EP4644801A1 - Installation thermique multifonctionnelle, comprenant une pompe à chaleur à quantité réduite de fluide frigorigène - Google Patents

Installation thermique multifonctionnelle, comprenant une pompe à chaleur à quantité réduite de fluide frigorigène

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EP4644801A1
EP4644801A1 EP25173071.9A EP25173071A EP4644801A1 EP 4644801 A1 EP4644801 A1 EP 4644801A1 EP 25173071 A EP25173071 A EP 25173071A EP 4644801 A1 EP4644801 A1 EP 4644801A1
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
compressor
refrigerant
external
connection device
Prior art date
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Pending
Application number
EP25173071.9A
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German (de)
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Inventor
David DEFFERRARD
Jerôme PECQUERY
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Muller et Cie SA
Original Assignee
Muller et Cie SA
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B13/00—Compression machines, plants or systems, with reversible cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
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    • F25B39/04—Condensers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F1/00—Room units for air-conditioning, e.g. separate or self-contained units or units receiving primary air from a central station
    • F24F1/06—Separate outdoor units, e.g. outdoor unit to be linked to a separate room comprising a compressor and a heat exchanger
    • F24F1/46—Component arrangements in separate outdoor units
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B2339/04—Details of condensers
    • F25B2339/047—Water-cooled condensers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/06—Several compression cycles arranged in parallel

Definitions

  • the present invention relates to a thermal installation of the type comprising: an external fluid flow and an internal fluid flow, distinct from one another; and a heat pump; said heat pump comprising: a first refrigerant circuit; and a first compressor, a condenser, a first external heat exchanger, a first internal heat exchanger, a first expansion valve and a first connection device, arranged on said first circuit; the heat pump being capable of imposing a higher pressure on the refrigerant of the first circuit downstream of the first compressor than upstream of said first compressor; each of the first external and internal heat exchangers allowing heat exchange between the refrigerant and, respectively, the external fluid flow and the internal fluid flow; the installation being configured such that, in a first configuration of the first connection device, the downstream of the first compressor is connected to the condenser, to allow the refrigerant of the first circuit to transfer energy to said condenser; and the first expansion valve is positioned upstream of the first external heat exchanger, to allow the refrigerant of the first circuit to
  • the invention is particularly applicable to thermal installations for residential buildings.
  • Heat pumps can reduce energy consumption by a factor of three to four compared to fossil fuel heating systems such as gas or oil boilers. Furthermore, using heat pumps reduces the building's carbon footprint.
  • fluorinated refrigerant such as HFC-134a.
  • HFC-134a fluorinated refrigerant
  • GWP global warming potential
  • the present invention aims to provide a thermal installation capable of performing several functions, such as domestic heating, air conditioning and domestic hot water heating, while requiring a reduced quantity of refrigerant.
  • the invention relates to a thermal installation of the aforementioned type, in which: the heat pump further comprises: a second refrigerant circuit, separate from the first circuit; and a second compressor, a second external heat exchanger, a second internal heat exchanger, a second expansion valve and a second connection device, arranged on said second circuit; the heat pump being capable of imposing a higher pressure on the refrigerant of the second circuit downstream of the second compressor than upstream of said second compressor; each of the second external and internal heat exchangers allowing heat exchange between the refrigerant and, respectively, the external fluid flow and the internal fluid flow; and - the installation is configured so that, in a first configuration of the second connection device, the downstream of the second compressor is connected to the second external heat exchanger, to allow the refrigerant of the second circuit to transfer energy to the external fluid flow.
  • the invention further relates to a first method of operating a thermal installation as described above, in which each of the first and second connection devices is in its first configuration.
  • the flow of external fluid and a speed of the second compressor are regulated so that a temperature of the external fluid at the outlet of the second external heat exchanger is equal to a temperature of said external fluid at the inlet of the first external heat exchanger.
  • a domestic hot water temperature setpoint is lowered and an indoor air temperature setpoint is raised during a night period, compared to setpoint values during a day period.
  • the invention further relates to a second method of operating a thermal installation as described above, in which each of the first and second connection devices is in its second configuration.
  • a domestic hot water temperature setpoint is raised and an indoor air temperature setpoint is lowered during a night period, compared to setpoint values during a day period.
  • FIGS. 1 And 2 show a thermal installation 10 according to an embodiment of the invention.
  • the thermal installation 10 is integrated into a building 12, for example a dwelling.
  • the thermal installation 10 comprises: an external arrangement 14; an internal arrangement 16; a domestic hot water circuit 18; and a heat pump 20.
  • the thermal installation 10 also includes an auxiliary electrical resistance 22.
  • the external arrangement 14 is capable of generating a flow 24 of external fluid, flowing outside the building 12.
  • the external fluid is the air outside the building 12; and the external arrangement 14 includes an external fan 26 capable of generating the flow 24 of outside air.
  • the interior arrangement 16 is capable of generating an internal fluid flow 28, flowing inside the building 12.
  • the internal fluid is the air inside the building 12; and the interior arrangement 16 includes an internal fan 30 capable of generating the internal air flow 28.
  • the interior arrangement 16 includes a solid particle filter 32.
  • the internal fluid is a water loop flowing inside building 12.
  • the domestic hot water circuit 18 is intended to supply building 12 with domestic hot water.
  • This circuit 18 includes, in particular: a domestic hot water storage tank 34; and a water inlet and outlet opening onto said tank.
  • the auxiliary electric heating element 22 is in thermal contact with the water in the tank 34.
  • the heat pump 20 is intended to provide both thermal regulation and domestic hot water heating for building 12.
  • the heat pump 20 has a first 40 and a second 42 refrigerant circuits, separate from each other. More specifically, the heat pump 20 is configured so that the refrigerant in the first circuit 40 and the refrigerant in the second circuit 42 do not mix.
  • the heat pump 20 further comprises: a first compressor 44, a condenser 46, a first external heat exchanger 48, a first internal heat exchanger 50, a first expansion valve 52 and a first connection device 54, arranged on said first circuit 40.
  • the heat pump 20 also includes: a second compressor 56, a second external heat exchanger 58, a second internal heat exchanger 60, a second expansion valve 62 and a second connection device 64, arranged on the second circuit 42.
  • the heat pump 20 also includes an electronic control module 66.
  • the heat pump 20 also includes one or more temperature and/or pressure sensors (not shown), connected to said electronic module 66. Said sensors are notably located on the first 40 and second 42 circuits of refrigerant fluid and/or on the flows 24, 28 of external and internal fluid and/or in the domestic hot water tank 34.
  • the first refrigerant circuit 40 comprises several branches connected by junctions.
  • the first refrigerant circuit 40 includes a first 68 and a second 70 junctions known as "T-junctions".
  • a T-junction is defined as a junction joining three branches of the first circuit 40.
  • the first compressor 44 is capable of compressing the refrigerant of the first circuit 40, so as to determine a direction of circulation of said refrigerant.
  • the first compressor 44 is considered to be located on the first circuit 40 between a first upstream point 72 and a first downstream point 74.
  • low-pressure gaseous refrigerant enters said first compressor at the first upstream point 72 and exits at high pressure at the first downstream point 74.
  • the first upstream point 72 i.e. the low pressure side of the first compressor 44, is connected to the first T-junction 68 of the first circuit 40.
  • the first compressor 44 is a fixed speed compressor.
  • the condenser 46 is positioned in thermal contact with the domestic hot water tank 34, so as to transfer heat to the domestic hot water.
  • the condenser 46 is preferably designed with a reduced internal volume to require only a small quantity of refrigerant. For example, it is a condenser such as the one described in the document FR2963416 on behalf of the Plaintiff.
  • one end of the condenser 46 is connected to the second T-junction 70.
  • the first external heat exchanger 48 is located on the external fluid stream 24.
  • the first external heat exchanger 48 is an air/refrigerant heat exchanger, located on the external air stream 24.
  • the ends of the first external heat exchanger 48 are connected respectively to the first 68 and the second 70 T-junctions.
  • the first internal heat exchanger 50 is located on the internal fluid stream 28.
  • the first internal heat exchanger 50 is an air/refrigerant heat exchanger, located on the internal air stream 28.
  • one end of the first internal heat exchanger 50 is connected to the second T-junction 70.
