WO2017162254A1 - Serre maraîchère ou horticole fermée intelligente - Google Patents

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WO2017162254A1
WO2017162254A1 PCT/DZ2017/050006 DZ2017050006W WO2017162254A1 WO 2017162254 A1 WO2017162254 A1 WO 2017162254A1 DZ 2017050006 W DZ2017050006 W DZ 2017050006W WO 2017162254 A1 WO2017162254 A1 WO 2017162254A1
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water
coil
greenhouse
heat
thermal energy
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PCT/DZ2017/050006
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Abdelhamid CHEBBOUT
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Chebbout Abdelhamid
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    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
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    • A01G9/00—Cultivation in receptacles, forcing-frames or greenhouses; Edging for beds, lawn or the like
    • A01G9/24—Devices or systems for heating, ventilating, regulating temperature, illuminating, or watering, in greenhouses, forcing-frames, or the like
    • A01G9/243—Collecting solar energy
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    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A01G9/246—Air-conditioning systems
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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
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    • F24T10/00—Geothermal collectors
    • F24T10/10—Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24T—GEOTHERMAL COLLECTORS; GEOTHERMAL SYSTEMS
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    • Y02A40/10—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production in agriculture
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    • Y02P60/00—Technologies relating to agriculture, livestock or agroalimentary industries
    • Y02P60/12—Technologies relating to agriculture, livestock or agroalimentary industries using renewable energies, e.g. solar water pumping

Definitions

  • the intelligent closed greenhouse, solar energy sensor and accumulator, sensor and energy accumulator for cooling May have other applications in particular through its new generation geothermal system that has many potential applications.
  • the temperature is about 18-25 ° C, the air humidity 70% to 90% and the carbon dioxide concentration of more than 1000 ppm.
  • Optimum conditions require good control of the air temperature, humidity, and carbon dioxide concentration well above the natural proportion of this gas in the outdoor air.
  • a plant needs, in order to constitute the different parts of its material, 5 to 10% of the water that it consumes during all its growth.
  • a closed greenhouse is considered the ideal solution for a totally controlled crop of plants.
  • a closed greenhouse is a greenhouse that has virtually no means of ventilation or air exchange with the outside of the greenhouse. When it comes to a closed greenhouse, the Most experts focus on energy saving, efficiency and cost reduction on the basis of a whole year.
  • the best-known solution is the Dutch solution.
  • This is a closed greenhouse concept using groundwater to cool the greenhouse in summer and reheat it in winter using two very deep wells (100 meters).
  • the first "cold water well” is used to cool the greenhouse and the heated water after cooling the greenhouse is poured into the second "hot well”.
  • the greenhouse is heated by the reverse process.
  • This closed greenhouse model is difficult to export because it depends on the very special conditions in the Netherlands: The country is almost flat, the speed of water circulation of the water table is almost zero, hence the near maintenance in place water from both wells.
  • a large quantity of water is available and therefore a large volume of water is drawn from the water table and used (42 M3 of water / m 2 / year of greenhouse surface). These conditions are rare. in the world.
  • Patent WO0076296 The present invention is an alternative for regions that do not have groundwater availability conditions in the Netherlands including arid regions.
  • the second solution, Finnish, is based on the cooling by projection of water into the air falling into a pool, all outside the greenhouse.
  • Highly climate-dependent solution in Finland greatly limiting water losses in outdoor air by evaporation and allowing free access to large quantities of renewable water.
  • a third closed greenhouse solution was implemented for two years in Spain as part of the European project Watergy in 2006-2008: this project uses a central chimney (not open to the outside, serves to cause a natural circulation of water). air inside the volume of the greenhouse), in which chimney is a heat exchanger connected to a 20M3 water tank for greenhouse 200M *.
  • the project tested a large number of parameters and demonstrated the feasibility of the closed greenhouse principle: an irrigation water reuse rate of 75% was achieved; use of pesticides, the natural circulation of air, the use of water tank without heat pump ... However it was necessary to bring an additional 1000 M3 tank to cope with the cooling needs while 20M3 tank were originally planned. Purpose of the invention
  • the goal of the smart closed greenhouse is to maintain an indoor climate that is conducive to growing plants, reduce the amount of irrigation water by 90%, produce potable water from non-potable water by evaporation, and condensation and greatly reduce the use of pesticides by suppressing the use of aeration source of entry diseases for plants and loss of CO2 and large amounts of water.
  • Other applications of the closed greenhouse are possible based on a much more efficient use of the new-generation geothermal according to the present application: a large amount of energy can be stored from the sun or from the air conditioning of greenhouses or buildings in summer, directly in the ground and the basement, up to 100% of the needs of hot water and air conditioning in summer and 100% of the needs for heating and production of hot water in winter.
  • synergies with the smart closed greenhouse are to be implemented according to the present application, to create concrete, ecological, and sustainable.
  • - Figure. 1 is a cross section of a type 1 well of the first series.
  • - Figure 2 is a section of the internal volume of a greenhouse chapel with V-shaped shading curtains and the cold water spray system and the complementary system of evaporation of water.
  • - Figure 3 is a schematic view of a synergy closed greenhouse intelligent cylindro-parabolic sensors and solar chimney.
  • the present invention provides technical solutions for a closed greenhouse to operate throughout the year in most parts of the world including arid regions if 10% of the irrigation water requirements in large field crops can be made available. . Let us specify the problem to solve:
  • the biggest difference between a greenhouse in the north and a greenhouse in the southeast is the number of hours of water flow per hour / hectare greater than 250 M3:
  • the 210 hours represent only 5.7% of the total daily hours in the year. But they are one of the major problems to be solved (the peaks of heat at the hottest hours) with the cooling energy over a year of a closed greenhouse that represents nearly 3 times the energy required for heating in the South of France, but beyond the Mediterranean it is probably 4 times or more.
  • Cooling, air conditioning is the most difficult problem to solve, the power to provide and the amount of energy to extract over the year, in most parts of the world.
  • the greenhouse effect in the day has the effect that temperatures inside the greenhouse are higher than outside the greenhouse, so that at 50% of the heat accumulated in the greenhouse is evacuated by transfer through the plastic film of the envelope to the outside (result found during the Watergy project).
  • This phenomenon occurs also at night, but with temperature difference conditions between the inside of the greenhouse and the outside of the greenhouse more favorable for the cooling system when the energy accumulated in the day and stored in the ground must be extracted and evacuated outside, all night long.
  • the present invention relates in the first place to a new closed greenhouse concept that does not require a groundwater ground as in the Netherlands, comprising four components for controlling the climate inside the greenhouse throughout the year:
  • Second component the water / air exchanger system, allowing the cooling of the air inside the greenhouse and the condensation of the water vapor of this air during the day, and the warming, at night and in winter, of the air inside the greenhouse.
  • the water evaporation system (which may be in a separate circuit, and contain non-potable water) providing an evaporation function complementary to the evapotranspiration of the plants to absorb excess heat during the day by these two would evaporate and produce drinking water by condensation.
  • the objective of these four systems is to absorb excess heat inside the greenhouse during the hot hours of the day and temporarily store them in the wells dug below the greenhouse soil surface. In a second time, it is to evacuate these same excesses of heat during the cooler hours during the day, the night and in winter.
  • the first consists of digging trenches 60 cm or more below the surface of the self (frost-freeing) in which straight tubes or a coil are laid horizontally in polyethylene pipes connected to a heat pump so that the accumulated heat can be taken during periods of sunshine in the ground. About 30W / m 3 are extracted.
  • the second technique involves digging one or two deep wells (100 m) completely filled with a type of heat conductive cement encasing a polyethylene tube connected to a heat pump for the purpose of heating a dwelling in winter. Extracted between 20 and 70 W / meter of probe.
  • a heat pump can be reversible. Which means that in summer, instead of heating the building, it will cool the building, cool it. This results in the extraction of heat from the hot liquid from the air conditioners (fan stirring the air of a room on a heat exchanger in which the refrigerant gas circulates which extracts heat from the exchanger which in turn will cool the air. air in contact with it and circulating by ventilation in the room to be air conditioned).
  • the refrigerant gas then circulates in the exchanger of the heat pump and heats the coolant which in turn transfers this heat to the subsoil which it passes through in contact with it and returns to the heat pump with a lower temperature .
  • This mode of circulation of the coolant in the basement allows some energy transfer to the basement through the wall of the tubes of the circuit.
  • this mode of circulation of the coolant in this type of geothermal heat exchanger water / soil is far removed from the theoretical optimal model of energy transfer between a liquid passing through a surrounding mass.
  • the optimal theoretical model is constituted for example by a cylindrical reservoir placed vertically in which a coil allows a liquid circulating therein to transfer its energy to the lower temperature liquid contained in the reservoir if the direction of flow is vertical from top to bottom. low.
  • the tank will be able to store a larger amount of energy than if the entire volume of the tank had the same temperature everywhere (the coolant continues to transfer its energy to the tank at least in the cold bottom zone below the hot zone always dynamically stratified in high temperatures in the upper part of the tank and low in the lower part).
  • the coolant continues to transfer its energy to the tank at least in the cold bottom zone below the hot zone always dynamically stratified in high temperatures in the upper part of the tank and low in the lower part.
  • the transfer of energy the exchange continues to occur.
  • geothermal energy which is mainly used for building heating, it has rules limiting the heat power that can be extracted at 50 or 70 Watts maximum per meter of probe (to take into account the limited capacity of solar radiation to deep penetrate and subsoil to store extractable energy)
  • geothermal energy used by the intelligent closed greenhouse or by geothermal energy new building generation relies on the capabilities of more efficient devices and processes, according to the present application, to store energy in the basement and extract it.
  • the limits are pushed back far beyond the 70 watts / meter dug that serves as the current maximum measurement, at an order of magnitude of 50,000 W / meter of well dug according to the present invention!
  • a basement M3 has a storage capacity of approximately 2000KJ for each temperature increase of 1 ° C of this M3.
  • the present application provides a decisive orientation towards the solutions integrating the stratification of the temperatures in the volume of the subsoil to increase at the same time
  • the fluctuation of needs during the year consists of accumulations and extractions of energy in the soil and subsoil which compensate for each other and do not lead to an excess of soil temperature at the lower or higher levels of the year. in years for all regions of the world.
  • the innovation brought about by the present application is characterized first and foremost by the drilling of wells which serve as water / subsoil exchangers favoring the stratification of temperatures. (Fig 1).
  • a first characteristic of these water / basement heat exchanger wells is to be selected according to the diameter / depth well model offering the best local price ratio of the drilling price / storage efficiency for an existing greenhouse or a new smart closed greenhouse to be installed. or a geothermal system for the building.
  • a second feature of the wells according to the invention is to comprise a first series of type 1 wells (FIG. 1) in which a geo-membrane (5 FIG. 1) is first introduced directly into contact with the walls of the well. ) in the form of a closed cylinder at one of its two ends by pouring a certain volume of water to facilitate its descent to the bottom of the well.
  • the diameter of the geo-membrane must be greater than the diameter of the well to account for increases in the size of the contents of the cylinder constituted by the
  • the coils of a coil (7 Fig. 1) are fixed at regular intervals with two or more plastic strings so as to ensure a gap (6 Fig. 1) between the coils of the coil and the coil. allow the entire coil to be raised vertically and down to the bottom of the well.
  • the coil is introduced into a polymer tube (7 Fig 1), the outer diameter of the coils of the coil being smaller than the diameter of the well, weighted by a weight to descend to the bottom of the well.
  • a cylindrical column of sand and sodden earth mixture is thus obtained allowing stratification of the temperatures in the column and in the earth masses of the subsoil around the column.
  • a well comprises a lid (4 Fig 1) closing the well and 3 tubes coming out of a sealed cap sealing the geo-membrane in its upper part.
  • Two tubes of the coil and a tube intended to maintain and control a level of water in the volume of the geo-membrane to compensate for the possible losses of water essentially by evaporation.
  • the tip of the third tube is easily accessible for the water level control operation and the water leak detection in the geo-membrane volume.
  • the coil tubes leaving the well (2 & 3 Fig 1) are buried to protect them from light.
  • the wells are dug in a regular position so that they can be easily located.
  • the renewal of a well consists in emptying it entirely of its contents and replacing the geo-membrane, the coil and the mixture of sands and sand.
  • An example of a solution is to empty the mixture of soil and sand by suction through a pump by adding water if necessary, then remove the coil and finally the geo-membrane.
  • the operation of controlling the water level in the geo-membrane volume must make it possible to detect any leakage of water.
  • a second control operation on the coil must make it possible to detect any leak of coolant.
  • All wells are organized into a series of wells 1 to N connected to each other by a pipe, well 1 being the hottest well and well N being the coldest well.
  • Two levels of temperature stratification are thus obtained in the system of wells constituting the water / subsurface heat exchanger of the system: the upper part of a well is hotter than the part at the bottom of the well, the first stratification of the temperatures and the second level Temperature stratification takes place between wells, Well 1 is the hottest and Wells 2 to Well N are gradually becoming colder.
  • the series of wells are interconnected by a single pipe entering through the top tube of the well 1 coil, exiting through the bottom tube of the well 1 coil and entering again through the top tube of the Well 2 coil and so on to the N.
  • the well exchanger stores heat.
  • the well exchanger removes heat from the wells and piles of soil surrounding the wells.
  • water pumps are placed at regular intervals between two wells to restore and maintain permanently the adequate speed of circulation and the flow necessary for optimizing the flow.
  • water / underground energy exchange in the wells (obtain an optimal turbulent flow).
