FR3017694A1

FR3017694A1 - Dispositif de stockage et de restitution d'energie thermique

Info

Publication number: FR3017694A1
Application number: FR1400425A
Authority: FR
Inventors: Bernard Amrhein
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-02-17
Filing date: 2014-02-17
Publication date: 2015-08-21
Also published as: FR3017699A1; FR3017699B1; EP3108196A1; WO2015121743A1

Description

DISPOSITIF DE STOCKAGE ET DE RESTITUTION D'ÉNERGIE THERMIQUE L'invention concerne un dispositif de stockage permettant de stocker de l'énergie thermique provenant par 5 exemple de panneaux solaires thermiques et de restituer cette énergie ultérieurement en vue de chauffer de l'eau sanitaire, des radiateurs, un plancher chauffant, un plafond chauffant, etc. L'invention a également trait à un procédé de stockage et de restitution d'énergie thermique utilisant 10 le dispositif précité ainsi qu'à des échangeurs thermiques. Arrière-plan de l'invention Le brevet américain n° 4 467 958 a pour objet un système de chauffage solaire utilisant une solution aqueuse 15 de soude. Le chauffage de cette solution évapore l'eau et concentre la solution, stockant ainsi de l'énergie, car le processus de concentration est endothermique. Pour récupérer ensuite l'énergie thermique stockée, on dilue la solution de soude. Le processus de dilution étant exothermique, il y a 20 libération d'énergie thermique. Ce système a l'inconvénient majeur d'être complexe et de faire appel à un nombre élevé d'éléments : un bouilleur, un condenseur, trois réservoirs, un absorbeur, un évaporateur ainsi que des pompes pour faire circuler les 25 fluides, une électronique associée pour commander l'ensemble, etc. Exposé sommaire de l'invention Le but majeur de l'invention est de proposer un 30 dispositif de stockage et de restitution d'énergie thermique qui soit notamment plus simple, plus performant, moins coûteux, plus facile à produire, à installer et à faire fonctionner que le système de chauffage précité.

Selon l'invention, ce but est atteint au moyen d'un dispositif comprenant : - un premier fluide qui est un fluide caloporteur ; - un second fluide ; - un produit chimique soluble dans le second fluide et dont la dilution dans ce dernier est exothermique ; - un échangeur thermique comportant une entrée et une sortie pour le premier fluide ainsi qu'une entrée et une sortie pour le second fluide et permettant un échange thermique 10 entre ces fluides ; - une cuve de second fluide reliée à l'échangeur thermique et comportant une entrée et une sortie pour le second fluide ; ce dispositif ayant ceci de particulier que l'entrée et la 15 sortie de second fluide de l'échangeur thermique sont confondues en un seul orifice. Cette surprenante particularité traduit le fait que le second fluide ne peut circuler à travers l'orifice unique qu'à l'état gazeux et donc sans entraîner le produit 20 chimique. L'invention concerne également un procédé de stockage et de restitution d'énergie thermique, un échangeur thermique haute température comprenant au moins un tube équipé d'un brasseur et un échangeur thermique basse 25 température comprenant deux tubes concentriques, à savoir, un tube extérieur et un tube central, ce dernier étant percé de trous répartis le long de son axe longitudinal. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention vont maintenant être décrits en détail dans l'exposé 30 suivant qui est donné en référence aux figures annexées, lesquelles représentent schématiquement : - figure 1 : un dispositif selon l'invention ; - figure 2 : une coupe d'un tube d'un premier échangeur selon l'invention ; - figure 3 : une coupe d'un échangeur selon l'invention ; - figure 4 : une illustration du fonctionnement du dispositif selon l'invention, en phase de stockage d'énergie ; - figure 5 : une illustration du fonctionnement du dispositif selon l'invention, en phase de déstockage d'énergie ; et - figure 6 : un exemple d'utilisation du dispositif selon l'invention. Exposé détaillé de l'invention Dispositif selon l'invention Sur la figure 1 est représenté un dispositif de stockage et de restitution d'énergie thermique selon l'invention. Ce dispositif comprend un échangeur thermique 1 comportant une entrée 3 et une sortie 2.

