CA2422931A1

CA2422931A1 - Dispositif d'accumulation d'energie a inertie

Info

Publication number: CA2422931A1
Application number: CA002422931A
Authority: CA
Inventors: Michel Schmidt
Original assignee: Individual
Current assignee: Deltablock SA
Priority date: 2000-09-22
Filing date: 2001-09-20
Publication date: 2002-03-28
Also published as: AU2001285645A1; EP1319161A1; US20040035141A1; CN1464967A; JP2004508531A; WO2002025203A1

Abstract

Le tube à serpentin (12) qui forme le condenseur d'un premier agrégat de pompe thermique et le tube à serpentin (13) qui forme l'évaporateur d'un second agrégat sont fixés chacun sur une des grilles verticales (28, 29). Ces grilles sont disposées parallèlement l'une à l'autre et sont noyées dans le bloc de béton (3) qui forme l'un des accumulateurs d'énergie incorporés au système.
Les grilles sont formées de fers à béton soudés ensemble en un réseau à
mailles carrées ou rectangulaires. Les moyens de fixation des tubes à certains points de croisement des grilles sont des brides colson (30). Les grilles, les tubes et les brides sont noyés dans le bloc de béton (3).

Description

Dispositif d'accumulation d'énergie à inertie La présente ïnvention concerne de façon générale les systèmes de chauffage et climatisation de locaux utilisant des formes d'énergie renouvelables, notamment par l'intermédiaire de pompes thermiques.
On a déjà proposé dans ce domaine l'utilisation d'accumulateurs de chaleur comprenant des blocs solides dans lesquels sont noyés un ou des circuits formés de tubes métalliques parcourus, quand le système est en service, par un fluide caloporteur qui peut être liquide ou gazeux. La demande de brevet WO 96/28703, par exemple, décrït un açcumulateur de ce genre dont une des particularités est qu'il est en béton, matériau qui présente plusieurs avantages.
Les expériences récentes ont montré que le stockage d'énergie thermique dans des blocs rigides pouvait présenter des avantages pratiques très remarquables sur le plan de la rationalisation des travaux d'installation, du coût, de la fiabilité du service, du rendement et de la durée de vie, moyennant certaines dispositions à respecter de manière précise.
Le but de la présente invention est donc d'assurer les avantages susceptibles d'être obtenus, en réalisant à bon marché un dispositif d'accumulation d'énergie à inertie comportant certaines particularités quï forment l'objet de l'invention et sont définies dans les revendications 1 à 12 annexées.
On va décrire ci-après, à titre d'exemple, une forme d'exécution et quelques variantes du dispositif selon l'invention en se référant au dessin annexé, dont .

- 2 -la fig. 1 est une vue générale schématique en perspective montrant une maison d'habitation équipée d'un système de chauffage et climatisation avec un dispositif d'accumulation d'énergie à inertie selon une forme d'exécution de l'invention, la fig. 2 est un schéma montrant une forme d'exécution préférée du dispositif d'accumulation d'ënergie à inertie selon l'invention, les figs. 3 et 4 sont des vues respectivement en coupe transversale et en élévation frontale dans le sens de la flèche A de la fig. 3, montrant un bloc avec deux assemblages formés d'une grille et d'un circuit de fluide caloporteur, selon la forme d'exécution préférée, les figs. 5 et 6 sont des vûes en coupe analogues à la fig. 3 montrant deux variantes de disposition pour les grilles, la fig. 7 est une vue en élévation frontale d'un circuit monté sur une grille, montrant l'arrimage du serpentin aux points de croisement des barres, et la fig. 8 est une vue en perspective schématique à plus grande échelle montrant une bride d'arrimage en place sur un conduit et sur un croisement des barres de la grille porteuse.
A la fig. 1, on voit une villa 1 équipée d'un système de chauffage comportant un dispositif d'accumulation d'énergie à
inertie 2 comportant quatre blocs d'accumulation 3 noyés dans le sol au voisinage de la construction et des moyens pour conduire selon les besoins la chaleur latente contenue dans les blocs. Ceux-ci sont reliés par un ensemble d'éléments de circuits de fluide dêsigné de façon globale par 4, à un groupe

