FR2942300A1

FR2942300A1 - Module de genie climatique

Info

Publication number: FR2942300A1
Application number: FR0950983A
Authority: FR
Inventors: Yves Beuve
Original assignee: Muller et Cie SA
Current assignee: Muller et Cie SA
Priority date: 2009-02-16
Filing date: 2009-02-16
Publication date: 2010-08-20
Anticipated expiration: 2029-02-16
Also published as: FR2942300B1

Abstract

L'invention a pour objet un module de génie climatique (1), destiné à être intégré dans la façade d'un bâtiment, comportant : - un boîtier de commande (2), permettant de régler une température de consigne spécifique pour la pièce où se trouve le module, - une bouche (3) de reprise d'air provenant de l'intérieur de la pièce, - un ventilateur (6) d'extraction d'air provenant de l'intérieur de la pièce, - un registre de mélange (7) permettant le recyclage partiel de l'air provenant de l'intérieur de la pièce, - un récupérateur à régénération rotatif (5) permettant des transferts d'air entre l'intérieur et l'extérieur du bâtiment, - une bouche (9) d'entrée d'air neuf provenant de l'extérieur du bâtiment, - un ventilateur (8) de soufflage et de brassage, - un système de pompe à chaleur (11), - une bouche (12) de diffusion d'air à l'intérieur de la pièce, caractérisé en ce que le flux d'air recyclé est mélangé au flux d'air neuf au niveau du ventilateur (8) de soufflage et de brassage, avant leur passage éventuel au niveau de l'échangeur (10) de la pompe à chaleur (11) et leur injection dans la pièce par la bouche de diffusion (12). L'invention a également pour objet un procédé de régulation de la température et de la qualité de l'air d'une pièce d'un bâtiment, au moyen d'un tel module de génie climatique.

Description

MODULE DE GENIE CLIMATIQUE

La présente invention a trait à un module de génie climatique destiné à être intégré à la façade d'un bâtiment. Elle concerne plus précisément un équipement décentralisé, permettant d'assurer la ventilation et la régulation thermique contrôlée de la pièce du bâtiment dans laquelle il est installé. Les normes actuelles de conception des établissements recevant du public (ERP) imposent un renouvellement continu de l'air intérieur afin d'assurer sa qualité, en veillant notamment à maintenir le taux de CO2 en- dessous d'un certain seuil. Ce renouvellement est classiquement assuré par des extracteurs d'air, comportant notamment des ventilateurs. Ce renouvellement de l'air entraîne des déperditions d'énergie. En effet, lorsque la température extérieure est différente de la température de consigne du système de régulation thermique du bâtiment, l'air introduit doit être chauffé ou refroidi afin de revenir à la température souhaitée. Il existe des systèmes permettant d'assurer un transfert de chaleur entre l'air rejeté et l'air introduit, afin de minimiser les déperditions d'énergie. Il s'agit des récupérateurs à régénération, ou récupérateurs par accumulation. Le principe est de récupérer la chaleur ou le froid contenu dans l'air extrait en le faisant transiter par un matériau accumulateur. Ce dernier est ensuite soumis au flux d'air neuf, avec lequel a lieu un nouveau transfert d'énergie. Le matériau accumulateur peut être imprégné d'un composé hygroscopique, permettant à la fois les échanges de chaleur et d'humidité.

Il existe des récupérateurs statiques, à clapet ou à volets. Toutefois, les meilleurs rendements sont obtenus par les récupérateurs rotatifs. Ces récupérateurs rotatifs sont des roues composées d'un média de transfert, par exemple en aluminium, acier ou matériau synthétique, formant de très nombreux petits canaux. Une partie de la roue est placée devant un orifice rejetant l'air usé vers l'extérieur. Une autre partie est placée devant une entrée d'air neuf provenant de l'extérieur. Du fait de la rotation de la roue, le matériau accumulateur est alternativement traversé par l'air rejeté, dont il absorbe les calories ou les frigories, puis par l'air neuf avec lequel a lieu le transfert inverse d'énergie.

Certains de ces récupérateurs rotatifs peuvent atteindre des rendements énergétiques autour de 95%. Toutefois, il subsiste un léger différentiel de température entre l'air à intérieur de la pièce et l'air neuf introduit via le récupérateur. Ce différentiel se traduit par un courant d'air chaud ou froid, pouvant générer un certain inconfort pour les personnes présentes dans la pièce. Par ailleurs, l'utilisation d'un bâtiment implique fréquemment le maintien d'une certaine gamme de température intérieure, ce qui nécessite un système de régulation thermique. Selon la pièce concernée, sa situation géographique ou la présence d'appareils dégageant de la chaleur, le maintien à une certaine température nécessite soit de chauffer, soit de refroidir le local. Le système de régulation thermique doit donc permettre ces deux opérations. Un système de régulation thermique, remarquable par sa faible consommation d'énergie fossile, est la pompe à chaleur. Le principe consiste à capter l'énergie emmagasinée dans l'air, l'eau ou le sol pour la restituer à l'intérieur d'un bâtiment à chauffer. Il permet également de refroidir ce bâtiment par le processus inverse. Ce système fonctionne grâce aux propriétés particulières de changement d'état des fluides utilisés, appelés fluides frigorigènes.

