WO2008122714A2 - Improvements in gas/sol or liquid/sol exchangers - Google Patents

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Abstract

The invention can be used for heating and air-conditioning equipments in living premises. The invention more particularly relates to equipments including one or more heat exchangers buried in the ground about the building. The invention comprises providing fins (4 or 14) in thermal contact with the outer walls of buried ducts (1 or 10), wherein said fins include drills capable of receiving at least one pole (5 or 15) having a lower portion that can be urged into the ground and an upper portion provided with a large mass head in thermal contact with the fins. The fins and the poles of the invention allow the mass and the average depth of the earth concerned by the calories or frigories transfers with the buried exchanger to be increased.

Description

L'invention a pour but de proposer une solution optimisée du point de vue de la maîtrise de l'énergie et des impacts environnementaux pour le chauffage et le conditionnement d'air des locaux d'habitation et d'activité. Elle concerne plus particulièrement une amélioration des échangeurs gaz / sol ou liquide / sol utilisés pour le chauffage ou la climatisation des locaux ou encore pour le préchauffage ou pour le rafraîchissement de l'air de renouvellement des volumes habitables. On sait que les besoins de chauffage ou de rafraîchissement des bâtiments proviennent d'une part de la nécessité de compenser les déperditions des parois du volume construit et d'autre part de l'obligation de porter l'air de renouvellement à une température acceptable. Parmi les différentes solutions de chauffage et de climatisation proposées, un grand nombre font appel à des pompes à chaleur réversibles, notamment pour assurer les fonctions de chauffage hivernal et de climatisation estivale. On connaît également des installations désignées par les appellations de « puits canadiens » ou de « puits provençaux », installations destinées à tempérer l'air de renouvellement des locaux. The invention aims to provide an optimized solution from the point of view of energy control and environmental impacts for heating and air conditioning of living quarters and activity. It relates more particularly to an improvement of the gas / soil or liquid / soil heat exchangers used for the heating or air conditioning of the premises or for the preheating or for the cooling of the air of renewal of the habitable volumes. It is known that the heating or cooling needs of buildings come partly from the need to compensate for the losses of the walls of the volume built and secondly from the obligation to bring the renewal air to an acceptable temperature. Many of the heating and cooling solutions on offer include reversible heat pumps, which include winter heating and summer cooling. Also known are facilities designated by the names of "Canadian wells" or "Provençal wells", installations intended to temper the air of renewal of the premises.
La plupart des installations de chauffage ou de climatisation par pompe à chaleur font appel à des échangeurs enterrés, situés à proximité du bâtiment concerné. Ces échangeurs sont constitués par des tubes de faible diamètre, typiquement compris entre 10 et 40 mm, déployés en circuit fermés sous le sol à des profondeurs comprises entre 40 et 120 cm et recouvert de terre. Ces échangeurs en circuit fermé sont parcourus soit directement par le gaz frigorigène alimentant le compresseur de la pompe à chaleur, soit par un liquide, typiquement de l'eau ou un mélange antigel, circulant dans un échangeur thermique lui même parcouru par le gaz frigorigène mis en circulation par le compresseur de la pompe à chaleur. De même, les puits canadiens sont constitués par des tubes enterrés, de diamètre généralement compris entre 120 et 300 mm dans lesquels circule l'air de renouvellement des locaux. La profondeur d'enfouissement des tubes est généralement un peu plus importante que celle des circuits alimentant les pompes à chaleur, à savoir de l'ordre de 200 à 300 cm.Most heat pump heating or cooling systems use underground heat exchangers located near the building. These exchangers are constituted by small diameter tubes, typically between 10 and 40 mm, deployed in closed circuit under the ground at depths between 40 and 120 cm and covered with earth. These closed circuit heat exchangers are traversed either directly by the refrigerant gas supplying the compressor of the heat pump, or by a liquid, typically water or antifreeze mixture, circulating in a heat exchanger itself traversed by the refrigerant gas put circulated by the compressor of the heat pump. Similarly, Canadian wells consist of buried tubes, generally between 120 and 300 mm in diameter in which the air of renewal of the premises circulates. The burial depth of the tubes is generally a little larger than that of the circuits supplying the heat pumps, namely of the order of 200 to 300 cm.
Dans l'état actuel de la technique, la réalisation de ces échangeurs suppose d'effectuer d'important travaux de terrassement et de disposer d'une importante surface réservée de terrain privatif à proximité immédiate du ou des bâtiments chauffés ou climatisés. Par surface réservée, on entend surface recouverte de pelouse ou faiblement végétalisée, étant entendu que les végétaux développant des systèmes racinaires profonds sont incompatibles avec la présence de tels échangeurs dans le sous-sol. D'une façon générale, les performances des échangeurs et donc des systèmes de chauffages et/ou de climatisation qu'ils alimentent sont directement proportionnelles à la profondeur d'enfouissement et à la longueur des tubes déployés. Cependant, une longueur de canalisation importante provoque des pertes de charge significatives qui doivent être combattues par des circulateurs de grande puissance ce qui compromet le rendement des installations. De même, une grande profondeur d'enfouissement n'est pas toujours réalisable, au moins dans des conditions économiques acceptables. En particulier, la législation impose de blinder ou taluter les tranchées dés lors que leur profondeur dépasse les 150 cm, si bien que les coûts des travaux de terrassement deviennent vite dissuasifs. En pratique, les limites imposées par la longueur des canalisations réalisables et par les possibilités d'enfouissement aboutissent à des installations de chauffage qui sont limitées à un fonctionnement dit « en relève de chaudière », c'est-à-dire des installations qui ne peuvent assurer à elles seules l'intégralité des besoins de chauffage par des températures extérieures très basses ; de même les installations de puits canadiens actuellement réalisées nécessitent-elles le plus souvent des dispositifs d'appoint, que ce soit en préchauffage ou en rafraîchissement de l'air de renouvellement.In the current state of the art, the realization of these exchangers involves major earthworks and have a large reserved area of private land in the immediate vicinity of the heated or air-conditioned buildings. By reserved area is meant lawn-covered or slightly vegetated surface, it being understood that plants developing deep root systems are incompatible with the presence of such exchangers in the subsoil. In general, the performance of the heat exchangers and therefore the heating and / or air conditioning systems they supply are directly proportional to the depth of burial and the length of the tubes deployed. However, a significant length of pipe causes significant losses that must be countered by high power circulators which compromises the performance of the facilities. Similarly, a large depth of burial is not always feasible, at least under acceptable economic conditions. In particular, legislation requires that trenches be shielded or tarred when their depth exceeds 150 cm, so that the costs of earthworks quickly become a deterrent. In practice, the limits imposed by the length of the feasible pipelines and by the possibilities of burial result in heating installations which are limited to a so-called "boiler up" operation, that is to say installations which do not can provide all the heating needs by very low outdoor temperatures; similarly, the Canadian well installations currently being carried out most often require auxiliary devices, whether for preheating or cooling the renewal air.
