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WO1986002432A1 - Micro-centrale thermo-electrique - Google Patents

Micro-centrale thermo-electrique Download PDF

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Publication number
WO1986002432A1
WO1986002432A1 PCT/FR1985/000287 FR8500287W WO8602432A1 WO 1986002432 A1 WO1986002432 A1 WO 1986002432A1 FR 8500287 W FR8500287 W FR 8500287W WO 8602432 A1 WO8602432 A1 WO 8602432A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat
water
engines
exchanger
production
Prior art date
Application number
PCT/FR1985/000287
Other languages
English (en)
Inventor
Robert Charles
Jules Antoine Chapelle
Original Assignee
Sc Glasoltherm
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 Sc Glasoltherm filed Critical Sc Glasoltherm
Publication of WO1986002432A1 publication Critical patent/WO1986002432A1/fr

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Classifications

    • 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
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D3/00—Hot-water central heating systems
    • F24D3/18—Hot-water central heating systems using heat pumps
    • 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
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    • Y02B10/70—Hybrid systems, e.g. uninterruptible or back-up power supplies integrating renewable energies
    • 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
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/12—Hot water central heating systems using heat pumps

Definitions

  • the invention lies in the combination of the two techniques described above and the effects of one on the other.
  • the assembly constitutes a thermoelectric micro-plant which has the particularity of not requiring any particular resource of water coming for example from a water table or from a river.
  • the evaporator and engine cooling water circuits are closed circuits.
  • thermoelectric micro-plant The energy necessary for the operation of the thermoelectric micro-plant is:
  • the fuel consumption due to heating is 395.6 m 3 of fuel per year, or 334 toe.
  • the micro-central solution makes it possible to satisfy these needs by consuming 3,237,500 kWh of gas, or 279 toe and 319,500 kWh of electricity, or 79 toe; in addition, the system produces 838,200 kWh of electricity, the production of which would have required the consumption of 210 toe by other means.
  • the complete balance sheet is detailed on the following diagram attached.
  • GLASOLTHERM The profitability of GLASOLTHERM depends directly on its number of hours of use at maximum power (the investment being almost proportional to the power). GLASOLTHERM alone for heating residential premises operates at around 2,200 hours / year at maximum power. GLASOLTHERM undue in a thermoelectric microcentral works at 3,500 h / year in the case mentioned above. Generally speaking, this annual number of hours of operation at maximum power is between 3,000 and 5,000 h / year.
  • This micro-power plant produces:
  • thermoelectric micro-plant An example of an association thus producing a thermoelectric micro-plant is described in diagram 1.
  • the proposed installation comprises eight hydraulic circuits: a) The circuit (1) for heat recovery from the exhaust gases: transfers the heat taken from the smoke / water exchanger (E4) at the two water / water exchangers connected in series (E1) for heating the heating floor circuit (7) and (E5) for heating the DHW production circuit (domestic hot water) (5).
  • the circuit (2) constitutes the cold loop: it ensures the transfer of the calories taken from the aerosol exchangers (ES) to the evaporator (EV), with the possibility of additional heating for very low temperatures thanks to the 'exchanger (E2) on the cooling of engines G1, G2, G3, G4.
  • This loop is regulated by the modulating three-way valve (W1) which guarantees a minimum temperature at the inlet of the evaporator (EV) (around - 7o C).
  • the heat transfer fluid is for example a solution of mono-ethylene glycol.
  • the circuit (3) is the cooling circuit of the
  • the circuit (4) constitutes the sanitary water loop.
  • the water in the three tanks (B1), (B2), (B3) mounted in parallel on this circuit is heated by direct passage through the exchanger (E6).
  • the solenoid valves at the inlet of each tank allow you to heat only the tanks that need it.
  • the DHW heating circuit (5) transfers in (E6) the calories taken off either in (E5) or on the condenser of the heat pumps (CO).
  • the circuit (6) provides terminal heating of the tank (B4) from the heat flow of the desuperheater (DE) of the heat pumps.
  • the heating floor heating circuit (7) allows the return of the floors to warm up by passing successively through the condensers (CO) (if applicable), then the exchangers (E1) and (E3).
  • the domestic water distribution circuit (8) includes the 4 tanks (B1), (B2), (B3), (B4) connected in series and the DHW loop supplied with mains water by EDV.
  • the three exchangers mentioned above correspond to DC, CB and BA.
  • the desuperheater (CD part) can operate partially in condenser during the transient operating conditions of the whole system, or even fully in condenser if the circulator of the loop discharging the thermal energy of condensation in the condenser (part CB) is stopped voluntarily according to the needs to satisfied. In this case, the condenser turns into a liquid reserve bottle. To achieve correct operation, it is necessary that the condenser-desuperheater is arranged above the condeirs-eizr to allow the evacuation by gravity of the condensates.