Une pompe à chaleur dispose de 4 organes principaux : - le condenseur : le fluide frigorigène libère sa chaleur au fluide secondaire (eau, air...) en passant de l'état gazeux à l'état liquide ; - le détendeur : il détend le fluide frigorigène en abaissant sa pression et en le faisant changer d'état ; - l'évaporateur : la chaleur est prélevée au fluide secondaire pour vaporiser le fluide frigorigène ; - le compresseur : actionné par un moteur électrique, il élève la pression et température du fluide frigorigène en le comprimant. Le condenseur et l'évaporateur sont deux échangeurs de chaleur, qui jouent l'un ou l'autre rôle selon le mode de fonctionnement (chauffage ou refroidissement) de la pompe à chaleur. Dans un même bâtiment, il est possible que certaines pièces, par exemple exposées au sud, aient besoin d'être refroidies tandis que d'autres pièces, exposées au nord, ont besoin d'être réchauffées afin d'atteindre la même température de consigne. Selon son utilisation, chaque pièce peut également avoir une température de consigne différente. Afin de minimiser les consommations énergétiques, il est donc utile de transférer la chaleur des pièces à refroidir dans les pièces à réchauffer. Cet objectif est atteint par les pompes à chaleur sur boucle d'eau. Le système consiste à installer une boucle d'eau parcourant tout le bâtiment et à l'utiliser pour les échanges thermiques avec les pompes à chaleur situées dans diverses pièces. Ce système minimise les besoins en apport d'énergie extérieure au bâtiment. L'inconvénient d'avoir, dans une même pièce, un système de ventilation et un système de régulation thermique indépendants l'un de l'autre, est l'injection dans la pièce de plusieurs flux d'air. L'un d'eux, issu du système de régulation thermique, est à une certaine température, le plus souvent égale ou proche de la température de consigne. L'autre, issu du système de ventilation, est à une température différente car provenant de l'extérieur du bâtiment. Même si les différences de température sont faibles, elles peuvent générer un inconfort chez les occupants de la pièce, sous forme de courants d'air froid ou chaud. Cet inconfort est aggravé lorsque la température extérieure, en hiver ou en été, est très différente de la température intérieure.

Le différentiel de température entre l'intérieur et le flux d'air entrant est alors plus important. La présente invention permet de résoudre ce problème en proposant un module de génie climatique, concernant à la fois la ventilation et la régulation thermique d'une pièce d'un bâtiment. Ce module permet le mélange du flux d'air neuf avec le flux d'air utilisé par la régulation thermique, avant leur passage éventuel dans l'échangeur de chaleur du système de régulation thermique et leur diffusion dans la pièce. Ainsi, un seul flux d'air est injecté dans la pièce, à une température proche de la température de consigne. L'inconfort des usagers est donc minimisé.

Un autre objet de la présente invention est un procédé de régulation de la température et de la qualité de l'air d'une pièce d'un bâtiment, au moyen d'un module selon l'invention. Ce procédé permet de minimiser la consommation d'énergie liée à la régulation thermique de la pièce, tout en assurant une qualité de l'air conforme aux normes en vigueur, en jouant sur les différents organes de réglage des flux d'air traversant le module.

Le module de génie climatique selon l'invention permet une gestion décentralisée de la température et de la qualité de l'air. Chaque pièce d'un bâtiment, équipée d'un tel module, peut imposer des valeurs de consigne différentes, par exemple en température et/ou en taux de CO2.

Le module de génie climatique selon l'invention est destiné à être intégré à la façade d'un bâtiment, notamment par insertion dans une paroi double peau. Selon une forme préférentielle de l'invention, il se présente sensiblement sous la forme d'un parallélépipède rectangle, l'une de ses faces latérales étant orientée vers l'extérieur du bâtiment et la face opposée étant orientée vers l'intérieur de la pièce à traiter. Selon une forme préférentielle de l'invention, la hauteur du module est proche de la hauteur standard d'un étage, soit comprise entre 2,70 m et 3,50 m. Selon une forme préférentielle de l'invention, le module est destiné à être intégré dans une façade double peau. Préférentiellement, la distance entre la face du module orientée vers l'extérieur du bâtiment et la face orientée vers l'intérieur du bâtiment est comprise entre 30 et 40 cm. Un module selon l'invention comporte les éléments suivants : - un boîtier de commande, équipé d'au moins un microprocesseur, relié à différents organes de mesure et de réglage. Il peut notamment permettre de régler une température de consigne et/ou un taux maximal de CO2 spécifiques pour la pièce où se trouve le module ; - une bouche de reprise d'air provenant de l'intérieur de la pièce, - un ventilateur d'extraction d'air provenant de l'intérieur de la pièce, - un registre de mélange, qui permet d'envoyer une partie de l'air extrait vers l'extérieur et l'autre partie vers un circuit de recyclage. Le ratio entre ces deux flux d'air est modulable ; - une bouche d'entrée d'air provenant de l'extérieur du bâtiment, - un récupérateur à régénération rotatif, par lequel transitent l'air rejeté vers l'extérieur et l'air neuf provenant de l'extérieur ; - un ventilateur de soufflage et de brassage, permettant le soufflage d'air de l'extérieur vers l'intérieur du bâtiment, ainsi que le brassage de l'air neuf avec l'air recyclé ; - un système de pompe à chaleur, à travers l'échangeur duquel peut transiter l'air brassé par le ventilateur de brassage ; - une bouche de diffusion d'air à l'intérieur de la pièce, qui permet de rejeter dans la pièce le mélange air neuf/air recyclé brassé par le ventilateur de brassage, ayant éventuellement transité par l'échangeur de la pompe à chaleur.

Le module de génie climatique selon l'invention est relié à différents organes de mesure qui envoient leurs informations au microprocesseur du boîtier de commande. Ces organes de mesure comportent notamment : - un capteur de CO2 à l'intérieur de la pièce à traiter. Il permet de vérifier la qualité de l'air intérieur. - un capteur de pression différentiel, positionné en amont et en aval du récupérateur à régénération rotatif. Il permet de déterminer le débit d'air neuf traversant le récupérateur. - plusieurs sondes de température, situées à l'intérieur de la pièce, à l'extérieur du bâtiment et sur le passage des différents flux d'air dans le module. En fonction du taux de CO2 et de la température intérieure souhaités, le module dispose de plusieurs paramètres de réglage : - la vitesse des ventilateurs de soufflage et d'extraction, - la vitesse du récupérateur à régénération rotatif, - le registre de mélange qui oriente l'air extrait entre le rejet vers l'extérieur et le circuit de recyclage, - la puissance de la pompe à chaleur. Selon une forme préférentielle de l'invention, le récupérateur à régénération rotatif est une roue hygroscopique. Cette dernière permet des échanges de chaleur et d'humidité entre l'air rejeté à l'extérieur et l'air neuf injecté à l'intérieur. Selon une forme préférentielle de l'invention, le système de pompe à chaleur est une pompe à chaleur sur boucle d'eau. Ce système permet de transférer l'énergie des locaux exposés aux apports solaires ou à de forts dégagements de chaleur, vers des locaux nécessitant du chauffage. L'apport énergétique extérieur au bâtiment est donc minimisé. Un autre dispositif de régulation thermique, utilisant une source d'énergie extérieure, peut être associé à la pompe à chaleur sur boucle d'eau pour gérer les cas de températures extrêmes.

