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FR2493487A1 - Outdoor heat pump system - has heat pump type heating and cooling unit with heat collecting and radiating panel disposed outdoors and indoor air-conditioning unit - Google Patents

Outdoor heat pump system - has heat pump type heating and cooling unit with heat collecting and radiating panel disposed outdoors and indoor air-conditioning unit Download PDF

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FR2493487A1
FR2493487A1 FR8023310A FR8023310A FR2493487A1 FR 2493487 A1 FR2493487 A1 FR 2493487A1 FR 8023310 A FR8023310 A FR 8023310A FR 8023310 A FR8023310 A FR 8023310A FR 2493487 A1 FR2493487 A1 FR 2493487A1
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France
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heat
heating
panel
refrigerant
radiation
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FR8023310A
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Toshiyuki Hino
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Kajima Corp
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Abstract

A heat pump type heating and cooling source system has a heat collecting and radiating panel connected in a primary medium circulating circuit arranged for heat exchange relation with a secondary medium circulating circuit including an indoor air-conditioning unit. The heat collecting and radiating panel is disposed outdoors to stand substantially normal to the horizontal and is oriented to extend from east to west. Surface treatment is applied to improve the rate of heat radiation.

Description

Système de chauffage et de réfrigération utilisant une pompe à chaleur à source solaire et atmosphérique
La présente invention concerne un système de chauffage et de réfrigération utilisant une pompe à chaleur à source solaire et atmosphérique. Elle se rapporte plus particulièrement à un élément d'extérieur d'un tel système, ainsi qu'à des perfectionnements au sein de ce système.
Heating and refrigeration system using a solar and atmospheric heat pump
The present invention relates to a heating and refrigeration system using a solar source and atmospheric heat pump. It relates more particularly to an outdoor element of such a system, as well as to improvements within this system.

Dans un système de chauffage par pompe à chaleur classique utilisant le rayonnement solaire, un panneau recueillant la chaleur est disposé avec une inclinaison de 30 à 600 ou en suivant l'inclinaison d'un toit dans le but d'accroltre la quantité d'énergie solaire recueillie sur ce panneau. In a conventional heat pump heating system using solar radiation, a heat collecting panel is arranged with an inclination of 30 to 600 or following the inclination of a roof in order to increase the amount of energy solar collected on this panel.

Un tel système classique a cependant un défaut inévitable la chaleur ne peut être recueillie en l'absence de rayonnement solaire ce qui est le cas les jours nuageux ou la nuit. Même si de la chaleur est prelévée sur l'air ambiant, la quantité prélevée est très petite I1 en résulte que la valeur du rendement global est considérablement abaissée . Such a conventional system, however, has an inevitable defect heat can not be collected in the absence of solar radiation which is the case on cloudy days or at night. Even if heat is raised on the ambient air, the amount withdrawn is very small. As a result, the value of the overall yield is considerably lowered.

Pour éviter l'inconvénient cité ci-dessus la présente invention a pour premier objet de fournir un nouveau système qui permette d'obtenir la même efficacité par convection naturelle qu'un système à pompe à chaleur classique à source d'air en l'absence de rayonnement solaire et qui permette en outre d'obtenir une efficacité accrue en présence de rayonnement solaire. In order to avoid the drawback mentioned above, the object of the present invention is first of all to provide a new system which makes it possible to obtain the same efficiency by natural convection as a conventional air source heat pump system in the absence solar radiation and which also allows to obtain increased efficiency in the presence of solar radiation.

La présente invention concerne donc un système de chauffage et de réfrigération utilisant une pompe à chaleur à source solaire et atmosphérique, ce système étant caractérisé par le fait qu'il comporte - un circuit pour la circulation d'un fluide réfrigérant primaire avec utilisation de la chaleur latente de ce fluide réfrigérant, - un circuit pour la circulation d'un fluide secondaire disposé en relation d'échange thermique avec ledit circuit pour la circulation du fluide primaire et comportant un organe d'action propre à assurer le chauffage ou le refroidissement souhaité, - et au moins un élément de collection et de rayonnement de chaleur présentant la forme d'un panneau et connecté dans ledit circuit pour la circulation du milieu réfrigérant primaire cet élément de collection et de rayonnement de chaleur étant disposé a l'extérieur de manière sensiblement normale à l'horizontale et étant adapte à absorber de la chaleur à partir du rayonnement solaire et à partir de l'amosphère, et étant aussi adapté à évacuer de la chaleur dans l'atmosphère, - ledit fluide réfrigérant primaire en circulation dans ledit système circulant, lorsqu sgagit de réaliser un chauffage en hiver, dans ledit élément en forme de panneau a une températutre d'évaporation qui n'excède pas sensiblement celle de l'air environnant et élément ee qui permet à ce fluide réfrigérant primaire d'absorber le rayonne- ment solaire et la chaleur atmosphérique, ce même flua réfrigérant primasse circulant, lorsqu'il agit de réaliser un refroidissement en été, a une température de ondensation dépassant la tampérature de l'air environnant cet élément en forme de panneau, ce qui permet à ce fluide réfrigérant d'évacuer de la chaleur dans l'atmosphère à travers cet élément, ledit fluide réfrigérant primaire constitua essentiellemant le seul élement fluide utilisé dans le systeme pour absorber de la chaleur à partir du milieu extérieur et pour l'évacuer dans ce milieu. The present invention therefore relates to a heating and refrigeration system using a heat pump solar source and atmospheric, this system being characterized in that it comprises - a circuit for the circulation of a primary coolant with use of the latent heat of this refrigerant fluid, - a circuit for the circulation of a secondary fluid disposed in heat exchange relation with said circuit for the circulation of the primary fluid and having an action member adapted to provide the desired heating or cooling and at least one heat-collecting element and heat radiation in the form of a panel and connected in said circuit for the circulation of the primary coolant medium, this heat collection and radiation element being disposed outside so that substantially normal to the horizontal and being adapted to absorb heat from the ground radiation and from the amosphere, and being also adapted to evacuate heat in the atmosphere, - said primary coolant circulating in said circulating system, when it is required to carry out heating in winter, in said element in the form of panel has an evaporation temperature which does not substantially exceed that of the surrounding air and ee element which allows this primary coolant to absorb the solar radiation and the atmospheric heat, this same circulating coolant circulating, when it acts to carry out cooling in summer, at a temperature of ondensation exceeding the air temperature surrounding this panel-shaped element, which allows this refrigerant to evacuate heat into the atmosphere through this element, said primary coolant was essentially the only fluid element used in the system to absorb heat from the outside and to evacuate it in this environment.