  • each of the first external heat exchangers 48 and internal heat exchangers 50 is a reversible heat exchanger, capable of operating in condenser mode or evaporator mode.
  • the first external heat exchangers 48 and internal heat exchangers 50 are designed with a reduced internal volume to require only a small amount of refrigerant.
  • the first expansion valve 52 is located between the first external heat exchanger 48 and the second T-junction 70.
  • the first connection device 54 includes a first four-way valve 76.
  • the first connection device 54 also includes non-return valves 78, 80.
  • the first four-way valve 76 is connected to the downstream 74 of the first compressor 44, to a second end of the condenser 46, to the first T-junction 68 and to a second end of the first internal heat exchanger 50.
  • a first non-return valve 78 is arranged between the first end of the condenser 46 and the second T-junction 70.
  • a second non-return valve 80 is arranged between the first end of the first internal heat exchanger 50 and the second T-junction 70. Each of the valves 78, 80 prevents the circulation of fluid from said second junction 70.
  • the second compressor 56 is capable of compressing the refrigerant of the second circuit 42, so as to determine a direction of circulation of said refrigerant.
  • the second compressor 56 is considered to be located on the second circuit 42 between a second upstream point 82 and a second downstream point 84.
  • low-pressure gaseous refrigerant enters said second compressor at the second upstream point 82 and exits at high pressure at the second downstream point 84.
  • the second compressor 56 is a variable speed compressor, in particular an inverter type compressor.
  • the second external heat exchanger 58 is located on the external fluid stream 24.
  • the second external heat exchanger 58 is an air/refrigerant heat exchanger, located on the external air stream 24.
  • the first 48 and second 58 external heat exchangers are arranged in series. More preferably, the second external heat exchanger 58 is arranged downstream of the first external heat exchanger 48.
  • the second internal heat exchanger 60 is located on the internal fluid stream 28.
  • the second internal heat exchanger 60 is an air/refrigerant heat exchanger, located on the internal air stream 28.
  • the first 50 and second 60 internal heat exchangers are arranged in series with respect to the internal airflow 28. Such an arrangement allows for maximum utilization of the two compressors 44 and 56.
  • the second indoor heat exchanger 60 is arranged upstream of the first indoor heat exchanger 50. In an alternative not shown, the second indoor heat exchanger 60 is arranged downstream of the first indoor heat exchanger 50.
  • filter 32 is positioned upstream of the first 50 and second 60 internal heat exchangers, relative to the internal air flow 28.
  • each of the second external heat exchangers 58 and internal heat exchangers 60 is a reversible heat exchanger, capable of operating in condenser mode or evaporator mode.
  • the second external heat exchangers 58 and internal heat exchangers 60 are designed with a reduced internal volume to require only a small amount of refrigerant.
  • the second expansion valve 62 is located between the second external heat exchanger 58 and the second internal heat exchanger 60.
  • the second connection device 64 includes a second four-way valve 86. This second valve 86 is connected to the upstream 82 and downstream 84 of the second compressor 56 and to the second external 58 and internal 60 heat exchangers.
  • the electronic control module 66 is in communication with the outdoor fan 26 and indoor fan 30, with the first 44 and second 56 compressors and with the first 76 and second 86 four-way valves.
  • the second expansion valve 62 is an electronic expansion valve, also communicating with the electronic control module 66.
  • Such an electronic expansion valve allows for better adaptation to power variations in the second circuit 42, induced by the second variable-speed compressor 56.
  • the first four-way valve 76 is in a first position. In said first position of the first valve 76, the downstream 74 of the first compressor 44 is connected to the second end of the condenser 46; and the first T-junction 68 is connected to the first internal heat exchanger 50.
  • the first four-way valve 76 is in a second position. In said second position of the first valve 76, the downstream 74 of the first compressor 44 is connected to the first internal heat exchanger 50; and the second end of the condenser 46 is connected to the first T-junction 68.
  • the second four-way valve 86 is in a first position. In said first position of the second valve 86, the downstream 84 of the second compressor 56 is connected to the second external heat exchanger 58; and the second internal heat exchanger 60 is connected to the upstream 82 of said second compressor 56.
  • the second four-way valve 86 is in a second position. In said second position of the second valve 86, the downstream 84 of the second compressor 56 is connected to the second internal heat exchanger 60; and the second external heat exchanger 58 is connected to the upstream 82 of said second compressor 56.
  • FIG. 3 represents a preferred embodiment of the first 48 and second 58 external heat exchangers.
  • the heat pump 20 includes an exchanger block 90.
  • An orthonormal basis (X, Y, Z) is considered associated with said exchanger block 90.
  • the exchanger block 90 is an air/refrigerant exchanger, intended to be traversed by the flow 24 of outside air, said flow 24 moving parallel to the direction X.
  • the heat exchanger block 90 comprises a first 92 and a second 94 refrigerant circuits. These first 92 and second 94 circuits are arranged respectively on the first 40 and second 42 refrigerant circuits.
  • the heat exchanger block 90 thus forms the first 48 and second 58 external heat exchangers, configured as a single unit.
  • the heat exchanger block 90 is configured so that the second network 94 is located downstream of the first network 92 with respect to the outside air flow 24. As indicated above, the second outdoor heat exchanger 58 is located downstream of the first outdoor heat exchanger 48 with respect to said flow 24.
  • the exchanger block 90 comprises: a plurality of fins 96; a plurality of first 98 and second 99 tubes; and a plurality of first 100 and second 101 connections.
  • the fins 96 are configured to facilitate heat exchange with the outside airflow 24.
  • the fins 96 are parallel to each other and arranged in (X, Z) planes. Only one fin 96 is visible in the cross-sectional view of the figure 3 .
  • Each tube 98, 99 passes through the fins 96 and extends between two ends.
  • the tubes 98, 99 are parallel to each other and to the Y direction.
  • Each tube 98, 99 is configured to receive circulating refrigerant.
  • the fins 96 and the tubes 98, 99 are designed to facilitate heat exchange between said refrigerant and the outside air flow 24.
  • the first tubes 98 are included in the first network 92 and the second tubes 99 are included in the second network 94. In the embodiment shown, the first tubes 98 are arranged upstream of the second tubes 99 with respect to the outside air flow 24.
  • the first connections 100 are arranged at the ends of the first tubes 98, so as to form the first network 92.
  • the first tubes 98 are connected in series and/or in parallel by the first connections 100.
  • the first network 92 has three parallel branches, arranged on the first refrigerant circuit 40 and forming the first external heat exchanger 48.
  • the second connections 101 are arranged at the ends of the second pipes 99, so as to form the second network 94.
  • the second pipes 99 are connected in series and/or in parallel by the second connections 101.
  • the second network 94 has two parallel branches, arranged on the second refrigerant circuit 42 and forming the second external heat exchanger 58.
  • the first 50 and second 60 internal heat exchangers are formed as a single unit, by an exchanger block similar to the exchanger block 90.
  • an exchanger block allows the formation of heat exchangers with a reduced internal volume, requiring only a small quantity of refrigerant.
  • a first operating mode of the first circuit 40 allows the production of domestic hot water by extracting heat from the outside air of the building 12.
  • the first four-way valve 76 is in the first position of the figure 1 .
  • the first operating compressor 44 sends gaseous refrigerant, under high pressure, towards the first four-way valve 76.
  • Said first valve directs said refrigerant to the condenser 46.
  • Said refrigerant then releases heat to the water in the tank 34 by condensing into a liquid state.
  • the refrigerant then reaches the first expansion valve 52 via the second junction 70, and its pressure drops.
  • the fluid then passes through the first external heat exchanger 48.
  • This first heat exchanger operates in evaporative mode, with the refrigerant absorbing heat from the outside air as it changes to a gaseous state.
  • the fluid in a low-pressure gaseous state then joins the upstream 72 of the first compressor 44 via the first junction 68.
  • the first internal heat exchanger 50 is subjected to the low pressure of the first compressor 44 via the first junction 68.
  • the residual refrigerant in the first internal heat exchanger 50 is therefore in a gaseous state, which minimizes its quantity.
  • a second operating mode of the first circuit 40 of the heat pump 20 allows the interior air of the building 12 to be heated by extracting heat from the outside air.
  • the first four-way valve 76 is in the second position of the figure 2 .
  • the high-pressure gaseous refrigerant is directed to the first indoor heat exchanger 50 by the first four-way valve 76.
