FR2665945A1 - Dispositif d'emmagasinage de froid. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif d'emmagasinage de froid dans un liquide accumulateur de froid tel que l'eau, dans une enceinte de stockage. L'enceinte de stockage (8) est composée de plusieurs réservoirs juxtaposés, définis de préférence par des cloisons verticales dans une enceinte à extension horizontale. Les réservoirs (1 à 7) sont raccordés individuellement à un circuit caloporteur ayant un échangeur thermique (13) couplé à une machine frigorifique et un échangeur thermique (14) couplé à un dispositif utilisateur de froid. Pour l'emmagasinage de froid, l'eau "chaude" d'un réservoir (3) est transféré vers un autre réservoir (2) à travers l'échangeur (13) qui la refroidit. Quand le réservoir (3) est vide, on le remplit d'eau prélevée à un autre réservoir et refroidie, et ainsi de suite. La restitution du froid à travers l'autre échangeur (14) s'effectue de manière similaire. Applications à l'emmagasinage de froid pour la climatisation ou les équipements réfrigérés, notamment dans les locaux commerciaux et les magasins.

Description

DISPOSITIF D'EMMAGASINAGE DE FROID
La présente invention concerne un dispositif d'emmagasinage de froid dans un liquide accumulateur de froid, notamment dans de 1' eau, comportant au moins un premier échangeur thermique couplé à une machine frigorifique, au moins un second échangeur thermique couplé à un dispositif utilisateur de froid, un collecteur dit chaud, reliant une sortie du second échangeur à une entrée du premier échangeur, un collecteur dit froid, reliant une sortie du premier échangeur à une entrée du second échangeur, des moyens de pompage agencés pour faire circuler le liquide dans les collecteurs et les échangeurs, et au moins une enceinte de stockage de liquide qui est raccordée aux deux collecteurs.

Les besoins en froid des installations de climatisation des bâtiments sont variables au cours du temps et en fonction des conditions extérieures. En particulier, ils présentent des pointes prononcées durant l'après-midi des journées chaudes . Afin de réduire la puissance électrique nécessaire pour couvrir ces pointes, il est connu d' emmagasiner du froid par extraction de chaleur d' un fluide caloporteur stocké dans une enceinte thermiquement isolée, puis de restituer ce froid par circulation du liquide dans un dispositif utilisateur tel qu' un échangeur thermique. D'une part on bénéficie ainsi d'une prix de 1' énergie électrique plus bas la nuit, et d'autre part on réduit la puissance électrique maximale de la machine frigorifique.

Pour des applications de ce genre, un dispositif connu d' emmagasinage de froid dans un liquide, sans congélation ni évaporation, utilise une masse d'eau dont il fait varier la température entre deux niveaux prédéterminés, par exemple un niveau "chaud" proche de la température ambiante, de l'ordre de 200 C, et un niveau "froid" qui peut être par exemple de 100C ou moins et qui correspond à une réserve d'énergie frigorifique. En principe, le dispositif utilise un seul réservoir de stockage, allongé verticalement, le haut du réservoir étant raccordé au collecteur chaud et le bas au collecteur froid.Le réservoir est toujours plein et 1' eau qu'il contient, maintenue très calme afin d'éviter un mélange, est subdivisée en un volume variable d'eau chaude dans sa partie supérieure et un volume complémentaire d' eau froide dans sa partie inférieure, ces deux volumes étant séparés par une couche tampon d'eau tempérée présentant un gradient vertical de température. Pendant la nuit, on prélève de 1' eau chaude dans le réservoir, on la refroidit dans le premier échangeur et on la réinjecte au bas du réservoir, de sorte que la couche tampon monte. Pendant la journée, on prélève de lreau froide au bas du réservoir et cette eau est réchauffée dans le second échangeur avant d'être réinjectée en haut du réservoir, de sorte que la couche tampon redescend.Ce dispositif présente différents inconvénients constructifs et fonctionnels. Malgré les efforts faits pour tranquilliser l'eau, on ne peut éviter un certain mélange de 1' eau froide avec 1' eau chaude, d' autant plus qu' elles ne présentent qu'une faible différence de température, donc de poids spécifique. Les pertes d' énergie par conduction à travers la couche tampon sont aussi significatives. D'autre part, ce type de dispositif ne fonctionne efficacement que si le réservoir est relativement étroit et haut, sinon 1' effet négatif de la couche tampon réduit excessivement le rendement du système. Il en résulte d'évidentes contraintes constructives au point de vue de l' encombrement, de la pression hydrostatique, des fondations et du coût de construction.

