WO2009071765A2 - Installation de chauffage/climatisation à pompe à chaleur, comportant un boîtier répartiteur de fluide caloporteur avec couplage à une pluralité de circuits de captage et de distribution de chaleur - Google Patents

Installation de chauffage/climatisation à pompe à chaleur, comportant un boîtier répartiteur de fluide caloporteur avec couplage à une pluralité de circuits de captage et de distribution de chaleur Download PDF

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    • Y02B30/12—Hot water central heating systems using heat pumps

Definitions

  • Heating / cooling system with heat pump comprising a heat transfer fluid distributor housing coupled to a plurality of heat sensing and distribution circuits
  • the invention relates to a heating / air conditioning system comprising a heat transfer fluid distributor housing.
  • EP 1 826 503 A1 discloses an installation comprising a heat transfer fluid distribution box, with a first and a second heat transfer fluid inlet / outlet; at least a third heat transfer fluid inlet / outlet, adapted to be connected to a corresponding heat sensing circuit; and at least a fourth heat transfer fluid inlet / outlet, which can be connected to a corresponding heat-recovery circuit.
  • the casing also comprises distributing means, capable of selectively interconnecting, according to various predetermined fluid distribution combinatorial schemes: the first input / output to at least one of the third and fourth inputs / outputs, and the second input / output at least one of the third and fourth inputs / outputs.
  • distribution means comprise an interconnected network of interconnecting conduits and the inputs / outputs and each provided with an individually controllable stop valve.
  • Control means collectively control the various shutoff valves of the housing so as to select modifiable one of said combinatorial schemes.
  • the invention relates to the application of such an installation, particularly through the distribution box, to a situation where the heating / air conditioning source is a heat pump.
  • a heat pump comprises a refrigerant (refrigerant) circuit comprising a compressor, an expander, an evaporator and a condenser, as well as two associated heat exchangers.
  • the first exchanger is coupled on the primary side to the evaporator and on the secondary side to a heat capture circuit, while the second exchanger is coupled on the primary side to the condenser and on the secondary side to a heat recovery circuit (these two exchangers corresponding to respectively to what will be referred to hereinafter as “cold side” and "hot side” of the heat pump).
  • the compressor of the heat pump concentrates the energy collected in the ground (collector circuit) on the condenser side and releases the energy used for the heating (regeneration circuit) on the evaporator side.
  • heat recovery should be understood in a broad sense, that is to say, it covers not only the case where it is a question of giving up heat (for example for a use of domestic heating or hot water production), but also when it comes to lowering the temperature of a room, the "restitution” of providing an air conditioning or cooling function, the excess heat energy being then transferred to "capture" circuit by the heat pump.
  • the capture circuit and the feedback circuit are both circuits in which a liquid circulates, hereinafter referred to as "caloporous fluid". tor ".
  • the water can be replaced or supplemented by another liquid.
  • the water is often added with ethylene glycol or other additive acting as antifreeze.
  • heat transfer fluid On the cold side of the heat pump, the heat transfer fluid is admitted at a temperature of about 5 to 20 ° C, and is returned to the outlet at a temperature of 3 to 5 ° C lower; hot side, heat pump heat exchanger receives the fluid at a temperature typically of the order of 30 to 60 ° C, and the output at a temperature of 3 to 5 ° higher.
  • the compressor, its associated refrigerant circuit and the two heat exchangers are grouped together in one and the same functional block, hereinafter referred to as "heat pump core", which constitutes an integrated assembly intended to be associated and connected to the various elements. heat collection and recovery circuits (piping, circulation pump, thermostatic sensor, etc.) as well as system supply and control equipment.
  • WO-A-2006/005832 (Favier et al.) Discloses such a water / water type heat pump, made in the form of a compact pump core.
  • the present invention resides more particularly in the equipment for connecting such a pump core to the circuits for collecting and delivering thermal energy.
  • the main type of capture is that of thermal energy stored in the immediate subsoil, earth or rocks, or in groundwater and natural sources, whose temperature remains constant throughout the year, of the order of about 1O 0 C in temperate regions.
  • the carrier fluid after having been cooled by the evaporator of the heat pump, is sent to a buried "capture probe" such as that described, for example, in WO-A-2006/111655 (Hades).
  • the fluid heats up in contact with the surrounding environment, which gives up its thermal energy: each linear meter of probe immersed in the surrounding environment can thus bring a few joules of thermal energy to the heat pump when the circuit is in operation. .
  • the heated fluid returns to the heat pump which concentrates and returns the thermal energy thus captured.
  • This type of capture is however not the only one: it is also possible, in addition, to capture the atmospheric thermal energy and / or solar thermal energy delivered by radiation. In practice, these atmospheric or solar catchments are difficult to implement, particularly because of the large variations in the external temperature and solar radiation as a function of latitude, seasons and time (especially between daylight and time). the night).
  • the first category is the low temperature heating of a room, by low temperature radiators or by a heated floor.
  • this system requires the circulation of a heat transfer fluid at a temperature of the order of 30 to 45 ° C.
  • frost when the room is well isolated, the system can accommodate the circulation of a fluid at a lower temperature, for example of the order of 10 0 C.
  • the The system can be used for cooling the habitat by supplying it with a fluid delivered at a low temperature, close to 10 ° C.
  • the second type of use is heating (or air cooling) by fan coils, or heating by high temperature radiators.
  • these systems require the circulation of a fluid at a temperature of the order of 45 to 65 ° C.
  • the fluid In summer, to allow air conditioning, the fluid must be at low temperature, of the order of 5 to 15 ° C.
  • the third category of uses is the heating of water for domestic use. It can be the production of domestic hot water (or its preheating), or the heating or preheating of water for the supply of household equipment such as washing machine and dishwasher (to prevent all heating is provided by electric resistance), or the heating of swimming pools or hot tubs.
  • this category of applications and especially for domestic hot water, it may be desirable to have a water temperature of the order of 65 ° C, to avoid the use of a backup electrical resistance in case of insufficient temperature.
  • the invention relates to an installation designed around a water / water type heat pump, with a distribution box allowing multiple uses (plurality of reproduction circuits connected to the same housing), and capable of operating in different modes. different (eg heating / air conditioning).
  • the object of the invention is in particular to optimize the thermal balance, and therefore the efficiency of the heat pump, by adapting the circulation of the coolant in the various circuits according to (i) the selected operating mode, and ii) the corresponding thermal balance at a given moment.
  • the invention In general, and especially when several capture circuits are available (atmospheric capture and solar collection in addition to underground collection), the invention also aims to optimize the energy balance of the equipment by controlling the distribution. of fluid in the different collection circuits depending on the circumstances, and in particular as a function of the fluid temperature. This is achieved, as will be seen, by favoring circuits where this temperature is optimal in terms of availability or production of thermal energy, then redistributing the fluid to the most appropriate temperature for the required domestic use, all while making the widest appeal to renewable natural energies.
  • the thermal energy conveyed by the heat transfer fluid can be used either as it is (at the temperature at which it is supplied by the selected collection circuit) or after its transformation by the appropriate heating / cooling system that will have on one hand a (ie raised to a higher temperature) and the other cooled (ie lowered to a lower temperature), the heat pump core always operating under the best conditions thermodynamic performance.
  • the object of the invention is to provide a distribution system in the form of a single compact housing bringing together all the required elements and interface between, on the one hand, the heat pump core and, on the other hand, the circuits of restitution and capture. This grouping of the bodies in one and the same housing has several advantages, in particular:
  • the housing can be produced in the factory industrially, allowing significant reductions in production costs compared to an installation on site, where a technician must assemble more or less empirically a multiplicity of tubes, valves and cir - cooked order;
  • the housing can be installed very quickly and connected to the collection and heat recovery circuits of the installation; it can be removed for overhaul or repair, and replaced if necessary by substituting another housing; -
  • the set of tubes and components of the distributor can be easily embedded in a thermally insulating foam injected into the housing, which will have the effect of heat insulation all connecting tubes in one operation, easy to industrialize and therefore inexpensive, to the difference in thermal insulation achieved on site by installers.
  • the invention proposes a heating / air conditioning system of the general type disclosed by the above-mentioned EP 1 826 503 A1, characterized in that:
  • the distribution box is connected to the heat exchanger on the hot side by the first heat transfer fluid inlet / outlet, and to the cold side heat exchanger via the second heat transfer fluid inlet / outlet.
