FR3144268A1 - Système d’échange thermique par boucle d’échange géothermique associé a à des sources de chaleur additionnelles - Google Patents
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Abstract
Système d’échange thermique formant réseau thermique, comprenant (a) au moins un système à double boucle d’échange thermique (1) hydrauliquement liées, (b) au moins une unité de production d’énergie thermique (2), (c) au moins une unité de récupération d’énergie thermique (3b,18), (d) au moins un dispositif de stockage de chaleur (11) permettant d’assurer la régulation thermique dudit système à double boucles d’échange thermique (1) par apport de chaleur complémentaire, (e) au moins un dispositif utilisateur (7) d’énergie thermique, et (f) au moins un conduit (13) pour véhiculer un fluide caloporteur entre ladite au moins une unité (2) de production ou de récupération d’énergie thermique et ledit au moins un dispositif utilisateur (7) d’énergie thermique, ledit système d’échange thermique étant caractérisé en ce que : - ledit au moins un conduit (1) véhiculant ledit fluide caloporteur (13) est équipé d’un au moins dispositif de récupération d’énergie thermique (3b,5,11), et comprend en particulier un capteur solaire thermique (3b), ledit capteur solaire thermique étant en connexion fluidique, par l’intermédiaire de conduits (30,31) dans lesquels circule du fluide caloporteur (13), avec un diffuseur thermique (32) enterré au-dessous du système à double boucles d’échange thermique (1). Figure pour l'abrégé : figure 1
Description
La présente invention concerne le domaine des systèmes d’échange thermiques pour le chauffage utilisant une source géothermique horizontale associée à une pompe à chaleur. Plus précisément elle porte sur un système de gestion de chaleur utilisant au moins deux boucles d’échange thermique en contact fluidique, qui comporte au moins une unité de production d’énergie thermique (de type pompe à chaleur ou autre technologie équivalente à l’usage), au moins une unité de captage thermique solaire, au moins un dispositif utilisateur d’énergie thermique et au moins un conduit pour véhiculer un fluide caloporteur entre ladite au moins une unité de production d’énergie thermique et ledit au moins un dispositif utilisateur d’énergie thermique.
Les réseaux de chauffage à distance, appelés couramment chauffages urbains ou réseaux de chaleur urbain, comportent habituellement au moins une paire de conduits, dont le premier appelé « tube aller » est connecté entre une source chaude et au moins un dispositif consommateur d’énergie thermique, par l’intermédiaire d’un point de soutirage, et dont le second, appelé « tube retour » est connecté entre le point de soutirage et la source chaude pour ramener le fluide caloporteur refroidi dans le réseau. Ces réseaux permettent d’alimenter le dispositif consommateur, qui est par exemple un immeuble, un bâtiment utilitaire ou similaire, en calories prélevées dans le fluide caloporteur. Dans certains cas de réalisation, les conduits sont distincts et disposés parallèlement l’un par rapport à l’autre. De tels systèmes sont décrit dans les documents WO 90/04743 A1, WO 95/20134 A1, EP 2 837 895 A3, WO 2015/161987 A1, WO 2018/010035 A1.
Dans d’autres cas, les conduits utilisés sont composés d’un tube métallique central, par exemple en acier, entouré d’une couche épaisse d’un matériau isolant pour assurer l’isolation thermique du tube central, l’ensemble étant entouré d’un conduit annulaire étanche, qui constitue le conduit de retour. La couche épaisse de matériau isolant est typiquement réalisée en une matière synthétique, telle que par exemple une mousse en polyuréthane. Le conduit annulaire périphérique peut être réalisé en un matériau synthétique ou en métal. Pour une telle réalisation, le tube devra être isolé avec soins pour éviter une trop forte perte de chaleur dans le terrain environnant.
Comme cela est décrit dans les documents cités ci-dessus, ces installations utilisent habituellement comme source chaude soit un générateur d’eau chaude soit un générateur de vapeur d’eau et le fluide caloporteur est, selon le cas, de l’eau chaude ou de la vapeur surchauffée, portée à une température élevée. La déperdition de chaleur dans les conduits qui véhiculent le fluide caloporteur, est en principe proportionnelle, par unité de longueur, à la différence entre la température du fluide caloporteur et l’environnement des conduits qui le véhiculent, de sorte que, dans les installations connues, soit les isolations sont très performantes, et par conséquent très coûteuses, soit les pertes en énergie sont très élevées et les installations perdent en efficacité. Dans les deux cas, le bilan énergétique est médiocre et les coûts des installations ainsi que les coûts d’exploitation sont très élevés.
Il en résulte que les réseaux de chauffage urbain actuels, sont basés sur le principe suivant : En phase 1, on pressurise un liquide caloporteur afin d’en augmenter le point d’ébullition et permettre le stockage d’une plus grande quantité d’énergie. En phase 2, on fournit à un fluide caloporteur une quantité d’énergie suffisante pour permettre à ce dernier d’amener de l’énergie calorifique en suffisance pour assurer les besoins en chaleur aux abonnés du réseau alimenté par ledit fluide caloporteur. En phase 3, on met ledit fluide caloporteur « chargé » en circulation dans le conduit « aller » de telle manière que les consommateurs puissent être approvisionnés à travers leur point de soutirage ; en vue d’éviter au mieux les pertes, les conduits doivent être isolés efficacement. En phase 4, on met ledit fluide caloporteur « déchargé » en circulation dans le circuit « retour », pour le ramener vers la source de chaleur pour le recharger ; comme pour la phase 2, en vue d’éviter au mieux les pertes, les conduits doivent être isolés efficacement.
Ces réseaux de distributions actuels sont ainsi pénalisés aussi bien en ce qui concerne leur installation que leur exploitation en raison des coûts de production de l’énergie, des coûts de mise en œuvre du réseau nécessitant plusieurs conduits, des coûts liés à la nécessaire pressurisation et isolation dudit réseau et des coûts de maintenance qui en découlent. Ce constat ne tient pas compte des coûts de dégradations éventuelles sur les infrastructures ou l’environnement provoquées par la rupture inopinée d’une canalisation pressurisée à haute température.