En particulier dans des bâtiments climatisés tels que les grands magasins, il est très rare de pouvoir loger un réservoir vertical d'un volume pouvant atteindre ou dépasser 1 000 m3, aussi bien en zone urbaine que dans un centre d'achats périphérique.

La présente invention a pour but de créer un dispositif permettant d' éviter substantiellement les inconvénients mentionnés ci-dessus et permettant en particulier d'utiliser une enceinte de stockage de liquide qui est allongée horizontalement au lieu de verticalement, et ceci en minimisant les pertes thermiques dans cette enceinte.

Dans ce but, l'invention concerne un dispositif du type indiqué plus haut, caractérisé en ce que l'enceinte de stockage comprend plusieurs réservoirs thermiquement isolés qui sont raccordés individuellement aux deux collecteurs au moyen de vannes respectives commandant le remplissage et le vidage des réservoirs, de manière à permettre sélectivement un transfert de liquide d'un réservoir à un autre à travers le premier ou le second échangeur.

Les réservoirs peuvent avoir des capacités égales. De préférence, l'enceinte de stockage comprend n réservoirs et contient un volume de liquide sensiblement égal à (n-l) fois la capacité d'un réservoir.

L'enceinte de stockage comprend de préférence au moins six réservoirs.

Dans une forme de réalisation préférée, les réservoirs sont placés sensiblement au même niveau. L'enceinte de stockage peut s'étendre horizontalement et être formée par une enveloppe périphérique thermiquement isolée, dans laquelle les réservoirs sont adjacents et sont définis par des cloisons verticales étanches. Ladite enveloppe périphérique et lesdites cloisons peuvent avantageusement avoir une structure en béton armé ou précontraint.

Dans une forme de réalisation avantageuse, chaque réservoir est raccordé au collecteur chaud au moyen d' une première conduite pourvue d' une vanne d' arrêt et au collecteur froid au moyen d' une seconde conduite pourvue d'une vanne d'arrêt.

Dans une autre forme de réalisation, chaque réservoir est raccordé à une vanne à trois voies, raccordée elle-même au collecteur chaud et au collecteur froid.

L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'un exemple de réalisation, donnée à titre non limitatif et en référence aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 représente schématiquement un dispositif d' emmagasinage de froid selon l'invention, comportant une enceinte de stockage d'eau qui se compose d'une rangée de sept réservoirs, les figures 2A à 2C sont des schémas illustrant le fonctionnement de ce dispositif pendant la nuit, pour emmagasiner du froid, les figures 3A à 3C sont des schémas illustrant le fonctionnement du dispositif pendant la journée, pour fournir du froid à un utilisateur, et la figure 4 est un schéma illustrant un mode de fonctionnement mixte du dispositif.

Le dispositif représenté à la figure 1 comporte une rangée de sept réservoirs juxtaposés et de capacités identiques, qui portent les numéro 1 à 7 et qui constituent ensemble une enceinte de stockage 8 pour un volume d' eau correspondant à la capacité de 1' ensemble des réservoirs sauf un, c'est-à-dire de six des réservoirs 1 à 7. Dans les dessins, l' eau stockée est représentée par des hachures. Chaque réservoir est pourvu d'une ouverture supérieure (non représentée) laissant passer l'air quand le réservoir se vide ou se remplit. I1 comporte également un dispositif de contrôle 9 raccordé électriquement à une unité de commande 11 et comprenant, par exemple, une sonde de niveau et des interrupteurs à flotteur définissant les niveaux limites de l'eau dans chaque réservoir. Pour clarifier le dessin, les liaisons électriques entre l'unité de commande et les différents organes du dispositif ne sont pas représentées.

