CA2630886C - Methode et systeme de recuperation d'energie par climatisation de l'air - Google Patents

Abstract

Système et méthode d'échange de chaleur entre l'air vicié et de l'air à chauffer ou entre l'air vicié et de l'eau à chauffer, permettant d'utiliser un fluide caloporteur pour, d'une part, un chauffage efficace de l'air avec des échangeurs air-eau ou un chauffage efficace de l'eau avec des échangeurs eau-eau, et pour, d'autre part, une utilisation efficace comme source froide dans le condenseur du cycle de climatisation à frigorigène de l'air vicié et/ou de climatisation de l'air neuf.

Description

2 TITRE DE L'INVENTION

Méthode et système de récupération d'énergie par climatisation de l'air DOMAINE DE L'INVENTION

[0001] La présente invention est relative à la récupération d'énergie. Plus précisément, la présente invention est relative à la récupération d'énergie par climatisation d'air vicié ou par climatisation d'air neuf.

CONTEXTE DE L'INVENTION

[0002] La rationalisation de l'utilisation de l'énergie pour le traitement de l'air des bâtiments fait l'objet d'efforts importants compte tenu de l'augmentation constante des coûts de l'énergie.

[0003] Or, l'énergie contenue dans l'air vicié des bâtiments ou l'énergie de climatisation de l'air neuf constituent des sources importantes de rejet énergétique des bâtiments. De fait, des unités de conditionnement d'air avec circuit de climatisation à frigorigène sont envisagées pour produire un effet de climatisation de l'air vicié des bâtiments et/ou un effet de climatisation de l'air neuf avec récupération d'énergie. Cependant les applications de ce type sont en général inopérantes en raison de conditions d'opération inefficaces ou physiquement incompatibles avec le fonctionnement normal des circuits de réfrigération.

[0004] Par exemple, des unités de traitement d'air de type dérivation des gaz chauds (hot gas bypass) ne peuvent pas fonctionner lorsque les échangeurs d'air des condenseurs ont une température d'air trop froide.

[0005] Une seconde alternative pour la récupération d'énergie de l'air vicié des bâtiments consiste à utiliser une unité de climatisation avec condenseur refroidi avec échange de chaleur en phase liquide.
Cependant, le transfert de chaleur vers la phase liquide perd beaucoup de son efficacité lorsque la température du fluide caloporteur augmente. Or, pour que la température du fluide caloporteur devienne une source chaude utilisable, sa température doit être en général relativement élevée par rapport aux températures efficaces d'échange de chaleur à partir des condenseurs refroidis avec échange en phase liquide. Il est plus difficile de refroidir un condenseur avec de l'eau chaude qu'avec de l'eau froide, et si, à l'opposé, la température du fluide caloporteur est trop froide, le système de réfrigération n'est pas efficace non plus.

[0006] Les condenseurs refroidis à l'eau sont généralement utilisés lorsqu'une source froide est disponible, tels une tour d'eau, une rivière ou un lac. Même lorsqu'une telle source froide est disponible, elle n'est pas en général utilisée pour récupérer l'énergie de l'air évacué des bâtiments par climatisation en hiver. De fait, la température d'une telle source froide n'augmenterait que de quelques degrés et il serait difficile de l'utiliser comme source chaude pour en retirer à nouveau de l'énergie.

[0007] En effet, l'avantage énergétique de l'utilisation d'une source froide liquide pour la récupération de l'énergie de l'air vicié des bâtiments est de pouvoir utiliser cette source froide pour stocker l'énergie et de pouvoir agir par la suite comme source chaude pour retransmettre l'énergie vers une unité à chauffer.

[0008] De plus, l'utilisation pour la condensation du frigorigène d'une eau de refroidissement plus froide que la température d'évaporation entraîne des conditions de sous-refroidissement du frigorigène, ce qui peut occasionner une diminution importante de l'efficacité de l'évaporateur, puisqu'une partie de sa surface d'échange sert uniquement à l'augmentation de l'enthalpie de la phase liquide du frigorigène plutôt qu'à son évaporation. Dans ces conditions, l'efficacité
de transfert de chaleur des évaporateurs des circuits de frigorigène est en général grandement réduite puisqu'une partie de la surface d'échange de chaleur doit servir à réchauffer le liquide frigorigène plutôt qu'à l'évaporer.