  • inlet / outlet means an orifice through which the heat transfer fluid passes, either towards the inside of the distribution box ("input") or inversely towards the outside thereof. same housing (“output").
  • the predetermined combinatorial fluid distribution schemes are typically diagrams defining modes of operation belonging to the group formed by: natural cooling or frost protection, production of hot water by the exchanger on the heat side of the heat pump, with capture heat through the heat exchanger on the cold side of the heat pump;
  • the splitter box comprises a closed box housing the splitter means and whose dimensions are at most equal to 30 x 55 x 70 cm excluding control means, or 55 x 55 x 70 cm including control means; the cabinet may further be filled with thermal insulating material for insulating pipes and valves.
  • the total number of stop valves is advantageously equal to the total number of inputs and outputs of said first, second, third and fourth heat transfer fluid inlet / outlet: for example ten stop valves for a housing comprising a single third inlet / fluid outlet and two fourth inputs / outputs, or sixteen stop valves for a housing comprising three third fluid inlets / outlets and three fourth inputs / outputs.
  • the distribution means do not include any multi-channel distribution valve
  • shut-off valves are all-or-nothing type valves with electrical control;
  • the heat capture circuit (s) belong to the group formed by: underground thermal energy capture circuits, atmospheric heat energy capture circuits, and solar energy capture circuits;
  • the distribution means are advantageously able to select, for one of the operating modes, a heat capture circuit among several of said circuits.
  • connections between the first fluid inlet / outlet and the heat exchanger on the heat side of the heat pump, and between the second fluid inlet / outlet and the heat exchanger on the cold side of the heat pump. can advantageously be direct links, without circulation pump.
  • control means may also be able to control, depending on the selected operating mode, the engagement or the stop of the compressor of the heat pump.
  • FIG. 1 schematically illustrates a complete heat pump heating / cooling installation, implementing a specific distribution box of the invention.
  • FIG. 2 illustrates a first embodiment of a specific distribution box of the invention for coupling a heat pump to two reproduction circuits and a capture circuit.
  • FIG. 3 illustrates a second embodiment of the specific distribution box of the invention, more complete, for coupling a heat pump with three sensing circuits and three feedback circuits, as in the installation illustrated schematically in FIG. 1.
  • FIGS 4 to 9 illustrate the different interconnection diagrams that can be obtained by selective operation of the valves of the distribution box of Figure 2.
  • FIG. 1 illustrates a heating / air conditioning system according to the invention, with a specific distribution box 10 associated with a heat pump.
  • the splitter box 10 is coupled to a heat pump core 12, of a type such as that described, for example, in WO-A- 2006/005832 (Favier et al.) To which reference may be made for further details.
  • the heat pump core behaves like a thermodynamic system with a hot side and a cold side. The cold side receives a heat transfer fluid whose temperature is between 7 and 15 0 C, and returns it at a temperature of 3 to 5 ° C lower.
  • the hot side receives a heat transfer fluid whose temperature is between 30 and 32 ° C (between 60 and 62 0 C in high temperature models), and returns the fluid at a temperature of 3 to 5 ° C higher.
  • the housing 10 comprises a first heat-carrier fluid inlet / outlet 14 connected to the heat-side heat exchanger (marked H) of the pump core 12, and a second heat-transfer fluid inlet / outlet 16 connected to the heat exchanger on the side. cold (marked C) of the same pump heart12.
  • the connection between the inlets / outlets 14, 16 and the exchangers on the heat and cold side of the heat pump is preferably a direct connection, without a circulation pump.
  • the housing 10 is connected by a series of inputs / outputs 18 to one or more heat sensing circuits, and a series of inputs / outputs 20 to one or more heat recovery circuits. It is furthermore provided with control means schematized at 22, making it possible to selectively control the various internal members of the housing 10 in the manner that will be explained later, according to the needs of the user and the possibilities of optimization of the thermal balance.
  • control means can be integrated into the housing itself, or associated with it, that is to say placed next to the housing or against the housing being functionally coupled thereto.
  • the installation comprises a heat capture circuit in the basement 24, comprising a set appropriate so-called “capture probes” buried in the upper layers of the soil, as described in WO-A-2006/111655 (Hades) which can be referred to for more details.
  • the circulation of the coolant in this subsurface collection circuit 24 is provided by a pump 26.
  • the fluid exits the housing 10 to a given temperature, exchanges its heat energy with the soil temperature, and returns to the housing at this new temperature, which will then be operated in the manner described below.
  • the heat-transfer fluid can also be sent by the housing 10 to an atmospheric capture circuit 28, the fluid then returning to the housing at a temperature close to the atmospheric temperature of the moment.
  • the atmospheric capture exchanger 28 may be a static exchanger (thus completely silent and discreet appearance) or a forced circulation exchanger, provided with a fan. It is not necessary to provide a circulation pump specific to the atmospheric collection circuit 28, insofar as the latter will in principle only be used in series with the capture of the energy of the subsoil 24, and only in certain circumstances, for example a configuration allowing the cooling of the dwelling with at the same time the production of hot water, all with excess heat.
  • the heat transfer fluid can also be sent by the housing 10 to a solar energy collection circuit 30 comprising a solar collector oriented appropriately.
  • the water heated by this sensor is circulated by a pump 32 and then passes into an exchanger 34 coupled to the housing 10 by a heat transfer fluid circulation loop activated by a pump 36.
  • the fluid heated by the solar collector may be used in heat recovery circuits as well as, if necessary or desired, in the network of subsurface energy collection tubes, if it is desired to use the latter as a "temporary reservoir” for accumulating the collected solar energy in excess so as to restore it afterwards.
  • This mode of operation may be chosen in particular to ensure a frost freezing of the house, or contribute to an additional energy saving by raising the temperature of the cold source used by the heat pump, thereby increasing the performance of the latter with correspondingly a reduction in power consumption.
  • the first type of circuit is a hot water production circuit comprising, in the illustrated example, two heat exchangers 38, 40 supplied with heat transfer fluid by a circulation pump 42.
  • the heat exchanger 38 preheats the hot water sanitary stored in a hot water tank 44. In case this preheating is insufficient, an electrical resistance incorporated in the balloon 44 provides additional heating.
  • the other heat exchanger 40 is used for heating the water of a swimming pool 46 or other similar equipment (bubbling bath, etc.), the water of which is supplied to the exchanger 40 by a circulating pump 48.
  • a second type of heat recovery circuit of the installation illustrated in FIG. 1 is intended for heating or cooling a room 50. It consists of fan coils 52 comprising an exchanger and a system for diffusing air. hot or cold in the room by pulsed air passing through this exchanger, depending on the selected function (heating or cooling).
  • the coolant passing through the exchanger is circulated by a pump 54 supplying the various fan coil units 52 of the installation.
  • the heat energy may come from either the solar collector 30 or the heat side H of the heat pump core 12.
  • the heat transfer fluid at low temperature can come from the side cold C of the heat pump core 12 and / or the basement, from the capture circuit 24.
  • the heat diffused in the room 50 by the heating floor 56 or the low-temperature radiators may come from the hot side H of the heat pump core 12, or directly from the solar collector 30, or capture in basement 24, for example in the latter case to ensure a simple frost prevention of the installation.
  • Figures 2 and 3 show, for two different embodiments, the configuration of the various internal members of the housing 10.
  • Figure 2 corresponds to a housing for coupling the heat pump to two feedback circuits and a capture circuit
  • Figure 3 corresponds to a more complete housing, for coupling the heat pump to three capture circuits and three feedback circuits, (as in the installation described above with reference to Figure 1 ).
  • the following denominations will be used for the different circuits:
  • circuit G (ground): circuit for collecting the thermal energy of the subsoil (circuit 24 in FIG. 1); circuit A: capture circuit of the atmospheric thermal energy (circuit 28 in FIG. 1);
  • circuit S collector circuit for solar thermal energy (circuit 30 in FIG. 1);
  • - circuit W water: hot water production circuit, including hot water and / or water heating;
  • - circuit B (blowers): heating / cooling circuit using fan coils;
  • circuit F (floo ⁇ : heating circuit by the ground or by radiators at low temperature - circuit B / F: circuit usable indifferently as circuit B or circuit F.