Selon cette invention un équilibre thermique approprié est obtenu entre la chaleur solaire et la chaleur provenant de l'atmos- phère recueillies sur l'élément en forme de panneau grâce à la disposition sensiblement verticale de cet élément, disposition qui minimise la quantité de rayonnement solaire reçue par le panneau
Même si la quantité de rayonnement solaire reçue est diminuée il n'y a ni perte appréciable de chaleur due au rayonnement, ni diminution d'efficacité de captation de chaleur puisque la température de la chaleur collectée est maintenue égale ou inférieure à la tempéra- ture de l'air extérieur grâce à l'action de la pompe à chaleur.
According to this invention a suitable thermal equilibrium is obtained between the solar heat and the heat from the atmosphere collected on the panel-shaped element by virtue of the substantially vertical arrangement of this element, which arrangement minimizes the amount of solar radiation. received by the panel
Even if the amount of solar radiation received is decreased there is no appreciable loss of heat due to radiation, nor a decrease in heat capture efficiency since the temperature of the heat collected is kept at or below the temperature. outside air thanks to the action of the heat pump.

Dans le mode de réalisation préféré, le fluide réfrigérant primaire est conçu pour circuler, lorsque les besoins de chauffage en hiver l'exigent, dans l'élément en forme de panneau à une température de vaporisation variant de -20 C à +20 C quand l'air froid ambiant est à une température supérieure à -20 C. Dans ce même mode de réalisation ce fluide est conçu pour circuler en été pour les besoins de réfrigération à une température de condensation variant de OOC à 600C quand l'air ambiant dépasse environ 35 0C.  In the preferred embodiment, the primary coolant is designed to circulate, when winter heating requirements dictate, in the panel-shaped member at a vaporization temperature ranging from -20 C to + 20 C when the ambient cold air is at a temperature higher than -20 C. In this same embodiment, this fluid is designed to circulate in summer for the needs of refrigeration at a condensing temperature ranging from OOC to 600C when the ambient air exceeds approximately 35 ° C.

En outre, ledit élément collectant et rayonnant la chaleur est soumis à un traitement de surface utilisant un matériau qui améliore le taux de rayonnement thermique.In addition, said heat collecting and radiating element is subjected to a surface treatment using a material which improves the rate of thermal radiation.

Ce qui suit est une brève description des figures ci-jointes. The following is a brief description of the figures attached.

La figure 1 est un schéma du circuit hydraulique d'un mode de réalisation préféré de la présente invention. Fig. 1 is a schematic diagram of the hydraulic circuit of a preferred embodiment of the present invention.

La figure 2 est une vue schématique en coupe selon la ligne AA' de la figure 1, destinée à montrer la structure d'un panneau rayonnant et collectant la chaleur. Figure 2 is a schematic sectional view along line AA 'of Figure 1, intended to show the structure of a radiating panel and collecting heat.

La figure 3 est une vue schématique de côté en élévation, montrant un ensemble de panneaux collectant et rayonnant la chaleur, disposés de manière sensiblement perpendiculaires à l'horizontale. Figure 3 is a schematic side elevational view, showing a set of panels collecting and radiating heat, arranged substantially perpendicular to the horizontal.

La figure 4a est une vue de face en élévation des panneaux de la figure 3. FIG. 4a is a front view in elevation of the panels of FIG.

La figure 4b est une vue en perspective d'une version modifiée de ces panneaux. Figure 4b is a perspective view of a modified version of these panels.

Les figures 5a et 5b sont des schémas de principe montrant les cycles fondamentaux du système selon la présente invention. Figs. 5a and 5b are schematic diagrams showing the basic cycles of the system according to the present invention.

Les figures 6a et 6b sont des diagrammes P-h de ce système :
P représentant la pression et h l'enthalpie. Sur ces figures les parties du diagramme représentant les variations de ces grandeurs dans un élément du système sont désignées par le même nombre de référence que cet élément.
Figures 6a and 6b are Ph diagrams of this system:
P representing the pressure and h enthalpy. In these figures, the parts of the diagram representing the variations of these quantities in an element of the system are designated by the same reference number as this element.

La figure 7 est une vue semblable à la figure 1 mais représentant une modification du système selon la présente invention. Figure 7 is a view similar to Figure 1 but showing a modification of the system according to the present invention.

La figure 8 est un schéma de circuit hydraulique montrant un cycle d'absorption de chaleur selon une autre modification du système selon la présente invention. Fig. 8 is a hydraulic circuit diagram showing a heat absorbing cycle according to another modification of the system according to the present invention.

La figure 9 est un schéma de circuit hydraulique montrant le cycle de rayonnement de chaleur dans la variante indiquée dans la figure 8. Fig. 9 is a hydraulic circuit diagram showing the heat radiation cycle in the variant shown in Fig. 8.

La figure 10 est un schéma de circuit hydraulique montrant le cycle d'absorption de chaleur dans une autre variante du système selon la présente invention. Fig. 10 is a hydraulic circuit diagram showing the heat absorbing cycle in another variation of the system according to the present invention.

On va maintenant décrire des modes de réalisation préférés de la présente invention.  Preferred embodiments of the present invention will now be described.