La sortie 2 est connectée à une vanne à quatre voies 8 qui peut la mettre en communication fluidique : - soit avec une source d'énergie thermique 27 qui peut être un panneau solaire thermique, un circuit de refroidissement d'un moteur, ou toute autre source d'énergie thermique, via un raccord 31 et une entrée 4 de la source d'énergie thermique; - soit avec une conduite d'entrée 6 d'un récepteur d'énergie thermique 28 qui peut être une installation de chauffage d'eau sanitaire, des radiateurs, un plancher chauffant, etc., via une vanne à quatre voies 8 ; dans ce cas, la vanne à quatre voies 8 met également en communication fluidique la conduite de sortie 7 du récepteur d'énergie avec le raccord 31. L'entrée 3 de l'échangeur thermique 1 est en communication fluidique à la fois avec une sortie 5 de la 5 source d'énergie thermique et avec une vanne à trois voies 9 située entre l'entrée 4 de la source d'énergie thermique et le raccord 31. Cette vanne à trois voies 9 est configurée pour permettre soit une communication entre le raccord 31 et l'entrée 3, soit une communication entre le raccord 31 et 10 l'entrée 4 de la source d'énergie thermique 27. Selon l'invention, le premier fluide est un fluide caloporteur, c'est-à-dire une substance ou un mélange de substances se trouvant à l'état fluide, liquide ou gazeux, généralement entre -50 et +150°C, c'est-à-dire dans une 15 plage de températures englobant celles que peuvent connaître la source d'énergie thermique et l'échangeur thermique. Le second fluide, peut être composé d'une seule substance ou d'un mélange de substances, ce peut être par exemple de l'eau, de l'éthanol, de l'acétone ou de l'acide 20 acétique. Il présente généralement les propriétés suivantes : - il doit être capable de passer de l'état liquide à l'état gazeux dans les conditions de travail prévues pour le dispositif selon l'invention, c'est-à-dire 25 que sa température d'ébullition doit généralement être comprise entre -50 et 150°C ; - à l'état liquide, il doit être capable de dissoudre le produit chimique. Ce produit chimique est préférentiellement très soluble 30 dans le second fluide, sa dilution dans ce fluide doit être exothermique et donc sa concentration endothermique. Sa dissolution, c'est-à-dire, son passage de l'état solide (non dissout) à l'état dissout dans le second fluide peut également être exothermique. Dans la pratique, le second fluide est appelé « réfrigérant » et le produit chimique « absorbant ».

Les quantités de fluide caloporteur, de réfrigérant et d'absorbant sont globalement constantes car il n'y pas de perte de matière. A titre d'exemple, le premier fluide peut être de l'eau glycolée.

Le réfrigérant utilisé est de préférence de l'eau et l'absorbant est de préférence du deux composés étant peu coûteux. calcium est particulièrement avantageux raisons suivantes : - contrairement à la soude est peu dangereux pour d'ailleurs utilisé dans humaine); notamment pour les chlorure de calcium, ces De plus, le chlorure de (hydroxyde de sodium), il l'être humain (il est l'industrie alimentaire - il n'est pas nocif pour le sol ou pour les plantes ; - il émet beaucoup de chaleur lors de sa dissolution ; - il est très soluble dans l'eau, ce qui permet d'avoir une plage de travail très large en concentration. A l'intérieur de l'échangeur thermique 1 se trouve donc 25 une solution de l'absorbant dans le réfrigérant. Ainsi, lorsque la concentration de la solution en absorbant augmente, il se produit une absorption d'énergie. Concrètement, lorsque l'entrée 2 et la sortie 3 sont respectivement en communication fluidique avec l'entrée 4 et 30 la sortie 5 de la source d'énergie thermique, l'énergie thermique apportée est absorbée par la solution. La température de celle-ci augmente, ce qui conduit à une évaporation du réfrigérant et donc à une concentration endothermique de la solution. Selon l'invention, à l'intérieur de l'échangeur thermique 1, il y a au moins un récipient, en particulier un tube 10, qui contient la solution de l'absorbant dans le réfrigérant et dont l'entrée et la sortie sont confondues, c'est-à-dire que ce tube 10 n'a qu'un orifice 11 relié par un conduit de raccord de vapeur du réfrigérant 12 à l'entrée 13 d'une cuve de stockage du réfrigérant 14.

L'utilisation d'un tube 10 offre l'avantage qu'un tube résiste bien à la dépression sans déformation, alors que dans les échangeurs classiques, on utilise des plateaux plans qui ont l'inconvénient de se déformer sous l'action d'un côté, du vide (côté solution ou absorbant) et de l'autre, de la pression atmosphérique (côté fluide caloporteur). Le tube 10 est destiné à baigner dans le fluide caloporteur. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, dans l'échangeur thermique 1 représenté sur la figure 2, le tube 10 est équipé d'un brasseur 15. Un tel brasseur a pour fonction de brasser l'absorbant. Ceci offre un avantage important lorsque l'absorbant précipite, car le brassage l'empêche alors de former un bloc compact et dur. On peut donc permettre à la concentration de la solution d'atteindre des valeurs très élevées. De plus, le brassage améliore les échanges thermiques du tube 10 et de son contenu avec le fluide caloporteur présent tout autour de lui dans l'échangeur thermique 1.

Le brasseur 15 peut être entraîné en rotation par un moteur situé à l'intérieur du tube 10 ou par un moteur 25 situé à l'extérieur du tube 10, l'entraînement en rotation du brasseur étant alors assuré par un couplage magnétique.

