CH712526B1

CH712526B1 - Réseau urbain d'échange thermique.

Info

Publication number: CH712526B1
Application number: CH00722/16A
Authority: CH
Inventors: Geinoz François
Original assignee: Geinoz Francois Ignace; Cueni Marcel
Priority date: 2016-06-06
Filing date: 2016-06-06
Publication date: 2023-02-28
Also published as: WO2017210805A1; CH712526A1

Abstract

Le réseau urbain (10) d'échange thermique selon l'invention comporte une unité (14) de production d'énergie thermique, plusieurs dispositifs utilisateurs (15) d'énergie thermique et des conduits (11) pour véhiculer un fluide caloporteur (13) entre l'unité (14) de production d'énergie thermique et le dispositif utilisateur (15) d'énergie thermique. Le dispositif utilisateur est équipé d'un point de soutirage (16) de fluide caloporteur pour en extraire de l'énergie thermique et d'un point d'injection (17) pour réinjecter ledit fluide caloporteur (13) dans le réseau. Le conduit (11) véhiculant le fluide caloporteur (13) est au moins indirectement en contact avec un matériau à changement de phase et le réseau comporte des moyens de gestion (14a) pour maintenir la température moyenne dudit fluide caloporteur (13) à une valeur différente de la température moyenne du terrain environnant. Chaque point de soutirage (16) est associé à une pompe à chaleur (18) pour extraire de l'énergie thermique dudit fluide caloporteur pour alimenter ledit dispositif utilisateur (15).

Description

Domaine technique

[0001] La présente invention concerne un réseau urbain d'échange thermique, comportant au moins une unité de production d'énergie thermique, au moins un dispositif utilisateur d'énergie thermique et au moins un conduit pour véhiculer un fluide caloporteur entre ladite au moins une unité de production d'énergie thermique et ledit au moins un dispositif utilisateur d'énergie thermique, dans lequel ledit dispositif utilisateur est équipé d'un point de soutirage de fluide caloporteur pour en extraire de l'énergie thermique et d'un point d'injection pour réinjecter ledit fluide caloporteur dans ledit réseau, dans lequel ledit au moins un conduit est déposé dans une tranchée ménagée dans le terrain environnant et comblée avec des matériaux de remblayage.

Technique antérieure

[0002] Les réseaux de chauffage à distance, appelés couramment chauffages urbains, comportent habituellement au moins une paire de conduits, dont le premier, appelé „tube aller“ est connecté entre une source chaude et au moins un dispositif consommateur d'énergie thermique, par l'intermédiaire d'un point de soutirage et dont le second, appelé „tube retour“ est connecté entre le point de soutirage et la source chaude pour ramener le fluide caloporteur refroidi dans le réseau. L'objectif de ces réseaux est d'alimenter le dispositif consommateur, qui est par exemple une maison, un local utilitaire ou similaire, en calories prélevées dans le fluide caloporteur. Dans ce cas de réalisation, les conduits sont distincts et disposés parallèlement l'un par rapport à l'autre.

[0003] Dans d'autres cas, les conduits utilisés sont composés d'un tube métallique central, par exemple en acier, entouré d'une couche épaisse d'un matériau isolant pour assurer l'isolation thermique du tube central, l'ensemble étant entouré d'un conduit annulaire étanche, qui constitue le conduit de retour. La couche épaisse de matériau isolant est réalisée de préférence en une matière synthétique, telle que par exemple une mousse en polyuréthane. Le conduit annulaire périphérique peut être réalisé en un matériau synthétique ou en métal. Pour une telle réalisation, le tube devra être isolé avec soins pour éviter une trop forte perte de chaleur dans le terrain environnant.

[0004] Ces installations utilisent habituellement comme source chaude soit un générateur d'eau chaude soit un générateur de vapeur d'eau et le fluide caloporteur est, selon le cas, de l'eau chaude ou de la vapeur surchauffée, portée à une température élevée. La déperdition de chaleur dans les conduits qui véhiculent le fluide caloporteur est en principe proportionnelle, par unité de longueur, à la différence entre la température du fluide caloporteur et l'environnement des conduits qui le véhiculent de sorte que, dans les installations connues, soit les isolations sont très performantes, et par conséquent très coûteuses, soit les pertes en énergie sont élevées et les installations perdent en efficacité. Dans les deux cas, le bilan énergétique est médiocre et les coûts des installations ainsi que les coûts d'exploitation sont très élevés.