Selon une forme préférentielle de l'invention, le module de génie climatique comporte en outre un registre de by-pass, situé entre le ventilateur de brassage et l'échangeur de la pompe à chaleur. Ce registre permet d'injecter une partie de l'air brassé directement dans la pièce, sans passer par l'échangeur. Associé au système de régulation de la pompe à chaleur, il offre un paramètre supplémentaire pour moduler la température de soufflage au plus juste vis-à-vis de la consigne. Selon une forme préférentielle de l'invention, la pompe à chaleur est munie d'un système d'évacuation des condensats, ou d'éventuelles fuites de frigorigène, vers l'extérieur du bâtiment par un orifice situé en façade.

Les façades des bâtiments, notamment celles orientées au sud, peuvent subir d'importants apports lumineux et énergétiques liés au soleil. Selon une forme préférentielle de l'invention, le boîtier de commande du module, relié à un capteur de lumière présent dans la pièce, comprend des moyens aptes à gérer la descente et l'inclinaison d'un ou de plusieurs stores présents sur les fenêtres de la pièce. Ainsi, il régule les apports énergétiques solaires tout en établissant le meilleur compromis de confort visuel. De même, selon une forme préférentielle de l'invention, le boîtier de commande du module, relié à un capteur de lumière présent dans la pièce, comprend des moyens aptes à gérer l'allumage progressif d'un éclairage artificiel en fonction de la luminosité. De même, selon une forme préférentielle de l'invention, le boîtier de commande du module, relié à un détecteur de présence, comprend des moyens aptes à modifier le fonctionnement de l'appareil lorsque personne n'est présent dans la pièce depuis un temps donné. Cette fonction peut déclencher le passage en mode hors gel ou encore le décalage d'une température de consigne. Selon une forme préférentielle de l'invention, le module de génie climatique se compose de deux sous-modules assemblables sur le chantier de construction du bâtiment, sans appareillage spécifique. L'un des sous- modules comporte les ventilateurs et le récupérateur à régénération rotatif, l'autre sous-module comporte le système de pompe à chaleur. Cette division en deux sous-modules permet de faciliter l'installation, ainsi que de ne remplacer que la partie défectueuse en cas de panne. La présente invention concerne également un procédé de régulation de la température et de la qualité de l'air d'une pièce d'un bâtiment, au moyen d'un module tel que décrit ci-dessus. Ce procédé permet de minimiser la consommation d'énergie liée à la régulation thermique de la pièce, tout en assurant une qualité de l'air conforme aux normes en vigueur. Les débits minimum et maximum (Dmin et Dmax) de soufflage d'air dans la pièce sont définis dans une mémoire de données du boîtier de commande, en fonction de l'utilisation de la pièce à traiter. Pour garantir l'équilibre des volumes d'air brassés, le débit du ventilateur de rejet est aligné sur le débit d'air neuf introduit, déterminé par un capteur de pression différentiel. La qualité de l'air est vérifiée par un capteur de CO2 présent dans la pièce. Si le taux de CO2 dépasse une valeur de consigne, définie dans une mémoire de données du boîtier de commande, le débit minimum (SB) d'air neuf (soit d'air provenant de l'extérieur) est augmenté. Cette variation du débit d'air neuf en fonction du taux de CO2 est prioritaire par rapport à la partie régulation thermique du procédé. Cette partie régulation thermique vise entre autres à compenser l'inconfort lié à un apport d'air neuf dans la pièce. La température Tamb à l'intérieur de la pièce est vérifiée par une sonde de température. Le procédé selon l'invention assure un maintien en température de la pièce dans une plage Tmin-Tmax. Préférentiellement, Tmin et Tmax sont réglables par l'utilisateur, dans une plage définie. Selon une forme préférentielle de l'invention, Tmin peut être choisie dans une plage allant de 16 °C à 22 °C et Tmax peut être choisie dans une plage allant de 23 °C à 29 °C. On obtient donc 3 phases de fonctionnement distinctes du module selon l'invention : - La température ambiante Tamb est comprise entre Tmin et Tmax : ventilation de la pièce ; - La température ambiante Tamb est inférieure à Tmin : chauffage de la pièce ; - La température ambiante Tamb est supérieure à Tmax 30 rafraîchissement de la pièce. Préférentiellement, dans la phase de ventilation, le but est de ne pas traiter thermiquement le volume ventilé afin d'optimiser les dépenses énergétiques. Le débit d'air rejeté et d'air neuf introduit est donc maintenu à son minimum (SB), ledit minimum dépendant du taux de CO2 dans la pièce à 35 traiter. L'air neuf reçoit éventuellement un prétraitement thermique au moyen du récupérateur à régénération rotatif. Le débit D de soufflage d'air dans la pièce est compris entre Dmin, débit exigé en mode chauffage, et Dmax, débit exigé en mode rafraîchissement, selon la formule linéaire : D = [(Dmax ù Dmin)/(Tmax ù Tmin)ITamb + (DminTmax ù DmaxTmin)/(Tmax ù Tmin) Le débit d'air extrait de la pièce correspond au débit d'air soufflé. La majeure partie de cet air extrait est recyclée, c'est-à-dire envoyée sur le ventilateur de soufflage via le registre de mélange. Une partie minimale est rejetée et remplacée par l'air neuf, via le récupérateur à régénération rotatif.

Dans la phase de ventilation, on peut envisager deux modes de gestion du récupérateur à régénération rotatif : - Soit le récupérateur à régénération rotatif fonctionne à 100% de son efficacité d'échangeur thermique (soit au maximum de sa vitesse de rotation) durant toute la phase de ventilation. On vise un maximum d'échange thermique entre l'air rejeté à l'extérieur et l'air neuf introduit dans la pièce à traiter, afin de rester dans la même plage de température ambiante (Tamb). - Soit on veut optimiser les dépenses énergétiques liées à la rotation du récupérateur à régénération rotatif. Dans ce cas, on prend en compte la différence entre la température extérieure (Text) et la température ambiante (Tamb) pour faire varier la vitesse de rotation du régénérateur. Par exemple, si Text = Tamb, il n'est pas nécessaire de pratiquer un échange thermique entre l'air rejeté et l'air neuf. On peut donc considérer qu'il est inutile de faire tourner le récupérateur à régénération rotatif. La phase de chauffage se déclenche quand la température ambiante Tamb est inférieure à la consigne d'ambiance minimale Tmin. De manière préférentielle, afin de revenir à cette valeur Tmin, le procédé prévoit d'agir en cascade sur le mélange de l'air neuf avec l'air recyclé, puis en dernier recours de mettre en fonctionnement la pompe à chaleur afin d'ajuster la température de soufflage à la consigne voulue.