Alternativement, un réseau de distribution de chaleur peut être conçu comme un réseau anergie. Le terme « anergie » désigne habituellement la récupération et la mutualisation des énergies dites « perdues » ou contenus dans des flux caractérisés par une différence de température (notamment les divers rejets thermiques appelés souvent « chaleur fatale »). Dans un réseau anergie la distribution se fait au travers d’un réseau basse température. Ces systèmes peuvent comprendre des pompes à chaleur et/ou une boucle géothermique. Ils soulèvent le problème du stockage de l’énergie thermique.
A ce titre, l’utilisation d’une double boucle d’eau géothermique présente une capacité de stockage d’énergie délimitée par le volume de l’eau contenu dans la boucle et l’horizon (terrain) qui l’entoure. Pour le chauffage d’une maison individuelle, on dispose typiquement d’un terrain suffisamment grand pour pouvoir installer des boucles géothermiques renfermant un volume d’eau suffisant. Par ailleurs, le caractère saisonnier du besoin en chauffage résidentiel permet au terrain qui entoure la boucle géothermique et qui sert comme source d’énergie thermique basse température de se réchauffer pendant la saison chaude. Pour assurer le bon fonctionnement des pompes à chaleur, on cherche à maintenir le fluide caloporteur dans la boucle Aller dans une plage de température qui est typiquement de l’ordre de 15 °C à 17 °C.
On peut ajouter à un tel système un réservoir d’eau, mais cela mobilise une grande quantité d’eau (souvent plusieurs milliers de m3), pour une autonomie assez limitée. Ainsi, pour les besoins thermiques plus importants ou lorsque le volume d’eau et/ou la dimension du terrain dans lequel la boucle géothermique a été installée est insuffisant, en cas de soutirage massif (lié à l’utilisation de plusieurs pompes à chaleur (abrégé PAC) de forte puissance par exemple), la capacité énergétique du seul volume de liquide contenu dans la boucle ne suffira plus à couvrir les besoins des PAC. Cela peut conduire à une baisse de température du terrain géothermique et à l’annihilation de la différence de température dont le système a besoin pour pouvoir extraire des calories. Ainsi le sol sur lequel le système est installé se refroidit et l’efficacité globale et la capacité de chauffage du système diminuent. Si cela pose un problème à long terme même pour les unités de stockage saisonnier, ce problème limite fortement le potentiel d’utilisation pour des applications industrielles.
Objets de l’invention
Selon l’invention, les inconvénients mentionnés sont surmontés par un système d’échange thermique formant réseau thermique, comprenant (a) au moins un système à double boucles d’échange thermique hydrauliquement liées, (b) au moins une unité de production d’énergie thermique ou de récupération d’énergie thermique (c), au moins un dispositif de stockage de chaleur permettant d’assurer la régulation thermique dudit système à double boucles d’échange thermique par apport de chaleur complémentaire, (d) au moins un dispositif utilisateur d’énergie thermique, et (e) au moins un conduit pour véhiculer un fluide caloporteur entre ladite au moins une unité de production ou de récupération d’énergie thermique et ledit au moins un dispositif utilisateur d’énergie thermique,
dans lequel réseau thermique ledit dispositif utilisateur d’énergie thermique est équipé d’au moins un point de soutirage de fluide caloporteur d’au moins un point d’injection pour réinjecter ledit fluide caloporteur dans ledit réseau thermique, et dans lequel réseau thermique au moins un conduit, et de préférence ledit système à double boucles d’échange thermique, est disposé dans une tranchée ménagée dans le terrain environnant et comblée avec des matériaux de remblayage,
ledit système d’échange thermique étant caractérisé en ce que :
- ledit système d’échange thermique comporte des moyens de contrôle et de régulation pour maintenir la température moyenne dudit fluide caloporteur à une valeur différente de la température moyenne du terrain environnant,
- ledit point de soutirage est associé à une pompe à chaleur pour extraire de l’énergie thermique dudit fluide caloporteur pour alimenter ledit dispositif utilisateur,
- ledit point d’injection est associé à une unité de production ou de récupération d’énergie thermique,
- ledit au moins un conduit véhiculant ledit fluide caloporteur fait partie d’une unité de stockage d’énergie thermique, ou est constitué par cette dernière,
- ledit au moins un conduit véhiculant ledit fluide caloporteur est équipé d’un au moins dispositif de récupération d’énergie thermique, et comprend en particulier un capteur solaire thermique. Ledit capteur solaire thermique est en connexion fluidique, par l’intermédiaire de conduits dans lesquels circule du fluide caloporteur, avec un diffuseur thermique enterré au-dessous du système à double boucles d’échange thermique.
Ce système présente l’avantage de fonctionner à pression atmosphérique et à température modulée ; son fonctionnement, et en particulier l’échange des flux thermiques, peut être contrôlé et piloté par des dispositifs de régulation et contrôle spécialement configurés. Ce système présente une grande efficacité thermique et une grande efficience économique. Il est conçu pour démultiplier la capacité des sources d’énergie thermique naturelles existantes localement en captant l’énergie thermique libre et disponible pour l’intégrer automatiquement dans le réseau, pour stocker de manière efficace l’énergie thermique disponible non utilisée à l’instant, pour restituer et distribuer l’énergie stockée en fonction des besoins des utilisateurs, et pour échanger de l’énergie thermique entre les différentes boucles d’un même réseau au moyen d’échangeurs thermiques (de type échangeur thermique à plaques ou autre technologie équivalente à l’usage). En outre, le système peut être doté de générateurs d’énergie électrique photovoltaïque, pour accroître encore son efficience et pour le rendre largement ou totalement autonome en énergie primaire nécessaire pour le fonctionnement des équipements électriques de production ou de distribution (pompes à chaleur, pompes de circulation, etc.) qui lui sont associés.
Selon certains aspects de l’invention :
- Le système à double boucles d’échange thermique comporte un conduit véhiculant ledit fluide caloporteur et est au moins en partie constitué d’un matériau conducteur de chaleur, et peut être au moins indirectement en contact avec un matériau à changement de phase.