  • the sub-cooler (part BA) cools the liquid Freon at the outlet of the condenser from 50oC to 4oC in the example given by diagram 3 before expansion.
  • the sub-cooler does not transform into a condenser, to separate at the outlet of the condenser the phases gaseous and liquid Freon by placing a reserve bottle of liquid of sufficient volume to take account of rapid variations in Freon flow during transient phenomena.
  • a liquid sight glass is placed at the outlet of this one.
  • thermodynamic cycle in diagram 2 allows successively the preheating, heating and terminal heating of hot water with the following advantages:
  • the suitably sized de-superheater can be used as a condenser if necessary, giving the system great flexibility of use to meet demand during drawing (priority to such and such a balloon).
  • this solution makes much better use of the thermodynamic cycle by not degrading the temperature level (no mixing in a single heat exchanger of condensation and desuperheating heat).
  • the sub-cooling of the hot liquid at the outlet of the condenser and before expansion, results in a significant improvement in the coefficient of performance (COP) and therefore in a greater use of renewable energy: atmospheric and / or solar.
  • COP coefficient of performance
  • This solution leads to lower compression rates than if one sought to obtain water at the same temperature level with a single condenser. This naturally affects the life of the compressors.
  • We will note in the assembly described on diagram no 2 the importance of xamener the returns of loop of the DHW on the tank (B2) heated by the condenser (CO).
  • the desuperheating and subcooling powers are
  • thermodynamic circuit can find other outlets. Let us cite as an example the production of hot air thanks to the sub-cooler, of heating water thanks to the condenser, of domestic hot water thanks to the superheater.
  • the hot water tanks can also be produced in accordance with the diagram attached no 4 in which it will be noted that the heat exchanger (EC) of diagram no 2 is replaced by internal cylinders in the hot water tanks B1, B2 and B3 . These three tanks ensure the role of exchangers by their surface and that of the anti-short-cycle buffer by their volume. These points will be developed in 6o). 5o) The fact that the use of solar heat exchangers (ES) in the heat pump's heat source makes it possible to get rid of a local water resource (groundwater, river, lake ). The whole system works with closed circuits. 6o) The use of a tank of the type described on diagram no 4 for the production of domestic hot water. This balloon is made up of different capacities included in each other.
  • the external capacity marked (A) contains domestic hot water. It is heated thanks to the internal tanks B1, B2, B3. These three tanks act as exchangers due to their surface; they therefore replace the exchanger provided in diagram 1, which eliminates the need for a circulator. On the other hand, the exchange being done in stat iqùe (the velocities of the fluids, even during a drawing are very low), it is necessary to dimension the surfaces consequently. In addition to their exchange function, the three capacities
  • B1, B2, B3, play the role of anti shortcyle buffer.
  • the mass of the tanks B1, B2, B3 heats up avoiding trips of the high pressure safety devices of the compressors.
  • the third capacity included in the others, marked C, exists only in systems with separate ice storage (see variant 2) and serves as a reserve for de-icing the evaporator. It is filled with an antifreeze mixture and heated by its surface.
  • Variant 1 Use of an outdoor air / water heat pump instead of the water / water pump shown in diagram 1.
  • thermodynamic cycle makes it possible to use the two thermal resources according to the possibilities: when the air / water heat pump is unusable because of too low outside temperatures, recovery can be used on the engines.
  • the GLASOLTHERM system is capable of operating in very low outside temperatures while maintaining a performance coefficient greater than 2.5. This is achieved through ice storage.
  • the latent heat of transformation of ice water into cold source of the heat pump is used.
  • this storage does not exist, it is replaced by an additional heat exchanger in cold source E2 taking its heat from the circuit for recovering heat engines. That said, it is possible to foresee this storage in the diagram and that in two different ways:. Dissociated ice storage
  • the ice forms directly inside the storage volume (7) on submerged plates (9) mounted in a Tickelman loop in which the unfrozen fluid of the aerosol exchanger loop circulates.
  • the design of the plates arranged vertically and connected by fins welded to the ends is such (see diagram no 8) that it is possible to carry out icebreaking using excess solar energy.
  • the ice is then peeled off the surface of the submerged plates and rises to the surface of the stock.
  • V1 is closed at ⁇ and open at ⁇ .
  • FIG. 10 An example of a micro power plant with integrated ice storage is given in Figure 10.
  • Variant 2.2 In the case of dissociated ice storage, the transfer of calories from the recovery circuit (3) to storage takes place thanks to the evaporator exchanger EV operating in series with the exchanger E2 in diagram 1 thus constituting a figured "variant" diagram. in diagram No. 11. With the heat pump stopped and the valve V1 open, the anti-freeze fluid circulates from the exchanger E2 to the evaporator exchanger (EV).
