PROCEDE ET SYSTEME DE CONTROLE D'UNE POMPE A CHALEUR A MODULES THERMOELECTRIQUES

Description

[0001] La présente invention est relative aux installations de chauffage ou de rafraîchissement, et concerne un système de contrôle d'une pompe à chaleur du type thermoélectrique, c'est-à-dire comportant des modules thermoélectriques aussi appelés Cellules à effet Peltier (CEP).

[0002] Les CEP présentent chacune typiquement deux faces dont l'une est d'un premier type dit « froid » et l'autre d'un second type dit « chaud », un transfert de chaleur pouvant s'exercer d'une face à l'autre en fonction du sens d'un courant électrique injecté dans la cellule.

[0003] Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un système de contrôle d'une pompe à chaleur thermoélectrique comprenant un premier circuit d'échange de chaleur, un deuxième circuit d'échange de chaleur et une pluralité d'unités thermoélectriques de transfert de chaleur formant un premier groupe et comprenant chacune :

• un premier échangeur ;
• un second échangeur ;
• au moins un module thermoélectrique ou Peltier adapté pour transférer de la chaleur entre les deux échangeurs ;

le système de contrôle comprenant au moins une unité d'alimentation électrique permettant d'alimenter électriquement chacune des unités thermoélectriques.

[0004] Les pompes à chaleur thermoélectriques peuvent être avantageusement réversibles. Il est en effet permis de passer d'un fonctionnement en mode chauffage, dans lequel les unités thermoélectriques prélèvent des calories à l'un des circuits (côté source, dans ce cas en face froide) pour les transférer à l'autre des circuits (côté utile, dans ce cas en face chaude), à un fonctionnement en mode rafraîchissement, dans lequel les unités thermoélectriques sont alimentées avec un courant électrique inverse, de façon à prélever les calories dans le sens opposé à celui du mode chauffage (dans ce cas, le côté source est relié à la face chaude et le côté utile à la face froide), par exemple pour rafraîchir un local d'habitation en été en évacuant vers l'extérieur de la chaleur.

[0005] Un inconvénient des pompes à chaleur thermoélectriques est que le coefficient de performance (COP) réel des modules thermoélectriques se dégrade sensiblement quand les conditions de fonctionnement changent et notamment quand la différence de températures des fluides circulant dans les deux circuits augmente. Aussi, il n'est pas envisagé ce jour d'atteindre un COP supérieur à 4, contrairement aux dernières pompes à chaleur traditionnelles qui rencontrent un grand succès commercial. Pour rappel, ces pompes à chaleur traditionnelles utilisent un circuit fermé dans lequel un fluide frigorigène comme un hydrofluorocarbure subit un cycle de compression/détente entre un condenseur et un évaporateur.

[0006] Il est connu, par le document JP2001330339 A, d'utiliser dans un système de réfrigération un circuit de contrôle de commutateurs électriques pour configurer la connexion des modules thermoélectriques, de façon à faire varier la tension d'alimentation des modules. Avec un tel contrôle qui permet d'alimenter électriquement des modules thermoélectriques selon plusieurs modes distincts, le dispositif échangeur peut être modulaire et configuré en fonction des besoins en puissance pour l'amélioration du COP. Cependant, ce système destiné à la production de froid n'est pas utilisable pour des applications de chauffage domestique qui exigent généralement une puissance d'apport de chaleur de quelques kilowatts à 25 kW. Il est connu, par le document DE102007053381B3, d'utiliser un système de contrôle d'une pompe à chaleur thermoélectrique comprenant deux circuits d'échange de chaleur.

[0007] La société ACOME a proposé dans la demande de brevet FR n°09 59196 un système de contrôle qui permet d'améliorer le fonctionnement d'une pompe à chaleur en alimentant de manière optimale les modules thermoélectriques. Le coefficient de performance (COP) réel est alors maintenu à un haut niveau. Ce système présente une unité d'alimentation électrique avec plusieurs configurations de commutation, ce grâce à quoi la gestion des configurations d'alimentation électrique permet de faire fonctionner les modules thermoélectriques au plus près du point de fonctionnement idéal, avec l'obtention d'un COP global de la pompe à chaleur plus élevé.

[0008] Pour couvrir une large gamme de puissance, la pompe à chaleur équipée d'un tel système de contrôle présente un nombre important de modes d'alimentation. En particulier en mode chauffage, il est intéressant de pouvoir alimenter avec au moins deux courants différents une même unité thermoélectrique pour disposer d'un nombre élevé de configurations adaptées pour répondre à des besoins différents de puissance, sans pour autant requérir un nombre excessivement élevé d'unités et de branchements pour alimenter en fluide les premiers échangeurs via le premier circuit d'une part, et alimenter en fluide les seconds échangeurs via le deuxième circuit d'autre part. La figure 1 de la demande de brevet FR n° 09 59196 décrit ainsi un système contrôlant quatre unités thermoélectriques connectées hydrauliquement en parallèle.

[0009] Cependant, il existe encore un besoin, dans le contexte environnemental et énergétique actuel, pour optimiser au maximum la gestion d'une pompe à chaleur thermoélectrique.

[0010] La présente invention a pour but de proposer un système de contrôle de pompe à chaleur thermoélectrique réversible qui permet d'utiliser de manière optimale des modules thermoélectriques.

[0011] A cet effet, la présente invention a pour objet un système de contrôle du type précité, caractérisé en ce que la pluralité d'unités thermoélectriques comprend une unité d'entrée dont le premier échangeur est connecté au premier circuit et une unité de sortie dont le second échangeur est connecté au deuxième circuit, le système de contrôle comprenant une pluralité de vannes associées à un dispositif de commande adapté pour paramétrer une configuration en cascade dans laquelle le second échangeur de l'unité d'entrée est connecté à un premier échangeur de ladite pluralité d'unités thermoélectriques, et le premier échangeur de l'unité de sortie est connecté à un second échangeur de ladite pluralité d'unités thermoélectriques, et en ce que le dispositif de commande comprend une unité de contrôle électronique qui comporte :

• des moyens de paramétrer un nombre défini de points de fonctionnement prédéterminés des modules thermoélectriques de la pompe à chaleur; et
• un algorithme adapté pour sélectionner un des points de fonctionnement prédéterminés pour les modules thermoélectriques dudit premier groupe et permettant d'activer un transfert de chaleur généré par ladite configuration en cascade en fonction de la sélection du point de fonctionnement.

[0012] Ainsi, la pompe à chaleur présente des unités thermoélectrique dont la configuration (habituellement en parallèle entre deux circuits) est modifiable en fonction du besoin et permet l'utilisation d'une configuration en cascade pour optimiser les performances de la pompe à chaleur. Le paramétrage des configurations est obtenu avantageusement à l'aide d'une pluralité de vannes et d'une unité d'automatisation. Il est donc permis d'ajuster, typiquement à l'aide d'une modélisation analytique qui couvre une gamme étendue de besoin en transfert de chaleur, le mode de fonctionnement de la pompe à chaleur avec une précision accrue. En effet, si une modélisation permet de déterminer avec précision l'intensité optimale à fournir à une unité thermoélectrique pour n'importe quelle condition de fonctionnement, il est très avantageux de pouvoir configurer des unités thermoélectriques en cascade afin de conserver un COP optimal pour des conditions de température données. C'est en particulier le cas lorsqu'il existe une demande en puissance plus faible que la puissance optimale générée par une unique unité.

[0013] Cette configuration peut en outre bien se combiner avec d'autres configurations. Par exemple, les vannes peuvent servir à réaliser une commutation entre une configuration en cascade et une configuration en parallèle et/ou couper l'alimentation des unités configurées en cascade, en sachant que pour répondre à un besoin élevé en puissance une association en parallèle d'au moins une partie des unités thermoélectriques est nécessaire pour maintenir un COP optimal.

[0014] Bien évidemment, dans la configuration en cascade, le second échangeur de l'unité d'entrée est connecté à un premier échangeur distinct du premier échangeur de l'unité d'entrée et, de la même façon, le premier échangeur de l'unité de sortie est connecté à un second échangeur distinct du second échangeur de l'unité de sortie. Le fluide qui sort du second échangeur de l'unité d'entrée doit nécessairement circuler ensuite dans le premier échangeur d'une autre unité associée en cascade avec l'unité d'entrée, avant de revenir dans ce second échangeur. On réalise ainsi au moins une boucle fermée qui est isolée par rapport aux nourrices des premier et deuxième circuits.

[0015] Selon une particularité, la pluralité d'unités thermoélectriques du premier groupe comporte en outre au moins une unité intermédiaire présentant :

• un premier échangeur connecté dans ladite configuration en cascade à un second échangeur d'une autre unité de ladite pluralité d'unités thermoélectriques ; et
• un second échangeur connecté dans ladite configuration en cascade à un premier échangeur d'une autre unité de ladite pluralité d'unités thermoélectriques.

[0016] Ainsi, la configuration en cascade peut utiliser un nombre élevé d'unités identiques, ce qui permet d'obtenir une gamme plus étendue de fonctionnement. A titre d'exemple, lorsque les unités thermoélectriques présentent chacune 10 CEP, une association en cascade de cinq de ces unités avec un courant d'alimentation choisi pour optimiser le COP peut correspondre à l'apport équivalent de deux CEP, tandis qu'une association en cascade similaire de dix unités peut correspondre à l'apport équivalent d'une CEP. L'avantage d'utiliser des unités thermoélectriques identiques est la modularité du système et la possibilité d'assembler plus aisément ces unités thermoélectriques dans une structure de support et de connexion fluidique de la pompe à chaleur.

[0017] Selon une autre particularité, le dispositif de commande est adapté en outre pour paramétrer une configuration en parallèle dans laquelle les premiers échangeurs de la pluralité d'unités thermoélectriques du premier groupe et/ou d'au moins une unité thermoélectrique de même nature que les unités thermoélectriques du premier groupe et pouvant appartenir à un deuxième groupe, sont connectés au premier circuit et les seconds échangeurs des mêmes unités thermoélectriques sont connectés au deuxième circuit, ce grâce à quoi des premiers échangeurs peuvent être connectés au premier circuit en parallèle et des seconds échangeurs peuvent être connectés au deuxième circuit en parallèle.

[0018] Dans divers modes de réalisation du système de contrôle selon l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes :

• le système de contrôle comprend :
  • des premiers organes de pompage adaptés pour faire circuler un fluide caloporteur, utilisé par le premier circuit, au moins dans le premier échangeur de l'unité d'entrée et pour faire circuler un fluide caloporteur, utilisé par le deuxième circuit, au moins dans le second échangeur de l'unité de sortie ; et
  • des deuxièmes organes de pompage adaptés pour faire circuler dans la configuration en cascade un fluide caloporteur dans une boucle fermée qui ne traverse ni le premier échangeur de l'unité d'entrée ni le second échangeur de l'unité de sortie, la boucle fermée comprenant au moins un premier échangeur et au moins un second échangeur de ladite pluralité d'unités thermoélectriques formant le premier groupe.
• le système de contrôle comprend un ensemble de capteurs de température adaptés pour délivrer notamment des signaux représentatifs de températures caractéristiques des deux circuits d'échange de chaleur, le dispositif de commande étant relié à un dispositif d'entrée d'une température de consigne, l'algorithme du dispositif de commande étant adapté pour sélectionner un des points de fonctionnement prédéterminés en fonction de ladite consigne de température et des signaux délivrés par ledit ensemble de capteurs de température, une configuration de ladite pluralité de vannes étant ensuite paramétrée en fonction du point de fonctionnement sélectionné (cette disposition permet une gestion des transferts de chaleur en fonction du besoin réel, le fonctionnement optimal n'empêchant pas une réactivité de la pompe à chaleur pour un meilleur confort de l'utilisateur). L'algorithme peut être adapté pour effectuer une corrélation, en fonction de ladite consigne de température et des signaux délivrés par ledit ensemble de capteurs de température, entre des besoins de transfert de chaleur et un unique mode de fonctionnement, de façon à choisir le mode de fonctionnement qui maximise le coefficient de performance de la pompe à chaleur (une ou plusieurs tables de correspondance peuvent être avantageusement utilisées pour déterminer le point de fonctionnement, compte tenu du besoin en puissance et des conditions de température) ;
• le dispositif de commande est adapté pour modifier l'alimentation électrique et une alimentation hydraulique de chacune des unités thermoélectriques en fonction de la configuration paramétrée pour la pluralité de vannes (cette disposition permet de couper électriquement et en fluide l'alimentation d'unités thermoélectriques non nécessaires, comme cela peut être le cas par exemple dans des modes de fonctionnement moins exigeants en transfert de chaleur, et inversement d'augmenter la tension pour un besoin très important en transfert de chaleur. Par ailleurs un dispositif inverseur du sens du courant peut être prévu pour faire fonctionner la pompe à chaleur de manière réversible) ;
• l'unité d'alimentation électrique comprend des moyens d'ajustement pour délivrer dans la configuration en cascade des courants différents à l'unité d'entrée et à l'unité de sortie (cette disposition permet avantageusement d'adapter l'alimentation électrique de chaque unité pour contrôler la différence de température entre les faces de chacune des unités thermoélectriques constituant le système global, les unités pouvant fonctionner alors avec un même ΔT de façon à conserver un COP optimal (l'expérience montre que faire varier l'intensité I plutôt que ΔT permet d'obtenir des COP plus élevés, en particulier lorsque les températures sont très différentes entre la face froide et la face chaude des CEP) ;
• l'unité de contrôle électronique comprend un module de paramétrage pour paramétrer un nombre défini de modes de fonctionnement (cascade, parallèle, cascade-parallèle) prédéterminés de la pompe à chaleur, qui correspondent à des besoins différents en puissance de transfert de chaleur, le module de paramétrage comprenant ledit algorithme et lesdits moyens de paramétrer un nombre défini de points de fonctionnement prédéterminés des modules thermoélectriques de la pompe à chaleur, l'algorithme permettant de sélectionner l'un des modes de fonctionnement de la pompe à chaleur de façon à minimiser la puissance électrique totale consommée par les modules thermoélectriques tout en répondant aux besoins en transfert de chaleur (cette disposition permet d'obtenir un fonctionnement réellement optimal de la pompe à chaleur puisque la configuration (liée au paramétrage du mode de fonctionnement) des unités et le nombre d'unités activées permet d'obtenir un fonctionnement optimisé qui minimise la puissance électrique consommée par chacune des CEP) ;
• chacune des unités thermoélectriques du premier groupe comprend au moins une vanne adaptée pour couper sélectivement la circulation dé fluide caloporteur dans les échangeurs de l'unité thermoélectrique (ainsi, on peut éviter de faire circuler inutilement le fluide caloporteur dans des parties de circuit non activées par le dispositif de commande. Deux moto-vannes peuvent être prévues par unité thermoélectrique. La ou les moto-vannes peuvent former ainsi avantageusement un dispositif de réduction du transfert de chaleur).