  • This first indoor heat exchanger 50 operates in condenser mode, with the refrigerant transferring heat to the indoor airflow 28 while condensing.
  • the refrigerant then passes through the second junction 70 and is sent to the first expansion valve 52, where its pressure drops. It then passes through the first external heat exchanger 48 in evaporative mode. The refrigerant evaporates, absorbing heat from the outside air stream 24. The low-pressure gaseous refrigerant then returns to the upstream side 72 of the first compressor 44 by passing through the first junction 68.
  • the condenser 46 is subjected to the low pressure of the first compressor 44 via the first junction 68.
  • the residual refrigerant in the condenser 46 is therefore in a gaseous state, which minimizes its quantity.
  • Each operating mode of the first refrigerant circuit 40 thus allows the unused part of said first circuit to be isolated and emptied via the check valves 78, 80 and by the appropriate position of the four-way valve 76.
  • a first operating mode of the second circuit 42 of the heat pump 20 allows the indoor air of the building 12 to be cooled by transferring heat to the outdoor air.
  • the second four-way valve 86 is in the first position of the figure 1 .
  • the second compressor 56 when running, sends gaseous refrigerant under high pressure to the second four-way valve 86.
  • This second valve directs the refrigerant to the second outdoor heat exchanger 58 in condensing mode.
  • the refrigerant in the second circuit 42 condenses, releasing heat to the outside air stream 24.
  • the refrigerant is then sent to the second expansion valve 62, where its pressure drops, and then it passes through the second internal heat exchanger 60.
  • This second heat exchanger then operates in evaporative mode, with the refrigerant absorbing heat from the internal air stream 28 while evaporating.
  • the low-pressure gaseous refrigerant then enters the upstream side 82 of the second compressor 56 via the second four-way valve 86.
  • a second operating mode of the second circuit 42 of the heat pump 20 allows the interior air of the building 12 to be heated by extracting heat from the outside air.
  • the second four-way valve 86 is in the second position of the figure 2 .
  • the high-pressure gaseous refrigerant is directed to the second indoor heat exchanger 60 by the second four-way valve 86.
  • This second indoor heat exchanger 60 then operates in condenser mode, with the refrigerant transferring heat to the indoor airflow 28 while condensing.
  • the refrigerant is then sent to the second expansion valve 62, where its pressure decreases. It then passes through the second external heat exchanger 58 in evaporative mode. The refrigerant evaporates, absorbing heat from the outside air stream 24. The low-pressure gaseous refrigerant then enters the upstream side 82 of the second compressor 56 via the second four-way valve 86.
  • a first operating method for the installation 10 will now be described.
  • the first method cools the indoor air of the building 12 while simultaneously producing domestic hot water.
  • each of the first 40 and second The 42 circuits of the 20-unit heat pump are in their first operating mode described above. More specifically, each of the first 76 and second 86 four-way valves is in its first position of the figure 1 .
  • FIG. 3 schematically shows a temperature variation of the outside air flow 24 in the context of the first process.
  • the outside air flow 24 arrives at the inlet of the first external heat exchanger 48 in evaporator mode.
  • the outside air transfers energy to the refrigerant of the first circuit 40; the outside air flow 24 exits said first external heat exchanger 48 with a temperature Tmin , lower than T1 .
  • the flow 24 continues its path by passing through the second external heat exchanger 58 in condenser mode.
  • the outside air receives energy from the refrigerant of the second circuit 42; the outside air flow 24 exits said second external heat exchanger 58 with a temperature T2 , greater than Tmin .
  • the second circuit 42 benefits from outdoor air cooled by the first circuit 40, which improves the performance of the heat pump 20.
  • the electronic module 66 regulates the speeds of the outdoor fan 26 and the second variable-speed compressor 56, so that T2 equals T1 .
  • the energy extracted from the outside air by the heat pump 20 is therefore zero. In other words, the energy used to produce the domestic hot water for the system 10 is entirely extracted from the indoor airflow 28 of the building 12, which is thus cooled.
  • the electronic module 66 promotes the production of domestic hot water during the day, in order to cool the indoor air of building 12 by means of cooled outdoor air as described above.
  • a domestic hot water temperature setpoint is lowered and an indoor air temperature setpoint is raised during a night period as defined in said electronic module 66.
  • the production of domestic hot water and the cooling of the indoor air are thus favoured during the day.
  • Each of the first 40 and second 42 circuits of the heat pump 20 is in its second operating mode described above. More specifically, each of the first 76 and second 86 four-way valves is in its second position of the figure 2 .
  • the first 48 and second 58 external heat exchangers are arranged in series to extract heat from the outside air flow 24.
  • the first 50 and second 60 internal heat exchangers are arranged in series to transfer heat to the inside air flow 28.
  • the second process provides significant heating power, allowing the indoor air to quickly reach the desired heating temperature.
  • the second variable-speed compressor 56 regulates the heating power according to demand.
  • the electronic module 66 promotes the production of domestic hot water during the night, so as to leave the first compressor 44 available during the day for heating the indoor air.
  • a domestic hot water temperature setpoint is raised and an indoor air temperature setpoint is lowered during the night period as defined in said electronic module 66.
  • the production of domestic hot water is thus favoured during the night.
  • a third operating method for the installation 10 will now be described.
  • such a method is implemented temporarily, in the event of a failure of the second circuit 42 and/or the second compressor 56.
  • the heating of the indoor airflow 28 is provided by the first circuit 40, in its second operating mode described above. Furthermore, domestic hot water production is provided by the auxiliary electric heating element 22.
  • the third process ensures a minimum acceptable temperature for the indoor air flow 28, without a shortage of domestic hot water.
  • system 10 minimizes the amount of refrigerant required for its operation.
  • system 10 can be sized to operate with a propane (R290) charge of 150 g or less per circuit 40, 42. Therefore, a building 12 can be equipped with system 10 without any constraints regarding the building's surface area or ventilation, and with a low environmental impact.
  • R290 propane
  • installation 10 allows combining an air conditioning function with heating and domestic hot water functions, for better thermal comfort of building 12.

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Abstract

L'invention concerne une installation thermique (10) comportant : des flux (24, 28) de fluide extérieur et intérieur ; et une pompe à chaleur (20) comprenant un premier circuit (40) de fluide frigorigène, un premier compresseur (44) et des premiers échangeurs thermiques extérieur (48) et intérieur (50), permettant un échange thermique entre le fluide frigorigène et, respectivement, le flux (24) de fluide extérieur et le flux (28) de fluide intérieur.La pompe à chaleur comprend en outre : un deuxième circuit (42) de fluide frigorigène, distinct du premier circuit (40) ; et un deuxième compresseur (56) et des deuxièmes échangeurs thermiques extérieur (58) et intérieur (60), permettant un échange thermique entre le fluide frigorigène et, respectivement, le flux de fluide extérieur et le flux de fluide intérieur.

Description

  • La présente invention concerne une installation thermique, du type comportant : un flux de fluide extérieur et un flux de fluide intérieur, distincts l'un de l'autre ; et une pompe à chaleur ; ladite pompe à chaleur comprenant : un premier circuit de fluide frigorigène ; et un premier compresseur, un condenseur, un premier échangeur thermique extérieur, un premier échangeur thermique intérieur, un premier détendeur et un premier dispositif de connexion, disposés sur ledit premier circuit ; la pompe à chaleur étant apte à imposer au fluide frigorigène du premier circuit une pression plus élevée en aval du premier compresseur qu'en amont dudit premier compresseur ; chacun des premiers échangeurs thermiques extérieur et intérieur permettant un échange thermique entre le fluide frigorigène et, respectivement, le flux de fluide extérieur et le flux de fluide intérieur ; l'installation étant configurée de sorte que, dans une première configuration du premier dispositif de connexion, l'aval du premier compresseur est relié au condenseur, pour permettre au fluide frigorigène du premier circuit de céder de l'énergie audit condenseur ; et le premier détendeur est disposé en amont du premier échangeur thermique extérieur, pour permettre au fluide frigorigène du premier circuit de prélever de l'énergie au flux de fluide extérieur.
  • L'invention s'applique particulièrement aux installation thermique pour bâtiments de type habitations.