- Le système d’échange thermique comporte un conduit véhiculant ledit fluide caloporteur et pouvant constituer une unité de stockage d’énergie thermique.
- Ledit conduit véhiculant ledit fluide caloporteur dudit système à double boucles d’échange thermique est au moins en partie constitué d’un matériau conducteur de chaleur. Il peut être au moins indirectement en contact avec un matériau à changement de phase.
- Le système d’échange thermique comporte un point d’injection associé à au moins une unité de production d’énergie thermique ou de récupération d’énergie thermique (qui peut être par exemple de l’énergie thermique fatale ou tout autre énergie thermique issue de source naturelle), via un dispositif de type échangeur thermique.
- Le système d’échange thermique comporte un point de soutirage associé à au moins une pompe à chaleur pour extraire de l’énergie thermique dudit fluide caloporteur pour alimenter ledit dispositif utilisateur.
- Le système d’échange thermique comporte un conduit véhiculant ledit fluide caloporteur pouvant être équipé d’un dispositif de vidange dudit fluide caloporteur et d’un dispositif de remplissage dudit fluide caloporteur.
- Le système d’échange thermique comporte un dispositif de stockage thermochimique permettant d’assurer la régulation de chaleur de la boucle d’échange. Sa capacité de stockage est avantageusement au moins deux fois, plus préférentiellement au moins trois fois, et encore plus préférentiellement au moins quatre fois supérieure à celle de l’eau, et s’élève de manière avantageuse à au moins 200 kWh/m3, préférentiellement à au moins 250 kWh/m3, et encore plus préférentiellement à au moins 300 kWh/m3.
- Le système d’échange thermique comporte un système de production d’énergie électrique autonome de type panneaux photovoltaïques (ou autre technologie équivalente à l’usage) permettant de couvrir, selon la configuration de l’installation et son usage, tout ou partie des besoins en énergie primaire de celle-ci. Pour une plus large couverture des besoins, le système de production d’énergie électrique autonome pourra être associé à un système de stockage d’énergie électrique (de type batterie lithium-ion ou autre technologie équivalente à l’usage) dimensionné en fonction des besoins.
- Le système d’échange thermique comporte un système de contrôle et de régulation des flux permettant d’optimiser leur efficience énergétique et leur distribution entre les unités de production d’une même boucle ou d’un même réseau de boucles.
- Lesdits moyens de contrôle et de régulation comportent des capteurs de température, de fonctionnement, de pression et des vannes de contrôle du volume et/ou de la vitesse de circulation du fluide caloporteur pour réguler sa valeur opérationnelle en fonction du niveau de demande. Avantageusement, lesdits unités de contrôle et de régulation échangent entre unités d’un même réseau (ou même boucle) afin d’organiser et optimiser la distribution des flux de chaleur.
Selon un mode de réalisation avantageux, ledit au moins un conduit véhiculant ledit fluide caloporteur, déposé dans ladite tranchée ménagée dans le terrain environnant, est noyé dans une masse de matériaux fractionnés remplissant au moins partiellement ladite tranchée, lesdits matériaux fractionnés pouvant comprendre au moins un premier matériau à changement de phase. Dans ce mode de réalisation, ledit remblai de matériaux fractionnés remplissant au moins partiellement ladite tranchée, est avantageusement directement en contact avec la paroi du tube formant le au moins un conduit véhiculant ledit fluide caloporteur ; lesdites parois de ce tube formant ledit conduit sont thermiquement conductrices.
Selon un autre mode de réalisation, qui peut être combiné avec tous les autres, le système d’échange thermique selon l’invention comporte un dispositif de stockage thermique d’appoint utilisant le principe thermochimique de production de chaleur par association de deux composants (un sel tel que le bromure de strontium, et de l’eau) permettant de réguler la température de la boucle d’échange. Dans le cadre de la présente invention, l’expression « réguler la température » de la boucle d’échange signifie d’éviter son refroidissement au-dessous d’une température où elle peut encore capter des calories dans le terrain, ce qui implique le réchauffement, direct ou indirect (par le réchauffement du terrain) de la double-boucle d’échange thermique et/ou au moins une corbeille géothermique. En phase de charge (i.e. par un apport de chaleur au dispositif de stockage d’appoint) l’énergie thermique captée sur les panneaux solaires permet la séparation des composants par évaporation (stockage). En phase de décharge, la recombinaison des composants produit une réaction exothermique permettant de réguler la température de la boucle.
Selon un mode de réalisation avantageux ledit au moins un conduit pour véhiculer un fluide caloporteur est disposé à l’intérieur d’une gaine périphérique contenant au moins un matériau à changement de phase et dans lequel les parois de ladite gaine périphérique sont thermiquement conductrices.
Plus précisément, dans une variante de ce mode de réalisation, ledit au moins un conduit pour véhiculer un fluide caloporteur comporte un tube intérieur disposé à l’intérieur d’une gaine périphérique contenant au moins un deuxième matériau à changement de phase et dans lequel les parois de ladite gaine périphérique sont thermiquement conductrices.
Ladite gaine périphérique comprenant au moins un premier matériau à changement de phase, est placée dans une tranchée ménagée dans le terrain environnant et est au moins partiellement noyée dans une masse de matériaux fractionnés. Pour augmenter l’efficacité du système, ledit deuxième matériau à changement de phase est avantageusement différent dudit premier matériau à changement de phase.
Selon un mode de réalisation avantageux, ledit premier matériau à changement de phase est de l’acide formique. Ledit deuxième matériau à changement de phase est avantageusement un composé de particules solides à la température d’utilisation et inerte par rapport à des matériaux minéraux de remplissage de ladite tranchée.
Selon un mode de réalisation pouvant être combiné avec tous les autres modes de réalisation et variantes avec lesquels et lesquelles il est compatible, ledit deuxième matériau à changement de phase est incorporé dans des segments longitudinaux constitués de paires de demi-coques emboîtées, montées à la périphérie dudit au moins un conduit. Avantageusement, chaque demi-coque de chacune des paires de demi-coques emboîtées comporte avantageusement une enveloppe sensiblement semi-cylindrique et une masse de remplissage qui est au moins partiellement constituée dudit matériau à changement de phase.
