FR2820813A1

FR2820813A1 - Geothermal heat collector has oblique U-tube probes inserted into ground to a depth not exceeding 10 m in a vertical direction

Info

Publication number: FR2820813A1
Application number: FR0102113A
Authority: FR
Inventors: Jacques Bernier
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-02-15
Filing date: 2001-02-15
Publication date: 2002-08-16

Abstract

The heat collector consists of a series of probes (10, 11, 12; 20, 21, 22) in the form of U-shaped tubes inserted obliquely into the ground in pairs and connected to manifold tubes (30, 31) of equivalent length, with a fluid circulating through them. The probes are inserted to a depth of not more than 10 m, measured in a vertical direction, and the tubes can be in one piece, with the manifold tubes connected to a heat pump or other appropriate installation.

Description

La présente invention concerne un capteur géothermique oblique destiné à prélever ou à transmettre de la chaleur dans le sol. Ce capteur pourra servir de source thermique à une pompe à chaleur afin d'assurer le chauffage ou le refroidissement d'un milieu. The present invention relates to an oblique geothermal sensor intended to collect or transmit heat in the ground. This sensor can be used as a heat source for a heat pump to ensure the heating or cooling of an environment.

On connaît déjà des capteurs enterrés géothermiques horizontaux destinés à servir de source froide de pompes à chaleur. Ces systèmes sont de deux types à détente directe d'un frigorigène ou à circulation d'eau glycolée. Ils présentent l'inconvénient majeur de nécessiter une surface très importante de terrain, entre une et deux fois la surface de la maison, ne permettant pas de jouir pleinement de son jardin. There are already known horizontal geothermal buried sensors intended to serve as a cold source for heat pumps. These systems are of two types with direct expansion of a refrigerant or with brine circulation. They have the major drawback of requiring a very large area of land, between once and twice the area of the house, not allowing them to fully enjoy their garden.

On connaît également des systèmes de capteurs géothermiques avec sondes verticales. Ces systèmes présentent l'inconvénient d'être très coûteux à la réalisation ce qui retire de leur intérêt malgré l'excellent rendement de ces systèmes. Les sondes verticales profondes nécessitent également de formuler pour chaque installation, une déclaration ou une autorisation auprès des directions régionales du ministère de l'industrie. Geothermal sensor systems with vertical probes are also known. These systems have the drawback of being very expensive to produce, which removes their interest despite the excellent performance of these systems. Deep vertical probes also require a declaration or authorization for each installation from the regional directorates of the Ministry of Industry.

C'est d'une manière générale un but de l'invention de capteur géothermique oblique à circulation de liquide ne présentant pas les défauts des installations connues. It is generally an object of the invention of an oblique geothermal sensor with liquid circulation which does not have the defects of known installations.

C'est en particulier un but de l'invention de fournir un capteur géothermique oblique comportant plusieurs sondes constituées d'un ou deux tubes en U et installées dans un des trous percés en biais dans le sol et dont la profondeur totale sera inférieure à 10 m du niveau du sol. It is in particular an object of the invention to provide an oblique geothermal sensor comprising several probes consisting of one or two U-shaped tubes and installed in one of the holes drilled at an angle in the ground and whose total depth will be less than 10 m from ground level.

C'est encore un but de l'invention de fournir une installation ou chaque sonde oblique sera prolongée sans raccords jusqu'à un collecteur de départ placé d'un côté et d'un collecteur de retour placé de l'autre côté de telle manière que la longueur des liaisons sera identique pour chacune des sondes, permettant ainsi un excellent équilibrage. It is another object of the invention to provide an installation where each oblique probe will be extended without fittings to a flow collector placed on one side and a return collector placed on the other side in such a way that the length of the connections will be identical for each of the probes, thus allowing excellent balancing.

C'est toujours un but de l'invention de fournir une installation de capteurs géothermiques couplés à une installation de pompe à chaleur comme celle décrite dans le brevet français de Jacques BERNIER N0100261 du 10 janvier 2001 C'est encore un but de l'invention de fournir une installation de sondes géothermiques destinées à servir de rejet thermique de la chaleur de condensation à des installations frigorifiques, en remplacement des condenseurs à air habituels. It is always an object of the invention to provide an installation of geothermal sensors coupled to a heat pump installation such as that described in the French patent of Jacques BERNIER N0100261 of January 10, 2001 It is still an object of the invention to provide an installation of geothermal probes intended to serve as thermal rejection of the heat of condensation in refrigeration installations, replacing the usual air condensers.

