FR2586092A1

FR2586092A1 - Method of improving the output from a thermodynamic-pump heating system and system for the implementation of such a method

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Publication number: FR2586092A1
Application number: FR8511038A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-07-18
Filing date: 1985-07-18
Publication date: 1987-02-13
Also published as: FR2586092B1

Abstract

The invention relates to a method and system for heating by thermodynamic pump. The system is of the type comprising an evaporator 2, a compressor 1, a condenser 4 and a pressure-reducing valve 12 connected in a closed circuit carrying the flow of a cooling fluid; the evaporator 2 is placed on the outside in a situation permanently exposed to the wind and/or to the sun. Application to the heating of buildings or premises, greenhouses and swimming pools.

Description

La présente invention concerne un procédé d'amélioration du rendement d'un système de chauffage par pompe thermodynamique et le système pour la mise en oeuvre d'un tel procédé. The present invention relates to a method for improving the efficiency of a heating system using a thermodynamic pump and the system for implementing such a method.

On connaît déjà lutilisation de pompes thermodynamiques ou pompes à chaleur du type air-air ou air-eau pour le chauffage d'immeubles ou de locaux, la production d'eau chaude dans diverses industries, le chauffage de piscines, de serres, etc. De telles pompes à chaleur comprennent généralement un évaporateur, un compresseur, un condenseur, un détendeur et un fluide frigorigène, tel que par exemple du fréon (marque déposée, circulant en circuit fermé. Le compresseur aspire de l'évaporateur le fluide à l'état gazeux et en refoule les vapeurs dans le condenseur où elles se liquéfient.Cette condensation s'effectue en abandonnant la chaleur latente de vaporisation des vapeurs transmises au milieu à chauffer, soit directement, soit indirectement, par un fluide intermédiaire caloporteur tel que de l'eau ou de l'air utilisé comme moyen de chauffage dans un radiateur ou un aérotherme (ventilo-convecteur). Le liquide provenant de la condensation des vapeurs est renvoyé à l'évaporateur en passant par le détendeur réduisant sa pression et il s'évapore de nouveau dans l'évaporateur en empruntant de la chaleur au milieu qui l'entoure. The use of thermodynamic pumps or air-air or air-water type heat pumps is already known for heating buildings or premises, producing hot water in various industries, heating swimming pools, greenhouses, etc. Such heat pumps generally include an evaporator, a compressor, a condenser, an expansion valve and a refrigerant, such as for example freon (registered trademark, circulating in a closed circuit. The compressor sucks the fluid from the evaporator gaseous state and expels the vapors into the condenser where they liquefy. This condensation is carried out by abandoning the latent heat of vaporization of the vapors transmitted to the medium to be heated, either directly or indirectly, by an intermediate heat-transfer fluid such as l water or air used for heating in a radiator or air heater (fan coil). The liquid from the condensation of vapors is returned to the evaporator through the pressure reducing valve and it s' evaporates again in the evaporator by borrowing heat from the medium which surrounds it.

L'intérêt de la pompe à chaleur réside dans le fait que la quantité d'énergie consommée pour faire tourner le compresseur par un moteur électrique est faible par rapport à la quantité d'énergie dégagée, et par conséquent récupérée, au condenseur. The advantage of the heat pump lies in the fact that the amount of energy consumed to run the compressor by an electric motor is small compared to the amount of energy released, and therefore recovered, at the condenser.

Traditionnellement, les évaporateurs utilisés dans les pompes à chaleur du type air-air et/ou air/eau sont du type compact à air forcé par ventilateur. Traditionally, the evaporators used in air-air and / or air / water type heat pumps are of the compact type with forced air by fan.