Dans ce but, une température de consigne de soufflage Tb, est définie par comparaison en continu de la température ambiante Tamb par rapport à la consigne d'ambiance (plage Tmin-Tmax). Puis, au moyen du registre de mélange et du récupérateur à régénération rotatif, la température de soufflage (Te), mesurée au niveau de la bouche de diffusion d'air à l'intérieur de la pièce, est amenée au plus près possible de TAS. Pour cela : - la température de soufflage TS est comparée à la température de consigne de soufflage TAS ; la température de l'air extérieur Text est comparée avec celle de l'air ambiant Tamb afin de savoir quel air privilégier en fonction des besoins ; - puis les débits d'air neuf et d'air recyclé sont modulés au moyen du registre de mélange, dans les limites du débit minimal d'air neuf et du débit de soufflage imposé par la phase de fonctionnement (ici Dmin) - puis, si nécessaire, la vitesse du récupérateur à régénération rotatif est modifiée, régulant les échanges thermiques entre l'air neuf et l'air rejeté. Lorsque la température de soufflage TS ne parvient pas à atteindre TAS par ces moyens, la pompe à chaleur est mise en route en mode chauffage, pour réguler la température de soufflage TS en fonction de TAS : - le mode chauffage de la pompe à chaleur est enclenché, - puis la température de soufflage (Te) est comparée à la consigne (Tcs), - puis, dans le cas où le module comporte un registre de by-pass, le débit d'air traversant l'échangeur air/frigorigène est modulé entre un débit minimum de fonctionnement et un débit à 100%, - puis, si nécessaire, le débit de fluide extérieur (ou d'eau de la boucle d'eau) est modulé pour faire varier la puissance de la pompe à chaleur entre un débit minimum acceptable et un débit de 100%. La phase de refroidissement se déclenche quand la température ambiante Tamb est supérieure à la consigne d'ambiance minimale Tmax. De manière préférentielle, une température de consigne de soufflage TAS est définie par comparaison en continu de la consigne d'ambiance (plage Tmin-Tmax) par rapport à la température ambiante Tamb. Puis, au moyen du registre de mélange et du récupérateur à régénération rotatif, la température de soufflage TS, mesurée au niveau de la bouche de diffusion d'air à l'intérieur de la pièce, est amenée au plus près possible de TAS. Pour cela : - la température de soufflage (Te) est comparée à la température de consigne de soufflage (Tcs) ; la température de l'air extérieur (Text) est comparée avec celle de l'air ambiant (Tamb) afin de savoir quel air privilégier en fonction des besoins ; - puis les débits d'air neuf et d'air recyclé sont modulés au moyen du registre de mélange, dans les limites du débit minimal d'air neuf et du débit de soufflage imposé par la phase de fonctionnement (ici Dmax) - puis, si nécessaire, la vitesse du récupérateur à régénération rotatif est modifiée, régulant les échanges thermiques entre l'air neuf et l'air rejeté. Lorsque la température de soufflage TS ne parvient pas à atteindre TAS par ces moyens, la pompe à chaleur est mise en route en mode refroidissement, pour réguler la température de soufflage TS en fonction de TAS . - le mode refroidissement de la pompe à chaleur est enclenché, - puis la température de soufflage (Te) est comparée à la consigne (Tcs), - puis, dans le cas où le module comporte un registre de by-pass, le débit d'air traversant l'échangeur air/frigorigène est modulé entre un débit minimum de fonctionnement et un débit à 100%, - puis, si nécessaire, le débit de fluide extérieur (ou d'eau de la boucle d'eau) est modulé pour faire varier la puissance de la pompe à chaleur entre un débit minimum acceptable et un débit de 100%. En cas de présence de plusieurs modules dans une même pièce, la régulation s'effectue en mode maître-esclave . L'un des modules est relié aux organes de détection et pilote les autres modules. De cette manière, les températures de soufflage d'air sont les mêmes d'un module à l'autre. 25 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent : 30 - Figure 1 : une vue schématique en coupe latérale d'un module selon une forme de réalisation de l'invention ; Figure 2 : une représentation schématique de différents organes d'un module selon la même forme de réalisation de l'invention ; Figures 3a, 3b, 3c, 3d, 3e : organigrammes d'un procédé de 35 fonctionnement du module représenté aux figures 1 et 2, selon une forme préférentielle de l'invention.

