CH651125A5

CH651125A5 - Procede pour l'utilisation de la chaleur contenue dans de l'eau servant de source de chaleur.

Info

Publication number: CH651125A5
Application number: CH4828/82A
Authority: CH
Inventors: Leif Lemmeke
Original assignee: Leif Lemmeke
Priority date: 1980-12-18
Filing date: 1981-12-14
Publication date: 1985-08-30
Also published as: FI71415B; US4509680A; FI822638L; DK158646C; NO153410B; DE3152614C2; JPS57501973A; WO1982002085A1; SE427135B; SE8008906L; DE3152614T1; DK158646B; NO153410C; NO822785L; EP0067175A1; GB2104209B; FI71415C; ATA909281A; AT388233B; DK299882A

Description

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REVENDICATION Procédé pour l'utilisation de la chaleur contenue dans de l'eau servant de source de chaleur, dans lequel on utilise un emmagasineur de chaleur (5) contenu dans un réservoir d'eau souterraine (2) et un dispositif échangeur de chaleur (4), caractérisé en ce que l'eau est puisée d'un cours d'eau, d'un lac ou de la mer (1) durant l'été, cette eau étant ensuite amenée au dispositif échangeur de chaleur (4) situé à l'extérieur du réservoir, dans lequel la chaleur est transmise à l'eau souterraine, laquelle est amenée à circuler dans un dispositif fermé, l'emmagasineur de chaleur (5) dans le réservoir d'eau souterraine étant ainsi chargé, à la suite de quoi l'eau souterraine réchauffée est prélevée de l'emmagasineur de chaleur (5) durant le reste de l'année aux périodes présentant des variations dans les demandes thermiques, l'eau souterraine étant amenée à circuler à travers un dispositif à pompe à chaleur (3), de telle façon que l'emmagasineur de chaleur (5)

dans le réservoir (2) soit déchargé, et que la chaleur stockée soit cédée.

L'invention se rapporte à un procédé permettant une utilisation de la chaleur contenue dans de l'eau servant de source de chaleur.

Lorsqu'on utilise une pompe à chaleur en vue de répondre à une certaine demande thermique, la température de la source de chaleur est d'une importance primordiale pour l'économie de l'exploitation. Pour la plupart des sources de chaleur naturelles, telles que l'eau des nappes souterraines et l'air, la température présente des variations saisonnières en synchronisme avec le rayonnement solaire. La demande thermique requise, par exemple pour le chauffage est habituellement en opposition par rapport à ces réserves naturelles de chaleur. Par stockage saisonnier de milieux véhiculeurs de chaleur à une «température d'été», il est donc possible d'assurer des conditions d'exploitation favorables et stables durant toute l'année.

Différents procédés d'utilisation de la chaleur naturelle ont déjà été proposés, notamment dans le brevet allemand 2.520.101 et dans le brevet français 2.288.947. Ces brevets prévoient un stockage saisonnier à des températures relativement élevées de l'ordre de 70°C et plus. Ces températures relativement hautes entraînent inévitablement des pertes calorifiques élevées.

D'autre part, pour l'utilisation à grande échelle de sources de chaleur naturelles, l'emploi de l'eau présente un intérêt particulier, car elle constitue un milieu transporteur de chaleur pouvant alimenter directement une pompe à chaleur. Les variations de température dans les eaux de surface provenant de lacs et de cours d'eau suivent les variations de la température de l'air avec des retards sans importance, comme cela apparaît sur les courbes représentées à la figure 1 du dessin annexé. Comme conséquence de ces variations, la température pendant toute la durée de l'été (environ 4 mois) est supérieure à + 14°C et s'élève jusqu'à +20°C, tandis que la température durant la plus grande partie de l'hiver (environ 4 à 5 mois) est inférieure à +3°C. Des variations correspondantes de température sont obtenues pour l'eau de mer, dans des zones de faible profondeur. En ce qui concerne la température des cours d'eau, on observe néanmoins un certain retard dans les variations, et ni les températures maximales, ni les températures minimales ne sont également prononcées.