  • the distribution box of the invention consists of a series of tubes such as 60, made of plastic or metal, interconnected either by fixed branches such as 62, or by stop valves (two-way valves "all or nothing") such as 101 ... 110 ( Figure 2) or 201 ... 216 ( Figure 3).
  • the valves can be advantageously electrically controlled ball valves with information about their position, or any other type of valve, including even manual valves made of plastic in a simplified version of the housing of the invention.
  • the network of interconnected tubes leads to connections such as 64 intended to be connected on the one hand to the heat pump (inputs / outputs 14 and 16), on the other hand to the capture circuits (inputs / outputs 18) and restitution (inputs / outputs 20).
  • the arrows such as 66 connecting the connection points 64 indicate the flow direction of the fluid outside the distribution housing of the invention, in the exchangers of the heat pump or in the various capture or recovery circuits. Note that, since the coolant can borrow in the housing of different circuits, it is essential that the same fluid is chosen for all heat capture and recovery circuits.
  • control of the valves is advantageously automated by a suitable programmer for collectively controlling the different valves so as to select in a modifiable manner various combinatorial schemes of fluid distribution between the inputs / outputs 14, 16, 18 and 20.
  • the pilot program will take into account the conditions of use, the capacities of the heat pump core, the needs of the user, the external conditions (temperature, sunshine), etc. It will be noted that the needs on the return side of heat can be very variable according to the climate, the location of the building, the preferences of the user, ...
  • the very low industrial production costs in large series of the housing of the invention allow to consider the production of boxes corresponding to different uses, each corresponding to the start of a number of circulation circuits among all those theoretically possible and which will be described below.
  • FIGS. 4 to 10 the various fluid distribution combinatorial diagrams that can be made with the particular configuration of tubes 60, taps 62 and of FIG. valves 101 ... 110 of the first embodiment illustrated in Figure 2.
  • This embodiment corresponds to a simplified housing, implementing neither atmospheric capture or solar capture, and does not provide separate fan coil return / heating circuits by the ground (that is to say that one or other of these modes of reproduction can be used, but not both simultaneously).
  • This configuration corresponds to a minimum operation of the installation, under frost protection or free cooling.
  • the heat pump being stopped, the only energy consumed is that of the circulation pump 26.
  • FIG. 5 opening of the valves 101, 109 and 110; commissioning pumps 26 and 42 of circuits G and W, respectively; compressor of the heat pump running.
  • This configuration corresponds to the production of hot water (circuit W) by the heat side (H) of the heat pump, the heat capture in the ground (circuit G) being connected to the cold side (C) of the heat pump. heat.
  • Figure 6 opening of the valves 101, 104, 106, 109 and 110; commissioning the pumps 26, 42, 54 (or 58) of the circuits G, W and B (or F), respectively; compressor of the heat pump running.
  • This configuration corresponds to the production of hot water (circuit W) and heating (circuit B / F) by the hot side H of the compressor.
  • Underground heat capture (circuit G) is connected to the cold side (C) of the heat pump.
  • FIG. 7 opening of the valves 101, 107 and 108; commissioning pumps 42 and 54 of circuits W and B / F, respectively; compressor of the heat pump running.
  • This configuration corresponds to a cooling of the air by fan convectors (circuit B / F) from the cold side (C) of the heat pump, with simultaneous production of hot water (circuit W) by the hot side ( H) of the heat pump, the heat balance showing neither excess of cold nor excess of heat.
  • FIG. 8 opening of the valves 102, 103, 107, 108; commissioning of the pumps 26, 42 and 54 of the circuits G, W and B / F, respectively; compressor of the heat pump running.
  • This configuration corresponds to the same functions as those of FIG. 7, but in a situation where the thermal balance shows an excess of heat, which is then sent to the underground collection.
  • FIG. 9 opening of the valves 101, 105, 108, and 110; commissioning of the pumps 26, 42 and 54 of the circuits G, W and B / F, respectively; compressor of the heat pump running.
  • This configuration corresponds to the same functions as those of FIG. 7, but in a situation where the thermal balance shows an excess of cold, which is then sent to underground collection.
  • valves 201 ... 216 it can be controlled similarly by selectively controlling the various valves 201 ... 216 to perform the following functions: a) freezing or free cooling: opening of valves 203, 205, 211, 212 and 214; activation of pumps F and G circuits; compressor stopped; b) heating the circuits W, B, F and G by the solar collection S: opening of the valves 201, 202, 203, 204, 207, 212 and 214; activating the pumps of circuits W, B, F, S and G; compressor stopped; c) heating the circuit W by the solar collector S, with parallel free cooling (circuit F) by the underground collection (circuit G): opening of the valves 203, 205, 206, 211, 212 and 214; activating the pumps of circuits W, F, S and G; compressor stopped; d) heating the circuits W, B and F by the hot side H of the pump, coupling the cold side C to the circuit G: opening of the valves

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Abstract

Le boîtier répartiteur (10) est couplé à une pompe à chaleur (12) et à divers circuits de captage (24, 28, 30) et de restitution (38, 40, 52, 56) de chaleur, dont il assure l'interconnexion sélective, selon différents schémas combinatoires prédéterminés de distribution de fluide, par pilotage automatique d'un réseau intégré de vannes d'arrêt (200). Ces schémas définissent des modes de fonctionnement tels que rafraîchissement naturel ou mise hors gel, production d'eau chaude et/ou climatisation à partir d'une installation unique, en optimisant les transferts de chaleur entre circuits pour que la pompe à chaleur fonctionne toujours dans sa zone d'optimum thermodynamique.

Description

Installation de chauffage/climatisation à pompe à chaleur, comportant un boîtier répartiteur de fluide caloporteur avec couplage à une pluralité de circuits de captage et de distribution de chaleur
L'invention concerne une installation de chauffage/climatisation comportant un boîtier répartiteur de fluide caloporteur.
Une telle installation est par exemple décrite dans le EP 1 826 503 A1 , qui divulgue une installation comportant un boîtier répartiteur de fluide calo- porteur, avec une première et une deuxième entrée/sortie de fluide caloporteur ; au moins une troisième entrée/sortie de fluide caloporteur, apte à être reliée à un circuit correspondant de captage de chaleur ; et au moins une quatrième entrée/sortie de fluide caloporteur, apte à être reliée à un circuit correspondant de restitution de chaleur. Le boîtier comprend éga- lement des moyens répartiteurs, aptes à interconnecter sélectivement, selon différents schémas combinatoires de distribution de fluide prédéterminés : la première entrée/sortie à au moins l'une des troisième et quatrième entrées/sorties, et la deuxième entrée/sortie à au moins l'une des troisième et quatrième entrées/sorties. Ces moyens répartiteurs comprennent un réseau de conduites d'interconnexion reliées entre elles et aux entrées/sorties et pourvues chacune d'une vanne d'arrêt commandable individuellement. Des moyens de pilotage commandent collectivement les différentes vannes d'arrêt du boîtier de manière à sélectionner de façon modifiable l'un desdits schémas combinatoires. L'invention concerne l'application d'une telle installation, par le biais notamment du boîtier répartiteur, à une situation où la source de chauffage/climatisation est une pompe à chaleur.
Diverses installations à pompe à chaleur sont décrites par exemple dans les DE 102 45 572 A1 , DE 32 45 416 A1 , ou DE 32 45 416 A1. Il s'agit toutefois d'installations non spécifiques, où la pompe à chaleur n'est qu'une source de chaleur parmi d'autres sources possibles. La présente invention vise à résoudre un certain nombre de difficultés inhérentes aux installations à pompe à chaleur, dont on va exposer ci- dessous les particularismes. Une pompe à chaleur permet de capter l'énergie thermique disponible dans les couches supérieures de la croûte terrestre, de concentrer à tem- pérature plus élevée cette énergie, et de la restituer sous cette forme concentrée pour alimenter un circuit de chauffage. Certains modèles à permutation d'échangeurs, dits "réversibles", permettent en outre d'alimenter un circuit de climatisation, l'énergie thermique ambiante du local étant alors cédée au sous-sol.