[0019] On comprend que chacune des dispositions ci-dessus contribue à affiner l'ajustement du point de fonctionnement, sans complexifier la partie de transfert de chaleur de la pompe à chaleur thermoélectrique et en minimisant la puissance consommée. La durée de vie des unités thermoélectriques et des unités d'alimentation associées peut être en outre accrue par un tel fonctionnement sélectif selon les besoins.

[0020] La présente invention a également pour but de proposer une pompe à chaleur thermoélectrique à plusieurs unités thermoélectriques dont le fonctionnement peut être géré au plus près des besoins réels en transfert de chaleur.

[0021] A cet effet, il est proposé une pompe à chaleur thermoélectrique réversible, comprenant deux circuits d'échange de chaleur et une pluralité d'unités thermoélectriques de transfert de chaleur d'un premier groupe comprenant chacune :

• un premier échangeur ;
• un second échangeur ; et
• au moins un module thermoélectrique ou Peltier adapté pour transférer de la chaleur entre les deux échangeurs ;

caractérisée en ce qu'elle comprend le système de contrôle selon l'invention.

[0022] Une telle pompe à chaleur peut se présenter sous la forme d'un appareil se connectant sur le réseau électrique urbain et pouvant directement être installé dans un bâtiment moyennant le raccordement à un système de chauffage central existant ou neuf formant le premier circuit, comme par exemple un système de chauffage par plancher, et un système d'échange de chaleur avec le milieu extérieur formant le deuxième circuit. Le système d'échange avec l'extérieur peut être entre autre de type réseau ou cuve enterrée dans le sol, ou système d'échange avec l'air ou une masse d'eau.

[0023] Selon une particularité, la pompe à chaleur peut présenter en outre une autre pluralité d'unités thermoélectriques de transfert de chaleur d'un deuxième groupe comprenant chacune :

• un premier échangeur ;
• un second échangeur ;
• au moins un module thermoélectrique ou Peltier adapté pour transférer de la chaleur entre les deux échangeurs ;

le dispositif de commande étant adapté pour faire fonctionner les groupes d'unités thermoélectriques dans au moins une configuration en parallèle. Cette configuration en parallèle peut être choisie parmi :

• une configuration dans laquelle toute les unités thermoélectriques alimentées électriquement sont en parallèle entre elles ; et
• une configuration dans laquelle une partie des unités thermoélectriques alimentées électriquement sont dans une configuration en cascade à l'intérieur du premier groupe d'unités thermoélectriques (mixte cascade-parallèle).

[0024] On peut obtenir un ensemble d'unités thermoélectriques pouvant être associées selon de nombreuses configurations (associations cascade, parallèle et mixte) en fonction de la demande de puissance, grâce à un réseau de circulation de fluide (par exemple de l'eau) équipé de vannes contrôlées de façon centralisée. Le dispositif de commande est adapté pour paramétrer un nombre d'unités thermoélectriques en cascade entre elles de 0 à N, où N est un nombre entier supérieur ou égal à deux, et supérieur ou égal à quatre dans des modes de réalisation préférés. La conception de la pompe à chaleur peut être simplifiée en intégrant un nombre élevé de modules thermoélectriques, par exemple supérieur ou égal à deux, dans chacune des unités de transfert de chaleur. On comprend en effet qu'il est intéressant de prévoir un nombre restreint d'unités thermoélectriques (par exemple inférieur à 15 et de préférence inférieur ou égal à douze) pour limiter les connexions hydrauliques dans la pompe à chaleur et d'utiliser en revanche un nombre élevé de CEP par unité (par exemple supérieur ou égal à 4).

[0025] Compte tenu de ces contraintes de conception et d'encombrement, la modularité est particulièrement avantageuse lorsqu'il faut fournir un apport ou un complément de puissance peu élevé (en conservant un fonctionnement optimal). En effet, il suffit de configurer en cascade plusieurs des unités thermoélectriques de la pompe à chaleur pour fournir l'apport ou complément requis.

[0026] La présente invention a également pour but de proposer un procédé de contrôle d'une pompe à chaleur thermoélectrique permettant d'adapter le niveau de consommation électrique aux besoins réels en transfert de chaleur.

[0027] A cet effet, il est proposé un procédé de contrôle d'une pompe à chaleur thermoélectrique, dans lequel on fait circuler un fluide caloporteur respectivement dans deux circuits d'échange de chaleur d'une pompe à chaleur thermoélectrique qui comprend une pluralité d'unités thermoélectriques de transfert de chaleur formant un premier groupe et comprenant chacune :

• un premier échangeur ;
• un second échangeur ;
• au moins un module thermoélectrique ou Peltier adapté pour transférer de la chaleur entre les deux échangeurs ;

le procédé comprenant les étapes qui consistent essentiellement à :

• connecter un premier échangeur d'une unité d'entrée de ladite pluralité d'unités thermoélectriques à un premier circuit des deux circuits ;
• connecter un second échangeur d'une unité de sortie de ladite pluralité d'unités thermoélectriques à un deuxième circuit des deux circuits ;
• alimenter à partir d'une source de courant électrique au moins l'unité d'entrée et l'unité de sortie desdites unités thermoélectriques par au moins une unité d'alimentation électrique présentant une pluralité de connexions de sortie et/ou au moins une unité thermoélectrique de transfert de chaleur faisant partie d'un deuxième groupe ;
• entrer une consigne de température ;
• délivrer, par un ensemble de capteurs de température, des signaux représentatifs de températures caractéristiques des deux circuits d'échange de chaleur ;
• sélectionner un mode de fonctionnement prédéterminé de la pompe à chaleur pour répondre à des besoins en transfert de chaleur, chacun des modes de fonctionnement (parallèle, cascade ou cascade-parallèle) pouvant être sélectionnés résultant d'une utilisation des modules thermoélectriques de la pompe à chaleur à des points de fonctionnement prédéterminés ; et
• pour permettre une utilisation des modules thermoélectriques dudit premier groupe à des points de fonctionnement qui minimisent la puissance électrique consommée tout en contribuant à répondre aux besoins en transfert de chaleur, transférer de la chaleur par une configuration en cascade dans laquelle le second échangeur de l'unité d'entrée est connecté à un premier échangeur de ladite pluralité d'unités thermoélectriques , et le premier échangeur de l'unité de sortie est connecté à un second échangeur de ladite pluralité d'unités thermoélectriques.

[0028] Selon une particularité, on contrôle en outre l'alimentation électrique des unités thermoélectriques du premier groupe et on fait circuler un fluide caloporteur dans des canalisations identiques ou symétriques des premier et second échangeurs de chaque unité thermoélectrique électriquement alimentée, de façon à conserver une différence de température sensiblement constante entre les faces des modules thermoélectriques dudit premier groupe.

[0029] Selon une autre particularité, le procédé comportant les étapes suivantes :

• fermer deux vannes raccordées au second échangeur de l'unité d'entrée pour déconnecter du deuxième circuit le second échangeur de l'unité d'entrée ;
• fermer deux vannes raccordées à un premier échangeur déterminé de ladite pluralité d'unités thermoélectriques, distinct du premier échangeur de l'unité d'entrée, pour déconnecter du premier circuit ledit premier échangeur déterminé ;
• ouvrir deux vannes raccordées au second échangeur de ladite unité d'entrée pour faire circuler un fluide caloporteur entre le premier échangeur déterminé et le second échangeur de l'unité d'entrée ; et
• optionnellement lorsque le premier groupe comprend au moins trois unités thermoélectriques, ouvrir deux vannes raccordées au premier échangeur de l'unité de sortie pour faire circuler un fluide caloporteur entre un second échangeur du premier groupe, distinct du second échangeur de l'unité de sortie, et le premier échangeur de l'unité de sortie.

[0030] Ainsi, grâce à un réseau de circulation de fluide approprié, les unités thermoélectriques sont activées de manière différente en fonction de la demande de puissance. Les échangeurs peuvent chacun présenter une unique entrée et une unique sortie et on comprend qu'au moins une paire de vannes est associée à chacun des échangeurs pouvant être relié à un autre des échangeurs. Pour obtenir une boucle de circulation de fluide fermée entre deux échangeurs, on coupe la communication avec les circuits principaux grâce aux deux paires de vannes associées et on ouvre donc les deux vannes formées dans les deux conduites de raccordement direct entre les entrées et sorties respectives des deux échangeurs. Avec des électrovannes ou vannes similaires reliées à une unité d'automatisation, aucune intervention humaine n'est nécessaire lors du passage d'une configuration à une autre.

[0031] Selon une particularité du procédé, le transfert de chaleur entre deux échangeurs d'une unité thermoélectrique non alimentée électriquement est réduit au moins dans un mode de chauffage de la pompe à chaleur thermoélectrique réversible. Cet abaissement peut être obtenu par l'arrêt d'une circulation du fluide caloporteur au niveau d'une ou plusieurs des unités thermoélectriques, par exemple celles qui ne sont pas alimentées électriquement. Dans le mode de chauffage de la pompe à chaleur, cela permet de minimiser la perte défavorable de chaleur par entropie. En effet, de la chaleur est diffusée depuis le fluide circulant dans les unités thermoélectriques non alimentées électriquement vers le milieu ambiant. Alternativement, un actionneur peut être prévu pour abaisser la conductivité thermique de l'interface entre le fluide caloporteur et la surface échangeuse, l'actionneur permettant par exemple d'écarter ou de rapprocher les zones échangeuses de chaleur des modules thermoélectriques.

[0032] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante de plusieurs modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en regard des dessins joints dans lesquels :

• la figure 1 est une vue schématique d'un système de contrôle d'une pompe à chaleur réversible à plusieurs unités thermoélectriques, selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
• la figure 2 montre un groupe d'unités thermoélectriques pouvant être associé, en cascade, en parallèle ou une combinaison mixte, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
• la figure 3 représente le groupe d'unités thermoélectriques de la figure 2, dans une configuration « tout parallèle » ;
• la figure 4 représente le groupe d'unités thermoélectriques de la figure 2, dans une configuration « tout cascade » ;
• la figure 5 représente le groupe d'unités thermoélectriques de la figure 2, dans une configuration mixte ;
• la figure 6 est un schéma illustrant un exemple d'unité thermoélectrique utilisable dans une pompe à chaleur selon l'invention ;
• la figure 7 montre un graphique qui illustre des domaines de configurations optimales pour un ensemble d'unités thermoélectriques, en fonction du couple température de fluide / puissance utile désiré ;
• la figure 8 montre un diagramme d'étapes permettant de déterminer un mode de chauffage optimal.

[0033] Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires.

[0034] A la figure 1, est représenté un mode de réalisation d'un système de contrôle 2 pour gérer des Cellules à Effet Peltier (CEP) ou modules thermoélectriques 3 de transfert de chaleur. Le système de contrôle 2 présente une unité d'alimentation électrique 10, correspondant ici à un système modulaire à sorties multiples de courant continu, connecté par exemple à une source de courant alternatif typiquement de 230V. Plusieurs systèmes modulaires à sorties multiples de courant continu peuvent aussi être utilisés. Les modules thermoélectriques 3 sont agencés par groupe de six dans des unités thermoélectriques 41, 44, 45, 46 respectives qui définissent un système échangeur 4 de la pompe à chaleur. Bien entendu, le nombre de modules thermoélectriques 3 n'est pas figé et peut être variable, par exemple et de manière non limitative compris entre deux et dix par unité thermoélectrique 41, 44, 45, 46. La pompe à chaleur équipée du système de contrôle 2 illustré à la figure 1 est réversible grâce à la possibilité d'inverser le courant d'alimentation pour tout ou partie des unités thermoélectriques 41, 44, 45, 46.

[0035] Dans l'exemple des figures 1 à 5, chacune des unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44, 45, 46 comprend un premier échangeur 41 a, 42a, 43a, 44a, 45à, 46a pouvant être relié à un premier circuit C1 d'échange de chaleur, ainsi qu'un second échangeur 41 b, 42b, 43b, 44b, 45b, 46b pouvant être relié à un deuxième circuit C2 d'échange de chaleur. Un ou plusieurs modules thermoélectriques 3 permettent de transférer de la chaleur entre les deux échangeurs. Alternativement, une ou plusieurs unités thermoélectriques peuvent être agencées en position intermédiaire entre une unité dite d'entrée 41 et une unité de sortie 44, sans être nécessairement raccordées aux circuits C1 et C2. En référence à la figure 2, on comprend ainsi que les unités thermoélectriques 42 et 43 pourraient ne fonctionner que dans une configuration en cascade entre l'unité d'entrée 41 et l'unité de sortie 44, les vannes V5-V8 et V11-V14 et les conduites de raccordement vers les nourrices respectives N1-N4 étant dans ce cas supprimées.

[0036] Dans l'exemple de la figure 1, à l'état fermé des vannes V1-V2 et V5-V6 et à l'état ouvert des vannes V3-V4, une circulation de fluide en boucle fermée est permise par une paire de conduites intermédiaires reliant le premier échangeur 44a de l'unité de sortie au premier échangeur 41 b de l'unité d'entrée 41. Les calories d'un fluide caloporteur sont ici prélevées dans le premier circuit C1 (figure 2) auquel est relié le premier échangeur 41 a de l'unité d'entrée 41 et la zone utile est chauffée à l'aide du deuxième circuit C2 (figure 2) auquel est relié le second échangeur 44b de l'unité de sortie 44. Le système de contrôle 2 peut plus généralement comporter une pluralité de vannes V1-V20, comme cela est visible sur la figure 2. Un dispositif du système de contrôle 2 commande ces vannes V1-V20 pour paramétrer la configuration d'alimentation en fluide du système échangeur 4. Le système de contrôle 2 permet de gérer l'alimentation électrique fournie au niveau des sorties respectives S1 et S2 pour optimiser le fonctionnement en cascade des unités thermoélectriques 41 et 44.