Le schéma de la figure 1 montre une application d'un mode de réalisation préféré du système de chauffage et réfrigération par pompe à chaleur à source atmosphérique et solaire selon la présente invention, ce système étant appliqué au dispositif de conditionnement d'air d'une maison. Dans la figure 1, les flèches en trait plein indiquent le cycle de chauffage de la pompe à chaleur et les flèches en trait discontinu indiquent le cycle de réfrigération de celle-ci. The diagram of FIG. 1 shows an application of a preferred embodiment of the solar and atmospheric heat pump heating and cooling system according to the present invention, this system being applied to the air conditioning device of a House. In Figure 1, the solid arrows indicate the heating cycle of the heat pump and the broken arrows indicate the refrigeration cycle of the heat pump.

Dans la figure 1 le système comporte au minimum un panneau 1 rayonnant et collectant la chaleur. Ce panneau est disposé au sommet de la maison ou sur le toit, dans un plan sensiblement normal à l'horizontale comme l'indique la figure 3. Le panneau 1 rayonnant et collectant la chaleur est du type "feuille et tube" qui peut être fabriqué avec une bonne productivité. La méthode à joint roulé appelée en anglais "roll-bond" sur feuilles d'aluminium est spécialement appropriée pour la fabrication en série de tels panneaux à bas prix de revient. Le panneau 1 rayonnant et collectant la chaleur comporte des segments de tube 1' assurant la circulation du réfrigérant et un segment d'ailette 1" comme on le voit sur la figure 2.Un réfrigérant tel que le fluorocarbone vendu sous la marque fréon R22 traverse un compresseur 6 et parcourt les conduits en étant convenablement orienté par une vanne à quatre voies 5 de façon à effectuer, soit le cycle d'absorption de chaleur dans lequel la température du panneau 1 est inférieure à la température de l'air extérieur ce qui permet au panneau d'absorber la chaleur provenant de l'air ambiant, soit le cycle de rayonnement de chaleur dans lequel la température du panneau 1 est supérieure à la température de l'air extérieur, ce qui lui permet d'abandonner de la chaleur à l'air ambiant. Comme dans un dispositif classique, le système de la présente invention comporte des vannes de contrôle 2, 4, 13 et 14, une vanne d'expansion 3 et un récepteur de réfrigérant 7.Ce circuit de fluorocarbone a pour but de permettre un échange de chaleur au niveau d'un échangeur 8 alimenté en eau. L'eau chaude ou froide obtenue à la suite de l'échange de chaleur dans l'échangeur 8 est entraînée dans un réservoir de stockage 11, par l'intermédiaire d'une pompe 12, pour y être stockée. In Figure 1 the system comprises at least a panel 1 radiating and collecting heat. This panel is disposed at the top of the house or on the roof, in a plane substantially normal to the horizontal as shown in Figure 3. The panel 1 radiating and collecting the heat is of the type "sheet and tube" which can be manufactured with good productivity. The roll-bond rolled bond method on aluminum foils is especially suitable for the mass production of such panels at low cost. The radiating and heat-collecting panel 1 comprises tube segments 1 'ensuring the circulation of the refrigerant and a segment of fin 1 "as seen in FIG. 2. A refrigerant such as the fluorocarbon sold under the brand Freon R22 crosses a compressor 6 and traverses the ducts being properly oriented by a four-way valve 5 so as to perform either the heat-absorbing cycle in which the temperature of the panel 1 is lower than the temperature of the outside air which allows the panel to absorb heat from the ambient air, the heat radiation cycle in which the temperature of panel 1 is greater than the outside air temperature, which allows it to give up heat As in a conventional device, the system of the present invention comprises control valves 2, 4, 13 and 14, an expansion valve 3 and a refrigerant receiver 7.This circuit The purpose of fluorocarbon is to allow heat exchange at a heat exchanger 8 supplied with water. The hot or cold water obtained as a result of the heat exchange in the exchanger 8 is entrained in a storage tank 11, via a pump 12, to be stored therein.

Elle est reprise dans ce réservoir au moment voulu par l'intermédiaire d'une autre pompe 10 pour alimenter un élément intérieur, par exemple un radiateur 9 placé dans une pièce. It is taken up in this tank at the desired time by means of another pump 10 for supplying an inner element, for example a radiator 9 placed in a room.

Lorsque, dans le cas du cycle d'absorption de chaleur, la température de vaporisation du fluorocarbone est établie entre -200C et +200C environ, compte tenu de celle de l'air ambiant un jour d'hiver, ceci permet théoriquement la collection de chaleur par prélèvement sur un air ambiant au-dessus de -20 C, et par conséquent permet aussi de stocker et l'eau chaude à environ 450C dans le réservoir de stockage 11.Par contre, dans le cas du cycle de rayonnement de chaleur en été, de l'eau froide peut être stockée en quantité suffisante meme Si la température de l'air ambiant est d'environ 350C, puisque la température de condensation de réfrigérant circulant dans le panneau 1 collectant et rayonnant la chaleur est fixée entre environ 40 C et 600C et puisque la température de l'air ambiant au cours de la nuit est inférieure à celle-ci. La température de l'eau froide ainsi stockée peut être maintenue entre 50C et 80C par exemple ce qui est suffisant pour les besoins de réfrigération. When, in the case of the heat-absorption cycle, the vaporization temperature of the fluorocarbon is set between -200 ° C and + 200 ° C, given that of the ambient air on a winter day, this theoretically allows the collection of heat by sampling on ambient air above -20 C, and therefore also allows storage and hot water at about 450C in the storage tank 11.By cons, in the case of heat radiation cycle in summer, cold water can be stored in sufficient quantity even if the ambient air temperature is about 350C, since the condensing temperature of refrigerant circulating in the panel 1 collecting and radiating heat is set between about 40 C and 600C and since the ambient air temperature during the night is lower than this. The temperature of the cold water thus stored can be maintained between 50C and 80C, for example, which is sufficient for refrigeration purposes.