L'enceinte 8 est raccordée à un circuit d'eau 12 de type bien connu, dans lequel liteau sert de liquide caloporteur entre une machine frigorifique non représentée et des appareils utilisateurs non représentés, qui peuvent comprendre notamment une installation de climatisation d'un bâtiment, des vitrines réfrigérées dans un magasin, des chambres froides pour le stockage de produits alimentaires ou pharmaceutiques etc.Dans sa forme la plus simple représentée ici, le circuit 12 comporte un premier échangeur thermique 13 couplé à une ou plusieurs machines frigorifiques, un second échangeur thermique 14 couplé à un ou plusieurs utilisateurs de froid, un premier collecteur 15 reliant une sortie 16 de l'échangeur 14 à une entrée 17 de l'échangeur 13, et un second collecteur 18 reliant une sortie 19 de l'échangeur 13 à une entrée 21 de l'échangeur 14. Le collecteur 15, appelé par commodité collecteur chaud, est équipé d'une pompe de circulation 22 et d'une vanne d'arrêt 23 et peut laisser passer de 1' échangeur 14 à l'échangeur 13, 1' eau dite chaude, sortant de 1' échangeur 14 à une température proche de la température ambiante.

De même, le collecteur 18 est appelé collecteur froid; il est équipé d' une pompe de circulation 24 et d'une vanne d'arrêt 25 et peut laisser passer l'eau réfrigérée dans l'échangeur 13 en direction de l'échangeur 14. Ainsi, dans certains cas, l'eau peut se déplacer en circuit fermé à travers les échangeurs 13 et 14 et les collecteurs 15 et 18 au moyen des pompes 22 ou 24, pour transférer l'énergie frigorifique sans passer par l'enceinte de stockage 8.

Chaque réservoir 1 à 7 est raccordé au collecteur chaud 15 par une conduite munie d'une vanne 26, et au collecteur froid 18 par une conduite munie d'une vanne 27. Toutes les vannes 26 et 27 sont télécommandées par l'unité de commande 11, de préférence suivant des programmes pré-établis pour les différents modes de fonctionnement et à l'aide de réglages automatiques prenant en compte les températures voulues et effectives dans les appareils utilisateurs de froid.

Les vannes 26 et 27 sont des vannes d'arrêt. On notera que chaque paire de vannes 26, 27 d' un réservoir pourrait être remplacée par une seule vanne à trois voies, capable de mettre le réservoir sélectivement en communication avec le collecteur chaud 15, le collecteur froid 18 ou aucun des deux collecteurs. I1 n' y aurait alors qu' une conduite de raccordement à chaque réservoir.

Le fonctionnement du dispositif d'emmagasinage de froid sera décrit ci-dessous en supposant des températures de 200C pour 1' eau chaude et 100C pour l'eau froide, températures que l'on a indiqué en regard des réservoirs contenant de l'eau et en regard des entrées et sorties des échangeurs en fonction. La circulation de 1' eau dans les conduites est indiquée par un trait gras et par des flèches correspondant au sens de circulation. La figure 1 représente un état de départ où il n'y a pas de stockage de froid dans le dispositif, par exemple si celui-ci a été arrêté pour une assez longue durée. Le réservoir 1 est vide et les réservoirs 2 à 7 contiennent de l'eau à environ 200 C, dite eau chaude.

Les figures 2A à 2C représentent un mode de fonctionnement typique de nuit, où l'on refroidit à 100C une partie ou la totalité de l'eau de l' enceinte de stockage 8 pour emmagasiner du froid. La vanne 25, la vanne 27 du réservoir 1 et la vanne 26 du réservoir 2 sont ouvertes, tandis que toutes les autres vannes sont fermées. La pompe 22 est mise en action, ainsi que la machine frigorifique couplée à l'échangeur 13, de sorte que l'eau chaude du réservoir 2 passe dans l'échangeur 13 et, ainsi refroidie à 100C, remplit le réservoir 1.

Quand le réservoir 2 est vide, l'unité de commande 11 ouvre automatiquement les vannes respectives 27 et 26 des réservoirs 2 et 3 et ferme les vannes correspondantes des réservoirs 1 et 2, pour établir la circulation illustrée par la figure 2B où le réservoir 3 se vide dans le réservoir 2, qui sera à son tour rempli d'eau froide. Ce stockage de froid peut être interrompu à n' importe quel moment, si l'on ne désire pas utiliser la pleine capacité du dispositif. Dans le cas contraire, l'opération se poursuit jusqu'à l'état représenté à la figure 2C où le réservoir 7 achève de se vider dans le réservoir 6, si bien que toute l'eau stockée dans l'enceinte 8 est froide.