De préférence, le brasseur 15 a une forme lui permettant de réaliser un brassage maximal de la solution et le cas échéant de l'absorbant précipité à l'intérieur du tube 10, par exemple une forme sensiblement sinusoïdale, comme celle visible sur la figure 2 qui comporte un pale d'une largeur égale au diamètre du tube 10 et d'une longueur sensiblement également à celle du tube 10. Celui-ci remplit plusieurs fonctions : 1. Isolation sous vide de l'absorbant (étanchéité de l'ensemble) 2. Stockage de masse de l'absorbant (volume) 3. Echange thermique avec le fluide caloporteur (Surface d'échange, épaisseur des parois, amélioré par le brasseur) 4. Homogénéisation de l'absorbant (par le brasseur) 5. Echange entre l'absorbant et le réfrigérant (Surface d'interface absorbant-réfrigérant, améliorée par le brassage) Une des caractéristiques inédites de l'invention est 20 que l'absorbant ne se trouve que dans l'échangeur thermique 1, précisément dans le tube 10. Seul le réfrigérant sous forme vapeur est évacué de l'échangeur thermique 1. Ainsi, selon l'invention, le second fluide n'est 25 constitué que du réfrigérant et la cuve de second fluide (14) est un réservoir ou une cuve de réfrigérant. Le réfrigérant pouvant être corrosif, le fait qu'il est confiné à l'échangeur thermique 1 réduit la corrosion et les conséquences en cas de fuite dans la tuyauterie sont 30 minimes. Il est préférable de prévoir des moyens formant filtre (non représentés) entre l'orifice 11 et l'entrée 13 de la cuve 14 (cf. Fig. 1), afin d'empêcher l'absorbant d'être accidentellement entraîné hors de l'échangeur thermique 1. Ces moyens peuvent comprendre des chicanes ou un système formant un vortex. Selon un autre mode de réalisation avantageux de 5 l'invention qui est aussi visible sur la figure 1, l'échangeur thermique 1 comprend une pluralité de tubes 10 dont chacun est équipé d'un brasseur 15 et qui sont disposés de préférence horizontalement. La figure 3 représente un exemple d'agencement des 10 tubes 10 à l'intérieur de l'échangeur 1. Les tubes 10 s'étendent parallèlement les uns aux autres tout en baignant dans le fluide caloporteur. Quel que soit le nombre de tubes 10 utilisés, pour diminuer la concentration en absorbant de la solution 15 contenue dans le ou les tubes, il est nécessaire de lui amener du réfrigérant. Ainsi, selon un mode de réalisation de l'invention, l'orifice 11 du premier échangeur thermique 1 communique également au moyen d'un conduit de liaison 21 avec un second 20 échangeur thermique 18 qui a la particularité de jouer alternativement le rôle d'évaporateur et de condenseur. De préférence, le fond de la cuve de réfrigérant 14 comporte une sortie 16 reliée à un conduit de vidange 17 qui communique avec l'entrée 19 du second échangeur thermique 25 18. La cuve 14 a pour seule fonction le stockage du réfrigérant. La température de ce dernier dans la cuve est inférieure ou égale à la température de l'évaporateur-condenseur. En effet, si elle était supérieure, le 30 réfrigérant de la cuve s'évaporerait ce qui entraînerait la diminution de sa température.

Le second échangeur thermique sert directement d'échangeur de chaleur en vaporisant le réfrigérant en son sein. Selon un mode avantageux de réalisation de l'invention, 5 le second échangeur thermique réalise un échange thermique avec la terre. Ceci offre l'avantage de permettre de se passer de fluide caloporteur dans le second échangeur thermique car l'échange thermique se réalise alors directement entre le réfrigérant et la terre à travers une 10 paroi de l'échangeur thermique. Il est nécessaire que l'échange entre le liquide et le gaz soit parfait pour maintenir la pression dans l'ensemble du dispositif, cette pression étant liée à la température du réfrigérant. 15 Selon un mode de réalisation avantageux, le second échangeur thermique 18 comprend deux tubes concentriques visibles sur les figures 1, 4 et 5, à savoir, un tube extérieur 22 et un tube central 23, ce dernier étant percé de trous 24 avantageusement répartis le long de son axe 20 longitudinal, de préférence de manière régulière. L'entrée 19 du second échangeur thermique 18 communique de préférence avec une extrémité longitudinale du tube central 23 et la sortie 20 du second échangeur thermique communique de préférence avec une extrémité longitudinale du 25 tube extérieur 22, ces deux extrémités étant de préférence situées d'un même côté du second échangeur thermique 18. Ainsi, le réfrigérant entre dans le second échangeur thermique 18 par l'entrée 19 et le tube central 23, en sort à travers les trous 24 sous forme de brume ou fines 30 gouttelettes qui sont reçues dans le tube extérieur 24 et entraînées à travers la sortie 20 et le conduit de liaison 21 vers le(s) tube(s) 10.