[0037] Chacune des sorties S1 et S2 de l'unité d'alimentation électrique 10 peut être associée à un circuit d'alimentation très basse tension redressée. L'unité d'alimentation électrique 10 délivre ainsi un courant redressé en double alternance avec une puissance optimisée. La fréquence obtenue peut être de l'ordre de 100 Hz par exemple. Pour les sorties S3 et S4, la tension peut être éventuellement plus élevée. Les unités thermoélectriques 45, 46 peuvent former optionnellement un deuxième groupe dont le mode de fonctionnement est différent des unités 41-44 du premier groupe. On comprend que les unités thermoélectriques 45, 46 peuvent faire partie d'un système conventionnel auquel serait associé le groupe d'unités thermoélectriques 41-44 pouvant fonctionner en cascade. Comme illustré notamment à la figure 2, le nombre d'unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44 du premier groupe peut être supérieur à deux et on comprend que la façon d'alimenter les unités supplémentaires 42 et 43 peut être identique ou similaire à l'alimentation illustrée à la figure 1 pour les unités thermoélectriques 41 et 44. Plus généralement, il est ainsi permis d'élargir la gamme de points de fonctionnement que l'on peut obtenir sans utiliser un nombre trop élevé d'unités thermoélectriques 41, 42, 43 ,44, 45 ,46.

[0038] Toujours en référence à la figure 1, la pompe à chaleur utilise au moins une circulation d'un fluide caloporteur tel que l'eau. Chacune des unités thermoélectriques 41, 44, 45, 46 comprend un premier échangeur 41 a, 44a, 45a, 46a et un second échangeur 41 b, 44b, 45b, 46b situé à l'opposé du premier. En référence à la figure 6, dans une unité thermoélectrique 45, les fluides caloporteurs respectifs circulent dans des canaux pour assurer un échange de chaleur avec la face externe plane de l'échangeur correspondant 45a, 45b. Le premier échangeur 45a présente une entrée de fluide E1 située du côté droit de l'unité thermoélectrique 45 et une sortie O1 agencée de façon opposée. Le second échangeur 45b, présente une entrée de fluide E2 du côté gauche et une sortie opposée 02. Ce second échangeur 45b, avec sa face d'échange orientée vers le bas, peut être en tout point identique au premier échangeur 45a. Les modules thermoélectriques 3, lorsqu'ils sont alimentés électriquement, permettent un transfert de chaleur entre les deux échangeurs 45a, 45b selon un sens qui est dicté par le sens d'alimentation du courant.

[0039] Dans cet exemple non limitatif, une moto-vanne v1, permet d'arrêter la circulation du premier fluide dans le premier échangeur 45a et une moto-vanne v2 permet d'arrêter la circulation du deuxième fluide dans le second échangeur 45b. La figure 6 illustre ainsi l'utilisation de moto-vannes v1, v2 chacune adaptées pour couper sélectivement la circulation de fluide caloporteur dans des parties de circuit d'une unité thermoélectrique 45. Naturellement tout type de vanne est utilisable, avec de préférence un organe de commande de l'ouverture/fermeture du clapet de la vanne. Ici, les moto-vannes v1, v2 sont chacune adaptées pour fermer la communication fluidique avec l'échangeur 45a, 45b. On comprend que la circulation des premier et second fluides peut cependant se poursuivre à travers d'autres parties d'un circuit. Ceci est réalisable par exemple en utilisant des moto-vannes v1, v2 qui interrompent ou court-circuitent uniquement une circulation sinueuse dans l'échangeur 45a, 45b, tandis qu'une circulation longitudinale ou externe à l'échangeur 45a, 45b est permise.

[0040] Bien que la figure 6 se réfère à l'exemple de l'unité thermoélectrique 45, on comprend qu'au moins l'unité thermoélectrique 46 montrée sur la figure 1 peut être équipée de façon analogue avec au moins une moto-vanne. Les autres unités peuvent présenter des vannes V1-V6, V7-V12 et V13-V18 permettant également d'interrompre ou de court-circuiter la circulation sinueuse dans les échangeurs correspondants. L'intérêt de court-circuiter des parties de circuit formées au niveau d'unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44, 45, 46 est de satisfaire au plus près les besoins spécifiques paramétrés pour la pompe à chaleur, avec une optimisation du coefficient de performance (COP), en particulier lorsque dans une habitation ou local similaire équipé avec la pompe à chaleur, les besoins de transfert de chaleur varient d'un lieu à l'autre. Les moto-vannes v1, v2 sont fermées en particulier lorsqu'il n'y a pas un besoin particulier de transfert de chaleur par le circuit C1 ou C2 d'échange de chaleur correspondant. La fermeture des moto-vannes v1, v2 est avantageuse dans le mode de chauffage de la pompe à chaleur, afin d'éviter un couplage thermique entre les faces des modules thermoélectriques 3 non alimentés, et donc des échanges de chaleur dans le sens opposé à ceux désirés. Ces pertes par entropie du système échangeur 4 peuvent être ainsi évitées.

[0041] Plus généralement, la pompe à chaleur peut être équipée de tous moyens permettant de faire varier, au niveau d'une ou plusieurs des unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44, 45, 46 un coefficient de transfert de chaleur entre les deux échangeurs. En mode de chauffage, un dispositif pourvu des moto-vannes v1, v2 ou agencé différemment permet ainsi de modifier les conditions d'échange thermique.

[0042] Dans le mode de rafraîchissement, l'effet entropique est favorable puisque l'on cherche à évacuer la chaleur du milieu ambiant. Par conséquent, on peut utiliser un dispositif de couplage/découplage thermique configuré pour stopper la circulation hydraulique dissipatrice de chaleur et/ou augmenter localement la résistance thermique par d'autres moyens connus, dans le mode de chauffage, et pour laisser circuler le fluide caloporteur et/ou baisser localement la résistance thermique par tout autre moyen connu, dans le mode de rafraîchissement.

[0043] La pompe à chaleur peut être plus particulièrement destinée aux applications de chauffage basse température et de rafraîchissement pour l'habitat. La pompe à chaleur peut se présenter sous la forme d'un boîtier ou d'un appareil avec en façade un panneau de commande (non représenté). Une interface de commande 6 et le système échangeur 4 sont par exemple agencés dans le boîtier. La pompe à chaleur est typiquement destinée à chauffer des locaux d'habitation ou professionnels, mais aussi à rafraîchir ces locaux grâce à l'utilisation des modules thermoélectriques 3. La pompe à chaleur thermoélectrique est donc préférentiellement réversible. Plusieurs pièces d'un local d'habitation peuvent être chauffées, respectivement rafraîchies, à l'aide de boucles d'échanges de chaleur raccordées au boîtier. Les locaux d'habitation en question sont typiquement des habitations individuelles allant d'un appartement de quelques pièces à une maison individuelle. La puissance est donc typiquement prévue entre trois et trente kilowatts de puissance de chauffage maximale, sans que cette dernière valeur constitue une limite supérieure.

[0044] La circulation de fluide(s) caloporteur(s) est réalisée à travers des canalisations en contact thermique avec les faces de même type des modules thermoélectriques 3 de même type. On comprend que le transfert de chaleur entre les deux circuits C1, C2 peut être réalisé en utilisant toute configuration adaptée de circuit caloporteur. Quelle que soit la configuration adoptée, la face du module thermoélectrique 3 qui pompe de la chaleur se trouve typiquement à une température plus froide que la face qui évacue de la chaleur. Une température de consigne peut être entrée par l'intermédiaire d'un module de programmation ou dispositif comparable de la pompe à chaleur, lequel module est par exemple relié à l'interface de commande 6 et fait partie du dispositif de commande. La température de la face du module thermoélectrique 3 qui pompe de la chaleur et la température de consigne forment un couple de paramètres déterminant pour l'obtention d'un coefficient de performance (COP) maximal. En effet, il existe une tension d'alimentation continue optimale pour laquelle un module thermoélectrique 3 a un COP maximal. Ceci est valable aussi bien dans le mode de chauffage que dans le mode de rafraîchissement. Dans le cas présent, le courant d'alimentation est de préférence un courant alternatif redressé double alternance. Pour approcher le COP maximal, la tension continue optimale est multipliée par un coefficient correcteur afin de déterminer l'amplitude de la tension alternative correspondante. Par exemple, pour un courant alternatif sinusoïdal on multiplie la tension continue optimale par un coefficient égal à √2.

[0045] Le besoin thermique en chauffage sert ici de référence pour déterminer le nombre de CEP ou modules thermoélectriques 3 nécessaires dans la pompe à chaleur car ce besoin est supérieur à celui du besoin thermique en rafraîchissement, lequel aboutirait à un nombre de CEP plus petit et donc insuffisant pour le chauffage.

[0046] En référence à la figure 1, il est montré un schéma de contrôle des unités thermoélectriques 41, 44, 45, 46 de la pompe à chaleur. Le système de contrôle 2 comprend une connexion 7 à une source de courant électrique 8 et une unité d'alimentation électrique 10 adaptée pour alimenter lesdites unités thermoélectriques 41, 44, 45, 46 à partir de la source de courant électrique 8. Ici, la source de courant électrique 8 fournit une alimentation alternative. Dans ce cas, la source de courant peut alors être le réseau urbain (à 230 V comme c'est le cas dans de nombreux pays d'Europe notamment). Plusieurs fusibles de protection F sont prévus dans l'unité d'alimentation électrique 10. Le nombre de modules thermoélectriques 3 représenté est de vingt-quatre dans l'exemple illustré à la figure 1 mais ce nombre peut bien entendu être différent, par exemple supérieur pour satisfaire les besoins en puissance de chauffage. Il est ici prévu de choisir un mode de fonctionnement adapté pour obtenir la température souhaitée dans des locaux d'habitation ou locaux similaires, le point de fonctionnement choisi étant celui qui correspond au coefficient de performance (COP) optimal. Afin d'optimiser ce coefficient COP, quel que soit le mode de fonctionnement de la pompe à chaleur (ce mode de fonctionnement variant avec la température du ou des fluides caloporteurs et la puissance thermique de chauffage ou de rafraîchissement), le système de contrôle 2 peut effectuer une sélection d'un mode de chauffage parmi une pluralité de modes de chauffage.

[0047] Ces modes de chauffage sont obtenus par :

• une sélection du mode de fonctionnement prédéterminé de la pompe à chaleur qui répond aux besoins et dans lequel il est permis d'utiliser les modules thermoélectriques 3 à des points de fonctionnement prédéterminés considérés comme optimaux ; et
• un réglage de l'unité d'alimentation électrique 10 pour obtenir le fonctionnement optimal pour les modules thermoélectriques.

[0048] Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, la sélection du mode de fonctionnement fait intervenir un réglage de la configuration d'alimentation en fluide des unités thermoélectriques 41, 44, 45, 46. Ce réglage permet d'élargir encore la gamme de modes de chauffage susceptibles de couvrir la variété de besoins thermiques dans une habitation ou local similaire, ces modes pouvant se distinguer l'un par rapport à l'autre par un nombre différent de modules thermoélectriques 3 actifs et/ou à une tension d'alimentation U1, U2, U3, U4 différente aux bornes des unités thermoélectriques 41, 44, 45, 46.

[0049] En référence à la figure 1, l'association en parallèle des unités thermoélectriques 41, 44, 45, 46 permet de produire n'importe quelle puissance thermique utile supérieure à la puissance optimale fournie par une seule unité thermoélectrique en conservant les mêmes performances, pour un couple « température du fluide utile/température du fluide source » donné. En effet avec cette configuration, il est préférable de conserver les mêmes différences de température entre les faces de chacun des modules thermoélectriques 3 constituant le système global. Or c'est cette différence de température qui régit le COP du module 3. Finalement pour une association en parallèle, on peut obtenir aisément des modules thermoélectriques 3 d'unités distinctes qui fonctionnent à la même intensité et fournissent le même flux thermique utile. Dans ce cas, le nombre optimal de modules 3 à associer correspond alors au ratio entre le flux thermique utile désiré et le flux thermique optimal généré par un unique module thermique 3 pour les conditions de fonctionnement données.

[0050] Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, il est permis en outre de produire une puissance thermique utile avantageusement inférieure à la puissance optimale fournie par une seule unité thermoélectrique, grâce à une association en cascade entre au moins deux unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44 (figures 1 et 2). Une telle association qui permet de faire fonctionner des modules thermoélectriques 3 avec une puissance particulièrement faible est donc intéressante pour obtenir selon un fonctionnement optimal un complément de puissance d'une valeur inférieure à la puissance optimale fournie par une seule unité thermoélectrique.

[0051] Les résultats d'un modèle analytique prenant en compte l'évolution du COP avec la puissance montrent que la puissance optimale pour des conditions de température données est inférieure à la puissance maximale que peut délivrer le module pour les mêmes conditions de température. Par conséquent le cas le plus contraignant du système (cas où la puissance nécessaire est la plus élevée) permet en pratique de déterminer le nombre précis de modules 3 présents dans la pompe à chaleur. L'association en parallèle et/ou en cascade doit ensuite être gérée efficacement : lorsque le besoin en puissance baisse, il suffit alors de déconnecter électriquement le nombre nécessaire de modules thermoélectriques 3 pour conserver le COP optimal (en coupant l'alimentation d'au moins une des unités par exemple) ou d'activer un fonctionnement en cascade d'unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44 dans lequel le niveau d'alimentation est ajusté pour un fonctionnement optimal des modules thermoélectriques 3 correspondants. Dans un mode de réalisation préféré, le système de contrôle 2 selon l'invention permet une gestion rigoureuse afin de couvrir toute la gamme de puissance thermique utile nécessaire par connexions-déconnexions des unités thermoélectriques et association en cascade, parallèle ou cascade-parallèle des unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44. Une fois l'association d'unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44, 45, 46 paramétrée, il reste seulement à fournir une intensité optimale aux modules thermoélectriques 3.

[0052] L'unité d'alimentation électrique 10 va à présent être décrite plus en détail en liaison avec la figure 1.