La figure 1 représente une vue schématique en coupe latérale d'un module 1, selon une forme de réalisation de l'invention. L'espace situé à droite de l'appareil représente l'intérieur de la pièce à traiter, l'espace situé à gauche de l'appareil représente l'extérieur du bâtiment. Le fonctionnement du module est régi par un boîtier de commande 2. L'air provenant de l'intérieur de la pièce est extrait par une bouche de reprise 3, préférentiellement équipée d'au moins un filtre. L'air se déplace ensuite le long d'une paroi 4, puis traverse une partie supérieure d'une roue hygroscopique 5. Il est ensuite rejeté vers l'extérieur par un ventilateur 6. Selon le réglage d'un registre de mélange 7, une partie de l'air peut être recyclée et être envoyée vers un ventilateur de brassage 8. L'air neuf pénètre à l'intérieur du bâtiment par une bouche d'entrée 9, préférentiellement équipée d'au moins un filtre. Il traverse alors une partie inférieure de la roue hygroscopique 5. Ce faisant, il récupère les calories ou les frigories transférées au matériau de la roue par l'air extrait de la pièce. L'air neuf passe ensuite par le ventilateur 8 de soufflage et de brassage, se mélangeant avec le flux d'air éventuellement recyclé via le registre de mélange 7. Il traverse ensuite un échangeur air/frigorigène 10 d'un système de pompe à chaleur 11. Il est enfin injecté dans la pièce à traiter par une bouche de diffusion 12. Selon la forme de réalisation de l'invention représentée sur la figure 1, le module comporte un registre de by-pass 13, qui permet d'injecter l'air neuf directement dans la pièce, sans passer par l'échangeur 10. Associé au système de régulation de la pompe à chaleur, le registre 13 offre un paramètre supplémentaire pour moduler la température de soufflage au plus juste vis-à-vis de la consigne. Dans le cas où le registre de by-pass 13 est partiellement ouvert, les flux d'air provenant du registre 13 et de l'échangeur 10 se mélangent avant de passer par la bouche de diffusion 12. Le module 1 comporte également divers organes de mesure. Ces organes de mesures comprennent notamment une sonde de température 14, mesurant la température extérieure au bâtiment (Text), une sonde de température 15 mesurant la température de l'air neuf prétraité par la roue hygroscopique 5, une sonde de température 16 mesurant la température de mélange de l'air neuf et de l'air recyclé (Tm), une sonde de température 17 mesurant la température de soufflage (Te), une sonde de température 18 mesurant la température ambiante (Tamb), un capteur de pression différentielle (19, 20) mesurant la différence de pression en amont et en aval de la roue hygroscopique 5 et un capteur 21 de CO2 à l'intérieur de la pièce à traiter. La figure 2 est une représentation schématique de différents organes d'un module selon la même forme de réalisation de l'invention qu'à la figure 1. On distingue le boîtier de commande 2, qui comprend au moins un microprocesseur 22, relié par un bus 23 à une interface 24 de communication avec les différents organes de mesure 14 à 21. Le microprocesseur 22 est également connecté à une mémoire programme 25. Ladite mémoire programme 25 mémorise un logiciel 26.

Le microprocesseur 22 est également connecté à une mémoire de données 27, qui mémorise notamment des données telles qu'un taux de CO2 maximum acceptable dans la pièce à traiter, des débits maximum et minimum (Dmax, Dmin) de soufflage d'air dans la pièce et une plage de température Tmin-Tmax.

L'interface 24 est également en communication avec les différents organes de réglage, notamment les registres 7 et 13, la roue hygroscopique 5, le ventilateur 8 de soufflage, le ventilateur 6 d'extraction et la pompe à chaleur 11. La figure 3a représente un organigramme de fonctionnement général du module 1 selon une forme préférentielle de l'invention. La première étape 41 consiste à comparer la température ambiante (Tamb) avec une plage de fonctionnement Tmin-Tmax, définie dans la mémoire de données 27 ou choisie par l'utilisateur (par exemple Tmin = 19°C û Tmax = 26 °C). Une température de consigne de soufflage Tb, est ensuite définie (étape 42). Par exemple, si Tamb est inférieure à Tmin, le système doit fonctionner en mode chauffage. La température Tb, doit donc être supérieure à Tamb. Toutefois, un écart en température trop important gênerait l'utilisateur, en introduisant dans la pièce un courant d'air trop froid ou trop chaud. De manière préférentielle, si Tamb>Tmax alors Tb, = Tmin et si Tamb< Tmin alors Tb, = Tmax. En zone neutre (Tmin<Tamb<Tmax), la température de consigne de soufflage Tcs suit la formule linéaire :

Tcs = Tmax + Tmin ù Tamb Un débit D de soufflage d'air dans la pièce, est également déterminé à l'étape 42. En mode chauffage, soit si Tamb< Tmin, alors D = Dmin, le débit minimum de soufflage. En mode refroidissement, soit si Tamb > Tmax, alors D = Dmax, le débit maximum de soufflage. Les débits Dmin et Dmax sont précisés dans la mémoire de données 27. Préférentiellement, les débits Dmin et Dmax sont fixés en fonction des normes ERP. Par exemple : Dmin = 150 m3/h pour un bureau et 210 m3/h pour une salle de réunion ; Dmax = 300 m3/h pour un bureau et 500 m3/h pour une salle de réunion. En zone neutre (Tmin<Tamb<Tmax), le débit D de soufflage d'air dans la pièce est compris entre Dmin et Dmax, selon la formule linéaire : D = [(Dmax ù Dmin)/(Tmax ù Tmin)]Tamb + (DminTmax ù DmaxTmin)/(Tmax ù Tmin)

Si la température ambiante est comprise dans la plage Tmin-Tmax, seul un minimum d'apport d'air neuf (SB) est garanti (étape 43), apport qui reçoit un prétraitement sur la roue hygroscopique 5 (étape 44). Un organigramme de régulation de l'apport minimum d'air neuf est représenté à la figure 3b. Un organigramme de l'action sur la roue hygroscopique 5 est représenté à la figure 3d. Ces figures sont décrites plus bas.

Si la température ambiante Tamb n'est pas comprise dans la plage Tmin-Tmax, la vitesse de la roue hygroscopique 5 est amenée à 0% (étape 45) et la température de soufflage Ts est comparée à sa valeur de consigne Tcs. Si la température de soufflage Ts est égale à sa consigne Tcs, alors l'équilibre thermique est atteint. L'automatisme boucle jusqu'à ce que ledit équilibre soit rompu ou que Tamb rentre dans la plage Tmin-Tmax. Si la température de soufflage Ts est différente de sa consigne Tcs, alors on agit en cascade sur le registre de mélange 7 (étape 46). Le détail de cette opération est précisé à la figure 3c et décrit plus bas. Si le registre de mélange 7 a atteint une limite de fonctionnement et que Ts est différente de sa consigne Tcs, on agit en cascade sur la vitesse de la roue hygroscopique 5 (étape 47). Le détail de cette opération est précisé à la figure 3d et décrit plus bas. Si la roue hygroscopique 5 a atteint une limite de fonctionnement et que Ts est différente de sa consigne Tcs, on agit en cascade sur la pompe à chaleur 11 (étape 48). Le détail de cette opération est précisé à la figure 3e et décrit plus bas. Après chaque action, quel que soit le niveau dans la cascade d'étapes, l'automatisme reboucle à la première étape pour s'assurer que les conditions initiales n'ont pas changé.