  • These water pumps are under the control of the control system, in particular for triggering the reversal of the direction of circulation of the coolant by means of the solenoid valves. Indeed, these water pumps are connected to the well circuit by a system for the circulation of water in both directions.
  • the first series of type 1 wells is, in a first option, in a closed circuit with one or more exchangers themselves connected to the water / air exchanger inside the volume of the greenhouse.
  • a second option is to connect part of the flow of the first series of type 1 wells according to the first option above, and the other part of this same flow to one or more water / water heat pumps themselves connected. at the water / air exchanger inside the volume of the greenhouse.
  • the series of type 1 wells from 1 to N thus formed has a determined cooling power level.
  • Technical limitations, pressure in the tubes or other economic and technical constraints, require to multiply the number of series of wells of type 1 to answer more important scales of load, that required by a hectare of greenhouse for example.
  • the maximum power to be set to size these type 1 wells must not cover the maximum cooling power required during peak heat periods on the hottest days in the year and the hottest hours of a day.
  • This second type 2 well system is to be sized according to the number of hours in the year, during which a cooling power greater than the power supplied by the series of wells of type 1 is necessary.
  • a third characteristic of the water / basement exchange wells is to include a second series of type 2 wells characterized in that:
  • a second characteristic of the Type 2 well is that the contents of the geomembrane contain only the coil and water, the coil tube having an internal diameter greater than the diameter of the coils of the type 1 well to be able to dispose of a higher speed and flow rate.
  • Type 2 well series An important feature of the Type 2 well series is the inclusion of a solenoid valve system to connect this series of Type 2 wells to an outdoor / indoor water / air heat pump (s) as required by the greenhouse. during operation of the heat pump. The purpose of this device is to cool the water contained in the Type 2 well until ice is produced as soon as outdoor conditions permit.
  • the complementary system thus makes it possible to rapidly meet the important cooling requirements during the hottest hours of the day by adding the flow rate of this cold water from the second series of type 2 wells to the flow rate of the water coming from the cooling produced by Type 1 wells in the water / air heat exchanger inside the intelligent closed greenhouse.
  • the water / air exchanger inside the greenhouse is in a state to ensure the maximum cooling power of the greenhouse.
  • the water flows from the sub-roof to a tank in which it is collected.
  • This tank has a float system similar to that of a toilet flush capable of triggering a water pump to discharge the overflow of the tank into a water recovery tank condensed by the water / air exchanger .
  • the flow of hot water from the collection tank is directed in part to the well 1 of the first series of the type 1 wells, and partly to the well 1 of the second series of type 2 wells.
  • a fourth characteristic of the water / basement heat exchanger wells is to have a third series of type 2 wells strictly identical to the second series of type 2 wells, whose objective is to produce and store, as soon as conditions are favorable, ice.
  • the second main feature of the smart closed greenhouse is to use a special type of heat pump, a "heat pump".
  • a first characteristic of the particular solar heat pump used is that it is absorption, operating mainly by supply of thermal energy and not electricity and is either water / air or geothermal water / water.
  • this type of heat pump is on the market and has a unit power up to 40 KW in heat and 17 KW in cold because it is reversible.
  • the thermal energy currently used is gas. This is the model of a heat pump used by the closed Dutch greenhouse with water table.
  • the second characteristic of the particular heat pump according to the present application is to propose a new type of heat pump absorption or adsorption supplied with thermal energy not by gas but by solar energy by means of one or several elements of solar thermal collector.
  • a first synergy of the intelligent closed greenhouse concerns synergy with cylindro-parabolic type sensors.
  • the main characteristic of this type of solar collector is that it concentrates the solar radiation on a vacuum transparent tube in which circulates a coolant in a conduit.
  • the coolant reaches up to 400 ° C and is used to produce steam and drive a steam turbine to produce electricity.
  • the current full process of producing electricity using these sensors involves a day-long storage operation of a portion of the heat energy captured to produce electricity during the night.
  • thermal energy storage system An example of a thermal energy storage system is Andasol 1, a central parabolic trough plant in Andalusia, Spain.
  • the heat energy is stored in two circular tanks 14 m in diameter and 36 m in height containing molten salts. These salts consist of 60% sodium nitrate and 40% potassium nitrate. These substances are used in the production of food products as preservatives or as fertilizers.
  • This energy storage system allows the plant to double its operational hours and thus allow a production of almost 24 h 24 in summer, when the sun is maximum. Andasof 1 supplies electricity to 200,000 inhabitants.
  • this cylindro-paraboiic sensor it is to allow a new use of this cylindro-paraboiic sensor by passing the heat transfer liquid circuit in a planar coil in direct contact with the tank containing the absorbent-absorbed heat pump to absorption, replacing the gas nozzle usually used.
  • Another option is that the coil is inside the tank, directly in contact with the absorbent-absorbed solution.
  • the possibility of operating the solar absorption heat pump at night is another important advantage to activate the cooling of all the wells at night and to evacuate the heat produced by the process of air conditioning of the interior volume of the greenhouse all day long. .
  • a better solution for reducing costs for each greenhouse operator is to create large sites with a sufficient number of greenhouse members to pool a parabolic trough plant and their night storage system, according to the present application.
  • Large greenhouse production centers such as Almeria in Spain are the typical recipients of both the closed greenhouse and the parabolic solar collector heat pump model of the present invention.
  • the third main feature of the intelligent closed greenhouse in addition to the wells of two types, and the use of a solar heat pump, is the creation of synergies of the intelligent closed greenhouse with solar collector systems capable of producing solar energy. heat energy partly used during the day and partly stored during the day to be used at night, and in parallel to produce electricity at night by consuming the portion of thermal energy stored during the day.
  • Solar thermal energy is more easily storable for use (at night than solar energy is transformed into electricity, which bypasses the weaknesses of solar that is present in daylight and to have sustainable energy day and night.
  • a first synergy according to the invention is characterized in that it relates to parabolic type solar collectors with a sterling motor, by adapting this type of sensor to absorption heat pumps, with regard to the heat energy produced as it is proposed above for cylindro-parabolic sensors.
  • the temperature obtained can reach 1000 ° C.
  • a second synergy according to the invention is characterized in that it relates to the solar chimney, which is also a particular solar collector.
  • This is a large-scale solar power generation technology that does not need water to operate and has been retained by 22 Los Angeles municipalities for this reason, as California, for the production of solar electricity by cylindro-parabolic sensors, has clearly noted the burden of the huge consumption of water by K.WH produces and has focused its attention and its regulation on the technologies of renewable energy production but not requiring any consumption of 'water.
  • a prototype of the solar chimney of 57 KW of power was built and worked during 8 years in Spain. The company Enviromission which bought the prototype technology tested in Spain, is about to build several solar chimneys in the world, having benefited from the contribution of several international investors recently and created a marketing company for the Middle East and North Africa.
  • the cylindro-parabolic sensors of the north and south sides of the solar chimney supply thermal energy to all the greenhouses for the absorption heat pumps.
  • a second characteristic of intelligent closed greenhouses north and south of the solar chimney is that they are distant from the perimeter of the disc covered by the plastic film of the solar chimney, separated by a space large enough to eliminate any negative impact on the flow. of air towards the center of the solar chimney.
  • This device allows to supply thermal energy at night the solar chimney so that it produces electricity all night, by recovering the heat released by the greenhouses (with the heat extracted from the wells, is added the heat released by heat pumps powered by thermal energy: a reversible gas heat pump of 42 KW in heat, has a power of 17KW in cold).
  • a second goal to the installation of additional cylindro-parabolic sensors with additional energy storage is to reduce the height of the solar chimney itself (reducing the cost of construction and increasing the durability of the solar chimney) for the same power
  • An atmospheric vortex engine is a machine designed to produce and control a tornado-type whirlwind.
  • the machine consists of a cylindrical wall open from above, with tangential entrances at the bottom.
  • the vortex is started by heating the air inside the cylinder either with fuel or with steam. Once the vortex is turned on, the heat of the air can be increased in a peripheral cooling tower located outside the cylindrical wall.
  • the heat source can be either the heat rejected by an industrial process, the heat contained in the water of a hot sea or the heat already present in the humid air of the lower atmosphere.
  • An AVE (Atmospheric Vortex Engine) power plant could have an electric power of 200 MW; the cylindrical wall could have a height of 100 m and a diameter of 400 m. The vortex would have a diameter of 50 m at its base that would increase in height and a height of up to 20 km. "
  • the vortex consists of a circular wall 100 m in height and 400 m in diameter would produce an electric power of 200MW, as a solar chimney of 7S0 meters in height and a plastic surface up to 7.5 km in diameter.
  • the synergy between smart closed greenhouses using heat pumps and parabolic trough sensors, and a vortex is analogous to the synergy between these same smart closed greenhouses and the solar chimney.
  • This synergy unlike the vortex solution proposed by Michaud, is that here, the vortex is totally controlled by the quantity of heat supplied by the parabolic solar collectors during the day and by the heat diffusion system stored overnight. . There is no need for energy from industrial processes or cooling tower or hot seawater. There is no risk of the vortex leaving the base or stopping once started.
  • the cylindro-parabolic sensors can be oriented in the direction of the sun more or less, according to the instructions of the regulation controlling the power of the vortex.
  • the sensors can even be oriented in the opposite direction to that of the sun and thus stop any production of heat. It is the same at night.
  • the vortex principle was invented in Norway, by observing air vortices in the Jamaican Sahara. Indeed, the rising air vortex, in rotation movement on itself, does not mix with the outside air and creates a virtual chimney that can reach 20 km in the sky but without wall wall to build ...
  • the fourth main characteristic of the intelligent closed greenhouse is to propose creating sites combining not only smart closed greenhouses and solar collectors, but also residences or even office or industrial buildings.
  • the water / air exchanger system can be implemented according to various existing or new solutions.
  • the water / air heat exchanger system is based on a water / air exchanger for each aboveground crop line with an air diffuser located below each baking line. closed Dutch water table).
  • the present proposed device is to mobilize the curtains used for shading your greenhouse by having them perform an additional function: make a V-shaped roof very flat and open on a central gutter for the evacuation of water under the low tip of the V so that it can spray the cooling water on the roof during the day and heat the inside of the greenhouse at night and in winter.
  • Several overlapping curtains with a separator space make up each branch of the V and the water spray flows on the central gutter below the tip of the V.
  • This gutter is composed of pairs of transparent plastic gutters each gutter being inclined slightly to dump the water in a common evacuation joining the drainage system of the water / air exchangers of each chapel.
  • These pairs of gutters are arranged in series on 100 meters for each span.
  • the entire length of a shading curtain is composed of a transparent, watertight plastic film.
  • Each shading curtain has a double length of the area of the greenhouse to which it is dedicated.
  • Half of the surface of the curtain is used for shading. It consists of a plastic film on the upper part and shading fabric on the lower part.
  • the second half of the curtain's length is composed of only the transparent plastic film.
  • the winding and unwinding mechanism of the curtain comprises two winders each positioned at one end of the surface of the shading greenhouse. When the winder of the shading part wraps its portion, it unrolls at the same time the transparent plastic film portion and vice versa for the reel of the plastic film.
  • Another solution according to the present application is to set up the curtains of transparent film in a fixed and permanent way and to unroll the shading curtains when necessary underneath the curtains of transparent film thus protecting them from the water spray.
  • shade curtains can be positioned above the eave and water spray system, which reduces the maximum cooling power required during peak heat hours.
  • the time required to go from 60% to 90% relative humidity is 11 seconds.
  • Gold water / air exchanger is positioned in the upper part of the volume of the greenhouse. A stratification of the temperatures in the air volume of the greenhouse causes the water / air exchanger to operate at temperatures higher than the temperature at the soil and plant level.
  • Sprayed cooling water when the relative air humidity reaches 90% must have a temperature of less than 38 ° C to begin to cause condensation of water evaporated in the air and 28 ° C to bring back the relative humidity of the air at 60%. And to lower the air temperature from 40 ° C to 28 ° C, the water spray must absorb 12,000 J per kg of air. The amount of cooling water required for this depends on the quality of the water / air exchanger that is to say the increase in temperature of the cooling water after spraying it into the air.
  • the sizing of the cooling water flow to be sprayed is therefore strictly determinable as a function of the quality of the water / air exchanger (quality determined precisely by an outlet water temperature sensor compared to the temperature of the water at the inlet of the exchanger by the control system) and the cooling power to be ensured at every moment (maximum power to be installed: 600 W / m * for the sunniest hours).
  • the water leaving the exchanger water / air to the well should have a higher temperature than the n-well 1 c hottest.
  • the cold water spray cycle should occur approximately every 100 seconds for the same greenhouse M 2 to optimize the phase and the cooling operation which is more efficient at 90% relative humidity and 40 ° C at least. Moreover, a stratification of the temperatures in the interior air volume of the greenhouse makes it possible to have 40 ° C in the upper part above the shading curtains and 30 or 35 ° C maximum below these curtains.
  • the quality of the water / air heat exchanger is based on the number of spray droplets and their sizes. There must be many small droplets to ensure a good heat exchange, but these small droplets are volatile, so it also requires large drops sprayed at the same time to ensure a movement of air and refreshed in direction of the soil of the greenhouse. Two types of sprayers are therefore necessary.
  • the cooling load is very variable depending on the weather conditions outside and inside the greenhouse. A mechanism for increasing power and decreasing the cooling power must make it possible to respond to this variability effectively.
  • a second characteristic of the water / air exchanger is that the water used to be sprayed is water from the condensation of water evaporated in the volume of the closed greenhouse.
  • the third characteristic of the water / air heat exchanger is that it comprises a plurality of water collection tanks and two or more water / water heat exchangers.