[0005] Il en résulte que les réseaux de chauffage urbain actuels, sont basés sur le principe suivant : en phase 1, on fournit à un fluide caloporteur une quantité d'énergie suffisante pour permettre à ce dernier d'amener de l'énergie calorifique en suffisance pour donner satisfaction à l'ensemble des consommateurs du réseau alimenté par ledit fluide caloporteur; en phase 2, on met ledit fluide caloporteur „chargé“ en circulation dans le conduit „aller“, de telle manière que les consommateurs puissent être approvisionnés à travers leur point de soutirage; en vue d'éviter au mieux les pertes, les conduits doivent être isolés efficacement; en phase 3, on met ledit fluide caloporteur „déchargé“ en circulation dans le conduit „retour“, pour le ramener vers la source de chaleur pour le recharger; comme pour la phase 2, en vue d'éviter au mieux les pertes, les conduits doivent être isolés efficacement.

[0006] Les réseaux de distributions actuels sont pénalisés aussi bien en ce qui concerne leur installation que leur exploitation en raison des coûts de production de l'énergie et de ceux de l'isolation.

Exposé de l'invention

[0007] La présente invention se propose de pallier l'ensemble des inconvénients mentionnés ci-dessus en développant un réseau de chauffage à distance qui est efficace et économique parce qu'il est conçu pour accroître la capacité des sources d'énergie thermique existantes localement en captant l'énergie thermique libre et disponible pour l'intégrer automatiquement dans le réseau, en stockant de manière substantielle l'énergie thermique disponible et en la distribuant en restituant l'énergie stockée en fonction des besoins momentanés des consommateurs.

[0008] Ces buts sont atteints par le réseau urbain d'échange thermique tel que défini en préambule etcaractérisé en ce que: ledit au moins un conduit véhiculant ledit fluide caloporteur est au moins indirectement en contact avec un matériau à changement de phase, en ce queledit réseau comporte des moyens de gestion pour maintenir la température moyenne dudit fluide caloporteur à une valeur différente de la température moyenne du terrain environnant, et en ce queledit point de soutirage est associé à une pompe à chaleur pour extraire de l'énergie thermique dudit fluide caloporteur pour alimenter ledit dispositif utilisateur.

[0009] Selon une première solution avantageuse, lesdits matériaux de remblayage comprennent au moins un premier matériau à changement de phase.

[0010] Dans cette réalisation, lesdits matériaux de remblayage sont directement en contact avec des parois d'un tube formant ledit au moins un conduit véhiculant ledit fluide caloporteur, dans lequel lesdites parois sont thermiquement conductrices.

[0011] Selon une seconde solution avantageuse ledit au moins un conduit pour véhiculer un fluide caloporteur est de préférence disposé à l'intérieur d'un tube extérieur contenant au moins un deuxième matériau à changement de phase et dans lequel les parois périphériques du tube extérieur sont thermiquement conductrices.

[0012] Dans cette réalisation, ledit tube extérieur est avantageusement placé dans ladite tranchée ménagée dans le terrain environnant et est au moins partiellement noyée dans lesdits matériaux de remblayage, ces matériaux de remblayage comprenant au moins ledit deuxième matériau à changement de phase.

[0013] Pour augmenter l'efficacité du système, ledit deuxième matériau à changement de phase est avantageusement différent dudit premier matériau à changement de phase.

[0014] D'une manière préférentielle, lesdits moyens de gestion comportent des capteurs de température et des vannes de contrôle du volume et/ou de la vitesse de circulation du fluide caloporteur pour réguler la température du fluide caloporteur en fonction de la consommation dudit au moins un utilisateur.

[0015] Selon un mode de réalisation avantageux, ledit deuxième matériau à changement de phase est de l'acide formique, et ledit premier matériau à changement de phase est un composé de particules solides à la température d'utilisation et inerte par rapport à des matériaux minéraux de remplissage de ladite tranchée.

[0016] Selon une autre variante de réalisation, ledit deuxième matériau à changement de phase est incorporé dans des segments longitudinaux constitués de paires de demi-coques emboîtées, montées à la périphérie dudit au moins un conduit. Dans cette variante, chaque demi-coque de chacune des paires de demi-coques emboîtées comporte avantageusement une enveloppe semi-cylindrique et une masse de remplissage qui est au moins partiellement constituée dudit deuxième matériau à changement de phase.

Description sommaire des dessins

[0017] La présente invention et ses principaux avantages apparaîtront mieux dans la description d'un mode de réalisation préféré, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique d'un réseau d'échange thermique selon l'invention, la figure 2 est une vue schématique en coupe transversale d'une première forme de réalisation d'un tronçon de conduit dudit réseau d'échange thermique disposé dans une tranchée, la figure 3 est une vue schématique en coupe transversale d'une deuxième forme de réalisation d'un tronçon de conduit dudit réseau d'échange thermique disposé dans une tranchée, la figure 4 est une vue en coupe longitudinale partielle du tronçon de conduit représenté par la figure 3, et Les figures 5A et 5B illustrent respectivement en coupe longitudinale et en coupe transversale une forme de réalisation particulière, dans laquelle un matériau à changement de phase est incorporé dans deux demi-coques emboîtables.