Le tube central 23 sert à la fois à la remontée de l'eau en excès vers la cuve de stockage du réfrigérant 14 et de brumisateur. La brumisation des gouttelettes du réfrigérant augmente de manière extrêmement efficace la surface d'échange entre le réfrigérant liquide et la vapeur du réfrigérant. A titre d'exemple, le second échangeur thermique 18 peut avoir une longueur de 50 à 100 m. De préférence, une pompe immergée étanche 32 est prévue 10 pour aider à la remontée du réfrigérant vers la cuve de stockage du réfrigérant 14. Comme cela est représenté sur la figure 1, le second échangeur thermique 18 peut être vertical et se présenter sous la forme d'un puits. On peut aussi prévoir plusieurs 15 échangeurs thermiques 18 fonctionnant tous de la même manière et de préférence en parallèle. Le nombre de seconds échangeurs thermiques 18 dépend de la puissance maximale voulue pour le fonctionnement du dispositif. En variante (non représentée), le second échangeur 20 thermique peut être horizontal, des entretoises étant alors de préférence prévues entre le tube central 23 et le tube extérieur 22, afin de maintenir la concentricité de ces tubes. Une caractéristique particulièrement intéressante du 25 dispositif selon l'invention est que le second échangeur thermique 18 peut être souterrain, c'est-à-dire enfoui sous terre de manière à prélever de l'énergie à la terre, énergie qui est utilisée pour l'évaporation du réfrigérant. Dans le cas du chlorure de calcium, La puissance totale de 30 déstockage est obtenue pour 1/3, de la dissolution et/ou dilution de l'absorbant dans le réfrigérant et, pour 2/3, du changement de phase du réfrigérant. Ainsi la puissance de l'évaporateur n'est que de 2/3 de la puissance totale maximum. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, lorsque le premier échangeur thermique 1 comprend plusieurs tubes 10, chaque tube 10 est équipé d'une vanne individuelle 26 permettant ou empêchant l'arrivée et le départ du réfrigérant. De préférence, les moyens formant filtre sont alors disposés entre l'orifice 11 et la vanne 26.

Fonctionnement - Procédé selon l'invention Le principe de fonctionnement du dispositif est totalement différent de celui des dispositifs de l'art antérieur car, dans l'invention, le bouilleur et l'absorbeur sont réunis en un seul réservoir de réfrigérant/absorbant (le premier échangeur thermique 1). En réduisant ainsi le nombre de réservoir indépendants, on évite des pertes de chaleur latente. Le dispositif est équipé de pompes et de vannes et d'une électronique apte à commander ces éléments, comme les 20 vannes 30 permettant la montée ou la descente du réfrigérant liquide dans la cuve de réfrigérant 14 ou dans le tube 23. La vanne 8 est de préférence une vanne proportionnelle qui régule la température du fluide caloporteur pour le chauffage. 25 Quant au fonctionnement du dispositif, il comporte globalement 3 modes, que l'on peut détailler comme suit dans le cas où la source d'énergie thermique est constituée de panneaux solaires : 1. Les panneaux solaires ne fournissent aucune énergie 30 (la nuit par exemple). La vanne 9 envoie le fluide caloporteur directement dans l'échangeur thermique 1. La dissolution/dilution de l'absorbant dans les tubes 10 fournit toute l'énergie nécessaire. 2. Les panneaux solaires fournissent de l'énergie et la vanne 9 envoie le fluide caloporteur dans les panneaux solaires : a. Si l'énergie fournie par les panneaux solaires est inférieure à la demande, les tubes 10 fournissent le complément d'énergie, ou b. Si l'énergie fournie par les panneaux solaires est supérieure à la demande, le supplément d'énergie est stocké par concentration/précipitation de l'absorbant. Ces modes de fonctionnement se déterminent au moyen des températures des différents éléments : - soit Tr la température de retour du fluide caloporteur dans le raccord 31 ; - soit Ts la température du fluide caloporteur à la sortie 5 des panneaux solaires; - soit Tc la température à la sortie 2 de l'échangeur thermique ; Cas 1 : Tr >= Ts Cas 2 : a) Tr < Ts et Ts < Tc b) Tr < Ts et Ts > Tc Une autre caractéristique notable de l'invention est que le réfrigérant est sous forme de vapeur à l'entrée/sortie 11 de l'échangeur thermique 1, dans le conduit de raccord 12 et dans le conduit de liaison 21 alors qu'il est sous forme liquide dans le conduit de vidange 17 et le tube 23. En outre, il y a également une certaine quantité de réfrigérant entre le tube intérieur 23 et le tube extérieur 22 du second échangeur thermique 18. Sur la figure 1, on peut voir une pompe 32 participant à la régulation du niveau de réfrigérant entre ces deux tubes.