Cependant, de telles pompes à chaleur présentent les inconvénients suivants
- chute du coefficient de performance si les températures ambiantes extérieures chutent en dessous d'une température voisine de 59C,
- risque de givrage de l'évaporateur par temps froid conduisant rapidement à une baisse importante de pression d'aspiration du compresseur par une température extérieure à OOC, d'où baisse du coefficient de performance du compresseur.Par conséquent, il est nécessaire de dégivrer l'évaporateur, soit par inversion du cycle (1' évaporateur devenant condenseur momentanément), soit par mise en service de résistances électriques additionnelles, méthode très cor'eusse en exploitation, à la fois à cause du coût de l'énergie ainsi gaspillée mais aussi en raison du coût élevé d'entretien,
- production de nuisance due au bruit du ventilateur de l'évaporateur.However, such heat pumps have the following disadvantages
- drop in the coefficient of performance if the ambient outside temperatures drop below a temperature close to 59C,
- risk of icing of the evaporator in cold weather quickly leading to a significant drop in compressor suction pressure by a temperature outside OOC, hence a decrease in the compressor performance coefficient. Therefore, it is necessary to defrost the evaporator, either by reversing the cycle (the evaporator becoming a condenser momentarily), or by putting additional electrical resistances into service, a very expensive method in operation, both because of the cost of the energy thus wasted but also due to the high maintenance cost,
- nuisance production due to noise from the evaporator fan.

La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients ci-dessus en proposant un procédé et système de chauffage par pompe à chaleur d'un rendement élevé, ne nécessitant pas l'inversion du cycle de fonctionnement de la pompe à chaleur en cas de givrage de l'évaporeur, ni de résistances additionnelles et ne provoquant aucune nuisance de bruit. The object of the present invention is to remedy the above drawbacks by proposing a method and system for heating by heat pump of high efficiency, not requiring the reversal of the operating cycle of the heat pump in the event of icing. of the evaporator, nor of additional resistances and causing no noise nuisance.

Pour cela, le procédé d'amélioration du rendement d'un système de chauffage par pompe thermodynamique selon la présente invention est caractérisé en ce qu'il consiste à exposer constamment l'évaporateur au vent et/ou au soleil. For this, the method of improving the efficiency of a heating system by thermodynamic pump according to the present invention is characterized in that it consists in constantly exposing the evaporator to the wind and / or to the sun.

Selon une caractéristique de l'invention, le procédé consiste, en cas de givrage de l'évaporateur, à introduire dans l'évaporateur un gaz chaud, de préférence prélevé à la sortie du compresseur. According to a characteristic of the invention, the method consists, in the event of icing of the evaporator, of introducing into the evaporator a hot gas, preferably taken from the outlet of the compressor.

Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le procédé consiste à réguler l'introduction du gaz chaud précité proportionnellement à une baisse de pression à l'entrée du compresseur quand l'évaporateur est à une température relativement basse, par exemple d'environ -100C. According to yet another characteristic of the invention, the method consists in regulating the introduction of the above-mentioned hot gas in proportion to a drop in pressure at the inlet of the compressor when the evaporator is at a relatively low temperature, for example around -100C.

Le système de chauffage par pompe thermodynami que pour la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention est du type comprenant un évaporateur, un compresseur, un condenseur et un détendeur reliés en circuit fermé dans lequel circule un fluide frigorigène tel que par exemple du Freon; la chaleur latente de condensation dégagée au condenseur étant récupérée par un fluide auxiliaire utilisé comme moyen de chauffage dans un circuit de chauffage, et est caractérisé en ce que l'évaporateur est disposé à l'extérieur en un emplacement constamment exposé au vent et/ou au soleil. The heating system by thermodynamic pump for the implementation of the method according to the present invention is of the type comprising an evaporator, a compressor, a condenser and an expansion valve connected in closed circuit in which a refrigerant circulates such as for example Freon ; the latent heat of condensation given off at the condenser being recovered by an auxiliary fluid used as heating means in a heating circuit, and is characterized in that the evaporator is arranged outside in a location constantly exposed to the wind and / or under the sun.

Selon une caractéristique du système de l'invention, l'évaporateur est un évaporateur de chambre froide du type statique à tubes à ailettes régulièrement écartées les unes des autres d'une distance au moins égale à 9 mm. According to a characteristic of the system of the invention, the evaporator is a cold room evaporator of the static type with finned tubes regularly spaced from each other by a distance at least equal to 9 mm.

Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le système comprend de plus une conduite de dérivation reliant la sortie du compresseur à l'entrée de l'évaporateur et dans laquelle est interposé un dispositif d'auto-régulation asservi à la pression d'aspiration du compresseur à partir d'une température de l'évaporateur d'environ -100C. According to yet another characteristic of the invention, the system further comprises a bypass line connecting the outlet of the compressor to the inlet of the evaporator and in which is interposed a self-regulating device controlled by the pressure of compressor suction from an evaporator temperature of around -100C.