Cette inertie dans l'adaptation à la température ambiante est due à la grande capacité calorifique des masses d'eau. Dans les zones d'eau profonde, ou lorsqu'une stratification se manifeste à la suite de différences dans la teneur en sel, les variations de température de l'eau de mer peuvent présenter des écarts sensibles par rapport à ce qui est représenté sur les courbes. En raison de l'égalisation, pratiquement complète, des variations de température saisonnières, qui se produit habituellement en liaison avec le passage à travers la couverture supérieure du fond, l'eau souterraine conserve une température constante d'environ +8°C. Ceci correspond à la température moyenne annuelle à la surface du fond (voir les courbes). L'eau d'une nappe souterraine constitue donc une source de chaleur constante pour des pompes à chaleur. En plus des sources de chaleur naturelles précédemment décrites, il est également possible d'utiliser des eaux usées comme source de chaleur. Les eaux-vannes présentent également des variations de température saisonnières comprises entre +8°C et + 18°C (vour les courbes de la figure 1). Des différences considérables peuvent néanmoins se présenter par suite d'une addition d'effluents industriels ou d'eau de fonte et d'eau souterraine, ou encore, d'infiltration d'eau de drainage.

Les températures indiquées à la figure 1 représentent les conditions dans le sud de la Suède. Eu égard en outre aux conditions régnant au nord ou au sud, des températures légèrement différentes devront être considérées.

Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que l'eau est puisée d'un cours d'eau, d'un lac ou de la mer durant l'été, cette eau étant ensuite amenée au dispositif échangeur de chaleur situé à l'extérieur du réservoir, dans lequel la chaleur est transmise à l'eau souterraine, laquelle est amenée à circuler dans un dispositif fermé, l'emmagasineur de chaleur dans le réservoir d'eau souterraine étant ainsi chargé, à la suite de quoi l'eau souterraine réchauffée est prélevée de l'emmagasineur de chaleur durant le reste de l'année aux périodes présentant des variations dans les demandes thermiques, l'eau souterraine étant amenée à circuler à travers un dispositif à pompe à chaleur, de telle façon que l'emmagasineur de chaleur dans le réservoir soit déchargé, et que la chaleur stockée soit cédée.

L'invention sera maintenant décrite plus en détail en se référant au dessin annexé, sur lequel:

- la figure 2 représente le schéma d'un circuit d'un dispositif générateur de chaleur, dans les conditions de fonctionnement durant la période d'été;

- la figure 3 est une vue analogue à la figure 2, dans les conditions de fonctionnement durant la période d'hiver.

Ces deux figures illustrent également le stockage de la cha- • leur au moyen du «dispositif de stockage à pulsation» correspondant.

Durant le semestre d'été, la température de l'eau de surface est nettement plus élevée que la température de l'eau des nappes souterraines. Durant cette période, il est donc plus avantageux d'utiliser l'eau de surface comme source de chaleur pour les pompes à chaleur. Durant le reste de l'année, il est également possible d'utiliser la quantité importante de chaleur des eaux de surface de l'été, en emmagasinant la chaleur dans des réservoirs d'eau souterraine. Ceci peut se faire en approvisionnant le réservoir en eau chaude de l'été. En même temps, on puise un volume correspondant d'eau refroidie qui peut être déviée vers un cours d'eau ou un lac.

1. L'eau chaude peut alors être emmagasinée, sans perte de chaleur appréciable, dans le réservoir d'eau souterraine.

2. Durant le semestre d'hiver, l'eau chauffée peut alors être puisée du réservoir 2 et fournie à l'installation à pompe à chaleur 3, suivant les variations de la demande thermique. En même temps, de l'eau froide est amenée au réservoir 2. De cette manière, un équilibre hydraulique continu se trouve

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maintenu sur une base annuelle. Techniquement, le réservoir 2 peut être désigné sous le nom de «dispositif de stockage à pulsation», dans lequel l'eau chaude est amenée et prélevée dans des puits disposés de façon centrale, cependant que l'eau froide est simultanément soutirée et amenée dans des puits situés à la périphérie, comme cela apparaît à la figure du dessin annexé, illustrant le principe de fonctionement du stockage de chaleur par «stockage à pulsation».