On constate par ailleurs que les échangeurs gaz / sol ou liquide / sol réalisés selon l'état de la technique présentent une importante limite de fonctionnement hivernal : ces échangeurs pouvant être traversés par des fluides portés à des températures négatives, la conduction des parois des canalisations provoque la formation d'une gaine de glace autour des dites parois, cette gaine de glace résultant de la solidification de l'eau contenue dans la terre située au contact de ces parois. Lorsque survient une période de redoux, le fluide traversant les canalisations se trouve porté à des températures positives, ce qui provoque la fusion de la gaine de glace qui laisse la place à un espace annulaire rempli d'air ou de terre de faible densité, lequel espace dégrade durablement les performances d'échange des canalisations. L'invention propose de résoudre ces difficultés. Son objectif principal est d'améliorer les performances et la fiabilité des échangeurs liquide / sol ou gaz / sol.It is also noted that the gas / ground or liquid / ground heat exchangers produced according to the state of the art have a significant winter operating limit: these exchangers can be traversed by fluids carried at low temperatures. At negative temperatures, the conduction of the walls of the pipes causes the formation of an ice sheath around said walls, this sheath of ice resulting from the solidification of the water contained in the earth in contact with these walls. When a period of mild weather occurs, the fluid passing through the pipes is brought to positive temperatures, causing the ice sheath to melt, giving way to an annular space filled with low density air or soil, which space permanently degrades the pipe exchange performance. The invention proposes to solve these difficulties. Its main objective is to improve the performance and reliability of liquid / soil or gas / soil heat exchangers.
Un objectif annexe est de permettre d'atteindre des niveaux de performances tels que les échangeurs munis des dispositifs selon l'invention puissent permettre de faire fonctionner des systèmes de chauffage ou de rafraîchissement thermodynamique ou directs assurant l'intégralité des besoins sans qu'il soit nécessaire d'ajouter des installations d'appoint.An ancillary objective is to enable performance levels to be achieved such that the exchangers provided with the devices according to the invention can make it possible to operate thermodynamic or direct heating or cooling systems which ensure the entirety of the needs without it being necessary. necessary to add extra facilities.
Un autre objectif est de rendre possible la réalisation de tels échangeurs, y compris lorsque le terrain privatif jouxtant les bâtiments est de faible surface ou d'une composition mal adaptée à la réalisation de travaux de terrassement. Un objectif complémentaire est de diminuer le prix de revient de la réalisation des échangeurs liquide / sol ou gaz / sol, tout en diminuant également les délais de réalisation de tels échangeurs.Another objective is to make possible the realization of such exchangers, including when the private lot adjoining the buildings is of small surface or a composition poorly suited to performing earthworks. A complementary objective is to reduce the cost price of the production of the liquid / soil or gas / soil heat exchangers, while also reducing the lead time for producing such exchangers.
Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront dans la description suivante sont atteints par l'utilisation d'accessoires conçus et réalisés pour améliorer les transferts thermiques entre la paroi extérieure des canalisations et le sol dans lequel les dites canalisations sont enfouies. Ces accessoires ont également pour fonction annexe de protéger les canalisations au cours des travaux de remblaiement et pendant toute leur durée de vie. L'expérience montre que les limites de performances des échangeurs gaz / sol ou liquide / sol proviennent essentiellement des surfaces de parois extérieures des canalisations en contact avec la terre. Pour reculer ces limites, on a proposé de remplacer au moment des opérations de remblaiement la terre présente sur le site par un matériau plus conducteur, par exemple du sablon, un mortier maigre ou de la bentonite. Ce type d'aménagements améliore effectivement les performances des échangeurs, mais dans des proportions qui restent relativement faibles.These objectives, as well as others that will appear in the following description are achieved by the use of accessories designed and made to improve heat transfer between the outer wall of the pipes and the soil in which the said pipes are buried. These accessories are also ancillary function to protect the pipes during backfilling and throughout their life. Experience shows that the performance limits of gas / soil or liquid / soil heat exchangers come mainly from the outer wall surfaces of pipes in contact with the earth. In order to reduce these limits, it has been proposed to replace, at the time of backfilling operations, the earth present on the site with a more conductive material, for example sand, a lean mortar or bentonite. This type of development actually improves the performance of the exchangers, but in proportions that remain relatively low.