Meilleure(s) manière(s) de réaliser l'invention

[0018] En référence aux figures, et en particulier à la figure 1, le réseau d'échange thermique 10 comporte au moins un, et de préférence une pluralité de conduits 11, qui forment de préférence une pluralité de boucles principales 12 de conduits 11 véhiculant un fluide caloporteur 13 pour le transporter entre une source, un générateur ou une unité de production 14 d'énergie thermique et des dispositifs utilisateurs 15 également appelé consommateur. Chacune desdites boucles principales 12 comporte au moins un point de soutirage 16 et un point d'injection 17 qui correspondent à un ou plusieurs dispositifs utilisateurs 15. Ces dispositifs utilisateurs 15 peuvent d'ailleurs être individuels ou collectifs. Dans le cas d'un dispositif utilisateur 15 collectif, la répartition de l'énergie thermique prélevée est distribuée à l'intérieur d'un bâtiment, par exemple un immeuble locatif, en fonction de critères spécifiques d'occupation du bâtiment. Les points de soutirage 16 sont agencés pour prélever du fluide caloporteur 13 et pour le distribuer aux dispositifs utilisateurs 15 correspondants et les points d'injection 17 sont agencés pour ramener le fluide caloporteur 13 sortant des dispositifs utilisateurs 15 pour le réinjecter dans le réseau. A la sortie de chaque point de soutirage 16 est disposée une pompe à chaleur 18 pour prélever de l'énergie thermique dudit fluide caloporteur 13 en vue de la délivrer au dispositif utilisateur 15 concerné.

[0019] Le réseau est conçu en fonction des besoins locaux et les boucles principales peuvent être connectées en série ou en parallèle selon l'emplacement des dispositifs utilisateurs 15 et la géographie de la zone dans laquelle ils sont placés. Les connexions de raccordement sont simples, du fait que seule la circulation de fluide caloporteur est importante, et que l'isolation des conduits 11 est totalement secondaire, comme cela sera décrit par la suite, alors que le souci d'une isolation optimale constitue la préoccupation essentielle de tous les exploitants des réseaux urbains de l'art antérieur.

[0020] La figure 2 représente une vue en coupe transversale d'une tranchée 20 dans laquelle a été mis en place un conduit 11 qui véhicule le fluide caloporteur 13. Il s'agit d'une première forme de réalisation selon l'invention, dans laquelle un premier matériau à changement de phase 21 est contenu sous forme de particules divisées mélangées en vrac à des matériaux de remblayage 22 dans la tranchée 20. Le conduit 11 qui est posé au fond de la tranchée 20 est un tube 23 unique à paroi simple 24 réalisée en un matériau thermiquement bon conducteur. Il véhicule le fluide caloporteur 13 et échange de l'énergie thermique avec les matériaux environnants et notamment les matériaux contenus dans la tranchée 20.

[0021] Lorsque, dans le cadre de cette invention, l'objectif recherché est de charger le fluide caloporteur 13 en énergie thermique „chaude“, c'est-à-dire en calories, il est avantageux de capter ces calories en partie lorsqu'elles sont libérées par le terrain environnant, à travers la paroi 24 du tube 23 au profit du fluide caloporteur. La température moyenne du fluide caloporteur doit être obligatoirement inférieure à la température moyenne du terrain, de telle manière que l'échange thermique puisse s'effectuer du terrain vers l'intérieur du tube 23. En revanche, lorsque, dans le cadre de cette invention, l'objectif recherché est de charger le fluide caloporteur 13 en énergie calorifique „froide“, c'est-à-dire en frigories ou calorie négatives, qui devraient en partie être libérées par le terrain environnant à travers la paroi 24 du tube 23 au profit du fluide caloporteur, la température moyenne du fluide caloporteur doit être supérieure à la température moyenne du terrain, de telle manière que l'échange de chaleur puisse s'effectuer de l'intérieur du tube 23 le terrain environnant.