Lesdits moyens de production d’énergie primaire sont dimensionnés en fonction des besoins définis et l’énergie primaire produite est autoconsommées ou injectée au réseau d’alimentation électrique.
La présente invention et ses principaux avantages apparaîtront mieux dans la description de modes de réalisation avantageux, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
Les repères numériques suivants sont utilisés sur les figures et dans la description détaillée qui suit :
1 Boucles superposées (boucles principales)
1a Unité de stockage d’énergie thermique
2 Source ou générateur d’énergie
3 Capteur d’énergie solaire (3a : panneau photovoltaïque ; 3b : capteur thermique)
4 Dispositif de stockage d’énergie électrique
5 Corbeille géothermique
6 Interconnexion fluidique des boucles 1 entre elles
7,8 Dispositif utilisateur
9 Point ou conduit de soutirage
10,14 Point ou conduit d’injection
11 Dispositif de production de chaleur par réaction thermochimique
12 Boitier de régulation
13 Fluide caloporteur
14 Point (conduit) d’injection de 13 dans 15
15 Réseau utilisateur
16,17 Point ou dispositif de remplissage (16) ; point ou dispositif de vidange (17)
18 Dispositif de récupération d’énergie thermique (18a : eau de bains, 18b : égouts)
19 Matériau de changement de phase
20,23 Premier (20) et deuxième (23) matériau à changement de phase
21 Paroi de 22 ; 21a,b Tube intérieur (21a) ou extérieur (21b)
22 Tube ; 22a,b : Parois périphériques de 22
23 Matériau à changement de phase
28,29 Tranchée (28) ; Matériaux de remblayage (29) de 28
30,31 Conduits reliant 32 à 3b
32 Diffuseur thermique (boucle enterrée)
33 Réseau d’échange thermique
40 Segment longitudinal
41,42 Demi-coques (41a,42a Enveloppe ; 41b,42b Masse de remplissage)
A3, A4 Échanges thermiques
Les repères 1,9, 10,14,15 désignent de manière plus générale des conduits.
Les flèches de liaison en pointillés désignent des signaux électriques, et les flèches de liaison pleines désignent des flux de fluide caloporteur.
En référence à la , nous décrivons les caractéristiques essentielles d’un système d’échange thermique selon l’invention. La montre un mode de réalisation d’un système d’échange thermique selon l’invention qui comprend des composants, dispositifs et fonctions additionnels.
Le système d’échange thermique selon l’invention comporte au moins deux boucles superposées, et de préférence une pluralité de double-boucles superposées, formant un système à double-boucles 1 d’échange thermique. Chaque double-boucle est composée de deux boucles fermées, disposées de manière superposée, qui sont raccordées entre elles, fluidiquement et thermiquement, par des échangeurs thermiques 6 qui sont typiquement des échangeurs à plaques. Le système d’échange thermique comporte un système de conduits 1,1a,9,10, dont font partie desdites double-boucles superposées 1, dans lequel circule un fluide caloporteur 13.
Ledit fluide caloporteur 13 est transporté entre la ou les unités de production d’énergie thermique 2 (appelées aussi sources ou générateurs d’énergie thermique), les dispositifs de captage ou récupération de chaleur additionnelle 5, 3a, 3b, 11,18 (les deux derniers visibles sur la ) qui sont raccordées audit système de conduits, et au moins un dispositif utilisateur 7 également appelé consommateurs. Ledit dispositif utilisateur 7 peut être par exemple un convecteur ou un ventilo-convecteur, comme cela est symbolisé sur les figures 1 et 2. La montre un autre dispositif utilisateur, à savoir un ballon d’eau chaude sanitaire.
Chacune desdites doubles-boucles principales 1 peut comporter au moins une unité d’échange d’énergie thermique 1a. Ladite au moins une unité d’échange d’énergie thermique 1a est avantageusement un système d’échange géothermique dont le mode de réalisation est proche desdits double-conduits 1. Il s’agit donc en règle générale de boucles géothermiques horizontales, enterrées. On peut prévoir une ou plusieurs corbeilles géothermiques 5, qui sont typiquement des conduits en forme de boucles concentriques (possiblement en spirales) superposées. Ces conduits sont disposés dans le sol, s’étendant verticalement dans une certaine profondeur qui se situe typiquement comprise entre environ 1,5 m et environ 5 m, de préférence entre environ 4 m et environ 5 m. La longueur du conduit qui forme une corbeille géothermique 5 s’étendant verticalement dans le sol peut atteindre une ou plusieurs dizaines de mètres, voire même une centaine de mètres, avec un diamètre, de préférence constant, d’environ 25 mm à 35 mm. Lesdites corbeilles géothermiques 5 échangent de l’énergie thermique avec les couches plus profondes du sol (en dehors de toute interaction avec l’environnement immédiat de la boucle 1) afin d’assurer un apport complémentaire d’énergie thermique à la boucle 1 ou afin de dissiper la chaleur excessive de ladite boucle 1. Dans un mode de réalisation, chaque corbeille géothermique est dimensionnée pour représenter une capacité de captage comprise entre environ 0,7 kW et environ 1,2 kW, sachant que cette capacité dépende également de la nature du sol et de la climatologie.
Chacune desdites boucles principales 1 comporte au moins un point de soutirage 9 (boucle Aller) et un point d’injection 10 (boucle retour) qui est en communication fluidique avec un ou plusieurs dispositifs source ou générateurs d’énergie thermique 2 qui sont typiquement des pompes à chaleur. Il peut s’agir de dispositifs individuels ou collectifs. Dans le cas d’un dispositif source ou générateur d’énergie thermique 2 collectif, la répartition de l’énergie thermique prélevée est distribuée à l’intérieur d’un bâtiment, par exemple un immeuble résidentiel, en fonction de contraintes spécifiques liés à l’usage ou aux besoins de destination du bâtiment. Les conduits de soutirage 9 sont agencés pour prélever du fluide caloporteur 13 et pour le distribuer aux dispositifs source ou générateurs d’énergie thermique correspondants 2, et les conduits d'injection 14 sont agencés pour ramener le fluide caloporteur 13 sortant des dispositifs source ou générateurs d’énergie thermique 2 pour le réinjecter dans le réseau utilisateur 15. A la sortie de chaque point de soutirage 9 est disposée une pompe à chaleur 2 pour extraire de l’énergie thermique dudit fluide caloporteur 13 en vue de la délivrer au dispositif utilisateur 7 concerné.
