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EP3129729A1 - Système énergétique a rendement améliore - Google Patents

Système énergétique a rendement améliore

Info

Publication number
EP3129729A1
EP3129729A1 EP14725748.9A EP14725748A EP3129729A1 EP 3129729 A1 EP3129729 A1 EP 3129729A1 EP 14725748 A EP14725748 A EP 14725748A EP 3129729 A1 EP3129729 A1 EP 3129729A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transfer
circuit
heat
heat exchanger
section
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14725748.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Pierre-Yves Torrent
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Datatechnic International SAS
Original Assignee
Datatechnic International SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Datatechnic International SAS filed Critical Datatechnic International SAS
Publication of EP3129729A1 publication Critical patent/EP3129729A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B27/00—Machines, plants or systems, using particular sources of energy
    • F25B27/002—Machines, plants or systems, using particular sources of energy using solar energy
    • F25B27/005—Machines, plants or systems, using particular sources of energy using solar energy in compression type systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D11/00—Central heating systems using heat accumulated in storage masses
    • F24D11/02—Central heating systems using heat accumulated in storage masses using heat pumps
    • F24D11/0214—Central heating systems using heat accumulated in storage masses using heat pumps water heating system
    • F24D11/0221—Central heating systems using heat accumulated in storage masses using heat pumps water heating system combined with solar energy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S20/00—Solar heat collectors specially adapted for particular uses or environments
    • F24S20/40—Solar heat collectors combined with other heat sources, e.g. using electrical heating or heat from ambient air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S90/00—Solar heat systems not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B25/00—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00
    • F25B25/005—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00 using primary and secondary systems
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/40—Thermal components
    • H02S40/44—Means to utilise heat energy, e.g. hybrid systems producing warm water and electricity at the same time
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B10/00—Integration of renewable energy sources in buildings
    • Y02B10/20—Solar thermal
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B10/00—Integration of renewable energy sources in buildings
    • Y02B10/70—Hybrid systems, e.g. uninterruptible or back-up power supplies integrating renewable energies
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/60—Thermal-PV hybrids

Definitions

  • the invention relates to an energy system capable of drawing in surrounding energies, an energy system of the type comprising in particular a heat exchanger able to absorb a thermal energy from its environment and a heat pump capable of transferring heat energy from the heat exchanger. to a heat consumption circuit, for example a circuit comprising a water tank to be heated.
  • the invention proposes to use a heat pump comprising a regulating means arranged to regulate a temperature of the heat exchanger. at a temperature below a liquefaction and / or freezing temperature of the water.
  • the vapor present in the ambient air liquefies or freezes and forms a layer of liquid water or ice on the heat exchanger.
  • Water is much better thermal conductor than air, and the heat contained in water is much higher than the heat contained in the air.
  • the phase changes of water, ice liquid, and especially liquid vapor generate a significant phase change energy.
  • the ambient air with a much better energy transfer to the heat exchanger, in addition to the energy of solar radiation received on the heat exchanger.
  • the regulating means is also arranged to, punctually, regulate the temperature of the heat exchanger at a temperature above a melting temperature of the water, for a predefined time adapted to take off the ice layer present on the water. 'heat exchanger. As the heat exchanger is most often in an inclined position, the ice layer slides and evacuates naturally. Otherwise, the peeled ice layer can be removed manually. The duration of the predefined time depends in particular on the ambient air temperature. The heat exchanger can be defrosted occasionally if necessary. This prevents an excessive layer of ice is formed on the heat exchanger.
  • the system also comprises a photovoltaic panel (10) thermally coupled to the heat exchanger (31), the photovoltaic panel and the exchanger together forming a hybrid solar panel.
  • the heat exchanger is preferably a planar exchanger, of substantially equal surface on the surface of the photovoltaic panel and is preferably positioned under the photovoltaic panel and in close contact with it for optimal thermal coupling.
  • the heat pump (20) may comprise a power transfer section (32) and a circulator (33); the heat exchanger (31), the transfer section (32) and the circulator (33), associated in series, seem to form an energy sensing circuit (30) in which the circulator drives a coolant.
  • a regulation of the flow velocity of the fluid in the capture circuit allows the regulation of the fluid temperature in the heat exchanger, and if necessary also allows the regulation of the temperature of the coupled photovoltaic panel.
  • the capture circuit may also comprise a limiting means arranged to limit a temperature of the heat transfer fluid to an input of the transfer section.
  • a limiting means arranged to limit a temperature of the heat transfer fluid to an input of the transfer section.
  • the capture circuit (30) may further comprise an inversion means (35) arranged to drive the heat transfer fluid inside the heat exchanger in a first direction or in a second direction of circulation as a function of a night or daytime condition surrounding the heat exchanger.
  • an inversion means 35) arranged to drive the heat transfer fluid inside the heat exchanger in a first direction or in a second direction of circulation as a function of a night or daytime condition surrounding the heat exchanger.
  • the heat pump also comprises a transfer circuit (40) comprising, associated in series: A main heat energy receiving section (41), thermally coupled to the transfer section (32) for receiving thermal energy from the sensing circuit, the main receiving section (41) and the transfer section (32); ) forming together a main evaporator of the heat pump,
  • a main expander (47) for relieving the fluid exiting the main transfer section (43) and transferring the expanded fluid to the main receiving section (41).
  • the transfer circuit may also comprise a steam injection means arranged to vaporize a portion of the heat transfer fluid leaving the main transfer section (43) from a residual energy of a second portion of the heat transfer fluid leaving the main section. transferring (43) the transfer circuit (40), and supplying the vaporized fluid to a steam injection inlet of the compressor.
  • the injection of steam into the compressor increases the coefficient of performance of the compressor.
  • the steam injection increases the thermal power of 20 to 30% on average at the inlet of the main transfer section (part of the condenser of the heat pump) and also increases the power (electrical) absorbed by the compressor of 10 % to 20% o.
  • the percentage of additional power of the condenser being greater than that of the compressor, the coefficient of performance (condenser power / compressor power) is increased.
  • the steam injection means may comprise:
  • a secondary heat energy receiving section (45) arranged between the main transfer section (43) and the main expander (44) for receiving thermal energy from the transfer section of the collection circuit
  • a secondary expander for relieving the fluid exiting the main transfer section (43) and transferring the expanded fluid to a secondary transfer section (46) thermally coupled to the secondary receiving section (44), a fluid outlet of the secondary section of transfer (46) being connected to the injection inlet of the compressor (42), the secondary receiving section (45) and the secondary transfer section (46) together forming a secondary evaporator of the heat pump
  • This embodiment makes it possible to carry out the steam injection without supplying additional energy.
  • the compressor (42) is a variable speed compressor and in which the regulating means is arranged to regulate a rotational speed as a function of the temperature of the fluid flowing in the heat exchanger and / or an energy demand of the downstream heat consumption circuit.
  • the heat-transfer heat distribution circuit (50) may comprise, connected in series:
  • a reception section (51) thermally coupled to the main transfer section (43) for receiving a thermal energy from the transfer circuit (40), the receiving section (51) of the distribution circuit and the transfer section of the transfer circuit (40). transfer forming together a condenser of the heat pump, and
  • At least one consumer (52, 53, 54) of thermal energy At least one consumer (52, 53, 54) of thermal energy.
  • the heat pump supplies a consumer of thermal energy, for example a floor heating, a domestic hot water tank, etc.