  • An example of a microcentre with dissociated ice storage is given in diagram 12.

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Abstract

Moteur thermique (1) équipé en énergie totale et pompe à chaleur utilisant des compresseurs électriques (2) et puisant sa chaleur à l'atmosphère (chaleur de l'air et rayonnement solaire) par des échangeurs (8). L'ensemble a la particularité de ne nécessiter aucune ressource particulière en eau (tous les circuits étant des circuits fermés). La micro-centrale produit de l'électricité pouvant être vendue et/ou utilisée pour faire fonctionner les compresseurs et de la chaleur pour le chauffage de bâtiments par l'intermédiaire des émetteurs (10) et/ou de l'eau chaude sanitaire stockée dans le ballon (11).

Description

MICRO-CENTRALE THERMO-ELECTRIQUE I - ETAT DE L'ART
Il existe sur le marché de nombreux fabricants de moteurs thermiques Diesel ou moteurs à gaz. Ces moteurs peuvent être couplés à une génératrice synchrome ou asynchrome et montés en énergie totale ; c'est a dire qu'on récupère de la chaleur par refroidissement du moteur et des gaz d'échappement. On obtient ainsi une installation de production combinée de chaleur et d'électricité qui est donc un produit existant. Ce produit existe dans une gamme de puissance très étendue ; les moteurs étant. pour les petites puissances des moteurs de camion, pour les grosses puissances des moteurs lents (type marine). Ces moteurs existent pour pratiquement tous les combustibles : fuel, gaz, gaz de biomasse.
Par ailleurs, une technologie a été mise au point et brevetée sous le nom de GLASOLTHERM avec un certain nombre de variantes :
- Brevet nº 7708054, déposé le 17/03/77, publié sous le nº 2 384 214.
- Certificat d'addition nº 78 30638, déposé le 27/10/78, publié sous le nº 2 439 954.
- Brevet nº 8013831, déposé le 20/06/80, publié sous le nº 2 485 169. - Certificat d'addition nº 8112149 déposé le
19/06/81, publié sous le nº 2 508 144.
- Extension du brevet nº 80 13831 à l'Europe : brevet européen nº 81 400 986.6 du 19/06/81.
- Extension du brevet nº 80 13831 aux USA : nº 43 64 239 du 21/12/82.
- Brevet nº 81 08846, déposé le 05/05/81, publié sous le nº 2 505 474.
- Extension du brevet nº 81 08846 à l'Europe : Brevet européen nº 82 400 625.4 du 05/05/82. - Extension du brevet nº 81 08846 aux USA : nº 374 686 le 04/05/82. Il s'agit d'un système de production de chaleur à partir d'énergie électrique. Le. système comporte une pompe à chaleur utilisant des compresseurs électriques. La chaleur est puisée a l'atmosphère (chaleur sensible et latente) et provient aussi du rayonnement direct par le biais d'échangeurs solaires.
La production thermique se fait à trois niveaux de température correspondant à trois échangeurs en cascade sur le circuit thermodynamique, dénommés : désurchauffeur, condenseur, sous-refroidisseur. Ce système nouveau a fait l'objet d'un suivi scientifique durant deux saisons de chauffe.
Ce système, dès maintenant, peut être fabriqué par différents industriels spécialistes en matériel frigorifique. Il est également possible d'adapter la même production thermique à trois niveaux de température à des pompes à chaleur air extérieur/eau. DESCRIPTION DE L'INVENTION
L'invention réside dans l'association des deux techniques décrites ci-dessus et des incidences de l'une sur l'autre. L'ensemble constitue une micro-centrale thermoélectrique qui a la particularité de ne nécessiter aucune ressource particulière en eau provenant par exemple d'une nappe phréatique ou d'une rivière. Les circuits d'eau de l'évaporateur et du refroidissement des moteurs sont des circuits fermés.
L'énergie nécessaire au fonctionnement de la micro-centrale thermoélectrique est :
- de l'énergie thermique fournie par un combustible fossile liquide ou gazeux à hauteur de X % ,
- de l'énergie solaire provenant du captage du rayonnement solaire ou puisée dans l'atmosphère ambiante à hauteur de Y %,
- de l'énergie électrique fournie par le réseau centralise d'EDF à hauteur de Z %. Ainsi le choix du site d'implantation de l'installation est libéré d'un certain nombre de contraintes. L'adaptation au site climatique d'un projet et les choix de dimensionnement des différents éléments de la micro-centrale définissant les termes X, Y et Z. L'intérêt d'associer les deux éléments est double. . Par référence au moteur thermique seul, monté en énergie totale, l'association avec GLASOLTHERM permet d'économiser de l'énergie primaire.