Le système d’échange thermique représenté sur la comprend au moins un point de remplissage 16, qui est préférentiellement installé en position haute desdits conduits pour en faciliter le remplissage, et au moins un point de vidange 17, qui est préférentiellement installé en position basse desdits conduits pour en faciliter la vidange.
A titre d’exemple, une (ou plusieurs) unité(s) 2 générateurs d’énergie thermique, de type pompe à chaleur peuvent être raccordées à la boucle d’échanges thermiques 1 et est elle-même raccordée à des dispositifs de production d’eau chaude sanitaire (abrégé ECS) 8 de type ballon d’eau chaude ou autre système de diffusion de chaleur aéraulique 7 ou hydraulique de type plancher chauffant ou ventilo-convecteurs.
Ledit fluide caloporteur est avantageusement de l’eau, qui a été de préférence préalablement adoucie et ensuite filtrée (typiquement par osmose inverse), sans ajout de glycol, à pression atmosphérique, permettant, en cas de fuite d’une des boucles du réseau, d’éviter tout risque de pollution des sols. L’interconnexion 6 des boucles 1 entre elles permet un maillage du réseau 33 assurant une résilience de celui-ci en cas de défaillance de l’une des boucles 1 qui le compose.
Un ou plusieurs capteurs solaires thermiques 3b est/sont associé(s) au système d’échange thermique selon l’invention, afin d’apporter tout ou partie du complément thermique nécessaire à la régulation de la température de la boucle d’eau. On peut utiliser tout type de capteur solaire thermique connu, par exemple un système tubulaire ou un système à panneaux plats. Ces capteurs et systèmes peuvent être posés sur la toiture sur la façade, et/ou les systèmes tubulaires peuvent être intégrés dans la toiture ou dans la façade. Dans un mode de réalisation particulier, ces capteurs et systèmes sont enterrés sous une surface d’un revêtement routier thermiquement absorbant, qui est avantageusement un revêtement de bitume,
Dans une variante de ce mode de réalisation, ledit capteur solaire thermique se présente sous la forme d’un dispositif source d’énergie électrique 3a de type panneaux photovoltaïques (PV/T) avec récupération de chaleur. Un tel dispositif, présente l’avantage supplémentaire de couvrir (totalement ou partiellement) les besoins en énergie électrique du système de production de chaleur (PAC, pompes de circulation, etc.). Dans cette variante, il est avantageux d’associer un dispositif de stockage d’énergie électrique 4 à la source de production électrique 3a pour permettre d’assurer l’alimentation électrique partielle ou totale du système en dehors des périodes de fonctionnement de ladite source de production électrique 3a. De manière plus simple mais moins performante, on peut ajouter aux capteurs solaires thermiques 3b des panneaux photovoltaïques sans récupération de chaleur.
Selon une caractéristique essentielle de l‘invention, lesdits capteurs solaire thermique 3a,3b est en connexion fluidique, par l’intermédiaire de conduits 30,31 dans lesquels circule du fluide caloporteur 13, avec un diffuseur thermique 32 installé (enterré) au-dessous des boucles principales 1. Ledit diffuseur thermique 32 forme une boucle, qui est positionnée proche de la boucle Retour du système à double boucles 1, à une distance typiquement comprise entre quelques centimètres et une ou deux dizaines de centimètres. Sa fonction est de dissiper de la chaleur dans le sol à proximité de la boucle principale 1, pour éviter une baisse de température du terrain géothermique et l’annihilation de la différence de température dont le système d’échange thermique selon l’invention a besoin pour pouvoir extraire des calories du sol. Cela permet de couvrir avec un système selon l’invention, soit un besoin thermique plus important à surface au sol égale, soit un besoin thermique donné avec une surface au sol plus petite.
L’installation de la boucle diffuseur thermique 32 au-dessous de la boucle retour des boucles principales 1 (qui est la boucle inférieure du système à double boucles) permet de recharger les calories de la boucle Retour (boucle « froide ») avant leur transfert vers la boucle Aller (boucle « chaude ») alimentant la pompe à chaleur 2.
Il convient de noter que dans un souci de simplification, les figures 1 et 2 ne montrent les conduits 30,31 que pour l’un des diffuseurs thermiques 32. Il est préférable que chaque diffuseur thermique soit relié par un système de 30,31 directement à un capteur solaire thermique 3b. Il n’y a pas d’avantage à prévoir que deux ou plusieurs diffuseurs thermiques 32 se trouvent en connexion fluidique entre eux, cela peut même présenter des inconvénients si le caractère thermique du sol varie d’un endroit à l’autre (par exemple par la proximité d’un bâtiment voisin qui tend à chauffer le sol). Il est avantageux qu’un diffuseur thermique 32 soit installé au-dessous de chaque boucle principale 1, mais cela peut être autrement, en fonction du caractère thermique du sol.
Le fluide caloporteur circulant dans les conduits 30,31 qui desservent le capteur solaire thermique est avantageusement sélectionnée pour présenter un point de gel au-dessous de 0 °C : il peut s’agir d’eau additivée d’un glycol, ou il peut s’agir d’un liquide non aqueux tel qu’un glycol.
Selon un autre mode de réalisation de l‘invention (illustré sur la ), qui peut être combiné avec tous les autres modes de réalisation, le système d’échange thermique selon l’invention comprend un dispositif de stockage d’énergie thermique 11. Ce système utilise la chaleur solaire en phase de charge et restitue la chaleur produite par une réaction exothermique en phase de décharge ; il contribue ainsi à la régulation thermique de la boucle d’échange thermique. On peut utiliser notamment un dispositif de stockage thermochimique, et en particulier un qui utilise des sels hydratés réversibles. Le dispositif de stockage thermochimique 11 peut dissiper la chaleur qu’il restitue au diffuseur thermique 32, comme cela est montré schématiquement sur la .