[0053] Dans le mode de réalisation non limitatif de la figure 1, l'unité d'alimentation électrique 10 présente plusieurs connexions de sortie S1, S2, S3, S4 permettant de transmettre une tension d'alimentation à chacune des unités thermoélectriques 41, 44, 45, 46. Pour maximiser le COP associé à chacun des modules thermoélectriques 3, il peut être prévu en association avec le dispositif de commande un dispositif de commutation ou autres moyens pour modifier les tensions d'alimentation électrique. Le dispositif de commande comprend une unité de contrôle électronique ECU reliée à l'interface de commande 6 et permettant par exemple de modifier l'état des commutateurs du dispositif de commutation. Le dispositif de commande et l'unité d'alimentation électrique 10 peuvent être formés dans des boîtiers respectifs connectés entre eux.

[0054] Dans l'exemple de la figure 1, l'unité de contrôle électronique ECU peut permettre de modifier la configuration du dispositif de commutation dans un mode de chauffage en contrôlant l'état de commutateurs. Un exemple non limitatif de contrôle d'une unité d'alimentation électrique 10 avec quatre sorties S1, S2, S3, S4 est exposé dans la demande de brevet FR n° 09 59196 (la figure 1 de ce document montre une forme de réalisation applicable pour l'unité 10). Une très basse tension alternative redressée peut être fournie notamment aux deux unités thermoétectriques 41, 42. Un asservissement avec rétroaction sur au moins un commutateur approprié ou élément de réglage de tension analogue peut être mis en oeuvre grâce une collecte d'informations représentatives d'un besoin de chauffe par l'unité de contrôle électronique ECU. Ici, les informations représentatives du besoin de chauffe sont par exemple une ou plusieurs températures caractéristiques des deux circuits d'échange de chaleur et la température de consigne. Un tel asservissement est par exemple présent pour chacune des unités thermoélectriques 41, 44, 45, 46.

[0055] Les connexions de sortie S3, S4, et éventuellement les connexions de sortie S1, S2, peuvent être chacune associées à un dispositif inverseur du sens du courant. Ce dispositif inverseur peut être actionné par le dispositif de commande. Le caractère réversible de l'alimentation fournie aux unités thermoélectriques 45, 46 permet, de façon simple, de passer du mode chauffage au mode rafraîchissement. Au moins pour une de ces unités thermoélectriques 45, 46 à inversion d'alimentation, on peut prévoir optionnellement une plus grande puissance de chauffage. Une puissance moindre peut aussi être obtenue en utilisant seulement l'une des sorties S3, S4 pour alimenter sélectivement l'une ou l'autre des unités thermoélectriques 45, 46.

[0056] Pour la configuration en cascade des unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44, il est prévu que les courants puissent être différents pour les unités ainsi associées, de façon à conserver une différence de température sensiblement identique entre les faces de chacun des modules thermoélectriques 3 composant le système. La tension aux bornes de chacune des unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44 est donc différente. Un dispositif connu en soi adapté pour faire varier le courant (en utilisant par exemple une résistance électrique variable) avec une précision au moins de l'ordre de 10mA est éventuellement utilisé pour ajuster le courant d'alimentation des modules thermoélectriques 3. Les deux tableaux ci-dessous correspondent à un exemple numérique montrant le gain en COP avec une variation de l'intensité fournie à des unités thermoélectriques configurées en cascade.

ΔT=20°C I constant = 0,92A	Unité 1 (face froide)	Unité 2	Unité 3	Unité 4 (face froide)	COP
4 unités (1 CEP / unité)	u1 =2,4V	u2 =2,34V	u3 =2,28V	u4 =2,21 V	1,62

ΔT= 20°C	Unité 1 (face froide)	Unité 2	Unité 3	Unité 4 (face froide)	COP
I variable	i1 =0,84A	i2 =0,8A	i3 =0,94A	i4 =1A
4 unités (1 CEP / unité)	u1 =2,15V	u2 =2,23V	u3 =2,33V	u4 =2,44V	1,66

[0057] Les intensités sont déterminées en fonction du modèle analytique et des variables d'entrée qui peuvent être la température extérieure de l'air (à l'extérieur du bâtiment équipé de la pompe à chaleur), la résistance thermique ou le coefficient d'isolation du bâtiment, la température de consigne, qui permettent de déterminer la puissance thermique à fournir. Une autre donnée d'entrée est la résistance thermique et l'émissivité du plancher lorsque la ou les boucles de transfert sont intégrées à un sol du bâtiment. Cela permet alors de déterminer la température nécessaire pour le fluide circulant dans les boucles utiles de transfert.

[0058] Le modèle prend en compte une loi de type « loi d'eau » pour estimer la puissance nécessaire à fournir au niveau du système échangeur 4. La loi d'eau peut prendre en compte les pertes thermiques du logement ou bâtiment pour estimer la puissance à fournir qui permet de compenser de telles pertes thermiques. L'ensemble des configurations est modélisé par exemple sous la forme d'une table de correspondance permettant de relier le besoin en puissance à une configuration et la fourniture de courant(s) d'alimentation électrique et éventuellement de débit(s) de circulation de fluide. Une cartographie complète de ces configurations et des modes de fonctionnement possibles, en fonction du régime de température de fluide (appelé couramment le régime d'eau ; il y a alors prise en compte du couple température d'eau - puissance utile) à laquelle on va faire fonctionner la pompe, peut être ainsi stockée dans une mémoire du système de contrôle 2 et peut être exploitée à l'aide d'un algorithme de l'unité de contrôle électronique ECU. Grâce à la table de correspondance, la meilleure configuration peut être déterminée avec en particulier des données représentatives des courants spécifique dans le cas d'une association en cascade entre au moins deux unités thermoélectriques 41, 44, 45, 46. Le fonctionnement optimal peut alors être activé.

[0059] Les échangeurs 41 a-41 b, 44a-44b, 45a-45b, 46a-46b des unités 41, 44, 45, 46 sont de préférence conçus pour homogénéiser la température à la surface des modules thermoélectriques 3. A titre d'exemple non limitatif, on peut utiliser une conception d'échangeur avec deux canalisations agencées de façon symétrique l'une à l'autre par rapport à un plan normal à la portion de surface d'échange de l'échangeur qui est en regard d'une ou plusieurs faces d'un module thermoélectrique 3. Cette conception est décrite aux figures 3a-3b du document WO 2006/070096. Plus généralement, on peut utiliser des échangeurs à double flux permettant l'obtention d'une température sensiblement homogène au niveau de la surface d'échange avec le ou les modules thermoélectriques 3. On comprend que de tels échangeurs présentent alors deux entrées et deux sorties. Bien qu'une seule entrée et une seule sortie soient montrées sur la figure 1, il doit être clair que les conduites hydrauliques peuvent être dédoublées au voisinage des unités thermoélectriques 41, 44, 45, 46 pour obtenir une circulation à double flux dans les échangeurs 41 a-41 b, 44a-44b, 45a-45b, 46a-46b.

[0060] Alternativement ou en complément, les deux échangeurs 45a, 45b d'une même unité thermoélectrique 45 telle que représentée à la figure 6 (avec ou sans moto-vanne) peuvent présenter une conception à simple flux avec une seule entrée E1 ou E2 et une seule sortie O1 ou 02, en utilisant des boucles de Tickelman de même géométrie dans la paire d'échangeurs 45a-45b. On obtient alors un gradient de température constant pour l'unité thermoélectrique 45 et il est alors permis d'obtenir une homogénéisation du différentiel ΔT avec de telles boucles lorsqu'elles sont conçues en courant croisé. La conception en courant croisé est par exemple réalisée avec l'entrée E1 du premier échangeur 45a en correspondance avec la sortie 02 du second échangeur 45b et l'entrée E2 du second échangeur 45b en correspondance à la sortie O1 du premier échangeur 45a. On comprend qu'il y a ici également une symétrie des canalisations entre les échangeurs et il est préférable d'utiliser des canalisations qui sont identiques d'un échangeur à l'autre.

[0061] Avec le contrôle cumulé de l'alimentation électrique de chacune des unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44 pouvant être configurées en cascade et la mise en circulation du fluide caloporteur dans des canalisations identiques ou symétriques des premier et second échangeurs 41a-41b, 42a-42b, 43a-43b, 44a-44b associés, il est permis de conserver une différence de température sensiblement constante entre les faces des modules thermoélectriques 3 dudit premier groupe. L'alimentation électrique pour les autres unités thermoélectriques 45 et 46 peut bien entendu être ajustée en fonction des besoins en transfert de chaleur.

[0062] La pompe à chaleur peut être asservie de manière simple et économique, le dispositif de commande permettant de réguler la température ambiante d'un ou plusieurs locaux en minimisant le nombre de CEP et/ou la tension d'alimentation de ces CEP. Pour une unité thermoélectrique donnée comportant 6 CEP identiques, on comprend que la tension d'alimentation u des CEP est égale à la tension d'alimentation U de ladite unité divisée par 6.

[0063] En référence à la figure 2, tout ou partie du système échangeur 4 peut être composé de plusieurs unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44, ici au nombre de quatre, pouvant fonctionner à la fois dans une association en parallèle et une association en cascade. La forme de réalisation illustrée à la figure 2 permet de répondre à une modularité complète de la pompe à chaleur thermoélectrique.

[0064] Lorsque le nombre d'unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44 pouvant être configurées en cascade est de N (nombre entier supérieur ou égal à deux et par exemple supérieur ou égal à quatre), le dispositif de commande paramètre le nombre souhaité (de 0 à N) d'unités à associer en cascade en fonction des besoins en transfert de chaleur. Dans l'exemple de la figure 2, la partie du système échangeur 4 illustrée est connecté à quatre nourrices N1, N2, N3, N4 dont deux nourrices N1-N2 font partie du premier circuit C1 et deux autres nourrices N3-N4 font partie du deuxième circuit C2. La nourrice N3 est connectée en amont de la zone pour l'échange de chaleur utile (côté à chauffer lorsque la pompe fonctionne en mode de chauffage) et la nourrice N4 est connectée en aval de cette zone. La nourrice N2 est connectée en amont de la zone pour l'échange de chaleur avec la source (côté où l'on prélève des calories dans le mode de chauffage) et la nourrice N1 est connectée en aval de cette zone. Le système de contrôle 2 comporte des organes de pompage P1, P5 pour faire circuler un fluide caloporteur dans chacun des deux circuits C1, C2. Les pompes sont typiquement placées entre l'une des deux nourrices et la partie de circuit externe au boîtier ou appareil renfermant les unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44, 45, 46. Les pompes peuvent être classiques ou former des dispositifs de circulation à vitesse variable.

[0065] Le schéma des connexions fluidiques montré à la figure 2 montre un organe de pompage P1 utilisé par le premier circuit C1 pour faire circuler le fluide caloporteur dans la zone pour l'échange de chaleur avec la source puis au moins dans le premier échangeur 41 a de l'unité d'entrée 41. Un organe de pompage P5 est utilisé de manière similaire par le deuxième circuit C2 pour faire circuler le fluide caloporteur au moins dans le second échangeur 44b de l'unité de sortie 44 et ensuite l'acheminer dans la zone pour l'échange de chaleur utile.

[0066] Toujours en référence à la figure 2, un nombre de pompes P1-P5 supérieur à celui du nombre d'unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44 est prévu ici pour permettre d'alimenter différemment en fluide chacune des ces unités. Les vannes V1-V20, qui sont par exemple des électrovannes, sont ici en nombre supérieur ou égal au quadruple du nombre d'unité thermoélectriques 41, 42, 43, 44.

[0067] La figure 3 montre le cas de la configuration en « tout parallèle », dans laquelle le dispositif de commande active :

• d'une part la circulation du fluide caloporteur en parallèle dans les premiers échangeurs 41 a, 42a, 43a, 44a, par actionnement de la pompe P1 ; et
• d'autre part la circulation du fluide caloporteur en parallèle dans les seconds échangeurs 41 b, 42b, 43b, 44b, par actionnement de la pompe P5

[0068] Dans ce cas, les vannes V3-V4, V9-V10 et V15-V16 restent à l'état fermé et seules les deux pompes principales P1, P5 fonctionnent. Les quatre nourrices N1-N4 sont entièrement ouvertes, de façon à alimenter directement tous les échangeurs, par l'intermédiaire des conduites reliant les nourrices aux unités thermoélectriques. Pour N unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44, ce nombre de conduites est par exemple de 4N.

[0069] Une unité du système échangeur 4 peut aisément être isolée puisqu'il suffit de fermer les vannes respectives des quatre conduites reliant les échangeurs de cette unité aux nourrices. Bien entendu, la ou les vannes reliant un échangeur adjacent à l'échangeur de l'unité que l'on veut isoler doivent être fermées. A titre d'exemple, l'unité 44 pourrait être isolée en fermant les vannes V15-V18 et V19. Bien entendu, le dispositif de commutation 20 serait commandé en correspondance pour ne pas alimenter électriquement la ou les CEP de cette unité thermoélectrique 44.

[0070] La configuration en « tout cascade » par utilisation des mêmes quatre unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44 est permise comme illustré à la figure 4 en générant une circulation séparée de fluide caloporteur dans les boucles intermédiaires traversant chacune un premier échangeur et un second échangeur d'une paire d'unités thermoélectriques 41-42, 42-43, 43-44. Ici, les organes de pompage P1-P5 sont tous en fonctionnement et on peut distinguer :

• une boucle d'entrée, formant un circuit du côté de la source, qui traverse le premier échangeur 41 a de l'unité d'entrée 41, et permettant au fluide caloporteur de circuler au niveau des nourrices N1 et N2 ;
• une pluralité de boucles intermédiaires ici au nombre de trois ; et
• une boucle de sortie, formant un circuit du côté utile, qui traverse le second échangeur 44b de l'unité de sortie 44, et permettant au fluide caloporteur de circuler au niveau des nourrices N3 et N4.

[0071] La pompe P1 permet le passage dans le premier échangeur 41 a de l'unité d'entrée 41 du fluide ayant prélevé des calories à la source. Seules les vannes V3-V4, V9-V10, V15-V16 et V19-V20 sont ouvertes. Par l'intermédiaire des transferts de chaleur étagés réalisés entre les différentes unités 41, 42, 43, 44, c'est le fluide mis en circulation dans la boucle de sortie par la pompe P5 qui transmet finalement des calories dans la partie échangeuse du côté utile. Dans cette configuration, les organes de pompage P2, P3 et P4 permettent chacune de faire circuler un fluide caloporteur dans une boucle fermée qui ne traverse ni le premier échangeur 41 a de l'unité d'entrée 41 ni le second échangeur 44b de l'unité de sortie 44. Comme cela est visible à la figure 4, les boucles fermées intermédiaires sont formées en associant un premier échangeur 42a, 43a, 44a à un second échangeur 41 b, 42b, 43b.