Les accessoires selon l'invention seront constitués par des ailettes profilées comportant une partie femelle cylindrique qui sera placée en contact thermique avec la paroi extérieure des canalisations et une partie plane se déployant latéralement par rapport à la canalisation. Les accessoires seront dessinés de telle façon qu'ils présentent la surface de contact avec le sol la plus importante possible. Ils présenteront avantageusement des évidements facilitant leur préhension et augmentant leur surface de contact.The accessories according to the invention will be formed by profiled fins having a cylindrical female portion which will be placed in thermal contact with the outer wall of the pipes and a flat portion extending laterally with respect to the pipe. The accessories will be designed in such a way that they have the largest possible surface contact with the ground. They will advantageously have recesses facilitating their gripping and increasing their contact surface.
Complémentairement à ces ailettes profilées, qui ont pour fonction d'augmenter considérablement la surface de matériau en contact avec la terre, l'invention propose de placer une pluralité de pieux comportant une partie inférieure munie de dispositifs permettant leur enfoncement dans la terre et une partie supérieure comportant les moyens d'assurer un contact thermique avec les dites ailettes profilées. On comprend que les ailettes coopéreront avec les pieux pour transférer les calories (ou, dans certaines phases de fonctionnement, les frigories) depuis les parois extérieures des canalisations vers une mase de terre nettement plus importante que celle qui est concernée lorsque les canalisations enterrées ne sont pas munies de tels accessoires. On comprend également que la profondeur moyenne de la masse de terre concernée par les échanges thermiques avec la paroi extérieure des tubes (et donc, grâce à l'action du fluide parcourant ces canalisations avec le bâtiment lui-même) sera plus importante que celle entourant la canalisation elle-même. Ainsi les dispositifs selon l'invention permettent : - A performances égales de diviser par au moins 2 la longueur des canalisations nécessaires à la réalisation d'un échangeur gaz / sol ou liquide / sol.In addition to these profiled fins, whose function is to considerably increase the surface area of material in contact with the earth, the invention proposes to place a plurality of piles comprising a lower part provided with devices allowing them to sink into the ground and a part upper comprising means for providing thermal contact with said profiled fins. It will be understood that the fins will cooperate with the piles to transfer the calories (or, in certain operating phases, the frigories) from the outer walls of the pipes to a mosaic of soil much larger than that which is concerned when the buried pipes are not not equipped with such accessories. It is also understood that the average depth of the earth mass concerned by the heat exchange with the outer wall of the tubes (and therefore, thanks to the action of the fluid passing through these pipes with the building itself) will be greater than that surrounding the pipeline itself. Thus the devices according to the invention allow: - A performance equal to divide by at least 2 the length of the pipes necessary for the realization of a gas exchanger / ground or liquid / soil.
- Toujours à performances égales de réduire sensiblement la profondeur d'enfouissement effective des canalisations, et donc de réduire l'ampleur et le coût des travaux de terrassement.- Always with equal performance to significantly reduce the actual burial depth of the pipes, and thus reduce the magnitude and cost of earthworks.
De façon préférée, les ailettes seront profilées de telle façon que leur partie femelle puisse se fixer en périphérie des canalisations par de simples opérations de clipsage. De façon également préférée, ces ailettes seront réalisées en matériaux plastiques recyclés, préférentiellement chargés de particules améliorant leur conductivité thermique, par exemple des particules de métal ou de carbone. Dans une variante, ces ailettes pourront être réalisées en métal, par exemple de la fonte, de l'acier ou de l'aluminium. Dans un mode de réalisation préférentiel, les pieux seront munis d'un pas de vis hélicoïdal de grande largeur, ledit pas de vis facilitant d'une part l'enfoncement des pieux dans la terre et d'autre part les transferts de chaleur entre les pieux et le terrain dans lequel ils seront implantés. Ils seront également munis d'une partie supérieure ou tête de masse importante, ladite partie supérieure ou tête étant en contact thermique sur une surface importante avec l'ailette qu'ils contribuent à fixer dans le sol.Preferably, the fins will be profiled so that their female part can be fixed at the periphery of the pipes by simple clipping operations. Also preferably, these fins will be made of recycled plastic materials, preferably loaded with particles improving their thermal conductivity, for example particles of metal or carbon. In a variant, these fins may be made of metal, for example cast iron, steel or aluminum. In a preferred embodiment, the piles will be provided with a large helical thread pitch, said screw pitch facilitating on the one hand the driving of the piles into the earth and on the other hand the heat transfer between the piles. piles and the ground in which they will be implanted. They will also be provided with an upper part or large mass head, said upper part or head being in thermal contact on a large surface with the fin that they contribute to fix in the ground.
Dans une variante, ces pieux pourront comporter une partie centrale creuse, apte à contenir un liquide ou un gaz dans un réservoir cylindrique étanche, ce qui peut permettre d'améliorer les transferts thermiques de la terre vers l'ailette par un procédé connu sous l'appellation de caloduc. Les échangeurs gaz / sol ou liquide / sol selon l'invention sont destinés au chauffage ou au refroidissement de locaux d'habitation soit en direct soit par l'intermédiaire d'une pompe à chaleur. Ils sont du type comportant au moins une canalisation enterrée, et sont remarquables ce qu'ils comportent une pluralité d'ailettes en contact thermique avec la canalisation enterrée et en ce que lesdites ailettes sont munies d'au moins un perçage apte à recevoir au moins un pieu comportant une partie inférieure susceptible de s'enfoncer dans le sol et une partie supérieure munie d'une tête de masse importante en contact thermique avec la dite ailette.In an alternative embodiment, these piles may comprise a hollow central part capable of containing a liquid or a gas in a sealed cylindrical reservoir, which may make it possible to improve the heat transfer from the earth to the fin by a method known in the art. name of heat pipe. The exchangers gas / soil or liquid / soil according to the invention are intended for heating or cooling of living quarters either live or through a heat pump. They are of the type comprising at least one buried pipe, and are remarkable that they comprise a plurality of fins in thermal contact with the buried pipe and in that said fins are provided with at least one piercing adapted to receive at least a stake comprising a lower part capable of sinking into the ground and an upper part provided with a large mass head in thermal contact with said fin.