L'invention sera bien comprise par la description qui suit faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels : The invention will be better understood from the following description given by way of example and with reference to the appended drawings in which:

* La figure 1 est un schéma d'une installation selon l'invention.

* Figure 1 is a diagram of an installation according to the invention.

* La figure 2 représente une vue en coupe de la figure 1 La figure 3 représente le détail d'une sonde oblique et de sa pose La figure 4 est un exemple de montage d'une installation selon l'invention. * Figure 2 shows a sectional view of Figure 1 Figure 3 shows the detail of an oblique probe and its installation Figure 4 is an example of mounting an installation according to the invention.

Une installation selon l'invention figure 1 comporte plusieurs sondes obliques (10, 11,12,... n, 20,21, 22.... m) installées chacune respectivement dans un trou foré obliquement. Chaque sonde est constituée d'un ou plusieurs tubes en U dont le détail sera analysé plus loin lors de la description de la figure 3. La longueur (L) des sondes sera de 14 mètres par exemple dans le cas d'un enfouissement à 45 , afin que le bas de chaque sonde ne dépasse pas une profondeur (H) de plus de 10 mètres pour éviter une déclaration au ministère de l'industrie. La longueur des sondes pourra cependant être plus grande et l'angle du forage pourra être différent de 450. La profondeur pourra également être supérieure à 10 mètres avec déclaration ou demande d'autorisation conformément à la réglementation. Chaque sonde aura une longueur totale identique et sera pourvue de deux tronçons pour raccordement sur le collecteur de départ (30) et sur celui de retour (31). Chaque sonde et tronçons de raccordement seront constitués d'un tube continu en polyéthylène de diamètre extérieur 20 mm ou plus, la longueur totale des sondes et tronçons de raccordement étant égale à 2 fois (L) plus la longueur des tronçons (18) et (19). Les collecteurs (31) et (32) sont placés de chaque côté du champ de sondes afin que la longueur des raccordements soit identique pour toutes les sondes. Sur le plan du prélèvement énergétique, il sera puisé de l'ordre de 25 W par mètre de sonde. L'espacement (E) entre chaque tête de puits double sera de l'ordre de 5 mètres. Chacun des collecteurs (30) (31) sera placé dans un regard pour permettre l'accès aux raccordements. Les tronçons de raccordement de chaque sonde de type (18,19) comme précisé pour la sonde (12), seront installés en tranchée à une profondeur de l'ordre de 60 cm. Il n'est pas nécessaire de prévoir des regards à chaque tête de puits car les seuls raccordements sont au niveau des collecteurs (30,31). Le collecteur (30) sera de préférence placé au niveau de la première tête de puits double et le collecteur (31) au niveau de la dernière tête de puits. La figure 1 représente un capteur oblique à 6 sondes et 3 têtes de puits double correspondant à une captation d'énergie de 3 kW, la distance entre les deux regards de collecteurs est de l'ordre de10 mètres. Pour un ensemble de capteurs obliques prélevant 6 kW en terre, le An installation according to the invention in FIG. 1 comprises several oblique probes (10, 11,12, ... n, 20,21, 22 .... m) each installed respectively in a hole drilled obliquely. Each probe consists of one or more U-shaped tubes, the details of which will be analyzed later in the description of Figure 3. The length (L) of the probes will be 14 meters, for example in the case of burial at 45 , so that the bottom of each probe does not exceed a depth (H) of more than 10 meters to avoid a declaration to the Ministry of Industry. The length of the probes may however be greater and the angle of the drilling may be different from 450. The depth may also be greater than 10 meters with declaration or request for authorization in accordance with regulations. Each probe will have an identical total length and will be provided with two sections for connection to the flow collector (30) and the return collector (31). Each probe and connecting sections will consist of a continuous polyethylene tube with an outside diameter of 20 mm or more, the total length of the probes and connecting sections being equal to 2 times (L) plus the length of the sections (18) and ( 19). The collectors (31) and (32) are placed on each side of the field of probes so that the length of the connections is identical for all the probes. In terms of energy sampling, it will be drawn on the order of 25 W per meter of probe. The spacing (E) between each double wellhead will be of the order of 5 meters. Each of the collectors (30) (31) will be placed in a manhole to allow access to the connections. The connecting sections of each type probe (18,19) as specified for the probe (12), will be installed in a trench at a depth of around 60 cm. It is not necessary to provide manholes at each well head because the only connections are at the collectors (30,31). The collector (30) will preferably be placed at the level of the first double wellhead and the collector (31) at the level of the last wellhead. Figure 1 shows an oblique sensor with 6 probes and 3 double well heads corresponding to an energy capture of 3 kW, the distance between the two manholes is of the order of 10 meters. For a set of oblique sensors taking 6 kW of soil, the

nombre de sondes sera de 12 au lieu de 6 et la distance entre les deux regards d'extrémité sera alors de 25 m. Les collecteurs seront reliés à l'utilisation par les tuyauteries (32,33) également en polyéthylène. number of probes will be 12 instead of 6 and the distance between the two end manholes will then be 25 m. The collectors will be connected to the use by the pipes (32,33) also in polyethylene.