  • the water / air exchanger of the closed greenhouse is characterized, according to the present application, by the presence of a water pump. (7 Fig 2) drawing on one side the water contained in the water collection tank (6 Fig 2) on the vaulted roofs and supplying the exchanger with a heat pump (8 Fig. 2) water / water.
  • a second water pump (9 FIG. 2) supplies water cooled to an adequate pressure, a multi-way solenoid valve (10 FIG. 2) distributing this cooled water to several series of sprayer ramps with a 100-second cycle for each boom (2 Fig 2) and a spray time of 3 to 10 seconds depending on the power setpoint emitted by the control.
  • Each boom of sprayers is fixed in the center of a chapel and as high as possible to water droplets of different sizes in diameter, the whole surface of the roof (3 Fig 2) of the chapel.
  • Each boom of a chapel sprayer is connected at one of its ends to a multi-way solenoid valve fed by a heat pump of the type 1 wells, and at the second end to a multi-way solenoid valve fed by a well heat pump. type 2; the two solenoid valves are shifted by one step, so that the two sources of cold water are sprayed successively on each chapel ramp.
  • a boom (2 Fig 2) of sprayers is attached as high as possible to the center of each chapel and over its entire length.
  • the objective is that the distribution of droplet sizes and sprayer directions will bring warm air from the top of the chapel to the under-ply over the entire surface of the sub-roof with the maximum possible energy exchange between air and droplets.
  • the cooled air (5 Fig 2) descends to the ground and the plants.
  • Hot air (4 Fig 2) rises from the ground and plants through the perimeter of the roof to the roof of the closed greenhouse.
  • a second objective is to "wet" the plastic roof to defuse the inner surface (which occurs when the external temperature is lower than the internal temperature of the greenhouse). If the architecture of the structure of the existing greenhouse is not suitable then another means is put in place to demist the inner surface of the plastic wall when necessary.
  • the water intended to fulfill this function may be a certain volume of water adjusted to the surface of the greenhouse and a function of the volume of evapotranspiration of the cultivated plants. This evapotranspiration of plants must be preserved. It is only from a temperature threshold beyond which the plants stop growing in an optimal mode that the complementary device of evaporation of water must come into activity.
  • the optimal mode of plant growth is itself a function of the plant's ability to absorb water in the soil, the availability of oxygen for the roots, the availability at the appropriate molecular state of the elements of the plant. fertilization, the degree of stomatal opening, the relative humidity of the air, the rate of CO2 and the temperature.
  • the additional water evaporation device uses water from evaporated water condensation and a water storage tank to be evaporated, fed by a pipe whose flow is controlled by a float stop / open system. on the surface of the water in the tank.
  • the device uses the following components:
  • a transparent plastic gutter (i 1 Fig 2) identical to the gutter drain water water / air exchanger. fixed below the roof ridge of a chapel span.
  • the width of the gutter is a function of the objective. If you want to evaporate as much water as possible to recycle, the width will be maximum.
  • a water pump pumps water from the water tank to
  • This water evaporation device can be used to recycle non-potable water by evaporation.
  • an acceptable upper salinity level detection system is used to direct this water flowing from the gutters to an evaporative salt production area outside the water. tight.
  • This control system is programmed according to the temperature inside the greenhouse and outside, and the relative humidity inside the greenhouse, parameters returned to the control system by sensors.
  • the various devices and processes described above are all controlled by solenoid valves controlled by the control system, which also controls the start-up and shutdown of the pressure-compensating water pumps, the heat pumps, the flow / winding shade curtains.
  • the embodiment of the intelligent closed greenhouse is to adapt to each climate region and each particular field to optimize its mode of operation.
  • the first parameter to be determined, linked to the ground, is that of the possible heat extraction power for one meter well dug and installed according to the invention (with and without PAC).
  • the second parameter is the possible storage capacity for one meter well in 10, 30 seconds, 1 minute, 10 minutes ...
  • the third parameter is the number of hours in the year requiring the maximum cooling power and the powers below this maximum.
  • the objective being to allow the transformation of an existing greenhouse vault in intelligent closed greenhouse, there is only one dimension of the structure of the greenhouse likely to impact the operation of transformation it is the height under channels.
  • the sub-channel height may impact the size of the drill rig that can maneuver on the sub-channel greenhouse surface.
  • the height of the drill rig determines the maximum possible depth of well drilled.
  • the sub-channel height should be, as it is already in most existing greenhouses, the current standard for these areas. This height allows the installation of water / air exchanger system by water spray with the mobilization of shading curtains to evacuate the water spray.
  • irrigation ... total renewal of soil which is an input consumable component that does not require disinfection .
  • the absorption heat pump can be adapted to be heated by wood boilers or wood pellets whose fumes can be sources of CO2 along with thermal energy for the heating.
  • the power of SO 000W per meter calculated well of storage and heat extraction in new generation geothermal does not take into account heat pump in the operation if a temperature difference of 5 ° C between the coolant and the subsoil is produced without a heat pump. But it is imperative to have the means to produce ice or to draw the maximum energy from cooling the basement of the greenhouse to cope with the power and the amount of cooling energy that are, in all regions of the world with the same magnitudes required for heating.
  • the thermal energy storage can use pians heat sensors to be installed on the roof of the closed greenhouse at the northern limit of the closed greenhouse on a strip whose width does not constitute an obstacle to the solar radiation so that it reaches the plants bordering this northern limit of the greenhouse.
  • studies have shown that the cooling process in the summer can store nearly twice as much heat as needed for heating in winter.
  • We can facilitate the functions of dehumidification with the heat ... That is why we must propose this solution to the greenhouse operator who may need hot water in his activity but especially a supplement of storage in heat for the winter reliable and effective .
  • the use of flat solar thermal collectors provides the possibility of storing energy up to the needs of the year, thanks to the new-generation geothermal energy.
  • the number of hours with high cooling capacity requires the number 2 wells of the second series to be increased in number to fully ensure this function regardless of the maximum power found.
  • a strategy must be found to strengthen the power of the complementary system of the second series of type 2 wells by using both more wells and pumps at the same time. sufficient water / air heat to ensure the production of ice.
  • the wells must also be reinforced in number of wells and in number of heat pumps according to local needs.
  • Heat pumps are the most fragile component for this aspect.
  • the described geothermal wells are sustainable and renewable. It is possible to start with a limited number of wells and a greater number of water / water or water / air heat pumps. Then, with time, invest more in the number of wells by digging new ones. Thus we obtain a greenhouse more and more durable.
  • the heat pumps can be mobile and be inside or outside the room); outside the greenhouse as needed or have air ducts treating indoor or outdoor air to the closed greenhouse),

Abstract

Accumulateur d'énergie thermique dans lequel celui-ci comprend un serpentin en tube, de forme cylindrique et destiné à être disposé verticalement dans un puits vertical de forme cylindrique correspondante, ce serpentin comprenant une entrée et une sortie permettant à un fluide caloporteur de circuler dans ce serpentin entre ladite entrée et ladite sortie de sorte à permettre, lorsque ce serpentin est disposé dans ledit puits, une stratification verticale de la température du volume du puits qui environne le serpentin et avec lequel le serpentin est en contact tant que la température de ce volume n'est partout égale à la température du liquide caloporteur circulant dans le serpentin.

Description

Serre maraîchère ou horticole fermée intelligente
Domaine technique auquel se rapporte l'invention
La serre fermée intelligente, capteur et accumulateur d'énergie solaire, capteur et accumulateur d'énergie de refroidissement. Peut avoir d'autres applications en particulier au travers de son système de géothermie nouvelle génération qui recèle de nombreuses applications potentielles.
Etat de la technique antérieure
Le problème technique à résoudre : Le recours traditionnel à la ventilation naturelle ou forcée dans les serres, pour réduire l'excès de chaleur et d'humidité à l'intérieur de la serre a des inconvénients majeurs. Poussières, Insectes et maladies entrent à travers les ouvertures, la fertilisation par un apport de dioxyde de carbone est rendue inefficace et l'évacuation de la chaleur et de l'humidité par ventilation a lieu avec une efficacité énergétique beaucoup plus faible et les pertes en eau et en dioxyde de carbone sont très élevées.
Dans des conditions optimales de croissance des plantes, la température est d'environ 18-25 °C, l'humidité de l'air 70% à 90% et la concentration de dioxyde de carbone de plus de 1000 ppm.
Les conditions optimales exigent un bon contrôle de la température de l'air, de l'humidité et de la concentration de dioxyde de carbone bien supérieure à la proportion naturelle de ce gaz dans l'air extérieur. Une plante a besoin, pour constituer les différentes parties de sa matière, de 5 à 10% de l'eau qu'elle consomme durant toute sa croissance.
90% de l'eau que consomme une plante est perdue dans l'air par évapotranspiration en culture de plein champs.
Il est clair que récupérer ces 90% d'eau et contrôler les autres paramètres, température, humidité, concentration en C02, ne peut être atteint dans une serre ayant des ouvertures d'aération sur l'extérieur.
Une serre fermée est considérée comme fa solution idéale pour une culture totalement contrôlée des plantes.
Une serre fermée est une serre qui n'a pratiquement pas de moyens de ventilation ou d'échange d'air avec l'extérieur de la serre. Lorsqu'il est question de serre fermée, la plupart des experts se focalisent sur l'économie d'énergie, l'efficacité et la réduction des coûts sur la base d'une année entière.
Or, le refroidissement pour le fonctionnement de la serre fermée durant les périodes chaudes demande des équipements et une quantité d'énergie bien plus importants que ceux nécessaires pour les autres saisons.
Il existe trois principales solutions de serre fermée testées et mises en œuvre.
La solution la plus connue est la solution hollandaise. Il s'agit d'un concept de serre fermée utilisant l'eau de la nappe phréatique pour refroidir la serre en été et la réchauffer en hiver à l'aide de deux puits très profonds (100 mètres). En été le premier « puits d'eau froide » est utilisé pour refroidir la serre et l'eau ainsi réchauffée après avoir servi au refroidissement de la serre est déversée dans le second « puits d'eau chaude ». En hiver la serre est chauffée par le processus inverse. Ce modèle de serre fermée est difficilement exportable car il dépend des conditions très particulières aux Pays-Bas : Le pays étant quasiment plat, la vitesse de circulation de l'eau de la nappe phréatique est quasi nulle, d'où le quasi maintien en place de l'eau des deux puits. Par ailleurs une grande quantité d'eau est disponible et donc un grand volume de celle-ci est puisé dans la nappe phréatique et mis à contribution.(42 M3 d'eau/m2/an de surface de serre) Ces conditions sont rares dans le monde. Brevet WO0076296. La présente invention constitue une alternative pour les régions qui n'ont pas les conditions de disponibilité de nappe phréatique des Pays Bas y compris les régions arides.
La seconde solution, finlandaise, repose sur le refroidissement par projection d'eau dans l'air retombant dans un bassin, le tout à l'extérieur de la serre. Solution très dépendante du climat en Finlande limitant grandement les pertes d'eau dans l'air extérieur par évaporation et permettant de disposer gratuitement de grandes quantités d'eau renouvelable.
Une troisième solution de serre fennée a été mise en œuvre durant deux ans en Espagne dans le cadre du projet européen Watergy en 2006-2008 : ce projet utilise une cheminée centrale (non ouverte sur l'extérieur, sert à provoquer une circulation naturelle de l'air à l'intérieur du volume de la serre), dans laquelle cheminée se trouve un échangeur relié à un réservoir d'eau de 20M3 pour 200M* de serre. Le projet a permis de tester un grand nombre de paramètres et de montrer la faisabilité du principe de serre fermée : un taux de réutilisation de l'eau d'irrigation de 75% a été réalisé, la non utilisation de pesticides, la circulation naturelle de l'air, l'utilisation de réservoir d'eau sans pompe à chaleur... Cependant il a fallu apporter un réservoir de 1000 M3 supplémentaire pour faire face aux besoins de refroidissement alors que 20M3 de réservoir étaient prévus à l'origine. But de l'invention
La serre fermée intelligente a pour but de maintenir un climat intérieur propice à la culture de plantes, de réduire la quantité d'eau d'irrigation de 90%, de produire de l'eau potable à partir d'eau non potable par évaporation et condensation et de réduire grandement l'utilisation de pesticides par suppression du recours à l'aération source d'entrée des maladies pour les plantes et de perte de C02 et de grandes quantités d'eau. D'autres applications de la serre fermée sont possibles basées sur une utilisation bien plus efficace de la géothermie nouvelle génération selon la présente demande : on peut stocker une grande quantité d'énergie provenant du soleil ou provenant de la climatisation de serres ou de bâtiments en été, directement dans le sol et le sous-sol, à hauteur de 100% des besoins en eau chaude et climatisation en été et de 100% des besoins de chauffage et de production d'eau chaude en hiver. Afin de réaliser pleinement ces objectifs, des synergies avec la serre fermée intelligente sont à mettre en place selon la présente demande, pour créer des ensembles concrets, écologiques, et durables.
Enoncé des Figures
-Figure. 1 est une coupe transversale d'un puits de type 1 de la première série.
-Figure 2 est une coupe du volume interne d'une serre chapelle avec les rideaux d'ombrage en forme de V et le système de pulvérisation d'eau froide ansi que le système complémentaire d 'évaporation d'eau.
-Figure 3 est une vue schématique d'une synergie serre fermée intelligente capteurs cylindro-paraboliques et cheminée solaire.