Essentiellement, une pompe à chaleur comporte un circuit de fluide frigo- rigène (réfrigérant) comprenant un compresseur, un détendeur, un évapo- rateur et un condenseur, ainsi que deux échangeurs de chaleur associés. Le premier échangeur est couplé côté primaire à l'évaporateur et côté se- condaire à un circuit de captage de chaleur, tandis que le second échangeur est couplé côté primaire au condenseur et côté secondaire à un circuit de restitution de chaleur (ces deux échangeurs correspondant respectivement à ce qui sera désigné par la suite "côté froid" et "côté chaud" de la pompe à chaleur). En configuration de chauffage, le compresseur de la pompe à chaleur concentre côté condenseur l'énergie captée dans le sol (circuit de captage) et restitue côté évaporateur l'énergie servant au chauffage (circuit de restitution). Le terme de "restitution de chaleur" devra être entendu au sens large, c'est-à-dire qu'il couvre non seulement Ie cas où il s'agit de céder de la chaleur (par exemple pour une utilisation de chauffage domestique ou de production d'eau chaude), mais également lorsqu'il s'agit d'abaisser la température d'un local, la "restitution" consistant à assurer une fonction de climatisation ou de rafraîchissement, l'énergie thermique excédentaire étant alors cédée au circuit de "captage" par la pompe à chaleur.
Dans le cas des pompes à chaleur de type "eau/eau", auxquelles s'applique l'invention, le circuit de captage et le circuit de restitution sont tous deux des circuits où circule un liquide, ci-après désigné "fluide calopor- teur". Bien entendu, en fonction des besoins, l'eau peut être remplacée ou complétée par un autre liquide. En particulier, pour pouvoir circuler dans le circuit de captage de chaleur, l'eau est souvent additionnée d'éthylène- glycol ou autre additif faisant fonction d'antigel.
Du côté froid de la pompe à chaleur, le fluide caloporteur est admis à une température d'environ 5 à 200C, et il est renvoyé en sortie à une tempéra- ture de 3 à 5°C inférieure ; côté chaud, l'échangeur de la pompe à chaleur reçoit le fluide à une température typiquement de l'ordre de 30 à 6O0C, et le restitue en sortie à une température de 3 à 5° supérieure. Le compresseur, son circuit de fluide frigorigène associé ainsi que les deux échangeurs de chaleur sont regroupés en un même bloc fonctionnel, ci-après désigné "cœur de pompe à chaleur", qui constitue un ensemble intégré destiné à être associé et raccordé aux différents éléments des circuits de captage et de restitution de chaleur (tuyauterie, pompe de circulation, capteur thermostatique, etc.) ainsi qu'aux équipements d'alimentation et de régulation du système. Le WO-A-2006/005832 (Favier et al.) décrit une telle pompe à chaleur de type eau/eau, réalisée sous forme d'un cœur de pompe compact. La présente invention réside plus particulièrement dans les équipements de raccordement d'un tel cœur de pompe aux circuits de captage et de restitution d'énergie thermique. En ce qui concerne les circuits de captage de chaleur, le principal type de captage est celui de l'énergie thermique stockée dans l'immédiat sous-sol, la terre ou les roches, ou encore dans les nappes phréatiques et sources naturelles, dont la température reste toute l'année sensiblement constante, de l'ordre d'environ 1O0C dans les régions tempérées. Le fluide ca- loporteur, après avoir été refroidi par l'évaporateur de la pompe à chaleur, est envoyé dans une "sonde de captage" enterrée telle que celle décrite par exemple dans le WO-A-2006/111655 (Hadès). Là, le fluide se réchauffe au contact du milieu environnant, qui lui cède son énergie thermique : chaque mètre linéaire de sonde plongé dans le milieu environnant sollicité peut ainsi apporter quelques joules d'énergie thermique à la pompe à chaleur lorsque le circuit est en fonctionnement. Le fluide réchauffé retourne vers la pompe à chaleur qui concentre et restitue l'énergie thermique ainsi captée. Ce type de captage n'est cependant pas le seul : il est également possi- ble, en complément, de capter l'énergie thermique atmosphérique et/ou l'énergie thermique solaire délivrée par rayonnement. En pratique, ces captages atmosphérique ou solaire sont difficiles à mettre en œuvre, notamment du fait des variations importantes que présentent la température extérieure et le rayonnement solaire en fonction de la latitude, des saisons et de l'heure (tout particulièrement entre le jour et la nuit). Ces variations, et le fait que c'est précisément pour combattre les effets de ces changements que l'on cherche à chauffer ou climatiser un local, font que leur utilisation directe dans les usages domestiques ne s'est jusqu'à présent pas révélée satisfaisante. En ce qui concerne les circuits de restitution de chaleur, les usages domestiques de l'énergie thermique peuvent être regroupés en trois grandes catégories.
La première catégorie est le chauffage à basse température d'un local, par des radiateurs basse température ou par un plancher chauffant. Pour diffuser de la chaleur, ce système requiert la circulation d'un fluide calo- porteur à une température de l'ordre de 30 à 45°C. Pour la mise hors gel, lorsque le local est bien isolé, Ie système peut s'accommoder de la circulation d'un fluide à température plus basse, par exemple de l'ordre de 100C. Enfin, à la saison chaude, le système peut être utilisé pour un ra- fraîchissement de l'habitat en l'alimentant par un fluide délivré à basse température, proche de 1O0C.
La deuxième catégorie d'utilisations est Ie chauffage (ou le rafraîchissement d'air) par des ventilo-convecteurs, ou le chauffage par des radiateurs haute température. En hiver, pour le chauffage des locaux d'habitation, ces systèmes requièrent la circulation d'un fluide à une température de l'ordre de 45 à 65°C. En été, pour permettre la climatisation, le fluide doit être à basse température, de l'ordre de 5 à 15°C.
La troisième catégorie d'utilisations est le chauffage de l'eau à usage domestique. Il peut s'agir de la production d'eau chaude sanitaire (ou son préchauffage), ou encore du chauffage ou préchauffage de l'eau pour l'alimentation d'équipements ménagers tels que lave-linge et lave-vaisselle (pour éviter que l'intégralité du chauffage ne soit assuré par une résistance électrique), ou encore le chauffage de piscines ou de bains à remous. Dans cette catégorie d'applications, et notamment pour l'eau chaude sanitaire, il peut être souhaitable de disposer d'une eau à température de l'ordre de 65°C, pour éviter l'utilisation d'une résistance électrique d'appoint en cas de température insuffisante.
Ces divers circuits de captage et de restitution de chaleur peuvent être combinés de diverses manières. Dans sa configuration traditionnelle, la plus simple, une pompe à chaleur est utilisée pour alimenter un circuit dé chauffage, avec captage de l'énergie stockée dans le sous-sol.
Il est également possible de faire fonctionner une pompe à chaleur en configuration inverse, c'est-à-dire pour alimenter un système de climatisation. La chaleur en excès est alors cédée au captage en sous-sol. On a proposé d'utiliser une même pompe à chaleur selon l'une ou l'autre de ces deux configurations, en fonction des besoins et des saisons. Ces pompes à chaleur dites "réversibles" fonctionnent généralement par per- mutation des échangeurs du générateur thermique (côté froid/côté chaud), au moyen d'une vanne trois voies.
Toutefois, l'efficacité de ces pompes à chaleur réversibles est limitée par le fait que le changement de configuration s'accompagne d'une forte modification de la balance thermique de la pompe à chaleur, due à la non- spécialisation des échangeurs (qui doivent pouvoir être permutés).
En tout état de cause, même pour les pompes à chaleur dédiées à la seule fonction de chauffage, les besoins thermiques peuvent varier dans des proportions très importantes selon que l'on veut par exemple produire de l'eau chaude sanitaire, que l'on veut assurer un chauffage par ventilo- convecteurs ou par chauffage basse température (chauffage par le sol). Le bilan thermique étant très différent pour chaque fonction, il n'est pas possible de régler le fonctionnement de la pompe à chaleur sur un optimum correspondant à chacun des modes de chauffage, à plus forte raison lorsque ceux-ci doivent pouvoir être utilisés séparément ou concur- remment, en fonction des installations et en fonction des saisons.
Dans un autre ordre d'idées, on a évoqué plus haut la possibilité d'utiliser un captage atmosphérique ou solaire. Mais les conditions de fonctionnement de ces captages sont extrêmement variables en fonction des heures, des saisons, du climat, ... à la différence du captage dans le sous-sol, où la température est pratiquement constante en toutes saisons. Cette variabilité extrême fait que, actuellement, ces captages atmosphériques ou solaires sont en pratique très peu utilisés, malgré le potentiel important d'échange thermique qu'ils représentent lorsque de bonnes conditions ambiantes sont réunies. Le but de l'invention est de remédier aux diverses limitations que l'on vient d'évoquer.