3 PCT/CHO1/00572 générateur de chaleur 5 dont partent différents circuits secondaires alimentant des auxiliaires usuels tels que conditionnement d'eau chaude sanitaire 6, radiateurs de chambre 7, circuit de chauffage par le sol 8. Le groupe générateur 5 est symbolisé à la fig. 1 par deux armoires superposées. Sa structure est précisée dans le schéma de la fig. 2. Il est aussi relié par des circuits secondaires à un capteur solaire à circuit d'eau 9 et à un récupérateur 10 de chaleur excédentaire susceptible d'être produite par une cheminée de salon. ' On comprend que cette énumération d'auxiliaires est donnée uniquement à titre d'exemples et n'est nullement exhaustive. Comme on le verra encore plus loin, elle englobe également, par exemple, le cas d'une piscine ainsi que celui d'un four solaire à haute température. Elle montre simplèment la grande variété des applications qui peuvent être envisagêes dans tout problème de chauffage et climatisation de locaux. Le dispositif d'accumulation d'énergie à inertie qui va être décrit maintenant permet de satisfaire par des moyens standards et rationnels chaque cas particulier susceptible d'être prévu.
A la fig. 2 on reconnaît les parois de la maison d'habitation 1 et un des blocs 3 d'accumulation d'énergie à
inertie. Ce bloc est placé dans une excavation 11 creusée au voisinage de la construction 1 et remplie de terre. Il présente la forme d'un prisme avec une grande base rectangulaire placée horizontalement et une face supérieure plus étroite que la base et parallèle à cette dernière. Les blocs 3 sont en béton. Leurs dimensions seront standardisées:
par exemple 2,5 x 1,7 x 0,5/0,3 m. Les dimensions de l'excavation 11 et la position de chaque bloc dans son excavation seront déterminées de cas en cas en fonction des

- 4 -quantités d'énergie à stocker et de la durée des périodes de renversement des flux comme on le verra plus loin.
La connexion entre les blocs 3 et le groupe générateur 5, désignée par 4 à la fig. 1, est réalisée en fait pour chaque bloc par des tubulures formant deux circuits 12 et 13 avec chacun une entrée 12a, 13a et une sortie 12b, 13b. Les parties actives des tubulures 12, 13 sont noyées dans le béton du bloc 3 et à partir des segments d'entrée 12a, 13a sont coudées en serpentins en une nappe afin que les surfaces de contact soient aussi grandes que possible et facilitent les échanges de chaleur entre le fluide caloporteur circulant dans les circuits et le béton.
Le groupe générateur de chaleur 5 est constitué dans la forme d'exécution décrite par deux ensembles de pompes thermiques 14 et 15 entièrement séparés. Chaque ensemble comprend une boucle complète de fluide caloporteur à
changement de phase, avec: un élément de circuit amont et un élément de circuit aval, entre les deux éléments un compresseur et une vanne de détente, sur un des éléments un échangeur de chaleur, et un circuit secondaire avec un ou des organes radiateurs.
Pour l'ensemble 14, le comprèsseur et la vanne de détente sont désignés par 16 et 17, le circuit amont est le circuit 12, noyé dans le bloc 3 et fonctionnant en condenseur en fournissant de la chaleur au bloc. Le circuit aval est alors l'évaporateur désigné par 18a, 18b. Le fluide passe dans l'êchangeur 19 en absorbant la chaleur fournie par le circuit secondaire 20 et captée dans le circuit réfrigérateur 21. On' comprend que cet ensemble peut entretenir une chambre froide ou constituer un climatiseur destiné à fonctionner en été. Il pourrait aussi remplir d'autres fonctions comme on le verra plus loin.