  • Dans les logements individuels, il est connu de mettre en œuvre des installations thermiques équipées d'une pompe à chaleur, notamment pour assurer la régulation thermique du bâtiment et le chauffage de l'eau chaude sanitaire. Les pompes à chaleur permettent de diminuer la consommation énergétique d'un facteur 3 à 4 par rapport à un chauffage à énergie fossile telle qu'une chaufferie gaz ou fioul. En outre, l'utilisation de pompes à chaleur permet de diminuer le bilan carbone du bâtiment.
  • De manière classique, les installations thermiques avec pompes à chaleur utilisent un fluide frigorigène de type fluoré, tel que le HFC-134a. De tels composés permettent notamment des charges supérieures à 1 kg de fluide frigorigène, ce qui est adapté à un circuit de volume élevé. Les composés fluorés ont cependant un impact environnemental important, mesuré par le potentiel de réchauffement global (PRG).
  • D'autres fluides frigorigènes, tels que les hydrocarbures comme l'isobutane ou le propane, ont un PRG beaucoup plus faible. Cependant, ces composés présentent typiquement une toxicité ou un caractère inflammable. Ces contraintes conduisent à limiter la charge maximale d'un circuit à une quantité réduite, notamment de l'ordre de 150 g, dans les installations sans obligations de surface minimale ou de ventilation. De telles conditions d'utilisation rendent les composés non fluorés incompatibles avec les volumes élevés de circuits de fluide frigorigène.
  • Il est donc avantageux de concevoir les pompes à chaleur des installations thermiques afin qu'elles ne nécessitent qu'une quantité réduite de fluide frigorigène. Une telle installation thermique est notamment décrite dans le document FR3124586 au nom de la Demanderesse.
  • Par ailleurs, afin d'optimiser la régulation thermique du bâtiment, il est avantageux de disposer d'une pompe à chaleur réversible, permettant selon les besoins de chauffer ou de refroidir l'air intérieur.
  • La présente invention a pour but de proposer une installation thermique permettant d'assurer plusieurs fonctions, telles que le chauffage domestique, la climatisation et le chauffage de l'eau sanitaire, tout en nécessitant une quantité réduite de fluide frigorigène.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un une installation thermique du type précité, dans laquelle : la pompe à chaleur comprend en outre : un deuxième circuit de fluide frigorigène, distinct du premier circuit ; et un deuxième compresseur, un deuxième échangeur thermique extérieur, un deuxième échangeur thermique intérieur, un deuxième détendeur et un deuxième dispositif de connexion, disposés sur ledit deuxième circuit ; la pompe à chaleur étant apte à imposer au fluide frigorigène du deuxième circuit une pression plus élevée en aval du deuxième compresseur qu'en amont dudit deuxième compresseur ; chacun des deuxièmes échangeurs thermiques extérieur et intérieur permettant un échange thermique entre le fluide frigorigène et, respectivement, le flux de fluide extérieur et le flux de fluide intérieur ; et - l'installation est configurée de sorte que, dans une première configuration du deuxième dispositif de connexion, l'aval du deuxième compresseur est relié au deuxième échangeur thermique extérieur, pour permettre au fluide frigorigène du deuxième circuit de céder de l'énergie au flux de fluide extérieur.
  • Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, l'installation thermique comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
    • l'installation thermique est configurée de sorte que le deuxième échangeur thermique extérieur est disposé en aval du premier échangeur thermique extérieur par rapport au flux de fluide extérieur ;
    • l'installation thermique est configurée de sorte que, dans une deuxième configuration du premier dispositif de connexion, l'aval du premier compresseur est relié au premier échangeur thermique intérieur pour permettre au fluide frigorigène de céder de l'énergie au flux de fluide intérieur ; et le premier détendeur est disposé en amont du premier échangeur thermique extérieur, pour permettre au fluide frigorigène du premier circuit de prélever de l'énergie au flux de fluide extérieur ;
    • dans la première configuration du premier dispositif de connexion, le premier échangeur thermique intérieur est relié à l'amont du premier compresseur, de sorte à être soumis à une basse pression dudit premier compresseur ; et dans la deuxième configuration du premier dispositif de connexion, le condenseur est relié à l'amont dudit premier compresseur ;
    • les premier et deuxième échangeurs thermiques intérieurs sont disposés en série par rapport au flux d'air intérieur ;
    • le premier dispositif de connexion comporte une première vanne à quatre voies ; et dans les première et deuxième configurations dudit premier dispositif de connexion, ladite première vanne à quatre voies est respectivement dans une première et dans une deuxième positions ;
    • l'installation thermique est configurée de sorte que, dans une deuxième configuration du deuxième dispositif de connexion, l'aval du deuxième compresseur est relié au deuxième échangeur thermique intérieur, pour permettre au fluide frigorigène du deuxième circuit de céder de l'énergie au flux de fluide intérieur ;
    • dans la première configuration du deuxième dispositif de connexion, le deuxième détendeur est disposé en amont du deuxième échangeur thermique intérieur, pour permettre au fluide frigorigène du deuxième circuit de prélever de l'énergie au flux de fluide intérieur; et dans la deuxième configuration du deuxième dispositif de connexion, le deuxième détendeur est disposé en amont du deuxième échangeur thermique extérieur, pour permettre au fluide frigorigène du deuxième circuit de prélever de l'énergie au flux de fluide extérieur ;
    • le deuxième dispositif de connexion comporte une deuxième vanne à quatre voies ; et dans les première et deuxième configurations dudit deuxième dispositif de connexion, ladite deuxième vanne à quatre voies est respectivement dans une première et dans une deuxième positions ;
    • le deuxième compresseur est un compresseur à vitesse variable ;
    • l'installation thermique comprend en outre : un circuit d'eau chaude sanitaire, comprenant notamment un ballon en contact thermique avec le condenseur ; et une résistance électrique apte à chauffer l'eau reçue dans ledit ballon.
  • L'invention se rapporte en outre à un premier procédé de fonctionnement d'une installation thermique telle que décrite ci-dessus, dans lequel chacun des premier et deuxième dispositifs de connexion est dans sa première configuration.
  • Selon un mode préférentiel de réalisation dudit premier procédé, le flux de fluide extérieur et une vitesse du deuxième compresseur sont régulés de sorte qu'une température du fluide extérieur en sortie du deuxième échangeur thermique extérieur soit égale à une température dudit fluide extérieur en entrée du premier échangeur thermique extérieur.
  • Selon un mode préférentiel de réalisation dudit premier procédé, lorsqu'une température extérieure est supérieure à un premier seuil, une consigne de température d'eau chaude sanitaire est abaissée et une consigne de température d'air intérieur est relevée durant une période de nuit, par rapport à des valeurs de consigne pendant une période de jour.
  • L'invention se rapporte en outre à un deuxième procédé de fonctionnement d'une installation thermique telle que décrite ci-dessus, dans lequel chacun des premier et deuxième dispositifs de connexion est dans sa deuxième configuration.
  • Selon un mode préférentiel de réalisation dudit deuxième procédé, lorsqu'une température extérieure est inférieure à un deuxième seuil, une consigne de température d'eau chaude sanitaire est relevée et une consigne de température d'air intérieur est abaissée durant une période de nuit, par rapport à des valeurs de consigne pendant une période de jour.
  • L'invention apparaîtra plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins dans lesquels :
    • la figure 1 est une représentation schématique d'une installation thermique selon un mode de réalisation de l'invention, dans une première configuration ;
    • la figure 2 est une représentation schématique de l'installation thermique de la figure 1, dans une deuxième configuration ; et
    • la figure 3 est une vue schématique, en coupe, d'un élément de l'installation thermique des figures 1 et 2.
  • Les figures 1 et 2 montrent une installation thermique 10 selon un mode de réalisation de l'invention.
  • L'installation thermique 10 est intégrée à un bâtiment 12, par exemple une habitation.
  • L'installation thermique 10 comporte : un agencement extérieur 14 ; un agencement intérieur 16 ; un circuit 18 d'eau chaude sanitaire ; et une pompe 20 à chaleur. Dans le mode de réalisation représenté, l'installation thermique 10 comporte en outre une résistance électrique 22 d'appoint.
  • L'agencement extérieur 14 est apte à générer un flux 24 de fluide extérieur, s'écoulant à l'extérieur du bâtiment 12. Dans le mode de réalisation représenté, le fluide extérieur est l'air extérieur au bâtiment 12 ; et l'agencement extérieur 14 comporte un ventilateur extérieur 26 apte à générer le flux 24 d'air extérieur.
