur, tandis que le premier système de contrôle (6) est ouvert. Le fluide de cycle se dirige donc par l'entrée (E1 ) dans la première zone (Z1 ) d'échange du premier système (1 2) échangeur. H se produit alors une extraction de calories du fluide de cycle vers le premier système (1 2) échangeur, avec pour effet combiné le sous-refroidissement du fluide de cycle et le dégivrage de l'évaporateur (4) du premier système (12) échangeur, le dégivrage étant d'autant plus efficace que le ventilateur (5) est à l'arrêt, arrêtant la circulation d'air de la source froide (A), l'air chaud réchauffé par le fluide de cycle restant de plus emprisonné dans le caisson (50) à proximité de l'échangeur (12) et du ventilateur (5) à l ' arrêt favorise le dégivrage de l ' évaporateur (4) adjacent au ventilateur (5) à l ' arrêt. Le fluide de cycle sous- refroidi sort ensuite de la première zone (Z1 ) du premier système (12) échangeur, se dirige de la sortie (S1 ) vers le détendeur (3'), puis pénètre dans la deuxième zone (Ζ2') d ' échange du deuxième système (12') échangeur, permettant ainsi au fluide de cycle d'extraire la chaleur de la source froide (A) (le ventilateur (5') fonctionne et permet la circulation d'air) et de se réchauffer au niveau de l ' évaporateur (4'). Le fluide de cycle se dirige ensuite de la sortie (S2') de la deuxième zone (Ζ2 ' ) du deuxième système (12') échangeur vers le compresseur (1 ), puis du compresseur (1 ) vers le condenseur (2) où il est refroidi. Au bout par exemple d'un temps T de fonctionnement, par exemple trente minutes, et en référence à la figure 5b, l'état des systèmes de contrôle (6, 6') s ' inverse, autrement dit le premier système de contrôle (6) est fermé et empêche la circulation du fluide de cycle tandis que le deuxième (6') est ouvert et autorise la circulation du fluide de cycle. Le fluide de cycle se dirige donc vers l ' entrée (Ε1 ') de la première zone (Ζ ) du deuxième système (12 ' ) échangeur, où il sera sous-refroidi tout en dégivrant le deuxième système (12') échangeur. Le ventilateur (5') est arrêté, stoppant la circulation d'air au niveau du système (12 ' ) échangeur, l ' air chaud réchauffé par le fluide de cycle restant de plus emprisonné dans le caisson (50) à proximité de l'échangeur (12') et du ventilateur (5') à l'arrêt, favorisant le dégivrage de l'évaporateur (4') adjacent au ventilateur (5') à l'arrêt. Le fluide de cycle sous-refroidi se dirige ensuite de la sortie (S1 ') de la première zone (ΖΓ) du deuxième système (12') échangeur vers le détendeur (3), avant de pénétrer dans la deuxième zone (Z2) d ' échange du premier système échangeur, où il est refroidi au niveau de l ' évaporateur (4), le ventilateur (5) fonctionnant et permettant la circulation d ' air et l'échange de chaleur entre le fluide de cycle et la source froide (A). Le fluide de cycle se dirige ensuite de la sortie (S2) de la deuxième zone (Z2) du premier système (12) échangeur vers le compresseur (1 ), puis du compresseur (1 ) vers le condenseur (2) où il est refroidi. Au bout d'un même temps T, l'état des systèmes de contrôle (6, 6') s'inverse à nouveau afin de dégivrer de nouveau le premier système (12) échangeur. Cette alternance de l'état des moyens de contrôle (6, 6'), qui est effectuée par exemple à l'aide d'une minuterie, continue tant que la température de l'air extérieur est inférieure à une valeur seuil, par exemple 7 "C, cette température étant mesurée par exemple à l'aide d'un capteur thermométrique. Durant la phase de fonctionnement alterné, les moyens de dérivation (7, 7') sont fermés.

Ce fonctionnement alterné de l'installation permet d'assurer :

- le dégivrage alterné des systèmes (12, 12') échangeurs, sans inversion de la circulation du fluide de cycle, le condenseur (2) fournissant de la chaleur en continu,

- le sous-refroidissement du fluide de cycle, ce qui améliore le rendement de la pompe à chaleur.

Dans un mode de fonctionnement en référence à la figure 5c, lorsque la température extérieure devient supérieure à une valeur seuil, par exemple 7 °C, les moyens de contrôle (6, 6') sont fermés et les moyens de dérivation (7, 7') sont ouverts. Le fluide de cycle circule ainsi en sortie du condenseur (2) dans les deux circuits de dérivation menant aux deux zones (Z2, Z2') des systèmes (12, 12') échangeurs, le fluide de cycle ne circulant pas dans les deux zone (Z1 , Ζ ) d'échange des systèmes (12, 12') échangeurs. On aura alors un fonctionnement simultané et en parallèle des deux évaporateurs (4, 4'), et des deux ventilateurs (5, 5') qui favorisent alors l'échange de chaleur de la source froide (A) vers le fluide de cycle, le fluide de cycle étant réchauffé en parallèle dans les deux zones (Z2, Z2') d'échange des systèmes (12, 12') échangeurs. Ce mode de fonctionnement permet de réduire la puissance fournie à l'installation de pompe à chaleur, évitant ainsi les pics de puissance.

La présente demande décrit diverses caractéristiques techniques et avantages en référence aux figures et/ou à divers modes de réalisation. L'homme de métier comprendra que les caractéristiques techniques d'un mode de réalisation donné peuvent en fait être combinées avec des caractéristiques d'un autre mode de réalisation à moins que l'inverse ne soit explicitement mentionné ou qu'il ne soit évident que ces caractéristiques sont incompatibles. De plus, les caractéristiques techniques décrites dans un mode de réalisation donné peuvent être isolées des autres caractéristiques de ce mode à moins que l'inverse ne soit explicitement mentionné.

Il doit être évident pour les personnes versées dans l'art que la présente invention permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans l'éloigner du domaine défini par la portée des revendications jointes, et l'invention ne doit pas être limitée aux détails donnés ci-dessus.