FR3071045A1 - Systeme souterrain de stockage de chaleur pour installation de production de chauffage et/ou d'eau chaude sanitaire - Google Patents

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Abstract

L'invention se rapporte à un système souterrain de stockage de chaleur comprenant : - un remblai formant réservoir de chaleur, - un ensemble (40) de canalisations destinées à la circulation d'un fluide caloporteur ; - un dispositif d'isolation thermique du remblai Selon l'invention, l'ensemble de canalisations (40) est configuré de manière à ce que dans au moins une configuration de stockage de chaleur, le fluide caloporteur se propage au sein de l'ensemble dans une direction radiale (73) allant de l'axe central vertical (42) vers la périphérie de l'ensemble, en empruntant successivement au sein de ce dernier au moins une première spire (S1), au moins une seconde spire (S2) de grandeur supérieure à la première, ainsi qu'au moins une troisième spire (S3) de grandeur supérieure à la seconde, les première, seconde et troisième spires étant centrées sur ledit axe central vertical (42).

Description

SYSTEME SOUTERRAIN DE STOCKAGE DE CHALEUR POUR INSTALLATION DE PRODUCTION DE CHAUFFAGE ET/OU D'EAU CHAUDE SANITAIRE
DESCRIPTION
L'invention se rapporte au domaine général de la production d'une source de chaleur, de préférence pour l'habitat, l'industrie ou le tertiaire. Elle concerne en particulier le domaine de l'habitat, et plus précisément la production d'eau chaude sanitaire et/ou de chauffage, voire également la production d'eau froide pour l'alimentation d'un système de climatisation en saison estivale.
De l'art antérieur, il est connu d'utiliser la terre du sol pour stocker de l'énergie thermique, notamment en plaçant un isolant thermique à la surface du sol pour limiter les échanges de chaleur entre la terre et l'air extérieur. Dans ce type de réalisation, le stockage d'énergie s'effectue à l'aide d'un fluide caloporteur qui peut être introduit dans un ensemble de canalisations enfouies dans la terre ou le remblai. Lors de cette opération de stockage d'énergie, le fluide chaud cède en effet de la chaleur à la terre qui se réchauffe. Lors d'une opération inverse de déstockage d'énergie, le remblai cède de la chaleur au fluide circulant dans l'ensemble de canalisations, avant d'alimenter une autre partie de l'installation de production de chauffage et/ou d'eau chaude sanitaire. Ainsi, le système de stockage est associé à une ou plusieurs sources de chaleur de type renouvelable (solaire, air extérieur, eau souterraine, etc.), ou de type fatale (eaux usées/vannes, eaux industrielles, air vicié, etc.).
Si cette solution de stockage souterrain confère un avantage notable à l'installation, elle reste néanmoins perfectible. En particulier, il existe un besoin d'améliorer les échanges thermiques entre le remblai et le fluide caloporteur destiné à circuler dans l'ensemble de canalisations du système de stockage, en particulier en limitant les pertes thermiques entre le remblai et son environnement proche.
Pour apporter une réponse satisfaisante à ce besoin, l'invention prévoit un système souterrain de stockage de chaleur comprenant :
- un remblai formant réservoir de chaleur,
- un ensemble de canalisations destinées à la circulation d'un fluide caloporteur, l'ensemble étant agencé dans ledit remblai et présentant un axe central vertical ; et
- un dispositif d'isolation thermique dudit remblai, le dispositif étant agencé au niveau de la surface du sol de manière à recouvrir le remblai et l'ensemble de canalisations.
Selon l'invention, ledit ensemble de canalisations est configuré de manière à ce que dans au moins une configuration de stockage de chaleur, le fluide caloporteur se propage au sein de l'ensemble dans une direction radiale allant de l'axe central vertical vers la périphérie de l'ensemble, en empruntant successivement au sein de ce dernier au moins une première spire, au moins une seconde spire de grandeur supérieure à la première, ainsi qu'au moins une troisième spire de grandeur supérieure à la seconde, les première, seconde et troisième spires étant centrées sur ledit axe central vertical.
En d'autres termes, lors d'une opération de stockage de chaleur, le fluide caloporteur circule globalement de l'intérieur vers l'extérieur en transitant par des spires de dimensions croissantes, et dont le nombre peut bien évidemment être supérieur à 3. Cela crée un flux de chaleur orienté du centre vers la périphérie du système. Ainsi, le fluide chaud est d'abord introduit dans le centre du système de stockage, c'est-à-dire à l'endroit le plus chaud de ce système. De ce fait, l'écart de température entre le fluide entrant et le centre du système est limité au maximum, ce qui a pour conséquence avantageuse de limiter les pertes thermiques à la périphérie du système. En effet, le fluide circule ensuite radialement vers des zones du système qui sont plus froides, car elles subissent davantage l'influence thermique de la terre située radialement à la périphérie du système, et non-recouverte par le dispositif d'isolation thermique. Cependant, cette circulation du fluide dans des zones plus froides du remblai s'effectue à température réduite, en raison de l'énergie cédée en amont tout au long de son passage dans les canalisations. Par conséquent, l'écart de température continue à être optimisé, ce qui réduit les pertes thermiques proportionnelles à cet écart.