Le dispositif de stockage thermochimique à sels hydratés réversible est composé de deux éléments mélangés, à savoir un sel (de préférence le bromure de strontium) et de l’eau. Lors des phases de captage de chaleur l’eau et le sel sont séparés par évaporation de l’eau. Lors des phases de production de chaleur, l’apport d’eau induit une réaction exothermique permettant de restituer la chaleur ainsi stockée. Associé à la production thermique des panneaux solaires, le système d’échange thermique peut ainsi stocker de l’énergie thermique produite en phase de captage de chaleur ; cette énergie issue du dispositif est d’origine solaire et donc à la fois gratuite et renouvelable. La densité énergétique dudit dispositif de stockage thermochimique (de l’ordre de 4 à 5 fois supérieure à celle de l’eau seule) contribue à régulation de la température de la boucle d’échange. Le cycle de charge/décharge du dispositif peut être lancé plusieurs fois dans l’année (de l’ordre de 20 à 50 fois) et optimiser ainsi de manière très importante (par évaluation permanente du ∆t) le rendement énergétique du système d’échange thermique.
La température nécessaire en phase de charge (évaporation) correspond aux possibilités de capteurs solaires (entre 60 et 120°C), la phase de décharge permet d’obtenir une plage de température de l’ordre de 60 à 110 °C.
Comme cela sera expliqué ci-dessous, dans un autre mode de réalisation qui peut être combiné avec tous les autres modes de réalisation, le conduit 1 véhiculant le fluide caloporteur est au moins indirectement en contact avec un matériau à changement de phase qui sert également comme moyen de régulation thermique.
Le système d’échange thermique selon l’invention comporte typiquement au moins une unité de contrôle et régulation 12 permettant de maintenir la température moyenne dudit fluide caloporteur 13 à une valeur différente de la température moyenne du terrain environnant et d’échanger avec les autres unités de contrôle et de régulation 12 du même réseau afin de proposer ou demander des appoints de chaleur ponctuels.
Plus généralement, lesdits moyens de contrôle et régulation 12 comportent des capteurs de température et des vannes de régulation du volume et/ou de la vitesse de circulation du fluide caloporteur pour adapter sa valeur opérationnelle en fonction de la consommation dudit au moins un utilisateur. Dans un mode de réalisation avantageux, l’unité de contrôle et régulation 12 est configurée pour échanger des données (typiquement par un moyen de communication sans fil de type connu, tel que SigFox) avec les pompes à chaleur et/ou les capteurs de température et/ou les corbeilles géothermiques et/ou les collecteurs de chaleur fatales et/ou les modules hydrauliques. Elle est en particulier configurée pour comparer les valeurs fournis par les capteurs avec les paramètres de consigne. En cas de déséquilibre lié à une insuffisance ou un excès de chaleur, elle échange des données avec d’autres unités de contrôle et de régulation du même système d’échange thermique, pour transférer de la chaleur d’un point à un autre. Le système d’échange thermique peut comprendre une machine informatique centrale, dotée d’un logiciel approprié, qui communique avec lesdites unités de contrôle et de régulation.
Le système d’échange thermique selon l’invention est conçu en fonction des besoins locaux, et les boucles principales peuvent être connectées en série ou en parallèle selon l’emplacement des utilisateurs 7 et la topographie de la zone dans laquelle ils sont installés. Les connexions de raccordement sont simples, du fait que seule la circulation de fluide caloporteur 13 est importante, et que l’isolation des conduits 1 est totalement secondaire, comme cela sera décrit par la suite, alors que le souci d’une isolation optimale constitue la préoccupation essentielle de tous les exploitants des réseaux urbains de l’art antérieur. Les double-boucles 1 peuvent être disposées dans le sol à -1,50 m de profondeur, soit en zone hors-gel (DTU) même en zone montagneuse (zone 3) de gel sévère (- 1,00 m selon la norme AFNOR).
Toujours en relation avec la , le système d’échange thermique selon l’invention peut encore comporter un dispositif de récupération de chaleur sur eaux usées (appelées aussi « eaux grises ») 18 permettant de récupérer la chaleur des eaux de bains 18a et d’évacuer ces eaux, une fois leur chaleur prélevée, vers l’égout 18b. Le circuit de liquide caloporteur dudit dispositif de récupération de chaleur sur eaux grises 18 peut être relié à une pompe à chaleur 2, comme cela est illustré sur les figures 1 et 2, ou à un diffuseur thermique enterré 32 (non montré sur les figures).
La représente une vue en coupe transversale d’une tranchée 28 dans laquelle a été mis en place un conduit 1 qui véhicule le fluide caloporteur 13. Il s’agit d’une première variante de l’invention, dans laquelle un matériau à changement de phase 20 est contenu sous forme de particules divisées mélangées en vrac à des matériaux de remblayage 29 dans la tranchée 28. Le conduit 1 qui est posé au fond de la tranchée 28 est un tube unique 22 à paroi simple 21 réalisée en un matériau thermiquement bon conducteur (PUHD ou autre technologie adaptée à l’usage). Il véhicule le fluide caloporteur 13 et échange de l’énergie thermique avec les matériaux environnants et notamment les matériaux contenus dans la tranchée 28.
Dès lors que, dans le cadre de cette invention, l’objectif recherché, est de charger le fluide caloporteur 13 en énergie thermique « chaude », c’est-à-dire en calories, qu’il est avantageux de capter en partie lorsqu’elles sont libérées par le terrain environnant, à travers la paroi 22 du tube 21 au profit du fluide caloporteur, la température moyenne du fluide caloporteur doit être obligatoirement inférieure à la température moyenne du terrain, de telle manière à ce que l’échange thermique puisse s’effectuer du terrain vers l’intérieur du tube 1. En revanche, lorsque, dans le cadre de cette invention, l’objectif recherché est de charger le fluide caloporteur 13 en énergie calorifique «froide», c’est-à-dire en frigories ou calorie négatives, qui devraient en partie être libérées par le terrain environnant à travers la paroi 22 du tube 21 au profit du fluide caloporteur, la température moyenne du fluide caloporteur doit être supérieure à la température moyenne du terrain, de telle manière que l’échange de chaleur puisse s’effectuer de l’intérieur du tube 1 vers le terrain environnant.