- 5 -L'ensemble 15 est constitué d'éléments semblables mais fonctionnant en sens inverse. On voit à la fig. 2 la vanne de détente 22, le compresseur 23, le circuit amont 24a, 24b fonctionnant en condenseur et fournissant à travers l'échangeur 25 la chaleur captée dans le circuit aval 13 au circuit secondaire 26 alimentant le radiateur 27. Celui-ci correspond à l'élément 7 ou à l'élément 8 de la fig. 1. Le chauffe-eau 6 sera également branché dans le circuit 26.
Ainsi, dans chaque bloc 3 sont noyés deux éléments de circuit 12, 13 incorporés chacun à l'une des unités 14 ou 15 du groupe 5 et constituant l'un le condenseur 12 de l'unité 14 de production de froid et l'autre l'évaporateur 13 de l'unité
15 de production de chaleur. Cette disposition donne une très grande souplesse dans la gestion du système décrit. Les figs.
3 et 4 montrent à nouveau le bloc 3 avec les circuits de fluide caloporteur 12 et 13 noyés dans le béton. Chacun de ces circuits est formé d'un segment de tube de longueur suffisante, coudé en serpentin. Les tubes peuvent être en acier inox ou en cuivre, avec par exemple un diamètre de 10 mm et une épaisseur de paroi de 0,5 mm. Ils peuvent également être réalisés en matière synthétique, par exemple en.
polyéthylène, ou encore en matériaux composites. Chaque circuit 12, 13 est monté sur une grille 28, 29. Cette grille peut être formée de barres métalliques, notamment de fers à
béton, par exemple de 6 mm de diamètre et soudés perpendiculairement les uns aux autres de manière à former un réseau à mailles carrées ou rectangulaires, ayant par exemple environ 15 cm de côté. La grille peut également être réalisée en matière synthétique, par exemple en polyéthylène, avec des barres soudées ou collées, ou moulée en une fois. Les grilles 28, 29 constituent des structures de support pour les éléments de circuit, particulièrement utiles pour le transport et la mise en place du circuit avant de couler le béton. Dans le cas

- 6 -où les blocs accumulateurs sont préfabriqués, on utilisera de préférence des grilles constituées de fers à béton, les grilles ayant alors également pour fonction d'assurer la cohésion du béton. L'opération de soudage des tubes et de mise en place exacte des serpentins par rapport aux noeuds de la grille peut être réalisée de manière rationnelle au moyen d'un posage ayant la forme d'une plaque présentant des rainures dans lesquelles les barres de la grille viennent se placer. La plaque sera équipée de pinces fixant le tube par rapport au posage et par rapport à la grille à l'emplacement où un coude du serpentin doit âtre réalisé. On reviendra plus loin sur la technique de montage des serpentins sur les grilles.
Bien que ces opérations de montage des serpentins sur les grilles puissent être effectuées sur le chantier, afin de permettre un contrôle optimal de la qualité de fabrication et de réduire au maximum le temps de travail sur le chantier, ces opératïons seront de préférence effectuées en usine, les ensembles grille-serpentin étant transportés sur le chantier déjà assemblés, de façon à pouvoir être directement mis en place avec un coffrage, ou directement à l'intérieur d'une fouille dans le sol, les côtés et le fond de la fouille faisant office de coffrage, après quoi le béton peut être coulé. Les segments d'entrée et de sortie 12a, 12b, 13a, 13b des éléments de circuit seront prévus suffisamment longs pour permettre les raccordements ultérieurs. Avec les dimensions indiquées, chaque assemblage grille-serpentin présente un poids de 50 à 100 kg, rendant sa manutention aisée. Le chantier ne nécessite donc pas de moyens d'accès agencés pour des engins particulièrement lourds. Toutefois, si la situation le permet, les blocs 3 peuvent aussi être fabriqués entièrement en usine et transportés sur le chantier en tant que produits prêts au montage.