[0072] Le nombre d'unités thermoélectriques configurées en cascade peut aisément varier, le mécanisme d'isolation d'une unité thermoélectrique précédemment décrit restant applicable pour une déconnexion sélective de l'alimentation en fluide et en électricité d'une des unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44.

[0073] En référence à la figure 5, une configuration en parallèle de deux paires d'unités thermoélectriques 41-42 et 43-44 utilisant chacune l'association en cascade est activée. Cette association mixte permet d'utiliser les pompes P1 et P5 pour alimenter des échangeurs 41a, 42b, 43a, 44b appartenant à des unités thermoélectriques distinctes 41, 42, 43, 44. Les vannes V7-V8, V11-V12 et V19- V20 sont ouvertes à cet effet. Le reste des échangeurs est alimenté en fluide grâce aux pompes P2 et P4 de deux boucles intermédiaires qui assurent la cascade entre les unités 41 et 42 et les unités 43 et 44. Seules les vannes V3, V4, V15 et V16 autorisent la circulation du fluide vers l'échangeur adjacent, à savoir la circulation entre l'échangeur 41 b et 42a et entre l'échangeur 43b et 44a.

[0074] En référence à la figure 1, pour le choix des commandes de sortie qui vont permettre de configurer l'alimentation électrique et le mode de connexion fluidique, l'unité de contrôle électronique ECU peut utiliser différentes entrées analogiques, par exemple fournies à l'aide de premiers capteurs de température 31 et de deuxièmes capteurs de température 32. Les premiers capteurs 31 délivrent par exemple des signaux représentatifs de températures caractéristiques des deux circuits d'échange de chaleur, comme les températures de départ et de retour du fluide caloporteur dans le circuit émetteur C1, les températures de départ et de retour du fluide caloporteur dans le circuit extérieur C2. Les deuxièmes capteurs de température 32 permettent de mesurer la température extérieure à l'habitation ou local similaire équipé avec la pompe à chaleur, ainsi que la température ambiante de l'habitation. Plus généralement, l'ensemble de capteurs de température 31, 32 est prévu pour fournir des informations suffisantes pour une estimation des conditions dans lesquelles est réalisé le transfert de chaleur.

[0075] L'unité de contrôle électronique ECU reçoit aussi des entrées tout ou rien, numériques dans un mode de réalisation préféré, pouvant correspondre à l'un au moins des ordres suivants :

• Commande de mise en marche de la pompe à chaleur, avec par exemple une mise sous tension de l'automate (cet ordre est typiquement manuel et donné par l'utilisateur en appuyant sur un bouton en façade) ;
• Commande de mise en marche du mode chauffage (cet ordre est également typiquement manuel) ;
• Commande de mise en marche du mode rafraîchissement (cet ordre est également typiquement manuel) ; et
• L'ordre de chauffage ou de rafraîchissement par le thermostat d'ambiance en fonction de l'écart de température entre la température ambiance et la consigne dans l'habitat.

[0076] Un convertisseur CAN de l'unité de contrôle électronique ECU permet de collecter les différentes entrées. L'exploitation des informations correspondantes peut être réalisée au niveau de l'unité de contrôle électronique ECU du dispositif de commande. On comprend que la température de consigne (il peut s'agir d'une température ambiante souhaitée) indiquée par l'utilisateur est prise ainsi en compte de façon à déterminer la température qu'il faudrait atteindre dans les circuits de fluide caloporteur pour répondre à la demande de l'utilisateur. La connaissance de la résistance thermique globale de l'échangeur et préférentiellement de la température extérieure et la résistance thermique globale de l'habitat peuvent permettre une corrélation entre une température de consigne paramétrée directement par un utilisateur et le besoin réel en transfert de chaleur.

[0077] Ainsi, un asservissement d'un paramètre représentatif du besoin en transfert de chaleur, par exemple une température moyenne d'eau obtenue à partir des températures mesurées par deux des capteurs 31, peut être mis en oeuvre par utilisation d'un paramètre de consigne correspondant. Ce paramètre de consigne prend ici en compte la température de consigne paramétrée par l'utilisateur. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'écart entre le paramètre de consigne et le paramètre correspondant estimé en temps réel est calculé par exploitation des mesures des capteurs 31, 32. Un algorithme de l'unité de contrôle électronique ECU est prévu pour effectuer ce calcul et réaliser une corrélation, en fonction de ladite consigne de température et des signaux délivrés par l'ensemble des premiers et deuxièmes capteurs de température 31, 32, entre des besoins de transfert de chaleur et un unique mode de fonctionnement optimal. Pour cela, le calcul de l'écart au paramètre de consigne permet au thermostat d'ambiance de délivrer l'ordre de chauffage ou de rafraîchissement.

[0078] Dans l'exemple de la figure 1, qui correspond à un mode de fonctionnement par chauffage en utilisant les deux unités thermoélectriques 41, 42, le mode de fonctionnement a ainsi été déterminé à l'aide de l'algorithme de l'unité de contrôle électronique ECU pour maximiser le coefficient de performance de la pompe à chaleur. De manière non limitative, l'algorithme calcule typiquement dans ce cas deux paramètres tels que la puissance de chauffage et la température moyenne d'eau (ou fluide caloporteur similaire) de celui des circuits qui est émetteur de chaleur. Ce couple de paramètres permet, par exemple par utilisation d'une table de correspondance, de trouver le nombre de modules thermoélectriques 3 optimal pour le besoin ainsi que le courant optimal pour ces modules thermoélectriques 3. Le choix du mode d'alimentation se fait alors dans la configuration qui se rapproche le plus des paramètres d'optimisation ainsi déterminés. L'algorithme peut ainsi, à l'aide de la table de correspondance, sélectionner un des points de fonctionnement prédéterminés des modules 3, en fonction du paramètre de consigne et des signaux délivrés par l'ensemble de capteurs de température 31, 32. Ensuite, une configuration adaptée des vannes V1-V20 et des pompes P1-P5 peut être paramétrée en fonction du point de fonctionnement sélectionné.

[0079] On comprend que le nombre de modules thermoélectriques 3 en fonctionnement peut avantageusement évoluer de façon dynamique pour répondre à un large nombre de couples (Quantité de chaleur pour le chauffage/Température moyenne de l'eau du circuit émetteur) et (Quantité de chaleur pour le rafraîchissement/ Température moyenne de l'eau du circuit émetteur). Comme ce couple varie en fonction du temps et de la conception du système global intégrant la pompe à chaleur, le processus de détermination par l'algorithme du nombre de modules thermoélectriques 3 en fonctionnement doit être répété régulièrement, avec une détermination simultanée du mode d'alimentation optimal de ce nombre déterminé de modules 3 qui satisfait le besoin réel pour la consommation électrique minimale.

[0080] Il est important de noter que, dans les modes de réalisation représentés, le nombre de modules thermoélectriques 3 alimentés est directement lié au nombre d'unités thermoélectriques en fonctionnement. En effet tous les modules 3 d'une unité thermoélectrique fonctionnent de la même manière. On comprend dans ce cas qu'il ne peut y avoir par exemple la moitié des modules 3 d'une même unité thermoélectrique en fonctionnement et l'autre à l'arrêt.

[0081] L'unité de contrôle électronique ECU montrée sur la figure 1 peut comporter un module de paramétrage pour paramétrer un nombre défini de modes de fonctionnement prédéterminés de la pompe à chaleur, de façon à définir des configurations chacune différentes, dans le but de mieux correspondre à un besoin spécifique en transfert de chaleur. Les modes de fonctionnement sont paramétrés par le module de paramétrage en fonction, d'une part, d'un nombre de modules thermoélectriques 3 qui sont activés, et d'autre part, de tensions d'alimentation chacune associées aux modules thermoélectriques 3 qui sont activés.

[0082] Comme l'augmentation de la tension d'alimentation affectée à chaque module thermoélectrique 3 a tendance à abaisser le COP au-delà d'une certaine valeur et pour des conditions de température données, la faculté de modifier les connexions fluidiques permet d'ajouter des options pour lesquelles il n'est pas nécessaire d'augmenter la tension d'alimentation au-delà de ce qui est suffisant pour obtenir un point de fonctionnement optimal du module 3. C'est pourquoi le dispositif de commande peut avantageusement configurer les moyens de réglages de la tension d'alimentation des unités et la pluralité de vannes V1-V20 de façon à sélectionner un mode de chauffage avec un nombre de modules thermoélectriques 3 (par une alimentation sélective des unités 41-46) suffisant pour répondre aux besoins de transfert de chaleur, et délivrer un courant d'alimentation juste suffisant pour optimiser le COP. Pour un couple de températures mesurées dans les deux circuits, il existe un courant d'alimentation unique pour lequel un module thermoélectrique 3 considéré possède un COP maximal (cf. figure 5 de la demande de brevet FR n° 09 59196, illustrant un exemple de modélisation appelé « loi d'eau » dans le cas où le fluide caloporteur est de l'eau). Autrement dit, on peut associer à un tel point de fonctionnement un couple unique de flux de chaleur pour le transfert de chaleur dans les deux circuits émetteur et récepteur de chaleur.

[0083] En référence à la figure 8, la pompe à chaleur peut être contrôlée en procédant comme suit :

• on connecte dans une étape préliminaire la pompe à chaleur à la source de courant électrique 8 ;
• on programme lors d'une première étape de paramétrage 61 au moins une consigne de température ;
• on délivre à la suite d'une étape de mesure 62, par les capteurs de température 31, 32, des signaux représentatifs de températures caractéristiques des deux circuits d'échange de chaleur ;
• lors d'une étape 63 de détermination des besoins en transfert de chaleur, on utilise l'algorithme de l'unité contrôle électronique ECU et on calcule en fonction de la consigne de température et des signaux délivrés par l'ensemble de capteurs de température 31, 32 des paramètres représentatifs d'un besoin de transfert de chaleur (pouvant inclure la puissance de chauffage ou de rafraîchissement et une température caractéristique dans le circuit émetteur d'un tel chauffage ou rafraîchissement) ;
• dans une étape 64 mise en oeuvre par l'algorithme de l'unité contrôle électronique ECU, on détermine le nombre de modules thermoélectriques 3 suffisant (en fonction du couple puissance/température du fluide dans les circuits), de façon à conserver un COP optimisé ; un courant d'alimentation optimal de ces modules thermoélectriques 3 est également déterminé ; en pratique, c'est une sélection de configuration d'alimentation fluidique et électrique, avec l'activation d'un nombre déterminé d'unités thermoélectriques, qui permet d'obtenir un fonctionnement optimal de la pompe à chaleur (fonctionnement dans lequel chacun des modules thermoélectriques 3 a une puissance optimale et la puissance fournie coïncide avec la puissance utile désirée).

[0084] En référence à la figure 7, les configurations optimales sont sélectionnées en fonction du couple température de fluide / puissance utile désiré (couple également appelé « régime d'eau »). Le graphique illustré montre ici douze configurations A1-A12 pouvant être obtenues à partir d'un ensemble de douze unités thermoélectriques. Ces configurations sont activées à l'aide de vannes de manière complètement similaire à ce qui a été décrit ci-dessus en référence aux figures 2-5. Ainsi, l'algorithme de l'unité de contrôle électronique ECU est ici adapté pour sélectionner un mode de fonctionnement correspondant à l'une des configurations suivantes :

• une première configuration A1 avec douze unités en cascade, bien adaptée lorsqu'il y a un faible besoin en puissance P ;
• une deuxième configuration A2 avec six des unités en cascade ;
• une troisième configuration A3 avec quatre des unités en cascade ;
• une quatrième configuration A4 avec trois unités en cascade ;
• une cinquième configuration A5 avec deux unités en cascade ;
• une sixième configuration A6 de type « 3*4 » avec trois groupes en parallèle utilisant chacun quatre unités associées en cascade ;
• une septième configuration A7 avec une seule unité ;
• une huitième configuration A8 de type « 4*3 » avec quatre groupes en parallèle utilisant chacun trois unités associées en cascade ;
• une neuvième configuration A9 avec deux des unités associées en parallèle ;
• une dixième configuration A10 avec trois des unités associées en parallèle ;
• une onzième configuration A11 avec six des unités associées en parallèle ;
• une douzième configuration A12 avec les douze unités associées en parallèle, permettant de fournir une puissance élevée.

[0085] Le graphique de la figure 7 reflète ainsi une cartographie de la pompe à chaleur que l'on peut avantageusement utiliser avec la loi d'eau qui définit l'évolution du couple température de fluide T / Puissance utile P. On comprend que, pour n'importe lequel des points de fonctionnement formant la loi d'eau, il est possible de déterminer la configuration optimale des unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44, 45, 46. Il est visible sur la figure 7 que la sélection d'une configuration dans la large gamme de configurations A1-A12 permet de maintenir les performances de la pompe à chaleur à niveau élevé (avec un haut COP), et cela pour n'importe quel besoin en puissance utile. La loi d'eau imposera typiquement de n'utiliser les configurations A1-A6 que dans le cas de faibles besoins, c'est-à-dire pour un couple Température de fluide/Puissance utile avec des valeurs basses. Par exemple un besoin correspondant à une puissance P inférieure à ce qui peut être obtenu avec une seule unité (configuration A7) pourrait être satisfait de manière optimale avec l'une des configurations A1-A6. Un tel besoin correspond à une puissance par exemple inférieure à 120 W et à une température désirée du côté utile n'excédant pas de plus de 10°C la température du côté source (avec une température du côté source typiquement de l'ordre de 285 K).

[0086] En référence à la figure 8, en fonction de la configuration sélectionnée, l'unité d'alimentation électrique 10 alimente, à partir de la source de courant électrique 8, les unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44 qui ont été judicieusement associées comme décrit ci-dessus. La tension délivrée au niveau de chacune des connexions de sortie S1, S2, S3, S4 de l'unité d'alimentation électrique 10 est alors réglée de manière adéquate, grâce aux moyens de l'unité 10 pour modifier l'alimentation électrique de chacune des unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44, 45, 46. On peut ainsi obtenir la puissance utile souhaitée.