Ainsi, la réduction des pertes thermiques est due à l'organisation du gradient de température qui limite l'écart de température à l'intérieur du stockage, et entre le stockage et son environnement. Cela provient du fait que le fluide caloporteur chaud circule en priorité dans le cœur du stockage, puis s'éloigne vers la périphérie en se refroidissant progressivement.
II est noté que des avantages similaires se produisent lors d'une opération de déstockage de chaleur, au cours de laquelle le fluide à réchauffer se propage radialement de l'extérieur vers l'intérieur du système, c'est-à-dire dans le sens du gradient positif de température.
L'invention propose ainsi un système de stockage souterrain agencé à proximité de la surface du sol, simple à mettre en œuvre, et présentant des performances énergétiques renforcées. Ce système, destiné à être associé à une ou plusieurs sources de chaleur, a vocation à restituer l'énergie sur des périodes allant de la journée jusqu'à un cycle inter-saisonnier. De plus, il est précisé que le remblai doit être compris au sens large, à savoir qu'il peut ou non intégrer la terre excavée. Celle-ci peut être par exemple mélangée ou remplacée par un sable ou tout autre matériau peu diffusif, favorisant le stockage et limitant les pertes thermiques.
Par ailleurs, l'invention prévoit de préférence au moins l'une des caractéristiques optionnelles suivantes, prises isolément ou en combinaison.
Selon un premier mode de réalisation préféré de l'invention, ledit ensemble de canalisations comporte une pluralité de spirales comprenant chacune au moins lesdites première, seconde et troisième spires, et les spirales sont sensiblement concentriques, espacées les unes des autres selon la direction de leur axe central vertical.
De préférence, au sein de chaque spirale, le nombre de spires est compris entre 3 et 20, et par ailleurs, le nombre de spirales est compris entre 1 et 6.
Selon une première possibilité, toutes les spirales de l'ensemble de canalisations sont reliées à un même collecteur de fluide caloporteur, ainsi qu'à un même distributeur de fluide caloporteur. Cette solution permet d'établir un gradient de température satisfaisant selon la direction radiale, et ne nécessite pas de vannes ni d'autres organes de commande automatisés.
Selon une seconde possibilité pour ce premier mode de réalisation, toutes les spirales de l'ensemble de canalisations sont reliées à une unité de contrôle permettant de faire circuler en parallèle le fluide caloporteur dans toutes les spirales, ou bien de faire circuler le fluide caloporteur en parallèle dans une ou seulement certaines de ces spirales. Grâce à cette solution, il devient possible d'utiliser au mieux le système de stockage, en mettant à profit seulement une partie de ce dernier en sélectionnant la/les spirales les plus adaptées à recevoir la chaleur d'une source à une température donnée. A titre d'exemple, un fluide issu d'une source à température moyenne sera introduit dans une spirale dont la température lui est inférieure, sans passer par une spirale plus centrale et potentiellement plus chaude. De cette manière, il est possible de stocker la chaleur à plusieurs températures, et donc d'exploiter davantage de sources.
Selon un second mode de réalisation préféré de l'invention, ledit ensemble de canalisations comporte une pluralité d'hélices concentriques, dont au moins une première hélice comprenant une pluralité de premières spires, une seconde hélice comprenant une pluralité de secondes spires et une troisième hélice comprenant une pluralité de troisièmes spires, et les hélices sont sensiblement concentriques, espacées radialement les unes des autres.
Selon une première possibilité, pour une hélice quelconque de l'ensemble de canalisations, l'une de ses extrémités communique fluidiquement avec l'une des extrémités de l'hélice qui lui est directement consécutive vers l'intérieur, et l'autre de ses extrémités communique fluidiquement avec l'une des extrémités de l'hélice qui lui est directement consécutive vers l'extérieur. Un tel circuit en série permet d'optimiser le gradient de température selon la direction radiale, pour minimiser les pertes thermiques et donc augmenter la température centrale du système souterrain de stockage.
De préférence, les raccordements fluidiques entre les hélices sont réalisés de sorte que le fluide caloporteur circulant du bas vers le haut dans l'une des hélices, circule du haut vers le bas dans les deux hélices qui lui sont directement consécutives respectivement vers l'intérieur et vers l'extérieur. Cela permet une meilleure homogénéité des températures selon l'axe central vertical des hélices. Néanmoins, une solution dans laquelle le sens vertical de circulation du fluide serait le même dans toutes les hélices est également envisageable, sans sortir du cadre de l'invention.
Selon une seconde possibilité de ce second mode, toutes les hélices de l'ensemble de canalisations sont reliées à une unité de contrôle permettant de faire circuler en série le fluide caloporteur dans toutes les hélices, ou bien de faire circuler le fluide caloporteur en série dans une ou seulement certaines de ces hélices. Comme exposé précédemment, en plus d'offrir un gradient thermique radial satisfaisant, cet agencement permet ici aussi de stocker la chaleur à plusieurs températures, et donc d'exploiter davantage de sources.
De préférence, au sein de chaque hélice, le nombre de spires est compris entre 3 et 20, et le nombre d'hélices est compris entre 2 et 20.