Comme on le voit à la fig. 3, les deux grilles 28, 29 sont placées en position verticale 'à faible distance l'une de l'autre au centre du bloc. Chaque circuit en serpentin 12, 13 est fixé contre la grille qui le porte du côté extérieur. Les grilles et les branches des serpentins sont décalées en hauteur de l'un des assemblages par rapport à l'autre de 1/2 du pas de la grille. Cette disposition assure une utilisation thermique optimale des propriétés du béton et des fers des grilles. Ces dernières jouent le rôle de ponts thermiques et favorisent la diffusion des calories.
Les blocs peuvent être utilisés en tant que réservoïrs de calories, soit en accumulation, soit en "vidange", c'est-à-dire que seul l'un des deux circuits, le circuit condenseur 12 ou le circuit évaporateur 13, est en fonction. Cependant, les séquences de fonctionnement peuvent être variables, par exemple journalières ou saisonnières. On peut donc concevoir des cas où
les deux circuits fonctionnent en même~temps, l'énergie ne faisant que transiter à travers le bloc. Une telle configuration est particulièrement utile pour les hôtels et les hôpitaux, où
la climatisation et la production d'eau chaude sanitaire simultanées en continu sont nécessaires. La disposition rapprochée des deux assemblages 12-28, 13-29 présente alors l'avantage que les différences de températures sont très faibles. Toutefois, dans ce cas, les grilles 28 et 29 seront disposées à une distance sensiblement plus grande l'une de l'autre que celles reprêsentées à la fig. 3, généralement à une distance comprise entre 5 et 10 cm, de façon à permettre une bonne diffusion de l'énergie autour du tube. Si la différence de température entre la source des calories et le diffuseur de ces dernières est elle-même faible, alors le coefficient de performance (COP) des agrégats est particulièrement élevé. Ce sera 1.e cas par exemple lorsque, dans l'entre-saison on désire utiliser l'énergie thermique de l'eau d'une piscine pour tempérer des locaux habités, ou inversement, lorsqu'un effet de _ g _ climatisation ou le captage de la chaleur solaire par le capteur 9 sont utilisés pour chauffer l'eau de la piscine. Du fait que les pompes sont réversibles, les deux circuits peuvent également être utilisés simultanément, soït en accumulateur, soit en vidange. Les figs. 5 et 6 sont des coupes analogues à celle de la fig. 3 et montrent deux variantes de la disposition des assemblages 12/28, 13/29 quï, dans certains cas, conduisent à
des performances encore meilleures que celles de la forme d'exécution préférentielle décrite jusqu'à maintenant. A ces deux figures, les barres verticales de deux grilles 28, 29 sont situées dans le même plan. Les barres horizontales peuvent être placées aussi près l'une de l'autre que possible (fig. 5) ou, de préférence, décalées, par exemple d'un demi-pas (fig. 6).
La fig. 7 montre l'arrimage des tubes de fluide caloporteur sur les grilles. Elle représente une vue des assemblages 12/28, 13/29 dans le sens opposé à la flèche A de la fig. 3. Une portion de grille 29 est représentée en élévation avec une portion d'un tube 13 de fluide caloporteur coudé en serpentin. Bien que l'on n'ait représenté que six branches horizontales et quatre coudes à 180 degrés, il est évident que ce nombre n'est pas déterminant et que, dans la pratique, il sera plus élevé. Les branches horizontales du serpentin 13 sont fixées à des noeuds de la grille 29 par des attaches 30 formées de bandes métalliques ou synthétiques telles que des brides colson. Dans l'exemple de la fig. 7, chaque bride est accrochée à un noeud de la grille et maintient la branche horizontale du tube 13 contre une barre horizontale de la grille. La fig. 8 illustre encore la disposition. Selon une variante, les brides ne sont pas accrochées à un noeud de la grille, mais le long d'une barre horizontale de la grille. Le nombre des brides et leur disposition alternée sur chaque branche horizontale du serpentin seront choisis de cas en cas. On note que ce mode d'arrimage assure une pression élastique des tubes contre les barres de leur grille de support, ce qui permet à l'ensemble de supporter des dilatations ou contractions différentes grilles/tubes lors des variations des températures. D'autre part, les portions coudées du tube pour la constitution du serpentin peuvent être munies d'un dispositif permettant une dilatation/contraction différenciée du tube par rapport au béton. Un tel dispositif peut être réalisé par exemple sous forme de manchons 31 (représentés schématiquement à la fig. 7) en mousse polyuréthane compressible (de préfêrence à cellules fermées) qui sont disposés autour des parties coudées du tube formant le serpentin.
Le système décrit est particulièrement avantageux pour plusieurs raisons . il permet de valoriser des captages d'énergie provenant de sources accessoires, comme une piscine ou un capteur solaire à circulation d'eau avec un coefficient de performance (COP) élevé, ou encore, par exemple, un récupérateur de la chaleur d'une cheminée ou celle d'un four solaire à haute température. L'accumulation de chaleur dans les blocs peut s'étendre, durant des périodes saisonnières, au sol environnant qui fonctionne aussi bien comme isolant que comme récepteur. Ainsi, les tubes d'eau provenant de capteurs solaires pourraient être directement intégrés aux blocs 3 ou à
certains de ces blocs, ce qui évite l'ïntercalation d'un échangeur de chaleur. Il est évident, finalement, que les cas où les blocs 3 et la terre environnante captent directemént la chaleur ambiante pendant l'été et seuls les circuits 13 et l'agrégat 15 sont prévus représentent aussi une application de la présente invention.
Ainsi, le dispositif d'accumulation d'énergie à inertie selon l'invention peut servir à la fois d'accumulateur d'énergie thermique, d'égalisateur de tempêrature, d'échangeur de température ou de régulateur de température, le tout étant réversible.