  • L'agencement intérieur 16 est apte à générer un flux 28 de fluide intérieur, s'écoulant à l'intérieur du bâtiment 12. Dans le mode de réalisation représenté, le fluide intérieur est l'air intérieur au bâtiment 12 ; et l'agencement intérieur 16 comporte un ventilateur intérieur 30 apte à générer le flux 28 d'air intérieur. Optionnellement, l'agencement intérieur 16 comporte un filtre 32 à particules solides.
  • En variante non représentée, le fluide intérieur est une boucle d'eau s'écoulant à l'intérieur du bâtiment 12.
  • Le circuit 18 d'eau chaude sanitaire est destiné à alimenter le bâtiment 12 en eau chaude sanitaire. Ledit circuit 18 comprend notamment : un ballon 34 d'eau chaude sanitaire ; et une entrée et une sortie d'eau, ouvrant sur ledit ballon. Dans le mode de réalisation représenté, la résistance électrique 22 d'appoint est disposée en contact thermique avec l'eau du ballon 34.
  • La pompe 20 à chaleur est destinée à assurer à la fois la régulation thermique et le chauffage de l'eau chaude sanitaire du bâtiment 12.
  • La pompe 20 à chaleur comporte un premier 40 et un deuxième 42 circuits de fluide frigorigène, distincts l'un de l'autre. Plus précisément, la pompe 20 à chaleur est configurée de sorte que le fluide frigorigène du premier circuit 40 et le fluide frigorigène du deuxième circuit 42 ne se mélangent pas.
  • La pompe 20 à chaleur comporte en outre : un premier compresseur 44, un condenseur 46, un premier échangeur thermique extérieur 48, un premier échangeur thermique intérieur 50, un premier détendeur 52 et un premier dispositif 54 de connexion, disposés sur ledit premier circuit 40.
  • La pompe 20 à chaleur comporte en outre : un deuxième compresseur 56, un deuxième échangeur thermique extérieur 58, un deuxième échangeur thermique intérieur 60, un deuxième détendeur 62 et un deuxième dispositif 64 de connexion, disposés sur le deuxième circuit 42.
  • La pompe 20 à chaleur comporte en outre un module électronique 66 de commande. De préférence, la pompe 20 à chaleur comporte en outre un ou plusieurs capteurs de température et/ou de pression (non représentés), reliés audit module électronique 66. Lesdits capteurs sont notamment disposés sur les premier 40 et deuxième 42 circuits de fluide frigorigène et/ou sur les flux 24, 28 de fluide extérieur et intérieur et/ou dans le ballon 34 d'eau chaude sanitaire.
  • Le premier circuit 40 de fluide frigorigène comporte plusieurs branches reliées entre elles par des de jonctions. En particulier, le premier circuit 40 de fluide frigorigène comporte une première 68 et une deuxième 70 jonctions dites « en T ». On entend par jonction en T une jonction joignant trois branches du premier circuit 40.
  • Le premier compresseur 44 est apte à comprimer le fluide frigorigène du premier circuit 40, de sorte à déterminer un sens de circulation dudit fluide frigorigène.
  • Plus précisément, on considère que le premier compresseur 44 est disposé sur le premier circuit 40 entre un premier point amont 72 et un premier point aval 74. Lorsque ledit premier compresseur 44 est en fonctionnement, du fluide frigorigène gazeux à basse pression entre dans ledit premier compresseur au niveau du premier point amont 72 et en ressort à haute pression au niveau du premier point aval 74.
  • Le premier point amont 72, soit le côté basse pression du premier compresseur 44, est relié à la première jonction 68 en T du premier circuit 40.
  • Dans le mode de réalisation représenté, le premier compresseur 44 est un compresseur à vitesse fixe.
  • Le condenseur 46 est disposé en contact thermique avec le ballon 34 d'eau chaude sanitaire, de sorte à céder de la chaleur à ladite eau chaude sanitaire. Le condenseur 46 est préférentiellement conçu avec un volume interne réduit pour ne nécessiter qu'une faible quantité de fluide frigorigène. Il s'agit par exemple d'un condenseur tel que décrit dans le document FR2963416 au nom de la Demanderesse.
  • Sur le premier circuit 40 de fluide frigorigène, une première extrémité du condenseur 46 est reliée à la deuxième jonction 70 en T.
  • Le premier échangeur thermique extérieur 48 est disposé sur le flux 24 de fluide extérieur. Dans le mode de réalisation représenté, le premier échangeur thermique extérieur 48 est un échangeur thermique air/fluide frigorigène, disposé sur le flux 24 d'air extérieur.
  • Sur le premier circuit 40 de fluide frigorigène, les extrémités du premier échangeur thermique extérieur 48 sont reliées respectivement à la première 68 et à la deuxième 70 jonctions en T.
  • Le premier échangeur thermique intérieur 50 est disposé sur le flux 28 de fluide intérieur. Dans le mode de réalisation représenté, le premier échangeur thermique intérieur 50 est un échangeur thermique air/fluide frigorigène, disposé sur le flux 28 d'air intérieur.
  • Sur le premier circuit 40 de fluide frigorigène, une première extrémité du premier échangeur thermique intérieur 50 est reliée à la deuxième jonction 70 en T.
  • Comme détaillé ci-après, chacun des premiers échangeurs thermiques extérieur 48 et intérieur 50 est un échangeur thermique réversible, apte à fonctionner en mode condenseur ou en mode évaporateur.
  • De préférence, les premiers échangeurs thermiques extérieur 48 et intérieur 50 sont conçus avec un volume interne réduit pour ne nécessiter qu'une faible quantité de fluide frigorigène.
  • Le premier détendeur 52 est situé entre le premier échangeur thermique extérieur 48 et la deuxième jonction 70 en T.
  • Le premier dispositif 54 de connexion comporte une première vanne 76 à quatre voies. De préférence, le premier dispositif 54 de connexion comporte en outre des clapets 78, 80 anti-retour.
  • La première vanne 76 à quatre voies est reliée à l'aval 74 du premier compresseur 44, à une seconde extrémité du condenseur 46, à la première jonction 68 en T et à une seconde extrémité du premier échangeur thermique intérieur 50.
  • Un premier clapet 78 anti-retour est disposé entre la première extrémité du condenseur 46 et la deuxième jonction 70 en T. Un deuxième clapet 80 anti-retour est disposé entre la première extrémité du premier échangeur thermique intérieur 50 et la deuxième jonction 70 en T. Chacun des clapets 78, 80 interdit la circulation de fluide au départ de ladite deuxième jonction 70.
  • Le deuxième compresseur 56 est apte à comprimer le fluide frigorigène du deuxième circuit 42, de sorte à déterminer un sens de circulation dudit fluide frigorigène.
  • Plus précisément, on considère que le deuxième compresseur 56 est disposé sur le deuxième circuit 42 entre un deuxième point amont 82 et un deuxième point aval 84. Lorsque ledit deuxième compresseur 56 est en fonctionnement, du fluide frigorigène gazeux à basse pression entre dans ledit deuxième compresseur au niveau du deuxième point amont 82 et en ressort à haute pression au niveau du deuxième point aval 84.
  • De préférence, le deuxième compresseur 56 est un compresseur à vitesse variable, notamment de type compresseur inverter.
  • Le deuxième échangeur thermique extérieur 58 est disposé sur le flux 24 de fluide extérieur. Dans le mode de réalisation représenté, le deuxième échangeur thermique extérieur 58 est un échangeur thermique air/fluide frigorigène, disposé sur le flux 24 d'air extérieur.
  • Préférentiellement, sur le flux 24 d'air extérieur, les premier 48 et deuxième 58 échangeurs thermiques extérieurs sont disposés en série. Plus préférentiellement, le deuxième échangeur thermique extérieur 58 est disposé en aval du premier échangeur thermique extérieur 48.
  • Le deuxième échangeur thermique intérieur 60 est disposé sur le flux 28 de fluide intérieur. Dans le mode de réalisation représenté, le deuxième échangeur thermique intérieur 60 est un échangeur thermique air/fluide frigorigène, disposé sur le flux 28 d'air intérieur.