Pour les échangeurs air / sol les ailettes seront munies d'une partie femelle présentant une forme telle qu'elle puisse se fixer par clipsage autour d'une canalisation cylindrique présentant un diamètre extérieur compris entre 120 et 300 mm.For the air / ground exchangers the fins will be provided with a female part having a shape such that it can be fixed by clipping around a cylindrical pipe having an outer diameter of between 120 and 300 mm.
Pour les échangeurs liquide / sol selon l'invention, les ailettes seront munies d'une partie femelle présentant une forme telle qu'elle puisse se fixer par clipsage autour d'une canalisation cylindrique présentant un diamètre extérieur compris entre 15 et 50 mm.For the liquid / soil exchangers according to the invention, the fins will be provided with a female part having a shape such that it can be fixed by clipping around a cylindrical pipe having an outside diameter of between 15 and 50 mm.
Dans un mode d'exécution préféré, les ailettes seront réalisées en matériau plastique rendu conducteur par inclusion de particules de métal ou de carbone. Pour réduire leur prix de revient tout en assurant des performances optimales, ces ailettes pourront être fabriquées par extrusion ou par roto moulage.In a preferred embodiment, the fins will be made of plastic material made conductive by inclusion of metal particles or carbon. To reduce their cost while ensuring optimum performance, these fins can be manufactured by extrusion or roto molding.
De façon avantageuse, les pieux seront munis d'un pas de vis hélicoïdal de grande largeur apte à faciliter l'enfoncement des dits pieux dans le sol et à augmenter la surface de contact entre les dits pieux et la terre. Dans un mode d'exécution préféré, les pieux seront constitués d'une pluralité de segments pouvant s'assembler par vissage, le segment supérieur comportant une tête de masse important munie des moyens d'exercer un couple de rotation étant utilisé à plusieurs reprises pour la mise en place des segments successifs. Par ailleurs, les pieux comporteront une partie intérieure cylindrique creuse, ladite partie intérieure cylindrique creuse pouvant être remplie d'un liquide conducteur de la chaleur ou, de façon préférée, par un tube caloduc qui facilitera les transferts de frigories ou de calories entre la terre dans laquelle est immergé le pieu et la tête massive, elle-même en contact thermique avec l'ailette et donc avec la canalisation enterrée. Plus généralement, l'invention s'applique aux installations de chauffage de locaux d'habitation comportant une pompe à chaleur, dans lesquelles la pompe à chaleur est alimentée par un échangeur liquide / sol dont la surface d'échange avec le sol est augmentée grâce à une pluralité d'ailettes fixées de préférence par clipsage sur la canalisation enterrée et reliées au sol par des pieux enterrés traversant les dites ailettes. L'invention concerne également des installations de préchauffage ou de rafraîchissement de l'air de renouvellement de locaux d'habitation, dans la mesure où ces installations comporteront au moins une canalisation enterrée équipée d'accessoires c'est-à-dire d'ailettes et de pieux tels que décrits ci-dessus. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, donné à simple titre indicatif, et des dessins annexés dans lesquels:Advantageously, the piles will be provided with a helical screw pitch of large width adapted to facilitate the insertion of said piles into the ground and to increase the contact surface between said piles and earth. In a preferred embodiment, the piles will consist of a plurality of segments that can be assembled by screwing, the upper segment comprising a large mass head provided with means for exerting a rotation torque being used several times for the establishment of successive segments. Furthermore, the piles will comprise a hollow cylindrical inner part, said hollow cylindrical inner part being able to be filled with a heat conducting liquid or, preferably, by a heat pipe tube which will facilitate the transfer of frigories or calories between the earth. in which is immersed the pile and the massive head, itself in thermal contact with the fin and thus with the buried pipe. More generally, the invention applies to residential space heating installations comprising a heat pump, in which the heat pump is fed by a liquid / ground heat exchanger whose exchange surface with the ground is increased by a plurality of fins preferably fixed by clipping on the buried pipe and connected to the ground by buried piles passing through said fins. The invention also relates to installations for preheating or cooling the air for the renewal of living quarters, insofar as these installations will comprise at least one buried pipe equipped with accessories, that is to say with fins. and piles as described above. Other advantages and characteristics of the invention will become apparent on reading the following of a preferred embodiment of the invention, given for information only, and the appended drawings in which:
La FIGURE 1 représente schématiquement une vue d'un bâtiment équipé d'une installation de chauffage par pompe à chaleur eau / eau et d'une installation de préchauffage et de rafraîchissement de l'air de renouvellement par puits canadiens, lesdites installations étant réalisées selon la technique connue antérieurement à l'invention.FIG. 1 schematically represents a view of a building equipped with a water / water heat pump heating installation and a facility for preheating and cooling the renewal air by Canadian wells, said installations being carried out according to FIG. the known technique prior to the invention.
La Figure 2 représente schématiquement une vue d'un bâtiment équipé d'installations identiques à celles illustrées par la Figure 1 mais bénéficiant des modifications et améliorations proposées par l'invention. La Figure 3 représente une vue de coté et une vue de dessus d'une ailette selon l'invention, ailette destinée à l'amélioration des performances des échangeurs gaz / sol et plus particulièrement des échangeurs air / sol de type puits canadiens. La Figure 4 représente une vue de profil d'une ailette telle que représentée figure 3 équipant une portion de canalisation de puits canadien. La Figure 5 représente une vue de côté et une vue de dessus d'une ailette selon l'invention, ailette destinée à l'amélioration des échangeurs liquide / sol utilisés en primaire de pompe à chaleur.Figure 2 schematically shows a view of a building equipped with facilities identical to those illustrated in Figure 1 but benefiting from the modifications and improvements proposed by the invention. Figure 3 shows a side view and a top view of a fin according to the invention, fin intended to improve the performance of gas / soil heat exchangers and more particularly air / ground type heat exchangers Canadian. Figure 4 shows a side view of a fin as shown in Figure 3 equipping a portion of Canadian well pipe. Figure 5 shows a side view and a top view of a fin according to the invention, fin for improving the liquid / soil heat exchangers used in primary heat pump.