Les figures 3A à 3C illustrent un mode de fonctionnement typique de jour, où les utilisateurs ont besoin de froid et consomment 1' énergie frigorifique emmagasinée dans l' enceinte 8 afin d' éviter de consommer de l'énergie électrique à ce moment là. Comme décrit ci-dessus, les vannes sont télécommandées automatiquement par l' unité de commande 11. La vanne 23 est ouverte, la vanne 25 est fermée et c'est la pompe 24 qui assure la circulation de l'eau dans l'échangeur 14. Dans la situation représentée ici, le stade initial de ce mode de fonctionnement consiste à prélever 1' eau froide dans le réservoir 6 et, après réchauffement, à la stockéer dans le réservoir 7.La pompe 24 peut être à débit variable, le débit étant réglé de manière à maintenir, dans l'échangeur 14, certaines températures influencées par la puissance consommée. La commutation d'un réservoir au suivant s' opère comme précédemment chaque fois qu' un réservoir est vide, par exemple jusqu'à l'état illustré par la figure 3B, dans lequel on n' a utilisé qu'une partie de l'eau froide et où l'on peut, le cas échéant, recommencer à emmagasiner du froid. Si on contraire on continue d'utiliser l'eau froide, on atteint le stade illustré par la figure 3C, où l'on utilise le reste d'eau froide du le réservoir 1 et l'on retrouve pratiquement ltétat de départ de la figure 1.

La figure 4 montre un état de fonctionnement mixte, dans lequel les utilisateurs consomment du froid provenant à la fois de l' enceinte de stockage 8 et de la machine frigorifique à travers l'échangeur 13. Les deux vannes 23 et 25 sont ouvertes et les deux pompes 22 et 24 fonctionnent, mais la pompe 24 débite plus d'eau que la pompe 22, la différence étant prélevée sur le réservoir 3 et renvoyée dans le réservoir 4 après réchauffement dans l'échangeur 14. Ce mode de fonctionnement permet de livrer aux utilisateurs une puissance frigorifique supérieure à celle de la machine frigorifique, par exemple pendant des périodes très chaudes.Suivant le même principe, à des moments où les utilisateurs de froid consomment peu, on peut faire fonctionner la pompe 24 à un débit inférieur à celui de la pompe 22 et stocker ainsi du froid dans l' enceinte 8, par exemple en prélevant de l'eau dans le réservoir 4 et en la renvoyant refroidie dans le réservoir 3.

Il faut noter que le transfert de l' eau d'un réservoir ne se fait pas obligatoirement vers le réservoir adjacent, mais peut au contraire être sélectionné à volonté en fonction de circonstances particulières telles que la mise hors service temporaire d'un réservoir ou d'une vanne pour contrôle ou réparation. Si un réservoir doit être vidé temporairement, l'exploitation peut se poursuivre sans difficulté avec un volume d'eau réduit d'un sixième.

Sur le plan fonctionnel, le dispositif décrit ci-dessus a deux avantages principaux par rapport au dispositif à réservoir vertical mentionné plus haut. D'une part il permet d'éviter tout contact ou mélange entre 1' eau chaude et l' eau froide, donc les pertes thermiques qui en résulteraient. D'autre part, la totalité de l'eau stockée peut être utilisée pour le refroidissement pendant la journée.

Par ailleurs, rien ne s'oppose, le cas échéant, à une modification des températures de stockage de l'eau froide et de l' eau chaude, par exemple si l'on veut augmenter l'écart de température afin d'augmenter la quantité d'énergie stockée sans investissements supplémentaires en machines. Un autre avantage est la possibilité de travailler avec une partie seulement du stock d'eau, c' est-à-dire avec quelques uns des réservoirs, pendant la saison où la consommation de froid est réduite.