La figure 2 représente une vue en coupe de l'un des puits double où l'on aperçoit les deux sondes (10,20) placées chacune dans un forage. Le raccordement aux collecteurs s'effectue par les tronçons (15,16) et (25,26) respectivement des sondes (10) et (20). La figure 2 présente la tranchée (35) nécessaire au passage des raccordements aux collecteurs. Un grillage ou bande avertisseur (34) sera placé au dessus de ces tubes. Figure 2 shows a sectional view of one of the double wells where we can see the two probes (10,20) each placed in a borehole. The connection to the collectors is made by the sections (15,16) and (25,26) of the probes (10) and (20) respectively. FIG. 2 shows the trench (35) necessary for the passage of the connections to the collectors. A mesh or warning tape (34) will be placed above these tubes.

La figure 3 représente le détail de l'une des sondes obliques lors de la pose. Un trou (60) de diamètre de l'ordre de 100 mm est foré à 450 sur une longueur de 14 mètres. La sonde est constituée de deux tubes (62,64) soudés à en U (63) ou tout simplement un seul tube coudé à chaud en U. La sonde se prolonge d'un côté par le tube (65) et de l'autre côté par le tube (66) qui permettront le raccordement aux collecteurs (30,31) de la figure 1. Les tubes (62,63, 64,65, 66) sont en continuité et peuvent être constitués d'un tube unique en polyéthylène de diamètre extérieur 20 mm épaisseur 2 mm. Pour l'introduction de la sonde dans le trou (60), il est fait appel à une perche (67) de longueur totale suffisante et comportant un U (68) en partie basse permettant de pousser le coude (63) dans le fond du trou (60). La perche (68) sera de préférence rigide et constituée de plusieurs parties fixées entre elles par un système de type télescopique de préférence. Pour faciliter la pose de la sonde il sera possible de la remplir d'eau ou de liquide antigel afin de la rendre plus lourde. Dans la tranchée (61), la deuxième sonde oblique opposée n'a pas été représentée sur la figure par souci de clarté. De même le trou (60) pourra contenir plusieurs sondes (62,63, 64,65, 66). Le diamètre des tubes de sondes pourra être de 25mm ou 32 mm ou plus selon les disponibilités du marché. Figure 3 shows the detail of one of the oblique probes during installation. A hole (60) with a diameter of around 100 mm is drilled at 450 over a length of 14 meters. The probe consists of two tubes (62,64) welded to a U-shape (63) or simply a single hot-bent U-shaped tube. The probe is extended on one side by the tube (65) and on the other side by the tube (66) which will allow the connection to the collectors (30,31) of figure 1. The tubes (62,63, 64,65, 66) are in continuity and can consist of a single polyethylene tube external diameter 20 mm thickness 2 mm. For the introduction of the probe into the hole (60), use is made of a pole (67) of sufficient total length and comprising a U (68) at the bottom allowing the elbow (63) to be pushed into the bottom of the hole (60). The pole (68) will preferably be rigid and made up of several parts fixed to each other by a telescopic type system preferably. To facilitate the installation of the probe, it will be possible to fill it with water or anti-freeze liquid in order to make it heavier. In the trench (61), the second opposite oblique probe has not been shown in the figure for the sake of clarity. Similarly, the hole (60) may contain several probes (62,63, 64,65, 66). The diameter of the probe tubes may be 25mm or 32mm or more depending on market availability.