Ceci peut être illustré par l'application à un cas particulier : chauffage de 200 logements.
Pour ce cas, la consommation de fuel due au chauffage est de 395,6 m3 de fuel par an, soit 334 tep. La solution micro-centrale permet de satisfaire ces besoins en consommant 3.237.500 kWh de gaz, soit 279 tep et 319.500 kWh d'électricité, soit 79 tep ; par ailleurs, le système produit 838 200 kWh d'électricité dont la production aurait nécessité par d'autres moyens la consommation de 210 tep. Le bilan complet est détaillé sur le diagramme suivant joint.
Figure imgf000005_0001
En résumé :
- la solution de référence conduit à une consommation de 334 + 210 = 544 tep.
- la solution microcentrale : _ 279 + 70 = 349 tep.
Economie en énergie primaire : 544 - 349 = 195 tep. Coefficient de performance en énergie primaire : 544
COP = = 1,56 349
Ce coefficient de performance est élevé grâce à l'utilisation de l'énergie solaire dans le système. Par référence au système GLASOLTHERM seul, l'association avec un moteur thermique monté en énergie totale permet de réduire de façon très importante la puissance de là machine GLASOLTHERM.
A titre d'exemple, en reprenant le cas cité précédemment, on arrive a un dimensionnement de 450 kW thermiques pour lés besoins thermiques nominaux de 1.514 kW. Le complément est assuré par les récupérations de chaleur sur les moteurs thermiques. Dans chaque cas, il convient de déterminer les parts respectives du moteur et de GLASOLTHERM dans la constitution de la puissance totale afin d'obtenir l'optimum économique. En effet, l'intérêt de réduire la puissance de GLASOLTHERM est économique.
La rentabilité de GLASOLTHERM dépend directement de son nombre d'heures d'utilisation a la puissance maximale (l'investissement étant quasiment proportionnel à la puissance). GLASOLTHERM seul pour une utilisation en chauffage de locaux d'habitation fonctionne à 2.200 heures/an environ a la puissance maxi. GLASOLTHERM indu dans une microcentrale thermoélectrique fonctionne a 3.500 h/an dans le cas cité précédemment. D'une façon générale, ce nombre annuel d'heures de fonctionnement à la puissance maximale est compris entre 3.000 et 5.000 h/an.
Cette micro-centrale produit :
- de l'électricité pouvant être vendue ou utilisée pour faire fonctionner des compresseurs frigorifiques électriques,
- de la chaleur par les récupérations sur les moteurs et les gaz d'échappement et aux différents échangeurs thermiques situés sur le circuit frigorifique. Un exemple d'association réalisant ainsi une micro-centrale thermo-électrique est décrit dans le schéma nº 1. L'installation projetée comprend huit circuits hydrauliques : a) Le circuit (1) de récupération thermique sur les gaz d' échappement : transfère la chaleur prélevée sur l'échangeur fumées/eau (E4) aux deux échangeurs eau/eau montés en série (E1) pour le chauffage du circuit des planchers chauffants (7) et (E5) pour le chauffage du circuit de production de l'ECS (eau chaude sanitaire) (5). b) Le circuit (2) constitue la boucle froide : il assure le transfert des calories prélevées sur les échangeurs aérosolaires (ES) vers l'évaporateur (EV), avec possibilité d'un complément de chauffage pour les très basses températures grâce à l'échangeur (E2) sur le refroidissement des moteurs G1, G2 , G3, G4. Cette boucle est régulée par la vanne trois voies modulante (W1) qui garantit une température minimale à l'entrée de l'évaporateur (EV) (de l'ordre de - 7º C).
Le fluide caloporteur est par exemple une solution de mono-éthylène glycol. c) Le circuit (3) est le circuit de refroidissement des
4 moteurs G1, G2, G3, G4 : montés en parallèle ; il permet d'évacuer le flux de chaleur grâce aux deux échangeurs (E3) sur le circuit de chauffage des planchers chauffants (7), et (E2) le cas échéant sur le circuit des échangeurs aérosolaires (ES). d) Le circuit (4) constitue la boucle d'eaμ sanitaire.