Le fait que le conduit de liaison 21 communique avec le conduit de raccord 12 permet un meilleur équilibrage de la pression dans le dispositif. a) Stockage d'énergie thermique En phase de stockage, la solution dégage du réfrigérant (ex. de l'eau) sous forme vapeur. La température de la solution est supérieure à la température d'équilibre. La pression a tendance à augmenter. La température du second échangeur thermique 18 étant maintenue constante, la pression, en augmentant, déclenche la condensation du réfrigérant dans le second échangeur thermique 18 qui joue le rôle de condenseur. Ce stockage d'énergie thermique est illustré sur la 15 figure 4 où : - les flèches A symbolisent la circulation du fluide caloporteur chaud ; - les flèches B symbolisent la circulation du fluide caloporteur froid ; 20 - les flèches C symbolisent la circulation du réfrigérant chaud, c'est-à-dire sous forme de vapeur ; et - les flèches D symbolisent la circulation du réfrigérant froid, c'est-à-dire sous forme liquide. 25 Ainsi, lors du stockage de l'énergie thermique, le fluide caloporteur chauffé par la source d'énergie thermique circule dans le premier échangeur thermique 1 et chauffe l'intérieur des tubes 10, ceci d'autant mieux que les brasseurs 15 sont actionnés. Sous l'effet de la chaleur, le 30 réfrigérant s'évapore. L'évaporation du réfrigérant conduit à une concentration de la solution qui peut aboutir à la précipitation de l'absorbant, voire à l'obtention d'un solide composé de l'absorbant (éventuellement hydraté si le réfrigérant est constitué d'eau). C'est cette solution concentrée ou ce solide poudreux qui contient potentiellement de l'énergie thermique qui se libèrera lors de la dilution/dissolution par rajout de réfrigérant. b) Déstockage d'énergie thermique En phase de déstockage, l'absorbant (ex. du sel) absorbe le réfrigérant (ex. de la vapeur d'eau). La pression a tendance à diminuer. La température de l'évaporateur est maintenue constante. La pression, en diminuant, déclenche l'évaporation dans le second échangeur thermique 18 qui joue alors le rôle d'évaporateur. Le déstockage de l'énergie thermique est illustré sur 15 la figure 7 où : - les flèches E symbolisent la circulation du fluide caloporteur chaud ; - les flèches F symbolisent la circulation du fluide caloporteur froid ; 20 - les flèches G symbolisent la circulation du réfrigérant chaud, c'est-à-dire sous forme de vapeur ; et - les flèches H symbolisent la circulation du réfrigérant froid, c'est-à-dire sous forme liquide. 25 Ainsi, lors du déstockage de l'énergie thermique, le réfrigérant est amené, par gravité dans le cas d'un ou plusieurs puits géothermiques verticaux, ou par une pompe de circulation dans le cas de capteurs géothermiques horizontaux par le conduit de vidange 17 dans le tube 23, où 30 il se vaporise ou s'atomise en passant à travers les trous ou brumisateurs 24, la vapeur est ensuite entraînée, à travers le conduit de liaison 21 et les vannes 26 ouvertes, dans les tubes 10 où elle vient diluer la solution (ou saumure) ou dissoudre l'absorbant qui s'y trouve, ce qui produit un dégagement de chaleur qui chauffe le fluide caloporteur présent dans le premier échangeur thermique 1. Le fluide caloporteur peut ensuite chauffer le récepteur d'énergie thermique 28. La rotation des brasseurs 15 améliore nettement ce processus. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, on met en cascade plusieurs dispositifs, par exemple de la manière suivante : un premier dispositif fournit un fluide caloporteur à 40°C et assure le chauffage d'une maison, un deuxième dispositif selon l'invention assure le chauffage de l'eau chaude sanitaire à 60°. La source froide de ce deuxième dispositif est fournie par le premier dispositif. Le rendement global est alors amélioré au prix d'une petite complexification de l'installation. Quel que soit le mode de réalisation du dispositif, dans sa version comportant un premier échangeur thermique 1 muni de brasseurs 15, la vitesse de brassage est asservie à la puissance de chauffage demandée. Celle-ci est fonction de la température d'absorption du réfrigérant (l'eau dans l'exemple ci-dessus) et elle est maximale lorsque la concentration de l'absorbant (sel) est maximale, ce qui engendre la température de dilution la plus élevée. On notera que l'énergie demandée par le brassage vient 25 se soustraire au rendement du stockage. Il est donc recommandable de limiter l'usage du brassage au minimum. Pour augmenter la durée pendant laquelle la puissance totale disponible est maximale, une ou plusieurs vanne(s) 26 peu(ven)t couper l'arrivée du réfrigérant à l'état vapeur 30 (vapeur d'eau) dans un ou plusieurs tube(s) 10. L'énergie emmagasinée est alors conservée et reste disponible à la température maximale de stockage.

Lorsque la puissance demandée est faible, un ou quelques tube(s) 10 sont suffisants pour alimenter en énergie l'installation. A faible puissance, la température d'utilisation n'est pas très élevée. L'exploitation des 5 tubes 10 en service peut alors être poussée au maximum du déstockage autrement dit, au maximum de la dilution de l'absorbant. Mais l'absorbant une fois dilué ne peut plus fournir des températures aussi élevés que lorsqu'il est concentré, d'où l'intérêt de conserver des tubes avec tout 10 leur potentiel de puissance pour garder une puissance maximale. Dans le cas où on utilise le second échangeur 18 vertical tel que défini précédemment, on régule de préférence la hauteur du niveau du réfrigérant entre le tube 15 central 23 et le tube extérieur 22. La régulation peut être affinée en mesurant et prenant en compte d'une part, la température du tube extérieur 22 ou la pression de la vapeur entre le tube extérieur 22 et le tube central 23 et, d'autre part, la pression du liquide 20 dans le tube central 23. En effet, en mesurant à la fois la pression et la température dans le tube 22, on vérifie l'état d'étanchéité du système, ainsi, si de l'air s'est introduit, la pression est supérieure (addition des pressions partielles des gaz) à 25 la pression corrélée avec la température. L'air parasite freine la réaction absorbant-réfrigérant et diminue drastiquement la puissance de déstockage. La régulation peut aussi être affinée par un contrôle de la qualité du vide entre le tube extérieur 22 et le tube 30 central 23, contrôle effectué en mesurant de la température du tube extérieur 22 et la pression entre le tube extérieur 22 et le tube central 23.