  • the energy system according to the invention can be completed by a circuit for producing electricity from heat transfer fluid, production circuit comprising connected in series:
  • a reception section arranged to receive a thermal energy from the main transfer section (43) of the transfer circuit (40), the reception section of the production circuit and the transfer section of the transfer circuit together forming a second condenser of the heat pump, and
  • a turbine arranged to produce electrical energy from a fluid flowing in the receiving section of the production circuit.
  • the heat pump supplies, parallel to the consumer of thermal energy, a turbine to produce electricity.
  • the system according to the invention makes it possible to recover a maximum of the available thermal energy around the heat exchanger, and to optimize at best the efficiency of the heat pump.
  • FIG. 1 is a block diagram of an energy system according to the invention
  • Figure 2 is a detailed diagram of a system according to the invention.
  • the invention relates to an energy system adapted to suck the surrounding thermal energies.
  • the energy system comprises a heat exchanger 31 and a heat pump 20 arranged to transfer the energy absorbed by the heat exchanger to a heat consumption circuit, for example a hot water tank 52, 54, a floor heating 53 or more generally any other consumer of thermal energy.
  • the heat exchanger is thermally coupled to a photovoltaic panel, also used in a known manner to produce electrical energy.
  • the heat exchanger 31 is preferably a planar exchanger, of dimensions substantially equal to the dimensions of the photovoltaic panel; it is for example glued on a bottom face of the photovoltaic panel 10 and thus forms an integral part of a hybrid panel; this is to ensure perfect physical and thermal contact and to ensure the mechanical maintenance of both parts.
  • the underside of the photovoltaic panel is dark in color, for example black (thermal emissivity close to 1) in order to absorb a maximum of solar radiation and in this embodiment, the energy system according to the invention makes it possible to suck up the thermal energy stored by the photovoltaic panel, in addition to the energy heat that the heat exchanger could capture alone, in the absence of photovoltaic panel.
  • the heat exchanger is a solar thermal panel known elsewhere.
  • the system according to the invention is characterized in that the heat pump 20 comprises a regulating means arranged to regulate a temperature of the heat exchanger 31 at a temperature below a liquefaction and / or freezing temperature of the water so as to form a layer of water or ice on the heat exchanger and / or on the hybrid panel.
  • the difference in temperature between the heat exchanger and the ambient air gives a thermal power recovered by the heat pump.
  • the heat pump draws in the energy of latency, which is particularly important, from the phase change value of water. liquid water.
  • the latent heat of liquefaction of the water is 2257 kJ / kg.
  • the energy released by the phase change at constant temperature is equivalent to cooling the liquid water to 539 ° C.
  • the energy recovered during the phase change is at least 25 times greater than that which can be recovered by regulating the temperature of the heat exchanger 20 ° C below ambient temperature.
  • the ambient temperature is equal to the liquefaction temperature of the water vapor; the heat exchanger 31 is able to recover the thermal energy contained in the rainwater: this energy is much higher than that recovered on the ambient air since the physical and thermodynamic properties (density, constant pressure heat, thermal conductivity) of water are well above those of air.
  • the exchanger is cooled below the freezing temperature (0 ° C), to suck in addition to the latent heat of the second liquid / ice phase change.
  • the liquid-solid phase change (called solidification) of the water releases an energy of 333 kJ / kg, equivalent to a cooling of the liquid water of 79.6 ° C.
  • the heat exchanger can thus recover the energies released by the two phase changes.
  • phase change Another advantage of a phase change is the stability of the temperature in the heat exchanger throughout the duration of the phase change; this leads to a stability of the coefficient of performance of the heat pump, particularly interesting.
  • the temperature of the heat exchanger when the outside temperature is high, in summer for example, the temperature of the heat exchanger can be regulated at liquefaction temperature of the water, variable depending on the climatic conditions.
  • the temperature of the heat exchanger Thermal can be regulated at the freezing temperature to benefit from the thermal energy released by the two phase changes.
  • the regulating means is also arranged to punctually regulate the temperature of the hybrid panel at a temperature above a melting temperature of water, for a defined time to peel off the layer. of ice present on the hybrid solar panel. Peel off the ice exchanger 31 is sufficient to evacuate all the ice deposited on the exchanger.
  • the energy "lost" for the defrost (change of solid-liquid phase) is therefore very small compared to that recovered previously (vapor-liquid or vapor-solid phase changes).
  • the heat pump 20 shown notably comprises a power transfer section 32 and a circulator 33; the heat exchanger 31, the transfer section 32 and the circulator 33, associated in series, together form an energy collection circuit (30) in which the circulator drives a coolant.
  • the capture circuit 30 shown also comprises (FIG. 2):
  • a second three-way valve 37 one input E of which is connected to an output of the transfer section 32 of the capture circuit 30, of which a first output S1 is connected to the first end of the exchanger 31 and of which a second output S2 is connected to the second end of the exchanger 31.
  • control means arranged to limit the temperature at the input of the transfer section 32 in;
  • the second input E2 of the first valve 36 being kept closed.
  • the valve 36 and the associated control means described above together form a limiting means arranged to limit a temperature of the heat transfer fluid to an inlet of the transfer section.
  • the control means regulates the opening and closing of the two outputs of the valve (37) so that: A first part of the coolant (cooled by the heat pump) coming from the outlet of the transfer section 32 is sent towards the first end of the heat exchanger (31) through the first outlet SI of the valve (37)
  • a second part of the coolant coming from the outlet of the transfer section 32 is connected to the second end of the heat exchanger 31,
  • the fluid leaving the heat exchanger is then mixed and cooled by that coming from the outlet SI of the valve 37 and the cooled fluid is sent to the transfer section 32.
  • the temperature is limited at the inlet of the transfer section to a value such that the temperature and the pressure at the inlet of the compressor located downstream are lower than the maximum permissible values at the inlet of the compressor.
  • the temperature is limited to the input of the transfer section to a value of the order of + 20 ° C so that the temperature and the pressure at the inlet of the compressor located downstream are less than maximum values. admissible, approximately + 20 ° C and 17 bar, at the compressor inlet.
  • the control means is activated in particular to limit the temperature in the transfer section 32 at the start of the heat pump and the circulation of the fluid inside the collection circuit; this to limit the temperature of the fluid leaving the heat exchanger 31 after stagnating for a time in the exchanger.
  • the control means gradually closes the output SI and progressively opens the output S2 until the fluid flowing in the exchanger 31 reaches a constant or quasi-constant nominal value (stabilized operation).
  • the control means can also be activated to limit the temperature in the transfer section 32 when this temperature stabilizes at a nominal value that is too high due to particular weather conditions. This is the case, for example, in the daytime phase when:
  • the temperature of the fluid circulating in the capture circuit is maximum to greatly improve the coefficient of performance of the CAP
  • control means arranged to reverse the flow of fluid in the heat exchanger 31:
  • the two valves 36, 37 and the associated piloting means described above form an inversion means 35 arranged to drive the heat transfer fluid inside the heat exchanger in a first direction or in a second direction of movement. circulation depending on a night or daytime condition surrounding the heat exchanger.
  • the day / night state can be set according to the ambient brightness relative to a reference value. Or, in particular in the case of a system as shown using a hybrid panel, according to an intensity of the electric current produced by the photovoltaic panel relative to a reference value.
  • the heat pump also comprises a transfer circuit 40 comprising, associated in series:
  • a main heat energy receiving section 41 thermally coupled to the transfer section 32 for receiving thermal energy from the sensing circuit; the main receiving section 41 and the transfer section 32 together form a main evaporator of the heat pump,
  • the main expansion valve (or expansion valve) 44 serves to relax and cool the heat-transfer fluid before transfer to the evaporator, more precisely towards the main reception section 41 of the evaporator.