Le chauffage de l'eau souterraine, aussi bien que l'oxygène de l'air peuvent donner lieu à des réactions chimiques pouvant entraîner des précipitations et des risques de colmatage dans les puits. Dans le cas présent, les variations de température sont si faibles qu'on ne peut les considérer comme risquant d'entraîner des problèmes. D'autre part, pour éviter une acidification de l'eau souterraine, la circulation de cette eau dans un circuit fermé devrait être assurée de façon certaine. La transmission de chaleur à partir de l'eau de surface doit alors se faire dans un échangeur de chaleur 4, ce qui entraîne une perte de chaleur de 2 à 3°C. Durant les quatre mois d'été les plus chauds, la température de l'eau de surface varie habituellement entre + 14°C et environ +20°C; voir les courbes de la figure 1. La température moyenne s'élève alors à environ + 17°C. Par échange thermique, l'eau souterraine peut alors atteindre une température moyenne d'environ +14 à +15°C. En raison des pertes de chaleur durant la phase de stockage, on peut estimer que la température s'abaissera encore jusqu'à environ +12 à + 13°C. On obtiendra donc à la pompe à chaleur 3, une réduction de température qui sera légèrement supérieure à 10°C pendant toute l'année.

Afin d'être en mesure de soutirer une certaine quantité désirée d'énergie, à partir d'une source de chaleur 1, au moyen d'une pompe à chaleur 3, il est nécessaire d'obtenir un débit d'une grandeur déterminée, tout en ayant une certaine réduction de température de la source de chaleur. Lorsqu'on utilise une source de chaleur à température relativement élevée, on obtient des conditions de fonctionnement favorables. La source de chaleur peut alors être utilisée de façon que la température soit réduite d'une valeur maximale (environ s 10 à 20°C) à un niveau se situant juste au-dessus du point de congélation. Ceci réduit le débit à travers l'installation, ce qui permet d'avoir de plus petites dimensions pour l'évaporation de la pompe à chaleur, les conduites de transfert, les dispositifs d'extraction, etc... Suivant une variante, la température de la source de chaleur peut être réduite à une valeur limitée (environ 3 à 5°C), de sorte qu'on obtient une température de sortie relativement élevée. La «montée de température» de la pompe à chaleur sera alors réduite et l'on obtiendra un coefficient de rendement plus élevé.

En vue d'obtenir une source de chaleur naturelle capable de maintenir des «températures d'été» pendant toute l'année, on a mis au point un dispositif d'alimentation comprenant des moyens de stockage de chaleur 5 dans le réservoir d'eau souterraine 2 et une installation échangeuse de chaleur 4 équipée des conduites de transfert correspondantes, des dispositifs d'entrée et de sortie etc... Le dispositif est cony pour être actionné de façon que l'eau chaude de surface ou l'eau de mer soit soutirée d'un cours d'eau, d'un lac ou de la mer 1 durant l'été. Cette eau alimente l'installation échangeuse de chaleur 4 où la chaleur est transmise à l'eau souterraine qui est amenée à circuler dans un dispositif fermé et qui charge ainsi le dispositif de stockage 5. Pendant tout le reste de l'année, l'eau souterraine réchauffée est extraite du dispositif de stockage 5, suivant les variations de la demande thermique. L'eau souterraine est alors amenée à circuler à travers l'installation 3 de la pompe à chaleur, où la chaleur emmagasinée est cédée. Le dispositif de stockage 5 dans le réservoir d'eau souterraine 2 se trouve ainsi déchargé. Les figures 2 et 3, avec les schémas correspondants du stockage à pulsation illustrent le procédé selon l'invention.

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