Les matériaux de remblayage contenus dans la tranchée 28, que ce soit, par exemple, des pierres dans la zone supérieure ou une masse de remblayage comportant, par exemple, du gravier et du sable 29, mélangés à des particules de matériaux à changement de phase 21, dans la partie inférieure de la tranchée 20, communiquent leur état thermique au fluide caloporteur 13 circulant dans le tube 1. Ce système permet de véhiculer à la fois de l’énergie thermique chaude et de l’énergie thermique froide et surtout de capter de l’énergie thermique naturellement disponible dans le terrain environnant en vue de son utilisation par divers dispositifs utilisateurs 2 disposés le long des branches du réseau.
Une autre forme de réalisation du conduit 1 est illustrée par la qui représente une vue en coupe transversale d’une tranchée 28 dans laquelle a été mis en place un conduit 1 qui véhicule le fluide caloporteur 13. Il s’agit d’une deuxième forme de réalisation, dans laquelle le conduit 1 se compose d’un premier tube intérieur 21a ayant une paroi périphérique 22a et d’un deuxième tube extérieur 21b ayant une paroi périphérique 22b, qui entoure le tube intérieur 21a. Le tube intérieur 21a véhicule un fluide caloporteur 13 et le tube extérieur 21b véhicule un matériau à changement de phase 23.
Comme précédemment, le conduit 11 est posé au fond de la tranchée 20 et les parois périphériques 21a et 21b, respectivement du tube intérieur 22a et du tube extérieur 22b sont de préférence réalisées en un matériau thermiquement bon conducteur. Le fluide caloporteur 13 qui circule dans le tube intérieur 21a échange de l’énergie thermique avec le matériau à changement de phase 23 qui circule dans le tube extérieur 21b qui lui-même peut échanger de l’énergie thermique avec les matériaux environnants et notamment les matériaux contenus dans la tranchée 28 et le terrain environnant. La tranchée 28 contient des matériaux de remblayage par exemple des pierres ou des gravats 29 dans la zone supérieure ou une masse de remblayage comportant par exemple du gravier et du sable 20 dans la partie inférieure entourant le tube extérieur 21b.
Une variante mixte englobant à la fois la forme de réalisation de la et celle de la peut être envisagée. Dans ce cas, la tranchée contient au moins un premier matériau à changement de phase 20 à l’état de particules solides, à la température d’utilisation et le tube extérieur 21b contient un second matériau à changement de phase 23, à l’état liquide, au moins pendant le captage de l’énergie thermique.
Dans ces trois modes de réalisation, les matériaux à changement de phase ont pour but de stocker de l’énergie thermique momentanément pour être en mesure de la restituer au fluide caloporteur 13, à un moment où le besoin en énergie calorifique des dispositifs utilisateurs est détecté.
Le mode de fonctionnement du dispositif selon la réalisation illustrée par la est schématiquement représenté par la . Le fluide caloporteur du tube 21a fournit, comme le montre la flèche 9, de l’énergie thermique à une pompe à chaleur 2 et renvoie du fluide caloporteur 10, dans le conduit 21a. La double flèche A3 illustre les échanges thermiques entre le fluide caloporteur et le matériau à changement de phase 23 à l’état liquide. La double flèche A4 illustre les échanges d’énergie calorifique et le sol environnant.
Le réseau est pourvu de moyens de détection des besoins en énergie thermique 12, ces moyens étant notamment basés sur des mesures de température du fluide caloporteur corrélé avec les valeurs de consigne retenus et la température des surfaces à traiter. Selon que l’objectif est de fournir de la chaleur ou du froid, une baisse de température ou une augmentation de température identifient les besoins en calories ou en frigories, ces besoins étant alors comblés par au moins un générateur d’énergie thermique du réseau 2, qui est complémentaire aux différents capteurs d’énergie thermique fatale 11 ou additionnelle 3 distribués sur le réseau et illustrés par la .
En référence à la et à la ledit deuxième matériau à changement de phase est incorporé dans des segments longitudinaux 40 constitués de paires de demi-coques 41 et 42 emboîtées, montées à la périphérie du conduit 11. Chaque demi-coque 41 et 42 comporte une enveloppe semi-cylindrique 41a et 42a, réalisées de préférence en un matériau thermiquement bon conducteur et une masse de remplissage 41b et 42b qui est au moins partiellement constituée d’un ou de plusieurs matériaux à changement de phase. Cette masse de remplissage peut assurer un remplissage partiel ou total, son objectif étant à la fois de capter de l’énergie thermique, de la stocker lorsqu’elle n’est pas utilisable immédiatement et de la restituer lorsque le réseau le demande, sollicité par le ou les utilisateurs par l’intermédiaire de capteurs de température, par exemple.
Le contact direct avec le terrain est assuré, éventuellement par l’intermédiaire de matériaux de remblais de la tranchée, de sorte que les échanges d’énergie thermiques peuvent être effectués de façon efficace quasiment sans perte. Les objectifs de l’invention sont remplis de manière simple et économique.
Diverses variantes pourraient être imaginées par l’homme de l’art, en ce qui concerne la réalisation et la disposition des conduits qui constituent le réseau, mais elles restent incluses dans les caractéristiques définies par les revendications.