  • the transfer circuit 40 also comprises a steam injection means arranged to vaporize a part of the heat transfer fluid leaving the main transfer section 43 from a residual energy of a second part of the heat transfer fluid leaving the main transfer section 43 of the transfer circuit 40, and supply the vaporized fluid on a steam injection inlet of the compressor.
  • the compressor 42 of the heat pump is an intermediate steam injection compressor; it has two entrances and an exit.
  • the first low pressure inlet is connected to the main evaporator, and more specifically to an outlet of the main reception section 41.
  • the second medium pressure inlet is connected to the compressor, and more specifically to an outlet of the main transfer section 43, approximately between half and two thirds of the compressor stroke.
  • This second input called steam injection port will be used to improve the system performance coefficient, especially when the absolute pressure ratio between the evaporator and the condenser, and / or the user's energy requirements will exceed thresholds. preprogrammed.
  • the steam injection means serves to improve the efficiency of the system (COP, coefficient of performance), especially when the temperature difference between the main evaporator (section 41) and the condenser (section 43) becomes greater than a value. predefined, usually 40 ° C.
  • the steam injection means comprises: A secondary heat energy receiving section 45, arranged between the main transfer section 43 and the main expander 44 to receive thermal energy from the transfer section of the capture circuit,
  • the receiving section 45 and the transfer section 46 are positioned closer to one another and in such a way that the direction of flow of the fluid inside the transfer section 46 is opposite to the direction of flow of the fluid within the receiving section 45; they thus together form a secondary evaporator with optimized efficiency.
  • the refrigerant leaving the secondary regulator 47 (in the two-phase state, that is to say liquid + vapor) passes through the secondary evaporator 45, 46 in which it is heated (transition from the two-phase state to superheated steam). by the fluid from the main transfer section 43 of the condenser, then it is injected into the compressor 42 through the vapor injection port thereof.
  • the compressor 42 is a variable speed compressor and the regulating means is arranged to regulate a rotational speed of the compressor (and therefore the variation of the volume of fluid displaced in the compressor) as a function of the temperature of the fluid flowing in the exchanger thermal and / or energy demand of the downstream heat consumption circuit.
  • the system represented fyg. 2 also comprises a heat consumption circuit, of the heat distribution type 50.
  • the heat transfer fluid heat distribution circuit 50 comprises, connected in series:
  • a receiving section 51 arranged to receive a thermal energy from the main transfer section 43 of the transfer circuit 40, the receiving section of the distribution circuit and the transfer section of the transfer circuit together forming a condenser of the heat pump , and
  • Three consumers of thermal energy an ECS hot water cylinder 52, a heating floor 53 and an ECC hot water heating tank 54.
  • the system may further comprise (not shown) an electricity generating circuit comprising, connected in series:
  • a receiving section arranged to receive a thermal energy from the main transfer section 43 of the transfer circuit 40, the reception section of the production circuit and the main transfer section 43 of the transfer circuit together forming a second condenser of the pump heat, and
  • a turbine arranged to produce electrical energy from a fluid flowing in the receiving section of the production circuit.
  • the system shown also comprises a photovoltaic inverter 12 for converting the direct current produced by the photovoltaic panel 10 into an alternating current, single-phase or three-phase depending on the electrical power produced.
  • a photovoltaic inverter 12 for converting the direct current produced by the photovoltaic panel 10 into an alternating current, single-phase or three-phase depending on the electrical power produced.
  • the suction of the heat energy of the exchanger 31 causes the cooling of the photovoltaic cells of the photovoltaic panel 10; this makes it possible to increase the efficiency of the cells and therefore to increase the photovoltaic power produced by the order of 0.40% / ° C above a cell temperature of 25 ° C.
  • the electricity produced by the photovoltaic panel 10 and converted by the photovoltaic inverter makes it possible to supply all or part of the elements of the energy system according to the invention: circulators 33, 55, control means of the valves 36, 37, 44, 47, compressor 42, controller 70, etc.
  • the electricity can be consumed for domestic use (lighting, appliances, etc.) and / or injected into the public distribution network. and / or stored in a storage battery.
  • the system still includes:
  • a plurality of temperature probes TT arranged to measure the temperature outside the system, the temperature of the fluids at different points of the sensing circuit, the transfer circuit and the heat consumption circuits,
  • a humidity probe MT arranged to measure an external humidity of the air to which the hybrid solar panel is exposed
  • a brightness sensor arranged to measure the brightness near the hybrid panel, and deduce a day / night status; in a variant, the day / night status is deduced from the value of the intensity of the current produced by the photovoltaic panel, intensity measured by an ammeter IT
  • a plurality of pressure probes PT designed to measure a pressure of the fluid flowing at the inlet and the outlet of the compressor 42,
  • the device 70 includes all the regulation means and all the control means of all the components (compressor, circulators, regulators, etc.) of the energy system as a function of the measured meteorological parameters (temperature, hygrometry, luminosity, etc., and in particular :
  • control means of the main regulator 44 and the control means of the secondary regulator 47 are identical to the control means of the main regulator 44 and the control means of the secondary regulator 47,
  • the means for regulating the temperature of the heat exchanger 31 a regulation means which acts on all the control means of the components of the system described above, for regulating the temperature of the heat exchanger 31 at a temperature of less than the liquefaction temperature and / or the freezing temperature of the water contained in the ambient air, depending on the temperature, humidity and ambient air pressure to which the air is subjected. heat exchanger of the energy system.
  • the dotted lines show the signal exchanges between the control device 70 and the various elements of the system:
  • the device 70 notably receives a plurality of temperature and pressure measurement signals coming from the different probes TT, PT, HT, etc., and The device transmits instructions back to the valves 36, 37, 44, 47, to the compressor 42, to the circulator 33, and so on.

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Abstract

L'invention concerne un système énergétique comprenant un échangeur thermique (31) apte à absorber une énergie thermique de son environnement, une pompe à chaleur (20) apte à transférer de l'énergie de l'échangeur thermique vers un circuit de consommation de chaleur (50, 60), système caractérisé en ce que la pompe à chaleur comprend un moyen de régulation agencé pour réguler une température le l'échangeur thermique à une température inférieure à une température de liquéfaction et / ou de congélation de la vapeur d'eau de l'air ambiant. Le moyen de régulation est également agencé pour réguler la température suivant les conditions météorologiques auxquelles l'échangeur thermique est exposé : pluie, vent, soleil. Application à la récupération d'énergie thermique solaire.

Description

SYSTÈME ÉNERGÉTIQUE A RENDEMENT AMÉLIORE
Domaine technique et état de l'art
L'invention concerne un système énergétique apte à aspirer les énergies environnantes, système énergétique du type comprenant notamment un échangeur thermique apte à absorber une énergie thermique de son environnement et une pompe à chaleur apte à transférer de l'énergie thermique de l'échangeur thermique vers un circuit de consommation de chaleur, par exemple un circuit comprenant un ballon d'eau à chauffer. L'utilisation d'une pompe à chaleur pour extraire l'énergie de l'échangeur thermique permet de refroidir l'échangeur, mais également d'extraire plus d'énergie de l'échangeur, comme cela est décrit dans un brevet antérieur Dl = FR 2 981 202 du Demandeur.
Toutefois, le rendement d'un tel système énergétique peut et doit encore être amélioré.
Description de l'invention
Pour améliorer le rendement d'un système énergétique comprenant un échangeur thermique couplé à une pompe à chaleur (ou PAC), l'invention propose d'utiliser une pompe à chaleur comprenant un moyen de régulation agencé pour réguler une température de l'échangeur thermique à une température inférieure à une température de liquéfaction et / ou de congélation de l'eau.
