FR3043758B1

FR3043758B1 - Installation de recuperation d'energie d'eaux usees

Info

Publication number: FR3043758B1
Application number: FR1561108A
Authority: FR
Inventors: Samuel Dany Maurice Colin
Original assignee: Commune De Paris
Current assignee: Commune De Paris
Priority date: 2015-11-18
Filing date: 2015-11-18
Publication date: 2019-06-07
Anticipated expiration: 2035-11-18
Also published as: FR3043758A1

Abstract

L'invention concerne une installation (1) de récupération d'énergie d'eaux usées comprenant : - Au moins une galerie (2) présentant une partie basse (20) dans laquelle s'écoulent lesdites eaux usées et une partie haute (21) présentant une section moyenne d'au moins un mètre carré et remplie d'air en contact avec lesdites eaux usées, de sorte à permettre un échange thermique naturel, - Une pompe à pompe à chaleur (10) présentant un premier échangeur thermique (12), le système étant caractérisé en ce que le premier échangeur (12) est disposé dans ladite partie haute (21), de sorte que la pompe à chaleur (10) soit en échange thermique direct avec ledit air.

Description

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL

La présente invention concerne une installation de récupération d’énergie d’eaux usées à pompe à chaleur.

ETAT DE L’ART

Les effluents liquides qui s’écoulent dans les égouts sont généralement chargées en énergie. Les égouts collectent en effet des eaux usées domestiques à des températures égales voire supérieures à la température moyenne des habitations (en particulier les eaux chaudes utilisées pour les douches, les machines à laver le linge ou la vaisselle, les eaux de cuisson, etc.).

Ainsi, toute l’année, les égouts convoient de l’eau avec une température généralement entre 10 et 20°C, soit une température supérieure à celle de l’air atmosphérique en hiver et inversement en été.

Il est ainsi souhaitable d’utiliser ce potentiel énergétique pour couvrir les besoins des bâtiments proches, notamment grâce à une pompe à chaleur réversible : en hiver, l’excès de chaleur de l’eau des égouts par rapport à l’air atmosphérique est utilisé pour chauffer quasiment gratuitement les bâtiments, et en été la fraîcheur de l’eau des égouts par rapport à l’air atmosphérique est utilisée pour refroidir ces mêmes bâtiments.

Il a ainsi été proposé dans le document DE197119311 d’intégrer dans le radier d’un égout un échangeur de pompe à chaleur de sorte à permettre un échange thermique entre l’eau des égouts et cet évaporateur. Une telle solution fonctionne, mais est très chère car il faut refaire toute la maçonnerie de l’ouvrage, et on constate que des boues s’accumulent sur le radier et viennent isoler thermiquement les eaux usées de l’évaporateur, ce qui réduit drastiquement le rendement si l’on ne nettoie pas régulièrement.

Alternativement, la demande WO85/03562 propose d’injecter de l’air sous pression dans l’eau des égouts, de récupérer cet air, et de le mettre en échange thermique avec l’évaporateur. Une telle solution n’est que légèrement moins chère, et surtout moins efficace : la circulation forcée de l’air consomme de l’énergie, et les échanges thermiques limités entre cet air et l’eau des égouts font qu’une partie seulement de la chaleur est transmise à l’évaporateur.

Il serait par conséquent souhaitable de disposer d’une solution alternative facilement déployable, encore moins chère, et nettement plus efficace.

PRESENTATION DE L’INVENTION L’invention propose de pallier ces inconvénients en proposant selon un premier aspect une installation de récupération d’énergie d’eaux usées comprenant : - Au moins une galerie présentant une partie basse dans laquelle s’écoulent lesdites eaux usées et une partie haute présentant une section moyenne d’au moins un mètre carré et remplie d’air en contact avec lesdites eaux usées, de sorte à permettre un échange thermique naturel, - Une pompe à chaleur présentant un premier échangeur thermique, le système étant caractérisé en ce que le premier échangeur est disposé dans ladite partie haute, de sorte que la pompe à chaleur soit en échange thermique direct avec ledit air.

Le dispositif selon l’invention est avantageusement complété par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : • La galerie comprend une galerie principale et au moins une galerie secondaire croisant la galerie principale ; • la galerie secondaire ne présente pas de partie basse dans laquelle s’écoulent en permanence des eaux usées ; • le premier échangeur est disposé dans la partie haute de la galerie secondaire ; • la galerie secondaire relie la galerie principale à un bâtiment ; • la pompe à chaleur présente un deuxième échangeur disposé dans ledit bâtiment ; • le premier échangeur est un échangeur surfacique s’étendant sur une paroi de la partie haute de la galerie ; • le premier échangeur présente une épaisseur inférieure ou égale à 35 mm; • le premier échangeur est un évaporateur en un matériau composite.

Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un procédé de récupération d’énergie d’eaux usées dans au moins une galerie présentant une partie basse dans laquelle s’écoulent lesdites eaux usées et une partie haute présentant une section moyenne d’au moins un mètre carré et remplie d’air en contact avec lesdites eaux usées, de sorte à permettre un échange thermique naturel,

Le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend l’évaporation ou la condensation d’un fluide caloporteur à changement de phase d’une pompe à chaleur par échange thermique direct entre ledit fluide et l’air de la partie haute au niveau d’un premier échangeur de la pompe à chaleur.

PRESENTATION DES FIGURES D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des figures annexées : - la figure 1a est un schéma d’une galerie d’égout ; - la figure 1 b représente une architecture d’un réseau de galeries ; - la figure 2 représente un mode de réalisation d’une installation selon l’invention ; - la figure 3 représente un mode de réalisation préféré d’une installation selon l’invention ; - la figure 4 représente un exemple de premier échangeur surfacique.

DESCRIPTION DETAILLEE

Egouts visitables

La présente invention concerne une installation 1 de récupération d’énergie d’eaux usées, adaptée plus particulièrement pour des égouts dits visitables. Par récupération d’énergie d’eaux usées, on entendra l’exploitation des niveaux d’énergie thermique des eaux usées dans un but de valorisation, que ce soit pour chauffage mais également climatisation (la « récupération » rïimplique pas nécessairement un pompage de chaleur).

Par égout visitable, on entend des égouts tels que ceux de Paris ou d’autres villes dans lesquelles le réseau d’assainissement, qui présentent une hauteur sous voûte permettant à des intervenants qualifiés de les visiter (de l’ordre de deux mètres), notamment pour les entretenir.

En référence aux figures 1a et 1b, un égout visitable comprend au moins une galerie 2 souterraine présentant une partie basse 20 dans laquelle s’écoulent les eaux usées et une partie haute 21 présentant une section moyenne d’au moins un mètre carré (avantageusement au moins deux mètres carrés, voire au moins six mètre carrés, voire davantage) et remplie d’air en contact avec lesdites eaux usées, de sorte à permettre un échange thermique naturel. Par partie basse 20, on entend une partie dans laquelle s’écoulent sensiblement en permanence des eaux usées, c’est-à-dire qu’elle présente un niveau d’eau minimal, typiquement au moins cinq de centimètres. La partie basse 20 est de façon préférée une « cunette », c’est-à-dire un canal dans le fond de la galerie 2.

Ainsi à Paris, on trouve sous la plupart des rue des égouts élémentaires de 1,30 mètre de large, soit environ 2.5m2 de section pour la partie haute 21 ; des collecteurs secondaires de 3 mètres de large avec cunette de 1,20 mètre, soit environ 6m2 de section ; et collecteurs principaux en général sous les boulevards de 5 à 6 mètres de large avec cunette de 3,50 mètres, soit plus de 10m2 de section. Comme l’on voit sur la figure 1a, les égouts élémentaires présentent généralement une forme ovoïde avec la pointe orientée vers le bas, cette pointe formant la partie basse 20.

Ainsi, de par son important volume (au moins égal à / mètres cubes, où / est la longueur de la galerie 2 en mètres, puisque sa section est d’au moins 1 m2, ce qui fait techniquement plusieurs millions de mètre cubes à Paris puisque les égouts sont longs de près de 2 400 kilomètres), l’air de la partie haute 21 est assimilable à un thermostat (comme l’air atmosphérique). Cela signifie que d’une part la température de cet air est globalement constante et en permanence sensiblement égale à celle des eaux de la partie basse, et que d’autre part la température de cet air est très peu influençable par des équipements thermiques tels qu’un échangeur de pompe à chaleur.

On comprendra que l’échange thermique entre les parties haute et basse 20, 21, i.e. entre l’air et l’eau, est naturel, c’est-à-dire qu’il est libre et non forcé contrairement à ce qui se passait dans la demande WO85/03562, sur une grande surface et en permanence. Cet air se renouvelle naturellement et lentement par échange avec l’air atmosphérique car les égouts ne forment pas une enceinte étanche ; les bouches d’égout sur voirie assurent la liaison entre l’air atmosphérique et l’air des égouts.