L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparattront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention, et dans lesquels
- la figure 1 représente le système de chauffage par pompe thermodynamique de la présente invention
- la figure 2 représente le type d'évaporateur utilisé dans le système de l'invention.The invention will be better understood, and other objects, characteristics, details and advantages thereof will appear more clearly during the explanatory description which follows, made with reference to the appended schematic drawings given solely by way of example illustrating a embodiment of the invention, and in which
- Figure 1 shows the heating system by thermodynamic pump of the present invention
- Figure 2 shows the type of evaporator used in the system of the invention.

Le système de chauffage par pompe thermodynamique représenté en figure 1 est du type comprenant un compresseur 1 relié, d'une part, à la sortie d'un évaporateur 2 par l'intermédiaire d'une conduite 3 d'aspiration de fluide de l'évaporateur et, d'autre part, à l'entrée d'un condenseur 4 par l'intermédiaire d'une conduite de sortie 5. Un moyen 6 formant bouteille anticoup du bélier et séparateur gaz/liquide est interposé dans la conduite d'aspiration 3 entre l'évaporateur et le compresseur. The heating system by thermodynamic pump shown in FIG. 1 is of the type comprising a compressor 1 connected, on the one hand, to the outlet of an evaporator 2 via a pipe 3 for suction of fluid from the evaporator and, on the other hand, at the inlet of a condenser 4 via an outlet pipe 5. A means 6 forming an anti-blow bottle of the ram and gas / liquid separator is interposed in the suction pipe 3 between the evaporator and the compressor.

Le condenseur 4 est relié par l'intermédiaire de sa conduite de sortie 7 à un réservoir de liquide réfrigérant 8, dont la conduite de sortie 9 est reliée à un filtre déshydrateur 10. Un organe 11 formant voyant-témoin de liquide est relié en sortie du filtre déshydrateur 10 et est relié également à l'extrémité amont d'un détendeur 12 thermostatique à limitation de pression par l'intermédiaire d'une conduite 13. L'extrémité aval ou de sortie du dé tendeur 12 est reliée à un dispositif formant clapet anti-retour 14 lui-meme relié par l'intermédiaire d'une conduite 15 à l'entrée de l'évaporateur 2. The condenser 4 is connected via its outlet pipe 7 to a coolant tank 8, the outlet pipe 9 of which is connected to a filter drier 10. A member 11 forming a liquid indicator light is connected to the outlet of the filter drier 10 and is also connected to the upstream end of a thermostatic pressure reducing valve 12 by means of a pipe 13. The downstream or outlet end of the pressure reducing valve 12 is connected to a device forming non-return valve 14 itself connected via a line 15 to the inlet of the evaporator 2.

Un circuit de chauffage 16 est associé au condenseur 4 afin de récupérer la chaleur cédée par celui-ci. Suivant l'exemple représenté, le circuit de chauffage 16 est un circuit fermé dans lequel circule un fluide auxiliaire caloporteur tel que de l'eau et comprenant une pompe 17 assurant la circulation du fluide auxiliaire à travers une conduite 18, le condenseur 4, une autre conduite 19 et un dispositif de chauffage 20 tel que par exemple un radiateur. Bien entendu, dans le cas d'une pompe thermodynamique air-air, la chaleur de condenseur sera rejetée dans l'air du local à chauffer à l'aide d'un dispositif aérotherme (ventilo-convecteur). A heating circuit 16 is associated with the condenser 4 in order to recover the heat transferred by the latter. According to the example shown, the heating circuit 16 is a closed circuit in which an auxiliary coolant fluid such as water circulates and comprising a pump 17 ensuring the circulation of the auxiliary fluid through a pipe 18, the condenser 4, a another pipe 19 and a heating device 20 such as for example a radiator. Of course, in the case of an air-air thermodynamic pump, the condenser heat will be discharged into the air of the room to be heated using an air heater (fan coil).