Ainsi, la vapeur présente dans l'air ambiant se liquéfie ou gèle et forme une couche d'eau liquide ou de glace sur l'échangeur thermique. L'eau est bien meilleure conductrice thermique que l'air, et la chaleur contenue dans l'eau est bien supérieure à la chaleur contenue dans l'air. De plus, les changements de phase de l'eau, de liquide à glace, et surtout de vapeur à liquide, génèrent une énergie de changement de phase importante. Ainsi, en abaissant la température du panneau en dessous de la température de liquéfaction et / ou de congélation de l'eau, il est possible de récupérer les énergies des deux changements de phase successifs de l'eau et de récupérer l'énergie thermique de l'air ambiant avec un bien meilleur transfert d'énergie vers l'échangeur thermique, en plus de l'énergie du rayonnement solaire reçu sur l'échangeur thermique.
De préférence, le moyen de régulation est également agencé pour, ponctuellement, réguler la température de l'échangeur thermique à une température supérieure à une température de fusion de l'eau, pendant un temps prédéfini adapté pour décoller la couche de glace présente sur l'échangeur thermique. L'échangeur thermique étant le plus souvent en une position inclinée, la couche de glace glisse et s'évacue naturellement. A défaut, la couche de glace décollée peut être enlevée manuellement. La durée du temps prédéfini est fonction notamment de la température de l'air ambiant. L'échangeur thermique peut ainsi être dégivré ponctuellement si besoin. Ceci permet d'éviter qu'une couche de glace trop importante se forme sur l'échangeur thermique.
Selon un mode de réalisation, le système comprend également un panneau photovoltaïque (10) couplé thermiquement à l'échangeur thermique (31), le panneau photovoltaïque et l'échangeur formant ensemble un panneau solaire hybride. L'échangeur thermique est de préférence un échangeur plan, de surface sensiblement égale à la surface du panneau photovoltaïque et est positionné de préférence sous le panneau photovoltaïque et en contact étroit avec lui pour un couplage thermique optimal.
La pompe à chaleur (20) quant à elle peut comprendre un tronçon de transfert d'énergie (32) et un circulateur (33) ; l'échangeur thermique (31), le tronçon de transfert (32) et le circulateur (33), associés en série, forment en semble un circuit de captage d'énergie (30) dans lequel le circulateur entraîne un fluide caloporteur.
Une régulation de la vitesse de circulation du fluide dans le circuit de captage permet la régulation de la température du fluide dans l'échangeur thermique, et le cas échéant permet également la régulation de la température du panneau photovoltaïque couplé.
Le circuit de captage peut comprendre également un moyen de limitation agencé pour limiter une température du fluide caloporteur à une entrée du tronçon de transfert. Lorsque la PAC est arrêtée, le fluide stagne à l'intérieur de l'échangeur thermique de sorte qu'il accumule une forte quantité d'énergie et que sa température s'élève à une température qui peut être trop élevée pour être supportée par le tronçon de transfert d'énergie et les composants avals de la PAC. Lors de la mise en route de la PAC, le fluide sortant de l'échangeur thermique à une température trop élevée pourrait endommager sérieusement le tronçon de transfert et les composants avals de la PAC. En particuliers, une température trop élevée dans l'évaporateur peut entraîner une température de fluide trop importante à l'entrée du compresseur situé en aval et se traduire par une surpression susceptible d'endommager ou d'user prématurément le compresseur. Le moyen de limitation selon l'invention permet de supprimer ces risques, notamment au démarrage de la PAC.
Le circuit de captage (30) peut encore comprendre un moyen d'inversion (35) agencé pour entraîner en mouvement le fluide caloporteur à l'intérieur de l'échangeur thermique dans un premier sens ou dans un deuxième sens de circulation en fonction d'un état nocturne ou diurne environnant l'échangeur thermique. Ceci permet de tenir compte de variations importantes du rayonnement thermique. Par exemple, sur une journée : pendant la phase diurne, l'échangeur thermique reçoit de la chaleur du rayonnement solaire et de l'air ambiant situés au-dessus de l'échangeur thermique ; à l'inverse, pendant la phase nocturne, l'échangeur thermique ne reçoit plus de rayonnement solaire mais reçoit de la chaleur rayonnée par le support (sol, toiture, mur, etc.) sur lequel est fixé l'échangeur thermique, support qui a emmagasiné de la chaleur émanent du rayonnement solaire reçu pendant la phase diurne. Le moyen d'inversion selon l'invention permet de tenir compte au mieux de ce phénomène. Bien sûr, les notions diurne/nocturne sont relatives et sont fonction des conditions météorologiques ambiantes. Ainsi, par exemple, une journée particulièrement nuageuse peut être considérée comme une phase nocturne
Dans le système énergétique selon l'invention, la pompe à chaleur comprend également un circuit de transfert (40) comprenant, associés en série : • un tronçon principal de réception (41) d'énergie thermique, couplé thermiquement au tronçon de transfert (32) pour recevoir de l'énergie thermique du circuit de captage, le tronçon principal de réception (41) et le tronçon de transfert (32) formant ensemble un évaporateur principal de la pompe à chaleur,
• un compresseur (42) pour comprimer le fluide sortant du tronçon principal de réception (41) et transférer le fluide comprimé vers un tronçon principal de transfert (43) du circuit de transfert,
• un détendeur principal (47) pour détendre le fluide sortant du tronçon principal de transfert (43) et transférer le fluide détendu vers le tronçon principal de réception (41).
Le circuit de transfert peut comprendre également un moyen d'injection de vapeur agencé pour vaporiser une partie du fluide caloporteur sortant du tronçon principal de transfert (43) à partir d'une énergie résiduelle d'une deuxième partie du fluide caloporteur sortant du tronçon principal de transfert (43) du circuit de transfert (40), et fournir le fluide vaporisé sur une entrée d'injection de vapeur du compresseur.
L'injection de vapeur dans le compresseur augmente le coefficient de performance du compresseur. En effet, l'injection de vapeur augmente la puissance thermique de 20 à 30% en moyenne à l'entrée du tronçon principal de transfert (partie du condenseur de la PAC) et augmente aussi la puissance (électrique) absorbée par le compresseur de 10% à 20%o. Le pourcentage de puissance supplémentaire du condenseur étant plus important que celui du compresseur, le coefficient de performance (puissance condenseur / puissance compresseur) est augmenté.
Selon un mode de réalisation, le moyen d'injection de vapeur peut comprendre :
• un tronçon secondaire de réception (45) d'énergie thermique, agencé entre le tronçon principal de transfert (43) et le détendeur principal (44) pour recevoir de l'énergie thermique du tronçon de transfert du circuit de captage,
• un détendeur secondaire pour détendre le fluide sortant du tronçon principal de transfert (43) et transférer le fluide détendu vers un tronçon secondaire de transfert (46) couplé thermiquement au tronçon secondaire de réception (44), une sortie de fluide du tronçon secondaire de transfert (46) étant reliée à l'entrée d'injection du compresseur (42), le tronçon secondaire de réception (45) et le tronçon secondaire de transfert (46) formant ensemble un évaporateur secondaire de la pompe à chaleur
Ce mode de réalisation permet de réalisation de l'injection de vapeur sans fourniture d'énergie additionnelle.
Selon un mode de réalisation encore, le compresseur (42) est un compresseur à vitesse de rotation variable et dans laquelle le moyen de régulation est agencé pour réguler une vitesse de rotation en fonction de la température du fluide circulant dans l'échangeur thermique et / ou d'une demande en énergie du circuit de consommation de chaleur situé en aval.