Sur le plan constructif, le dispositif selon l'invention présente également des avantages très importants par rapport à un dispositif à réservoir vertical. Les divers réservoirs 1 à 7 peuvent avoir n' importe quelle forme et peuvent être répartis à volonté dans 1' espace disponible, sous une forme groupée ou non. Les réservoirs peuvent être relativement peu profonds, si bien qu'ils ne supportent pas de fortes pressions et qu'ils ne représentent pas de fortes charges concentrées à transmettre dans des fondations. Bien que le volume total de l' enceinte 8 soit supérieur au volume de l'eau stockée, à savoir d'un sixième dans l'exemple décrit ci-dessus, il n est pas supérieur à celui d'un réservoir vertical équivalent, car dans ce dernier l'eau de la zone tampon est inutilisable, ce qui réduit aussi d'environ un sixième la capacité utile du réservoir.Avec un dispositif selon l'invention, on peut réduire encore cette proportion en multipliant s'il le faut le nombre de réservoirs. En pratique, l' enceinte 8 peut facilement être réalisée sous la forme d' un ouvrage allongé horizontalement, par exemple en béton armé, et subdivisé en sept réservoirs par des cloisons transversales étanches ayant une surface relativement faible, donc transmettant relativement peu de chaleur et subissant des contraintes mécaniques peu importantes. La forme basse de l'enceinte 8 est spécialement avantageuse pour sa réalisation sous une forme enterrée, à l' abri du rayonnement solaire ou de la chaleur du bâtiment qu'elle dessert, ce qui n' est généralement pas possible avec un réservoir vertical.

La présente invention n' est pas limitée aux exemples de réalisation mentionnés ci-dessus, mais elle s'étend à toute modification ou variante évidente pour un homme du métier. On peut notamment prévoir de placer les réservoirs à différents niveaux échelonnés, afin de tirer profit de la gravité pour réduire l'énergie consommée par la pompe 24 pendant la journée. D'autre part, il va de soi qu'un dispositif selon l'invention peut fonctionner avec un autre liquide que l'eau et notamment avec un liquide ou un mélange utilisable à une température inférieure à OOC.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'emmagasinage de froid dans un liquide accumulateur de froid, notamment dans de liteau, comportant au moins un premier échangeur thermique (13) couplé à une machine frigorifique, au moins un second échangeur thermique (14) couplé à un dispositif utilisateur de froid, un collecteur dit chaud (15), reliant une sortie du second échangeur à une entrée du premier échangeur, un collecteur dit froid(18), reliant une sortie du premier échangeur à une entrée du second échangeur, des moyens de pompage agencés pour faire circuler le liquide dans les collecteurs et les échangeurs, et au moins une enceinte (8) de stockage de liquide qui est raccordée aux deux collecteurs, caractérisé en ce que l'enceinte de stockage (8) comprend plusieurs réservoirs thermiquement isolés (1-7) qui sont raccordés individuellement aux deux collecteurs (15, 18) au moyen de vannes respectives commandant le remplissage et le vidage des réservoirs, de manière à permettre sélectivement un transfert de liquide d'un réservoir à un autre à travers le premier ou le second échangeur (13, 14).

2.Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les réservoirs (1 - 7) ont des capacités égales.

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'enceinte de stockage (8) comprend n réservoirs et contient un volume de liquide sensiblement égal à (n-l) fois la capacité d'un réservoir (17).

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'enceinte de stockage (8) comprend au moins six réservoirs.

5. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les réservoirs (1-7) sont placés sensiblement au même niveau.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que 1' enceinte de stockage (8) s' étend horizontalement et est formée par une enveloppe périphérique thermiquement isolée, dans laquelle les réservoirs sont adjacents et sont définis par des cloisons verticales étanches.

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite enveloppe périphérique et lesdites cloisons ont une structure en béton armé ou précontraint.

8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque réservoir (1-7) est raccordé au collecteur chaud (15) au moyen d'une première conduite pourvue d'une vanne d'arrêt (26) et au collecteur froid (18) au moyen d'une seconde conduite pourvue d'une vanne d'arrêt (27).

9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque réservoir (1-7) est raccordé à une vanne à trois voies, raccordée elle-même au collecteur chaud (15) et au collecteur froid (18).