Présentation de l' essence fia substance ) de l'invention
La présente invention apporte des solutions techniques permettant à une serre fermée de fonctionner toute l'année dans la plupart des régions du monde y compris les régions arides si 10% des besoins en eau d'irrigation en culture de grands champs peuvent y être rendus disponibles. Précisons le problème à résoudre :
Une étude de l'Ademe sur les serres fermées sur nappe phréatique permet de connaître les conditions climatiques exactes auxquelles une serre fermée a à faire face tout au long de l'année, dans le Sud Est de la France :
Figure imgf000006_0001
La plus grande différence entre une serre située au nord et une serre située au Sud Est, est le nombre d'heures de débit en eau par heure/hectare supérieur à 250 M3:
210 heures au Sud contre 14 heures seulement au Nord.
Cependant en quantité de chaleur à extraire pour le refroidissement, les besoins dans la serre du Nord atteignent 80% des besoins dans celle du Sud.
Les 210 heures ne représentent que 5,7% du total des heures journalières sur Tannée. Mais ils constituent l'un des problèmes majeurs à résoudre (les pics de chaleur aux heures les plus chaudes) avec l'énergie de refroidissement sur une année d'une serre fermée qui représente près de 3 fois l'énergie nécessaire pour le chauffage dans le Sud de la France, mais au-delà de la Méditerranée c'est probablement 4 fois ou plus encore.
Le refroidissement, la climatisation est bien le problème le plus difficile à résoudre, en puissance à fournir et en quantité d'énergie à extraire sur l'année, dans la plupart des régions du monde.
Et si on évoque le Sahara il y a lieu de mobiliser toutes les technologies concernées actuelles pour apporter une solution. En focalisant la solution sur la puissance et la quantité d'énergie de refroidissement dans les conditions extrêmes du Sahara, des solutions analogues peuvent apparaître pour les autres régions du monde.
La situation la plus fréquente et la plus difficile à résoudre pour une serre fermée est la période des pics de chaleur des heures les plus chaudes en journée, quand les hautes températures de l'air ambiant extérieur rendent impossible techniquement et
économiquement l'évacuation de la chaleur interne au volume de la serre fermée vers l'air extérieur.
Durant ces pics de chaleur, il n'existe pas d'autre solution que le recours à la géothermie pour stocker temporairement dans le sol sous la surface de la serre fermée, les excédents de chaleur de l'air interne de la serre. Les technologies de géothermie actuelles les plus performantes par des sondes de 100 mètres de profondeur se limitent à 70W maximum par mètre de puits creusé. Dans ces conditions, il n'y a pas de solution avec ce type de géothermie pour répondre aux contraintes de refroidissement de la serre fermée, ni en puissance ni en quantité d'énergie de refroidissement. La présente demande apporte une solution.
Nous commençons par la différence de température diurne. Au Sahara comme en Europe elle est la même : 15 à 20°C entre le jour et la nuit, en laissant de côté les périodes rares de 3 jours et 3 nuits à 45-50°C dans la cuvette d'In Salah à 135 m sous le niveau de la mer.
Cette différence de température diurne moyenne tout au long de l'année et les températures plus basses en hiver peuvent être exploitées : la chaleur évacuée de la serre durant les heures les plus chaudes de la journée et accumulée temporairement dans le sol et le sous-sol peut être évacuée lors des phases et processus de refroidissement qui ont lieu principalement la nuit et en hiver.
Dans le bilan thermique global d'une serre fermée, l'effet de serre dans la journée a pour conséquences que les températures à l'intérieur de la serre sont plus élevées qu'à l'extérieur de la serre, si bien que en gros 50% de la chaleur accumulée dans la serre est évacuée par transfert à travers le film plastique de l'enveloppe vers l'extérieur (résultat constaté au cours du projet Watergy).
Ce phénomène a lieu également la nuit, mais avec des conditions de différence de températures entre l'intérieur de la serre et l'extérieur de la serre plus favorables pour le système de refroidissement lorsque l'énergie accumulée dans la journée et stockée dans le sol doit être extraite et évacuée à l'extérieur, durant toute la nuit.
En moyenne annuelle de différences de températures entre la nuit et le jour il y a moyen d'évacuer la nuit l'énergie accumulée durant la journée, mais des écarts existent pratiquement d'une nuit à l'autre et c'est pourquoi des capacités de stockage à court et moyen termes d'énergie qui ne peut être évacuée durant plusieurs nuits doivent être disponibles voire des capacités de stockage d'énergie permettant d'assurer un
fonctionnement correct jusqu'à la période d'hiver laquelle va permettre non seulement d'évacuer toute l'énergie stockée restante dans le sous-sol, mais d'abaisser les températures du système de stockage en dessous des températures naturelles pour accumuler de l'avance en capacité de refroidissement pour les périodes chaudes des saisons qui arrivent après l'hiver. Naturellement il s'agit d'avoir les moyens techniques complémentaires à même de répondre à toutes circonstances climatiques récurrentes ou exceptionnelles.
La présente invention concerne en premier lieu un nouveau concept de serre fermée ne nécessitant pas de terrain à nappe phréatique comme aux Pays Bas, comportant quatre composants permettant le contrôle du climat à l'intérieur de la serre tout au long de l' année:
> Premier composant : le système d'échangeur et de stockage de l'énergie dans le sous-sol de la serre.
> Deuxième composant le système d'échangeur eau/air, permettant le refroidissement de l'air intérieur de la serre et la condensation de la vapeur d'eau de cet air en journée, et le réchauffement, la nuit et en hiver, de l'air intérieur de la serre.
> Troisième composant : le système d'évaporation d'eau (qui peut être dans un circuit séparé, et contenir de Peau non potable) assurant une fonction d'évaporation complémentaire à l'évapotranspiration des plantes pour absorber les excès de chaleur le jour par ces deux évaporerions et produire de l'eau potable par condensation.
> Quatrième composant : le système de contrôle et de régulation des trois systèmes ci-dessus en fonction des conditions climatiques qui régnent à l'intérieur et à l'extérieur de la serre.
L'objectif de ces quatre systèmes est d'absorber les excès de chaleur à l'intérieur de la serre durant les heures chaudes de la journée pour les stocker temporairement dans les puits creusés sous la surface du sol de la serre. Dans un deuxième temps, il s'agit d'évacuer ces mêmes excès de chaleur durant les heures plus fraîches en journée, la nuit et en hiver.
> Le système d'échangeur et de stockage de l'énergie dans le sous-sol de la serre est constitué de puits de géothermie nouvelle génération plus efficace.
Il y a deux techniques de géothermie actuellement mises en œuvre. La première consiste à creuser des tranchées à 60cm ou plus sous la surface du soi (mise hors gel) dans lesquelles on étend des tubes droits ou un serpentin horizontalement en tubes de polyéthylène relié à une pompe à chaleur afin de pouvoir prélever la chaleur accumulée durant les périodes d'ensoleillement dans le sol. On extrait environ 30W/m3.
La seconde technique consiste à creuser un ou deux puits profond (100 m) totalement rempli par un type de ciment conducteur de chaleur enrobant un tube polyéthylène en U relié à une pompe à chaleur dans le but de chauffer un logement en hiver. On extrait entre 20 et 70W/mètre de sonde.
Naturellement, le réchauffement de la surface du sol par le rayonnement solaire, se propage en profondeur dans le sous-sol en fonction de l'intensité du rayonnement solaire et de la durée de ce rayonnement appliqué à la surface du sol.
C'est la chaleur accumulée ainsi dans le sous-sol durant tout Tété ou de par la température constante durant Tannée des couches plus profondes du sol, que la géothermie a pour objectif de récupérer durant tout l'hiver pour chauffer le bâtiment, au moyen de gaz frigorigène dont la température d'ébuliition se produit à environ -17°C. Dans une pompe à chaleur eau/eau cette évaporation du gaz frigorigène absorbe la chaleur du liquide caloporteur traversant la pompe à chaleur et ce liquide caloporteur ainsi refroidi, va se réchauffer au contact du sous-sol dans lequel il circule, grâce à la grande différence de température qui favorise le transfert d'énergie de l'élément le plus chaud vers l'élément le plus froid, puis retourne à la pompe à chaleur où le cycle se poursuit à nouveau.
Une pompe à chaleur peut être réversible. Ce qui signifie qu'en été , au lieu de chauffer le bâtiment, elle va refroidir ce bâtiment, le climatiser. Ceci se traduit par l'extraction de chaleur du liquide chaud provenant des climatiseurs (ventilateur brassant l'air d'une pièce sur un échangeur dans lequel circule le gaz frigorigène lequel extrait la chaleur de l'échangeur qui à son tour va rafraîchir l'air en contact avec lui et circulant par ventilation dans la pièce à climatiser) .
Le gaz frigorigène circule alors dans l'échangeur de la pompe à chaleur et y réchauffe le liquide caloporteur qui à son tour transfère cette chaleur au sous-sol qu'il traverse en contact avec lui et retourne à la pompe à chaleur avec une température inférieure.
Ce mode de circulation du liquide caloporteur dans le sous-sol permet un certain transfert d'énergie au sous-sol à travers la paroi des tubes du circuit. Cependant ce mode de circulation du liquide caloporteur dans ce type d'échangeur géothermique eau/sol est très éloigné du modèle théorique optimal de transfert d'énergie entre un liquide traversant une masse environnante.
Le modèle théorique optimal est constitué par exemple par un réservoir de forme cylindrique posé verticalement dans lequel un serpentin permet à un liquide y circulant de transférer son énergie au liquide de température inférieure contenu dans le réservoir si la direction de circulation est verticale du haut vers le bas.
Le principe de l'optimisation de ce modèle théorique est constitué par la stratification des températures qui se produit dans le liquide contenu dans le réservoir, températures plus hautes dans la partie supérieure et plus basses graduellement dans la partie inférieure du réservoir.
C'est ce phénomène qui permet au liquide circulant dans le serpentin de ressortir par le bas du serpentin avec une température plus basse optimale qui a deux conséquences :
D'une part le réservoir va pouvoir stocker une quantité d'énergie plus grande que si tout le volume du réservoir avait partout la même température (le liquide caloporteur continue à transférer son énergie au réservoir au moins dans la zone basse froide en dessous de la zone chaude toujours dynamiquement stratifiée en températures hautes dans la partie supérieure du réservoir et basses dans la partie inférieure). En effet , tant que le volume d'eau du réservoir n'a pas atteint une température égale à celle du liquide le traversant dans la totalité de son volume, le transfert d'énergie, l'échange continue à se produire.
D'autre part tant que la différence de température entre l'entrée et la sortie du liquide caloporteur dans le serpentin existe en relation directe avec la stratification parallèle et dynamique des températures dans le réservoir, un meilleur échange au niveau de l'échangeur de la pompe à chaleur a lieu et continue de se produire jusqu'à ce que la température du volume du réservoir devienne partout égale ou supérieure à celle du liquide caloporteur qui y entre.
A la différence de la géothermie en usage principalement pour le chauffage de bâtiments, laquelle a des règles limitant la puissance en chaleur qui peut être extraite à 50 ou 70 Watts maximum par mètre creusé de sonde (pour tenir compte des capacités limitées du rayonnement solaire à pénétrer en profondeur et du sous-sol à stocker de l'énergie extractible), la géothermie utilisée par la serre fermée intelligente ou par la géothermie nouvelle génération de bâtiment, repose sur les capacités propres à des dispositifs et processus plus efficaces, selon la présente demande, à stocker de l'énergie dans le sous- sol et à l'extraire. Dans cette perspective les limites sont repoussées largement aurdelà des 70 watts/mètre creusé qui sert de mesure maximale actuelle, à un ordre de grandeur de 50 000 W/mètre de puits creusé selon la présente invention!
Dans ces conditions le volume en M3 de sol et sous-sol ou sa masse sont
potentiellement mobilisables dans l'environnement immédiat d'un puits et à de plus grandes distances tout autour d'un forage pour stocker de l'énergie et l'extraire. Un M3 de sous-sol a une capacité de stockage de 2000KJ environ pour chaque augmentation de température de 1°C de ce M3.
Pour une serre d'un hectare dans le désert du Sahara, avec une charge en puissance maximale en refroidissement de 600W/M* durant 10 heures par jour et des puits de 35 mètres de profondeur, on a 216 MJ à stocker pour toute la journée dans un container potentiel en sous-sol de la surface de sol de la serre de 350 000 M3 en augmentant la température de ce dernier de seulement 0,31 °C par jour avant déclenchement du processus de refroidissement de nuit pour évacuer cette chaleur accumulée.
Il est donc envisageable de stocker 30 jours d'exploitation d'une serre de un hectare en augmentant de seulement 9,3°C la température de ce sous-sol, sans déclenchement de processus de refroidissement. On a ainsi un potentiel de refroidissement capable de faire face à toutes les circonstances climatiques exceptionnelles y compris au Sahara.
De nombreuses solutions ont été étudiées à travers le monde pour améliorer des formes de géothermie optimisant le chauffage ou le rafraîchissement de volumes d'air par la géothermie.
La présente demande apporte une orientation décisive vers les solutions intégrant la stratification des températures dans le volume du sous-sol pour augmenter à la fois
-l)les quantités d'énergie stockabie/extractible et
-2)la puissance à laquelle cette énergie est stockée ou extraite du volume du sous-sol.
Ces caractéristiques de la présente invention ouvrent la voie à la possibilité de stocker de l'énergie solaire provenant de capteurs solaires thermiques pour recharger le sous-sol en énergie renouvelable afin de compenser l'énergie prélevée et améliorer ainsi grandement les performances des pompes à chaleur en réduisant l'écart de température auquel elles fonctionnent, ce qui permet un fonctionnement au COP optimal de la PAC. Ces caractéristiques de la présente invention créent une géothermie nouvelle génération car eile permet potentiellement de configurer l'ensemble des composants d'un système en fonction des besoins du site auquel ce système est destiné et pour couvrir la totalité de ces besoins sur l' ensemble de l'année sans recours à un appoint en hiver.