Selon un troisième mode de réalisation préféré de l'invention, ledit ensemble de canalisations comporte trois spirales comprenant chacune au moins lesdites première, seconde et troisième spires, les spirales étant sensiblement concentriques et empilées selon la direction de leur axe central vertical. De plus, les deux spirales situées aux extrémités de l'empilement sont chacune étirées dans la direction de leur axe central vertical afin de définir une forme globale tronconique se rétrécissant en allant vers la spirale située au centre de l'empilement et présentant une forme sensiblement plane. En plus du gradient thermique radial, ce troisième mode de réalisation préféré confère un gradient de température selon la direction verticale, avec un point chaud situé au centre du système, au niveau de la spirale située au centre de l'empilement. Le gradient global de température peut ainsi se rapprocher de la forme d'une sphère, avec le point chaud correspondant au centre de la sphère, au niveau duquel est introduit le fluide caloporteur durant une opération de stockage de chaleur dans le système.
De préférence, les trois spirales de l'ensemble de canalisations sont reliées à un même collecteur de fluide caloporteur, ainsi qu'à un même distributeur de fluide caloporteur.
Alternativement et dans le même but que celui exposé précédemment, les trois spirales de l'ensemble de canalisations sont reliées à une unité de contrôle permettant de faire circuler en parallèle le fluide caloporteur dans toutes les spirales, ou bien de faire circuler le fluide caloporteur en parallèle dans une ou seulement certaines de ces spirales.
Par ailleurs, le nombre de spires est préférentiellement compris entre 3 et 20.
Quel que soit le mode de réalisation envisagé, ledit dispositif d'isolation thermique du remblai s'étend sur une épaisseur comprise entre 10 et 100 cm.
De préférence, l'ensemble de canalisations s'étend sur une largeur maximale de 7 m et typiquement de 2 à 3 m, et présente une extrémité basse située à une distance maximale de la surface du sol inférieure à 10 m. Ainsi, le système se révèle peu encombrant, et se situe à forte proximité du sol notamment en comparaison des solutions connues relatives à des échangeurs géothermiques.
Enfin, ledit remblai est au moins en partie entouré d'un dispositif de drainage permettant de limiter les perturbations susceptibles d'être provoquées par une circulation d'eau sur les échanges thermiques souhaités entre le remblai et le fluide caloporteur. Le dispositif de drainage permet également de limiter les perturbations susceptibles d'être provoquées par conduction hydraulique au travers du stock d'eau d'origine souterraine, ou par ruissellement surfacique.
L'invention a également pour objet une installation de production de chauffage et/ou d'eau chaude sanitaire comportant un système souterrain de stockage de chaleur tel que décrit ci-dessus, l'installation étant préférentiellement configurée pour pouvoir amener le fluide caloporteur sortant du système souterrain de stockage sur l'évaporateur d'une pompe à chaleur. Néanmoins, d'autres possibilités de déstockage de chaleur sont possibles, sans sortir du cadre de l'invention. La pompe à chaleur peut aussi avoir vocation à relever la température du stock lors des phases de déstockage.
Quel que soit le mode de réalisation envisagé, les spires ou hélices peuvent être dédoublées afin de dissocier hydrauliquement le circuit dédié à l'apport de chaleur au stock, du circuit dédié au soutirage de chaleur du stock. Les deux circuits sont installés à proximité l'un de l'autre tout en maintenant une distance minimale entre eux, par exemple à l'aide d'écarteurs.
Cette distance permet d'assurer que les tubes ne se touchent pas et que leur entière périphérie est bien en contact direct avec la terre environnante du remblai. L'avantage d'une telle configuration est de simplifier le circuit hydraulique du répartiteur, voire même de le remplacer dans les configurations les plus simples.
Enfin, l'invention a pour objet un bâtiment comprenant une telle installation.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous.
Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ;
- la figure 1 représente une vue schématique d'une installation de production de chauffage et/ou d'eau chaude sanitaire chaude pour bâtiment, selon l'invention ;
- la figure 2 représente une vue en perspective d'un système souterrain de stockage de chaleur équipant l'installation montrée sur la figure précédente ;
- la figure 3 montre une vue en perspective d'un ensemble de canalisations selon un premier mode de réalisation préféré de l'invention, l'ensemble faisant partie intégrante du système souterrain de stockage de chaleur montré sur la figure précédente ;
- la figure 4 est une vue de dessus de l'ensemble de canalisations montré sur la figure précédente ;
- la figure 5 est une vue similaire à celle de la figure 3, avec l'ensemble de canalisations se trouvant dans une configuration de déstockage de chaleur ;
- la figure 6 est une vue similaire à celle de la figure 3, avec l'ensemble de canalisations se trouvant sous la forme d'une alternative de réalisation, et dans une configuration de stockage partiel de chaleur ;
- la figure 7 est une vue similaire à celle de la figure 3, avec l'ensemble de canalisations se trouvant sous la forme d'un second mode de réalisation préféré de l'invention ;
- la figure 8 est une vue similaire à celle de la figure 7, avec l'ensemble de canalisations se trouvant sous la forme d'une alternative de réalisation, et dans une configuration de stockage partiel de chaleur ;
- la figure 9 est une vue similaire à celle de la figure 3, avec l'ensemble de canalisations se trouvant sous la forme d'un troisième mode de réalisation préféré de l'invention ;
- la figure 10 est une vue similaire à celle de la figure 9, avec l'ensemble de canalisations se trouvant sous la forme d'une alternative de réalisation, et dans une configuration de stockage partiel de chaleur ;
- la figure 11 est une vue en perspective du système souterrain de stockage de chaleur similaire à celui montré sur la figure 2 ; et
- la figure 12 représente différentes étapes de fabrication du système montré sur la figure précédente.