Le fluide frigorigène circulant en circuit fermé dans la pompe thermodynamique ci-dessus décrite est dans le cas présent et de préférence le réfrigérant dénommé
R12.The refrigerant circulating in a closed circuit in the thermodynamic pump described above is in the present case and preferably the refrigerant called
R12.

Le fonctionnement de la pompe thermodynamique découle déjà des explications qui précèdent et sera brièvement expliqué ci-dessous. The operation of the thermodynamic pump already follows from the foregoing explanations and will be briefly explained below.

Le compresseur 1 aspire de l'évaporateur 2 au travers de la bouteille anti-coup de bélier 6 le fluide réfrigérant à l'état gazeux pour le comprimer à haute pression donc à haute température et en refoule les vapeurs dans le condenseur 4 où elles se liquéfient. Cette condensation se fait en abandonnant la chaleur latente de vaporisation des vapeurs qui est transmise au fluide auxiliaire caloporteur du circuit de chauffage 16. Le liquide provenant de la condensation des vapeurs est renvoyé à l'évaporateur en passant par le réservoir de liquide 8, le filtre déshydrateur 10, le voyant-témoin de liquide 11, le détendeur thermostatique 12 réduisant la pression du liquide, et le clapet anti-retour 14 qui protège le détendeur. Le liquide s'évapore de nouveau dans l'évaporateur 2, en empruntant de la chaleur à l'air extérieur l'entourant. The compressor 1 sucks from the evaporator 2 through the anti-water hammer bottle 6 the refrigerant in gaseous state to compress it at high pressure therefore at high temperature and discharges the vapors into the condenser 4 where they are liquefy. This condensation is done by abandoning the latent heat of vaporization of the vapors which is transmitted to the auxiliary heat transfer fluid of the heating circuit 16. The liquid coming from the condensation of the vapors is returned to the evaporator passing through the liquid reservoir 8, the filter drier 10, the liquid pilot light 11, the thermostatic expansion valve 12 reducing the liquid pressure, and the non-return valve 14 which protects the expansion valve. The liquid evaporates again in the evaporator 2, borrowing heat from the surrounding air.

Selon l'invention, l'évaporateur 2 est un évaporateur statique de chambre froide en tubes 2a à ailettes 2b. De tels évaporateurs sont déjà connus en soi pour la production du froid et sont constitués par au moins un élément de batterie de tubes à ailettes comme représenté en figure 2 enfermés dans un caisson en tôle d'acier galvanisé ou en tôle d'aluminium. A titre d'information, la batterie d'évaporateur de chambre froide utilisée dans la présente invention est celle fabriquée par la Société
Allemande KUBA KUHLERFABRIK BAIERBRUNN H.W. SCHMITZ (R.F.A) et référencée KRV. Plus précisément, une telle batterie est constituée des tubes 2a en cuivre spécial avec les ailettes 2b en aluminium et des tôles terminales 2c également en aluminium renforcé en forme de caisson.According to the invention, the evaporator 2 is a static cold room evaporator in tubes 2a with fins 2b. Such evaporators are already known per se for the production of cold and consist of at least one battery element of finned tubes as shown in FIG. 2 enclosed in a box made of galvanized sheet steel or aluminum sheet. For information, the cold room evaporator battery used in the present invention is that manufactured by the Company
German KUBA KUHLERFABRIK BAIERBRUNN HW SCHMITZ (RFA) and referenced KRV. More specifically, such a battery consists of tubes 2a of special copper with fins 2b of aluminum and end plates 2c also of aluminum reinforced in the form of a box.

L'évaporateur 2 de l'invention est installé, de préférence horizontalement couché, à l'extérieur pour être constamment exposé au vent, et au soleil par ses ailettes. The evaporator 2 of the invention is installed, preferably horizontally lying, outside to be constantly exposed to the wind, and to the sun by its fins.

Avantageusement, l'écartement entre deux ailettes consécutives est d'au moins 9 mm et de préférence de 13 mm afin d'assurer un libre passage au vent.Advantageously, the spacing between two consecutive fins is at least 9 mm and preferably 13 mm in order to ensure free passage to the wind.