En général, dans le cas du cycle d'absorption de chaleur, la température du fluide réfrigérant ne dépasse pas notablement la température de l'air environnant le panneau, ceci pour permettre l'absorption de chaleur solaire et atmosphérique. In general, in the case of the heat absorption cycle, the temperature of the coolant does not significantly exceed the temperature of the air surrounding the panel, this to allow the absorption of solar and atmospheric heat.

Dans le cas du cycle de rayonnement de chaleur, la température du fluide réfrigérant dépasse la température de l'air ce qui assure le transfert de chaleur par contact du panneau avec l'air environnant et par rayonnement à basse température. In the case of the heat radiation cycle, the temperature of the refrigerant exceeds the temperature of the air which ensures the heat transfer by contact of the panel with the surrounding air and by low temperature radiation.

On peut obtenir un fonctionnement particulièrement efficace du système par rayonnement de chaleur vers l'extérieur principalement pendant la nuit ce qui permet un stockage d'eau froide et son utilisation pour les besoins de réfrigération pendant le jour. Particularly effective operation of the system by radiating heat to the outside can be achieved mainly during the night which allows storage of cold water and its use for refrigeration needs during the day.

L'impossibilité de réfrigérer en été peut être évitée puisque de la chaleur peut être rayonnée vers l'extérieur même pendant le jour quand la température de l'eau stockée dans le réservoir de stockage 11 s'élève.The impossibility of refrigerating in summer can be avoided since heat can be radiated outward even during the day when the temperature of the water stored in the storage tank 11 rises.

La figure 3 montre un ensemble de panneaux 1 rayonnant et collectant la chaleur disposés parallèlement les uns aux autres au sommet de la maison ou sur son toit dans des plans perpendiculaires à l'horizontale. La figure 4a est une vue de face d'un de ces panneaux 1. La figure 4b montre une variante de ces panneaux.  Figure 3 shows a set of radiating and heat collecting panels 1 arranged parallel to each other at the top of the house or on its roof in planes perpendicular to the horizontal. Figure 4a is a front view of one of these panels 1. Figure 4b shows a variant of these panels.

Un distributeur de réfrigérant 15 et un rechauffeur 16 sont reliés à ces panneaux 1. La surface de ces panneaux rayonnant et collectant la chaleur est traitée avec un war. au de revêtement tel qu'une peinture noire ou blanche qui améliore l'efficacité du rayonnement de la chaleur.Comme il a été décrit ci-dessus cette amélioratIon de l'efficacité du rayonnement de chaleur est le résultat de la facilité d'absorption du rayonnement solaire et de chaleur provenant des sources de chaleur au soi pendant le cycle d'absorption de chaleur et d"n meilleur Laux de rayonnement des infrarouges provenant des panneaux 1 eux mêmes rayonnement c-----zlleetant la chaleur pendant le cycle de rayonnement de chaleur. PaP exemple un revêtement noir ou analogue convient aux dey cas J- absorption et de rayonnement de chaleur puisque présente u taux levé d'absorption de chaleur (= taux de rayonnement de chalewr) de l'ordre de a,g à la fois dans les domaines spectraux visible et infrarouge. Par contre, le revetement blanc ou analogue convient uniquement pour le rayonnement de la chaleur puisqu il présente un faible taux d'absorption de chaleur (rayonnement) de l'ordre de 0,1 ) 0,2 dans le à visible et un taux élevé d'absorption de chaleur (rayonnement) do l'ordre de 0,9 équivalent à celui du revêtement noir dans le domaine spectre infrarouge.En outre, la surface des panneaux 1 collectant et rayonnant la chaleur peuvent avoir un revêtement noir sur le té recevant le rayonnement solaire et un revetement blanc sur la face opposée. A coolant distributor 15 and a heater 16 are connected to these panels 1. The surface of these radiant and heat collecting panels is treated with a war. Such a coating, such as black or white paint, improves the efficiency of heat radiation. As described above, this improvement in the efficiency of heat radiation is the result of the ease of absorption of the heat. solar radiation and heat from the heat sources to the self during the heat-absorbing cycle and from the best infrared radiation from the panels 1 themselves radiation radiating heat during the cycle of For example, a black coating or the like is suitable for both absorption and heat radiation since it has a high rate of heat absorption (= radiation rate of heat) of the order of a, g to both in the visible and infrared spectral ranges, whereas the white coating or the like is only suitable for heat radiation since it has a low rate of heat absorption (radiation) of the order of 0.1) 0.2 in the visible range and a high rate of heat absorption (radiation) of the order of 0.9 equivalent to that of the black coating in the infrared spectrum range. the surface of the heat-collecting and radiating panels 1 may have a black coating on the solar-receiving tee and a white coating on the opposite side.

Au lieu d'appliquer un matériau de revêtement, on peut colorer par traitement chimique les panneaux 1 rayonnant et collectant la chaleur. Un tel traitement de surface est particulièrement nécessaire pour la surface brillante d'un métal par exemple l'aluminium, qui présente un bas taux d'absorption de chaleur et de rayonnement de l'ordre de 0,1 à la fois dans les domaines spectraux visible et infrarouge ce qui entraîne par conséquent une réduction de la capacité d'échange de chaleur par rayonnement.Instead of applying a coating material, the radiating and heat collecting panels 1 can be chemically stained. Such a surface treatment is particularly necessary for the shiny surface of a metal, for example aluminum, which has a low rate of absorption of heat and radiation of the order of 0.1 at a time in the spectral domains. visible and infrared which consequently leads to a reduction in the heat exchange capacity by radiation.

A condition que l'opération de dissipation de chaleur soit réservée aux heures de nuit, les deux faces du panneau seront peintes en noir, ce qui permettra d'absorber l'énergie solaire sur les deux faces ceci plus particulièrement lorsque cette énergie provient uniformément de toutes les régions du ciel.  Provided that the heat dissipation operation is reserved for night hours, both sides of the panel will be painted black, which will absorb the solar energy on both sides, especially when this energy comes uniformly from all the regions of the sky.