[0087] Lors d'une étape de sélection 65, on commande les moyens de réglages de la tension d'alimentation des unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44 en fonction de l'étape précédente 64 (i.e. en correspondance avec le mode de fonctionnement choisi). Lorsqu'une configuration en cascade est utilisée, le mode d'alimentation retenu permet de sélectionner des courants différents entre les unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44 associées en cascade, de façon à ce que le différentiel de température reste constant entre les faces de chacune des CEP.

[0088] Dans la configuration d'alimentation fluidique et électrique retenue, il est permis d'atteindre ou de s'approcher au plus près du COP optimal pour chacun des modules thermoélectriques 3. En effet, en fonction de la variation de la température extérieure mesurée par l'un des capteurs 32, le dispositif de commande est capable de piloter les vannes V1-V20 et les organes de pompage P1-P5. Un changement de température de consigne sera pris en compte par le dispositif qui ajustera aussitôt le mode de fonctionnement.

[0089] Dans ce qui précède, il peut être prévu d'utiliser un débit sensiblement constant, dans chacune des boucles de circulation en parallèle et dans les boucles de circulation en cascade. Le débit est par exemple adapté au cas dans lequel toutes les unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44 sont en fonctionnement. Mais bien entendu, le système de contrôle 2 peut aussi présenter un dispositif de circulation à vitesse variable qui permet par exemple de baisser le débit dans des modes de fonctionnement qui génèrent plus de pertes de charge, par exemple dans le cas d'une circulation en cascade dans plusieurs unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44. Ceci permet de faire baisser la consommation électrique des moyens de pompage.

[0090] L'unité de contrôle électronique ECU peut inclure un algorithme de gestion de données représentatives de la vitesse du fluide et de données de consommation électrique des moyens de pompage pour sélectionner le débit de circulation dans les boucles respectives. Les caractéristiques liées au transfert convectif peuvent être ainsi évaluées en fonction des vitesses de circulation et l'algorithme de gestion peut alors paramétrer la vitesse la plus intéressante pour améliorer les performances de la pompe à chaleur. A titre d'exemple, lorsque des unités thermoélectriques seront déconnectées du système échangeur 4 (plus d'alimentation en fluide ni d'alimentation électrique), l'algorithme de gestion peut commander un changement de vitesse de circulation de fluide après une analyse comparative globale des performances de la pompe à chaleur.

[0091] Un des avantages de l'invention est d'optimiser l'utilisation du système échangeur 4 dans le cas notamment où la puissance utile désirée est inférieure à la puissance optimale générée par une seule unité thermoélectrique. En outre, on peut fournir à l'opérateur un moyen d'optimiser la consommation électrique de la pompe à chaleur tout en utilisant des modules thermoélectriques 3 qui peuvent être identiques (système modulaire). L'optimisation est automatisée pour assurer un fonctionnement performant de la pompe à chaleur. La rapidité de réponse et la flexibilité du système de contrôle 2 sont également des avantages d'une telle pompe à chaleur.

[0092] On comprend que chacune des formes et des détails de réalisation décrits précédemment peuvent être utilisés isolément ou en combinaison. Il doit être évident pour les personnes versées dans l'art que la présente invention permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans l'éloigner du domaine d'application de l'invention comme revendiqué. On comprend notamment que le système de contrôle 2 n'est pas limité aux exemples particuliers décrits en liaison avec les figures 1 et 2 et peut utiliser différents types de moyens d'asservissement permettant de commander un dispositif de commutation ou autres moyens de réglage de la tension, en fonction de signaux et/ou données représentatives d'une ou plusieurs températures de consigne et d'une ou plusieurs températures mesurées.

[0093] L'unité d'alimentation électrique 10 peut se présenter sous différentes formes et peut comporter des dispositifs d'alimentation électrique physiquement séparés et/ou être raccordée à plusieurs sources de courant. Par exemple on peut utiliser, en fonction des conditions de fonctionnement, au moins un courant d'un réseau urbain et/ou et le courant fourni par un équipement additionnel à cellules photovoltaïques ou convertissant en électricité une énergie extérieure.

[0094] Par ailleurs, le couplage/découplage thermique entre les sources alimentant les échangeurs des unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44 peut être utilisé dans une pompe à chaleur seulement en association avec l'alimentation sélective de ces unités thermoélectriques 41, 42, 43, 44. Dans un tel mode de réalisation, le réglage de la tension délivrée par chacune des connexions de sortie S1, S2, S3, S4 est donc optionnel et peut être supprimé. Dans ce cas, même en l'absence de fonctions d'ajustement des niveaux de tension, on obtient avantageusement une pompe à chaleur d'un coût moindre et permettant de s'adapter efficacement aux besoins en s'approchant d'un point de fonctionnement optimal : le dispositif de commande permet un paramétrage sélectif du nombre de modules thermoélectriques 3 et active une configuration adéquate du dispositif de couplage/découplage thermique associé aux unités thermoélectriques 40, 41, 42, 43, 44.

Revendications

1. Pompe à chaleur thermoélectrique, comprenant deux circuits (C1, C2) d'échange de chaleur et une pluralité d'unités thermoélectriques (41, 42, 43, 44) de transfert de chaleur d'un premier groupe comprenant chacune :

- un premier échangeur (41 a, 42a, 43a, 44a) ;

- un second échangeur (41 b, 42b, 43b, 44b) ; et

- au moins un module thermoélectrique (3) adapté pour transférer de la chaleur entre les deux échangeurs ;

caractérisée en ce qu'elle comprend un système de contrôle (2) qui comporte au moins une unité d'alimentation électrique (10) permettant d'alimenter électriquement chacune des unités thermoélectriques (41, 42, 43, 44) ;
en ce que ladite pluralité d'unités thermoélectriques (41, 42, 43, 44) comprend une unité d'entrée (41) dont le premier échangeur (41 a) est connecté à un premier circuit (C1) des deux circuits et une unité de sortie (44) dont le second échangeur (44b) est connecté à un deuxième circuit (C2) des deux circuits, le système de contrôle (2) comprenant une pluralité de vannes (V1-V20) associées à un dispositif de commande adapté pour paramétrer une configuration en cascade dans laquelle le second échangeur (41 b) de l'unité d'entrée est connecté à un premier échangeur (42a ; 44a) de ladite pluralité d'unités thermoélectriques, et le premier échangeur (44a) de l'unité de sortie (44) est connecté à un second échangeur (41 b ; 43b) de ladite pluralité d'unités thermoélectriques,
et en ce que le dispositif de commande comprend une unité de contrôle électronique (ECU) qui comporte :

- des moyens de paramétrer un nombre défini de points de fonctionnement prédéterminés des modules thermoélectriques (3) de la pompe à chaleur; et

- un algorithme adapté pour sélectionner un des points de fonctionnement prédéterminés pour les modules thermoélectriques dudit premier groupe et permettant d'activer un transfert de chaleur généré par ladite configuration en cascade en fonction de la sélection du point de fonctionnement.

2. Pompe à chaleur thermoélectrique selon la revendication 1, dans laquelle ladite pluralité d'unités thermoélectriques (41, 42, 43, 44) du premier groupe comporte en outre au moins une unité intermédiaire (42, 43) présentant :

- un premier échangeur (42a, 43a) connecté dans ladite configuration en cascade à un second échangeur (41b, 42b) d'une autre unité (41, 42) de ladite pluralité d'unités thermoélectriques ; et

- un second échangeur (42b, 43b) connecté dans ladite configuration en cascade à un premier échangeur (43a, 44a) d'une autre unité (43, 44) de ladite pluralité d'unités thermoélectriques.

3. Pompe à chaleur thermoélectrique selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre une autre pluralité d'unités thermoélectriques (45, 46) de transfert de chaleur d'un deuxième groupe comprenant chacune :

- un premier échangeur (45a, 46a) ;

- un second échangeur (45b, 46b) ;

- au moins un module thermoélectrique (3) adapté pour transférer de la chaleur entre les deux échangeurs ;

le dispositif de commande étant adapté pour faire fonctionner les groupes d'unités thermoélectriques dans au moins une configuration en parallèle choisie parmi :

- une configuration dans laquelle toute les unités thermoélectriques alimentées électriquement sont en parallèle entre elles ; et

- une configuration dans laquelle une partie des unités thermoélectriques alimentées électriquement sont dans une configuration en cascade à l'intérieur du premier groupe d'unités thermoélectriques.

4. Pompe à chaleur thermoélectrique selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le dispositif de commande est adapté en outre pour paramétrer une configuration en parallèle dans laquelle les premiers échangeurs (41 a, 42a, 43a, 44a ; 45a, 46a) de ladite pluralité d'unités thermoélectriques (41, 42, 43, 44) dudit premier groupe et/ou d'au moins une unité thermoélectrique (45, 46) de même nature que les unités thermoélectriques du premier groupe et pouvant appartenir à un deuxième groupe sont connectés au premier circuit (C1) et les seconds échangeurs (41 b, 42b, 43b, 44b ; 45b, 46b) des mêmes unités thermoélectriques sont connectés au deuxième circuit (C2), ce grâce à quoi des premiers échangeurs (41 a, 42a, 43a, 44a ; 45a, 46a) peuvent être connectés au premier circuit (C1) en parallèle et des seconds échangeurs (41 b, 42b, 43b, 44b ; 45b, 46b) peuvent être connectés au deuxième circuit (C2) en parallèle.

5. Pompe à chaleur thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant :

- des premiers organes de pompage (P1, P5) adaptés pour faire circuler un fluide caloporteur, utilisé par le premier circuit (C1), au moins dans le premier échangeur (41 a) de l'unité d'entrée (41) et pour faire circuler un fluide caloporteur, utilisé par le deuxième circuit (C2), au moins dans le second échangeur (44b) de l'unité de sortie (44) ; et

- des deuxièmes organes de pompage (P2, P3, P4) adaptés pour faire circuler dans ladite configuration en cascade un fluide caloporteur dans une boucle fermée qui ne traverse ni le premier échangeur (41 a) de l'unité d'entrée (41) ni le second échangeur (44b) de l'unité de sortie (44), la boucle fermée comprenant au moins un premier échangeur (42a, 43a, 44a) et au moins un second échangeur (41 b, 42b, 43b) de ladite pluralité d'unités thermoélectriques formant le premier groupe.

6. Pompe à chaleur thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un ensemble de capteurs de température (31, 32) adaptés pour délivrer notamment des signaux représentatifs de températures caractéristiques des deux circuits d'échange de chaleur (C1, C2), le dispositif de commande étant relié à un dispositif d'entrée d'une température de consigne, l'algorithme du dispositif de commande étant adapté pour sélectionner un des points de fonctionnement prédéterminés en fonction de ladite consigne de température et des signaux délivrés par ledit ensemble de capteurs de température, une configuration de ladite pluralité de vannes (V1-V20) étant ensuite paramétrée en fonction du point de fonctionnement sélectionné.

7. Pompe à chaleur thermoélectrique selon la revendication 9, dans laquelle le dispositif de commande est adapté pour modifier l'alimentation électrique et une alimentation hydraulique de chacune des unités thermoélectriques (41, 42, 43, 44, 45, 46) en fonction de la configuration paramétrée pour la pluralité de vannes (V1-V20).

8. Pompe à chaleur thermoélectrique selon la revendication 9 ou 10, dans laquelle ledit algorithme est adapté pour effectuer une corrélation, en fonction de ladite consigne de température et des signaux délivrés par ledit ensemble de capteurs de température (31, 32), entre des besoins de transfert de chaleur et un unique mode de fonctionnement, de façon à choisir le mode de fonctionnement qui maximise le coefficient de performance de la pompe à chaleur.

9. Pompe à chaleur thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ladite unité d'alimentation électrique (10) comprend des moyens d'ajustement pour délivrer, dans la configuration en cascade des courants différents à l'unité d'entrée et à l'unité de sortie.

10. Pompe à chaleur thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'unité de contrôle électronique (ECU) comprend un module de paramétrage pour paramétrer un nombre défini de modes de fonctionnement prédéterminés de la pompe à chaleur, qui correspondent à des besoins différents en puissance de transfert de chaleur, le module de paramétrage comprenant ledit algorithme et lesdits moyens de paramétrer un nombre défini de points de fonctionnement prédéterminés des modules thermoélectriques (3) de la pompe à chaleur, l'algorithme permettant de sélectionner l'un des modes de fonctionnement de la pompe à chaleur de façon à minimiser la puissance électrique totale consommée par les modules thermoélectriques tout en répondant aux besoins en transfert de chaleur.

11. Pompe à chaleur thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle chacune des unités thermoélectriques (41, 42, 43, 44) du premier groupe comprend au moins une vanne (v1, v2) adaptée pour couper sélectivement la circulation de fluide caloporteur dans les échangeurs de l'unité thermoélectrique.

12. Pompe à chaleur thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le dispositif de commande est adapté pour paramétrer un nombre d'unités thermoélectriques (41, 42, 43, 44) en cascade entre elles de 0 à N, où N est un nombre entier supérieur ou égal à deux, et supérieur ou égal à quatre dans des modes de réalisation préférés.