Au cours du fonctionnement du dispositif selon l'invention, l'absorbant n'est présent que dans les tubes 10, dans lesquels il est sous une forme allant d'un état solide poudreux sans eau (à part l'eau d'hydratation) et éventuellement cristallisé, à un état complètement dissout et très dilué dans l'eau. Entre ces deux états correspondant à des concentrations d'absorbant extrêmement différentes, l'absorbant peut être partiellement dissout ou complètement dissout et plus ou moins concentré.

L'état complètement solide correspond au stockage maximal d'énergie, le dispositif selon l'invention étant alors assimilable à une « batterie thermique » complètement chargée. Inversement, dans l'état de dilution maximale, qui est fonction des paramètres techniques du dispositif (quantités de réfrigérant et d'absorbant, etc.), le dispositif selon l'invention est comparable à une batterie complètement déchargée. Bien entendu, le dispositif selon l'invention peut très 20 bien fonctionner sans que la concentration de l'absorbant soit poussée jusqu'au passage à l'état solide, la chaleur étant alors libérée/absorbée par simple dilution/concentration de la solution d'absorbant dans le réfrigérant. 25 Exemples Exemple 1 Sur la figure 6 est représenté un mode de mise en oeuvre concrète du dispositif selon l'invention dans une maison. 30 Le dispositif selon l'invention est connecté à des panneaux solaires thermiques 27 comme source d'énergie thermique et à un plancher chauffant 28 comme récepteur d'énergie thermique.

Dans cet exemple, le second échangeur thermique 29 joue le rôle de « source froide », qui est utilisée : - lors du stockage de l'énergie thermique, pour évacuer l'énergie libérée par la condensation de l'eau ; - lors du déstockage de l'énergie thermique, pour fournir l'énergie nécessaire à l'évaporation de l'eau, la vapeur d'eau étant ensuite envoyée dans le premier échangeur thermique 1.

Cette source dite « froide » peut être un capteur géothermique à puits vertical, un capteur géothermique constitué d'un réseau horizontal à faible profondeur ou d'une nappe phréatique. On peut aussi utiliser comme source froide tout 15 échangeur à température constante ou semi-constante, par exemple de l'air provenant de l'extérieur de la maison. La source froide ne fournit ni ne reçoit d'énergie à long terme. L'énergie qu'elle fournit ou reçoit est toujours inférieure à l'énergie fournie par la source d'énergie 20 thermique (ici, les panneaux solaires thermiques 27) ou à l'énergie reçue par le récepteur d'énergie thermique (ici, le plancher chauffant 28). Quant aux températures entrant en jeu, elles sont généralement les suivantes : 25 - eau provenant des panneaux solaires : de 30 et 95 degrés Celsius ; - eau pour le plancher chauffant : de 25 à 45 °C. En variante, si on utilise l'eau du dispositif pour 30 chauffer l'eau chaude sanitaire de la maison, l'installation est configurée pour chauffer cette eau à 60°C. Pour le chauffage d'une piscine, la température de l'eau peut varier de 5 à 30°C.

La température du second échangeur thermique 29 est déterminante pour le fonctionnement de l'installation car elle fixe les concentrations de travail. Les études géothermiques montrent que pour la géothermie basse température, cette température se situe aux alentours de 10°C à 14°C selon la profondeur et la localisation. Exemple 2 La demande de chauffage d'une installation semblable à 10 celle représentée sur la figure 6 nécessite une température de 30°. La température de la source froide est de 10°C. Pour garder une température minimale de 30°C, la concentration de l'absorbant (chlorure de calcium) peut 15 diminuer jusqu'à 45%, en dessous de ce pourcentage, la température de sortie baisse et on peut dire que le tube est déchargé. Il suffit alors de fermer la vanne 26 pour l'isoler du fonctionnement, quitte à de nouveau l'utiliser pour des températures d'utilisation plus basses. 20 Si la demande passe par exemple à 40°C, il est souhaitable de disposer de tubes 10 ayant encore tout leur potentiel d'énergie. Pour obtenir cette température, la concentration minimale nécessaire de l'absorbant dans le réfrigérant (eau) est alors de 55%. 25 Exemple 3 - cas concret Le dispositif selon l'invention a été étudié dans une maison de village située à Saint-Gervais (France) à une altitude de 800 mètres. 30 La maison a une surface totale de 120 m2 répartie de manière égale sur deux étages. Le toit est orienté à l'ouest-sud-ouest et a une inclinaison de 10% environ par rapport au sol.