[0009] Dans le cas où une source d'eau est disponible en hiver et lorsqu'on peut trouver une utilisation au préchauffage de l'eau, il peut être facile et économique d'installer un échangeur de chaleur air-eau pour préchauffer de l'eau avec l'air vicié des bâtiments. Toutefois, le préchauffage de l'eau dans ces conditions ne fournit qu'une température réduite et l'utilisation finale de l'eau nécessite, dans la plupart des cas, une étape additionnelle de chauffage de l'eau. Pour réduire l'étape additionnelle de chauffage de l'eau par une augmentation de la température de sortie de l'échangeur air-eau, la réduction résultante de l'efficacité d'échange de chaleur par surface requiert une augmentation substantielle de sa surface d'échange. Cette augmentation de surface réduit considérablement l'utilité économique de cette configuration de récupération de l'énergie en phase d'échange air-eau.

[0010] Les températures maximales des sources froides sont de l'ordre de 41 C, dans les configurations les plus courantes des cycles de réfrigération pour la condensation des systèmes de climatisation à
frigorigène refroidis à l'eau ou à l'air. Un système de condenseur refroidi à l'eau, par exemple, peut donc difficilement fonctionner si la source de refroidissement est un circuit de chauffage à l'eau dont la température est supérieure à 41 C.

[0011] Dans un système de récupération d'énergie par climatisation de l'air vicié d'un bâtiment en hiver, le transfert de chaleur vers un circuit d'eau de chauffage de bâtiment, utilisé comme source froide, requiert l'utilisation d'une plus grande énergie de compression du frigorigène lorsque la température de l'eau de chauffage est supérieure à 41 C, ce qui réduit considérablement le coefficient de performance du cycle de réfrigération et pour cette raison il n'est en général pas utilisé.

[0012] De plus, l'utilisation d'un circuit de condensation de frigorigène refroidi à l'air pour la climatisation de l'air vicié et le préchauffage de l'air neuf occasionne des conditions de sous-refroidissement du frigorigène susceptibles de réduire l'efficacité de l'évaporateur du circuit de climatisation de l'air vicié. Il peut aussi entraîner rapidement le gel de l'évaporateur lorsque la température de l'air extérieur abaisse la température du frigorigène sous le point de congélation. L'évaporateur devient inutile dans ces conditions.

[0013] Les échangeurs de chaleur air-air ou les accumulateurs d'énergie thermiques par roue ou par masse sont parmi les techniques les plus utilisées pour récupérer la chaleur de l'air vicié des bâtiments.
Ces systèmes présentent toutefois des lacunes importantes, telles que la perte d'efficacité de transfert de chaleur lorsque les températures de l'air extérieur sont moins froides, la perte d'efficacité en raison du givrage de l'échangeur de chaleur et par la nécessité de procéder à un cycle de dégivrage, la contamination de l'air neuf par l'air vicié du bâtiment, notamment.

[0014] Il y a donc un besoin dans l'art d'une méthode et d'un système de récupération d'énergie par climatisation de l'air vicié et/ou par récupération de l'énergie de climatisation de l'air neuf.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

[0015] La Figure 1 est un schéma d'un système selon un mode de réalisation d'un aspect de la présente invention; et

[0016] La Figure 2 est un diagramme de fonctionnement d'une méthode selon un mode de réalisation d'un autre aspect de la présente invention.

DESCRIPTION DE MODES DE RÉALISATIONS DE L'INVENTION

[0017] II est proposé une méthode et un système de climatisation à frigorigène pour refroidir de l'air et l'utiliser pour chauffer de l'air neuf ou de l'eau.

[0018] Tel qu'illustré en Figure 1, un système 10 selon un mode de réalisation d'un aspect de la présente invention comprend généralement un circuit de chauffage ou de climatisation de l'air neuf ou de chauffage de l'eau 14 et un circuit de réfrigération 16, avec une évacuation d'air vicié 12, et une distribution 15.