La figure 3b représente un organigramme de régulation de l'apport minimum d'air neuf en zone neutre Tmin<Tamb<Tmax (étape 43 de la figure 1). L'apport d'air neuf découle de l'ouverture du registre de mélange 7. Cette ouverture peut varier entre 100% et un seuil bas (SB). Ce dernier est un seuil minimum pour garantir la qualité de l'air en terme de taux de CO2. Ce seuil SB s'actualise en permanence par une boucle entre l'analyse (étape 49) de la mesure, par le capteur 21, du taux de CO2 dans la pièce à traiter, et le calcul (étape 50) du SB correspondant par le logiciel 26. Un organigramme de l'action sur le registre de mélange 7, en mode chauffage ou refroidissement, est représenté à la figure 3c (étape 46 de la figure 1). En premier lieu, l'automatisme vérifie où il se trouve dans la cascade d'étapes (voir figure 1) du procédé selon l'invention, en s'assurant que la pompe à chaleur 11 n'est pas démarrée (PAC = 0) et que la roue 5 ne tourne pas (Roue = 0%, étape 51). En effet, on ne doit pas agir sur le registre de mélange 7 si on se trouvait précédemment à une étape plus en aval de la cascade d'étapes. Si la pompe à chaleur 11 est démarrée ou si la roue 5 tourne (PAC # 0 ou Roue # 0%, étape 52), l'action sur le registre de mélange 7 n'a pas lieu. Lorsqu'on s'est assuré que la pompe à chaleur 11 n'est pas démarrée et que la roue 5 ne tourne pas, on compare la température extérieure Text à la température ambiante Tamb. On compare également la température de mélange Tm à la consigne de soufflage Tcs (étape 53). En fonction de ces deux résultats, on ferme ou on ouvre le registre de mélange 7 selon que l'on veut obtenir plus ou moins d'air neuf. Par exemple, si on obtient le résultat (Tm>Tcs ; Text≤Tamb) ou (Tm<Tcs ; Text?Tamb) (étape 54), le registre de mélange 7 est fermé progressivement (étape 55), afin de diminuer la proportion d'air recyclé dans le mélange. La proportion d'air neuf dans le mélange augmente donc. Le degré de fermeture du registre 7 à chaque itération est contrôlé selon des paramètres définis dans le logiciel 26.

Inversement, si on obtient le résultat (Tm>Tcs ; Text>Tamb) ou (Tm<Tcs ; Text<Tamb) (étape 56), le registre de mélange 7 est ouvert progressivement (étape 57), afin d'augmenter la proportion d'air recyclé dans le mélange. La proportion d'air neuf dans le mélange diminue donc. Le degré d'ouverture du registre 7 à chaque itération est contrôlé selon des paramètres définis dans le logiciel 26. L'automatisme boucle jusqu'à l'arrivée à l'une des deux limites du registre de mélange 7 : 100% d'ouverture (Rm = 100%) ou seuil bas de fermeture (Rm = SB). L'arrivée à l'une desdites limites (Rm = 100% ou SB) enclenche le niveau suivant dans la cascade d'étapes, soit une action sur la roue hygroscopique 5. Un organigramme de l'action sur la roue hygroscopique 5 est représenté à la figure 3d (étapes 44 et 47 de la figure 1). Cette action peut avoir lieu en zone neutre (étape 44) ou en mode chauffage ou refroidissement (étape 47).

En premier lieu, l'automatisme vérifie où il se trouve dans la cascade d'étapes (voir figure 1) du procédé selon l'invention, en s'assurant que la pompe à chaleur 11 n'est pas démarrée (PAC = 0, étape 58). Si la pompe à chaleur 11 est démarrée (PAC # 0, étape 59), l'action sur la roue 5 n'a pas lieu.

Lorsqu'on s'est assuré que la pompe à chaleur 11 n'est pas démarrée, on compare la température extérieure Text à la température ambiante Tamb. On compare également la température de mélange Tm à la consigne de soufflage Tcs (étape 60). En fonction de ces deux résultats, on accélère ou on décélère la roue 5 selon que l'on veut ou non prétraiter l'air neuf avec l'énergie contenue dans l'air rejeté. Par exemple, si on obtient le résultat (Tm>_Tcs ; Text≤Tamb) ou (Tm≤Tcs ; Text?Tamb) (étape 61), la vitesse de la roue hygroscopique 5 est diminuée progressivement (étape 62), afin de diminuer les échanges thermiques entre l'air rejeté et l'air neuf. Le degré de décélération de la roue 5 à chaque itération est contrôlé selon des paramètres définis dans le logiciel 26.

Inversement, si on obtient le résultat (Tm>Tcs ; Text>Tamb) ou (Tm<Tcs ; Text<Tamb) (étape 63), la vitesse de la roue hygroscopique 5 est augmentée progressivement (étape 64), afin d'augmenter les échanges thermiques entre l'air rejeté et l'air neuf. Le degré d'accélération de la roue 5 à chaque itération est contrôlé selon des paramètres définis dans le logiciel 26. L'automatisme boucle jusqu'à l'arrivée à l'une des deux limites de la roue hygroscopique 5 : 0% (arrêt de la roue) ou 100% (vitesse maximale de la roue). L'arrivée à l'une desdites limites (Roue = 0% ou 100%) enclenche le niveau suivant dans la cascade d'étapes. Si on est en mode chauffage ou refroidissement, ce niveau suivant est une action sur la pompe à chaleur 11. Un organigramme de l'action sur la pompe à chaleur 11 (PAC) est représenté à la figure 3e (étape 48 de la figure 1). Dans le présent exemple, il s'agit d'une pompe à chaleur sur boucle d'eau. Cette pompe à chaleur comporte au moins une vanne de débit d'eau, qui régule l'apport provenant de la boucle d'eau. En premier lieu, l'automatisme vérifie que la PAC est bien en fonctionnement (PAC = 1, étape 65) ; si ce n'est pas le cas (PAC = 0, étape 66), une vanne de débit d'eau de la boucle d'eau de la pompe à chaleur 11 est positionnée à un minimum d'ouverture (Veau = min) et le registre de by- pass 13 est positionné à un maximum d'ouverture (Rbp = max) (étape 67). Lesdits minimum et maximum d'ouverture sont ceux autorisés pour assurer le fonctionnement de la PAC dans des conditions minimales. Ils sont définis dans la mémoire de données 27. La PAC est ensuite démarrée (étape 68) et l'automatisme boucle pour étudier l'évolution des conditions initiales. Si ces conditions initiales ramènent l'automatisme à l'étape 65, l'automatisme vérifie que la vanne de débit d'eau de la boucle d'eau est positionnée à un minimum d'ouverture (Veau = min, étape 69). Si c'est le cas, on regarde le mode de fonctionnement de la PAC en fonction des besoins (mode chauffage ou refroidissement) et on compare la température de soufflage (Ts) à la consigne de soufflage (Tcs). En fonction de ces deux résultats, on ferme ou on ouvre le registre de by-pass 13 selon que l'on souhaite augmenter ou réduire le débit d'air passant sur l'échangeur 10 de la PAC 11.