Les calculs de dimensionnement du dispositif selon l'invention sont basés sur le système de chauffage déjà en place, constitué d'une chaudière à mazout assurant à la fois le chauffage des pièces de la maison et celui de l'eau chaude sanitaire. Consommation d'énergie La consommation était en moyenne de 1700 litres annuels de mazout, soit 19 740 kWh consommés avec un rendement 10 thermique de 90%. Les besoins en énergie de cette maison sont donc de 17 766 kWh par an soit environ 18 kWh. La consommation d'eau chaude sanitaire étant de l'ordre de 150 1 d'eau à 60°C/jour, sachant que l'eau froide était à 10°C, on peut donc estimer que l'énergie thermique annuelle 15 à fournir se décompose comme suit : - pour le chauffage : 14 600 kWh - pour l'eau chaude sanitaire : 3 400 kWh. Les déperditions totales calculées de la maison sont d'environ 145 W/°C, ce qui donne 3,48 kWh/°C/jour, en 20 utilisant la définition du °C/jour des météorologistes. Données climatiques D'après la station météo de Chamonix : - la température de l'air la plus basse est de -22,7°C ; 25 - la température de l'air la plus élevée de 35,1°C ; et - le nombre annuel d'heures d'ensoleillement est de 18 000 heures/an. La puissance maximale que doit fournir le dispositif selon l'invention dépend de la température la plus basse (- 30 22,7°C) et de la puissance nécessaire pour obtenir l'eau chaude (en 4 heures), soit 6,2 kW (chauffage maison) + 2,2 kW (chauffage eau) soit environ 9 kW.

Cependant, après un arrêt du chauffage (par exemple en cas d'absence de l'occupant), la température de la maison peut avoir considérablement chuté (en hiver), plus de puissance sera donc nécessaire pour la réchauffer. Par 5 conséquent, il importe de conserver une marge de puissance. La puissance totale nécessaire du dispositif selon l'invention est donc estimée à 15 kW. Equipement solaire 10 Il a été décidé d'utiliser des panneaux solaires sous vide, car ceux-ci permettent atteindre des températures de fluide caloporteur élevées. De plus, ce type de panneaux a une sensibilité supérieure au faible rayonnement par temps moyen ou laiteux. Leur rendement est de 0,7 (70%). 15 Le toit de la maison étant pratiquement plat, il est souhaitable d'utiliser un châssis fixant et inclinant les panneaux avec une orientation plein sud de 60 degrés, de manière à avoir un maximum de rendement en hiver. Etant donné que ces panneaux sont fixes, on leur 20 associe un coefficient de 0,6 (60%) tenant compte notamment des considérations sidérales (du soleil) et impliquant que l'hiver, la perte de rendement est de 17%, au printemps et en automne elle est de 28% et en été de 50%. La surface minimale des panneaux solaires est égale à 25 l'énergie totale nécessaire/nombre d'heures d'ensoleillement/rendement des panneaux/coefficient sidéral, soit : 18000/1800/0,7/0,6 = environ 24 m2. Toutefois, il est usuel de prévoir une marge de sécurité de 50%, celle-ci permettant en outre de diminuer le 30 volume de stockage de solution (d'absorbant dans le réfrigérant). Ainsi, dans la pratique, on évalue la surface nécessaire de panneaux solaires à 36 m2.

Stockage d'énergie La quantité de réfrigérant utilisée par le dispositif selon l'invention doit permettre de compenser les déficits d'ensoleillement. Ceux-ci se produisent de jour pendant certains mois (novembre, décembre, janvier) et lorsque le chauffage fonctionne la nuit. Le déficit maximal d'énergie thermique mesuré sur un an est de 2 681 kWh, soit environ 3 MWh.

L'absorbant utilisé étant un sel, le chlorure de calcium et le réfrigérant l'eau, en se basant sur l'enthalpie de dissolution et l'enthalpie de dilution de ce sel, on en déduit que 3 tonnes de sel et 3,7 m3 d'eau sont nécessaires.

Compte tenu des volumes perdus (brasseurs, échangeur), le volume des tubes 10 au nombre de 7 du premier échangeur thermique a été dimensionné à 4 m3. Un brasseur 15 du type sinusoïdal représenté sur la figure 2 était utilisé dans chaque tube 10.

La cuve d'eau était également dimensionnée à 4 m3. Second échangeur thermique 18 Des puits géothermiques tels que ceux représentés sur la figure 1 ont été installés.

Comme indiqué plus haut, la puissance totale nécessaire du dispositif selon l'invention est de 15 kW. Or, on considère généralement que 2/3 de cette puissance est fournie par les puits géothermiques jouant le rôle de source froide car le 1/3 restant est fourni par la 30 dissolution/dilution du réfrigérant dans l'absorbant. Par conséquent, la puissance maximale que les puits géothermiques doivent fournir est de 10 kW.

Etant donné que chaque puits géothermique fournit 50 W par mètre linéaire, il faut donc 200 mètres linéaires de puits, c'est-à-dire que chacun des deux puits doit avoir une profondeur de 100 m.