L'angle de 900 que fait le panneau avec l'horizontale est établi en tenant compte de ce qui suit (1) absorption de chaleur solaire en hiver (2) pouvoir suffisant d'échange de chaleur avec l'air extérieur, (3) participation proprement solaire qui peut être reprise par
une source d'air sans mesures extrêmes (4) minimisation de l'accumulation de neige pour éviter toute isolation
thermique (5) minimisation de l'accumulation de poussière pour empecher la
corrosion du panneau et éviter le nettoyage périodique du panneau,
et, (6) minimisation du chauffage du panneau par insolation en été
si la dissipation de la chaleur est nécessaire dans la journée.
The angle of 900 that the panel makes with the horizontal is established taking into account the following (1) solar heat absorption in winter (2) sufficient heat exchange capacity with outside air, (3) proper solar participation that can be taken up by
an air source without extreme measures (4) minimization of snow accumulation to avoid any insulation
thermal (5) minimization of dust accumulation to prevent
corrosion of the panel and avoid periodic cleaning of the panel,
and, (6) minimizing panel heating by summer insolation
if the dissipation of heat is necessary in the day.

La configuration verticale satisfait à presque toutes les exigences mentionnées ci-dessus. The vertical configuration meets almost all the requirements mentioned above.

Le but de l'invention est d'employer l'énergie solaire dans les meilleures conditions tout en assurant une capacité suffisante de la source d'air. Il en résulte que dans le cas de fonctionnement exclusif sur la source d'air, la température de vaporisation du réfrigérant ne devrait pas être inférieure à celle des pompes à chaleur classiques à source d'air qui ont la même température extérieure pour maintenir la puissance de chauffage par temps nuageux. The object of the invention is to use solar energy under the best conditions while ensuring sufficient capacity of the air source. As a result, in the case of exclusive operation on the air source, the vaporization temperature of the refrigerant should not be lower than that of conventional air source heat pumps which have the same external temperature to maintain the power. heating in cloudy weather.

Dans le cas de fonctionnement solaire complet, la température du panneau ne devrait pas être supérieure à celle de l'air ambiant pour prévenir une perte de chaleur, tout en accroissant l'efficacité thermodynamique par temps ensoleillé.In the case of complete solar operation, the panel temperature should not be greater than that of the ambient air to prevent heat loss, while increasing the thermodynamic efficiency in sunny weather.

En relation avec ce qui précede, on peut écrire comme suit le rapport entre la chaleur q a absorbée par unité de surface de panneau dans le cas de fonctionnement exclusif sur source d'air et la chaleur qs absorbée dans le cas de fonctionnement exclusivement solaire q5 qs = 2 < t(ta - tp) : a(Ip1 + Ip2) ... (1) où 9( t = coefficient global de transfert de chaleur (Wm 2K 1) ;
t : température de l'air extérieur (OC)
t = température moyenne de panneau (OC) ; p
a = coefficient d'absorption de rayonnement, 0,9 ;
Ip1 2 = insolation sur les faces 1 et 2 (Wm 2) ;;
L'équation (1) peut se réécrire 1p1 + Ip2 = 2 a (t a t ) ( s) ... (2)
Quand la température extérieure t est de 70C, la température du panneau t p devrait être de 0 C pour t = 23 iWm 2K 1 dans le cas de fonctionnement exclusif sur source d'air, pour avoir une puissance comparable à celle des pompes à chaleur classiques à source d'air. Dans le cas de fonctionnement exclusif solaire, les températures du panneau et de vaporisation du réfrigérant devraient monter de 7 K à la même t a et ensuite q3 devrait monter à approximativement 1,3 fois qa. En appliquant ces valeurs à l'équation (2), 1p1 + Ip2 devient égale à environ 465 Wm-2.
In relation to the above, one can write as follows the ratio between the heat qa absorbed per unit area of panel in the case of exclusive operation on air source and the heat qs absorbed in the case of exclusively solar operation q5 qs = 2 <t (ta - tp): a (Ip1 + Ip2) ... (1) where 9 (t = overall heat transfer coefficient (Wm 2K 1);
t: outside air temperature (OC)
t = average panel temperature (OC); p
a = radiation absorption coefficient, 0.9;
Ip1 2 = insolation on faces 1 and 2 (Wm 2);
Equation (1) can be rewritten 1p1 + Ip2 = 2 a (tat) (s) ... (2)
When the outdoor temperature t is 70C, the temperature of the panel tp should be 0 C for t = 23 iWm 2K 1 in case of exclusive operation on air source, to have a power comparable to that of conventional heat pumps with air source. In the case of exclusive solar operation, the panel and coolant vaporization temperatures should rise from 7 K to the same tt and then q3 should rise to approximately 1.3 times qa. Applying these values to equation (2), 1p1 + Ip2 becomes equal to about 465 Wm-2.

Une telle intensité de rayonnement solaire est typique d'un plan vertical faisant face au sud et au nord. Dans la région de
Tokyo, cette intensité dépasse 700 Wm2 à midi pendant les journées ensoleillées aux alentours du solstice d'hiver et par conséquent devient supérieure à t ce qui doit entraîner une certaine déperdition de chaleur. En pratique, cette perte peut être négligée.
Such solar radiation intensity is typical of a vertical plane facing south and north. In the region of
In Tokyo, this intensity exceeds 700 Wm2 at noon during the sunny days around the winter solstice and therefore becomes greater than t, which must lead to some loss of heat. In practice, this loss can be neglected.

Etant donné que le système à pompe à chaleur présente, lorsque la température extérieure en période diurne ensoleillée, une tendance à accroître également son pouvoir d'absorption de chaleur, cette tendance se manifestera de manière avantageuse en faisant décroître la déperdition de chaleur.Since the heat pump system has a tendency, when the outside temperature in sunny daytime period, to increase its heat absorption capacity as well, this tendency will be manifested advantageously by decreasing the heat loss.