Dans un exemple, le circuit de distribution de chaleur (50) à fluide caloporteur peut comprendre, reliés en série :
• un tronçon de réception (51) couplé thermiquement au tronçon principal de transfert (43) pour recevoir une énergie thermique du circuit de transfert (40), le tronçon de réception (51) du circuit de distribution et le tronçon de transfert du circuit de transfert formant ensemble un condenseur de la pompe à chaleur, et
• au moins un consommateur (52, 53, 54) d'énergie thermique. Ainsi, la pompe à chaleur alimente un consommateur d'énergie thermique, par exemple un plancher chauffant, un ballon d'eau chaude sanitaire, etc.
Enfin, le système énergétique selon l'invention peut être complété par un circuit de production d'électricité à partir de fluide caloporteur, circuit de production comprenant reliés en série :
« un tronçon de réception agencé pour recevoir une énergie thermique du tronçon principal de transfert (43) du circuit de transfert (40), le tronçon de réception du circuit de production et le tronçon de transfert du circuit de transfert formant ensemble un deuxième condenseur de la pompe à chaleur, et
• une turbine agencée pour produire de l'énergie électrique à partir d'un fluide circulant dans le tronçon de réception du circuit de production. Ainsi, la pompe à chaleur alimente, en parallèle du consommateur d'énergie thermique, une turbine pour produire de l'électricité.
Ainsi complétée, le système selon l'invention permet de récupérer un maximum de l'énergie thermique disponible autour de l'échangeur thermique, et d'optimiser au mieux le rendement de la pompe à chaleur.
Brève description des figures
L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description qui suit d'exemples de réalisation d'un système énergétique selon l'invention. Ces exemples sont donnés à titre non limitatif. La description est à lire en relation avec le dessin annexé dans lequel :
• la figure 1 est un schéma de principe d'un système énergétique selon l'invention,
• La figure 2 est un schéma détaillé d'un système selon l'invention.
Description d'un mode de réalisation de l'invention
Comme dit précédemment, l'invention concerne un système énergétique apte à aspirer les énergies thermiques environnantes. Le système énergétique comprend un échangeur thermique 31 et une pompe à chaleur 20 agencée pour transférer l'énergie absorbée par l'échangeur thermique vers un circuit de consommation de chaleur, par exemple un ballon d'eau chaude 52, 54, un plancher chauffant 53 ou plus généralement tout autre consommateur d'énergie thermique.
Dans l'exemple représenté sur les figures 1, 2, l'échangeur thermique est couplé thermiquement à un panneau photovoltaïque, utilisé par ailleurs de manière connue pour produire de l'énergie électrique. L'échangeur thermique 31 est de préférence un échangeur plan, de dimensions sensiblement égales aux dimensions du panneau photovoltaïque ; il est par exemple collé sur une face de dessous du panneau photovoltaïque 10 et fait ainsi partie intégrante d'un panneau hybride ; ceci afin d'assurer un contact physique et thermique parfait et d'assurer le maintien mécanique des deux parties. De préférence, la face de dessous du panneau photovoltaïque est de couleur sombre, par exemple de couleur noire (émissivité thermique proche de 1) afin d'absorber un maximum de rayonnement solaire thermique et donc de transmettre un maximum d'énergie thermique à l'echangeur 31.Dans ce mode de réalisation, le système énergétique selon l'invention permet d'aspirer l'énergie thermique emmagasinée par le panneau photovoltaïque, en complément de l'énergie thermique que l'échangeur thermique pourrait capter seul, en l'absence de panneau photovoltaïque. Dans un autre mode de réalisation, moins performant, l'échangeur thermique est un panneau solaire thermique connu par ailleurs.
Le système selon l'invention est caractérisé en ce que la pompe à chaleur 20 comprend un moyen de régulation agencé pour réguler une température de l'échangeur thermique 31 à une température inférieure à une température de liquéfaction et / ou de congélation de l'eau de sorte à former une couche d'eau ou de glace sur l'échangeur thermique et / ou sur le panneau hybride. La différence de température entre l'échangeur thermique et l'air ambiant donne une puissance thermique récupérée par la pompe à chaleur.
Lors du refroidissement de l'échangeur 31 en dessous de la température de liquéfaction de la vapeur d'eau contenue dans l'air ambiant la pompe à chaleur aspire l'énergie de latence, particulièrement importante, du changement de phase valeur d'eau / eau liquide. A titre indicatif, la chaleur latente de liquéfaction de l'eau est de 2257 kJ / kg. Autrement dit, l'énergie libérée par le changement de phase à température constante équivaut à refroidir l'eau liquide de 539°C. Ainsi, l'énergie récupérée lors du changement de phase est au moins 25 fois supérieure à celle qui peut être récupérée en régulant la température de l'échangeur thermique 20°C en dessous de la température ambiante.
Lors de précipitations, la température ambiante est égale à la température de liquéfaction de la vapeur d'eau ; l'échangeur thermique 31 est apte à récupérer l'énergie thermique contenue dans l'eau de pluie : cette énergie est bien supérieure à celle récupérée sur l'air ambiant puisque les propriétés physiques et thermodynamiques (masse volumique, chaleur massique à pression constante, conductivité thermique) de l'eau sont bien supérieures à celles de l'air.
De préférence, l'échangeur est refroidi en dessous de la température de congélation (0°C), pour aspirer en complément la chaleur latente du deuxième changement de phase eau liquide / glace. Le changement de phase liquide- solide (appelé solidification) de l'eau libère une énergie de 333 kJ/kg, soit l'équivalent d'un refroidissement de l'eau liquide de 79.6°C. L'échangeur thermique peut ainsi récupérer les énergies libérées par les deux changements de phase.
Lorsque la température extérieure est négative, la vapeur d'eau contenue dans l'air est directement solidifiée sur l'échangeur thermique ou le panneau hybride (changement de phase appelé condensation, température de liquéfaction = température de congélation), l'énergie libérée est alors de 2257 + 333 = 2590 kJ/kg.
Un autre avantage d'un changement de phase est la stabilité de la température dans l'échangeur thermique pendant toute la durée du changement de phase ; ceci entraîne une stabilité du coefficient de performance de la pompe à chaleur, particulièrement intéressante.
Ainsi, dans la pratique, lorsque la température extérieure est élevée, en été par exemple, la température de l'échangeur thermique peut être régulée à a température de liquéfaction de l'eau, variable en fonction des conditions climatiques. Lorsque la température extérieure est basse, en hiver par exemple, la température de l'échangeur thermique peut être régulée à la température de congélation pour bénéficier de l'énergie thermique libérée par les deux changements de phase.
Lorsque la température de l'échangeur 31 est régulée au point de congélation ou en dessous, une couche de glace se forme sur les deux faces du panneau solaire hybride (11) (ou sur les deux faces de l'échangeur thermique 31 s'il n'y a pas de panneau photo voltaï que). Aussi, dans l'exemple mis en œuvre, le moyen de régulation est également agencé pour, ponctuellement, réguler la température du panneau hybride à une température supérieure à une température de fusion de l'eau, pendant un temps défini pour faire décoller la couche de glace présente sur le panneau solaire hybride. Décoller la glace de l'échangeur 31 est suffisant pour évacuer toute la glace déposée sur l'échangeur. Pour décoller la glace formée, il est suffisant de faire fondre une épaisseur de glace inférieure à 1mm, en fournissant une énergie de 333 kJ/kg de glace nécessaire pour le changement de phase : l'énergie « perdue » pour le dégivrage (changement de phase solide-liquide) est donc très faible comparée à celle récupérée auparavant (changements de phase vapeur-liquide ou vapeur-solide).