L'eau des trois ballons (B1), (B2), (B3) montés en parallèle sur ce circuit, est réchauffée par passage direct dans l'échangeur (E6). Les électrovannes à l'entrée de chaque ballon permettent de ne chauffer que les ballons qui en ont besoin. e) Le, circuit (5) de chauffage de l'ECS transfère en (E6) les calories prélevées soit en (E5) soit sur le condenseur des pompes à chaleur (CO). f) Le circuit (6) assure le chauffage terminal du ballon (B4) à partir du flux de calories du désurchauffeur (DE) des pompes à chaleur. g) Le circuit (7) de chauffage des planchers chauffants permet au retour des planchers de se réchauffer en passant successivement dans les condenseurs (CO) (s'il y a lieu), puis les échangeurs (E1) et (E3). h) Le circuit (8) de distribution de l'eau sanitaire comprend les 4 ballons (B1), ( B2), (B3), (B4) montés en série et la boucle d'ECS alimenté en eau de ville en EDV. On notera tout particulièrement :
1º) L'utilisation possible de la chaleur de récupération sur les moteurs et les gaz d'échappement pour relever le niveau de température d'entrée à l'évaporateur de la pompe à chaleur grâce à un échangeur nommé E2. 2º) L'utilisation du même échangeur E2 pour évacuer la chaleur de récupération en sécurité (la pompe à chaleur étant arrêtée). Il est donc possible d'employer, par ce moyen, les échangeurs solaires extérieurs en guise d'aéroréfrigérant. Ceci évite donc l'investissèment supplémentaire d'un aéroréfrigérant de grosse puissance. 3º) Le montage en parallèle des différents moto-alternateurs. 4º) La production de chaleur à deux niveaux de température pour l'eau chaude sanitaire lors du fonctionnement de la pompe à chaleur (ballons B1, B2, Ε3 réchauffés par le condenseur CO et B4 réchauffé par le désurchauffeur DE). Ce montage de production de l'eau chaude sanitaire peut être encore amélioré comme indiqué sur le schéma nº 2 où on utilise trois niveaux de température, grâce à trois échangeurs : désurchauffeur DE, condenseur CO, et sous-refroidisseur SR.
Le fonctionnement de ces trois échangeurs s'explique à partir du schéma 3 qui donne, à titre d'exemple, le diagramme enthalpique du Fréon 22 et sur lequel est figuré le cycle de fonctionnement de la boucle thermodynamique.
- FE correspond à l'évaporation dans l'évaporateur,
- ED à la compression du gaz par les compresseurs, - DC à la désurchauffe du gaz,
- CB à la condensation du gaz,
- BA au sous-refroidissement du Fréon liquide après condensation,
- AF à la détente du Fréon liquide de 20 bars a 3,1 bars, avant introduction dans l'évaporateur.
Les trois échangeurs visés précédemment correspondent à DC, CB et BA. Comme physiquement il est difficile de séparer la phase désurchauffe de la phase condensation, le dés urchauffeur (partie CD) peut fonctionner partiellement en condenseur durant les régimes transitoires de fonctionnement de l'ensemble du système, voire intégralement en condenseur si le circulateur de la boucle évacuant l'énergie thermique de condensation dans le condenseur (partie CB) est arrêté volontairement en fonction des besoins à satisfaire. Dans ce cas, le condenseur se transforme e.n bouteille de réserve de liquide. Pour réaliser un fonctionnement correct, il est nécessaire que le condenseur-désurchauffeur soit disposé au-dessus du condeirs-eizr pour permettre l'évacuation par gravité des condensats.
Il faut noter que la chaleur de condensation n'est pas transmise directement de CO à B2 mais qu'il est nécessaire de prévoir un échangeur intermédiaire EC correctement dimensionné.
Le sous-refroidisseur (partie BA) assure le refroidissement du Fréon liquide à la sortie du condenseur de 50ºC à 4ºC dans l'exemple donné par le schéma nº 3 avant détente. Durant les régimes transitoires de fonctionnement du système qui sont la règle du fait des variations climatiques auxquelles sont soumis les échangeurs solaires, i l est impératif, pour que le sous-refroidisseur ne se transforme pas en condenseur, de séparer à la sortie du condenseur les phases gazeuse et liquide de Fréon en disposant une bouteille de réserve de liquide de volume suffisant pour tenir compte des variations rapides de débit de Fréon durant les phénomènes transitoires. Pour contrôler le fonctionnement correct de la bouteille de réserve de liquide, un voyant de liquide est disposé à la sortie de celle-ci.