On peut choisir n'importe quel azimut pour ce collecteur et radiateur nocturne. Mais le plan vertical face au sud absorbe dans la journée un maximum d'énergie solaire pendant la période la plus froide de l'année. Any azimuth can be chosen for this collector and night radiator. But the vertical plane facing the south absorbs during the day a maximum of solar energy during the coldest period of the year.

Quand les panneaux 1 rayonnant et collectant la chaleur décrits ci-dessus sont utilisés dans des régions de latitude intermédiaires l'énergie du rayonnement solaire peut être suffisamment absorbée pendant la journée pour assurer le chauffage en hiver et la chaleur peut se diffuser pendant la nuit par rayonnement des panneaux vers l'extérieur ce qui assure une réfrigération en été. La diffusion de la chaleur par rayonnement vers l'extérieur est suffisante même pendant la journée en été dans de telles régions puisque les panneaux ne vont pas être excessivement chauffés. Dans le cas des régions de basse latitude, c'est le refroidissement qui est primordial et le système fonctionne exclusivement pour diffuser la chaleur par rayonnement vers l'extérieur.Ce rayonnement de chaleur se fait principalement pendant la nuit et l'eau froide est stockée dans un réservoir de stockage 11 servant à la réfrigération. When the radiating and heat-collecting panels 1 described above are used in intermediate latitude regions the energy of the solar radiation can be sufficiently absorbed during the day to provide heating in winter and the heat can be diffused during the night by radiation of the panels to the outside which ensures refrigeration in summer. The diffusion of heat radially outward is sufficient even during the day in summer in such areas since the panels will not be excessively heated. In the case of low latitude regions, it is the cooling that is essential and the system works exclusively to radiate heat to the outside.This heat radiation is mainly during the night and cold water is stored in a storage tank 11 used for refrigeration.

Le rayonnement de la chaleur dirigée vers l'extérieur pendant la journée est possible même quand la quantité de froid stockée est insuffisante, puisque l'altitude du soleil est élevée dans ces régions de basse latitude et que le rayonnement solaire passe entre les panneaux 1 rayonnant et collectant la chaleur presque parallèlement à ceux-ci sans les chauffer beaucoup. Dans le cas de régions de haute latitude, c'est le chauffage qui est principalement exigé et le système fonctionne exclusivement pour l'absorption de chaleur. Dans ces régions le rayonnement solaire peut tomber sur les panneaux 1 rayonnant et collectant la chaleur sous un angle proche de l'angle droit. Cependant, ces panneaux 1 ne devraient pas être excessivement chauffés puisque dans ces régions, la température de l'air extérieur est généralement basse et le rayonnement solaire est faible également. The radiation of heat directed outwards during the day is possible even when the amount of cold stored is insufficient, since the altitude of the sun is high in these regions of low latitude and the solar radiation passes between the panels 1 radiating and collecting heat almost parallel to them without heating them much. In the case of high latitude areas, heating is mainly required and the system operates exclusively for heat absorption. In these regions the solar radiation can fall on the radiating panels 1 and collecting the heat at an angle close to the right angle. However, these panels 1 should not be excessively heated since in these regions, the outside air temperature is generally low and the solar radiation is also low.

Pour faciliter la compréhension de cette invention on a représenté les cycles fondamentaux sur les figures 5a à 6b. Dans le cycle de chauffage, le réfrigérant liquide à basse pression se vaporise dans les passages 20 du panneau, absorbant l'énergie solaire et/ou l'enthalpie de l'air sous forme de chaleur latente de vaporisation. To facilitate the understanding of this invention, the fundamental cycles are shown in FIGS. 5a to 6b. In the heating cycle, the low pressure liquid refrigerant vaporizes in the panel passages, absorbing solar energy and / or enthalpy of the air as latent heat of vaporization.

Le réfrigérant gazeux est ensuite aspiré par un compresseur 6, dans lequel la pression et la température s'élèvent. Le gaz chaud 21 libéré à la sortie du compresseur 6 va à l'échangeur de chaleur 8 dont l'eau est le réfrigérant et où il se condense en 22. I1 fournit alors son enthalpie de liquéfaction à l'eau chaude 23 circulant vers les radiateurs 9 des pièces. Le réfrigérant liquide 24 à haute pression traverse ensuite un orifice appelé vanne d'expansion 3 et sa pression et sa température s'abaissent avec jaillissement de particules de liquide. Ce liquide froid 25 à basse pression (avec gaz) retourne au panneau 1 et le cycle recommence. The gaseous refrigerant is then sucked by a compressor 6, in which the pressure and the temperature rise. The hot gas 21 released at the outlet of the compressor 6 goes to the heat exchanger 8, the water of which is the refrigerant and where it condenses at 22. It then provides its enthalpy of liquefaction with hot water 23 flowing towards the radiators 9 parts. The high-pressure liquid refrigerant 24 then passes through an orifice called expansion valve 3 and its pressure and temperature are lowered with spouting of liquid particles. This cold liquid at low pressure (with gas) returns to panel 1 and the cycle starts again.

Dans le cycle de réfrigérationX des vannes changent la direction de circulation du fluide. Le panneau 1 devient un condenseur et l'échangeur de chaleur à eau 8 fonctic'-nn- comme évaporateur pcuSr refroidir l'eau. La condensation se fait en 39 et l'évaporation en 31, l'eau refroidie et partiellement pelée étant reprosentée en 32. Sur les figures 6a et 6b, le travail de compression est représenté en 40. In the refrigeration cycle X valves change the direction of fluid flow. The panel 1 becomes a condenser and the water heat exchanger 8 functions as an evaporator to cool the water. The condensation takes place at 39 and the evaporation at 31, the cooled and partially peeled water being reprosented at 32. In FIGS. 6a and 6b, the compression work is represented at 40.