Il convient de noter que la maison étant située à 800 mètres d'altitude, son besoin en chauffage est important. Si elle était située en plaine, son besoin en chauffage serait inférieur de 25% environ. En variante, on pourrait diminuer la surface des 10 panneaux solaires en augmentant les volumes de stockage (de sel et d'eau).

Claims

REVENDICATIONS1.- Dispositif de stockage et de restitution d'énergie thermique, comprenant : - un premier fluide qui est un fluide caloporteur ; - un second fluide ; - un produit chimique soluble dans le second fluide et dont la dilution dans ce dernier est exothermique ; - un échangeur thermique (1) comportant une entrée (3) et 10 une sortie (2) pour le premier fluide ainsi qu'une entrée et une sortie pour le second fluide et permettant un échange thermique entre ces fluides ; - une cuve de second fluide (14) reliée à l'échangeur thermique (1) et comportant une entrée (13) et une sortie 15 (16) pour le second fluide ; caractérisé en ce que l'entrée et la sortie de second fluide de l'échangeur thermique (1) sont confondues en un seul orifice (11). 20
2.- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le produit chimique est présent uniquement dans l'échangeur thermique (1).
3.- Dispositif selon la revendication 2, dans lequel 25 l'échangeur thermique (1) inclut au moins un tube (10) contenant ledit produit chimique.
4.- Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le tube (10) est équipé d'un brasseur (15). 30
5.- Dispositif selon la revendication 2, dans lequel l'échangeur thermique (1) comprend une pluralité de tubes(10) contenant ledit produit chimique et dont chacun est équipé d'un brasseur (15).
6.- Dispositif selon la revendication 5, dans lequel chaque 5 tube (10) est équipé d'une vanne individuelle (26).
7.- Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, dans lequel le ou chaque brasseur (15) est entraîné en rotation par un moteur situé à l'intérieur du tube (10) ou par un 10 moteur (25) situé à l'extérieur du tube (10), l'entraînement en rotation du brasseur étant alors assuré par un couplage magnétique.
8.- Dispositif selon l'une des revendications 4 à 7, dans 15 lequel le ou chaque brasseur (15) a sensiblement la forme d'une sinusoïde.
9.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel des moyens sont prévus entre le premier échangeur 20 thermique (1) et la cuve de second fluide (14) pour empêcher le produit chimique d'être entraîné par le second fluide vers cette cuve.
10.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, 25 comprenant en outre un second échangeur thermique (18) relié à l'orifice (11) de l'échangeur thermique (1).
11.- Dispositif selon la revendication 10, dans lequel le second échangeur thermique (18) comprend deux tubes 30 concentriques (22,23), à savoir, un tube extérieur (22) et un tube central (23), ce dernier étant percé de trous (24) répartis le long de son axe longitudinal.
12.- Dispositif selon la revendication 11, dans lequel le tube central (23) est relié à la cuve de second fluide (14) et le tube extérieur (22) est reliée à l'orifice (11) de l'échangeur thermique (1).
13.- Dispositif selon l'une des revendications 10 à 12, dans lequel le second échangeur thermique (18) est vertical.
14.- Dispositif selon l'une des revendications 10 à 12, dans lequel le second échangeur thermique (18) est horizontal et des entretoises sont prévues entre le tube central (23) et le tube extérieur (22), afin de maintenir leur concentricité.
15.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 14 dans lequel le second fluide est de l'eau et le produit chimique est du chlorure de calcium.
16.- Procédé de stockage et de restitution d'énergie 20 thermique dans lequel on utilise un dispositif selon l'une des revendications 1 à 15 pour stocker et restituer de l'énergie thermique.
17.- Procédé selon la revendication 16, dans lequel on 25 utilise un dispositif selon la revendication 5 ou selon l'une des revendications 6 à 15 dépendantes de la revendication 5 et dans lequel, lors de la restitution de l'énergie thermique, on met en oeuvre un nombre de tubes (10) de l'échangeur thermique (1) qui est fonction de la 30 puissance demandée.
18.- Procédé selon la revendication 16 ou 17, dans lequel on utilise un dispositif selon la revendication 13 dépendantdes revendications 11 ou 12, ou selon la revendication 15 dépendante de la revendication 13, elle-même dépendante des revendications 11 et 12, et dans lequel on régule la hauteur du niveau du réfrigérant entre le tube central (23) et le 5 tube extérieur (22) du second échangeur thermique (18).
19.- Procédé selon la revendication 18, dans lequel la régulation est affinée en mesurant et prenant en compte d'une part, la température du tube extérieur (22) ou la 10 pression entre le tube extérieur (22) et le tube central (23) et, d'autre part, la pression dans le tube central (23).
20.- Procédé selon la revendication 18 ou la revendication 15 19, dans lequel la régulation est affinée par un contrôle de la qualité du vide entre le tube extérieur (22) et le tube central (23) effectué en mesurant de la température du tube extérieur (22) et la pression entre le tube extérieur (22) et le tube central (23).