L'invention a pour objet une installation conçue autour d'une pompe à chaleur de type eau/eau, avec un boîtier de distribution permettant des utilisations multiples (pluralité de circuits de restitution reliés au même boîtier), et susceptible de fonctionner selon des modes différents (par exemple chauffage/climatisation).
Le but de l'invention est en particulier d'optimiser le bilan thermique, et donc le rendement de la pompe à chaleur, en adaptant la circulation du fluide caloporteur dans les différents circuits en fonction (i) du mode de fonctionnement sélectionné, et (ii) du bilan thermique correspondant, à un instant donné.
En particulier, dans le cas par exemple d'un mode de fonctionnement chauffage/climatisation, comme on le verra plus bas le basculement d'un mode à l'autre est opéré sans permutation des échangeurs au sein du générateur thermique de la pompe à chaleur, à la différence de ce qui est actuellement pratiqué avec les pompes à chaleur réversibles. De la sorte, les échangeurs du module thermique de la pompe à chaleur restent des échangeurs spécialisés, calculés pour des plages de tempéra- tures de fonctionnement données.
De façon générale, et notamment lorsque plusieurs circuits de captage sont disponibles (captage atmosphérique et captage solaire en sus du captage en sous-sol), l'invention a également pour but d'optimiser le bilan énergétique de l'équipement en contrôlant la distribution de fluide dans les différents circuits de captage en fonction des circonstances, et notamment en fonction de la température du fluide. Ceci est obtenu, comme on le verra, en privilégiant les circuits où cette température est optimale en termes de disponibilité ou de production d'énergie thermique, puis en redistribuant le fluide à la température la plus appropriée pour l'usage domesti- que requis, le tout en faisant le plus large appel aux énergies naturelles renouvelables.
Ainsi, l'énergie thermique véhiculée par le fluide caloporteur pourra être utilisée soit telle quelle (à la température à laquelle elle est fournie par le circuit de captage sélectionné), soit après sa transformation par le sys- tème de chauffage/refroidissement approprié qui l'aura d'un côté concen- trée (c'est-à-dire portée à une température plus élevée) et de l'autre refroidie (c'est-à-dire descendue à une température plus basse), le cœur de pompe à chaleur opérant toujours dans les meilleures conditions de performances thermodynamiques. Du point de vue de la technologie, le but de l'invention est de mettre à disposition un système répartiteur se présentant sous la forme d'un boîtier compact unique rassemblant l'ensemble des éléments requis et interface entre, d'une part, le cœur de pompe à chaleur et, d'autre part, les circuits de restitution et de captage. Ce regroupement des organes dans un seul et même boîtier présente plusieurs avantages, notamment :
- la faible taille du boîtier, compatible avec une pompe à chaleur domestique ;
- la possibilité d'utiliser un module thermique sans vanne trois voies, tout en gardant la possibilité d'en inverser le fonctionnement ;
- le boîtier peut être produit en usine de manière industrielle, autorisant ainsi d'importantes baisses de coûts de production par rapport à une installation réalisée sur place, où un technicien doit assembler de manière plus ou moins empirique une multiplicité de tubes, vannes et cir- cuits de commande ;
- le boîtier peut être très rapidement installé et raccordé aux circuits de captage et de restitution de chaleur de l'installation ; il peut être enlevé pour révision ou réparation, et remplacé en cas de besoin par substitution d'un autre boîtier ; - l'ensemble des tubes et organes du répartiteur peut être aisément noyé dans une mousse thermiquement isolante injectée dans le boîtier, ce qui aura pour effet de calorifuger tous les tubes de raccordement en une seule opération, facile à industrialiser et donc peu coûteuse, à la différence du calorifugeage réalisé sur place, de façon em- pirique, par les installateurs.
À cet effet, l'invention propose une installation de chauffage/climatisation du type général divulgué par le EP 1 826 503 A1 précité, caractérisée en ce que :
- elle comprend une pompe à chaleur de type eau/eau, avec un échan- geur de chaleur côté chaud et un échangeur de chaleur côté froid dans lesquels circule ledit fluide caloporteur, ce fluide caloporteur étant commun à l'échangeur de chaleur côté chaud de la pompe à chaleur, à l'échangeur de chaleur côté froid de la pompe à chaleur, au circuit de captage de chaleur et au circuit de restitution de chaleur ; et - le boîtier répartiteur est relié à Péchangeur de chaleur côté chaud par la première entrée/sortie de fluide caloporteur, et à l'échangeur de chaleur côté froid par la deuxième entrée/sortie de fluide caloporteur. Ici et dan la suite, le terme "entrée/sortie" s'entend d'un orifice par lequel transite le fluide caloporteur, soit vers l'intérieur du boîtier répartiteur ("en- trée") soit inversement vers l'extérieur de ce même boîtier ("sortie"). Par commodité, tous les orifices du boîtier répartiteur seront désignés "entrée/sortie", bien que certains ne fassent fonction que d'entrée, d'autres ne fassent fonction que de sortie, et que d'autres encore puissent être soit une entrée soit une sortie selon le sens de circulation du fluide, ce sens étant lui-même fonction du schéma combinatoire de distribution sélectionné.
Les schémas combinatoires de distribution de fluide prédéterminés sont typiquement des schémas définissant des modes de fonctionnement appartenant au groupe formé par : - rafraîchissement naturel ou mise hors gel, production d'eau chaude par l'échangeur côté chaud de la pompe à chaleur, avec captage de chaleur par l'échangeur côté froid de la pompe à chaleur ;
- production d'eau chaude et chauffage par l'échangeur côté chaud de la pompe à chaleur, avec captage de chaleur par l'échangeur côté froid de la pompe à chaleur ;
- production d'eau chaude par l'échangeur côté chaud de la pompe à chaleur et climatisation par l'échangeur côté froid de la pompe à chaleur ; - production d'eau chaude par l'échangeur côté chaud de la pompe à chaleur et climatisation par l'échangeur côté froid de la pompe à chaleur avec transfert au circuit de captage de chaleur de l'excès de chaleur produite ;
- production d'eau chaude par l'échangeur côté chaud de la pompe à chaleur et climatisation par l'échangeur côté froid de la pompe à cha- leur avec transfert au circuit de captage de chaleur de l'excès de chaleur cédée.
Très avantageusement, le boîtier répartiteur comprend un coffret clos logeant les moyens répartiteurs et dont les dimensions sont au plus égales à 30 x 55 x 70 cm hors moyens de pilotage, ou 55 x 55 x 70 cm moyens de pilotage inclus ; le coffret peut en outre être empli d'un matériau isolant thermique de calorifugeage des conduites et des vannes. Le nombre total des vannes d'arrêt est avantageusement égal au nombre total d'entrées et de sorties desdites première, deuxième, troisième et quatrième entrées/sorties de fluide caloporteur : par exemple dix vannes d'arrêt pour un boîtier comprenant une unique troisième entrée/sortie de fluide et deux quatrièmes entrées/sorties, ou seize vannes d'arrêt pour un boîtier comprenant trois troisièmes entrées/sorties de fluide et trois quatrièmes entrées/sorties. Selon diverses caractéristiques subsidiaires avantageuses :
- les moyens répartiteurs ne comportent aucune vanne de distribution multivoie ;
- les vannes d'arrêt sont des vannes de type tout-ou-rien à commande électrique ; - le(s) circuit(s) de captage de chaleur appartien(nen)t au groupe formé par : les circuits de captage de l'énergie thermique du sous-sol, les circuits de captage de l'énergie thermique atmosphérique, et les circuits de captage de l'énergie solaire ;
- le(s) circuit(s) de restitution de chaleur appartien(nen)t au groupe for- mé par : les circuits de chauffage/climatisation à ventilo-convecteurs, les circuits de chauffage à radiateurs haute température, les circuits de chauffage/rafraîchissement à basse température, les circuits de production d'eau chaude, et les circuits de préchauffage d'eau. En outre, les moyens répartiteurs sont avantageusement aptes à sélec- tionner, pour un des modes de fonctionnement donné, un circuit de captage de chaleur parmi plusieurs desdits circuits.