Une variante du système de la présente nvention est repré- sentée dans la figure 7. Dans cette variante, 1 réfrigérant fourni par le circuit de la pompe à chaleur circule ers le panneau 1 rayonnant et collectant la chaleur après échange de chaleur dans les échangeurs de chaleur 17 au lieu d'aller directement da le panneau 1 rayonnant et collectant la chaleur Plus précisément, le circuit de la pompe à chaleur est relié au tubes c--o- chauffage 1' à travers les échangeur de chaleur 17 Dans ce cas aussi, de la chaleur est transférée par le réfrigérant dans les tubes de chauffage 1' grâce à la chaleur latente du réfrigérant. A variant of the system of the present invention is shown in FIG. 7. In this variant, 1 refrigerant supplied by the circuit of the heat pump flows to the radiating panel 1 and collects the heat after heat exchange in the heat exchangers. heat 17 instead of going directly to the radiating and heat collecting panel 1 More specifically, the circuit of the heat pump is connected to the c-o-heating tubes 1 'through the heat exchanger 17 In this case too , heat is transferred by the refrigerant into the heating tubes 1 'thanks to the latent heat of the refrigerant.

Les figures 8 et 9 montrent une autre variante du système de la présente invention. Dans cette variante, un réfrigérant liquide tel que fluorocarbone précédemment cité est entraîné par une pompe 122 assurant la circulation du réfrigérant. Dans la figure 8 montrant le cycle d'absorption de la chaleur, le réfrigérant sous forme de liquide est pompé hors du réservoir de stockage il par la pompe 12' afin d'alimenter le panneau rayonnant et collectant la chaleur 1 et la majeure partie du réfrigérant est transformée en gaz tandis que la partie non transformée restante n'affecte pas le fonctionnement. Figures 8 and 9 show another variation of the system of the present invention. In this variant, a liquid refrigerant such as fluorocarbon cited above is driven by a pump 122 for the circulation of the refrigerant. In Fig. 8 showing the heat absorption cycle, the refrigerant in the form of liquid is pumped out of the storage tank 11 by the pump 12 'in order to supply the radiating panel and collecting the heat 1 and most of the The refrigerant is converted to gas while the remaining unprocessed portion does not affect operation.

Le réfrigérant sous forme de gaz pénètre dans l'échangeur de chaleur 8 du circuit de la pompe à chaleur pour y être reliquéfié ce qui fournit de la chaleur à la pompe à chaleur.The refrigerant in the form of gas enters the heat exchanger 8 of the heat pump circuit to be reliqued thereby providing heat to the heat pump.

La figure 9 montre le cycle de rayonnement de chaleur dans lequel la circulation du réfrigérant est inversée par rapport à celle illustrée figure 8. Sur ces figures le circuit du réfrigérant de la pompe à chaleur est représenté en 50.  FIG. 9 shows the heat radiation cycle in which the refrigerant circulation is reversed with respect to that illustrated in FIG. 8. In these figures, the refrigerant circuit of the heat pump is represented at 50.

La figure 10 représente une autre variante du système selon la présente invention. Dans cette variante aussi une pompe 12' est destinée à la circulation du réfrigérant et elle est également conçue pour entrainer le fluorocarb-one vers un groupe de panneaux 1. I1 a été confirmé expérimentalement que l'opération de dégivrage n'est pas nécessaire lorsque la surface d'échange des panneaux avec l'air est grande et lorsque la distance entre les panneaux est grande. Figure 10 shows another variant of the system according to the present invention. In this variant also a pump 12 'is intended for the circulation of the refrigerant and it is also designed to drive the fluorocarb-one to a group of panels 1. It has been confirmed experimentally that the de-icing operation is not necessary when the exchange surface of the panels with the air is large and when the distance between the panels is large.

En ce qui concerne les modes de réalisation préférés de la présente invention décrits en détail dans la partie précédente, il est évident que la présente invention n'est pas limitée d'aucune façon à de tels modes de réalisation et que des changements et des modifications diverses peuvent y être apportés sans s'écarter de 11 esprit de la présente invention. Par exemple, la présente invention s'applique non seulement au conditionnement d'air auquel on se réfère ci-dessus, mais aussi au chauffage de l'eau dans une piscine chauffée, à la fusion de la neige, au stockage d'aliments dans un entrepôt frigorique, etc...  With respect to the preferred embodiments of the present invention described in detail in the previous section, it is obvious that the present invention is not limited in any way to such embodiments and that changes and modifications various may be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the present invention applies not only to the air conditioning referred to above, but also to the heating of water in a heated pool, the melting of snow, the storage of food in a cold warehouse, etc.

Claims (5)