De façon préférée, comme sur les exemples représentés, la galerie 2 comprend une galerie principale 2a et au moins une galerie secondaire 2b croisant cette galerie principale 2a. Comme l’on voit bien sur la figure 1a, la galerie secondaire 2b présente ladite partie haute 21 remplie d’air, mais pas la partie basse 20 dans laquelle s’écoulent en permanence les eaux usées. Plus précisément, une galerie secondaire 2b est généralement une courte galerie de quelques mètres, présentant une pente de 5 à 15%, et sur le fond de laquelle ruissellent occasionnellement jusqu’à la partie basse de la galerie principale 2a des eaux usées et/ou pluviales rejetées à ce niveau. En d’autres termes, les eaux ne s’écoulent en permanence que dans la ou les galeries principales 2a, alors que l’air est présent dans toutes les galeries 2a, 2b (c’est la même poche d’air qui remplit toutes les galeries 2a, 2b, c’est-à-dire qu’elle est d’une température globalement homogène. Les galeries principales 2a sont typiquement les égouts élémentaires, collecteurs secondaires ou collecteurs principaux évoqués ci-avant, et les galeries secondaires 2b sont typiquement des Branchements Particuliers Ouverts (BPO), c’est-à-dire des galeries visitables ouvertes côté égout (i.e. donnant dans la galerie principale 2a) et reliant à un bâtiment 3, typiquement au niveau de la cave (un mur masque les sépare, ce mur représentant la limite entre domaine public et domaine privé). Les branchements particuliers sont très nombreux à Paris (de l’ordre de 200000) et permettent souvent d’une part de faire passer des conduites d’eau jusqu’au bâtiment (arrivées d’eau en partie haute comme représenté sur la figure 1a) et d’autre part d’évacuer les eaux usées et/ou pluviales du bâtiment 3, en particulier via une ouverture dans le mur masque permettant de déverser ces eaux usées et/ou pluviales lorsque le bâtiment 3 en produit). Il est à noter que certains BPO ne reçoivent que les eaux pluviales.

Dans tous les cas, on comprendra qu’une galerie secondaire ne reçoit au mieux que de façon occasionnelle, i.e. par intermittence (lorsqu’il pleut, qu’une chasse est tirée, etc.) des effluents qui ruissellent sur son sol, le débit moyen associé étant dans tous les cas négligeable par rapport au débit d’eaux usées circulant en permanence en partie basse 20 de la galerie principale 2a. On peut ainsi considérer que les galeries secondaires 2b présentent des parties basse 20 dans lesquelles des eaux usées ne s’écoulent (au mieux) qu’occasionnellement, les parties basses 20 des galeries secondaires 2b se jetant dans la partie basse 20 de la galerie principale 2a. On retiendra que le débit moyen d’eau dans la galerie principale 2a est largement supérieur (au moins dix fois supérieur voire cent fois supérieur) au débit d’eau moyen dans une galerie secondaire 2b.

Les galeries 2a, 2b ont préférentiellement une largeur d’au moins 1.2m.

Architecture générale

La figure 2 représente l’architecture générale de l’installation 1 de récupération d’énergie d’eaux usées.

Ce système est essentiellement constitué d’une galerie 2 qui définit l’égout, et d’une pompe à chaleur 10 (PAC), qui peut être par exemple une PAC domestique. L’installation 1 peut comprendre plus d’une pompe à chaleur 10, par exemple dans d’un réseau étendu d’égouts (une pluralité de galeries 2 connectées entre elles).

Comme l’on voit sur la figure 2, une pompe à chaleur 10 comprend un circuit 100 de fluide caloporteur (par exemple des hydrofluorocarbures, HFC) en particulier à changement de phase, sur lequel sont disposés successivement : - un ou plusieurs compresseurs 11 (on comprendra qu’il peut également s’agir de plusieurs étages d’un même compresseur), en particulier un ou plusieurs compresseurs rotatifs, même si d’autres technologies sont possibles ; - un premier échangeur thermique 12, en échange thermique avec l’égout, on verra comment plus loin ; - un détendeur 13 ; - un deuxième échangeur thermique 14, en échange thermique avec un milieu local dont la température est à réguler (en particulier l’eau d’un chauffe-eau, l’air d’une pièce, le réseau secondaire de distribution, etc.), de façon préférée un milieu au sein d’un bâtiment 3 desservi par un BPO ;

Une pompe à chaleur est un dispositif permettant de fournir de la chaleur ou du froid au milieu local dont la température est à réguler (via le premier échangeur 12).