  • De préférence, les premier 50 et deuxième 60 échangeurs thermiques intérieurs sont disposés en série par rapport au flux 28 d'air intérieur. Une telle disposition permet d'exploiter au maximum les deux compresseurs 44 et 56.
  • Dans le mode de réalisation représenté, sur le flux 28 d'air intérieur, le deuxième échangeur thermique intérieur 60 est disposé en amont du premier échangeur thermique intérieur 50. En variante non représentée, le deuxième échangeur thermique intérieur 60 est disposé en aval du premier échangeur thermique intérieur 50.
  • De préférence, le filtre 32 est disposé en amont des premier 50 et deuxième 60 échangeurs thermiques intérieurs, par rapport au flux 28 d'air intérieur.
  • Comme détaillé ci-après, chacun des deuxièmes échangeurs thermiques extérieur 58 et intérieur 60 est un échangeur thermique réversible, apte à fonctionner en mode condenseur ou en mode évaporateur.
  • De préférence, les deuxièmes échangeurs thermiques extérieur 58 et intérieur 60 sont conçus avec un volume interne réduit pour ne nécessiter qu'une faible quantité de fluide frigorigène.
  • Le deuxième détendeur 62 est situé entre le deuxième échangeur thermique extérieur 58 et le deuxième échangeur thermique intérieur 60.
  • Le deuxième dispositif 64 de connexion comporte une deuxième vanne 86 à quatre voies. Ladite deuxième vanne 86 est reliée à l'amont 82 et à l'aval 84 du deuxième compresseur 56 et aux deuxièmes échangeurs thermiques extérieur 58 et intérieur 60.
  • Le module électronique 66 de commande est en communication avec les ventilateurs extérieur 26 et intérieur 30, avec les premier 44 et deuxième 56 compresseurs et avec les première 76 et deuxième 86 vannes à quatre voies.
  • De préférence, le deuxième détendeur 62 est un détendeur électronique, également en communication avec le module électronique 66 de commande. Un tel détendeur électronique permet une meilleure adaptation aux variations de puissance du deuxième circuit 42, induites par le deuxième compresseur 56 à vitesse variable.
  • Sur la figure 1, la première vanne 76 à quatre voies est dans une première position. Dans ladite première position de la première vanne 76, l'aval 74 du premier compresseur 44 est relié à la seconde extrémité du condenseur 46 ; et la première jonction 68 en T est reliée au premier échangeur thermique intérieur 50.
  • Sur la figure 2, la première vanne 76 à quatre voies est dans une seconde position. Dans ladite seconde position de la première vanne 76, l'aval 74 du premier compresseur 44 est relié au premier échangeur thermique intérieur 50 ; et la seconde extrémité du condenseur 46 est reliée à la première jonction 68 en T.
  • Sur la figure 1, la deuxième vanne 86 à quatre voies est dans une première position. Dans ladite première position de la deuxième vanne 86, l'aval 84 du deuxième compresseur 56 est relié au deuxième échangeur thermique extérieur 58 ; et le deuxième échangeur thermique intérieur 60 est relié à l'amont 82 dudit deuxième compresseur 56.
  • Sur la figure 2, la deuxième vanne 86 à quatre voies est dans une seconde position. Dans ladite seconde position de la deuxième vanne 86, l'aval 84 du deuxième compresseur 56 est relié au deuxième échangeur thermique intérieur 60 ; et le deuxième échangeur thermique extérieur 58 est relié à l'amont 82 dudit deuxième compresseur 56.
  • La figure 3 représente un mode de réalisation préférentiel des premiers 48 et deuxième 58 échangeurs thermiques extérieurs.
  • Dans ledit mode de réalisation préférentiel, la pompe 20 à chaleur comporte un bloc échangeur 90. On considère une base orthonormée (X, Y, Z) associée audit bloc échangeur 90.
  • Le bloc échangeur 90 est un échangeur air/fluide frigorigène, destiné à être traversé par le flux 24 d'air extérieur, ledit flux 24 se déplaçant parallèlement à la direction X.
  • Le bloc échangeur 90 comprend un premier 92 et un deuxième 94 réseaux de fluide frigorigène. Lesdits premier 92 et deuxième 94 réseaux sont disposés respectivement sur le premier 40 et sur le deuxième 42 circuits de fluide frigorigène. Le bloc échangeur 90 forme ainsi les premier 48 et deuxième 58 échangeurs thermiques extérieurs, configurés de manière monobloc.
  • Le bloc échangeur 90 est configuré de sorte que le deuxième réseau 94 soit disposé en aval du premier réseau 92 par rapport au flux 24 d'air extérieur. Comme indiqué ci-dessus, le deuxième échangeur thermique extérieur 58 est disposé en aval du premier échangeur thermique extérieur 48 par rapport audit flux 24.
  • Dans le mode de réalisation représenté, le bloc échangeur 90 comporte : une pluralité d'ailettes 96 ; une pluralité de premières 98 et deuxièmes 99 tubulures ; et une pluralité de premières 100 et deuxièmes 101 connexions.
  • Les ailettes 96 sont configurées pour donner lieu à un échange thermique avec le flux 24 d'air extérieur. Dans le mode de réalisation représenté, les ailettes 96 sont parallèles entre elles et disposées dans des plans (X, Z). Une seule ailette 96 est visible sur la vue en coupe de la figure 3.
  • Chaque tubulure 98, 99 traverse les ailettes 96 et s'étend entre deux extrémités. Dans le mode de réalisation représenté, les tubulures 98, 99 sont parallèles entre elles et à la direction Y.
  • Chaque tubulure 98, 99 est configurée pour recevoir du fluide frigorigène en circulation. Les ailettes 96 et les tubulure 98, 99 sont aptes à favoriser un échange thermique entre ledit fluide frigorigène et le flux 24 d'air extérieur.
  • Les premières tubulures 98 sont incluses dans le premier réseau 92 et les deuxièmes tubulures 99 sont incluses dans le deuxième réseau 94. Dans le mode de réalisation représenté, les premières tubulures 98 sont disposées en amont des deuxièmes tubulures 99 par rapport au flux 24 d'air extérieur.
  • Les premières connexions 100 sont disposées aux extrémités des premières tubulures 98, de sorte à former le premier réseau 92. Les premières tubulures 98 sont reliées en série et/ou en parallèle par les premières connexions 100. Dans le mode de réalisation représenté, le premier réseau 92 comporte trois branches parallèles, disposées sur le premier circuit 40 de fluide frigorigène et formant le premier échangeur thermique extérieur 48.
  • Les deuxièmes connexions 101 sont disposées aux extrémités des deuxièmes tubulures 99, de sorte à former le deuxième réseau 94. Les deuxièmes tubulures 99 sont reliées en série et/ou en parallèle par les deuxièmes connexions 101. Dans le mode de réalisation représenté, le deuxième réseau 94 comporte deux branches parallèles, disposées sur le deuxième circuit 42 de fluide frigorigène et formant le deuxième échangeur thermique extérieur 58.
  • De préférence, les premier 50 et deuxième 60 échangeurs thermiques intérieurs sont formés de manière monobloc, par un bloc échangeur analogue au bloc échangeur 90. Un tel bloc échangeur permet de former des échangeurs thermiques au volume interne réduit, ne nécessitant qu'une faible quantité de fluide frigorigène.
  • Sur les figures 1 et 2, les zones à haute pression des circuits 40, 42 de la pompe 20 à chaleur sont représentées par des traits pleins et les zones à basse pression desdits circuits 40, 42 sont représentées par des pointillés. Lesdites zones à haute et basse pressions dépendent des modes de fonctionnement décrits ci-dessous desdits circuits 40, 42.
  • Un premier mode de fonctionnement du premier circuit 40 permet la production d'eau chaude sanitaire en prélevant de la chaleur sur l'air extérieur au bâtiment 12. A cet effet, la première vanne 76 à quatre voies est dans la première position de la figure 1.
  • Dans le premier mode de fonctionnement du premier circuit 40, le premier compresseur 44 en fonctionnement envoie du fluide frigorigène gazeux, sous haute pression, vers la première vanne 76 à quatre voies. Ladite première vanne dirige ledit fluide frigorigène vers le condenseur 46. Ledit fluide cède alors de la chaleur à l'eau du ballon 34 en se condensant à l'état liquide.