Cette exploitation du cycle thermodynamique dans le schéma nº 2 permet successivement le préchauffage, le chauffage et le chauffage terminal de l'eau chaude avec les avantages suivants :
- le déβurchauffeur convenablement dimensionné peut être utilisé en condenseur le cas échéant conférant au système une grande souplesse d'utilisation pour répondre a la demande en cours de puisage (priorité à tel ou tel ballon). - cette solution exploite beaucoup mieux le cycle thermodynamique en ne dégradant pas le niveau de température (pas de mélange dans un seul échangeur des chaleurs de condensation et de désurchauffe). Le sous-refroidissement du liquide chaud en sortie de condenseur et avant détente, se traduit par une amélioration sensible du coefficient de performance (COP) et donc par un recoures plus important à l'énergie renouvelable : atmosphérique et/ou solaire. - cette solution conduit à des taux de compression plus faibles que si l'on cherchait à obtenir l'eau au même niveau de température avec un seul condenseur. Ceci se répercute naturellement sur la durée de vie des compresseurs. On notera dans le montage décrit sur le schéma nº 2 l'importance de xamener les retours de boucle de l'ECS sur le ballon (B2) réchauffé par le condenseur (CO). Les puissances de désurchauffe et de sousrefroidissement sont en effet insuffisantes pour combattre les pertes en boucle.
Il est à noter que l'utilisation des trois échangeurs du circuit thermodynamique peut trouver d'autres débouchés. Citons à titre d'exemple la production d'air chaud grâce au sous-refroidisseur, d'eau de chauffage grâce au condenseur, d'eau chaude sanitaire grâce au dέsurchauffeur.
Les ballons d'eau chaude peuvent aussi être réalisés conformément au schéma joint nº 4 dans lequel on notera que l'échangeur de chaleur (EC) du schéma nº 2 est remplacé par des ballons internes aux ballons d'eau chaude B1, B2 et B3. Ces trois ballons assurent le rδle d'échangeurs par leur surface et celui de tampon anticourt-cycle par leur volume. Ces points seront développés au 6º). 5º) Le fait que l'utilisation d'échangeurs solaires (ES) en source froide de la pompe a chaleur permet de s'affranchir d'une ressource locale en eau (nappe phréatique, rivière, lac ...). L'ensemble du système fonctionne avec des circuits fermés. 6º) L'utilisation d'un ballon du type décrit sur le schéma nº 4 pour la production d'eau chaude sanitaire. Ce ballon est constitué de différentes capacités incluses les unes dans les autres. La capacité extérieure repérée (A) contient l'eau chaude sanitaire. Celle-ci est réchauffée grâce, aux ballons internes B1, B2, B3. Ces trois ballons assurent le rôle d'échangeur de par leur surface ; ils remplacent donc l'échangeur prévu sur le schéma nº 1, ce qui permet de se dispenser d'un circulateur. En revanche, l'échange se faisant en stat iqùe (les vitesses des fluides, même durant un puisage sont très faibles), il faut dimensionner les surfaces en conséquence. Outre leur fonction d'échange, les trois capacités
B1, B2, B3, jouent le rδle de tampon anti courtcyle. Lorsque le système délivre une puissance supérieure à celle qui peut être évacuée en instantané vers l'eau chaude sanitaire, la masse des ballons B1, B2, B3 se réchauffe évitant des déclenchements des sécurités de haute pression des compresseurs. La troisième capacité incluse dans les autres, repérée C, n'existe que dans les systèmes à stockage de glace dissocié (voir variante 2) et sert de réserve pour le déglaçage de l'évaporateur. Elle est remplie d'un mélange antigel et réchauffée par sa surface. Variantes
Outre ce qui précède, il est possible d'envisager un certain nombre de variantes dans le schéma d'ensemble : Variante 1 Utilisation d'une pompe à chaleur air extérieur/eau au lieu de la pompe eau/eau représentée sur le schéma nº 1.
Dans ce cas, en effet, on valorise toujours l'électricité par un coefficient de performance. De plus, avec ce matériel, il n'est toujours pas nécessaire de disposer d'une ressource en eau. Si une telle variante est utilisée il est à noter que l'on peut conserver le même mode d'utilisation du cycle thermodynamique avec trois échangeurs. Par ailleurs, le couplage moteur-pompe à chaleur permet d'utiliser les deux ressources thermiques au gré des possibilités : quand la PAC air/eau est inutilisable à cause de trop faibles températures extérieures, on peut utiliser la récupération sur les moteurs.
Il est d'ailleurs possible de prévoir le fonctionnement conjoint des moto-alternateurs et des pompes à chaleur à basse température extérieure en utilisant les récupérateurs de chaleur sur les groupes diesels comme préchauffage de l'air extérieur suivant le schéma nº 5.