Par exemple, si on est en mode chauffage avec Ts<Tcs, ou en mode refroidissement avec TS>Tcs (étape 70), on ferme progressivement le registre de by-pass 13 (étape 71) afin d'augmenter la quantité d'air passant sur l'échangeur 10 de la PAC 11. Inversement, si on est en mode chauffage avec TS>Tcs, ou en mode refroidissement avec TS<Tcs (étape 72), on ouvre progressivement le registre de by-pass 13 (étape 73) afin de diminuer la quantité d'air passant sur l'échangeur 10 de la PAC 11. L'automatisme boucle sur cette action jusqu'au changement des conditions initiales ou à l'arrivée à l'un des deux seuils : - Ouverture maximum du registre de by-pass 13, autorisée pour le fonctionnement de la PAC 11 (Rbp = max, étape 74). Cette ouverture maximale signifie que la PAC n'est plus nécessaire et enclenche son arrêt (étape 75). - Fermeture maximum du registre de by-pass 13 (Rbp = 0%, étape 76), qui permet de basculer à la deuxième partie de l'action sur la PAC, c'est-à-dire l'action sur la vanne de débit d'eau. Si Veau ~ min à l'étape 65, l'automatisme bascule directement à l'action sur la vanne de débit d'eau. L'action sur la vanne d'eau de la pompe à chaleur 11 commence par le contrôle (étape 77) du mode de fonctionnement de la PAC en fonction des besoins (mode chauffage ou refroidissement) et la comparaison de la température de soufflage (Te) avec la consigne de soufflage (Tcs). En fonction de ces deux résultats, on ferme ou on ouvre la vanne de débit d'eau de la boucle d'eau de la pompe à chaleur 11, selon que l'on souhaite augmenter ou réduire le débit d'eau passant dans l'échangeur 10 de la pompe à chaleur 11. Par exemple, si on est en mode chauffage avec TS<Tcs, ou en mode refroidissement avec TS>Tcs (étape 78), on ouvre la vanne de débit d'eau (étape 79) afin d'augmenter la quantité d'eau passant dans l'échangeur 10 de la PAC 11. Inversement, si on est en mode chauffage avec TS>Tcs, ou en mode refroidissement avec TS<Tcs (étape 81), on ferme la vanne de débit d'eau (étape 81) afin de diminuer la quantité d'eau passant dans l'échangeur 10 de la PAC 11. L'automatisme boucle jusqu'à l'arrivée au maximum de l'ouverture de la vanne d'eau. Cette ouverture maximum signifie que l'on a atteint le maximum de la puissance que peut fournir le module de climatisation, équipé uniquement d'une boucle d'eau comme source de calories ou de frigories. Afin d'augmenter ladite puissance, on peut alors faire intervenir un apport extérieur de calories ou de frigories, comme par exemple une autre pompe à chaleur.