En référence tout d'abord à la figure 1, il est représenté une installation 100 de production d'eau chaude sanitaire et de chauffage, selon l'invention. Cette installation 100 est en effet prévue pour produire du chauffage dans un bâtiment 2, grâce à un circuit de chauffage 3 relié à l'installation et comportant des émetteurs thermiques 5 traditionnels installés dans le bâtiment à chauffer, ou un plancher chauffant 22. Elle est également prévue pour produire de l'eau chaude sanitaire, grâce à un circuit d'eau chaude 6.
L'installation en tant que telle comporte plusieurs composants, à savoir tout d'abord une pompe à chaleur 7 qui, de façon classique, comprend un fluide frigorigène circulant successivement à travers un compresseur 14, un condenseur 12, un réducteur de pression 10 également dénommé détendeur, ainsi qu'un évaporateur 16. La pompe à chaleur 7 est agencée au niveau du sol ou dans une pièce de sous-sol du bâtiment 2. Egalement, il est possible d'installer la pompe à chaleur dans un local technique, un garage, ou même dans une zone chauffée puisqu'elle est préférentiellement gainée.
L'installation comprend également un dispositif 20 de production d'énergie solaire, fixé sur le toit du bâtiment 2. Elle peut également comprendre d'autres composants, par exemple un circuit des eaux usées, ou un dispositif d'extraction d'air du type VMC.
Elle comprend enfin un système souterrain de stockage de chaleur 25 spécifique à l'invention, ainsi qu'une une unité de répartition 26 reliant tous ses composants.
Le système de stockage 25, dont plusieurs modes de réalisation préférés vont être décrits ci-après, utilise un remblai comme stock d'énergie thermique sous forme sensible. Grâce à l'unité 26 il est possible d'effectuer un stockage d'énergie dans le système à partir de l'énergie solaire thermique excédentaire provenant du dispositif 20, ou à partir des eaux usées, ou encore à partir de l'extraction d'air du dispositif VMC. Par ailleurs, le déstockage de l'énergie présente dans le système 25 peut être réalisé au profit de la pompe à chaleur 7 en alimentant son évaporateur 16, ou encore en chauffant ou préchauffant directement le fluide du réseau de chauffage ou l'eau sanitaire.
Le répartiteur 26 permet de connecter hydrauliquement et/ou thermiquement les sources d'énergie, usages et stockage. Le module de commande 76 qui sera décrit ci-après, autonome ou intégré au répartiteur 26, permet dans certains modes de réalisation d'orienter le flux hydraulique vers les spires ou hélices du stockage dont la température est la plus adaptée pour stocker ou déstocker la chaleur en fonction du type de source ou d'usage auquel il est connecté. Le répartiteur 26 est composé de vanne(s) commandée(s), échangeur(s) de chaleur et circulateur(s) reliés par un réseau hydraulique. Dans le cas de sources d'énergie ou de distribution de chaleur avec le vecteur air, le répartiteur 26 est également composé de ventilateur(s) et registre(s) reliés par un réseau aéraulique. Le nombre de chaque composant dépend du type de sources, des usages et de l'architecture retenue. Les actionneurs sont pilotés par un régulateur central dont la logique de fonctionnement se base en partie sur des mesures locales de température et/ou de débit. L'unité 76 comprend notamment un jeu de vannes commandées par le régulateur central.
La figure 2 montre de façon plus détaillée le système souterrain de stockage 25, qui comporte tout d'abord un remblai 30 dont la fonction est de former un réservoir de chaleur. Ce remblai 30 se situe sous un dispositif d'isolation thermique 31 agencé au niveau de la surface du sol 32. Il présente une épaisseur « E » comprise entre 10 et 100 cm, et encore plus préférentiellement comprise entre 50 et 100 cm. Il peut être réalisé dans toute matière réputée appropriée pour effectuer une telle isolation thermique du remblai 30 vis-à-vis de l'air extérieur. Ce dispositif d'isolation thermique 31 est également conçu de manière à pouvoir orienter l'eau de pluie vers au moins l'un des côtés du système au niveau duquel se trouve un dispositif de drainage, ou bien conçu de sorte à orienter l'eau de pluie en aval de l'écoulement naturel de cette eau, si le sens écoulement est préalablement déterminé.
Le dispositif d'isolation thermique 31 présente une surface supérieure qui correspond à la surface du sol 32, ou bien cette surface supérieure est recouverte d'une couverture végétale 34 de faible épaisseur, ne dépassant pas quelques centimètres.