[0019] Le circuit de chauffage ou de climatisation de l'air neuf ou de chauffage de l'eau 14 peut être destiné au chauffage d'air neuf ou autre gaz et/ou au chauffage d'eau ou d'un autre liquide ou à la climatisation de l'air et au chauffage de l'eau. La distribution 15 permet donc la distribution d'air et /ou d'eau chaude.

[0020] Le circuit de réfrigération 16 comprend au moins un compresseur de frigorigène 18 et au moins un condenseur de frigorigène à échange de chaleur en phase liquide 20.

[0021] Dans la section d'évacuation d'air vicié 12, le circuit de réfrigération 16 est complété d'une part par au moins un évaporateur de frigorigène à expansion directe 22, une vanne d'expansion 28 et une vanne d'amorçage de circuit de réfrigération 30.

[0022] Dans la section traitement d'air neuf et/ou chauffage d'eau 14, le circuit de réfrigération 16 peut être complété par au moins un évaporateur de frigorigène à expansion directe 22', une vanne d'expansion 28' et une vanne d'amorçage de circuit de réfrigération 30'.

[0023] Dans le circuit de réfrigération 16, le frigorigène entre dans le compresseur 18 sous forme de vapeur saturée et s'y trouve soumis à une brusque hausse de pression, ce qui augmente sa température, résultant en une vapeur chaude comprimée qui peut être condensée dans le condenseur 20. Sortant du condenseur 20 sous forme de liquide saturé, le frigorigène passe à travers la vanne d'expansion 28 où il est soumis à une brusque chute de pression qui cause l'évaporation flash d'une partie du liquide et réduit la température du mélange frigorigène liquide/gazeux.

[0024] Dans l'évaporateur 22, le frigorigène récupère l'énergie de l'air vicié avant que l'air vicié soit évacué à un débit contrôlé par un ventilateur 40, par l'évacuation 12, par exemple : l'air vicié est refroidi par le frigorigène, agissant comme source d'énergie d'évaporation du frigorigène contenu dans l'évaporateur 22. Puis, le frigorigène est condensé et l'énergie de condensation est transmise, par le condenseur 20, au circuit de chauffage 14.

[0025] La section de chauffage 14 comprend au moins un échangeur de chaleur air-eau (ou eau-eau) 24 et des filtres à air 26.
Les échangeurs de chaleurs 24 peuvent être du type serpentins d'échange thermique air-eau (ou eau-eau), par exemple. Le débit d'air neuf chauffé peut être contrôlé par un ventilateur 42, par exemple.

[0026] Dans la section traitement d'air neuf et/ou chauffage d'eau 14, l'air neuf peut être refroidi par l'évaporateur 22' du circuit de réfrigération 16. L'air neuf est refroidi par le frigorigène, agissant comme source d'énergie d'évaporation du frigorigène contenu dans l'évaporateur 22'. Puis, le frigorigène est condensé et l'énergie de condensation est transmise, par le condenseur 20, au circuit de chauffage de l'eau 14.

[0027] Dans une méthode selon un mode de réalisation d'un aspect de la présente invention, un médium caloporteur liquide est mis en circulation dans le système 10.

[0028] Le sens de circulation du fluide caloporteur peut varier selon la configuration de l'unité de récupération d'énergie.

[0029] Lorsque la température du fluide caloporteur est supérieure à environ 41 C, le fluide caloporteur passe d'abord dans le circuit de chauffage 14, dans l'échangeur thermique 24 duquel la température du fluide caloporteur est réduite à une température utilisable efficacement dans le condenseur 20 du circuit de réfrigération 16 pour produire de l'air refroidi.

[0030] Lorsque la température du fluide est inférieure à environ 41 C, le fluide caloporteur passe d'abord dans le condenseur 20 du circuit de réfrigération 16, dans lequel sa température est portée à une température utilisable efficacement dans l'échangeur thermique 24 du circuit de chauffage 14, pour le chauffage de l'air neuf des bâtiments (ou autre gaz, ou bien le chauffage d'eau ou d'un autre liquide).