13. Procédé de contrôle d'une pompe à chaleur thermoélectrique, dans lequel on fait circuler un fluide caloporteur respectivement dans deux circuits (C1, C2) d'échange de chaleur d'une pompe à chaleur thermoélectrique qui comprend une pluralité d'unités thermoélectriques (41, 42, 43, 44) de transfert de chaleur formant un premier groupe et comprenant chacune :

- un premier échangeur (41 a, 42a, 43a, 44a) ;

- un second échangeur (41 b, 42b, 43b, 44b) ;

- au moins un module thermoélectrique (3) adapté pour transférer de la chaleur entre les deux échangeurs ;

le procédé comprenant les étapes qui consistent à :

- connecter un premier échangeur (41 a) d'une unité d'entrée (41) de ladite pluralité d'unités thermoélectriques à un premier circuit (C1) des deux circuits ;

- connecter un second échangeur (44b) d'une unité de sortie (44) de ladite pluralité d'unités thermoélectriques à un deuxième circuit (C2) des deux circuits ;

- alimenter à partir d'une source de courant électrique (8) au moins l'unité d'entrée (41) et l'unité de sortie (44) desdites unités thermoélectriques (41, 42, 43, 44) par au moins une unité d'alimentation électrique (10) présentant une pluralité de connexions de sortie (S1, S2, S3, S4, S5) et/ou au moins une unité thermoélectrique (45, 46) de transfert de chaleur faisant partie d'un deuxième groupe ;

- entrer une consigne de température ;

- délivrer, par un ensemble de capteurs de température (31, 32), des signaux représentatifs de températures caractéristiques des deux circuits (C1, C2) d'échange de chaleur ;

- sélectionner un mode de fonctionnement prédéterminé de la pompe à chaleur pour répondre à des besoins en transfert de chaleur, chacun des modes de fonctionnement pouvant être sélectionnés résultant d'une utilisation des modules thermoélectriques (3) de la pompe à chaleur à des points de fonctionnement prédéterminés ; et

- pour permettre une utilisation des modules thermoélectriques dudit premier groupe à des points de fonctionnement qui minimisent la puissance électrique consommée tout en contribuant à répondre aux besoins en transfert de chaleur, transférer de la chaleur par une configuration en cascade dans laquelle le second échangeur (41 b) de l'unité d'entrée (41) est connecté à un premier échangeur (42a ; 44a) de ladite pluralité d'unités thermoélectriques , et le premier échangeur (44a) de l'unité de sortie (44) est connecté à un second échangeur (41 b ; 43b) de ladite pluralité d'unités thermoélectriques.

14. Procédé de contrôle selon la revendication 13, dans lequel on contrôle en outre l'alimentation électrique des unités thermoélectriques (41, 42, 43, 44) du premier groupe et on fait circuler un fluide caloporteur dans des canalisations identiques ou symétriques des premier et second échangeurs (41 a-41 b, 42a-42b, 43a-43b, 44a-44b) de chaque unité thermoélectrique électriquement alimentée, de façon à conserver une différence de température sensiblement constante entre les faces des modules thermoélectriques (3) dudit premier groupe.

15. Procédé de contrôle selon la revendication 13 ou 14, comportant les étapes suivantes :

- fermer deux vannes (V1, V2) raccordées au second échangeur (41b) de l'unité d'entrée (41) pour déconnecter du deuxième circuit (C2) le second échangeur (41 b) de l'unité d'entrée ;

- fermer deux vannes (V5, V6 ; V17, V18) raccordées à un premier échangeur déterminé (42a ; 44a) de ladite pluralité d'unités thermoélectriques, distinct du premier échangeur (41 a) de l'unité d'entrée, pour déconnecter du premier circuit (C1) ledit premier échangeur (42a ; 44a) déterminé ;

- ouvrir deux vannes (V3, V4) raccordées au second échangeur (41b) de ladite unité d'entrée (41) pour faire circuler un fluide caloporteur entre le premier échangeur déterminé (42a; 44a) et le second échangeur (41b) de l'unité d'entrée (41) ; et

- optionnellement lorsque le premier groupe comprend au moins trois unités thermoélectriques, ouvrir deux vannes (V15, V16) raccordées au premier échangeur (44a) de l'unité de sortie (44) pour faire circuler un fluide caloporteur entre un second échangeur du premier groupe, distinct du second échangeur (44b) de l'unité de sortie (44), et le premier échangeur (44a) de l'unité de sortie (44).

Ansprüche

1. Thermoelektrische Wärmepumpe, die zwei Wärmeaustauschkreisläufe (C1, C2) und mehrere thermoelektrische Einheiten (41, 42, 43, 44) zur Wärmeübertragung einer ersten Gruppe umfasst, die jeweils Folgendes umfassen:

- einen ersten Wärmeaustauscher (41 a, 42a, 43a, 44a);

- einen zweiten Wärmeaustauscher (41 b, 42b, 43b, 44b); und

- mindestens ein thermoelektrisches Modul (3), das ausgebildet ist, Wärme zwischen den zwei Wärmeaustauschern zu übertragen;

dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Steuersystem (2) umfasst, das mindestens eine Stromversorgungseinheit (10) umfasst, die es erlaubt, jede der thermoelektrischen Einheiten (41, 42, 43, 44) mit Strom zu versorgen;
dass die mehreren thermoelektrischen Einheiten (41, 42, 43, 44) eine Eingangseinheit (41) umfassen, deren erster Wärmeaustauscher (41 a) mit einem ersten Kreislauf (C1) der zwei Kreisläufe verbunden ist, und eine Ausgangseinheit (44), deren zweiter Wärmeaustauscher (44b) mit einem zweiten Kreislauf (C2) der zwei Kreisläufe verbunden ist, wobei das Steuersystem (2) mehrere Schieber (V1-V20) umfasst, die mit einer Steuervorrichtung assoziiert sind, die geeignet ist, um eine Kaskadenkonfiguration zu parametrieren, bei der der zweite Wärmeaustauscher (41 b) der Eingangseinheit mit einem ersten Wärmeaustauscher (42a; 44a) der mehreren thermoelektrischen Einheiten verbunden ist, und der erste Wärmeaustauscher (44a) der Ausgangseinheit (44) mit einem zweiten Wärmeaustauscher (41b; 43b) der mehreren thermoelektrischen Einheiten verbunden ist,
und dass die Steuervorrichtung eine elektronische Steuereinheit (ECU) umfasst, die Folgendes umfasst:

- Mittel zum Parametrieren einer definierten Anzahl vorbestimmter Betriebspunkte der thermoelektrischen Module (3) der Wärmepumpe; und

- einen Algorithmus, der ausgebildet ist, einen der vorbestimmten Betriebspunkte für die thermoelektrischen Module der ersten Gruppe auszuwählen und es zu erlauben, einen Wärmetransfer zu aktivieren, der durch die Kaskadenkonfiguration in Abhängigkeit von der Auswahl des Betriebspunkts erzeugt wird.

2. Thermoelektrische Wärmepumpe nach Anspruch 1, wobei die mehreren thermoelektrischen Einheiten (41, 42, 43, 44) der ersten Gruppe außerdem mindestens eine Zwischeneinheit (42, 43) umfassen, die Folgendes aufweist:

- einen ersten Wärmeaustauscher (42a, 43a), der in der Kaskadenkonfiguration mit einem zweiten Wärmeaustauscher (41 b, 42b) einer anderen Einheit (41, 42) der mehreren thermoelektrischen Einheiten verbunden ist; und

- einen zweiten Wärmeaustauscher (42b, 43b), der in der Kaskadenkonfiguration mit einem ersten Wärmeaustauscher (43a, 44a) einer anderen Einheit (43, 44) der mehreren thermoelektrischen Einheiten verbunden ist.

3. Thermoelektrische Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, die außerdem mehrere andere thermoelektrische Einheiten (45, 46) zur Wärmeübertragung einer zweiten Gruppe umfasst, die jeweils Folgendes umfassen:

- einen ersten Wärmeaustauscher (45a, 46a);

- einen zweiten Wärmeaustauscher (45b, 46b);

- mindestens ein thermoelektrisches Modul (3), das ausgebildet ist, Wärme zwischen den zwei Wärmeaustauschern zu übertragen;

wobei die Steuervorrichtung ausgebildet ist, die Gruppen thermoelektrischer Einheiten in mindestens einer parallelen Konfiguration funktionieren zu lassen, die ausgewählt ist aus:

- einer Konfiguration, bei der alle thermoelektrischen Einheiten, die elektrisch versorgt werden, zueinander parallel sind; und

- einer Konfiguration, bei der ein Teil der thermoelektrischen Einheiten, die elektrisch versorgt sind, in einer Kaskadenkonfiguration im Inneren der ersten Gruppe thermoelektrischer Einheiten ist.

4. Thermoelektrische Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuervorrichtung außerdem ausgebildet ist, eine Konfiguration parallel zu parametrieren, in der die ersten Wärmeaustauscher (41 a, 42a, 43a, 44a; 45a, 46a) der mehreren thermoelektrischen Einheiten (41, 42, 43, 44) der ersten Gruppe und/oder mindestens eine thermoelektrische Einheit (45, 46) derselben Art wie die thermoelektrischen Einheiten der ersten Gruppe, und die zu einer zweiten Gruppe gehören können, mit dem ersten Kreislauf (C1) verbunden sind, und die zweiten Wärmeaustauscher (41 b, 42b, 43b, 44b; 45b, 46b) derselben thermoelektrischen Einheiten mit dem zweiten Kreislauf (C2) verbunden sind, so dass die ersten Wärmeaustauscher (41 a, 42a, 43a, 44a; 45a, 46a) mit dem ersten Kreislauf (C1) parallel verbunden werden können und die zweiten Wärmeaustauscher (41 b, 42b, 43b, 44b; 45b, 46b) mit dem zweiten Kreislauf (C2) parallel verbunden werden können.

5. Thermoelektrische Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die Folgendes umfasst:

- erste Pumporgane (P1, P5), die ausgebildet sind, um eine Wärmeträgerflüssigkeit, die von dem ersten Kreislauf (C1) verwendet wird, mindestens in dem ersten Wärmeaustauscher (41 a) der Eingangseinheit (41) zirkulieren zu lassen, und um eine Wärmeträgerflüssigkeit, die von dem zweiten Kreislauf (C2) verwendet wird, mindestens in dem zweiten Wärmeaustauscher (44b) der Ausgangseinheit (44) zirkulieren zu lassen; und

- zweite Pumporgane (P2, P3, P4), die ausgebildet sind, um in der Kaskadenkonfiguration eine Wärmeträgerflüssigkeit in einer geschlossenen Schleife zirkulieren zu lassen, die weder den ersten Wärmeaustauscher (41 a) der Eingangseinheit (41) noch den zweiten Wärmeaustauscher (44b) der Ausgangseinheit (44) durchquert, wobei die geschlossene Schleife mindestens einen ersten Wärmeaustauscher (42a, 43a, 44a) und mindestens einen zweiten Wärmeaustauscher (41 b, 42b, 43b) der mehreren thermoelektrischen Einheiten, die die erste Gruppe bilden, umfasst.

6. Thermoelektrische Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Gesamtheit von Temperatursensoren (31, 32) umfasst, die ausgebildet sind, um insbesondere Signale, die für charakteristische Temperaturen der zwei Wärmeaustauschkreisläufe (C1, C2) repräsentativ sind, zu liefern, wobei die Steuervorrichtung mit einer Eingabevorrichtung einer Solltemperatur verbunden ist, wobei der Algorithmus der Steuervorrichtung ausgebildet ist, einen der vorbestimmten Betriebspunkte in Abhängigkeit von der Solltemperatur und Signale, die von der Einheit von Temperatursensoren geliefert werden, auszuwählen, wobei eine Konfiguration der mehreren Schieber (V1-V20) anschließend in Abhängigkeit von dem ausgewählten Betriebspunkt parametriert wird.

7. Thermoelektrische Wärmepumpe nach Anspruch 9, wobei die Steuervorrichtung ausgebildet ist, die Stromversorgung und eine hydraulische Versorgung jeder der thermoelektrischen Einheiten (41, 42, 43, 44, 45, 46) in Abhängigkeit von der Konfiguration, die für die mehreren Schieber (V1-V20) parametriert ist, zu ändern.

8. Thermoelektrische Wärmepumpe nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Algorithmus ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der Solltemperatur und den Signalen, die von der Einheit von Temperatursensoren (31, 32) geliefert werden, zwischen den Wärmeübertragungserfordernissen und einem einzigen Betriebsmodus eine wechselseitige Beziehung herzustellen, so dass der Betriebsmodus ausgewählt wird, der den Leistungskoeffizienten der Wärmepumpe maximiert.

9. Thermoelektrische Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromversorgungseinheit (10) Mittel zum Einstellen umfasst, um in der Kaskadenkonfiguration unterschiedliche Ströme zu der Eingangseinheit und der Ausgangseinheit zu liefern.

10. Thermoelektrische Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektronische Steuereinheit (ECU) ein Parametrierungsmodul umfasst, um eine definierte Anzahl vorbestimmter Betriebsmodi der Wärmepumpe zu parametrieren, die unterschiedliche Wärmetransferleistungserfordernisse decken, wobei das Parametrierungsmodul den Algorithmus und die Mittel zum Parametrieren einer definierten Anzahl vorbestimmter Betriebspunkte der thermoelektrischen Module (3) der Wärmepumpe umfasst, wobei der Algorithmus das Auswählen eines der Betriebsmodi der Wärmepumpe derart erlaubt, dass die elektrische Gesamtleistung, die von den thermoelektrischen Modulen verbraucht wird, minimiert wird, während die Wärmeübertragungserfordernisse gedeckt werden.

11. Thermoelektrische Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der thermoelektrischen Einheiten (41, 42, 43, 44) der ersten Gruppe mindestens einen Schieber (v1, v2) umfasst, der ausgebildet ist, selektiv die Zirkulation der Wärmeträgerflüssigkeit in den Wärmeaustauschern der thermoelektrischen Einheit zu unterbrechen.

12. Thermoelektrische Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuervorrichtung ausgebildet ist, eine Anzahl thermoelektrischer Einheiten (41, 42, 43, 44) in Kaskade untereinander von 0 bis N zu parametrieren, wobei N eine Ganzzahl größer oder gleich zwei und bei den bevorzugten Ausführungsformen größer oder gleich vier ist.