Claims

REVENDICATIONS1 ù Module de génie climatique (1), destiné à être intégré dans la façade d'un bâtiment, comportant : - un boîtier de commande (2), permettant de régler une température de consigne spécifique pour la pièce où se trouve le module, - une bouche (3) de reprise d'air provenant de l'intérieur de la pièce, - un ventilateur (6) d'extraction d'air provenant de l'intérieur de la pièce, - un registre de mélange (7) permettant le recyclage partiel de l'air provenant de l'intérieur de la pièce, - un récupérateur à régénération rotatif (5) permettant des transferts d'air entre l'intérieur et l'extérieur du bâtiment, - une bouche (9) d'entrée d'air neuf provenant de l'extérieur du bâtiment, - un ventilateur (8) de soufflage et de brassage, - un système de pompe à chaleur (11), - une bouche (12) de diffusion d'air à l'intérieur de la pièce, caractérisé en ce que le flux d'air recyclé est mélangé au flux d'air neuf au niveau du ventilateur (8) de soufflage et de brassage, avant leur passage éventuel au niveau de l'échangeur (10) de la pompe à chaleur (11) et leur injection dans la pièce par la bouche de diffusion (12).
2 - Module selon la revendication 1, caractérisé en ce que le récupérateur à régénération rotatif (5) est une roue hygroscopique.
3 - Module selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le système de pompe à chaleur (11) est une pompe à chaleur sur boucle d'eau.
4 - Module selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un registre de by-pass (13) situé entre le ventilateur de brassage (8) et l'échangeur (10) de la pompe à chaleur (11).
5 - Module selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le boîtier de commande (2), relié à un capteur de lumière présent dans la pièce, comprend des moyens aptes à gérer la descente et l'inclinaison d'un ou de plusieurs stores présents sur les fenêtres de la pièce.
6 - Module selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce quele boîtier de commande (2), relié à un capteur de lumière présent dans la pièce, comprend des moyens aptes à gérer l'allumage progressif d'un éclairage artificiel en fonction de la luminosité.
7 - Module selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le boîtier de commande (2), relié à un détecteur de présence, comprend des moyens aptes à modifier le fonctionnement de l'appareil lorsque personne n'est présent dans la pièce depuis un temps donné.
8 - Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il se compose de deux sous-modules, l'un des sous-modules comportant les ventilateurs (6, 8) et le récupérateur à régénération rotatif (5) et l'autre sous-module comportant le système de pompe à chaleur (11).
9 - Procédé de régulation de la température et de la qualité de l'air d'une pièce d'un bâtiment, au moyen d'un module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, si le taux de CO2 dépasse une valeur de consigne, un débit minimum d'air neuf (SB) est augmenté, de manière prioritaire par rapport à la régulation thermique.
10 - Procédé de régulation de la température et de la qualité de l'air d'une pièce d'un bâtiment selon la revendication 9, caractérisé en ce que, lorsque la température ambiante Tamb de la pièce est comprise entre deux valeurs (Tmin, Tmax), - le débit d'air neuf est maintenu à sa valeur minimale (SB), - l'air neuf est éventuellement traité par le récupérateur à régénération rotatif (5), - le débit D de soufflage d'air dans la pièce est déterminé par la formule : D = [(Dmax ù Dmin)/(Tmax ù Tmin)]Tamb + (DminTmax ù DmaxTmin)/(Tmax ù Tmin), les débits minimum et maximum de soufflage (Dmin et Dmax) étant définis dans une mémoire de données (27) du boîtier de commande (2), en fonction de l'utilisation de la pièce à traiter.
11 - Procédé de régulation de la température et de la qualité de l'air d'une pièce d'un bâtiment selon l'une des revendications 9 à 10, caractérisé en ce que, lorsque la température ambiante (Tamb) est inférieure à une valeur minimale (Tmin) ou supérieure à une valeur maximale (Tmax), il comprend au moins les étapes suivantes : - une température de consigne de soufflage (Tbs) est définie parcomparaison en continu de la température ambiante (Tamb). par rapport à la plage (Tmin-Tmax) - puis la température de soufflage (Ts) est comparée à la température de consigne de soufflage Tcs ; la température de l'air extérieur (Text) est comparée avec celle de l'air ambiant (Tamb) afin de savoir quel air privilégier en fonction des besoins ; - puis les débits d'air neuf et d'air recyclé sont modulés au moyen du registre de mélange (7), dans les limites du débit minimal d'air neuf (SB) et d'un débit de soufflage imposé par la phase de fonctionnement.
12.- Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que : - si la comparaison des températures conduit au résultat (Tm>Tcs ; Text≤Tamb) ou (Tm<Tcs ; Text - Tamb), le registre de mélange (7) est fermé progressivement ; - si la comparaison des températures conduit au résultat (Tm>Tcs ; Text>Tamb) ou (Tm<Tcs ; Text<Tamb), le registre de mélange (7) est ouvert progressivement ; - l'automatisme boucle jusqu'à l'arrivée à l'une des deux limites du registre de mélange (7) : 100% d'ouverture (Rm = 100%) ou seuil bas de fermeture (Rm = SB).
13.- Procédé selon la revendication 11 ou la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend ensuite les étapes suivantes : - la température de soufflage (Ts) est comparée à la température de consigne de soufflage Tcs ; la température de l'air extérieur (Text) est comparée avec celle de l'air ambiant (Tamb) afin de savoir quel air privilégier en fonction des besoins ; - puis la vitesse du récupérateur à régénération rotatif (5) est modifiée afin de réguler les échanges thermiques entre l'air neuf et l'air rejeté.
14.- Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que : - si la comparaison des températures conduit au résultat (Tm>_Tcs ; Text≤Tamb) ou (Tm≤Tcs ; Text - Tamb), le récupérateur à régénération rotatif (5) est ralenti progressivement ; - si la comparaison des températures conduit au résultat (Tm>Tcs ; Text>Tamb) ou (Tm<Tcs ; Text<Tamb), le récupérateur à régénération rotatif (5) est accéléré progressivement ; - l'automatisme boucle jusqu'à l'arrivée à l'une des deux limites du lerécupérateur à régénération rotatif (5) : vitesse nulle (0%) ou vitesse maximale (100%).
15.- Procédé selon la revendication 13 ou la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend ensuite les étapes suivantes : - le mode approprié (chauffage ou refroidissement) de la pompe à chaleur (11) est enclenché, - puis la température de soufflage (Te) est comparée à la consigne (Tcs), - puis, dans le cas où le module comporte un registre de by-pass (13), le débit d'air traversant l'échangeur (10) air/frigorigène est modulé entre un débit minimum de fonctionnement et un débit à 100%,
16.- Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que : - si on est en mode chauffage avec TS<Tcs, ou en mode refroidissement avec TS>Tcs (étape 70), on ferme progressivement le registre de by-pass (13) afin d'augmenter la quantité d'air passant sur l'échangeur (10) de la pompe à chaleur (11), - si on est en mode chauffage avec TS>Tcs, ou en mode refroidissement avec TS<Tcs, on ouvre progressivement le registre de by- pass (13) afin de diminuer la quantité d'air passant sur l'échangeur (10) de la pompe à chaleur (11), - l'automatisme boucle sur cette action jusqu'au changement des conditions initiales ou à l'arrivée à l'ouverture maximum ou à la fermeture maximum du registre de by-pass (13).
17.- Procédé selon la revendication 15 ou la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend ensuite les étapes suivantes : - la température de soufflage (Te) est comparée à la consigne (Tcs), - puis, le débit de fluide de la pompe à chaleur (11) est modulé pour faire varier la puissance de la pompe à chaleur entre un débit minimum acceptable et un débit de 100%.
18.- Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que : - si on est en mode chauffage avec TS<Tcs, ou en mode refroidissement avec TS>Tcs on ouvre la vanne de débit d'eau de la pompe à chaleur (11) afin d'augmenter la quantité d'eau passant dans l'échangeur (10) de la de la pompe à chaleur (11),- si on est en mode chauffage avec TS>Tcs, ou en mode refroidissement avec TS<Tcs, on ferme la vanne de débit d'eau de la pompe à chaleur (11) afin de diminuer la quantité d'eau passant dans l'échangeur (10) de la pompe à chaleur (11). - l'automatisme boucle jusqu'à l'arrivée au maximum de l'ouverture de la vanne d'eau.
19.- Procédé selon l'une des revendications 9 à 18, caractérisé en ce que, après chaque action, quel que soit le niveau dans la cascade d'étapes, l'automatisme reboucle à la première étape pour s'assurer que les conditions initiales n'ont pas changé.