La Figure 6 représente une vue de côté et en coupe de canalisations constituant un échangeur liquide / sol équipés d'ailettes selon l'invention. La Figure 7 illustre l'implantation d'échangeurs air / sol ou liquide / sol compris dans l'état antérieur de la technique.Figure 6 shows a side view and in section of pipes constituting a liquid exchanger / sol equipped with fins according to the invention. Figure 7 illustrates the implantation of air / ground or liquid / ground heat exchangers included in the prior art.
La Figure 8 illustre l'implantation d'échangeurs air / sol ou liquide / sol équipés de dispositifs selon l'invention. On constate sur la Figure 1 que le bâtiment représenté est équipé d'une part d'une installation de chauffage des volumes habitables de type pompe à chaleur eau / eau et d'autre part d'une installation de préchauffage et de rafraîchissement de l'air de renouvellement par une installation de type puits canadien ou puits provençal. L'installation de chauffage comporte notamment un échangeur primaire de type liquide / sol comportant une canalisation (1) de grande longueur en circuit fermé enterrée à une profondeur (HL1) de plusieurs dizaines de centimètres sous le niveau du sol (représenté par une ligne en pointillés). Cet échangeur primaire alimente une pompe à chaleur (2) qui, en période de chauffage va refroidir le liquide ou, dans certain cas, le gaz contenu dans la canalisation (1) pour réchauffer un circuit secondaire (2). Le puits canadien comporte une entrée d'air (12) par laquelle l'air est aspiré puis descend dans un regard (11) jusqu'à une profondeur (HG1). L'air parcourt ensuite une canalisation (10) enterrée à cette profondeur (HG1) puis pénètre dans le volume habitable sous l'action d'un ventilateur (13) ou d'une centrale double flux. Par rapport aux installations décrites en Figure 1 , les installations selon l'invention représentées sur la Figure 2 se distinguent : pour l'installation de chauffage par la mise en place de plusieurs ailettes (4) en contact thermique avec la canalisation (1), ailettes (4) dont l'action est complétée par celle de plusieurs pieux (5) eux même en contact thermique avec les dites ailettes (4). S'agissant de l'installation de puits canadiens, elle se distingue de celle illustrée en Figure 1 par une pluralité d'ailettes (14) en contact thermique avec la canalisation (10), des pieux (15) en contact thermique avec les ailettes (14) complètent l'action des dites ailettes (14). Dans les deux cas, les canalisations (1 ou 10) présentent une longueur moins importante et sont implantées à une profondeur moindre (HL2 inférieure à HL1 et HG2 inférieure à HG1) dans le cas des installations selon l'invention représentées en Figure 2 que dans le cas des installations conformes à l'état de l'art antérieur représentées en Figure 1.FIG. 8 illustrates the implantation of air / ground or liquid / ground heat exchangers equipped with devices according to the invention. It can be seen in FIG. 1 that the building shown is equipped on the one hand with a heating system for the living volumes of the water / water heat pump type and on the other hand with a preheating and cooling plant for the water / water heat pump. renewal air by a Canadian well or provencal well installation. The heating installation comprises in particular a liquid / ground type primary heat exchanger comprising a pipe (1) of great length in a closed circuit buried at a depth (HL1) of several tens of centimeters below the ground level (represented by a line dotted line). This primary heat exchanger supplies a heat pump (2) which, during the heating period, will cool the liquid or, in certain cases, the gas contained in the pipe (1) to heat a secondary circuit (2). The Canadian well has an air inlet (12) through which air is sucked and then descends into a manhole (11) to a depth (HG1). The air then travels a pipe (10) buried at this depth (HG1) and enters the living space under the action of a fan (13) or a central dual flow. With respect to the installations described in FIG. 1, the installations according to the invention represented in FIG. 2 are distinguished: for the heating installation by the setting up of several fins (4) in thermal contact with the pipe (1), fins (4) whose action is completed by that of several piles (5) themselves in thermal contact with said fins (4). With respect to the installation of Canadian wells, it differs from that illustrated in Figure 1 by a plurality of fins (14) in thermal contact with the pipe (10), piles (15) in thermal contact with the fins (14) complete the action of said fins (14). In both cases, the pipes (1 or 10) have a shorter length and are implanted at a lesser depth (HL2 less than HL1 and HG2 less than HG1) in the case of the installations according to the invention shown. in Figure 2 that in the case of installations according to the state of the prior art shown in Figure 1.