Ils peuvent être également aptes à commander, en fonction du mode de fonctionnement sélectionné, au moins une pompe de circulation du fluide associée à l'un des circuits de captage ou de restitution de fluide. Dans ce cas, les liaisons entre la première entrée/sortie de fluide et l'échangeur de chaleur côté chaud de la pompe à chaleur, et entre la deuxième entrée/sortie de fluide et i'échangeur de chaleur côté froid de la pompe à chaleur peuvent être avantageusement des liaisons directes, dépourvues de pompe de circulation.
Enfin, les moyens de pilotage peuvent être également aptes à commander, en fonction du mode de fonctionnement sélectionné, l'enclenchement ou l'arrêt du compresseur de la pompe à chaleur.
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On va maintenant décrire un exemple de mise en œuvre de l'installation de l'invention, en référence aux dessins annexés où les mêmes références numériques désignent d'une figure à l'autre des éléments identiques ou fonctionnellement semblables.
La figure 1 illustre de façon schématique une installation complète de chauffage/climatisation par pompe à chaleur, mettant en œuvre un boîtier répartiteur spécifique de l'invention. La figure 2 illustre un premier mode de réalisation d'un boîtier répartiteur spécifique de l'invention, pour coupler une pompe à chaleur à deux circuits de restitution et un circuit de captage.
La figure 3 illustre un deuxième mode de réalisation du boîtier répartiteur spécifique de l'invention, plus complet, pour coupler une pompe à chaleur à trois circuits de captage et trois circuits de restitution, comme dans l'ins- tallation illustrée schématiquement figure 1.
Les figures 4 à 9 illustrent les différents schémas d'interconnexion qu'il est possible d'obtenir par manœuvre sélective des vannes du boîtier répartiteur de la figure 2.
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La figure 1 illustre une installation de chauffage/climatisation selon l'invention, avec un boîtier répartiteur spécifique 10 associé à une pompe à chaleur. D'un premier côté, le boîtier répartiteur 10 est couplé à un cœur de pompe à chaleur 12, d'un type tel que celui décrit par exemple dans le WO-A- 2006/005832 (Favier et al.) auquel on pourra se référer pour de plus amples détails. Essentiellement, le cœur de pompe à chaleur se comporte comme un système thermodynamique comportant un côté chaud et un côté froid. Le côté froid reçoit un fluide caloporteur dont la température est comprise entre 7 et 150C, et le restitue à une température de 3 à 5°C inférieure. Le côté chaud reçoit un fluide caloporteur dont la température est comprise entre 30 et 32°C (entre 60 et 620C dans les modèles à haute température), et restitue ce fluide à une température de 3 à 5°C supérieure. Le boîtier 10 comporte une première entrée/sortie de fluide calo- porteur 14 reliée à l'échangeur de chaleur côté chaud (repéré H) du cœur de pompe 12, et une deuxième entrée/sortie de fluide caloporteur 16 reliée à l'échangeur côté froid (repéré C) de ce même cœur de pompe12. La liaison entre les entrées/sorties 14, 16 et les échangeurs côté chaud et froid de la pompe à chaleur est de préférence une liaison directe, sans pompe de circulation.
De l'autre côté, le boîtier 10 est relié par une série d'entrées/sorties 18 à un ou plusieurs circuits de captage de chaleur, et par une série d'entrées/sorties 20 à un ou plusieurs circuits de restitution de chaleur. Il est par ailleurs prévu des moyens de pilotage schématisés en 22, per- mettant de commander sélectivement les divers organes internes du boîtier 10 de la manière que l'on exposera par la suite, en fonction des besoins de l'utilisateur et des possibilités d'optimisation du bilan thermique. Ces moyens de pilotage peuvent être intégrés au boîtier proprement dit, ou bien adjoints à celui-ci, c'est-à-dire placés à côté du boîtier ou contre le boîtier en étant fonctionnellement couplés à celui-ci.
Circuits de captaqe de chaleur
On va tout d'abord décrire les circuits de captage de chaleur qu'il est possible de coupler au boîtier 10 par les diverses entrées/sorties 18. L'installation comporte un circuit de captage de chaleur en sous-sol 24, comportant un ensemble approprié de tubes dits "sondes de captage" enfouis dans les couches supérieures du sol, de la manière décrite dans le WO-A-2006/111655 (Hadès) auquel on pourra se référer pour plus de détails. La circulation du fluide caloporteur dans ce circuit de captage en sous-sol 24 est assurée par une pompe 26. Le fluide sort du boîtier 10 à une température donnée, échange son énergie thermique avec la température du sol, et revient dans le boîtier à cette nouvelle température, qui sera ensuite exploitée de la manière décrite plus bas. Dans l'installation illustrée figure 1 , le fluide caloporteur peut être égale- ment envoyé par Ie boîtier 10 vers un circuit de captage atmosphérique 28, le fluide retournant alors au boîtier à une température proche de la température atmosphérique du moment. L'échangeur du captage atmosphérique 28 peut être un échangeur statique (donc totalement silencieux et discret d'apparence) ou bien un échangeur à circulation forcée, pourvu d'un ventilateur. Il n'est pas nécessaire de prévoir une pompe de circulation spécifique au circuit de captage atmosphérique 28, dans la mesure où ce dernier ne sera en principe utilisé qu'en série avec le captage de l'énergie du sous-sol 24, et seulement dans certaines circonstances, par exemple une configuration permettant le refroidissement de l'habitation avec en même temps Ia production d'eau chaude, le tout avec excès de chaleur.
Le fluide caloporteur peut être également envoyé par le boîtier 10 vers un circuit de captage d'énergie solaire 30 comprenant un capteur solaire orienté de manière appropriée. L'eau chauffée par ce capteur est mise en circulation par une pompe 32 puis passe dans un échangeur 34 couplé au boîtier 10 par une boucle de circulation de fluide caloporteur activée par une pompe 36. Le fluide chauffé par le capteur solaire pourra être utilisé dans les circuits de restitution de chaleur ainsi que, si nécessaire ou souhaité, dans le réseau des tubes de captage de l'énergie du sous-sol, si l'on souhaite utiliser ce dernier comme "réservoir temporaire" pour accumuler l'énergie solaire captée en excès de manière à la restituer ensuite. Ce mode de fonctionnement peut être notamment choisi pour assurer une mise hors gel de l'habitation, ou contribuer à une économie d'énergie supplémentaire en relevant la température de la source froide utilisée par la pompe à chaleur, accroissant d'autant les performances de cette dernière avec corrélativement une réduction de la consommation électrique.
Circuits de restitution de chaleur
On va maintenant décrire les circuits de restitution de chaleur qu'il est possible de coupler au boîtier 10 par les diverses entrées/sorties 20. Le premier type de circuit est un circuit de production d'eau chaude comprenant, dans l'exemple illustré, deux échangeurs 38, 40 alimentés en fluide caloporteur par une pompe de circulation 42. L'échangeur 38 assure le préchauffage de l'eau chaude sanitaire stockée dans un ballon d'eau chaude 44. Au cas où ce préchauffage serait insuffisant, une résistance électrique incorporée au ballon 44 assure le complément de chauffage. L'autre échangeur 40 est utilisé pour le chauffage de l'eau d'une piscine 46 ou autre équipement analogue (bain bouillonnant, etc.) dont l'eau est amenée à l'échangeur 40 par une pompe de cir- culation 48.
Un deuxième type de circuit de restitution de chaleur de l'installation illustrée figure 1 est destiné au chauffage ou au rafraîchissement d'un local 50. Il est constitué de ventilo-convecteurs 52 comprenant un échangeur et un système permettant de diffuser de l'air chaud ou bien froid dans le lo- cal par de l'air puisé traversant cet échangeur, selon la fonction sélectionnée (chauffage ou rafraîchissement). Le fluide caloporteur traversant l'échangeur est mis en circulation par une pompe 54 alimentant les divers ventilo-convecteurs 52 de l'installation. Dans le cas d'un chauffage, l'énergie thermique pourra provenir soit du capteur solaire 30 soit du côté chaud H du cœur de pompe à chaleur 12. Dans le cas d'un rafraîchissement, le fluide caloporteur à basse température pourra venir du côté froid C du cœur de pompe à chaleur 12 et/ou du sous-sol, à partir du circuit de captage 24. Ce dernier cas correspond au principe de rafraîchissement dénommé free cooling ou encore "climatisa- tion canadienne" ou "climatisation provençale", technique qui consiste à rafraîchir l'air d'un local par circulation dans le sous-sol, qui notamment en été reste à une température très inférieure à la température extérieure ambiante. On a également illustré un troisième type de circuit de restitution de cha- leur, constitué d'un plancher chauffant 56 ou de radiateurs basse température dans lesquels le fluide caloporteur est mis en circulation au moyen d'une pompe 58.