[0031] Ainsi, l'air vicié des bâtiments et/ou l'air neuf sont utilisés comme source d'énergie d'évaporation du frigorigène contenu dans les évaporateurs 22 et 22' respectivement, dans le circuit de refroidissement 16 et le circuit de chauffage 14 respectivement.

[0032] Ainsi, le fluide caloporteur est le lien d'échange thermique entre le cycle de réfrigération et le cycle de chauffage.

[0033] Pour que le cycle de réfrigération et que le cycle de chauffage soient efficaces, l'échange thermique passant par le condenseur 20 se produit à des températures comprises entre environ 25 C et environ 41 C.

[0034] Pour être utilisé efficacement en mode chauffage de l'air neuf ou en mode de chauffage de l'eau, le liquide caloporteur à une température d'environ 41 C ou plus. Or, à ces températures, le liquide caloporteur ne peut pas servir efficacement de source froide de condensation pour un circuit de climatisation d'air vicié à condenseur refroidi à l'eau.

[0035] Le fluide caloporteur circule dans un sens ou dans l'autre selon les conditions de conception générale de l'unité de récupération d'énergie en fonction des besoins spécifiques des utilisateurs.

[0036] Lorsque les conditions spécifiques d'utilisation du réseau de fluide caloporteur requièrent des températures inférieures à environ 41 C, le fluide caloporteur passe dans le condenseur 20 avant de passer dans l'échangeur thermique 24. Lorsque les conditions spécifiques d'utilisation du réseau du fluide caloporteur requièrent des températures supérieures à environ 41 C, le fluide caloporteur passe dans l'échangeur thermique 24 avant de passer dans le condenseur 20.

[0037] La séquence de circulation du fluide caloporteur dans le système 10 permet ainsi le fonctionnement optimisé du circuit de réfrigération de l'air vicié et du circuit de chauffage de l'air neuf ou d'un autre gaz, (ou le chauffage d'eau ou d'un autre liquide).

[0038] Ainsi, selon la présente méthode, la température du caloporteur est modulée, à une température suffisamment élevée pour l'utiliser efficacement comme source chaude pour le chauffage d'air neuf ou d'eau, ou à une température suffisamment basse pour l'utiliser efficacement comme source froide de condensation pour un circuit de réfrigération.

[0039] Il est noter que le présent système de récupération d'énergie par climatisation de l'air vicié et/ou de climatisation de l'air neuf ne diminue pas en efficacité lorsque les températures de l'air extérieur sont moins froides; de plus, il ne givre pas et empêche toute contamination de l'air neuf par l'air vicié.

[0040] Ainsi, le présent système et la présente méthode permettent la climatisation d'air vicié de bâtiment et/ou de climatisation de l'air neuf par l'utilisation d'un cycle de climatisation à frigorigène dont l'évaporation est produite par l'énergie contenue dans l'air vicié
d'un bâtiment et/ou dans l'air neuf au contact d'un évaporateur à
expansion directe et dont la condensation est produite par la transmission de l'énergie du frigorigène vers un circuit de fluide caloporteur pouvant servir au chauffage des bâtiments (ou au chauffage de l'eau d'une piscine, par exemple).

[0041] La configuration du présent système d'échange de chaleur entre l'air vicié et de l'air à chauffer ou entre l'air vicié et de l'eau à chauffer fait en sorte d'utiliser un fluide caloporteur, dont la température permet, d'une part, un chauffage efficace de l'air avec des échangeurs air-eau ou un chauffage efficace de l'eau avec des échangeurs eau-eau, et dont la température permet, d'autre part, une utilisation efficace comme source froide dans le condenseur du cycle de climatisation à frigorigène de l'air vicié et/ou de climatisation de l'air neuf. Ainsi, le cycle de climatisation d'air vicié et/ou de climatisation de l'air neuf est maintenu dans une condition de fonctionnement performante permettant une récupération d'une partie plus importante de l'énergie de l'air vicié et un transfert de chaleur performant permettant le chauffage de l'air neuf ou d'un autre gaz, (ou le chauffage d'eau ou d'un autre liquide).