Les blocs d'accumulation représentés aux figs. 1 et 3 ont une section en forme de prisme triangulaire ou trapézoïdal avec une base supérieure de dimension inférieure à celle de la base inférieure. Mais bien entendu, les blocs 3 peuvent être réalisés de toute autre forme, comme par exemple en forme de T, de façon à empêcher le bloc de s'enfoncer dans le terrain, ou également de forme rectangulaïre.
Bien que le dispositif selon l'invention ait été décrit avec des blocs 3 en béton, lesdits blocs peuvent également être réalisés en d'autres matières solides ou semi-solides, comme par exemple avec de la bentonite ou d'autres gels analogues.
On n'a pas décrit ici les moyens qui seront prévus pour permettre une gestion efficace de l'ensemble du système, tels que vannes à plusieurs voies permettant de piloter les flux, organes de vidange et, le cas échéant, de nettoyage des tubes, appareils de mesure et de contrôle. Ces moyens seront naturellement prévus én fonction des besoins. Bien que l'on ait décrit un système avec deux agrégats de pompes thermiques séparés fonctionnant l'un en producteur de chaleur et l'autre en producteur de froid, il est aussi possible de ne prévoir qu'un seul agrégat.
De plus, les applications possibles du dispositif de stockage décrit ne se limitent évidemment pas au chauffage et à la climatisation de villas, mais touchent également toute construction dont les locaux doivent être tempérés ou refroidis.

Claims

Revendications

1. Dispositif d'accumulation d'énergie à inertie, notamment pour système de chauffage et/ou climatisation de locaux, comprenant au moins un bloc (3) en matière solide ou semi-solide, et au moins un circuit de fluide caloporteur (12, 13) noyé dans chaque bloc, caractérisé en ce qu'au moins une grille (28, 29) est noyée dans chaque bloc (3) et en ce que chacun desdits circuits est constitué d'un conduit continu, coudé en serpentin, monté sur l'une des grilles de manière à
permettre une dilatation/contraction différentielle des conduits par rapport à la grille.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins un circuit est intégré à une boucle de fluide caloporteur à changement de phase d'une pompe thermique (14, 15).

3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que chaque bloc (3) comporte deux assemblages (12, 28; 13, 29) d'une grille et d'un circuit, les grilles étant planes et placées parallèlement dans le bloc.

4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc (3) a la forme d'un polyèdre dont la base est rectangulaire et placée horizontalement et qui présente une face supérieure également plane et parallèle à la base, la ou les grilles (28, 29) étant verticales.

5. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les deux circuits (12, 13) d'un bloc sont intégrés à des boucles d'échange thermique différentes, caractérisé en ce que le dispositif est associé à deux agrégats de pompes thermiques (14, 15), l'un desdits circuits fonctionnant en évaporateur et l'autre en condenseur.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les blocs (3) ont une forme de prisme à section verticale triangulaire.

7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le ou les blocs (3) ont la forme d'un T.

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau du ou des blocs est le béton.

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le matériau du ou des blocs est un gel.

10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que le ou les blocs sont noyés dans le sol, leurs faces étant directement en contact avec la terre.

11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un circuit, dans au moins un bloc, est relié à une source de chaleur accessoire sans liaison avec une pompe thermique, la source de chaleur accessoire étant un capteur solaire (9), un récupérateur de la chaleur d'une cheminée (10), un four solaire à haute température, etc.

12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la grille est formée de barres métalliques liées entre elles à des points de croisement.

13. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la grille est en matériau synthétique.

14. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les conduits sont des tubes métalliques.

15. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que les conduits sont des tubes en matériau synthétique.

16. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les portions coudées du conduit formant le serpentin sont munies d'un dispositif permettant une dilatation/contraction différentielle du conduit par rapport au béton.

17. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que les portions coudées du conduit sont munies de manchons (31) en mousse polyuréthanne compressible.

18. Assemblage formé d'au moins une grille et comportant au moins un conduit continu coudé en serpentin arrimé sur ladite grille, en tant que partie du dispositif selon l'une des revendications précédentes.