La Figure 3 présente une ailette plus spécialement destinée à équiper un échangeur air / sol dans le cadre d'installations de type puits canadiens. Cette ailette (14) comporte une partie femelle qui pourra se plaquer contre la paroi extérieure d'une canalisation de puits canadiens ; cette partie femelle sera adaptée au diamètre extérieur des canalisations, diamètre le plus souvent compris entre 150 et 300 mm ; elle sera dessinée de telle façon qu'un contact étroit soit assuré entre la dite partie femelle et la partie extérieure de la canalisation, par exemple au moyen d'un dispositif de clipsage. Cette ailette qui sera préférentiellement réalisée par extrusion, moulage, roto-moulage ou thermoformage, sera fabriquée dans un matériau conducteur, par exemple un matériau plastique dopé par inclusion de particules de métal ou de carbone. Elle pourra également être réalisée en matériau métallique, non ou peu sensible à la corrosion. Dans tous les cas, elle représentera une masse significative, supérieure ou au moins égale à celle de la portion de canalisation qu'elle est destinée à recouvrir. Cette ailette comportera deux parties planes symétriques par rapport à la partie femelle ; les parties planes seront munies d'évidements et de perçages à travers lesquels pourront être placés des pieux (15) comme illustré sur la figure 4. Les pieux (15) comporteront une extrémité inférieure pointue. Ils seront munis d'un pas de vis hélicoïdal facilitant la pénétration et l'enfoncement des pieux dans le sol et augmentant la surface de contact entre les pieux et le sol. En partie supérieure, ces pieux auront une tête présentant une masse importante, cette tête étant prévue pour se loger, une fois le pieu enfoncé dans la terre dans les évidements et perçages ménagés dans les ailettes.Figure 3 shows a fin specifically designed to equip an air / ground heat exchanger for Canadian wells type installations. This fin (14) has a female portion that can be pressed against the outer wall of a Canadian well pipe; this female part will be adapted to the outer diameter of the pipes, diameter most often between 150 and 300 mm; it will be designed in such a way that close contact is ensured between said female part and the outside part of the pipe, for example by means of a clipping device. This fin, which will preferably be produced by extrusion, molding, rotational molding or thermoforming, will be made of a conductive material, for example a plastic material doped by inclusion of particles of metal or carbon. It may also be made of metal material, not or not very sensitive to corrosion. In all cases, it will represent a significant mass, greater than or equal to that of the portion of pipe that it is intended to cover. This fin will have two plane parts symmetrical with respect to the female part; the planar parts will be provided with recesses and holes through which may be placed piles (15) as shown in Figure 4. The piles (15) have a pointed lower end. They will be equipped with a helical screw pitch facilitating the penetration and driving of the piles into the ground and increasing the contact surface between the piles and the ground. In the upper part, these piles will have a head having a large mass, the head being provided for housing, once the pile driven into the earth in the recesses and holes formed in the fins.
La Figure 5 présente une ailette (4) plus spécifiquement destinée à équiper les échangeurs liquides / sol aptes à faire fonctionner des installations de chauffage ou de climatisation comportant des pompes à chaleurs ou de simples échangeurs sur l'air de renouvellement comme décrits dans la demande de brevet français N° 0503640 déposée le 12 avril 2005. Cette ailette comporte une partie femelle présentant un diamètre prévu pour s'ajuster sur la paroi extérieure d'une canalisation, diamètre le plus souvent compris entre 15 et 40 mm. Un dispositif de clipsage sera avantageusement prévu pour assurer un contact optimal entre la partie femelle de l'ailette et la paroi extérieure de la canalisation. L'ailette comportera des perçages et évidements (6) à travers lesquels seront placés, comme indiqué sur la Figure 6, des pieux (5) fixant l'ailette (4) dans la terre et améliorant les transferts thermiques entre ladite ailette (4) et le sol. Les pieux (5), l'ailette (4) et la canalisation (1) coopéreront pour assurer un échange thermique entre le fluide traversant la canalisation (1) et une masse de terre aussi importante que possible. Pour augmenter ces échanges, on pourra choisir d'augmenter la longueur des pieux (5) qui pourront être constitués de plusieurs segments s'ajoutant les uns aux autres par vissage.FIG. 5 shows a fin (4) more specifically intended for equipping liquid / ground heat exchangers able to operate heating or air conditioning systems comprising heat pumps or simple exchangers on the renewal air as described in the application French Patent No. 0503640 filed April 12, 2005. This fin has a female portion having a diameter adapted to fit on the outer wall of a pipe, diameter usually between 15 and 40 mm. A clipping device will advantageously be provided to ensure optimum contact between the female part of the fin and the outer wall of the pipe. The fin will comprise bores and recesses (6) through which will be placed, as shown in Figure 6, piles (5) fixing the fin (4) in the earth and improving the heat transfer between said fin (4) and the soil. The piles (5), the fin (4) and the pipe (1) will cooperate to ensure a heat exchange between the fluid passing through the pipe (1) and a ground mass as large as possible. To increase these exchanges, we can choose to increase the length of the piles (5) which may consist of several segments adding to each other by screwing.
La figure 7 représente une canalisation enterrée dans une installation comprise dans l'état de l'art antérieur. Cette canalisation est enfouie sous une profondeur de terre symbolisée par la cote (HL1). Sa mise en place a nécessité de réaliser des opérations de terrassement jusqu'à une profondeur représentée par la cote (HT1) puis de combler la tranchée jusqu'au niveau du sol représenté par la ligne en pointillés. On voit que la masse de terre avec laquelle se produisent des échanges thermiques, masse représentée par la zone grisée, est limitée à une couronne en périphérie de la canalisation constituant l'échangeur.FIG. 7 represents a pipe buried in an installation included in the state of the prior art. This pipe is buried under a depth of earth symbolized by the dimension (HL1). Its implementation required earthworks to a depth represented by the dimension (HT1) and fill the trench to the ground level represented by the dotted line. It can be seen that the mass of earth with which thermal exchanges occur, the mass represented by the gray zone, is limited to a ring at the periphery of the pipe constituting the heat exchanger.