La fluctuation des besoins au cours de Tannée consistent en accumulations et en extractions d'énergie dans le sol et le sous-sol qui se compensent et n'entraînent pas d'excédents de température du sol à la baisse ou à la hausse d'année en année pour toutes les régions du monde.
Première caractéristique principale .L'innovation apportée par la présente demande, est caractérisée en premier lieu par le forage de puits qui servent d'échangeurs eau/sous-sol favorisant la stratification des températures. (Fig 1 ).
Une première caractéristique de ces puits échangeurs eau/sous-sol est d'être sélectionnés selon le modèle de puits diamètre/profondeur offrant le meilleur rapport local prix duprix du forage/ efficacité du stockage pour une serre existante ou une serre fermée intelligente nouvelle à installer ou un système géothermique pour le bâtiment.
Les besoins variables de la serre en quantité d'énergie de refroidissement (on traite le besoin de refroidissement qui demande le plus d'énergie sur l'année) et en puissance de stockage et d'extraction de l'énergie ont pour conséquence la nécessité de disposer de plusieurs types de puits (Nombre d'heures les plus chaudes dans Tannée, nombre de nuits successives sans baisse suffisante de température...).
Une deuxième caractéristique des puits selon l'invention est de comporter une première série de puits de type 1 (Figure 1 ) dans lequel on introduit d'abord, directement en contact avec les parois du puits, une géo-membrane((5 fig 1) en forme de cylindre fermé à Tune de ses deux extrémités en y versant un certain volume d'eau pour faciliter sa descente jusqu'au fond du puits.
Le diamètre de la géo-membrane doit être supérieur au diamètre du puits pour tenir compte des augmentations de dimension du contenu du cylindre constitué par la
géo-membrane.
Une fois la géo-membrane en place, on la remplit d'eau.
On fixe régulièrement aux spires d'un serpentin( 7 Fig 1), deux cordes ou plus, en plastique afin à la fois d'assurer un écart (6 Fig 1) entre les spires du serpentin et de permettre de soulever la totalité du serpentin verticalement et de le faire descendre jusqu'au fond du puits.
Ensuite on introduit le serpentin en tube de polymère(7 Fig 1), le diamètre extérieur des spires du serpentin étant inférieur au diamètre du puits, lesté par un poids pour le descendre jusqu'au fond du puits.
Puis on déverse un mélange de sable et de terre (8 Fig 1) (préférentiellement uniquement du sable) tout en pompant Peau qui déborde, pour éviter de mouiller l'emplacement autour du puits.
En procédant ainsi, solution parmi d'autres possibles, il s'agit d'éviter
d'endommager la géo-membrane et le serpentin, le déversement de terre et sable se faisant par petite quantité à la fois.
On obtient ainsi une colonne cylindrique de mélange de sable et de terre détrempé permettant la stratification des températures dans la colonne et dans les masses de terre du sous-sol autour de la colonne.
Un puits comprend un couvercle (4 Fig 1) refermant le puits et 3 tubes sortant d'un bouchon étanche refermant la géo-membrane dans sa partie supérieure.
Deux tubes du serpentin et un tube destiné à maintenir et contrôler un niveau d'eau dans le volume de la géo-membrane pour compenser les pertes d'eau éventuelles essentiellement par évaporation. L'embout du troisième tube est facilement accessible pour l'opération de contrôle du niveau d'eau et la détection de fuite d'eau dans le volume de la géo-membrane.
Les tubes de serpentin sortant du puits(2 & 3 Fig 1) sont enterrés pour les protéger de la lumière.
Afin d'optimiser la durée de vie des puits, les puits sont creusés selon une position régulière afin de pouvoir facilement les localiser.
En effet ces puits peuvent être renouvelés totalement soit après 50 ans ou 100 ans de service (durées de vie de la géo-membrane et du serpentin en polymères d'après les fournisseurs), soit en cas de fuite de liquide dans le serpentin ou d'eau dans la géo- membrane. Dans ce but, les puits sont donc tubés sur quelques centimètres à partir de la surface du sol pour en renforcer la solidité et des bouchons en béton (4 Fig 1 ) ferment et protègent l'entrée de chaque puits à une profondeur facilitant l'opération de
renouvellement des puits. L'opération de renouvellement d'un puits consiste à le vider entièrement de son contenu et à remplacer la géo-membrane, le serpentin et le mélange de sable et terre détrempé.
Un exemple de solution, consiste à vider le mélange de terre et de sable par aspiration grâce à une pompe en rajoutant de l'eau si nécessaire, puis à retirer le serpentin et enfin la géo-membrane.
Si nécessaire il est toujours possible de recreuser le puits.
L'opération de contrôle du niveau d'eau dans le volume de la géo-membrane doit permettre de détecter toute fuite d'eau.
Une deuxième opération de contrôle sur le serpentin doit permettre de détecter toute fuite de liquide caloporteur.
Ces deux contrôles font partie des consignes du processus d'exploitation de la serre fermée. L'objectif de ces opérations de détection de fuite dans une géo-membrane ou dans un serpentin est de procéder au renouvellement du puits dans lequel la fuite a été détectée.
La fiabilité de ces deux opérations de contrôle, effectuées automatiquement par le système de régulation, sur la base de capteurs capables de lui remonter l'information automatiquement, a un objectif d'intérêt économique double : obtenir un système fiable et efficace et d'autre part une possibilité d'autorisation d'utiliser un gaz frigorigène comme liquide caloporteur peut éventuellement être obtenue auprès de l'administration de tutelle ne serait-ce que pour le circuit de puits de type 3 produisant et stockant de la glace.
Sur la base de cet échangeur eau/terre du sous-sol constitué par les puits et les serpentins dans les puits, la stratégie d'organisation de la circulation du liquide caloporteur dans les serpentins est la suivante :
La totalité des puits sont organisés en une série de puits 1 à N reliés entre eux par une conduite, le puits 1 étant le puits le plus chaud et le puits N étant le puits le plus froid.
On obtient ainsi deux niveaux de stratification des températures dans le réseau de puits constituant réchangeur eau/sous-sol du système : la partie haute d'un puits est plus chaude que la partie au fond du puits, première stratification des températures et le deuxième niveau de stratification des températures a lieu entre les puits, le puits 1 est le plus chaud et les puits 2 jusqu'au puits N sont graduellement de plus en plus froid. La série de puits sont reliés entre eux par une conduite unique entrant par ie tube haut du serpentin du puits 1 , sortant par ie tube bas du serpentin du puits 1 et entrant à nouveau par ie tube haut du serpentin du puits 2 et ainsi de suite jusqu'au puits N.
La direction dans laquelle le flux d'eau circule dans la série de puits est :
- soit du puits 1 chaud vers le puits N froid. L'échangeur des puits stocke de la chaleur.
- soit en sens inverse du puits N froid vers le puits 1 chaud. L'échangeur des puits évacue de la chaleur des puits et des niasses de terre environnant les puits.
Afin de compenser les pertes de charge dans la circulation d'eau de puits en puits, des pompes à eau sont placées à intervalles réguliers entre deux puits pour redonner et maintenir en permanence la vitesse de circulation adéquate et le débit nécessaire à l'optimisation de l'échange d'énergie eau/sous-sol dans les puits (obtenir un flux turbulent optimal).
Ces pompes à eau sont sous le contrôle du système de régulation en particulier pour ie déclenchement de l'inversion du sens de circulation du liquide caloporteur au moyen des électrovannes. En effet ces pompes à eau sont reliées au circuit des puits par un système permettant la circulation de l'eau dans les deux sens.
La première série de puits de type 1 est, dans une première option, en circuit fermé avec un ou des échangeurs eux-mêmes raccordés à l'échangeur eau/air à l'intérieur du volume de la serre.
Une deuxième option est de raccorder une partie du flux de la première série de puits de type 1 selon la première option ci-dessus, et l'autre partie de ce même flux à une ou des pompes à chaleur eau/eau elles-mêmes raccordées à l'échangeur eau/air à l'intérieur du volume de la serre.
La série de puits de type 1 de 1 à N ainsi constituée a un niveau de puissance de refroidissement déterminé. Des limitations techniques, de pression dans les tubes ou autres contraintes économiques et techniques, obligent à multiplier le nombre de séries de puits de type 1 pour répondre à des échelles de charge plus importantes, celle requise par un hectare de serre par exemple.
Selon la présente invention, il est raisonnable de compter sur une puissance de 50KW par mètre de puits creusé avec un diamètre du puits de 60 cm d'après les calculs avec une différence de température de 5°C et un tube de 25 mm de diamètre, (pour chaque installation, le premier puits donnera la puissance exacte de base des calculs de dimensionnement).
Sur ia base de 50KW par mètre de puits de 60cm de diamètre creusé, il faudrait environ 120 mètres de puits creusés avec une différence de température de 5°C pour atteindre la puissance maximale de refroidissement à fournir pour 1 ha de serre( 600 W/M2 durant les pics de chaleur). 120 mètres de puits prenant 5°C, ne couvrent la puissance de refroidissement maximale exigée par un Ha de serre que durant une seconde.
La puissance maximale à fixer pour dimensionner ces puits de type 1 ne doit pas couvrir la puissance maximale de refroidissement nécessaire durant les périodes de pics de chaleur des journées les plus chaudes dans Tannée et des heures les plus chaudes d'une journée.
Il est plus économique de prévoir un second système pour le refroidissement complémentaire adapté aux pics de chaleur.
Ce second système de puits de type 2, est à dimensionner en fonction du nombre d'heures dans l'année, durant lesquelles une puissance de refroidissement supérieure à la puissance fournie par la série de puits de type 1 est nécessaire.
Pour cela, une troisième caractéristique des puits échangeurs eau/sous-sol est de comporter une deuxième série de puits de type 2 caractérisé en ce que :
1 après avoir foré le puits, on introduit un système de buses particulier caractérisées en ce que les buses sont constituées de deux demi cylindres et chaque demi cylindre est posé en quinconce sur le niveau de buses déjà positionnées. L'ajout de ces buses constitue ia première différence avec les puits de type 1.
2 Une seconde caractéristique du puits de type 2 est que le contenu de la géomembrane ne comporte que le serpentin et de l'eau, le tube du serpentin ayant un diamètre intérieur supérieur au diamètre des serpentins du puits de type 1 pour pouvoir disposer d'une vitesse et d'un débit de flux supérieure.
L'eau a une plus grande capacité de stockage d'énergie. Si on part d'un kg d'eau sous forme de glace à amener à 0°C : on a
333,55 j/g (chaleur de fusion de la glace) = 333,55 kJ/kg = 333,55 kJ pour 1 kg de glace à fondre à 0°C. 6 litres d'eau en glace ont la même capacité de stockage que 1 M3 de sol en énergie thermique avec une différence de température augmentant la puissance à un haut niveau.(de plus la glace peut descendre en dessous de 0CC). Bien entendu ce puits de type 2 doit être à une profondeur à partir de laquelle la température du sol n'est pas affectée par le climat sur l'année. La serre fermée étant grande consommatrice d'énergie de refroidissement, ce type de puits est très bénéfique d'autant que la glace produite par un litre d'eau ayant un plus grand volume, le système de buses en deux demi cylindres permet au puits de type 2 de s'ajuster en volume.
3 Une caractéristique importante de la série de puits de type 2 est de comporter un système d 'électrovanne permettant de raccorder cette série de puits de type 2 à une ou des pompes à chaleur eau/air extérieur ou air intérieur selon les besoins de la serre lors du fonctionnement de la pompe à chaleur. Ce dispositif a pour objectif de refroidir l'eau contenue dans le puits de type 2 jusqu'à produire de la glace, dés que les conditions extérieures le permettent.
Le système complémentaire permet ainsi de répondre rapidement aux besoins importants de refroidissement durant les heures les plus chaudes de la journée en additionnant le débit de cette eau froide de la deuxième série de puits de type 2 au débit de l'eau provenant du refroidissement produit par les puits de type 1 dans l'échangeur eau/air à l'intérieur de la serre fermée intelligente.
Alimenté par ces deux sources en eau froide, l'échangeur eau/air à l'intérieur de la serre se retrouve en état d'assurer la puissance maximale de refroidissement de la serre. A la sortie de l'échangeur eau/air, l'eau s'écoule depuis le sous-toit vers un réservoir dans lequel elle est recueillie. Ce réservoir comporte un système de flotteur semblable à celui d'une chasse d'eau de toilettes capable de déclencher une pompe à eau pour déverser le trop plein du réservoir dans un réservoir de récupération de l'eau condensée par l'échangeur eau/air. Dans tous les cas, le débit d'eau chaude du réservoir de recueil est dirigé en partie vers le puits 1 de la première série des puits de type 1 , et en partie vers le puits 1 de la deuxième série de puits de type 2.
Afin d'anticiper la puissance d'énergie en froid à fournir lorsque plusieurs jours de grande chaleur se suivent et ne permettent pas un refroidissement suffisant réalisé par les deux précédentes séries de puits la nuit, une quatrième caractéristique des puits échangeurs eau/sous-sol est de comporter une troisième série de puits de type 2 strictement identique à la deuxième série de puits de type 2, dont l'objectif est de produire et stocker, dés que les conditions sont favorables, de la glace.