Claims (15)
- Système d’échange thermique formant réseau thermique, comprenant (a) au moins un système à double boucle d’échange thermique (1) hydrauliquement liées, (b) au moins une unité de production d’énergie thermique (2), (c) au moins une unité de récupération d’énergie thermique (3b,18), (d) au moins un dispositif de stockage de chaleur (11) permettant d’assurer la régulation thermique dudit système à double boucles d’échange thermique (1) par apport de chaleur complémentaire, (e) au moins un dispositif utilisateur (7) d’énergie thermique, et (f) au moins un conduit (13) pour véhiculer un fluide caloporteur entre ladite au moins une unité (2) de production ou de récupération d’énergie thermique et ledit au moins un dispositif utilisateur (7) d’énergie thermique,
dans lequel réseau thermique ledit dispositif utilisateur (7) d’énergie thermique est équipé d’au moins un point de soutirage (14) de fluide caloporteur d’au moins un point d’injection (15) pour réinjecter ledit fluide caloporteur (13) dans ledit réseau thermique, et dans lequel réseau thermique au moins un conduit, et de préférence ledit système à double boucle d’échange thermique (1), est disposé dans une tranchée (28) ménagée dans le terrain environnant et comblée avec des matériaux de remblayage,
ledit système d’échange thermique étant caractérisé en ce que :
- ledit système d’échange thermique comporte des moyens de contrôle et de régulation (12) pour maintenir la température moyenne dudit fluide caloporteur (13) à une valeur différente de la température moyenne du terrain environnant,
- ledit point de soutirage (14) est associé à une pompe à chaleur (2) pour extraire de l’énergie thermique dudit fluide caloporteur pour alimenter ledit dispositif utilisateur (7),
- ledit point d’injection (15) est associé à une unité de production (2) ou de récupération d’énergie thermique (3,11),
- ledit au moins un conduit (1) véhiculant ledit fluide caloporteur (13) fait partie d’une unité de stockage d’énergie thermique (1a),
- ledit au moins un conduit (1) véhiculant ledit fluide caloporteur (13) est équipé d’un au moins dispositif de récupération d’énergie thermique (3b,5,11), et comprend en particulier un capteur solaire thermique (3b),
ledit capteur solaire thermique étant en connexion fluidique, par l’intermédiaire de conduits (30,31) dans lesquels circule du fluide caloporteur (13), avec un diffuseur thermique (32) enterré au-dessous du système à double boucles d’échange thermique (1). - Système d’échange thermique selon la revendication 1, dans lequel ledit conduit véhiculant ledit fluide caloporteur dudit système à double boucle d’échange thermique est au moins en partie constitué d’un matériau conducteur de chaleur, et peut être au moins indirectement en contact avec un matériau à changement de phase (20,23).
- Système d’échange thermique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit au moins un conduit (1) véhiculant ledit fluide caloporteur (13), déposé dans ladite tranchée (28) ménagée dans le terrain environnant, est noyé dans une masse de matériaux fractionnés remplissant au moins partiellement ladite tranchée, lesdits matériaux fractionnés comprenant au moins un premier matériau à changement de phase (19).
- Système d’échange thermique selon la revendication 3, dans lequel ladite masse de matériaux fractionnés remplissant au moins partiellement ladite tranchée, est directement en contact avec la paroi (22) du tube (21) formant le au moins un conduit (1) véhiculant ledit fluide caloporteur (13), lesdites parois de ce tube formant ledit conduit étant thermiquement conductrices.
- Système d’échange thermique selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ledit au moins un conduit pour véhiculer un fluide caloporteur (13) comporte un tube intérieur (1) disposé à l’intérieur d’une gaine périphérique (21b) contenant au moins un deuxième matériau à changement de phase (23) et dans lequel les parois (22b) de ladite gaine périphérique (21b) sont thermiquement conductrices.
- Système d’échange thermique selon la revendication 5, dans lequel ladite gaine périphérique (21b) est placée dans une tranchée (28) ménagée dans le terrain environnant et est au moins partiellement noyée dans une masse de matériaux fractionnés comprenant au moins un premier matériau à changement de phase (20).
- Système d’échange thermique, selon la revendication 6, dans lequel ledit deuxième matériau à changement de phase (23) est différent dudit premier matériau à changement de phase (20).
- Système d’échange thermique selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel lesdits moyens de contrôle et régulation (12) comportent des capteurs de température et des vannes de régulation du volume et/ou de la vitesse de circulation du fluide caloporteur pour adapter sa valeur opérationnelle en fonction de la consommation dudit au moins un utilisateur.
- Système d’échange thermique selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel, ledit premier matériau à changement de phase (20) est de l’acide formique.
- Système d’échange thermique selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel, ledit deuxième matériau à changement de phase (19) est composé de particules solides à la température d’utilisation et inerte par rapport à des matériaux minéraux de remplissage de ladite tranchée.
- Système d’échange thermique selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel ledit deuxième matériau à changement de phase (19) est incorporé dans des segments longitudinaux (40) constitués de paires de demi-coques emboitées, montées à la périphérie dudit au moins un conduit.
- Système d’échange thermique selon la revendication 11, dans lequel chaque demi-coque de chacune des paires de demi-coques emboitées (41a,41b; 42a,42b) comporte une enveloppe demi-cylindrique (41a,42a) et une masse de remplissage (41b,42b) qui est au moins partiellement constituée dudit matériau à changement de phase (20).
- Système d’échange thermique selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que ladite unité de production d’énergie thermique (2) ou de récupération d’énergie thermique (3b,18) comprend un capteur solaire thermique, en contact thermique avec, et de préférence parcouru par, au moins un circuit de circulation de fluide caloporteur, ledit capteur solaire thermique comprenant une face thermiquement absorbante destinée à récupérer la chaleur du soleil, et avantageusement une face thermiquement isolante, sensiblement opposée à ladite face thermiquement absorbante, et ladite unité de production d’énergie thermique ou de récupération d’énergie thermique comprenant optionnellement encore une pompe de circulation configurée pour mettre en mouvement ledit fluide caloporteur.
- Système d’échange thermique selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit capteur solaire thermique comprend des cellules photovoltaïques qui représentent au moins en partie la face thermiquement absorbante, ledit circuit de circulation de fluide caloporteur étant configuré pour refroidir lesdites cellules photovoltaïques.
- Système d’échange thermique selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit capteur solaire thermique comprend un circuit de circulation de fluide caloporteur enterré sous une surface d’un revêtement routier thermiquement absorbant, qui est avantageusement un revêtement de bitume, et ladite unité de stockage d’énergie thermique (1a) étant de préférence disposé au-dessous de ladite surface d’un revêtement routier.
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2022
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