Dans le remblai 30, le système de stockage 25 comporte un ensemble de canalisations 40 spécifique à l'invention, et qui sera décrit ultérieurement. Cet ensemble 40, ici de forme générale cylindrique, est également recouvert par le dispositif d'isolation thermique 31 lorsque cet ensemble est vu selon une direction d'un axe central vertical 42 de l'ensemble. Cet axe central vertical 42 correspond à la direction de la profondeur de la terre. Dans cette direction, l'ensemble de canalisations 40 présente une extrémité basse située à une distance maximale « dm » de la surface du sol 32 qui est inférieure à 10 m. Par ailleurs, sa largeur maximale « lm » dans un plan orthogonale à l'axe 42 est inférieure ou égal à 7 m, et de préférence de l'ordre de 3 m. Cette largeur maximale « lm », correspondant sensiblement à un diamètre extérieur de l'ensemble de canalisations 40, est donc inférieure aux côtés du dispositif d'isolation thermique 31, de forme générale parallélépipédique.
L'ensemble 40 est relié fluidiquement à l'unité de répartition 26 par le biais de canalisations 50 représentées schématiquement sur la figure 1, ces canalisations pouvant traverser le dispositif d'isolation thermique 31.
Le remblai 30 et l'ensemble de canalisations 40 sont au moins partiellement entourés d'un dispositif de drainage 54 faisant partie intégrante du système de stockage 25. Selon une première possibilité adoptée lorsque le sens d'écoulement de l'eau de pluie n'est pas déterminé, le dispositif de drainage 54 protège toute la partie latérale ainsi que la partie inférieure du système 25. Le dispositif de drainage 54 forme ainsi une sorte d'enveloppe recevant le remblai 30 et l'ensemble de canalisations 40, en étant uniquement ouvert vers le haut et fermé par le dispositif isolation thermique 31. Ce dispositif 54 permet ensuite de faire circuler l'eau dans une tranchée 66 de taille réduite située au fond du système, afin de minimiser la perturbation de ce dernier.
Les matériaux utilisés pour la réalisation du dispositif de drainage 54 sont ceux classiquement mis en œuvre pour l'obtention d'un drain, par exemple des cailloux et un tissu géotextile.
Une autre réalisation du dispositif de drainage 54 est montrée sur la figure 11, correspondant à une situation dans laquelle le sens d'écoulement de l'eau de pluie ou de l'eau souterraine est déterminé. Ce sens d'écoulement est représenté par la flèche 56 sur la figure 11. Le dispositif 54 comporte alors un premier mur vertical drainant 58 situé contre le dispositif d'isolation thermique 31, sur une face amont de ce dernier. Le bas de ce premier mur 58 est raccordé à un prolongement horizontal 60 cheminant sous le dispositif 31, et à partir duquel s'étend un second mur vertical drainant 62 en appui contre le remblai 30, sur une face amont de ce dernier en rapport avec le sens d'écoulement 56 de l'eau de pluie.
Le second mur drainant 62 s'étend jusqu'au bas du système de stockage 25. Une première tranchée drainante 64 chemine ensuite sous le remblai 30, perpendiculairement au second mur 62. La base du mur 62 est inclinée en forme de trémie de sorte que l'eau soit collectée uniquement à son intersection avec la première tranchée 64, à savoir au centre de la base de ce mur.
A son extrémité aval, la première tranchée 64 communique avec une seconde tranchée drainante 66 orthogonale à celle-ci, et agencée sous la face aval du remblai 30. Cette seconde tranchée drainante 66 peut prendre la forme d'un puits à fond perdu.
L'épaisseur des murs et des tranchées est typiquement comprise entre 10 et 40 cm.
Pour la fabrication du système de stockage intégrant un tel dispositif de drainage, les différentes étapes mises en œuvre sont schématisées sur la figure 12. Elles comprennent en particulier :
a) l'excavation de la terre, de façon à définir une cavité 57 ;
b) la réalisation des tranchées 64 et des murs drainants 58, 62 ;
c) la mise en place de l'ensemble de canalisations 40 dans la cavité 57 ;
d) le remblayage de la cavité, avec la terre excavée éventuellement mélangée à du sable ou remplacée par du sable ;
e) la mise en place du dispositif d'isolation thermique 31 au-dessus du remblai ; et
f) la mise en place de la couverture végétale 34 au-dessus du dispositif d'isolation thermique 31.
En référence à présent aux figures 3 et 4, il va être décrit un premier mode de réalisation pour l'ensemble de canalisations 40, qui comprend ici trois spirales 70 sensiblement planes espacées les unes des autres selon la direction de leur axe commun 42. Ces spirales 70 sont ainsi concentriques et de mêmes dimensions, et comprennent chacune un nombre de spires préférentiellement compris entre 3 et 20. Ici, les spires sont planes et prévues au nombre de 5, toutes bien évidemment centrées sur l'axe central vertical 42. Il s'agit pour chaque spirale 70 d'une première spire SI, d'une seconde spire S2 de grandeur supérieure à la première et située dans la continuité de celle-ci, d'une troisième spire S3 de grandeur supérieure à la seconde et située dans la continuité de celle-ci, d'une quatrième spire S4 de grandeur supérieure à la troisième et située dans la continuité de celle-ci, et enfin d'une cinquième spire S5 de grandeur supérieure à la quatrième et située dans la continuité de celle-ci.