Dans le système selon l'invention, le givrage des batteries de l'évaporateur statique 2 est retardé et souvent annulé par l'action solaire et/ou du vent sur les ailettes. L'évaporateur statique se comporte en quelque sorte à la fois comme un capteur éolien et un capteur solaire. Dans ces conditions, le système selon l'invention permet de maintenir à l'entrée de la pompe thermodynamique la pression d'aspiration idéale relative à son coefficient de performance maximum par l'apport de l'énergie solaire et/ou de l'énergie éolienne. In the system according to the invention, the icing of the batteries of the static evaporator 2 is delayed and often canceled by the action of the sun and / or of the wind on the fins. The static evaporator behaves in a way both as a wind sensor and a solar sensor. Under these conditions, the system according to the invention makes it possible to maintain at the inlet of the thermodynamic pump the ideal suction pressure relative to its maximum coefficient of performance by the contribution of solar energy and / or of energy. wind turbine.

A titre d'exemple, en utilisant dans le système de l'invention un évaporateur à trois batteries (ayant leurs entrées de liquide reliées en commun à la conduite 15 et leurs sorties reliées en commun à la conduite 3) les essais suivants ont été relevés
- à une température extérieure de - 50C (ou température d'évaporation) et une température de condensation de + 400C (eau du circuit de chauffage à 400C) pour 10 kilowatt de puissance absorbée au compresseur pour faire tourner celui-ci, 54 kW/heure de puissance calorifique ont été obtenus à la sortie du condenseur, ce qui se traduit par 44 kW/heure d'énergie gratuite. A titre de comparaison une pompe thermodynamique traditionnelle fournit les mêmes résultats mais à une température extérieure de + 100C. By way of example, using in the system of the invention an evaporator with three batteries (having their liquid inlets connected in common to line 15 and their outlets connected in common in line 3) the following tests were carried out
- at an outside temperature of - 50C (or evaporation temperature) and a condensation temperature of + 400C (water from the heating circuit to 400C) for 10 kilowatt of power absorbed by the compressor to run it, 54 kW / hours of heat output were obtained at the outlet of the condenser, which translates to 44 kW / hour of free energy. By comparison, a traditional thermodynamic pump provides the same results but at an outside temperature of + 100C.

On comprend ainsi que l'utilisation d'unévaporateur statique de chambre frigorifique à la place d'un évaporateur traditionnel dans un système de chauffage à pompe thermodynamique améliore considérablement le rendement d'un tel système. It is thus understood that the use of a static evaporator of a refrigerating chamber instead of a traditional evaporator in a heating system with thermodynamic pump considerably improves the efficiency of such a system.

Avantageusement, le système selon la présente invention comprend de plus un conduit de dérivation 21 reliant la sortie du compresseur 1 à l'entrée de l'évaporateur 2 et un dispositif formant vanne électromagnétique 22 interposé dans la conduite de dérivation 21. La vanne électromagnétique 22 est reliée à un capteur 23 de la température de l'évaporateur 2, par exemple du type thermostat, par l'intermédiaire d'un circuit horloge 24. Un tel dispositif assure le dégivrage total des ailettes de l'évaporateur 2 lorsque celui-ci atteint par exemple une température de + 10C. Plus précisément, lorsque la température de l'évaporateur est de + 10C, le circuit horloge 24 commande périodiquement l'ouverture temporaire de la vanne électromagnétique 22 qui prélève du gaz chaud en sortie du compresseur vers l'entrée de l'évaporateur, dégivrant ainsi totalement les ailettes de celui-ci. Advantageously, the system according to the present invention further comprises a bypass duct 21 connecting the outlet of the compressor 1 to the inlet of the evaporator 2 and a device forming an electromagnetic valve 22 interposed in the bypass pipe 21. The electromagnetic valve 22 is connected to a sensor 23 of the temperature of the evaporator 2, for example of the thermostat type, via a clock circuit 24. Such a device ensures total defrosting of the fins of the evaporator 2 when the latter reaches for example a temperature of + 10C. More precisely, when the temperature of the evaporator is + 10C, the clock circuit 24 periodically controls the temporary opening of the electromagnetic valve 22 which draws hot gas at the outlet of the compressor towards the inlet of the evaporator, thus defrosting totally the fins of it.