La deuxième caractéristique principale de la serre fermée intelligente est d'utiliser un type particulier de pompe à chaleur, « une pompe à chaleur thermique ». Une première caractéristique de la pompe à chaleur particulière solaire utilisée est qu'elle est à absorption, fonctionnant principalement par apport d'énergie thermique et non d'électricité et elle est soit de type eau/air soit géothermique eau/eau. Actuellement ce type de pompe à chaleur existe sur le marché et a une puissances unitaire jusqu'à 40 KW en chaleur et un 17 KW en froid car elle est réversible. L'énergie thermique utilisée actuellement est le gaz. C'est le modèle de pompe à chaleur utilisée par la serre fermée hollandaise à nappe phréatique.
La deuxième caractéristique de la pompe à chaleur particulière selon la présente demande, est de proposer un nouveau type de pompe à chaleur à absorption ou à adsorption alimentée en énergie thermique non pas par du gaz mais par l'énergie solaire au moyen d'un ou plusieurs éléments de capteur solaire thermique.
Une première synergie de la serre fermée intelligente concerne la synergie avec les capteurs de type cylindro-parabolique. La caractéristique principale de ce type de capteur solaire est qu'il concentre le rayonnement solaire sur un tube transparent sous vide dans lequel circule un fluide caloporteur dans un conduit. Le liquide caloporteur atteint jusqu'à 400°C et est utilisé pour produire de la vapeur d'eau et entraîner une turbine à vapeur pour produire de l'électricité. Le processus complet actuel de production de l'électricité utilisant ces capteurs, comporte une opération de stockage en journée d'une partie de l'énergie thermique captée pour produire de l'électricité durant la nuit.
Un exemple de système de stockage de l'énergie thermique est celui de Andasol 1 , centrale à capteurs cylindro-paraboliques d'Andalousie en Espagne. L'énergie calorifique est stockée dans deux réservoirs circulaires de 14 m de diamètre et de 36 m de hauteur contenant des sels fondus. Ces sels sont constitués de 60% de nitrate de sodium et de 40% de nitrate potassium. Ces substances sont notamment utilisées dans la production de produits alimentaires comme conservateurs ou comme engrais. Ce système de stockage de l'énergie permet à l'usine de doubler son nombre d'heures opérationnelles et ainsi permettre une production de quasiment 24 h sur 24 en été, lorsque l'ensoleillement est maximal. Andasof 1 alimente en électricité 200 000 habitants.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Centrale_soIaire_d%27Andasol
Selon la présente invention, Il s'agit de permettre une nouvelle utilisation de ce capteur cylindro-paraboiique en faisant passer le circuit du liquide caloporteur dans un serpentin plan en contact direct avec la cuve contenant l'absorbant-absorbé de la pompe à chaleur à absorption, en remplacement du bec de gaz habituellement utilisé. Une autre option est que le serpentin soit à l'intérieur de la cuve, directement en contact avec la solution absorbant-absorbé.
Ainsi on réalise une pompe à chaleur à absorption solaire fonctionnant jour et nuit.
La possibilité de faire fonctionner la pompe à chaleur à absorption solaire la nuit constitue un autre avantage important pour activer le refroidissement de tous les puits la nuit et en évacuer la chaleur produite par le processus de climatisation du volume intérieur de la serre durant toute la journée.
Créer une centrale de capteurs cylindro-paraboliques raccordés directement à des pompes à chaleur à absorption redonne une nouvelle valeur au capteur cylindro- paraboiique grandement avantageuse par rapport à son utilisation actuelle pour produire de l'électricité (On élimine la turbine à vapeur d'eau; le fonctionnement a lieu sans utilisation d'eau. Cela représente 5 litres d'eau par kWh pour la centrale Andasol en Andalousie et la Californie qui a les plus grandes surfaces du monde de ce type de capteur, a fait l'expérience de cette caractéristique dévastatrice des réserves en eau).
Par ailleurs un autre désavantage du capteur cylindro-parabolique est que le miroir doit être lavé par jet d'eau tous les 1 S jours et cette eau de lavage est perdue actuellement. Il est proposé, selon la présente invention, de procéder au nettoyage par une bouche à lèvres en matière de type caoutchouc contenant des pulvérisateurs d'eau tout autour des lèvres dont le jet est dirigé vers la surface interne de la bouche. Le tube interne de la bouche est raccordé à une pompe à air aspirant fortement l'air afin d'aspirer aussi l'eau projetée sur la surface du miroir du capteur cylindro-parabolique. Ainsi l'eau utilisée est récupérée dans un réservoir, et cette eau sera décantée, filtrée et utilisée dans le système d'évaporation complémentaire de la serre fermée. Il est aussi possible de travailler à la miniaturisation du capteur cylindro-parabolique pour les pompes à chaleur à absorption solaire, afin que le coût puisse être supporté par un serriste individuellement.
Une meilleure solution pour réduire les coûts pour chaque serriste est de créer de grands sites regroupant un nombre suffisant de serristes pour mettre en commun une centrale de capteurs cylindro-paraboliques et leur système de stockage de chaleur pour la nuit, selon la présente demande. Les grands centres de production en serre comme celui d'Alméria en Espagne sont les destinataires type à la fois de la serre fermée et du modèle de pompe à chaleur à capteurs solaires cylindro-paraboliques de la présente invention.
La troisième caractéristique principale de la serre fermée intelligente, outre les puits de deux types, et l'utilisation d'une pompe à chaleur solaire, concerne la création de synergies de la serre fermée intelligente avec des systèmes de capteurs solaires capables de produire de l'énergie thermique en partie utilisée en journée et en partie stockée en journée pour être utilisée la nuit, et en parallèle de produire de l'électricité la nuit en consommant la partie d'énergie thermique stockée le jour.
En effet, dans presque tous les cas(au dessus d'un seuil de température) en solaire thermique, il y a possibilité de stockage partiel d'énergie thermique en journée et d'utilisation de cette énergie la nuit et dans les périodes dans lesquelles il n'y a pas suffisamment de soleil en journée...
L'énergie thermique solaire est plus facilement stockable pour être utilisée (a nuit que l'énergie solaire transformée en électricité, ce qui permet de contourner les faiblesses du solaire qui n'est présent qu'en journée et de disposer d'une énergie durable jour et nuit.
Une première synergie, selon l'invention, est caractérisée en ce qu'elle concerne des capteurs solaires de type parabole avec moteur sterling, en adaptant ce type de capteur aux pompes à chaleur à absorption, pour ce qui concerne l'énergie thermique produite comme il est proposé ci-dessus pour les capteurs cylindro-paraboliques. La température obtenue peut atteindre 1000°C.
Par exemple pour une parabole de 4,5 m de diamètre on peut obtenir 3KW
d'électricité et 10KW en énergie thermique. Pour une parabole de 12 m de diamètre on obtient 25KW en électricité. Une deuxième synergie, selon l'invention, est caractérisée en ce qu'elle concerne la cheminée solaire, qui est aussi un capteur solaire particulier. Il s'agit d'une technologie de production d'électricité solaire à grande échelle qui n'a pas besoin d'eau pour fonctionner et a été retenue par 22 communes de Los Angeles pour cette raison, car la Californie, pour la production d'électricité solaire par des capteurs cylindro-paraboliques, a bien constaté le fardeau de la consommation énorme d'eau par K.WH produit et a focalisé son attention et sa réglementation sur les technologies de production d'énergie renouvelable mais ne nécessitant aucune consommation d'eau. Concrètement seul un prototype de la cheminée solaire de 57 KW de puissance a été construit et a fonctionné durant 8 ans en Espagne. La société Enviromission qui a racheté la technologie du prototype testé en Espagne, est sur le point de construire plusieurs cheminées solaires dans le monde, ayant bénéficié de l'apport de plusieurs investisseurs internationaux récemment et a créé une société de commercialisation pour le moyen orient et l'Afrique du Nord.
Ayant personnellement eu à me rendre chez le cabinet d'architectes allemand à
Stuttgart qui a inventé le principe de la cheminée solaire, j'ai bénéficié de leurs avis et de l'exécution de leur logiciel capable de déterminer le prix du KWheure produit par la cheminée solaire en fonction du moindre changement technique. J'en ai retenu les leçons. Cette deuxième synergie serre fermée intelligente-cheminée solaire, est doublement réciproque dans ce cas. D'une part les serres fermées intelligentes vont permettre à la cheminée solaire de fonctionner la nuit en évacuant l'énergie thermique stockée dans la journée durant l'opération de refroidissement du volume intérieur de la serre pour maintenir un climat favorable à la culture de plantes, et d'autre part la cheminée solaire est capable de fournir de l'électricité en journée et la nuit au serres fermées intelligentes et de plus d'entretenir un flux d'air permettant aux serres de bénéficier d'un certain niveau de refroidissement « gratuit ».
Cette deuxième synergie est caractérisée en ce que :
1 des serres fermées intelligentes sont installées au Nord et au Sud (1 Fig 3) du périmètre de l'espace couvert par le film plastique (4 Fig 3) de la cheminée solaire, avec des capteurs cylindro-paraboliques orientés Nord Sud. (2 Fig 3) 11 n'y a ni serre ni capteurs cylindro-paraboliques à l'Est et à l'Ouest de la cheminée solaire, car de par leur orientation Nord Sud, ceux-ci entraveraient le flux d'air vers le centre de la cheminée solaire,
Les capteurs cylindro-paraboliques des parties Nord et Sud de la cheminée solaire alimentent en énergie thermique toutes les serres, pour les pompes à chaleur à absorption.
Une deuxième caractéristique des serres fermées intelligentes au Nord et au Sud de la cheminée solaire est qu'elles sont distantes du périmètre du disque couvert par le film plastique de la cheminée solaire, séparées par un espace suffisamment large pour supprimer tout impact négatif sur le flux d'air en direction du centre de la cheminée solaire.
Ce dispositif permet d'alimenter en énergie thermique la nuit la cheminée solaire pour qu'elle produise de l'électricité toute la nuit, en récupérant la chaleur dégagée par les serres ( à la chaleur extraite des puits, s'ajoute la chaleur dégagée par les pompes à chaleur alimentées par de l'énergie thermique. Une PAC à gaz réversible de 42 KW en chaud, a une puissance de 17KW en froid).
Pour compléter et permettre d'atteindre des performances supérieures en production d'électricité de la cheminée solaire, la nuit ou en cas de faiblesse du rayonnement solaire, il est proposé, selon la présente invention, d'ajouter des capteurs cylindro-paraboliques supplémentaires au-delà et en plus des capteurs déjà installés et utilisés par les serres fermées intelligentes, plus au Nord et plus au Sud du périmètre de la cheminée solaire, pour stocker de l'énergie thermique dans des sels fondus et disposer
d ' échangeurs/diffuseurs
(S Fig 3) (de l'énergie thermique ainsi stockée et acheminée (3, 7 Fig 3), dans l'air à l'intérieur du volume en dessous du film (4 Fig 3) de la cheminée solaire dans la zone en cercle entourant immédiatement celle-ci.(5 Fig 3)(Ce dégagement de chaleur à proximité immédiate de la cheminée solaire produit un appel d'air augmentant le flux d'air global s'engouffrant dans le conduit vertical central de la cheminée solaire).
Un deuxième but à l'installation de capteurs cylindro-paraboliques supplémentaires avec stockage d'énergie supplémentaire est de permettre de réduire la hauteur de la cheminée solaire elle-même (réduction du coût de construction et augmentation de la durabilité de la cheminée solaire) pour la même puissance
d'électricité produite. Il existe un autre capteur solaire thermique testé à maintes reprises à différentes échelles en particulier par Michaud. C'est le Vortex. http://vortexengine.ca/sommaire.shtml :
« Un moteur tourbillon atmosphérique est une machine conçue pour produire et contrôler un tourbillon de genre tornade. La machine consiste en un mur cylindrique ouvert par le dessus, avec des entrés tangentielles au bas. Le tourbillon est mis en marche en chauffant l'air à l'intérieur du cylindre soit avec du carburant, soit avec de la vapeur. Une fois le tourbillon en marche, la chaleur de l'air peut être augmentée dans une tour de refroidissement périphérique située à l'extérieur du mur cylindrique. La source de chaleur peut être soit la chaleur rejetée par un procédé industriel, soit la chaleur contenue dans l'eau d'une mer chaude ou soft la chaleur déjà présente dans l'air humide du bas de l'atmosphère.
Une centrale AVE (Atmospheric Vortex Engine) pourrait avoir une puissance électrique de 200 MW; le mur cylindrique pourrait avoir une hauteur de 100 m et un diamètre de 400 m. Le tourbillon aurait un diamètre de 50 m à sa base qui s'accroîtrait en montant et une hauteur pouvant atteindre 20 km. »
Le vortex constitué d'un mur circulaire de 100 m de hauteur et 400 m de diamètre produirait une puissance électrique de 200MW, autant qu'une cheminée solaire de 7S0 mètres de hauteur et une surface de plastique pouvant atteindre 7,5 km de diamètre.
Selon ia présente demande, la synergie entre les serres fermées intelligentes utilisant des pompes à chaleur thermiques et des capteurs cylindro-paraboliques, et un vortex est analogue à la synergie entre ces mêmes serres fermées intelligentes et la cheminée solaire. Cette synergie, à la différence avec la solution de vortex proposée par Michaud, est qu'ici, le vortex est totalement asservi à la quantité de chaleur fournie par les capteurs solaires cylindro- paraboliques le jour et au système de diffusion de chaleur stockée ia nuit. Nul besoin d'énergie issue de processus industriels ou de tour de refroidissement ou d'eau de mer chaude. Il n'y a plus aucun risque de voir le vortex quitter sa base ou s'arrêter une fois démarré. En effet les capteurs cylindro-paraboliques peuvent être orientés en direction du soleil plus ou moins, selon les consignes de la régulation contrôlant la puissance du vortex. Les capteurs peuvent même être orientés dans la direction opposée à celle du soleil et arrêter ainsi toute production de chaleur. 11 en est de même la nuit. Le principe du vortex a été inventé en Algérie, par observation des tourbillons d'air dans le Sahara algérien. En effet le tourbillon d'air ascendant, en mouvement de rotation sur lui-même, ne se mélange pas à l'air extérieur et crée ainsi une cheminée virtuelle qui peut atteindre 20 km dans ie ciel mais sans paroi muraie à construire...