Il est évident que dans ce cas il n'est plus possible de se passer d'un aéroréfrigérant de secours. Variante 2 Utilisation du stockage de glace de GLASOLTHERM
Le système GLASOLTHERM est capable de fonctionner par des températures extérieures très basses en conservant un coefficient de performance supérieur à 2,5. Ceci est réalisé grâce à un stockage de glace. On utilise la chaleur latente de transformation eau glace en source froide de la pompe à chaleur. Sur le schéma nº 1 présenté à titre d'exemple, ce stockage n'existe pas, on lui substitue un échangeur d'appoint en source froide E2 prélevant sa chaleur au circuit de récupération des moteurs thermiques. Cela dit, il est possible de prévoir ce stockage dans le schéma et cela de deux manières différentes : . Stockage de glace dissocié
L'utilisation de ce stockage dans le système GLASOLTHERM est figuré sur le schéma nº 6. La glace est formée sur l'évaporateur (1) et évacuée par déglaçage. Ce déglaçage utilise soit de l'eau chaude produite par la machine elle-même et stockée, par exemple dans la réserve C d'un ballon du type décrit sur le schéma nº 4 repéré (9), soit l'énergie solaire quand elle est excédentaire par rapport aux besoins.
. Stockage de glace intégré
L'utilisation de ce stockage dans GLASOLTHERM est figurée sur le schéma nº 7.
La glace se forme directement à l'intérieur du volume de stockage (7) sur des plaques immergées (9) montées en boucle de Tickelman dans lesquelles circule le fluide incongelable de la boucle des échangeurs aérosolaires.
La conception des plaques disposées verticalement et reliées par des ailettes soudées aux extrémités est telle (voir schéma nº 8) qu'il est possible de réaliser un déglaçage utilisant l'énergie solaire excédentaire. La glace est alors décollée de la surface des plaques immergées et remonte à la surface du stock.
Dans les deux modes de stockage, un secours d'eau de ville est possible pour fondre la gl ac e le s année s exc e pt i onne l leme nt fro id es .
L'introduction d'un stockage de glace dans le schéma général de l'invention objet du présent brevet permet d'envisager certaines possibilités nouvelles. Variante 2.1. Dans le cas du stockage de glace intégré, la réserve d'eau peut être utilisée pour stocker les excédents de chaleur produits par le moteur thermique. Ce stockage permettra de faire fonctionner la pompe à chaleur avec de meilleures performances. Le mode de stockage des calories excédentaires peut se faire en réutilisant l'échangeur E2 du schéma nº 1 suivant le montage "variante" du schéma nº 9. La vanne VI étant ouverte en α et la pompe à chaleur à l'arrêt, le circuit de récupération de chaleur (3) des groupes G1, G2, G3, G4 transfère via E2 les calories grâce à l'échangeur immergé E7. La vanne 3 voies
V1 est fermée en α et ouverte en β .
Un exemple de microcentrale à stockage de glace intégré est donné schéma 10. Variante 2.2. Dans le cas du stockage de glace dissocié, le transfert des calories du circuit de récupération (3) au stockage se fait grâce à l'échangeur évaporateur EV fonctionnant en série avec l'échangeur E2 du schéma 1 constituant ainsi un schéma "variante" figuré sur le schéma nº 11. La pompe a chaleur étant arrêtée et la vanne V1 ouverte en , le fluide antigel circule de l'échangeur E2 à l'échangeur évaporateur (EV). Un exemple de microcentrale à stockage de glace dissocié est donné schéma 12.
Variante 3
Introduction d'un stock chaud
Dans le schéma de base dont nous discutons, il n'est pas prévu de stock chaud dans la mesure où la chaleur est destinée au chauffage de bâtiments équipés de planchers chauffants. Dans ce cas particulier, le stockage de calories excédentaires peut être réalisé dans la dalle directement en profitant de l'importante inertie du béton. Dans le cas où il s'agirait de radiateurs, il pourrait être nécessaire de prévoir un stock chaud qui se rajouterait sur le schéma nº 1 suivant la variante figurée sur le schéma nº 13. Ce stock peut être a chaleur sensible où à chaleur latente. LEGENDE
SCHEMA DE LA MICROCENTRALE THERMOELECTRIQUE n° 1 0
1. Groupe électrogène
2. 2 compresseurs hermétiques
3. Condenseur désurchauffeur
4. Condenseur
5. Echangeur-évaporateur
7. Bac de stockage
8. Echangeurs solaires
9. Pompe de circulation échangeurs solaires
10. Emetteurs de chaleur
11. Echangeurs ECS
12. Clapet anti-retour
13. Echangeur à plaques
14. Pompe de circulation émetteurs de chaleur
15. Pompe de circulation ECS
16. Vanne 3 voies mέlangeuse
17. Vanne 3 voies de recharge thermique
18. Bouteille de réserve de liquide
19. Sous-refroidisseur
20. Gaine d'air de renouvellement du local à chauffer
21. Batterie de chauffage terminale