Les premières spires SI de chaque spirale 70 sont reliées en haut de l'ensemble 40 à un même distributeur 72 de fluide caloporteur, tandis que les cinquièmes spires S5 de chaque spirale 70 sont reliées en haut de l'ensemble 40 à un même collecteur 74 de fluide caloporteur. Le distributeur 72 et le collecteur 74 sont prévus dans le remblai et cheminent ensuite jusque dans l'unité de répartition 26 de l'installation en formant les canalisations 50 précitées, ou bien le distributeur 72 et le collecteur 74 sont prévus seulement au sein de l'unité
26.
Grâce à cet agencement, en configuration de stockage de chaleur telle que représentée sur la figure 3, le fluide caloporteur apporté par le distributeur 72 peut ainsi pénétrer d'abord au centre de l'ensemble 40 dans les trois premières spires SI, puis se propager selon la direction radiale 73 en allant vers l'extérieur, en empruntant successivement les secondes spires S2, les troisièmes spires S3, les quatrièmes spires S4 puis enfin les cinquièmes spires S5 avant de rejoindre le collecteur 74. Au cours de cette propagation du fluide au sein de l'ensemble 40, radialement de l'axe central vertical 42 vers sa périphérie, le fluide se refroidit progressivement. En effet, le fluide chaud est d'abord introduit au centre de l'ensemble 40, correspondant l'endroit où le remblai 30 est le plus chaud au sein du système. L'écart de température est ainsi optimisé. Ce principe s'observe tout le long des canalisations formées par les spires, car le fluide refroidi se propage ensuite vers des zones plus froides du remblai concerné par ces échanges thermiques se produisant au sein du système souterrain de stockage 25. Les pertes thermiques à la périphérie du système s'en trouvent avantageusement améliorées.
Un principe analogue s'observe lors d'une configuration de déstockage de chaleur schématisée sur la figure 5. Comme le montrent les flèches sur cette figure, en configuration de déstockage mettant en œuvre les trois spirales 70, le fluide caloporteur transite radialement vers l'intérieur des cinquièmes spires S5 vers les premières spires SI. Le distributeur 72 remplit ainsi la fonction de collecteur pour l'ensemble de canalisations 40, de même que le collecteur 74 remplit la fonction de distributeur pour cet ensemble.
La figure 6 montre une alternative pour le premier mode de réalisation. Au lieu d'avoir les entrées et sorties des spirales 70 raccordées à un distributeur et à un collecteur, elles se raccordent à une unité de contrôle 76. Celle-ci pourrait être intégrée à l'unité de répartition 26 de l'installation, ou bien former une unité déportée de l'unité principale 26, et placée par exemple au plus près d'une extrémité haute de l'ensemble de canalisations 40. Cette unité de contrôle 76 peut être commandée de sorte que le fluide caloporteur circule en parallèle dans toutes les trois spirales 70, formant ainsi un agencement similaire à celui rencontré dans la réalisation des figures 3 à 5. D'autres commandes sont néanmoins possibles, comme celle visant à faire circuler le fluide caloporteur en parallèle dans une unique spirale, ou bien seulement dans certaines de ces spirales. Sur la figure 6, il a été représenté un état dans lequel le fluide circule seulement dans la spirale 70 du fond, pour venir stocker de la chaleur uniquement à cet endroit du système. Cela permet de réaliser un stockage de chaleur avec une source de fluide dont la température est supérieure à celle du remblai autour de la spirale du fond, mais inférieure à la température du remblai autour de la spirale centrale la plus chaude. Une telle segmentation de l'ensemble de canalisations 40 permet d'exploiter davantage de sources de chaleur en provenance du bâtiment, sans dégrader l'aspect thermique de certaines parties chaudes du système.
Bien évidemment, dans certaines circonstances, ce sont par exemple les deux spirales du fond et du haut qui peuvent être mises en œuvre en parallèle, sans solliciter la spirale centrale formant le cœur chaud du système.
Selon un second mode de réalisation préféré de l'invention montré sur la figure 7, il est prévu trois hélices concentriques 80, d'axe 42 correspondant à l'axe central vertical des spires qui les constituent. En effet, les spires ne sont ici plus planes, mais elles forment des parties d'hélices en conservant chacune un même rayon et en présentant deux extrémités opposées décalées verticalement le long de l'axe 42.
Chacune des trois hélices 80 comporte une pluralité de spires, par exemple de mêmes dimensions, ici cinq spires comme montré sur la figure 7. L'hélice intérieure, également dénommée première hélice, compte ainsi cinq premières spires SI, tandis que l'hélice intermédiaire, dénommée seconde hélice, compte cinq secondes spires S2 de plus grandes dimensions que les premières. Enfin, l'hélice radialement extérieure, dite troisième hélice, compte cinq troisièmes spires S3 de plus grandes dimensions que les secondes spires.
Les trois hélices 80 espacées radialement les unes des autres sont raccordées entre elles en série. Ces raccordements sont réalisés de telle sorte qu'en configuration de stockage comme représentée sur la figure 7, le fluide caloporteur soit amené d'abord dans la première spire du bas. II circule ensuite vers le haut dans les premières spires SI de l'hélice intérieure 80, dont l'extrémité haute communique fluidiquement avec l'extrémité haute de l'hélice intermédiaire qui lui est directement consécutive radialement vers l'extérieur. Ensuite, le fluide circule vers le bas dans les secondes spires S2 de l'hélice intermédiaire 80, dont l'extrémité basse communique fluidiquement avec l'extrémité basse de l'hélice extérieure qui lui est directement consécutive radialement vers l'extérieur. Enfin, le fluide circule ensuite vers le haut dans les troisièmes spires S3 de l'hélice extérieure 80, avant d'être extrait de l'ensemble de canalisation 40.