La quatrième caractéristique principale de la serre fermée intelligente, dés lors que Ton dispose de synergies serres fermées intelligentes, selon toutes leurs caractéristiques précédentes, avec des capteurs thermiques produisant en parallèle de l'électricité, est de proposer de créer des sites regroupant non seulement des serres fermées intelligentes et des capteurs solaires, mais aussi des résidences voire des immeubles de bureau ou industriels.
Les uns et les autres formeraient des ensembles à la fois hautement écologiques et hautement économiques avec un niveau d'autarcie incomplet mais élevé. Ces ensembles peuvent être crées par exemple, sur tout ie territoire algérien : climatisation/chauffage pour tous, production de nourriture, recyclage de l'eau, production/consommation sur place d'engrais naturels, production locale d'électricité par énergie renouvelable, généreusement disponible sur tout le territoire...
> te système d'échangeur eau/air , permettant le refroidissement de l'air intérieur de la serre et la condensation de la vapeur d'eau de cet air en journée, et ie réchauffement, la nuit et en hiver, de Pair intérieur.
Le système d'échangeur eau/air peut être réalisé selon diverses solutions existantes ou nouvelles.
Dans les régions Nord à hiver froid, le système d'échangeur eau/air est basé sur un échangeur eau/air soufflé pour chaque ligne de culture hors sol avec un diffuseur d'air situé en dessous de chaque ligne de cuiture.(soiution serre fermée hollandaise à nappe phréatique).
Le présent dispositif proposé, selon la cinquième caractéristique principale de l'invention, consiste à mobiliser les rideaux utilisés pour l'ombrage de ta serre en leur faisant assurer une fonction supplémentaire : réaliser un sous-toit en forme de V très aplati et ouvert sur une gouttière centrale d'évacuation des eaux sous la pointe basse du V pour pouvoir pulvériser sur ce sous-toit l'eau de refroidissement de l'air le jour et de chauffage de l'intérieur de la serre la nuit et en hiver. Plusieurs rideaux se chevauchant avec un espace séparateur composent chaque branche du V et l'eau pulvérisée s'écoule sur la gouttière centrale en dessous de la pointe du V. Cette gouttière est composée de paires de gouttières en plastique transparent chaque gouttière étant inclinée légèrement pour déverser l'eau dans une évacuation commune rejoignant le réseau d'évacuation des eaux des échangeurs eau/air de chaque chapelle.
Ces paires de gouttières sont disposées en série sur 100 mètres pour chaque travée.
Figure imgf000025_0001
La totalité de la longueur d'un rideau d'ombrage est composée d'un film plastique transparent étanche à Peau. Chaque rideau d'ombrage a une longueur double de la surface de la serre à laquelle il est dédié. Une moitié de la surface du rideau sert pour l'ombrage. Elle est composée d'un film plastique sur la partie supérieure et du tissus d'ombrage sur la partie inférieure. La deuxième moitié de la longueur du rideau n'est composée que du seul film plastique transparent. Le mécanisme d'enroulement et de déroulement du rideau comporte deux enrouleurs positionnés chacun à une des extrémités de la surface de la serre à ombrer. Lorsque l'enrouleur de la partie ombrage enroule sa partie, il déroule en même temps la partie de film transparent en plastique et vice versa pour l'enrouleur du film plastique.
Une autre solution selon la présente demande, consiste à mettre en place les rideaux en film transparent de façon fixe et permanente et de dérouler les rideaux d'ombrage quand c'est nécessaire en dessous des rideaux en film transparent en les protégeant ainsi de l'eau pulvérisée.
Avec cette solution, dans la mesure où, comme dans les régions à hiver froid et à disponibilité abondante en eau, on n'a pas besoin de recycler de l'eau en utilisant au maximum l'énergie solaire pour évaporer de l'eau non potable pour la rendre potable, les rideaux d'ombrage peuvent être positionnés au-dessus du sous-toit et du système de pulvérisation d'eau, ce qui permet de réduire la puissance maximale de refroidissement nécessaire aux heures de pics de chaleur.
Le principe sur lequel repose l'échangeur eau/air selon la présente demande, est le suivant :
i )En période d'ensoleillement maximal, la puissance maximale de refroidissement nécessaire est d'environ 600 Watts/M2 pour une serre fermée située en plein désert du Sahara (500 Watts/M2 à Nîmes en France selon une étude portant sur un prototype de serre fermée sur nappe phréatique). On se base sur une hypothèse de puissance maximale de refroidissement à assurer dans la suite de cette description.
2) L'une des techniques les plus efficaces pour absorber la chaleur dans l'air est Pévaporation d'eau. Un gramme d'eau évaporé absorbe 2257(J) soit 22S7
Watts(joules/seconde). Ce qui représente 600/2257 soit 0,27 gramme d'eau/seconde/M2 de serre.
3) En s'évaporant dans Pair intérieur de la serre fermée, l'eau augmente l'humidité relative de l'air : quand la température de cet air passe de 28°C à 40°C, 29,5 grammes d'eau évaporée font passer l 'humidité relative d'un Kg d'air de 60% à 90 %.
Si les conditions d'évaporation complémentaire à l'évapotranspiration des plantes sont réunies,(on se base sur la consommation d'eau pour la tomate : 640kg d'eau/M2/an pour déterminer la quantité d'eau à évaporer en complément de l' évapotranspiration des plantes), le temps nécessaire pour passer de 60% à 90% d'humidité relative, est de 1 11 secondes. L'air absorbe durant ces 111 secondes 12 000 J/Kg en passant de 28°C à 40°C.
Il a été observé, au cours du projet Watergy, que plus les plantes disposaient de quantités de C02 plus leur activité augmentait et plus leur résistance à de plus hautes températures de l'air augmentait. Or réchangeur eau/air est positionné dans la partie supérieure du volume de la serre. Une stratification des températures dans le volume d'air de la serre a pour conséquence que l'échangeur eau/air fonctionne à des températures plus hautes que la température qui règne au niveau du sol et des plantes.
4) Une eau de refroidissement pulvérisée lorsque l'humidité relative de l'air atteint 90% doit avoir une température de moins de 38°C pour commencer à déclencher une condensation de l'eau évaporée dans l'air et 28°C pour ramener l'humidité relative de l'air à 60%. Et pour abaisser la température de l'air de 40°C à 28°C, l'eau pulvérisée doit absorber 12 000 J par kg d'air. La quantité d'eau de refroidissement nécessaire pour cela dépend de la qualité de l'échangeur eau/air c'est à dire de l'augmentation en température de l'eau de refroidissement suite à sa pulvérisation dans l'air.
Par exemple, pour 5°C d'augmentation en température produite lors du transfert d'énergie de l'air à l'eau pulvérisée, il faut 0,57 litres d'eau de refroidissement pour absorber 12 000 J et abaisser la température de î Kg d'air de 12°C. La qualité de l'échangeur eau/air peut être améliorée par différentes solutions dont la taille et le nombre des gouttes pulvérisées et l'augmentation du débit au-delà du seuil théorique calculé ici de 0,57 litre.
Le dimensionnement du débit d'eau de refroidissement à pulvériser est donc strictement déterminable en fonction de la qualité de l'échangeur eau/air (qualité déterminée précisément par un capteur de température de l'eau en sortie comparée à la température de i'eau en entrée de l'échangeur par le système de régulation) et de la puissance de refroidissement à assurer à chaque instant (puissance maximale à installer : 600 W/m* pour les heures les plus ensoleillées).
Afin d'optimiser la performance de l'échangeur eau/sol dans les puits, l'eau sortant de l'échangeur eau/air vers les puits doit avoir une température supérieure à celle du puits nc 1 le plus chaud.
Il peut s'avérer performant de recycler i'eau en sortie un certain nombre de fois en boucle dans l'échangeur eau/air afin d'obtenir une température d'eau en sortie supérieure plus optimale pour l'échangeur eau/sol.
5) Le cycle de pulvérisation d'eau froide doit intervenir environ toutes les 100 secondes pour un même M2 de serre afin d'optimiser la phase et l'opération de refroidissement qui est plus efficace à 90% d'humidité relative et à 40°C qu'à moins. Par ailleurs une stratification des températures dans le volume d'air intérieur de la serre permet d'avoir 40°C dans la partie haute au-dessus des rideaux d'ombrage et 30 ou 35°C maximum en dessous de ces rideaux.
La qualité de l'échangeur eau/air repose sur le nombre de gouttelettes pulvérisées et leurs tailles. Il doit y avoir des gouttelettes de petite taille nombreuses pour assurer un bon échange de chaleur, mais ces petites gouttelettes sont volatiles, c'est pourquoi il faut aussi de grosses gouttes pulvérisées en même temps pour assurer un mouvement de l'air ainsi rafraîchi en direction du sol de la serre. Deux types de pulvérisateurs sont donc nécessaires.
6) La charge de refroidissement est très variable en fonction des conditions climatiques extérieures et intérieures à la serre. Un mécanisme de montée en puissance et de diminution de la puissance de refroidissement doit permettre de répondre à cette variabilité efficacement. Une deuxième caractéristique de l'échangeur eau/air est que l'eau utilisée pour être pulvérisée est de l'eau provenant de la condensation de l'eau évaporée dans le volume de la serre fermée.
La troisième caractéristique de l'échangeur eau/air est qu'il comporte plusieurs réservoirs de recueil des eaux pulvérisées et deux ou plusieurs échangeurs eau/eau.
Afin d'additionner les puissances de refroidissement des séries de puits de type 1 et des séries de puits de type 2, l'échangeur eau/air de la serre fermée est caractérisé, selon la présente demande par la présence d'une pompe à eau (7 Fig 2) aspirant d'un côté l'eau contenue dans le réservoir de recueil des eaux pulvérisées(6 Fig 2) sur les sous-toits des chapelles et alimentant en sortie l'échangeur d'une pompe à chaleur (8 Fig 2) eau/eau.
En sortie de cet échangeur de pompe à chaleur eau/eau, une deuxième pompe à eau (9 Fig 2) alimente en eau refroidie à une pression adéquate, une électrovanne à plusieurs voies (10 Fig 2) distribuant cette eau refroidie à plusieurs séries de rampes de pulvérisateurs en respectant un cycle de 100 secondes pour chaque rampe (2 Fig 2) et une durée de pulvérisation comprise entre 3 à 10 secondes selon la consigne de puissance émise par la régulation. Chaque rampe de pulvérisateurs est fixée au centre d'une chapelle et le plus haut possible pour arroser en gouttelettes de différentes tailles en diamètre, toute la surface du sous-toit (3 Fig 2) de la chapelle.
Chaque rampe de pulvérisateurs d'une chapelle est raccordée à l'une de ses extrémités à une électrovanne multivoies alimentée par une pompe à chaleur des puits de type 1, et à la deuxième extrémité à une éiectrovanne multivoies alimentée par une pompe à chaleur des puits de type 2 ; les deux électrovannes sont décalées d'un pas, si bien que les deux sources en eau froide sont pulvérisées successivement sur chaque rampe de chapelle.
Une rampe (2 Fig 2) de pulvérisateurs est fixée le plus haut possible au centre de chaque chapelle et sur toute sa longueur. L'objectif est que la répartition des tailles de gouttelettes et des directions des pulvérisateurs fasse descendre Pair chaud du sommet de la chapelle vers le sous-toil sur toute la surface du sous-toit avec le maximum d'échange possible d'énergie entre l'air et les gouttelettes. Sous le sous-toit, l'air refroidi (5 Fig 2) descend vers le sol et les plantes. L'air chaud (4 Fig 2) remonte depuis le sol et les plantes par le pourtour du sous-toit vers le toit de la serre fermée. Un deuxième objectif est de « mouiller » le plastic du toit pour en désembuer ia surface interne (ce qui se produit lorsque la température externe est inférieure à la température interne à la serre). Si l'architecture de la structure de la serre existante ne convient pas alors un autre moyen est mis en place pour désembuer la surface interne de la paroi en plastique quand c'est nécessaire.
> Le système d'évaporation d'eau assurant un complément d'évaporation à
l'évapotranspiration des plantes pour absorber les excès de chaleur le jour par cette deuxième source d'évaporation, en plus de celle des plantes.
L'eau destinée à remplir cette fonction peut être un certain volume d'eau ajusté à la surface de ia serre et fonction du volume d'évapotranspiration des plantes cultivées. Cette évapotranspiration des plantes doit être préservée. Ce n'est qu'à partir d'un seuil de température au-delà duquel les plantes cessent de croître sur un mode optimal que le dispositif complémentaire d'évaporation d'eau doit entrer en activité. Le mode optimal de croissance des plantes est lui-même fonction de la capacité de ia plante à absorber de l'eau dans le sol, de la disponibilité d'oxygène pour les racines, de la disponibilité à l'état moléculaire adéquat des éléments de fertilisation, du degré d'ouverture des stomates, de l'humidité relative de l'air, du taux de C02 et de la température. Compte tenu des résultats d'expérience du projet Watergy, si le taux de C02 est optimal et maintenu optimal en fonction de la température, ainsi que les autres paramètres, on peut fixer à 30°C à priori ce seuil de déclenchement du dispositif d'évaporation complémentaire, pour l'arrêter lorsque l'humidité relative atteint 90%.