La pompe à chaleur 20 représentée comprend notamment un tronçon de transfert d'énergie 32 et un circulateur 33 ; l'échangeur thermique 31, le tronçon de transfert 32 et le circulateur 33, associés en série, forment ensemble un circuit de captage d'énergie (30) dans lequel le circulateur entraîne un fluide caloporteur.
Le circuit de captage 30 représenté comprend également (figure 2):
• une première vanne 36 trois voies dont une première entrée El est reliée à une première extrémité de l'échangeur thermique 31 , dont une deuxième entrée E2 est reliée à une deuxième extrémité de l'échangeur thermique 31 et dont une sortie S est reliée à une entrée du tronçon de transfert 32 du circuit de captage 30, et
• une deuxième vanne 37 trois voies dont une entrée E est reliée à une sortie du tronçon de transfert 32 du circuit de captage 30, dont une première sortie SI est reliée à la première extrémité de l'échangeur 31 et dont une deuxième sortie S2 est reliée à la deuxième extrémité de l'échangeur 31.
Dans le système selon l'invention, est également prévu un moyen de pilotage agencé pour limiter la température à l'entrée du tronçon de transfert 32 en;
• ouvrant la première sortie SI de la deuxième vanne 37,
• fermant la deuxième sortie S2 de de la deuxième vanne 37,
• la deuxième entrée E2 de la première vanne 36 étant maintenue fermée. La vanne 36 et le moyen de pilotage associé décrit ci-dessus forment ensemble un moyen de limitation agencé pour limiter une température du fluide caloporteur à une entrée du tronçon de transfert.
Limiter la température à l'entrée du tronçon de transfert 32 permet de limiter la température, et surtout la pression, du fluide entrant dans le compresseur en aval du circuit de captage. Le moyen de pilotage régule l'ouverture et la fermeture des deux sorties de la vanne (37) de sorte que : • une première partie du fluide caloporteur (refroidi par la pompe à chaleur) issu de la sortie du tronçon de transfert 32 est envoyé vers la première extrémité de l'échangeur thermique (31) par la première sortie SI de la vanne (37)
• une deuxième partie du fluide caloporteur issu de la sortie du tronçon de transfert 32 est relié à la deuxième extrémité de l'échangeur thermique 31 ,
• le fluide sortant de l'échangeur thermique est alors mélangé et refroidi par celui issu de la sortie SI de la vanne 37 et le fluide refroidi est envoyé vers le tronçon de transfert 32.
La température est limitée à l'entrée du tronçon de transfert à une valeur telle que la température et la pression à l'entrée du compresseur situé en aval soient inférieures à des valeurs maximales admissibles à l'entrée du compresseur. Par exemple, la température est limitée à l'entrée du tronçon de transfert à une valeur de l'ordre de +20°C de sorte que la température et la pression à l'entrée du compresseur situé en aval soient inférieures à des valeurs maximales admissibles, environ +20°C et 17 bars, à l'entrée du compresseur.
Le moyen de pilotage est activé notamment pour limiter la température dans le tronçon de transfert 32 au démarrage de la PAC et de la circulation du fluide à l'intérieur du circuit de captage ; ceci pour limiter la température du fluide sortant de l'échangeur thermique 31 après avoir stagné pendant un temps dans l'échangeur. Ainsi, au démarrage, dans la vanne 37, la sortie SI est ouverte et la sortie S2 est fermée de sorte que l'échangeur thermique est court- circuité. Puis, le moyen de pilotage ferme progressivement la sortie SI et ouvre progressivement la sortie S2 jusqu'à ce que le fluide circulant dans l'échangeur 31 atteigne une valeur nominale constante ou quasi-constante (fonctionnement stabilisé). Le moyen de pilotage peut être activé également pour limiter la température dans le tronçon de transfert 32 lorsque cette température se stabilise à une valeur nominale trop importante du fait de conditions météorologiques particulières. C'est le cas par exemple en phase diurne lorsque :
• 1.1a température extérieure est tempérée ou élevée (supérieure à 15-20°C) et que l'ensoleillement est fort
• 2.1a température extérieure est élevée (supérieure à 25-30°C) et que l'ensoleillement est faible Avec de telles conditions météorologiques, l'énergie thermique issue du rayonnement thermique du soleil que reçoit le panneau solaire hybride (11) élève la température de ce dernier et celle du fluide caloporteur du circuit de captage (30) à une température bien supérieure à celle de l'air ambiant environnant. Dans ce cas, le moyen de pilotage maintient la sortie S 1 partiellement ouverte et la sortie S2 partiellement fermée de sorte que :
• la température du fluide circulant dans le circuit de captage soit maximale pour améliorer fortement le coefficient de performance de la PAC,
• la température du fluide circulant dans le circuit de captage soit limitée à sa valeur maximale admissible.
Dans le système selon l'invention, est également prévu un moyen de pilotage agencé pour inverser la circulation de fluide dans l'échangeur thermique 31 :
• en ouvrant la première entrée El et en fermant la deuxième entrée E2 de la première vanne 36 et en fermant la première sortie SI et en ouvrant la deuxième sortie S2 de la deuxième vanne 37, ou • en fermant la première entrée El et en ouvrant la deuxième entrée E2 de la première vanne 36 et en ouvrant la première sortie SI et en fermant la deuxième sortie S2 de la deuxième vanne 37.
Les deux vannes 36, 37 et le moyen de pilotage associé décrit ci-dessus forment un moyen d'inversion 35 agencé pour entraîner en mouvement le fluide caloporteur à l'intérieur de l'échangeur thermique dans un premier sens ou dans un deuxième sens de circulation en fonction d'un état nocturne ou diurne environnant l'échangeur thermique. L'état diurne / nocturne peut être défini en fonction de la luminosité ambiante par rapport à une valeur de référence. Ou bien, notamment dans le cas d'un système tel que représenté utilisant un panneau hybride, en fonction d'une intensité du courant électrique produit par le panneau photovoltaïque par rapport à une valeur de référence.
La pompe à chaleur comprend également un circuit de transfert 40 comprenant, associés en série :
• un tronçon principal de réception 41 d'énergie thermique, couplé thermique au tronçon de transfert 32 pour recevoir de l'énergie thermique du circuit de captage ; le tronçon principal de réception 41 et le tronçon de transfert 32 forment ensemble un évaporateur principal de la pompe à chaleur,
• un compresseur 42 pour comprimer le fluide sortant du tronçon principal de réception 41 et transférer le fluide comprimé vers un tronçon principal de transfert 43 du circuit de transfert,
• un détendeur principal 44 pour détendre le fluide sortant du tronçon principal de transfert 43 et transférer le fluide détendu vers le tronçon principal de réception 41.
Le détendeur (ou vanne de détente) principal 44 sert à détendre et refroidir le fluide caloporteur avant transfert vers l'évaporateur, plus précisément vers le tronçon principal de réception 41 de l'évaporateur. Dans le cadre de l'invention, le circuit de transfert 40 comprend également un moyen d'injection de vapeur agencé pour vaporiser une partie du fluide caloporteur sortant du tronçon principal de transfert 43 à partir d'une énergie résiduelle d'une deuxième partie du fluide caloporteur sortant du tronçon principal de transfert 43 du circuit de transfert 40, et fournir le fluide vaporisé sur une entrée d'injection de vapeur du compresseur.