22. Ventilateur d'insufflation d'air de renouvellement
23. Pompe circuit réfrigération groupe électrogène LEGENDE
SCHEMA DE LA MICROCENTRALE THERMOELECTRIQUE n° 12
1. Groupe électrogène
2. 2 compresseurs hermétiques
3. Condenseur désurchauffeur
4. Condenseur
5. Ecbangeur-évaporateur
6. Pompe de recharge thermique
7. Bac de stockage
8. Echangeurs solaires
9. Pompe de circulation échangeurs solaires 10. Emetteurs de chaleur
11.. Echangeurs ECS
12. Clapet anti-retour
13. Echangeur a plaques
14. Pompe de circulation émetteurs de chaleur
15. Pompe de circulation ECS
16. Vanne 3 voies mélangeuse
18. Bouteille de réserve de liquide 19. Sous-refroidisseur
20. Gaine d'air de renouvellement du local à chauffer
21. Bactérie de chauffage terminale
22. Ventilateur d'insufflation d'air de renouvellemene
23. Pompe circuit réfrigération groupe έlectrogène LEGENDE
SCHEMA DE LA MICROCENTRALE THERMOELECTRIQUE DE L'ABREGE DESCRIPTIF
1. Groupe électrogène
2. 2 compresseurs hermétiques
3. Condenseur désurchauffeur
4. Condenseur
5. Echangeur-évaporateur
7. Bac de stockage
8. Echangeurs solaires
9. Pompe de circulation échangeurs solaires 10. Emetteurs de chaleur
11. Echangeurs ECS
12. Clapet anti-retour
13. Echangeur à plaques
14. Pompe de circulation émetteurs de chaleur
15. Pompe de circulation ECS
16. Vanne 3 voies mélangeuse
17. Vanne 3 voies de récharge thermique
18. Bouteille de réserve de liquide
19. Sous-refroidisseur
20. Gaine d'air de renouvellement du local à chauffer
21. Batterie de chauffage terminale
22. Ventilateur d'insufflation d'air de renouvellement
23. Pompe circuit réfrigération groupe électrogène

Claims

II - REVENDICATIONS
1. Système de production de chaleur/force caractérisé en ce que la production de force est assurée par des moteurs thermiques équipés en énergie totale consommant des combustibles liquides ou gazeux, fossiles ou provenant de la biomasse, en ce que la production complémentaire de chaleur a la récupération sur les moteurs thermiques est effectuée par un système de pompe à chaleur utilisant l'énergie solaire et/ou atmosphérique, et en ce qu'il ne nécessite aucune ressource en eau provenant par exemple d'une nappe phréatique ou d'une rivière, tous les circuits (y compris ceux de refroidissement du moteur thermique et de l'évaporateur) étant des circuits fermés et qu'il conduit à une économie d'énergie primaire
(coefficient de performance au moins égal à 1,3). L'optimum économique s'obtient en fixant au mieux les puissances respectives des moteurs thermiques et de la pompe à chaleur.
2. Système suivant la revendication nº 1 caractérisé en ce que la chaleur de récupération sur les moteurs thermiques peut être utilisée pour réchauffer le fluide d'entrée à l'évaporateur qu'il s'agisse d'air ou d'un fluide intermédiaire.
3. Système suivant la revendication nº 2 caractérisé en ce que le système de captage de l'énergie atmosphérique et/ou solaire peut servir de système d'évacuation en sécurité des calories du système de récupération de chaleur sur les moteurs thermiques.
4. Système suivant la revendication nº 1 caractérisé à ce qu'une partie de la chaleur peut servir à la production d'eau chaude sanitaire utilisant pour cela trois niveaux de température correspondant à trois parties distinctes du cycle frigorifique.
5. Système suivant la revendication nº 1 caractérisé en ce que la chaleur excédentaire produite par le circuit de récupération du moteur thermique peut être stockée dans un stock d'eau situé sur le circuit de source froide de la pompe à chaleur.
6. Système suivant la revendication nº 1 caractérisé en ce que la chaleur excédentaire du circuit de récupération sur les moteurs thermiques peut être stockée dans un stock chaud (chaleur sensible ou latente) situé sur le circuit de distribution de chaleur.
7. Ballon d'eau chaude sanitaire suivant la revendication nº 4 caractérisé en ce que la boucle de production d'E.C.S. comporte dans le ballon de stockage un échangeur stockeur comportant un volume suffisant pour éviter des court-cycles de la pompe à chaleur, et réalisé par exemple en empilant des fonds hémisphériques assemblés deux par deux par soudure.
8. Réserve de fluide chaud de déglaçage suivant la revendication nº 4 disposée à l'intérieur de la boucle de production d'E.C.S.
9. Echangeur à plaques suivant les revendications nº 1 et 5, disposé dans un stock d'eau froide et tel qu'on puisse successivement former de la glace sur ses plaques, puis la décoller par circulation d'un fluide de déglaçage dans l'échangeur, la glace remontant alors à la surface du stock d'eau froide.
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