Le dispositif complémentaire d'évaporation d'eau, utilise une eau provenant de condensation d'eau évaporée et un réservoir de stockage d'eau à évaporer alimenté par une conduite dont l'écoulement est asservi à un système d'arrêt/ouverture par flotteur à la surface de l'eau dans le réservoir. Le dispositif utilise les composants suivants :
1. Une gouttière en plastique transparent(i 1 Fig 2) identique à ia gouttière d'évacuation des eaux de l'échangeur eau/air. fixée en dessous de la crête de toit d'une travée de chapelle. La largeur de ia gouttière est fonction de l'objectif. Si on veut évaporer le plus d'eau possible à recycler, la largeur sera maximale.
2. Une pompe à eau pompe l'eau se trouvant dans le réservoir d'eau à
évaporer vers des rampes(l Fig 2) de pulvérisateurs positionnées dans l'espace entre le sommet du toit de la serre et la gouttière d'évacuation des eaux à recycler. Ces rampes sont fixées parallèlement à la gouttière et au-dessus de celle-ci de sorte que les pulvérisateurs aspergent la gouttière et dans la limite de la largeur de la gouttière. L'eau s'écoulant dans la gouttière est redirigée vers le réservoir d'où elle est à nouveau pompée. 3. Le système d'évaporation d'eau fonctionne en permanence toute la journée et en fonction de l'ensoleillement, il est plus ou moins intense voire arrêté en cas de température en dessous de 30°C ou/et lorsque l'humidité relative atteint 90%.
Ce dispositif d'évaporation d'eau peut être utilisé pour recycler de l'eau non potable par évaporation.
S'il s'agit d'eau de mer, un système de détection du niveau de salinité supérieur acceptable permet dans ce cas de diriger cette eau s'écoulant des gouttières vers un espace de production de sel par évaporation à l'extérieur de la serre.
> Le système de contrôle et de régulation des trois systèmes ci-dessus.
Ce système de régulation est programmé en fonction de la température qui règne à l'intérieur de la serre et à l'extérieur, et de l'humidité relative à l'intérieur de la serre, paramètres remontés au système de régulation par des capteurs. Les différents dispositifs et processus décrits ci-dessus sont tous asservis à des électrovannes contrôlées par le système de régulation lequel contrôle aussi la mise en route et l'arrêt des pompes à eau compensatrices de pertes de charge, des pompes à chaieur, du déroulement/enroulement des rideaux d'ombrage.
Mode de réalisation de l'invention
Destinée à être installée dans n'importe quelle région du monde, grâce à un système de géothermie innovant plus performant, le mode de réalisation de la serre fermée intelligente, telle qu'elle a été décrite ci-dessus, dans ses différents composants et dans ses différents processus de mise en œuvre, est à adapter à chaque région climatique et à chaque terrain particulier pour optimiser son mode de fonctionnement.
Le premier paramètre à déterminer, lié au terrain, est celui de la puissance d'extraction possible de chaleur pour un mètre de puits creusé et installé selon l'invention(avec et sans PAC). Le deuxième paramètre est la capacité de stockage possible pour un mètre de puits en 10, 30 secondes, 1 minute, 10 minutes...
Le troisième paramètre est le nombre d'heures dans Tannée nécessitant de fournir la puissance maximale de refroidissement et les puissances inférieures à ce maxima.
Ces paramètres permettent de fixer le nombre de puits des trois séries à creuser, le nombre de pompes à chaleur... pour une serre d'un ha.
Structure de la serre fermée intelligente
L'objectif étant de permettre la transformation d'une serre chapelle existante en serre fermée intelligente, il y a une seule dimension de la structure de la serre susceptible d'impacter l'opération de transformation c'est la hauteur sous chenaux.
Pour les régions à hiver froid, ta hauteur sous chenaux peut impacter la taille de l'engin de forage qui peut manœuvrer sur la surface de la serre sous chenaux. La taille en hauteur de l'engin de forage détermine la profondeur maximale possible de puits foré.
Pour les régions à fort ensoleillement, la hauteur sous chenaux doit être, comme elle l'est déjà dans la plupart des serres chapelle existantes de nos jours, au standard actuel pour ces zones. Cette hauteur permet la mise en place du système d'échangeur eau/air par pulvérisation d'eau avec la mobilisation des rideaux d'ombrage pour évacuer l'eau pulvérisée.
La culture hors soi apparaît comme la plus à même de profiter pleinement des avantages de la serre fermée intelligente.(récupération aisée de l'eau en excès
d'irrigation... renouvellement total du sol qui est un composant consommable intrant ne nécessitant pas de désinfectation...).
Cependant, étant donné les avantages nombreux de la serre fermée intelligente, une culture en terre sur la surface du soi de la serre est possible en arrosage goutte à goutte bien maîtrisé. D'après les résultats d'expérience du projet Watergy, orienté zone aride, qui a adopté un système de drainage et de récupération d'eau d'irrigation en excès, sous la couche de terre de culture, une fine surface de sable blanc ou de petit galets est utile pour limiter réchauffement du sol tout en desséchant la surface, supprimant ainsi toute possibilité d'humidité en surface de sol et donc d'implantation de champignons ou maladies, grâce à la capacité efficace de dessèchement de la chaleur toujours disponible. > Pour les climats nécessitant un chauffage important en hiver, la pompe à chaleur à absorption peut être adaptée pour être chauffée par des chaudières à bois ou granulés de bois dont les fumées peuvent être des sources de C02 en même temps que d'énergie thermique pour le chauffage. La puissance de SO 000W par mètre de puits calculée de stockage et d'extraction de chaleur en géothermie nouvelle génération, selon la présente invention, ne prend pas en compte de pompe à chaleur dans l'opération si une différence de température de 5°C entre le fluide caloporteur et le sous-sol est produite sans pompe à chaleur. Mais il est impératif d'avoir les moyens de produire de la glace ou de tirer le maximum d'énergie de refroidissement du sous-sol de la serre pour faire face à la puissance et à la quantité d'énergie de refroidissement qui sont, dans toutes les régions du monde supérieures aux mêmes grandeurs nécessaires en chauffage.
Le stockage d'énergie thermique peut utiliser des capteurs thermiques pians à installer sur le toit de la serre fermée au niveau de la limite Nord de la serre fermée sur une bande dont la largeur ne constitue pas un obstacle au rayonnement solaire pour qu'il atteigne les plantes qui bordent celte limite Nord de la serre. Mais les études ont montré que le processus de refroidissement en été permettait de stocker près de 2 fois plus de chaleur que nécessaire au chauffage en hiver. On peut faciliter les fonctions de déshumidification avec la chaleur... C'est pourquoi il faut proposer cette solution au serriste qui peut avoir besoin d'eau chaude dans son activité mais surtout un supplément de stockage en chaleur pour l'hiver fiable et efficace. Pour le bâtiment, le recours à des capteurs solaires thermiques plans apporte la possibilité de stocker de l'énergie à hauteur des besoins sur Tannée, grâce à fa géothermie nouvelle génération.
> Pour les climats arides, le nombre d'heures à forte puissance de refroidissement exigent de renforcer en nombre les puits de type 2 de la deuxième série pour assurer pleinement cette fonction quel que soit le maximum de puissance constaté. Par le réchauffement climatique qui règne aujourd'hui, il y a lieu de trouver une stratégie permettant de renforcer la puissance du système complémentaire de la deuxième série de puits de type 2 en utilisant à la fois un plus grand nombre de puits et des pompes à chaleur eau/air en nombre suffisant pour assurer la production de glace. De même pour la troisième série de puits, celle qui permet à la serre d'être autonome durant plusieurs jours, les puits doivent être également renforcés en nombre de puits et en nombre de pompes à chaleur en fonction des besoins locaux.
> Un point important à considérer est celui de la durabilité de l'ensemble des
composants de la serre fermée intelligente. Les pompes à chaleur sont le composant le plus fragile pour cet aspect. Les puits géothermiques décrits sont durables et renouvelables. Il est possible de commencer avec un nombre de puits limité et un plus grand nombre de pompes à chaleur eau/eau ou eau/air. Puis avec le temps investir d'avantage dans le nombre de puits en en creusant de nouveaux. Ainsi on obtient une serre de plus en plus durable.
La présente serre fermée intelligente recèle un grand potentiel d'innovations
additionnelles induites comme
-l'utilisation des pompes à chaleur eau/air pour réguler partiellement le taux d'humidité relative par de l'air chaud ou de l'air froid (les pompes à chaleur peuvent être mobiles et se trouver à l'intérieur ou à l'extérieur de la serre selon les besoins ou avoir des conduits d'air traitant l'air intérieur ou extérieur à la serre fermée),
- pour les périodes peu ensoleillées, raccorder directement les séries de puits de type 1 aux échangeurs eau/eau de l'échangeur eau/air de la serre fermée.
-architecturer la structure de la serre pour avoir un véritable volume supérieur au-dessus des rideaux d'ombrage pour une pulvérisation optimale...
-utilisation de la géothermie nouvelle génération pour toute sortes de besoins de refroidissement industriels dont la chaleur sera avantageusement évacuée dans l'air extérieur en hiver.

Claims

Revendications
1. Accumulateur d'énergie thermique caractérisé en ce qu'il comprend un serpentin (7) en tube, de forme cylindrique et destiné à être disposé verticalement dans un puits vertical de forme cylindrique correspondante, ce serpentin (7) comprenant une entrée et une sortie permettant à un fluide caloporteur de circuler dans ce serpentin entre ladite entrée et ladite sortie de sorte à permettre, lorsque ce serpentin est disposé dans ledit puits, une stratification verticale de la température du volume du puits qui environne le serpentin et avec lequel le serpentin est en contact ant que la température de ce volume n'est partout égale à la température du liquide caloporteur circulant dans le serpentin (7).
2. Accumulateur d'énergie thermique selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comprend en outre une géo-membrane (5) en forme de cylindre destinée à être disposée dans le puits et à recevoir le serpentin (7).
3. Accumulateur d'énergie thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la géo-membrane est destinée à recevoir, en outre, de l'eau et/ou du sable.
4. Accumulateur d'énergie thermique selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une pluralité de buses en forme de demi-cylindre destinées à être disposées dans ledit puits et à contenir au moins partiellement la géo-membrane lorsque cette géo-membrane (5) est disposée dansedit puits.
5. Accumulateur d'énergie thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le serpentin (7) est en tube de polyéthylène.
6. Système de stockage et d'extraction d'énergie thermique comprenant
- un premier accumulateur d'énergie thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5;
- une pompe à chaleur o destinée à être raccordée à l'entrée du serpentin (7) du premier accumulateur et configurée pour opérer un stockage de chaleur dans le premier accumulateur en refroidissant un volume intérieur, et/ou o destinée à être raccordée à la sortie du serpentin (7) du premier accumulateur et configurée pour évacuer la chaleur depuis le premier accumulateur pour chauffer un volume intérieur.
7. Système de stockage et d'extraction d'énergie thermique selon laevendication précédente, caractérisé en ce que la pompe à chaleur est alimentée en énergie thermique par l'énergie solaire au moyen d'au moins un capteur solaire thermique, cette pompe à chaleur étant à absorption ou à adsorption.
8. Système de stockage et d'extraction d'énergie thermique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le capteur solaire thermique est de type cylindro-parabolique.
9. Système de stockage et d'extraction d'énergie thermique selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une cheminée solaire configurée pour produire de l'électricité, cette cheminée étant alimentée, au moins partiellement, en énergie thermique par la pompe à chaleur.
10. Système de stockage et d'extraction d'énergie thermique selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un deuxième accumulateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, la sortie du serpentin (7) du premier accumulateur étant destiné à être raccordée à l'entrée du serpentin (7) du deuxième accumulateur de sorte à permettre une stratification des empératures d'un serpentin (7) à l'autre (7) lorsque chacun des deux serpentins (7) est disposé dans un puits.
11. Serre horticole ou maraîchère fermée caractérisée en ce qu'elle comprend un système de stockage et d'extraction d'énergie thermique selon l'une quelconque des revendications 6 à 10.
12. Serre horticole ou maraîchère fermée selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un puits vertical de forme cylindrique sous la surface de la serre destiné à recevoir le serpentin (7) de l'accumulateur d'énergie thermique de l'une quelconque des revendications 1 à 5.
13. Serre horticole ou maraîchère fermée selon la revendication 11 ou 12, caractérisée en ce qu'elle comprend un échangeur eau/air intégrant
- une pluralité de rideaux d'ombrage agencés de sorte à réaliser un sous-toit en forme de V ;
- une rampe de pulvérisateurs raccordée à un échangeur d'une pompe à chaleur eau/eau du système de stockage et d'extraction d'énergie thermique et configurée pour arroser en gouttelettes d'eau le sous-toit, cette rampe étant fixée au-dessus du sous-toit.
14. Serre horticole ou maraîchère fermée selon la revendication précédente, aractérisée en ce qu'elle comprend, en outre, un réservoir de recueil des eaux pulvérisées, et une pompe à eau configurée pour évacuer l'eau recueillie par ledit éservoir, cette pompe à eau étant raccordée à {'échangeur de la pompe à chaleur eau/eau du système de stockage et d'extraction d'énergie thermique.
15. Serre horticole ou maraîchère fermée selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisée en ce qu'elle comprend, en outre, un dispositif de régulation configuré pour commander, au moins en fonction de la température à l'intérieur de la serre, la pompe à chaleur du système de stockage et d'extraction d'énergie thermique pour pulvériser de l'eau à intervalles prédéfinis.
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