La chaleur diffusée dans le local 50 par le plancher chauffant 56 ou les radiateurs basse température pourra provenir du côté chaud H du cœur de pompe à chaleur 12, ou directement du captage solaire 30, ou encore du captage en sous-sol 24, par exemple dans ce dernier cas pour assurer une simple mise hors gel de l'installation.
Structure interne du boitier répartiteur Les figures 2 et 3 présentent, pour deux modes de réalisation différents, la configuration des différents organes internes du boîtier 10. La figure 2 correspond à un boîtier permettant de coupler la pompe à chaleur à deux circuits de restitution et un circuit de captage, tandis que la figure 3 correspond à un boîtier plus complet, permettant de coupler la pompe à chaleur à trois circuits de captage et trois circuits de restitution, (comme dans l'installation décrite ci-dessus en référence à la figure 1 ). Sur ces figures, on utilisera pour les différents circuits les dénominations suivantes :
- côté H (hof) : côté raccordé à l'échangeur de chaleur côté chaud de la pompe à chaleur 12 par les entrées/sorties 14 ;
- côté C (cold) : côté raccordé à l'échangeur de chaleur côté froid de la pompe à chaleur 12 par les entrées/sorties 16 ;
- circuit G (ground) : circuit de captage de l'énergie thermique du sous- sol (circuit 24 sur la figure 1 ) ; - circuit A : circuit de captage de l'énergie thermique atmosphérique (circuit 28 sur la figure 1 ) ;
- circuit S : circuit de captage de l'énergie thermique solaire (circuit 30 sur la figure 1 ) ;
- circuit W (water) : circuit de production d'eau chaude, incluant l'eau chaude sanitaire et/ou le réchauffage d'eau ;
- circuit B (blowers) : circuit de chauffage/rafraîchissement par ventilo- convecteurs ;
- circuit F (flooή : circuit de chauffage par le sol ou par radiateurs à basse température ; - circuit B/F : circuit utilisable indifféremment en tant que circuit B ou circuit F.
Le boîtier répartiteur de l'invention est constitué d'une série de tubes tels que 60, en matière plastique ou en métal, interconnectés entre eux soit par des dérivations fixes telles que 62, soit par des vannes d'arrêt (vannes à deux voies "tout ou rien") telles que 101 ... 110 (figure 2) ou 201 ... 216 (figure 3). Les vannes peuvent être avantageusement des vannes métalliques à boisseau sphérique commandées électriquement avec renvoi d'information sur leur position, ou tout autre type de vanne, y compris même des vannes manuelles en matière plastique dans une version simplifiée du boîtier de l'invention.
Le réseau de tubes interconnectés débouche sur des raccords tels que 64 destinés à être connectés d'une part à la pompe à chaleur (entrées/sorties 14 et 16), d'autre part aux circuits de captage (entrées/sorties 18) et de restitution (entrées/sorties 20). Les flèches telles que 66 reliant les points de raccordement 64 indiquent le sens de circulation du fluide à l'extérieur du boîtier de répartition de l'invention, dans les échangeurs de la pompe à chaleur ou dans les divers circuits de captage ou de restitution. On notera que, du fait que le fluide caloporteur peut emprunter dans le boîtier des circuits différents, il est indispensable que le même fluide soit choisi pour tous les circuits de captage et de restitution de chaleur.
Le pilotage des vannes est avantageusement automatisé par un programmateur approprié permettant de commander collectivement les différentes vannes de manière à sélectionner de façon modifiable divers schémas combinatoires de distribution de fluide entre les entrées/sorties 14, 16, 18 et 20.
Le programme de pilotage prendra en compte les conditions d'utilisation, les capacités du cœur de pompe à chaleur, les besoins de l'utilisateur, les conditions extérieures (température, ensoleillement), etc. On notera que les besoins côté restitution de chaleur peuvent être très variables selon le climat, la localisation de l'immeuble, les préférences de l'usager, ... Les très faibles coûts de production industrielle en grande série du boîtier de l'invention permettent d'envisager la production de boîtiers correspondant à des usages différents, chacun correspondant à la mise en marche d'un certain nombre de circuits de circulation parmi tous ceux qui sont théori- quement possibles et que l'on décrira plus bas.
Schémas combinatoires de distribution du fluide caloporteur On va maintenant décrire, en référence aux figures 4 à 10, les différents schémas combinatoires de distribution de fluide qu'il est possible de réali- ser avec la configuration particulière de tubes 60, de dérivations 62 et de vannes 101 ... 110 du premier mode de réalisation illustré figure 2. ce mode de réalisation correspond à un boîtier simplifié, ne mettant en œuvre ni captage atmosphérique ni captage solaire, et ne prévoyant pas de circuits séparés de restitution ventilo-convecteurs/chauffage par le sol (c'est-à-dire que l'on pourra utiliser l'un ou l'autre de ces modes de restitution, mais pas les deux simultanément).
Cette simplification permet de réduire le nombre total de vannes à dix vannes 101 ... 110, de simplifier corrélativement le pilotage de ces diverses vannes, et de proposer ainsi un boîtier de moindre coût permettant néanmoins de répondre à une très grande majorité des besoins usuels. Figure 4 : ouverture des vannes 105, 108 et 110 ; mise en service de la pompe 26 du circuit G ; arrêt du compresseur de la pompe à chaleur.
Cette configuration correspond à un fonctionnement minimal de l'installation, en régime de mise hors gel ou de free cooling. La pompe à chaleur étant arrêtée, la seule énergie consommée est celle de la pompe de circulation 26.
Figure 5 : ouverture des vannes 101 , 109 et 110 ; mise en service des pompes 26 et 42 des circuits G et W, respectivement ; com- presseur de la pompe à chaleur en marche.
Cette configuration correspond à la production d'eau chaude (circuit W) par le côté chaud (H) de la pompe à chaleur, le captage de chaleur dans le sol (circuit G) étant relié au côté froid (C) de la pompe à chaleur. Figure 6 : ouverture des vannes 101 , 104, 106, 109 et 110 ; mise en service des pompes 26, 42, 54 (ou 58) des circuits G, W et B (ou F), respectivement ; compresseur de la pompe à chaleur en marche.
Cette configuration correspond à la production d'eau chaude (circuit W) et au chauffage (circuit B/F) par le côté chaud H du compresseur. Le captage de chaleur du sous-sol (circuit G) est relié au côté froid (C) de la pompe à chaleur.
Figure 7 : ouverture des vannes 101 , 107 et 108 ; mise en service des pompes 42 et 54 des circuits W et B/F, respectivement ; com- presseur de la pompe à chaleur en marche. Cette configuration correspond à un rafraîchissement de l'air par ventilo-convecteurs (circuit B/F) à partir du côté froid (C) de la pompe à chaleur, avec simultanément production d'eau chaude (circuit W) par le côté chaud (H) de la pompe à chaleur, le bilan thermique ne présentant ni excès de froid ni excès de chaud.
Figure 8 : ouverture des vannes 102, 103, 107, 108 ; mise en service des pompes 26, 42 et 54 des circuits G, W et B/F, respectivement ; compresseur de la pompe à chaleur en marche. Cette configuration correspond aux mêmes fonctions que celles de la figure 7, mais dans une situation où le bilan thermique fait apparaître un excès de chaleur, qui est alors envoyé au cap- tage en sous-sol.
Figure 9 : ouverture des vannes 101 , 105, 108, et 110 ; mise en service des pompes 26, 42 et 54 des circuits G, W et B/F, respectivement ; compresseur de la pompe à chaleur en marche. Cette configuration correspond aux mêmes fonctions que celles de la figure 7, mais dans une situation où le bilan thermique fait apparaître un excès de froid, qui est alors envoyé au captage en sous-sol.