Le compresseur 42 de la pompe à chaleur est un compresseur à injection de vapeur intermédiaire ; il dispose de deux entrées et une sortie. La première entrée basse pression est reliée à l'évaporateur principal, et plus précisément à une sortie du tronçon principal de réception 41. La deuxième entrée moyenne pression est reliée au compresseur, et plus précisément à une sortie du tronçon principal de transfert 43, approximativement entre la moitié et les deux tiers de la course du compresseur. Cette deuxième entrée appelée port d'injection de vapeur sera utilisée pour améliorer le coefficient de performance du système, en particulier lorsque le ratio de pression absolue entre l'évaporateur et le condenseur, et / ou les besoins énergétiques de l'utilisateur dépasseront des seuils préprogrammés.
Le moyen d'injection de vapeur sert à améliorer le rendement du système (COP, coefficient de performance), notamment lorsque l'écart de température entre l'évaporateur principal (tronçon 41) et le condenseur (tronçon 43) devient supérieur à une valeur prédéfinie, usuellement 40°C. Dans le mode de réalisation représenté figure 2, le moyen d'injection de vapeur comprend : • un tronçon secondaire de réception 45 d'énergie thermique, agencé entre le tronçon principal de transfert 43 et le détendeur principal 44 pour recevoir de l'énergie thermique du tronçon de transfert du circuit de captage,
• un détendeur secondaire 47 pour détendre le fluide sortant du tronçon principal de transfert 43 et transférer le fluide détendu vers un tronçon secondaire de transfert 46 couplé thermiquement au tronçon secondaire de réception 45, une sortie de fluide du tronçon secondaire de transfert 46 étant reliée à l'entrée d'injection du compresseur 42, le tronçon secondaire de réception 45 et le tronçon secondaire de transfert 46 formant ensemble un évaporateur secondaire de la pompe à chaleur
Le tronçon de réception 45 et le tronçon de transfert 46 sont positionnés au plus proches l'un de l'autre et de telle façon que le sens de circulation du fluide à l'intérieur du tronçon de transfert 46 soit opposé au sens de circulation du fluide à l'intérieur du tronçon de réception 45 ; ils forment ainsi ensemble un évaporateur secondaire à rendement optimisé.
Le fluide frigorigène sortant du détendeur secondaire 47 (à l'état diphasique, c'est-à-dire liquide + vapeur) passe par Γ évaporateur secondaire 45, 46 dans lequel il est réchauffé (passage de l'état diphasique à vapeur surchauffée) par le fluide issu du tronçon principal de transfert 43 du condenseur, puis il est injecté dans le compresseur 42 par le port d'injection de vapeur de celui-ci.
Le compresseur 42 est un compresseur à vitesse variable et le moyen de régulation est agencé pour réguler une vitesse de rotation du compresseur (et donc la variation du volume de fluide déplacé dans le compresseur) en fonction de la température du fluide circulant dans l'échangeur thermique et / ou d'une demande en énergie du circuit de consommation de chaleur situé en aval. Le système représenté fïg. 2 comprend également un circuit de consommation de chaleur, de type distribution de chaleur 50. Le circuit de distribution de chaleur 50 à fluide caloporteur comprend, reliés en série :
• un tronçon de réception 51 agencé pour recevoir une énergie thermique du tronçon principal de transfert 43 du circuit de transfert 40, le tronçon de réception du circuit de distribution et le tronçon de transfert du circuit de transfert formant ensemble un condenseur de la pompe à chaleur, et
· trois consommateurs d'énergie thermique : un ballon d'eau chaude sanitaire ECS 52, un plancher chauffant 53 et un ballon d'eau chaude de chauffage ECC 54.
Le système peut encore comprendre (non représenté) un circuit de production d'électricité comprenant, reliés en série :
• un tronçon de réception agencé pour recevoir une énergie thermique du tronçon principal de transfert 43 du circuit de transfert 40, le tronçon de réception du circuit de production et le tronçon principal de transfert 43 du circuit de transfert formant ensemble un deuxième condenseur de la pompe à chaleur, et
• une turbine agencée pour produire de l'énergie électrique à partir d'un fluide circulant dans le tronçon de réception du circuit de production.
Le système représenté comprend également un onduleur photovoltaïque 12 pour convertir le courant continu produit par le panneau photovoltaïque 10 en un courant alternatif, monophasé ou triphasé selon la puissance électrique produite. A noter que l'aspiration de l'énergie thermique de l'échangeur 31 entraîne le refroidissement des cellules photovoltaïques du panneau photovoltaïque 10 ; ceci permet d'augmenter le rendement des cellules et donc d'augmenter la puissance photovoltaïque produite de l'ordre de 0,40 %/°C au-delà d'une température des cellules de 25°C. Egalement, l'électricité produite par le panneau photovoltaïque 10 et convertie par l'onduleur photovoltaïque, permet d'alimenter tout ou partie des éléments du système énergétique selon l'invention : circulateurs 33, 55, moyens de commande des vannes 36, 37, 44, 47, compresseur 42, dispositif de commande 70, etc. En cas de surplus de production (puissance photovoltaïque supérieure à la puissance consommée par les éléments du système énergétique), l'électricité pourra être consommée pour un usage domestique (éclairage, électroménager, etc.) et / ou injectée sur le réseau public de distribution et / ou stockées dans une batterie d'accumulateurs.
Le système comprend encore :
• une pluralité de sondes de température TT, agencées pour mesurer la température extérieure au système, la température des fluides en différents points du circuit de captage, du circuit de transfert et des circuits de consommation de chaleur,
· une sonde d'humidité MT, agencée pour mesurer une humidité de l'air extérieur auquel est exposé le panneau solaire hybride,
• une sonde de luminosité, agencée pour mesurer la luminosité à proximité du panneau hybride, et en déduire un état jour / nuit ; dans une variante, l'état jour / nuit est déduit de la valeur de l'intensité du courant produit par le panneau photovoltaïque, intensité mesurée par un ampèremètre IT
· une pluralité de sondes de pression PT, agencées pour mesurer une pression du fluide circulant à l'entrée et à la sortie du compresseur 42,
• un dispositif de commande 70 de l'ensemble du système.
Le dispositif 70 regroupes tous les moyens de régulation et tous les moyens de pilotage de tous les composants (compresseur, circulateurs, détendeurs, etc.) du système énergétique en fonction des paramètres météorologiques mesurés (température, hygrométrie, luminosité, etc., et notamment :
• le moyen de pilotage de l'ouverture et de la fermeture des vannes 36, 37 du circuit de captage
• le moyen de commande du circulateur 33 du circuit de captage,
• le moyen de commande du détendeur principal 44 et le moyen de commande du détendeur secondaire 47,
• le moyen de commande du compresseur 42 du circuit de transfert,
· et le moyen de régulation de la température de l'échangeur thermique 31, moyen de régulation qui agit sur l'ensemble des moyens de commande des composants du système décrit ci-dessus, pour réguler la température de l'échangeur thermique 31 à une valeur inférieure à la température de liquéfaction et / ou à la température de congélation de l'eau contenue dans l'air ambiant, en fonction de la température, de l'humidité et de la pression de l'air ambiant auquel est soumis l'échangeur thermique du système énergétique. Sur la figure 2, les traits en pointillés montrent les échanges de signaux entre le dispositif de commande 70 et les différents éléments du système :
• le dispositif 70 reçoit notamment une pluralité de signaux de mesure de température et de pression, en provenance des différentes sondes TT, PT, HT, etc., et • le dispositif transmet en retour des instructions aux vannes 36, 37, 44, 47, au compresseur 42, au circulateur 33, etc.