REVENDICATIONS 1/ Système de chauffage et de réfrigération utilisant une pompe à chaleur à source solaire et atmosphérique, système étant caractérisé par le fait qu'il comporte - un circuit (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 13, 14) pour la circulation d'un fluide réfrigérant primaire avec utilisation de la chaleur latente de ce fluide réfrigérant, - un circuit (8, 9, 10, 11, 12) pour la circulation d'un fluide secondaire disposé en relation d'échange thermique avec ledit circuit pour la circulation du fluide primaire et comportant un organe d'action propre à assurer le chauffage ou le refroidissement souhaité, - et au moins un élément de collection et de rayonnement de chaleur présentant la forme d'un panneau (1) et connecté dans ledit circuit (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 13, 14) pour la circulation du milieu réfrigérant primaire, cet élément de collection et de rayonnement de chaleur étant disposé à l'extérieur de manière sensiblement normale à l'horizontale et étant adapté à absorber de la chaleur à partir du rayonnement solaire et à partir de l'atmosphère, et étant aussi adapté à évacuer de la chaleur dans l'atmosphère, - ledit fluide réfrigérant primaire en circulation dans ledit système circulant, lorsqu'il s'agit de réaliser un chauffage en hiver, dans ledit élément en forme de panneau (1) à une température d'évaporation qui n'excède pas sensiblement celle de l'air environnant cet élément, ce qui permet à ce fluide réfrigérant primaire d'absorber le rayonnement solaire et la chaleur atmosphérique, ce même fluide réfrigérant primaire circulant, lorsqu'il s'agit de réaliser un refroidissement en été, à une température de condensation dépassant la température de l'air environnant cet élément en forme de panneau (1), ce qui permet à ce fluide réfrigérant d'évacuer de la chaleur dans l'atmosphère à travers cet élément, ledit fluide réfrigérant primaire constituant essentiellement le seul élément fluide utilisé dans le système pour absorber de la chaleur à partir du milieu extérieur et pour l'évacuer dans ce milieu.1 / Heating and cooling system using a solar source heat pump and atmospheric, characterized in that it comprises - a circuit (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 13 , 14) for the circulation of a primary coolant with use of the latent heat of this coolant, - a circuit (8, 9, 10, 11, 12) for the circulation of a secondary fluid arranged in relation to heat exchange with said circuit for the circulation of the primary fluid and comprising an action member adapted to provide the desired heating or cooling, and at least one heat-collecting element and heat radiation having the shape of a panel (1 ) and connected in said circuit (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 13, 14) for the circulation of the primary coolant medium, this heat collection and radiation element being disposed outside substantially normal to the horizontal and being adapted to absorbing heat from the solar radiation and from the atmosphere, and being also adapted to evacuate heat in the atmosphere, - said primary coolant circulating in said circulating system, when it comes to heating in winter, in said panel-shaped element (1) to an evaporation temperature which does not substantially exceed that of the air surrounding this element, which allows this primary coolant to absorb the radiation solar energy and the atmospheric heat, this same primary coolant flowing, when it is a question of cooling in summer, at a temperature of condensation exceeding the temperature of the air surrounding this panel-shaped element (1), this which allows this cooling fluid to evacuate heat into the atmosphere through this element, said primary refrigerant essentially constituting the only fluid element used in the system to absorb heat from the outside environment and to evacuate it in this medium. 2/ Système de chauffage et de réfrigération utilisant une pompe à chaleur à source solaire et atmosphérique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit élément de collection et de rayonnement de chaleur (1) est soumis à un traitement de surface à l'aide d'un matériau qui améliore le taux de rayonnement thermique. 2 / heating and refrigeration system using a solar source heat pump and atmospheric according to claim 1, characterized in that said collection element and heat radiation (1) is subjected to a surface treatment at the using a material that improves the rate of heat radiation. 3/ Système de chauffage et de réfrigération utilisant une pompe à chaleur à source solaire et atmosphérique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le fluide réfrigérant primaire est choisi, lorsqu'il s'agit d'assurer un chauffage en hiver, de manière à circuler dans l'élément en forme de panneau (1) à une température de vaporisation comprise entre -200C et 200C environ quand l'air froid ambiant est au dessous de -200C, et par le fait que ce fluide est choisi, lorsqu'il s'agit d'assurer un refroidissement en été, de manière à circuler à une température de condensation comprise entre 400C et 600C quand la température de l'air est au dessus de 350C environ.3 / Heating and refrigeration system using a solar source and atmospheric heat pump according to claim 1, characterized in that the primary coolant is chosen, when it comes to heating in winter, to circulating in the panel-shaped element (1) at a vaporization temperature of between -200 ° C and about 200 ° C when the ambient cold air is below -200 ° C, and that the fluid is selected when it is a question of ensuring a cooling in summer, so as to circulate at a condensation temperature of between 400C and 600C when the temperature of the air is above 350C approximately. 4/ Système de chauffage et de réfrigération utilisant une pompe à chaleur à source solaire et atmosphérique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit fluide réfrigérant primaire constitue essentiellement le seul élément fluide utilisé dans le système pour absorber de la chaleur à partir du milieu extérieur et pour l'évacuer dans ce milieu.4 / heating and refrigeration system using a solar source heat pump and atmospheric according to claim 1, characterized in that said primary coolant is essentially the only fluid element used in the system to absorb heat from the outside environment and to evacuate it in this environment. 5/ Système de chauffage et de réfrigération utilisant une pompe à chaleur à source solaire et atmosphérique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lorsqu'il s'agit d'assurer un chauffage, le circuit du réfrigérant dans le système est le suivant - le réfrigérant est extrait d'une réserve de réfrigérant (7), il traverse ensuite une valve de détente (3) propre a permettre la détente du réfrigérant, il passe ensuite dans ledit élément en forme de panneau (1) pour y absorber de la chaleur solaire rayonnante et de la chaleur atmosphérique, puis dans un compresseur (6) pour y être comprimé, il passe encore dans un échangeur de chaleur (8) pour s'y refroidir en réchauffant un fluide d'échange thermique, et il retourne enfin à ladite réserve (7), et par le fait que, lorsqu'il s'agit d'assurer un refroidissement, le circuit du réfrigérant dans le système est le suivant : le réfrigérant est extrait d'une réserve de réfrigérant (7), il traverse ensuite la valve de détente (3), puis l'échangeur de chaleur (8) pour s'y échauffer en refroidissant un fluide d'échange thermique, il passe ensuite dans un compresseur (6), puis dans ledit élément en forme de panneau (1) pour y abandonner sa chaleur, et il retourne enfin à la réserve de réfrigérant (7). 5 / Heating and refrigeration system using a solar source and atmospheric heat pump according to claim 1, characterized in that when it comes to providing heating, the refrigerant circuit in the system is as follows the refrigerant is extracted from a refrigerant supply (7), it then passes through an expansion valve (3) suitable for allowing the refrigerant to expand, it then passes into said panel-shaped element (1) so as to absorb the solar radiant heat and the atmospheric heat, then in a compressor (6) to be compressed, it passes again in a heat exchanger (8) to cool there by heating a heat exchange fluid, and it returns finally to said reserve (7), and in that in the case of cooling, the refrigerant circuit in the system is as follows: the refrigerant is removed from a refrigerant supply (7) , he crosses then the expansion valve (3), then the heat exchanger (8) for heating therein by cooling a heat exchange fluid, it then passes into a compressor (6), then in said panel-shaped element (1) to give up its heat, and it finally returns to the refrigerant supply (7).
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