[0042] La présente invention permet donc de maximiser le rendement énergétique des systèmes de climatisation d'air, le condenseur échangeant de la chaleur vers une source froide dans le processus de condensation du frigorigène, avec une efficacité de l'échange de chaleur du cycle de réfrigération, entre le frigorigène et la source froide.

[0043] La présente invention s'applique aussi bien à des récupérateurs d'énergie des bâtiments, des unités de ventilation, climatisation et chauffage d'air des bâtiments, aux unités de traitement d'air neuf des bâtiments, aux unités de déshumidification des piscines et aux unités de chauffage de l'air neuf ou de l'eau domestique ou des piscines, par exemple.

[0044] Bien que la présente invention ait été décrite ci-dessus au moyen de modes de réalisations, elle peut être modifiée, tout en restant dans le cadre de la nature et des enseignements de l'invention.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Un système de récupération d'énergie à fluide caloporteur pour refroidir de l'air vicié et chauffer de l'air neuf ou de l'eau, comprenant :
un circuit de réfrigération;
un circuit de chauffage; et un circuit de fluide caloporteur;
le circuit de fluide caloporteur assurant une circulation du fluide caloporteur entre lesdits circuit de réfrigération et de chauffage :
i) dans un sens où le fluide caloporteur passe d'abord dans le circuit de chauffage, dans lequel la température du fluide caloporteur est réduite à une température utilisable plus efficacement dans le circuit de réfrigération pour produire un refroidissement d'air évacué, le fluide caloporteur servant dans ce sens de source chaude dans un cycle de chauffage à fluide caloporteur d'air neuf ou d'eau et de source froide dans un cycle de réfrigération pour la réduction de température de l'air évacué; et ii) dans un sens où le fluide caloporteur passe d'abord dans le circuit de réfrigération, dans lequel la température du fluide caloporteur est portée à une température plus élevée et utilisable plus efficacement dans le circuit de chauffage de l'air évacué ou d'eau, le fluide caloporteur servant dans ce sens de source froide dans un cycle de réfrigération pour la climatisation de l'air neuf et de source chaude dans un cycle de chauffage à fluide caloporteur d'air évacué ou d'eau.

2. Le système selon la revendication 1, dans lequel le fluide caloporteur est un lien d'échange thermique entre un cycle de réfrigération et un cycle de chauffage.

3. Le système selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel l'échange thermique entre le cycle de réfrigération et le cycle de chauffage est effectué par condensation du frigorigène du cycle de réfrigération à une température comprise entre 25°C et 41°C.

4. Une méthode de récupération d'énergie par climatisation d'air vicié et/ou climatisation d'air neuf, par circulation d'un fluide caloporteur entre un circuit de réfrigération et un circuit de chauffage, comprenant :
i) en mode de récupération d'énergie de l'air vicié et de chauffage d'air neuf ou d'eau, les étapes de :
ajuster la température du fluide caloporteur pour améliorer le rendement du cycle de réfrigération en transférant l'énergie du fluide caloporteur vers l'air neuf ou l'eau; et transférer l'énergie du circuit de réfrigération par condensation de frigorigène et libération d'énergie vers le fluide caloporteur; et ii) en mode de chauffage pour l'air évacué ou de chauffage d'eau, les étapes de:
ajuster la température du fluide caloporteur pour améliorer le rendement d'échange thermique de chauffage d'air évacué
ou d'eau en transférant l'énergie de condensation du circuit de réfrigération de climatisation d'air neuf vers le fluide caloporteur; et transférer l'énergie du fluide caloporteur vers l'air évacué
ou l'eau chaude.

5. La méthode selon la revendication 4, l'air neuf étant l'un de: i) air neuf, ii) gaz, iii) eau, iv) liquide.

6. La méthode selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, ladite étape d'ajustement de la température du fluide caloporteur comprenant l'un de :
i) circuler le fluide caloporteur dans le circuit de chauffage préalablement à sa circulation dans un condensateur du circuit de refroidissement;
ii) circuler le fluide caloporteur dans le condensateur du circuit de refroidissement préalablement à sa circulation dans le circuit de chauffage.

7. La méthode selon la revendication 6, l'échange thermique dans le condensateur ayant lieu à une température comprise entre 25°C et 41 °C.