De plus, le système de l'invention comprend un autre conduit de dérivation 25 reliant la sortie du compresseur 1 à l'entrée de l'évaporateur 2 et dans lequel est interposé un dispositif d'auto-régulation 26 constitué par exemple par une vanne à pression constante et asservi à la pression d'aspiration du compresseur la à partir d'une température basse de l'évaporateur 2, par exemple d'environ -100C. Ainsi, lorsque l'évaporateur est à la température de -100C, le dispositif de regulation 26 introduit dans l'évaporateur 2 une certaine quantité de gaz chaud proportionnelle à la baisse de pression d'aspiration à l'entrée du compresseur 1. Le dispositif de régulation agit très progressivement, en modulateur, et donc seulement aux basses températures. A titre indicatif, à -100C, le dispositif régulateur 26 a assuré les mêmes performances que celles mentionnées ci-dessus à -50C du système de chauffage fonctionnant uniquement avec l'évaporateur 2. In addition, the system of the invention comprises another bypass duct 25 connecting the outlet of the compressor 1 to the inlet of the evaporator 2 and in which is interposed a self-regulating device 26 constituted for example by a valve at constant pressure and controlled by the suction pressure of the compressor la from a low temperature of the evaporator 2, for example around -100C. Thus, when the evaporator is at a temperature of -100C, the regulating device 26 introduces into the evaporator 2 a certain quantity of hot gas proportional to the drop in suction pressure at the inlet of the compressor 1. The device regulator acts very gradually, as a modulator, and therefore only at low temperatures. As an indication, at -100C, the regulating device 26 ensured the same performances as those mentioned above at -50C of the heating system operating only with the evaporator 2.

En conclusion, le système de chauffage par pompe thermodynamique selon la présente invention est réglé, dans toutes les conditions de températures et jusqu'à -180C, pour maintenir la plus haute température admissible à l'entrée du compresseur, d'où un rendement du système de chauffage considérablement amélioré par rapport à ceux connus jusqu'à maintenant. In conclusion, the heating system by thermodynamic pump according to the present invention is adjusted, under all temperature conditions and up to -180C, to maintain the highest admissible temperature at the inlet of the compressor, resulting in a yield of heating system considerably improved compared to those known so far.

Claims

1.- Method for improving the efficiency of a heating system by thermodynamic pump, characterized in that it consists in constantly exposing the evaporator (2) to wind and / or sun.

2.- Method according to claim 1, characterized in that it consists, in case of icing of the evaporator, to introduce into the evaporator a hot gas, preferably taken from the outlet of the compressor (1).

3.- Method according to claim 2, characterized in that it consists in regulating the introduction of the aforementioned hot gas in proportion to a drop in pressure at the inlet of the compressor (1) when the evaporator (2) is at a relatively low temperature, for example around -100C.

4.- Method according to one of the preceding claims, characterized in that it also consists in periodically introducing a certain amount of the aforementioned hot gas when the evaporator (2) is at a temperature above the aforementioned low temperature, for example about + 10C.

5. Heating system by thermodynamic pump for implementing the method as defined in claims 1 to 4, of the type comprising an evaporator (2), a compressor (1), a condenser (4) and a pressure reducer (12 ) connected in a closed circuit in which a refrigerant circulates, the latent heat of condensation released to the condenser being recovered by an auxiliary fluid used as heating means in a heating circuit; characterized in that the evaporator (2) is arranged outside in a location constantly exposed to wind and / or the sun.

6.- System according to claim 5, characterized in that the evaporator (2) is a static cold room evaporator with finned tubes regularly spaced from each other by a distance at least equal to 9 mm.

7.- System according to claim 5 or 6, characterized in that it further comprises a bypass pipe (25) connecting the outlet of the compressor (1) to the inlet of the evaporator (2) and in which is interposed a self-regulating device (26) controlled by the suction pressure of the compressor from a temperature of the evaporator, for example around -10 C.

8.- System according to one of claims 5 to 7, characterized in that it comprises a second bypass pipe (21) connected between the outlet of the compressor (1) and the inlet of the evaporator (2) and in which an electromagnetic valve member (22) is interposed, the opening of which is periodically controlled for a predetermined period by a clock circuit (24) when the evaporator (2) is at a temperature above the aforementioned low temperature, for example around + 10C.