Dans un mode «chauffage», le deuxième échangeur 14 est un condenseur (le bâtiment est une source froide) et le premier échangeur 12 un évaporateur (l’égout est une source chaude).

Dans un mode « production de froid » (en particulier climatisation), le deuxième échangeur 14 est un évaporateur (le bâtiment est une source chaude) et le premier échangeur 12 un condenseur (l’égout est une source froide).

Dans la suite de la présente description on prendra l’exemple d’un premier échangeur 12 configuré en évaporateur, mais on comprendra que de façon préférée il est réversible.

Le système se distingue en ce que le premier échangeur 12 est disposé dans ladite partie haute 21, de sorte que la pompe à chaleur 10 soit en échange thermique direct avec ledit air. En d’autres termes, la pompe à chaleur 10 est une pompe à chaleur air/liquide (le fluide caloporteur).

Ainsi, on obtient un système présentant les même avantages qu’une pompe à chaleur en échange avec l’air atmosphérique (faible coût, simplicité, pas d’encrassement, disponibilité permanente), avec en plus une efficacité élevée car l’air des égouts a une température plus stable sur l’année, et donc plus élevée en hiver et plus basse en été (par rapport à l’air atmosphérique).

De plus, par rapport à des échangeurs liquide/liquide de l’état de la technique tels que disposés en partie basse 20, il n’y a aucune maintenance à faire, tout en ayant un rendement qui reste élevé. Cela est essentiel car les interventions en égout sont complexes et coûteuses.

Intégration à un BPO

Dans le mode de réalisation préféré représenté à la figure 3 dans lequel la galerie 2 présente une galerie principale 2a et au moins une galerie secondaire 2b (type BPO) croisant la galerie principale 2a, le premier échangeur 12 est disposé dans la partie haute 21 de la galerie secondaire 2b.

Cela a deux avantages : - dans la mesure où la galerie secondaire 2b ne présente pas de partie basse 20 dans laquelle s’écoulent en permanence des eaux usées et en tout état de cause reçoit peu souvent et en faible quantité des effluents, le premier échangeur 12 est ainsi préservé des eaux usées et de leur environnement corrosif tout en bénéficiant du même potentiel énergétique puisque c’est le même volume d’air qui remplit des parties hautes 21 des galeries principale et secondaire 2a, 2b. De plus, on est assuré que le premier échangeur 12 est sans contact avec l’écoulement des eaux: il n’y a aucun risque pour le fonctionnement hydraulique des ouvrages, et en cas d’orage et d’élévation du plan d’eau dans la galerie principale 2a il n’y a pas d’impact. Dans tous les cas le premier échangeur 12 est étanche. - dans la mesure où la galerie secondaire 2b relie la galerie principale 2a à un bâtiment 3 (BPO du bâtiment), cela permet d’utiliser très efficacement la pompe à chaleur 10 sur le bâtiment 3 (il suffit que la pompe à chaleur présente le deuxième échangeur 14 disposé dans ledit bâtiment 3) puisque la distance entre les premier et deuxième échangeurs 12, 14 est minimale, ce qui réduit les pertes le long du circuit 100.

Premier échangeur de chaleur

Le premier échangeur 12 est avantageusement un échangeur surfacique s’étendant sur une paroi de la partie haute 21 de la galerie 2 (avantageusement secondaire 2b comme expliqué), notamment une paroi verticale et/ou voûtée, comme l’on voit sur les figures 1 et 3.

En d’autres termes, le premier échangeur 12 est avantageusement un équipement planaire, qui épouse la paroi de la galerie 2 (i.e. qui épouse la courbe des pieddroits de la galerie 2 et au besoin de la voûte). Il consiste par exemple en un tube (recevant le fluide caloporteur) coudé de nombreuses fois de sorte à parcourir toute la surface, avec notamment des ailettes connectant les différents replis du tube. Un tel exemple de premier échangeur peut ainsi être similaire à un radiateur arrière de réfrigérateur (voir figure 4).

Il est préférentiellement très fin (avantageusement au plus 35 mm, en particulier environ 20 mm), et la saillie dans l’ouvrage ne dépasse pas cinq centimètres. Ainsi, discret et non contondant, le premier échangeur 12 est sans incidence sur le cheminement des intervenants, il ne nuit pas à la visitabilité des ouvrages et n’aggrave pas les risques pour les intervenants.