La Figure 8 représente une canalisation identique à celle représentée figure 7, munie des perfectionnements selon l'invention. Cette canalisation (1) est équipée d'une ailette (4) en contact thermique avec ladite canalisation. L'ailette (4) est traversée par deux pieux (5) implantés dans la terre. On constate que la profondeur représentée par la cote (HL2) à laquelle est placée la canalisation (1) est sensiblement inférieure à la profondeur (HL1) d'implantation pratiquée pour une canalisation ordinaire représentée en figure 7. De même, les travaux de terrassement nécessaires, à savoir un décaissement jusqu'à la cote (HT2) puis un remblaiement jusqu'au niveau du sol sont nettement moins importants que ceux nécessités pour les installations conforme aux techniques antérieures. On constate par ailleurs que, grâce à la présence des ailettes (4) et des pieux (5) en contact thermique avec la canalisation (1) la masse de terre concernée par les échanges thermiques avec le fluide parcourant la canalisation (1), masse de terre représentée par la zone grisée, est nettement plus importante. Par ailleurs, en jouant sur la longueur des pieux, on peut obtenir que la profondeur moyenne de cette masse de terre participant aux échanges thermiques avec le sol soit située en moyenne à une profondeur comparable voire supérieure à celle d'une canalisation constituant un échangeur conforme à l'état de l'art antérieur, et ce moyennant des travaux de terrassement se limitant à des décaissements de moindre importance et par conséquent nettement moins onéreux.Figure 8 shows a pipe identical to that shown in Figure 7, provided with improvements according to the invention. This pipe (1) is equipped with a fin (4) in thermal contact with said pipe. The fin (4) is traversed by two piles (5) implanted in the ground. It can be seen that the depth represented by the dimension (HL2) to which the pipe (1) is placed is substantially less than the implantation depth (HL1) made for an ordinary pipe shown in FIG. 7. Similarly, the earthworks necessary, namely a disbursement to the coast (HT2) and backfilling to ground level are significantly less than those required for installations in accordance with prior techniques. We notes also that, thanks to the presence of the fins (4) and the piles (5) in thermal contact with the pipe (1) the mass of earth concerned by the heat exchange with the fluid passing through the pipe (1), mass of earth represented by the shaded area, is significantly larger. Moreover, by varying the length of the piles, it can be obtained that the average depth of this earth mass participating in the heat exchange with the ground is located on average at a depth comparable to or greater than that of a pipe constituting a heat exchanger compliant at the state of the prior art, and this by means of earthworks limited to disbursements of lesser importance and therefore significantly less expensive.
L'invention permet donc d'améliorer très significativement les performances des échangeurs liquide / sol ou gaz / sol à profondeur d'enfouissement et longueur de canalisations équivalents, et ce quelle que soit l'utilisation finale du fluide traversant les canalisations enterrées. A fortiori, l'invention permet de réduire considérablement la longueur des canalisations et / ou la profondeur d'enfouissement pour la réalisation d'un échangeur liquide / sol ou gaz / sol présentant une capacité d'échange donnée. Par conséquent, elle permet de réaliser d'importantes économies sur le coût de réalisation de tels échangeurs. De plus, par la compacité qu'elle permet, elle ouvre la voie à la réalisation d'échangeur gaz / sol ou liquide / sol pour des bâtiments implantés sur des terrains privatifs de faible surface en regard de leurs volumes habitables. Enfin, grâce à l'augmentation des masses et volumes de terre participant aux échanges thermiques, et à l'action des pieux permettant de réaliser ces échanges à des profondeurs importantes sans devoir effectuer de travaux de terrassement coûteux, l'invention permet de réaliser des installations de chauffage de locaux par pompes à chaleur équipés d'échangeurs primaires enterrés qui pourront fonctionner de façon autonome durant toute la saison de chauffage, y compris par températures extérieures basses ou très basses. En ce sens, l'invention permet de réaliser, y compris dans des régions de climat continental, des installations de chauffage utilisant exclusivement des pompes à chaleur sans appoint par résistances électriques ou par chaudière : les dispositions de l'invention permettent en effet d'éviter, en répartissant les flux de frigories dispersés par l'échangeur sur une masse de terre très importante et située à une profondeur moyenne significative, les phénomènes de givrage des échangeurs primaires qui constituent la principale limite de fonctionnement des pompes à chaleur. Bien entendu, l'amélioration des performances des échangeurs enterrés permettra d'améliorer à due proportion le rendement (représenté par le coefficient de performances) des pompes à chaleur équipées. De la même façon, l'invention permettra de réaliser des puits canadiens particulièrement performants, sans nécessiter de travaux de terrassement trop importants. En particulier, on pourra se contenter de réaliser des tranchées de profondeur faible, par exemple inférieure ou gale à 1 m 30 c'est-à-dire permettant de s'affranchir de l'obligation de blinder ou de taluter la tranchée, de poser les canalisations au fond ce cette tranchée et de les munir d'une pluralité d'ailettes elle-même équipées de pieux de grande longueur, ce qui permettra d'obtenir les même performances en terme de préchauffage hivernal et de rafraîchissement estival de l'air de renouvellement que celles procurées par une canalisation enfouie à une profondeur de 2 mètres qui auraient nécessité des travaux de terrassement et remblaiement délicats et onéreux. Les descriptions sont données à titre indicatif et l'on pourra choisir d'autres modes de réalisation des ailettes et / ou des pieux sans pour autant sortir du cadre de l'invention. The invention therefore makes it possible to very significantly improve the performance of the liquid / soil or gas / ground heat exchangers with equivalent depth of burial and pipe length, regardless of the end use of the fluid passing through the buried pipes. A fortiori, the invention can significantly reduce the length of the pipes and / or the burial depth for the realization of a liquid exchanger / soil or gas / soil having a given exchange capacity. Consequently, it allows significant savings on the cost of producing such exchangers. In addition, by the compactness it allows, it opens the way to the realization of gas exchanger / soil or liquid / soil for buildings located on privately owned land of small area compared to their living volumes. Finally, thanks to the increase in the mass and volume of earth involved in heat exchange, and the action of the piles to perform these exchanges at great depths without having to carry out expensive earthworks, the invention makes it possible to realize heat pump space heating systems with buried primary heat exchangers that can operate autonomously throughout the heating season, including low or very low outdoor temperatures. In this sense, the invention makes it possible to produce, even in regions with a continental climate, heating installations using exclusively heat pumps without additional heat. electrical or boiler resistances: the provisions of the invention make it possible in fact to avoid, by distributing the flow of frigories dispersed by the exchanger on a very large mass of earth and located at a significant average depth, the icing phenomena of primary heat exchangers which constitute the main limit of operation of heat pumps. Of course, improving the performance of underground heat exchangers will make it possible to improve proportionally the efficiency (represented by the coefficient of performance) of the heat pumps equipped. In the same way, the invention will make Canadian well performing wells, without requiring excessive earthworks. In particular, it will be sufficient to make trenches of low depth, for example less than or equal to 1 m 30 that is to say, to overcome the requirement to shield or calibrate the trench, to ask the pipes at the bottom of this trench and to provide them with a plurality of fins itself equipped with piles of great length, which will achieve the same performance in terms of winter preheating and summer cooling of the air renewal than those provided by a pipe buried at a depth of 2 meters which would have required earthworks and embankment delicate and expensive. The descriptions are given for information only and other embodiments of the fins and / or piles may be chosen without departing from the scope of the invention.