En configuration de déstockage, le chemin emprunté par le fluide caloporteur est inversé, à savoir qu'il se propage radialement vers l'intérieur dans le sens du gradient positif de température, en allant des troisièmes spires S3 vers les premières spires SI.
Pour ce second mode de réalisation préféré de l'invention, une alternative est représentée sur la figure 8. Comme pour le premier mode, les entrées et les sorties des hélices 80 sont raccordées à une unité de contrôle 76 permettant ici de faire circuler en série le fluide caloporteur dans toutes les hélices 80, ou bien de faire circuler le fluide caloporteur en série dans une ou seulement certaines de ces hélices. Dans l'exemple montré sur la figure 8, l'unité de contrôle 76 place ici l'ensemble 40 dans une configuration de stockage partiel dans laquelle seules l'hélice intermédiaire et l'hélice extérieure sont actives. Le fluide introduit dans le système ne transite ainsi pas dans l'hélice intérieure. Cette configuration peut être adoptée en particulier lorsque le fluide caloporteur provenant du bâtiment se trouve à une température supérieure à celle de la partie du remblai autour de l'hélice intermédiaire, mais inférieure à la température de la partie du remblai autour de l'hélice intérieure plus chaude. Une telle segmentation de l'ensemble de canalisations 40 permet d'exploiter davantage de sources de chaleur en provenance du bâtiment, sans dégrader l'aspect thermique de certaines parties chaudes du système.
Enfin, le troisième mode de réalisation représenté sur la figure 9 est similaire au premier mode de réalisation décrit précédemment. Pour cette raison, sur les figures, les éléments portant les mêmes références numériques correspondent à des éléments identiques ou similaires.
La principale différence avec le premier mode de réalisation réside dans le fait que les spirales supérieure et inférieure 70 sont étirées selon l'axe central vertical 42. La spirale centrale 70 reste quant à elle sensiblement plane.
Les trois spirales 70 restent ainsi concentriques, en étant empilées selon la direction de leur axe central vertical 42 et avec les deux spirales situées aux extrémités de l'empilement qui sont chacune étirées selon cette même direction. L'étirement de chacune d'elles est réalisé afin de définir une forme globale tronconique se rétrécissant en allant vers la spirale située au centre de l'empilement. Par conséquent, les deux spirales concernées ont leur extrémité de section réduite qui se font face, en se rejoignant au niveau de la spirale centrale. D'autre part, chaque spire de ces deux spirales d'extrémité présente un rayon croissant ainsi que des extrémités opposées décalées l'une de l'autre le long de l'axe 42.
II est possible d'ajouter des spirales étirées 70' agencées en position intermédiaire entre les spirales extrêmes et la spirale plane centrale, comme cela est visible sur la figure 9a. Dans ce cas, les deux spirales 70 situées aux extrémités de l'empilement pénètrent chacune dans l'une des deux spirales intermédiaires 70', qui présentent par rapport à la verticale un angle supérieur à celui des spirales 70 supérieure et inférieure ainsi qu'une hauteur inférieure.
Dans ce troisième mode de réalisation, les entrées et les sorties des spirales 70 sont raccordées à un unique distributeur 72 et un unique collecteur 74. Par conséquent, le fluide circule en parallèle dans les trois spires, radialement vers l'extérieur en configuration de stockage de chaleur. Pour accentuer la température au centre du système selon la direction verticale, le fluide circule du bas vers le haut dans la spirale du haut, tandis qu'il circule du haut vers le bas dans la spirale du bas. Le gradient global de température se rapproche alors de la forme d'une sphère, avec le point chaud correspondant au centre de la sphère. Les échanges thermiques observés durant les opérations de stockage de chaleur permettent ainsi de fortement limiter les pertes thermiques. Des avantages analogues sont obtenus durant les opérations de déstockage, au cours desquelles le fluide circule dans des sens opposés dans les spirales 70.
Enfin, la figure 10 montre une alternative pour la mise en œuvre de ce second mode, avec l'implantation d'une unité de contrôle 76 dont la fonction est identique à celle décrite en référence aux moyens analogues de la figure 6, à savoir qu'elle permet une segmentation de l'ensemble de canalisations 40.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs. En particulier, les différents modes de réalisation décrits ci-dessus sont combinables, et les éléments qui les constituent sont interchangeables.