Dans le cas du boîtier à seize vannes de la figure 3, celui-ci peut être piloté de façon analogue par commande sélective des diverses vannes 201 ... 216 pour assurer les fonctions suivantes : a) mise hors gel ou free cooling : ouverture des vannes 203, 205, 211 , 212 et 214 ; activation des pompes des circuits F et G ; compresseur arrêté ; b) chauffage des circuits W, B, F et G par le captage solaire S : ouverture des vannes 201 , 202, 203, 204, 207, 212 et 214 ; activation des pompes des circuits W, B, F, S et G ; compresseur arrêté ; c) chauffage du circuit W par le captage solaire S, avec parallèlement free cooling (circuit F) par le captage en sous-sol (circuit G) : ouverture des vannes 203, 205, 206, 211 , 212 et 214 ; activation des pompes des circuits W, F, S et G ; compresseur arrêté ; d) chauffage des circuits W, B et F par le côté chaud H de la pompe, couplage du côté froid C au circuit G : ouverture des vannes 201 , 202, 203, 204, 208, 211 , 214, 215 ; activation des pompes des circuits W, B, F et G ; compresseur en marche ; e) chauffage du circuit W par le côté chaud H, avec parallèlement rafraîchissement du circuit B par le côté froid C, sans excès de chaleur ni de froid : ouverture des vannes 202, 205, 208 et 210 ; activation des pompes des circuits W et B ; compresseur en marche ; f) comme e), avec excès de froid envoyé au sous-sol (circuit G) : activation des vannes 202, 205, 208, 211 , 212 et 214 ; activation des pompes des circuits W, B et G ; compresseur en marche ; g) comme e), avec excès de chaleur envoyé au captage atmosphérique (circuit A) puis au sous-sol (circuit G) : ouverture des vannes 202, 205, 209, 210, 213 et 216 ; activation des pompes des circuits W, B et G ; compresseur en marche.

Claims

REVENDICATIONS
1. Une installation de chauffage/climatisation à fluide caloporteur comportant un boîtier répartiteur de fluide caloporteur, ce boîtier (10) comportant :
- une première (14) et une deuxième (16) entrée/sortie de fluide caloporteur ; - au moins une troisième entrée/sortie (18) de fluide caloporteur, apte à être reliée à un circuit correspondant (24, 28, 30) de captage de chaleur ;
- au moins une quatrième entrée/sortie (20) de fluide caloporteur, apte à être reliée à un circuit correspondant (38, 40, 52, 56) de restitution de chaleur ;
- des moyens répartiteurs, aptes à interconnecter sélectivement, selon différents schémas combinatoires de distribution de fluide prédéterminés : la première entrée/sortie (14) à au moins l'une des troisième et quatrième entrées/sorties (18, 20), et la deuxième entrée/sortie (16) à au moins l'une des troisième et quatrième entrées/sorties (18, 20), ces moyens répartiteurs comprenant un réseau de conduites d'interconnexion (60) reliées entre elles et aux entrées/sorties et pourvues chacune d'une vanne d'arrêt (101-110 ; 201 , 216) commandable individuellement ; et - des moyens de pilotage (22), pour commander collectivement les différentes vannes d'arrêt du boîtier de manière à sélectionner de façon modifiable l'un desdits schémas combinatoires, installation caractérisée en ce que :
- elle comprend une pompe à chaleur (12) de type eau/eau, avec un échangeur de chaleur côté chaud (H) et un échangeur de chaleur côté froid (C) dans lesquels circule ledit fluide caloporteur, ce fluide caloporteur étant commun à l'échangeur de chaleur côté chaud de la pompe à chaleur, à l'échangeur de chaleur côté froid de la pompe à chaleur, au circuit de captage de chaleur et au circuit de restitution de chaleur ; et - le boîtier répartiteur est relié à l'échangeur de chaleur côté chaud (H) par la première entrée/sortie (14) de fluide caloporteur, et à l'échan- geur de chaleur côté froid (C) par la deuxième entrée/sortie (16) de fluide caloporteur.
2. L'installation de la revendication 1 , dans laquelle lesdits schémas com- binatoires de distribution de fluide prédéterminés sont des schémas définissant des modes de fonctionnement appartenant au groupe formé par : rafraîchissement naturel ou mise hors gel, - production d'eau chaude par l'échangeur côté chaud de la pompe à chaleur, avec captage de chaleur par l'échangeur côté froid de la pompe à chaleur ; production d'eau chaude et chauffage par l'échangeur côté chaud de la pompe à chaleur, avec captage de chaleur par l'échangeur côté froid de la pompe à chaleur ; production d'eau chaude par l'échangeur côté chaud de la pompe à chaleur et climatisation par l'échangeur côté froid de la pompe à chaleur ; production d'eau chaude par l'échangeur côté chaud de la pompe à chaleur et climatisation par l'échangeur côté froid de la pompe à chaleur avec transfert au circuit de captage de chaleur de l'excès de chaleur produite ; production d'eau chaude par l'échangeur côté chaud de la pompe à chaleur et climatisation par l'échangeur côté froid de la pompe à cha- leur avec transfert au circuit de captage de chaleur de l'excès de chaleur cédée.
3. L'installation de la revendication 1 , dans laquelle le boîtier répartiteur (10) comprend un coffret clos logeant les moyens répartiteurs et dont les dimensions sont au plus égales à 30 x 55 x 70 cm hors moyens de pilotage, ou 55 x 55 x 70 cm moyens de pilotage inclus.
4. L'installation de la revendication 1 , dans laquelle le boîtier répartiteur (10) comprend un coffret clos logeant les moyens répartiteurs et empli d'un matériau isolant thermique de calorifugeage des conduites et des vannes.
5. L'installation de la revendication 1 , dans laquelle le nombre total desdites vannes d'arrêt est égal au nombre total d'entrées et de sorties desdi- tes première, deuxième, troisième et quatrième entrées/sorties de fluide caloporteur.
6. L'installation de la revendication 5, dans laquelle le boîtier répartiteur (10) comprend une unique troisième entrée/sortie de fluide (G), deux quatrièmes entrées/sorties (W, B/F), et dix vannes d'arrêt (101-110).
7. L'installation de la revendication 5, dans laquelle le boîtier répartiteur (10) comprend trois troisièmes entrées/sorties de fluide (G, A, S), trois quatrièmes entrées/sorties (W, B, F), et seize vannes d'arrêt (201-216).
8. L'installation de la revendication 1 , dans laquelle les moyens répartiteurs ne comportent aucune vanne de distribution multivoie.
9. L'installation de la revendication 1 , dans laquelle les vannes d'arrêt sont des vannes de type tout-ou-rien à commande électrique.
10. L'installation de la revendication 1 , dans laquelle le(s)dit(s) circuit(s) de captage de chaleur appartien(nen)t au groupe formé par : les circuits de captage de l'énergie thermique du sous-sol (G), les circuits de captage de l'énergie thermique atmosphérique (A), et les circuits de captage de l'énergie solaire (S).
11. L'installation de la revendication 1 , dans laquelle le(s)dit(s) circuit(s) de restitution de chaleur appartien(nen)t au groupe formé par : les circuits de chauffage/climatisation à ventilo-convecteurs (B), les circuits de chauffage à radiateurs haute température (B), les circuits de chauffage/rafraîchissement à basse température (F), les circuits de production d'eau chaude (W), et les circuits de préchauffage d'eau (W).
12. L'installation de la revendication 1 , dans laquelle les moyens répartiteurs sont aptes à sélectionner, pour un mode de fonctionnement donné, un circuit de captage de chaleur parmi plusieurs desdits circuits (G, A, S).
13. L'installation de la revendication 1 , comprenant en outre au moins une pompe (26, 36, 42, 54, 58) de circulation du fluide associée à l'un des circuits de captage ou de restitution de fluide, et dans laquelle les moyens de pilotage sont également aptes à commander ladite pompe de circula- tion en fonction du mode de fonctionnement sélectionné,.
14. L'installation de la revendication 13, dans laquelle les liaisons entre Ia première entrée/sortie de fluide (14) et l'échangeur de chaleur côté chaud (H) de la pompe à chaleur, et entre la deuxième entrée/sortie de fluide (16) et l'échangeur de chaleur côté froid (C) de la pompe à chaleur sont des liaisons directes dépourvues de pompe de circulation.
15. L'installation de Ia revendication 13, dans laquelle les moyens de pilotage sont également aptes à commander, en fonction du mode de fonc- tionnement sélectionné, l'enclenchement ou l'arrêt du compresseur de la pompe à chaleur (12).
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