  • Le fluide frigorigène atteint ensuite le premier détendeur 52 par la deuxième jonction 70, et baisse alors en pression. Ledit fluide traverse ensuite le premier échangeur thermique extérieur 48. Ledit premier échangeur fonctionne en mode évaporateur, le fluide frigorigène prélevant de la chaleur à l'air extérieur tout en passant à l'état gazeux.
  • Le fluide à l'état gazeux en basse pression rejoint ensuite l'amont 72 du premier compresseur 44 par la première jonction 68.
  • Par ailleurs, dans le premier mode de fonctionnement du premier circuit 40, le premier échangeur thermique intérieur 50 est soumis à la basse pression du premier compresseur 44 par l'intermédiaire de la première jonction 68. Le fluide frigorigène résiduel dans le premier échangeur thermique intérieur 50 est donc à l'état gazeux, ce qui minimise sa quantité.
  • Un deuxième mode de fonctionnement du premier circuit 40 de la pompe 20 à chaleur permet de chauffer l'air intérieur du bâtiment 12 en prélevant de la chaleur sur l'air extérieur. A cet effet, la première vanne 76 à quatre voies est dans la deuxième position de la figure 2.
  • Dans le deuxième mode de fonctionnement du premier circuit 40, le fluide frigorigène gazeux sous haute pression est dirigé vers le premier échangeur thermique intérieur 50 par la première vanne 76 à quatre voies. Ledit premier échangeur thermique intérieur 50 fonctionne en mode condenseur, le fluide frigorigène cédant de la chaleur au flux 28 d'air intérieur tout en se condensant.
  • Le fluide frigorigène traverse ensuite la deuxième jonction 70 et est envoyé vers le premier détendeur 52, dans lequel il baisse en pression. Puis il traverse le premier échangeur thermique extérieur 48 en mode évaporateur. Le fluide frigorigène s'évapore en prélevant de la chaleur au flux 24 d'air extérieur. Le fluide à l'état gazeux en basse pression rejoint ensuite l'amont 72 du premier compresseur 44 en traversant la première jonction 68.
  • Par ailleurs, dans le deuxième mode de fonctionnement du premier circuit 40, le condenseur 46 est soumis à la basse pression du premier compresseur 44 par l'intermédiaire de la première jonction 68. Le fluide frigorigène résiduel dans le condenseur 46 est donc à l'état gazeux, ce qui minimise sa quantité.
  • Chaque mode de fonctionnement du premier circuit 40 de fluide frigorigène permet ainsi d'isoler et de vider la partie non utilisée dudit premier circuit, via les clapets anti-retour 78, 80 et par la position appropriée de la vanne 76 à quatre voies.
  • Un premier mode de fonctionnement du deuxième circuit 42 de la pompe 20 à chaleur permet de refroidir l'air intérieur du bâtiment 12 en transférant de la chaleur à l'air extérieur. A cet effet, la deuxième vanne 86 à quatre voies est dans la première position de la figure 1.
  • Dans le premier mode de fonctionnement du deuxième circuit 42, le deuxième compresseur 56 en fonctionnement envoie du fluide frigorigène gazeux, sous haute pression, vers la deuxième vanne 86 à quatre voies. Ladite deuxième vanne dirige ledit fluide frigorigène vers le deuxième échangeur thermique extérieur 58 en mode condenseur. Le fluide frigorigène du deuxième circuit 42 se condense en cédant de la chaleur au flux 24 d'air extérieur.
  • Le fluide frigorigène est ensuite envoyé vers le deuxième détendeur 62, dans lequel il baisse en pression, puis il traverse le deuxième échangeur thermique intérieur 60. Ledit deuxième échangeur fonctionne alors en mode évaporateur, le fluide frigorigène prélevant de la chaleur au flux 28 d'air intérieur tout en s'évaporant. Le fluide à l'état gazeux basse pression rejoint ensuite l'amont 82 du deuxième compresseur 56 en traversant la deuxième vanne 86 à quatre voies.
  • Un deuxième mode de fonctionnement du deuxième circuit 42 de la pompe 20 à chaleur permet de chauffer l'air intérieur du bâtiment 12 en prélevant de la chaleur sur l'air extérieur. A cet effet, la deuxième vanne 86 à quatre voies est dans la deuxième position de la figure 2.
  • Dans le deuxième mode de fonctionnement du deuxième circuit 42, le fluide frigorigène gazeux sous haute pression est dirigé vers le deuxième échangeur thermique intérieur 60 par la deuxième vanne 86 à quatre voies. Ledit deuxième échangeur thermique intérieur 60 fonctionne alors en mode condenseur, le fluide frigorigène cédant de la chaleur au flux 28 d'air intérieur tout en se condensant.
  • Le fluide frigorigène est ensuite envoyé vers le deuxième détendeur 62, dans lequel il baisse en pression. Puis il traverse le deuxième échangeur thermique extérieur 58 en mode évaporateur. Ledit fluide s'évapore en prélevant de la chaleur au flux 24 d'air extérieur. Le fluide à l'état gazeux en basse pression rejoint ensuite l'amont 82 du deuxième compresseur 56 en traversant la deuxième vanne 86 à quatre voies.
  • Des procédés de fonctionnement de l'installation 10 vont maintenant être décrits. Chacun desdits procédés est mis en œuvre par un programme mémorisé dans le module électronique 66.
  • Un premier procédé de fonctionnement de l'installation 10 va maintenant être décrit. Le premier procédé permet de refroidir l'air intérieur du bâtiment 12 en produisant simultanément de l'eau chaude sanitaire. A cet effet, chacun des premier 40 et deuxième 42 circuits de la pompe 20 à chaleur est dans son premier mode de fonctionnement décrit ci-dessus. Plus précisément, chacune des première 76 et deuxième 86 vannes à quatre voies est dans sa première position de la figure 1.
  • La figure 3 montre schématiquement une variation de température du flux 24 d'air extérieur dans le cadre du premier procédé.
  • Avec une température T1, le flux 24 d'air extérieur arrive en entrée du premier échangeur thermique extérieur 48 en mode évaporateur. L'air extérieur cède de l'énergie au fluide frigorigène du premier circuit 40 ; le flux 24 d'air extérieur sort dudit premier échangeur thermique extérieur 48 avec une température Tmin, inférieure à T1.
  • Le flux 24 poursuit son trajet en traversant le deuxième échangeur thermique extérieur 58 en mode condenseur. L'air extérieur reçoit de l'énergie du fluide frigorigène du deuxième circuit 42 ; le flux 24 d'air extérieur sort dudit deuxième échangeur thermique extérieur 58 avec une température T2, supérieure à Tmin.
  • Ainsi, pour refroidir l'air intérieur du bâtiment 12, le deuxième circuit 42 bénéficie d'un air extérieur rafraîchi par le premier circuit 40, ce qui améliore les performances de la pompe 20 à chaleur.
  • Selon un mode préférentiel du premier procédé, le module électronique 66 régule les vitesses du ventilateur extérieur 26 et du deuxième compresseur 56 à vitesse variable, de sorte que T2 soit égale à T1. Selon ledit mode préférentiel du premier procédé, l'énergie prélevée sur l'air extérieur par la pompe 20 à chaleur est donc nulle. En d'autres termes, l'énergie utilisée pour produire l'eau chaude sanitaire de l'installation 10 est intégralement prélevée sur le flux 28 d'air intérieur au bâtiment 12, qui est ainsi refroidi.
  • Selon un mode préférentiel du premier procédé, lorsque la température extérieure au bâtiment 12 est élevée (notamment en été), le module électronique 66 favorise la production d'eau chaude sanitaire durant la journée, afin de refroidir l'air intérieur du bâtiment 12 au moyen d'un air extérieur rafraîchi comme décrit ci-dessus.
  • Par exemple, lorsque la température extérieure au bâtiment 12 est supérieure à un premier seuil, mémorisé dans le module électronique 66, une consigne de température d'eau chaude sanitaire est abaissée et une consigne de température d'air intérieur est relevée durant une période de nuit telle que définie dans ledit module électronique 66. La production d'eau chaude sanitaire et le refroidissement de l'air intérieur sont ainsi favorisés en journée.