Claims (20)

  1. REVENDICATIONS
    1. Système souterrain de stockage de chaleur (25) comprenant :
    - un remblai (30) formant réservoir de chaleur,
    - un ensemble (40) de canalisations destinées à la circulation d'un fluide caloporteur, l'ensemble étant agencé dans ledit remblai (30) et présentant un axe central vertical (42) ; et
    - un dispositif (31) d'isolation thermique dudit remblai, le dispositif étant agencé au niveau de la surface du sol (32) de manière à recouvrir le remblai et l'ensemble de canalisations, caractérisé en ce que ledit ensemble de canalisations (40) est configuré de manière à ce que dans au moins une configuration de stockage de chaleur, le fluide caloporteur se propage au sein de l'ensemble dans une direction radiale (73) allant de l'axe central vertical (42) vers la périphérie de l'ensemble, en empruntant successivement au sein de ce dernier au moins une première spire (SI), au moins une seconde spire (S2) de grandeur supérieure à la première, ainsi qu'au moins une troisième spire (S3) de grandeur supérieure à la seconde, les première, seconde et troisième spires étant centrées sur ledit axe central vertical (42).
  2. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit ensemble de canalisations (40) comporte une pluralité de spirales (70) comprenant chacune au moins lesdites première, seconde et troisième spires (S1-S3), et en ce que les spirales sont sensiblement concentriques, espacées les unes des autres selon la direction de leur axe central vertical (42).
  3. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'au sein de chaque spirale (70), le nombre de spires est compris entre 3 et 20.
  4. 4. Système selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que le nombre de spirales (70) est compris entre 1 et 6.
  5. 5. Système selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que toutes les spirales (70) de l'ensemble de canalisations (40) sont reliées à un même collecteur (74) de fluide caloporteur, ainsi qu'à un même distributeur (72) de fluide caloporteur.
  6. 6. Système selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que toutes les spirales (70) de l'ensemble de canalisations (40) sont reliées à une unité de contrôle (76) permettant de faire circuler en parallèle le fluide caloporteur dans toutes les spirales, ou bien de faire circuler le fluide caloporteur en parallèle dans une ou seulement certaines de ces spirales (70).
  7. 7. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit ensemble de canalisations (40) comporte une pluralité d'hélices concentriques (80), dont au moins une première hélice comprenant une pluralité de premières spires (SI), une seconde hélice comprenant une pluralité de secondes spires (S2) et une troisième hélice comprenant une pluralité de troisièmes spires (S3), et en ce que les hélices sont sensiblement concentriques, espacées radialement les unes des autres.
  8. 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que pour une hélice (80) quelconque de l'ensemble de canalisations (40), l'une de ses extrémités communique fluidiquement avec l'une des extrémités de l'hélice qui lui est directement consécutive vers l'intérieur, et l'autre de ses extrémités communique fluidiquement avec l'une des extrémités de l'hélice qui lui est directement consécutive vers l'extérieur.
  9. 9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que les raccordements fluidiques entre les hélices sont réalisés de sorte que le fluide caloporteur circulant du bas vers le haut dans l'une des hélices (80), circule du haut vers le bas dans les deux hélices (80) qui lui sont directement consécutives respectivement vers l'intérieur et vers l'extérieur.
  10. 10. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que toutes les hélices (80) de l'ensemble de canalisations (40) sont reliées à une unité de contrôle (76) permettant de faire circuler en série le fluide caloporteur dans toutes les hélices, ou bien de faire circuler le fluide caloporteur en série dans une ou seulement certaines de ces hélices (80).
  11. 11. Système selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce qu'au sein de chaque hélice (80), le nombre de spires est compris entre 3 et 20.
  12. 12. Système selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que le nombre d'hélices (80) est compris entre 2 et 20.
  13. 13. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit ensemble de canalisations (40) comporte trois spirales (70) comprenant chacune au moins lesdites première, seconde et troisième spires (S1-S3), en ce que les spirales (70) sont sensiblement concentriques et empilées selon la direction de leur axe central vertical (42), et en ce que les deux spirales situées aux extrémités de l'empilement sont chacune étirée dans la direction de leur axe central vertical (42) afin de définir une forme globale tronconique se rétrécissant en allant vers la spirale située au centre de l'empilement et présentant une forme sensiblement plane.
  14. 14. Système selon la revendication 13, caractérisé en ce que les trois spirales (70) de l'ensemble de canalisations sont reliées à un même collecteur (74) de fluide caloporteur, ainsi qu'à un même distributeur (72) de fluide caloporteur.
  15. 15. Système selon la revendication 13, caractérisé en ce que les trois spirales (70) de l'ensemble de canalisations (40) sont reliées à une unité de contrôle (76) permettant de faire circuler en parallèle le fluide caloporteur dans toutes les spirales (70), ou bien de faire circuler le fluide caloporteur en parallèle dans une ou seulement certaines de ces spirales (70).
  16. 16. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit dispositif (31) d'isolation thermique du remblai (30) s'étend sur une épaisseur comprise entre 10 et 100 cm.
  17. 17. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble de canalisations (40) s'étend sur une largeur maximale de 7 m, en ce qu'il présente une extrémité basse située à une distance maximale de la surface du sol inférieure à 10 m.
  18. 18. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit remblai (30) est au moins en partie entouré d'un dispositif de drainage (54).
  19. 19. Installation (100) de production de chauffage et/ou d'eau chaude sanitaire comportant un système souterrain de stockage de chaleur (25) selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'installation étant préférentiellement configurée pour pouvoir amener le fluide caloporteur sortant du système souterrain de stockage, sur l'évaporateur (16)
    5 d'une pompe à chaleur (7).
  20. 20. Bâtiment (2) comprenant une installation (100) selon la revendication précédente.
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