La figure 4 est un exemple de circuit hydraulique utilisable avec l'invention de la figure
1 et permettant pour une pompe à chaleur eau/eau de faire circuler en été l'eau de la source froide directement dans le circuit de la source chaude afin d'assurer le rafraîchissement sans mettre en service la pompe à chaleur. En hiver le retour de l'eau de chauffage (RPC) passe par la tuyauterie (43) pour pénétrer ensuite par la tuyauterie (46) dans le condenseur (52) de la pompe à chaleur. L'eau chauffée passe ensuite par la tuyauterie (40) vers un réchauffeur éventuel (41) pour être envoyée grâce au circulateur (42) dans le circuit de chauffage (DPC). Parallèlement, un Figure 4 is an example of a hydraulic circuit usable with the invention of Figure
1 and allowing for a water / water heat pump to circulate the water from the cold source directly in the hot spring circuit in summer in order to ensure cooling without putting the heat pump into service. In winter the return of the heating water (RPC) passes through the piping (43) to then penetrate through the piping (46) into the condenser (52) of the heat pump. The heated water then passes through the piping (40) to a possible heater (41) to be sent through the circulator (42) in the heating circuit (DPC). At the same time, a

circulateur (49) fait circuler l'eau de la source froide entre les capteurs géothermiques et l'échangeur (58) en passant par les tuyauteries (32), (33) et (47). La vanne trois voies (45) est ouverte sur la position (C) et fermée sur la position (F). En fonctionnement été, la pompe à chaleur est mise à l'arrêt et la circulation des deux sources est mélangée en cas de besoin de rafraîchissement, en effet la source froide se trouvant à une température de l'ordre de 15 C peut être utilisée directement pour assurer le rafraîchissement. La vanne trois voies (45) est alors en position (F) ouvert et (C) fermé. L'eau de retour intérieure passe par (43) puis par (48), est pulsée vers la source froide par le circulateur (49), revient en (33), passe par (52) puis est aspirée dans la tuyauterie (40) par le circulateur (42) qui la distribue ensuite aux besoins. circulator (49) circulates the water from the cold source between the geothermal collectors and the exchanger (58) through the pipes (32), (33) and (47). The three-way valve (45) is open in position (C) and closed in position (F). In summer operation, the heat pump is stopped and the circulation of the two sources is mixed in case of need of cooling, in fact the cold source being at a temperature of the order of 15 C can be used directly to provide refreshment. The three-way valve (45) is then in position (F) open and (C) closed. The internal return water passes through (43) then through (48), is pulsed towards the cold source by the circulator (49), returns to (33), passes through (52) then is sucked into the piping (40) by the circulator (42) which then distributes it as required.

Une application particulièrement intéressante de l'invention est son utilisation dans les pompes à chaleur de type eau/eau ou eau glycolée/eau destinées à l'habitat individuel afin d'assurer le chauffage et la production d'eau chaude sanitaire. A particularly advantageous application of the invention is its use in heat pumps of the water / water or brine / water type intended for individual housing in order to provide heating and the production of domestic hot water.

Une autre application intéressante de l'invention est en sonde de rejet thermique de tout système ou process industriel tels installations frigorifiques, machines à injecter le plastique, groupes électrogènes etc.. Another interesting application of the invention is in thermal rejection probe of any industrial system or process such as refrigeration installations, machines for injecting plastic, generator sets, etc.

D'une manière générale et non limitative, l'invention s'applique dans tous systèmes de transfert énergétique avec le sol. L'invention peut également être utilisée dans des systèmes de chauffage et assurer la production gratuite d'eau glacée en été.In general and without limitation, the invention applies in all energy transfer systems with the ground. The invention can also be used in heating systems and ensure the free production of chilled water in summer.

Claims

CLAIMS 1. Installation comprising oblique geothermal sensors with liquid circulation characterized in that the two connecting sections of the probes (10, 11, 12 ... n, 20, 21, 22 ... m) to the collectors (30, 31) have an equivalent total length.

2. Installation according to claim 1 characterized in that the vertical distance between the ground surface and the bottom of each probe is less than or equal to 10 meters.

3. Installation according to claim 1 characterized in that the tubes (62, 63, 64, 65, 66) are in continuity and can consist of a single polyethylene tube.

4. Installation according to claim 3 characterized in that the U (63) is welded to the tubes (62, 64) or is produced by hot bending.

5. Installation according to claim 1 characterized in that the wellbore heads can include at least two sets of probes.

6. Installation according to claim 1 characterized in that the two collectors (30, 31) are placed on each side of the field of geothermal probes

7. Installation according to claim 1 characterized in that each oblique hole can receive one or more probes.

8. Installation according to claim 1 characterized in that the geothermal probes are connected by the tubes (32, 33) to a heat pump installation or to any type of system rejecting heat.

9. Installation according to claim 1 characterized in that the tubes (62, 63, 64, 65, 66) are threaded into the borehole using a pole (67), comprising at the bottom a U-shaped device ( 68) allowing the elbow (63) to be pushed into the bottom of the hole (60).

10. Installation according to claim 9 characterized in that the pole (67) is preferably rigid and consists of several parts preferably fixed to each other by a telescopic type system.