La surface latérale du premier échangeur 12 (c’est-à-dire la surface faisant face à l’intérieur de la galerie 2) est avantageusement d’au moins cinq mètres carrés.

Comme expliqué c’est avantageusement un échangeur et/ou un condenseur s’il est réversible. Il est préférentiellement en un matériau composite résistant à la corrosion.

Procédé

Selon un deuxième aspect, l’invention concerne également un procédé de récupération d’énergie d’eaux usées dans au moins une galerie 2 présentant une partie basse 20 dans laquelle s’écoulent lesdites eaux usées et une partie haute 21 présentant une section moyenne d’au moins un mètre carré et remplie d’air en contact avec lesdites eaux usées, de sorte à permettre un échange thermique naturel.

Comme déjà expliqué, par récupération d’énergie d’eaux usées, on entendra l’exploitation des niveaux d’énergie thermique des eaux usées dans un but de valorisation, aussi bien pour chauffage que climatisation.

Le procédé comprend une étape d’évaporation ou de condensation (suivant si le premier échangeur 12 est un évaporateur ou un condenseur) d’un fluide caloporteur à changement de phase d’une pompe à chaleur 10 par échange thermique direct en ledit fluide et l’air de la partie haute 21 au niveau d’un premier échangeur 12 de la pompe à chaleur 10.

Si c’est une évaporation cela permet de réchauffer le fluide (on pompe de l’énergie thermique qui va être libéré, par exemple dans le bâtiment 3), si c’est une condensation cela permet de refroidir le fluide (on dissipe de l’énergie thermique prélevée par exemple au bâtiment 3), dans une étape respectivement de condensation ou d’évaporation du fluide caloporteur à changement de phase par échange thermique entre ledit fluide et l’air un milieu (par exemple le bâtiment) au niveau du deuxième échangeur 14 de la pompe à chaleur 10.

Claims

REVENDICATIONS ! Installation (i) de récupération d’énergte d’eaux usées comprenant : * Au moins une galerie (2) présentant une partie basse (20) dans îaquéite s’écoutent Iesdites eaux usées et une partie haute (21) présentant une sectksn moyenne d’au moins un mètre carré et remplie d’air en contact avec Iesdites eaux usées, de sorte à permettre un échange thermique naturel, le galerie (2) comprenant une gâterie principale (2a) at au moins une galerie secondaire (2b) croisant te galerie principale (2a), la galerie secondaire (2b) ne présentent pas do partie basse (20) dans laquelle s’écoulent en permanence des eaux usées, « Une pompe à pompe à chaleur (10) présentant un premier échangeur thermique (12), te système étant caractérisé en ce que le premier échangeur (12) est disposé dans ladite partie haute (21 ) de la galerie secondaire (2b), de sorte que la pompe à chaleur (10) soit en échange thermique direct avec ledit air» 2» installation selon te. revendication 1, dans laquelle ia galerie secondaire (2b) relie la galerie principale (2a) à un bâtiment (3).
3, Installatlon selon la revendication 2, dans laquelle te pompe è chaleur présente un deuxième échangeur (14) disposé dans ledit bâtiment (3). 4, installation seion l’une des revendications 1 à 3, dans laquelle te premier échangeur (12) est un échangeur surfacique s’étendant sur une paroi de la partie haute (21 ) de la galerie (2)> 5» Installation selon te revendication 4, dans tequeO© te premier échangeur (12) présente une épaisseur inférieure ou égale à 3S mm. & teste! latte n séton l’une des revendications 1 à Ss dans laquelle le premier échangeur (12) est un êvaporateur en un matériau
7, Procédé de récupération d’éœrgla d’eaux usées dans au moins uns galerie (2) présentant une parts basse (20) dans laquelle s’écoulent lesdifes eaux usées et une parte haute (21) présentant une section moyenne d'au moins un mètre carré et remplie d’air en contact avec tesditss eaux usées, de sorte à permettre un échange thermique naturel» la galerie (2) comprenant une galerie principale (2a) et au moins une galerie secondaire (2b) croisant la galerie principale (2a), la galerie secondaire (2b) ne présentant pas de parte basse (20) dans laquelle s’écoutent en permanence des eaux usées, Le procédé étant caractérisé en ce qull comprend Févaporatfon ou la condensation d’un iteide catopçrteur à changement de phase d’uns pompe à chaleur (10) par échange thermique direct entre ledit fluide et l’air de la parte haute (21) de la galerie secondaire (2b) au niveau d’un premier échangeur (12) de la pompe à chaleur (10).