NOMENCLATURE
10 panneau photovoltaïque
11 panneau solaire hybride
12 onduleur
20 pompe à chaleur (PAC)
30 circuit de captage
31 échangeur thermique
32 tronçon de transfert
33 circulateur
35 moyen d'inversion
36 première vanne trois voies
37 deuxième vanne trois voies
40 circuit de transfert
41 tronçon principal de réception
42 compresseur
43 tronçon principal de transfert
44 détendeur principal
45 tronçon secondaire de réception
46 tronçon secondaire de transfert
47 détendeur secondaire
50 circuit de distribution de chaleur
51 tronçon de réception
52 ballon d'eau chaude sanitaire (ECS)
53 plancher chauffant
54 ballon d'eau chaude de chauffage (ECC)

Claims

REVENDICATIONS
1. Système énergétique comprenant un échangeur thermique (31) apte à absorber une énergie thermique de son environnement, une pompe à chaleur (20) apte à transférer de l'énergie de l'échangeur thermique vers un circuit de consommation de chaleur (50, 60), système caractérisé en ce que la pompe à chaleur comprend un moyen de régulation agencé pour réguler une température de l'échangeur thermique à une température inférieure à une température de liquéfaction et / ou de congélation de la vapeur d'eau de l'air ambiant.
2. Système selon la revendication 1, comprenant également un panneau photovoltaïque (10) couplé thermiquement à l'échangeur thermique (31), le panneau photovoltaïque et l'échangeur thermique formant ensemble un panneau solaire hybride (11).
3. Système selon l'une des revendications 1 à 2 dans lequel le moyen de régulation est également agencé pour, ponctuellement, réguler la température de l'échangeur thermique (11) à une température supérieure à la température de fusion de l'eau, pendant un temps prédéfini.
4. Système selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la pompe à chaleur (20) comprend un tronçon de transfert d'énergie (32) et un circulateur (33), l'échangeur thermique (31), le tronçon de transfert (32) et le circulateur (33), associés en série, formant ensemble un circuit de captage d'énergie (30) dans lequel le circulateur entraîne un fluide caloporteur.
5. Système selon la revendication 4 dans laquelle le circuit de captage comprend également un moyen de limitation agencé pour limiter une température du fluide caloporteur à une entrée du tronçon de transfert.
6. Système selon l'une des revendications 4 ou 5 dans lequel le circuit de captage (30) comprend également un moyen d'inversion (35) agencé pour entraîner en mouvement le fluide caloporteur à l'intérieur de l'échangeur thermique (31) dans un premier sens ou dans un deuxième sens de circulation en fonction d'un état nocturne ou diurne environnant l'échangeur thermique.
7. Système selon l'une des revendications 4 à 6 dans lequel le circuit de captage (30) comprend également :
• une première vanne (36) trois voies dont une première entrée (El) est reliée à une première extrémité de l'échangeur thermique (31), dont une deuxième entrée (E2) est reliée à une deuxième extrémité de l'échangeur thermique et dont une sortie (S) est reliée à une entrée du tronçon de transfert du circuit de captage, et
• une deuxième vanne (37) trois voies dont une entrée (E) est reliée à une sortie du tronçon de transfert du circuit de captage, dont une première sortie (SI) est reliée à la première extrémité de l'échangeur thermique et dont une deuxième sortie (S2) est reliée à la deuxième extrémité de l'échangeur thermique.
8. Système selon la revendication 7, comprenant également un moyen de pilotage agencé pour limiter la température à l'entrée du tronçon de transfert (32) en;
• ouvrant la première sortie (SI) de la deuxième vanne (37),
• fermant la deuxième sortie (S2) de de la deuxième vanne (37), • la deuxième entrée (E2) de la première vanne (36) étant maintenue fermée.
9. Système selon l'une des revendications 7 ou 8, comprenant également un moyen de pilotage agencé pour inverser la circulation de fluide dans l'échangeur (31) :
• en ouvrant la première entrée (El) et en fermant la deuxième entrée (E2) de la première vanne (36) et en fermant la première sortie (SI) et en ouvrant la deuxième sortie (S2) de la deuxième vanne (37), ou
• en fermant la première entrée (El) et en ouvrant la deuxième entrée (E2) de la première vanne (36) et en ouvrant la première sortie (SI) et en fermant la deuxième sortie (S2) de la deuxième vanne (37).
10. Système selon l'une des revendications 4 à 6 dans lequel la pompe à chaleur comprend également un circuit de transfert (40) comprenant, associés en série :
« un tronçon principal de réception (41) d'énergie thermique, couplé thermiquement au tronçon de transfert (32) pour recevoir de l'énergie thermique du circuit de captage, le tronçon principal de réception (41) et le tronçon de transfert (32) formant ensemble un évaporateur principal de la pompe à chaleur,
• un compresseur (42) pour comprimer le fluide sortant du tronçon principal de réception (41) et transférer le fluide comprimé vers un tronçon principal de transfert (43) du circuit de transfert,
« un détendeur principal (44) pour détendre le fluide sortant du tronçon principal de transfert (43) et transférer le fluide détendu vers le tronçon principal de réception (41). et dans lequel le circuit de transfert (40) comprend également un moyen de d'injection de vapeur agencé pour vaporiser une partie du fluide caloporteur sortant du tronçon principal de transfert (43) à partir d'une énergie résiduelle d'une deuxième partie du fluide caloporteur sortant du tronçon principal de transfert (43) du circuit de transfert (40), et fournir le fluide vaporisé sur une entrée d'injection de vapeur du compresseur.
11. Système selon la revendication 7 dans lequel le moyen d'injection de vapeur comprend :
• un tronçon secondaire de réception (45) d'énergie thermique, agencé entre le tronçon principal de transfert (43) et le détendeur principal (44) pour recevoir de l'énergie thermique du tronçon de transfert du circuit de captage,
· un détendeur secondaire (47) pour détendre le fluide sortant du tronçon principal de transfert (43) et transférer le fluide détendu vers un tronçon secondaire de transfert (46) couplé thermiquement au tronçon secondaire de réception (45), une sortie de fluide du tronçon secondaire de transfert (46) étant reliée à l'entrée d'injection du compresseur (42), le tronçon secondaire de réception (45) et le tronçon secondaire de transfert (46) formant ensemble un évaporateur secondaire de la pompe à chaleur
12. Système selon l'une des revendications 7 à 8 dans lequel le compresseur (42) est un compresseur à vitesse variable et dans laquelle le moyen de régulation est agencé pour réguler une vitesse de rotation du compresseur en fonction de la température du fluide circulant dans l'échangeur thermique et / ou d'une demande en énergie du circuit de consommation de chaleur situé en aval.
13. Système selon l'une des revendications 7 à 9 dans lequel le circuit de distribution de chaleur (50) à fluide caloporteur comprend, reliés en série : • un tronçon de réception (51) couplé thermiquement au tronçon principal de transfert (43) pour recevoir une énergie thermique du circuit de transfert (40), le tronçon de réception (51) du circuit de distribution et le tronçon de transfert du circuit de transfert formant ensemble un condenseur de la pompe à chaleur, et
• au moins un consommateur (52, 53, 54) d'énergie thermique.
14. Système selon l'une des revendications 7 à 10 comprenant également un circuit de production d'électricité à partir de fluide caloporteur, circuit de production comprenant reliés en série :
• un tronçon de réception agencé pour recevoir une énergie thermique du tronçon principal de transfert (43) du circuit de transfert (40), le tronçon de réception du circuit de production et le tronçon de transfert du circuit de transfert formant ensemble un deuxième condenseur de la pompe à chaleur, et
· une turbine agencée pour produire de l'énergie électrique à partir d'un fluide circulant dans le tronçon de réception du circuit de production.
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