Claims

Revendications : Claims:
- 1 - Echangeur gaz / sol ou liquide / sol destiné au chauffage ou au refroidissement de locaux d'habitation soit en direct soit par l'intermédiaire d'une pompe à chaleur du type comportant au moins une canalisation enterrée, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'ailettes en contact thermique avec la canalisation enterrée et en ce que lesdites ailettes sont munies d'au moins un perçage apte à recevoir au moins un pieu comportant une partie inférieure susceptible de s'enfoncer dans le sol et une partie supérieure munie d'une tête de masse importante en contact thermique avec la dite ailette. - 1 - Gas / soil or liquid / soil heat exchanger for heating or cooling of living quarters either directly or via a heat pump of the type comprising at least one buried pipe, characterized in that it comprises a plurality of fins in thermal contact with the buried pipe and in that said fins are provided with at least one hole adapted to receive at least one pile having a lower part capable of sinking into the ground and a part upper provided with a large mass head in thermal contact with said fin.
- 2 - Echangeur gaz / sol selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les ailettes sont munies d'une partie femelle présentant une forme telle qu'elle puisse se fixer par clipsage autour d'une canalisation cylindrique présentant un diamètre extérieur compris entre 120 et 300 mm. - 2 - gas / ground heat exchanger according to claim 1, characterized in that the fins are provided with a female portion having a shape such that it can be fixed by clipping around a cylindrical pipe having an outer diameter of between 120 and 300 mm.
- 3 - Echangeur liquide / sol selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les ailettes sont munies d'une partie femelle présentant une forme telle qu'elle puisse se fixer par clipsage autour d'une canalisation cylindrique présentant un diamètre extérieur compris entre 15 et 50 mm. - 3 - liquid / soil exchanger according to claim 1, characterized in that the fins are provided with a female portion having a shape such that it can be fixed by clipping around a cylindrical pipe having an outer diameter between 15 and 50 mm.
- 4 - Echangeur selon revendication 1 , caractérisé en ce que les ailettes sont réalisées en matériau plastique rendu conducteur par inclusion de particules de métal ou de carbone. - 4 - exchanger according to claim 1, characterized in that the fins are made of plastic material made conductive by inclusion of metal particles or carbon.
- 5 - Echangeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pieux sont munis d'un pas de vis hélicoïdal apte à faciliter l'enfoncement des dits pieux dans Ie sol et à augmenter la surface de contact entre les dits pieux et la terre. - 5 - exchanger according to any one of the preceding claims, characterized in that the piles are provided with a helical screw pitch capable of facilitating the insertion of said piles into the ground and to increase the contact surface between said pious and earth.
- 6 - Echangeur selon revendication 5, caractérisé en ce que les pieux sont constitués d'une pluralité de segments pouvant s'assembler par vissage. - 7- Echangeur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les pieux comportent une partie intérieure cylindrique creuse, ladite partie intérieure cylindrique creuse étant remplie d'un liquide conducteur. - 6 - exchanger according to claim 5, characterized in that the piles consist of a plurality of segments that can be assembled by screwing. - 7 - exchanger according to claim 1, characterized in that the piles comprise a hollow cylindrical inner portion, said hollow cylindrical inner portion being filled with a conductive liquid.
- 8 - Echangeur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les pieux comportent une partie cylindrique creuse en contact avec la tête massive, ladite partie cylindrique creuse étant remplie par un tube caloduc. - 8 - exchanger according to claim 1, characterized in that the piles comprise a hollow cylindrical portion in contact with the solid head, said hollow cylindrical portion being filled by a heat pipe.
- 9 - Installation de chauffage de locaux d'habitation comportant une pompe à chaleur, caractérisée en ce que la pompe à chaleur est alimentée par un echangeur liquide / sol conforme à au moins l'une des revendications précédentes. - 9 - Residential heating installation comprising a heat pump, characterized in that the heat pump is supplied by a liquid / soil heat exchanger according to at least one of the preceding claims.
- 10 - Installation de préchauffage ou de rafraîchissement de l'air de renouvellement de locaux d'habitation, caractérisée en ce qu'elle comporte une canalisation enterrée équipée d'accessoires conformes à au moins une des revendications 1 à 8. - 10 - Installation for preheating or cooling the renewal air of living quarters, characterized in that it comprises a buried pipe equipped with accessories according to at least one of claims 1 to 8.
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