  • Un deuxième procédé de fonctionnement de l'installation 10, permettant de chauffer l'air intérieur du bâtiment 12, va maintenant être décrit. Chacun des premier 40 et deuxième 42 circuits de la pompe 20 à chaleur est dans son deuxième mode de fonctionnement décrit ci-dessus. Plus précisément, chacune des première 76 et deuxième 86 vannes à quatre voies est dans sa deuxième position de la figure 2.
  • Les premier 48 et deuxième 58 échangeurs thermiques extérieurs sont ainsi disposés en série pour prélever de la chaleur au flux 24 d'air extérieur. De même, les premier 50 et deuxième 60 échangeurs thermiques intérieurs sont disposés en série pour céder de la chaleur au flux 28 d'air intérieur.
  • En cas d'absence de besoin de production d'eau chaude sanitaire, le deuxième procédé fournit une puissance de chauffage importante, permettant d'atteindre rapidement une température de consigne de chauffage de l'air intérieur. Le deuxième compresseur 56 à vitesse variable permet de réguler la puissance de chauffage en fonction des besoins.
  • Selon un mode préférentiel du deuxième procédé, lorsque la température extérieure au bâtiment 12 est basse (notamment en hiver), le module électronique 66 favorise la production d'eau chaude sanitaire durant la nuit, de sorte à laisser le premier compresseur 44 disponible en journée pour le chauffage de l'air intérieur.
  • Par exemple, lorsque la température extérieure au bâtiment 12 est inférieure à un deuxième seuil, mémorisé dans le module électronique 66, une consigne de température d'eau chaude sanitaire est relevée et une consigne de température d'air intérieur est abaissée durant la période de nuit telle que définie dans ledit module électronique 66. La production d'eau chaude sanitaire est ainsi favorisée durant la nuit.
  • Un troisième procédé de fonctionnement de l'installation 10 va maintenant être décrit. De préférence, un tel procédé est mis en œuvre de manière temporaire, en cas de défaillance du deuxième circuit 42 et/ou du deuxième compresseur 56.
  • Selon le troisième procédé, le chauffage du flux 28 d'air intérieur est assuré par le premier circuit 40, dans son deuxième mode de fonctionnement décrit ci-dessus. Par ailleurs, la production d'eau chaude sanitaire est assurée par la résistance électrique 22 d'appoint.
  • Avant une intervention de réparation de l'installation 10, le troisième procédé permet d'assurer une température minimale acceptable pour le flux 28 d'air intérieur, sans manquer d'eau chaude sanitaire.
  • La configuration de l'installation 10 permet de minimiser la quantité de fluide frigorigène nécessaire au fonctionnement de ladite installation. En particulier, il est possible de dimensionner l'installation 10 pour fonctionner avec une charge de propane (R290) inférieure ou égale à 150 g par circuit 40, 42. Il est donc possible d'équiper un bâtiment 12 de l'installation 10 sans contrainte de surface et d'aération dudit bâtiment, ainsi qu'avec un faible impact environnemental.
  • Par ailleurs, l'installation 10 permet de combiner une fonction climatisation avec les fonctions chauffage et eau chaude sanitaire, pour un meilleur confort thermique du bâtiment 12.

Claims (11)

  1. Installation thermique (10) comprenant : un flux (24) de fluide extérieur et un flux (28) de fluide intérieur, distincts l'un de l'autre ; un ballon (34) d'eau chaude sanitaire ; et une pompe à chaleur (20) ;
    ladite pompe à chaleur comprenant :
    - un premier circuit (40) de fluide frigorigène ; et
    - un premier compresseur (44), un condenseur (46), un premier échangeur thermique extérieur (48), un premier échangeur thermique intérieur (50), un premier détendeur (52) et un premier dispositif (54) de connexion, disposés sur ledit premier circuit ;
    le condenseur (46) étant disposé en contact thermique avec le ballon (34) d'eau chaude sanitaire ;
    la pompe à chaleur étant apte à imposer au fluide frigorigène du premier circuit une pression plus élevée en aval (74) du premier compresseur qu'en amont (72) dudit premier compresseur ;
    chacun des premiers échangeurs thermiques extérieur (48) et intérieur (50) permettant un échange thermique entre le fluide frigorigène et, respectivement, le flux (24) de fluide extérieur et le flux (28) de fluide intérieur ;
    l'installation étant configurée de sorte que, dans une première configuration du premier dispositif (54) de connexion, l'aval (74) du premier compresseur (44) est relié au condenseur (46) ; et le premier détendeur (52) est disposé en amont du premier échangeur thermique extérieur (48), ;
    l'installation étant caractérisée en ce que
    - la pompe à chaleur (20) comprend en outre : un deuxième circuit (42) de fluide frigorigène, distinct du premier circuit (40) ; et un deuxième compresseur (56), un deuxième échangeur thermique extérieur (58), un deuxième échangeur thermique intérieur (60), un deuxième détendeur (62) et un deuxième dispositif (64) de connexion, disposés sur ledit deuxième circuit ; la pompe à chaleur étant apte à imposer au fluide frigorigène du deuxième circuit une pression plus élevée en aval (84) du deuxième compresseur (56) qu'en amont (82) dudit deuxième compresseur ; chacun des deuxièmes échangeurs thermiques extérieur (58) et intérieur (60) permettant un échange thermique entre le fluide frigorigène et, respectivement, le flux de fluide extérieur et le flux de fluide intérieur ; et
    - l'installation est configurée de sorte que, dans une première configuration du deuxième dispositif (64) de connexion, l'aval (84) du deuxième compresseur (56) est relié au deuxième échangeur thermique extérieur (58).
  2. Installation thermique (10) selon la revendication 1, configurée de sorte que le deuxième échangeur thermique extérieur (58) est disposé en aval du premier échangeur thermique extérieur (48) par rapport au flux (24) de fluide extérieur.
  3. Installation thermique (10) selon la revendication 1 ou 2, configurée de sorte que, dans une deuxième configuration du premier dispositif (54) de connexion, l'aval du premier compresseur (44) est relié au premier échangeur thermique intérieur (50) ; et le premier détendeur (52) est disposé en amont du premier échangeur thermique extérieur (48).
  4. Installation thermique selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle, dans la première configuration du premier dispositif (54) de connexion, le premier échangeur thermique intérieur (50) est relié à l'amont du premier compresseur (44) ; et dans la deuxième configuration du premier dispositif (54) de connexion, le condenseur (46) est relié à l'amont dudit premier compresseur (44).
  5. Installation thermique selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les premier (50) et deuxième (60) échangeurs thermiques intérieurs sont disposés en série par rapport au flux (28) d'air intérieur.
  6. Installation thermique selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle : le premier dispositif (54) de connexion comporte une première vanne (76) à quatre voies ; et dans les première et deuxième configurations dudit premier dispositif de connexion, ladite première vanne à quatre voies est respectivement dans une première et dans une deuxième positions.
  7. Installation thermique selon l'une des revendications précédentes, configurée de sorte que, dans une deuxième configuration du deuxième dispositif (64) de connexion, l'aval du deuxième compresseur (56) est relié au deuxième échangeur thermique intérieur (60).
  8. Installation thermique selon la revendication 7, dans laquelle, dans la première configuration du deuxième dispositif (64) de connexion, le deuxième détendeur (62) est disposé en amont du deuxième échangeur thermique intérieur (60) ; et dans la deuxième configuration du deuxième dispositif (64) de connexion, le deuxième détendeur (62) est disposé en amont du deuxième échangeur thermique extérieur (58).
  9. Installation thermique selon l'une des revendications 6 ou 7, dans laquelle : le deuxième dispositif (64) de connexion comporte une deuxième vanne (86) à quatre voies ; et dans les première et deuxième configurations dudit deuxième dispositif de connexion, ladite deuxième vanne à quatre voies est respectivement dans une première et dans une deuxième positions.
  10. Installation thermique (10) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le deuxième compresseur (56) est un compresseur à vitesse variable.
  11. Procédé de fonctionnement d'une installation thermique (10) selon la revendication 10, dans lequel : chacun des premier (54) et deuxième (64) dispositifs de connexion est dans sa première configuration ; et le flux (24) de fluide extérieur et une vitesse du deuxième compresseur (56) sont régulés de sorte qu'une température (T2) du fluide extérieur en sortie du deuxième échangeur thermique extérieur (58) soit égale à une température (T1) dudit fluide extérieur en entrée du premier échangeur thermique extérieur (48).
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