13. Verfahren zum Steuern einer thermoelektrischen Wärmepumpe, bei dem man eine Wärmeträgerflüssigkeit jeweils in zwei Wärmeaustauschkreisläufen (C1, C2) einer thermoelektrischen Wärmepumpe zirkulieren lässt, die mehrere thermoelektrische Einheiten (41, 42, 43, 44) zur Wärmeübertragung umfasst, die eine erste Gruppe bilden und jeweils Folgendes umfassen:

- einen ersten Wärmeaustauscher (41 a, 42a, 43a, 44a);

- einen zweiten Wärmeaustauscher (41 b, 42b, 43b, 44b);

- mindestens ein thermoelektrisches Modul (3), das ausgebildet ist, Wärme zwischen den zwei Wärmeaustauschern zu übertragen;

wobei das Verfahren die Schritte umfasst, die aus Folgendem bestehen:

- Verbinden eines ersten Wärmeaustauschers (41 a) einer Eingangseinheit (41) der mehreren thermoelektrischen Einheiten mit einem ersten Kreislauf (C1) der zwei Kreisläufe;

- Verbinden eines zweiten Wärmeaustauschers (44b) einer Ausgangseinheit (44) der mehreren thermoelektrischen Einheiten mit einem zweiten Kreislauf (C2) der zwei Kreisläufe;

- ausgehend von einer Stromquelle (8), Versorgen mindestens der Eingangseinheit (41) und der Ausgangseinheit (44) der thermoelektrischen Einheiten (41, 42, 43, 44) durch mindestens eine Stromversorgungseinheit (10), die mehrere Ausgangsanschlüsse (S1, S2, S3, S4, S5) umfasst, und/oder mindestens einer thermoelektrischen Einheit (45, 46) zur Wärmeübertragung, die zu einer zweiten Gruppe gehört;

- Eingeben einer Solltemperatur;

- durch eine Gesamtheit von Temperatursensoren (31, 32) Liefern von Signalen, die für charakteristische Temperaturen der zwei Wärmeaustauschkreisläufe (C1, C2) repräsentativ sind;

- Auswahl eines vorbestimmten Betriebsmodus der Wärmepumpe, um Wärmeübertragungserfordernisse zu decken, wobei jeder der Betriebsmodi, die ausgewählt werden können, aus einer Verwendung der thermoelektrischen Module (3) der Wärmepumpe bei vorbestimmten Betriebspunkten resultiert; und

- zum Erlauben einer Verwendung der thermoelektrischen Module der ersten Gruppe bei Betriebspunkten, die die verbrauchte elektrische Leistung minimieren, während gleichzeitig zum Decken der Wärmetransfererfordernisse beigetragen wird, Übertragen der Wärme durch eine Kaskadenkonfiguration, bei der der zweite Wärmeaustauscher (41 b) der Eingangseinheit (41) mit einem ersten Wärmeaustauscher (42a; 44a) der mehreren thermoelektrischen Einheiten verbunden ist, und der erste Wärmeaustauscher (44a) der Ausgangseinheit (44) mit einem zweiten Wärmeaustauscher (41 b; 43b) der mehreren thermoelektrischen Einheiten verbunden ist.

14. Steuerverfahren nach Anspruch 13, wobei man die Stromversorgung der thermoelektrischen Einheiten (41, 42, 43, 44) der ersten Gruppe steuert und eine Wärmeträgerflüssigkeit in identischen oder symmetrischen Kanalisationen des ersten und des zweiten Wärmeaustauschers (41a-41b, 42a-42b, 43a-43b, 44a-44b) jeder mit Strom versorgten thermoelektrischen Einheit derart zirkulieren lässt, dass ein im Wesentlichen konstanter Temperaturunterschied zwischen den Flächen der thermoelektrischen Module (3) der ersten Gruppe beibehalten wird.

15. Steuerverfahren nach Anspruch 13 oder 14, das die folgenden Schritte umfasst:

- Schließen von zwei Schiebern (V1, V2), die an den zweiten Wärmeaustauscher (41 b) der Eingangseinheit (41) angeschlossen sind, um den zweiten Wärmeaustauscher (41 b) der Eingangseinheit von dem zweiten Kreislauf (C2) zu trennen;

- Schließen von zwei Schiebern (V5, V6; V17, V18), die an einen ersten bestimmten Wärmeaustauscher (42a; 44a) der mehreren thermoelektrischen Einheiten, der von dem ersten Wärmeaustauscher (41 a) der Eingangseinheit unterschiedlich ist, angeschlossen sind, um den ersten bestimmten Wärmeaustauscher (42a; 44a) von dem ersten Kreislauf (C1) zu trennen;

- Öffnen von zwei Schiebern (V3, V4), die an den zweiten Wärmeaustauscher (41 b) der Eingangseinheit (41) angeschlossen sind, um eine Wärmeträgerflüssigkeit zwischen dem ersten bestimmten Wärmeaustauscher (42a; 44a) und dem zweiten Wärmeaustauscher (41 b) der Eingangseinheit (41) zirkulieren zu lassen; und

- optional, wenn die erste Gruppe mindestens drei thermoelektrische Einheiten umfasst, Öffnen von zwei Schiebern (V15, V16), die an den ersten Wärmeaustauscher (44a) der Ausgangseinheit (44) angeschlossen sind, um eine Wärmeträgerflüssigkeit zwischen einem zweiten Wärmeaustauscher der ersten Gruppe, der von dem zweiten Wärmeaustauscher (44b) der Ausgangseinheit (44) unterschiedlich ist, und dem ersten Wärmeaustauscher (44a) der Ausgangseinheit (44) zirkulieren zu lassen.

Claims

1. Thermoelectric heat pump, comprising two circuits (C1, C2) for exchanging heat and a plurality of thermoelectric units (41, 42, 43, 44) for transferring heat of a first group each comprising:

- a first exchanger (41a, 42a, 43a, 44a);

- a second exchanger (41b, 42b, 43b, 44b); and

- at least one thermoelectric module (3) for transferring heat between the two exchangers;

characterised in that it comprises a control system (2) which comprises at least one electrical power unit (10) making it possible to electrically power each one of the thermoelectric units (41, 42, 43, 44);
in that said plurality of thermoelectric units (41, 42, 43, 44) comprises an input unit (41) of which the first exchanger (41a) is connected to a first circuit (C1) of the two circuits and an output unit (44) of which the second exchanger (44b) is connected to a second circuit (C2) of the two circuits, with the control system (2) comprising a plurality of valves (V1-V20) associated with a control device suited to configure a cascade arrangement wherein the second exchanger (41b) of the input unit is connected to a first exchanger (42a; 44a) of said plurality of thermoelectric units, and the first exchanger (44a) of the output unit (44) is connected to a second exchanger (41b; 43b) of said plurality of thermoelectric units,
and in that the control device comprises an electronic control unit (ECU) that comprises:

- means for configuring a defined number of predetermined operating points of the thermoelectric modules (3) of the heat pump; and

- an algorithm for selecting one of the predetermined operating points for the thermoelectric modules of said first group and which makes it possible to activate a heat transfer generated by said cascade arrangement according to the selection of the operating point.

2. Thermoelectric heat pump according to claim 1, wherein said plurality of thermoelectric units (41, 42, 43, 44) of the first group further comprises at least one intermediate unit (42, 43) having:

- a first exchanger (42a, 43a) connected in said cascade arrangement to a second exchanger (41b, 42b) of another unit (41, 42) of said plurality of thermoelectric units; and

- a second exchanger (42b, 43b) connected in said cascade arrangement to a first exchanger (43a, 44a) of another unit (43, 44) of said plurality of thermoelectric units.

3. Thermoelectric heat pump according to claim 1 or 2, further comprising another plurality of thermoelectric units (45, 46) for transferring heat of a second group each comprising:

- a first exchanger (45a, 46a);

- a second exchanger (45b, 46b);

- at least one thermoelectric module (3) for transferring heat between the two exchangers;

the control device being adapted to operate the groups of thermoelectric units in at least one configuration in parallel chosen from:

- a configuration wherein all of the electrically powered thermoelectric units are in parallel together; and

- a configuration wherein a portion of the electrically powered thermoelectric units are in a cascade arrangement inside the first group of thermoelectric units.

4. Thermoelectric heat pump according to claim 1 or 2, wherein the control device is further suited for setting a configuration in parallel wherein the first exchangers (41a, 42a, 43a, 44a; 45a, 46a) of said plurality of thermoelectric units (41, 42, 43, 44) of said first group and/or of at least one thermoelectric unit (45, 46) of the same nature as the thermoelectric units of the first group and able to belong to a second group are connected to the first circuit (C1) and the second exchangers (41b, 42b, 43b, 44b; 45b, 46b) of the same thermoelectric units are connected to the second circuit (C2), this thanks to which first exchangers (41a, 42a, 43a, 44a; 45a, 46a) can be connected to the first circuit (C1) in parallel and second exchangers (41b, 42b, 43b, 44b; 45b, 46b) can be connected to the second circuit (C2) in parallel.

5. Thermoelectric heat pump as claimed in any preceding claim, comprising:

- first pumping members (P1, P5) suited to circulate a heat transfer fluid, used by the first circuit (C1), at least in the first exchanger (41a) of the input unit (41) and to circulate a heat transfer fluid, used by the second circuit (C2), at least in the second exchanger (44b) of the output unit (44); and

- second pumping members (P2, P3, P4) suited to circulate in said cascade arrangement a heat transfer fluid in a closed loop that does not pass through the first exchanger (41a) of the input unit (41) or the second exchanger (44b) of the output unit (44), with the closed loop comprising at least one first exchanger (42a, 43a, 44a) and at least one second exchanger (41b, 42b, 43b) of said plurality of thermoelectric units forming the first group.

6. Thermoelectric heat pump as claimed in any preceding claim, comprising a set of temperature sensors (31, 32) suited to deliver in particular signals that represent characteristic temperatures of the two circuits for exchanging heat (C1, C2), with the control device being connected to a device for inputting a temperature setting, with the algorithm of the control device being suited for selecting one of the predetermined operating points according to said temperature setting and signals delivered by said set of temperature sensors, a configuration of said plurality of valves (V1-V20) then being configured according to the operating point selected.

7. Thermoelectric heat pump according to claim 9, wherein the control device is suited for modifying the electrical power and a hydraulic supply of each one of the thermoelectric units (41, 42, 43, 44, 45, 46) according to the configuration set for the plurality of valves (V1-V20).

8. Thermoelectric heat pump according to claim 9 or 10, wherein said algorithm is suited for carrying out a correlation, according to said temperature setting and signals delivered by said set of temperature sensors (31, 32), between the needs for transferring heat and a single operating mode, in such a way as to choose the operating mode that maximises the coefficient of performance of the heat pump.

9. Thermoelectric heat pump as claimed in any preceding claim, wherein said electrical power unit (10) comprises means for adjustment for delivering in the cascade arrangement different currents to the input unit and to the output unit.

10. Thermoelectric heat pump as claimed in any preceding claim, wherein the electronic control unit (ECU) comprises a configuration module for setting a defined number of predetermined operating modes of the heat pump, which correspond to different needs in terms of power for transferring heat, with the configuration module comprising said algorithm and said means for configuring a defined number of predetermined operating points of the thermoelectric modules (3) of the heat pump, with the algorithm making it possible to select one of the operating modes of the heat pump in such a way as to minimise the total electrical power consumed by the thermoelectric modules while still meeting the needs in terms of heat transfer.

11. Thermoelectric heat pump as claimed in any preceding claim, wherein each one of the thermoelectric units (41, 42, 43, 44) of the first group comprises at least one valve (v1, v2) suited to selectively cut off the circulation of heat transfer fluid in the exchangers of the thermoelectric unit.

12. Thermoelectric heat pump as claimed in any preceding claim, wherein the control device is suited for configuring a number of thermoelectric units (41, 42, 43, 44) in cascade together from 0 to N, where N is an integer greater than or equal to two, and greater than or equal to four in preferred embodiments.

13. Method for controlling a thermoelectric heat pump, wherein a heat transfer fluid is made to circulate respectively in two circuits (C1, C2) for exchanging heat of a thermoelectric heat pump which comprises a plurality of thermoelectric units (41, 42, 43, 44) for transferring heat forming a first group and each comprising:

- a first exchanger (41a, 42a, 43a, 44a);

- a second exchanger (41b, 42b, 43b, 44b);

- at least one thermoelectric module (3) for transferring heat between the two exchangers;

with the method comprising that steps consisting in:

- connecting a first exchanger (41a) of an input unit (41) of said plurality of thermoelectric units to a first circuit (C1) of the two circuits;

- connecting a second exchanger (44b) of an output unit (44) of said plurality of thermoelectric units to a second circuit (C2) of the two circuits;

- supplying using a source of electrical current (8) at least the input unit (41) and the output unit (44) of said thermoelectric units (41, 42, 43, 44) via at least one electrical power unit (10) having a plurality of output connections (S1, S2, S3, S4, S5) and/or at least one thermoelectric unit (45, 46) for transferring heat being part of a second group;

- entering a temperature setting;

- delivering, via a set of temperature sensors (31, 32), signals representing characteristic temperatures of the two circuits (C1, C2) for exchanging heat;

- selecting a predetermined operating mode of the heat pump in order to meet the needs in terms of heat transfer, with each one of these operating modes able to be selected resulting from the use of thermoelectric modules (3) of the heat pump at predetermined operating points; and

- in order to allow for a use of the thermoelectric modules of said first group at operating points that minimise the electrical power consumed which contributes to meeting the needs in terms of heat transfer, transferring heat by a cascade arrangement wherein the second exchanger (41b) of the input unit (41) is connected to a first exchanger (42a; 44a) of said plurality of thermoelectric units, and the first exchanger (44a) of the output unit (44) is connected to a second exchanger (41b; 43b) of said plurality of thermoelectric units.

14. Method of controlling according to claim 13, wherein the electrical power of the thermoelectric units (41, 42, 43, 44) of the first group is further controlled and a heat transfer fluid is made to circulate in identical or symmetrical pipes of the first and second exchangers (41a-41b, 42a-42b, 43a-43b, 44a-44b) of each electrically powered thermoelectric unit, in such a way as to maintain a substantially constant temperature difference between the surfaces of the thermoelectric modules (3) of said first group.

15. Method for controlling according to claim 13 or 14, comprising the following steps:

- closing two valves (V1, V2) connected to the second exchanger (41b) of the input unit (41) in order to disconnect from the second circuit (C2) the second exchanger (41b) of the input unit;

- closing two valves (V5, V6; V17, V18) connected to a first determined exchanger (42a; 44a) of said plurality of thermoelectric units, separate from the first exchanger (41a) of the input unit, in order to disconnect from the first circuit (C1) said first determined exchanger (42a; 44a);

- opening two valves (V3, V4) connected to the second exchanger (41b) of said input unit (41) to circulate a heat transfer fluid between the first determined exchanger (42a; 44a) and the second exchanger (41b) of the input unit (41); and

- optionally when the first group comprises at least three thermoelectric units, opening two valves (V15, V16) connected to the first exchanger (44a) of the output unit (44) to circulate a heat transfer fluid between a second exchanger of the first group, separate from the separate from the second exchanger (44b) of the output unit (44), and the first exchanger (44a) of the output unit (44).

Dessins