[0022] Les matériaux de remblayage 22 contenus dans la tranchée 20, que ce soit par exemple des pierres 25 dans la zone supérieure ou une masse de remblayage comportant par exemple du gravier et du sable, mélangés à des particules d'un premier matériau à changement de phase 21, dans la partie inférieure de la tranchée 20, communiquent leur état thermique au fluide caloporteur 13 circulant dans le tube 23. Ce système permet de véhiculer à la fois de l'énergie thermique chaude et de l'énergie thermique froide et surtout de capter de l'énergie thermique naturellement disponible dans le terrain environnant en vue de son utilisation par divers dispositifs utilisateurs disposés le long des branches du réseau.

[0023] Une autre forme de réalisation du conduit 11 est illustrée par la figure 3 qui représente une vue en coupe transversale d'une tranchée 20 dans laquelle a été mis en place un conduit 11 qui véhicule le fluide caloporteur 13. Il s'agit d'une deuxième forme de réalisation, dans laquelle le conduit 11 se compose d'un premier tube, dit tube intérieur 23a ayant une paroi périphérique 24a et d'un deuxième tube, dit tube extérieur 23b ayant une paroi périphérique 24b, qui entoure le tube intérieur 23a. Le tube intérieur 23a véhicule du fluide caloporteur 13 et le tube extérieur 23b véhicule un deuxième matériau à changement de phase 30. Comme précédemment, le conduit 11 est posé au fond de la tranchée 20 et les parois périphériques 24a et 24b, respectivement du tube intérieur 23a et du tube extérieur 23b sont de préférence réalisées en un matériau thermiquement bon conducteur. Le fluide caloporteur 13 qui circule dans le tube intérieur 23a échange de l'énergie thermique avec le deuxième matériau à changement de phase 30 qui circule dans le tube extérieur 23b qui lui-même peut échanger de l'énergie thermique avec les matériaux environnants et notamment les matériaux contenus dans la tranchée 20 et le terrain environnant. La tranchée 20 contient des matériaux de remblayage 22 par exemple des pierres 25 ou des gravats 26 dans la zone supérieure ou une masse de remblayage comportant par exemple du gravier et du sable dans la partie inférieure entourant le tube extérieur 23b.

[0024] On pourrait envisager une variante mixte englobant à la fois la forme de réalisation de la figure 2 et celle de la figure 3. Dans ce cas, la tranchée contient au moins un premier matériau à changement de phase 21 à l'état de particules solides, à la température d'utilisation et le tube extérieur 23b contient un second matériau à changement de phase 30, à l'état liquide, au moins pendant le captage de l'énergie thermique.

[0025] Dans ces trois modes de réalisation, les matériaux à changement de phase ont pour but de stocker de l'énergie thermique momentanément pour être en mesure de la restituer au fluide caloporteur 13, à un moment où le besoin en énergie calorifique des dispositifs utilisateurs est détecté.

[0026] Le mode de fonctionnement du dispositif selon la réalisation illustrée par la figure 3 est schématiquement représenté par la figure 4. Le fluide caloporteur 13 du tube intérieur 23a fournit, comme le montre la flèche A1, de l'énergie thermique à une pompe à chaleur 18 et renvoie du fluide caloporteur, comme le montre la flèche A2 dans le tube intérieur 23a. La double flèche A3 illustre les échanges thermiques entre le fluide caloporteur et le deuxième matériau à changement de phase 30 à l'état liquide. La double flèche A4 illustre les échanges d'énergie calorifique avec le terrain environnant.

[0027] Le réseau est pourvu de moyens de détection des besoins en énergie thermique, ces moyens étant notamment basés sur des mesures de température du fluide caloporteur. Selon que l'objectif est de fournir de la chaleur ou du froid, une baisse de température ou une augmentation de température identifient les besoins en calories ou en frigories, ces besoins étant alors comblés par au moins un générateur d'énergie thermique du réseau, qui est complémentaire aux différents „apporteurs“ d'énergie thermique distribués sur le réseau.

[0028] En référence aux figures 5A et 5B, ledit deuxième matériau à changement de phase 30 est incorporé dans des segments longitudinaux 40 constitués de paires de demi-coques 41 et 42 emboîtées, montées à la périphérie du conduit 11. Chaque demi-coque 41 et 42 comporte une enveloppe semi-cylindrique 41a et 42a, réalisées de préférence en un matériau thermiquement bon conducteur et une masse de remplissage 41b et 42b qui est au moins partiellement constituée d'un ou de plusieurs matériaux à changement de phase. Cette masse de remplissage peut assurer un remplissage partiel ou total, son objectif étant à la fois de capter de l'énergie thermique, de la stocker lorsqu'elle n'est pas utilisable immédiatement et de la restituer lorsque le réseau le demande, sollicité par le ou les utilisateurs par l'intermédiaire de capteurs de température, par exemple.

[0029] Le contact direct avec le terrain est assuré, éventuellement par l'intermédiaire de matériaux de remblayage de la tranchée, de sorte que les échanges d'énergie thermiques peuvent être effectués de façon efficace quasiment sans perte. Les objectifs de l'invention sont remplis de manière simple et économique. Diverses variantes pourraient être imaginées par l'homme de l'art, en ce qui concerne la réalisation et la disposition des conduits qui constituent le réseau, mais elles restent incluses dans les caractéristiques définies par les revendications.

Claims

1. Réseau urbain (10) d'échange thermique, comportant au moins une unité (14) de production d'énergie thermique, au moins un dispositif utilisateur (15) d'énergie thermique et au moins un conduit (11) pour véhiculer un fluide caloporteur (13) entre ladite au moins une unité (14) de production d'énergie thermique et ledit au moins un dispositif utilisateur (15) d'énergie thermique, dans lequel ledit dispositif utilisateur est équipé d'un point de soutirage (16) de fluide caloporteur pour en extraire de l'énergie thermique et d'un point d'injection (17) pour réinjecter ledit fluide caloporteur (13) dans ledit réseau, dans lequel ledit au moins un conduit (11) est déposé dans une tranchée (20) ménagée dans le terrain environnant et comblée avec des matériaux de remblayage (22), caractérisé en ce que : ledit au moins un conduit (11) véhiculant ledit fluide caloporteur (13) est au moins indirectement en contact avec un matériau à changement de phase (21, 30), en ce que : ledit réseau comporte des moyens de gestion (14a) pour maintenir la température moyenne dudit fluide caloporteur (13) à une valeur différente de la température moyenne du terrain environnant, et, en ce que : ledit point de soutirage (16) est associé à une pompe à chaleur (18) pour extraire de l'énergie thermique dudit fluide caloporteur pour alimenter ledit dispositif utilisateur (15).

2. Réseau urbain d'échange thermique selon la revendication 1, dans lequel lesdits matériaux de remblayage (22) comprennent au moins un premier matériau à changement de phase (21).

3. Réseau urbain d'échange thermique selon la revendication 2, dans lequel lesdits matériaux de remblayage (22) sont directement en contact avec des parois (24) d'un tube (23) formant ledit au moins un conduit (11) véhiculant ledit fluide caloporteur (13), dans lequel lesdites parois (24) sont thermiquement conductrices.

4. Réseau urbain d'échange thermique selon la revendication 1, dans lequel ledit au moins un conduit (11) pour véhiculer un fluide caloporteur (13) comporte un tube intérieur (23a) disposé à l'intérieur d'un tube extérieur (23b) contenant au moins un deuxième matériau à changement de phase (30) et dans lequel les parois périphériques (24b) du tube extérieur (23b) sont thermiquement conductrices.

5. Réseau urbain d'échange thermique selon les revendications 2 et 4, dans lequel ledit tube extérieur (23b) est placé dans ladite tranchée (20) ménagée dans le terrain environnant et est au moins partiellement noyée dans lesdits matériaux de remblayage (22), ces matériaux de remblayage comprenant au moins ledit premier matériau à changement de phase (21).

6. Réseau urbain d'échange thermique selon les revendications 2 et 4, dans lequel ledit deuxième matériau à changement de phase (30) est différent dudit premier matériau à changement de phase (21).

7. Réseau urbain d'échange thermique selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens de gestion (14a) comportent des capteurs de température et des vannes de contrôle du volume et/ou de la vitesse de circulation du fluide caloporteur pour réguler la température du fluide caloporteur (13) en fonction de la consommation dudit au moins un utilisateur.

8. Réseau urbain d'échange thermique selon la revendication 2, dans lequel ledit premier matériau à changement de phase (21) est un composé de particules solides à la température d'utilisation et inerte par rapport à des matériaux minéraux de remplissage de ladite tranchée.

9. Réseau urbain d'échange thermique, selon la revendication 4, dans lequel ledit deuxième matériau à changement de phase (30) est de l'acide formique.

10. Réseau urbain d'échange thermique, selon la revendication 4, dans lequel ledit deuxième matériau à changement de phase (30) est incorporé dans des segments longitudinaux (40) constitués de paires de demi-coques emboîtées, montées à la périphérie dudit au moins un conduit (11).

11. Réseau urbain d'échange thermique, selon la revendication 10, dans lequel chaque demi-coque de chacune des paires de demi-coques emboîtées comporte une enveloppe semi-cylindrique (41a, 42a) et une masse de remplissage (41 b, 42b) qui est au moins partiellement constituée dudit deuxième matériau à changement de phase (30).