WO2022122384A1 - Systeme d'echange de chaleur entre un batiment et le sous-sol terrestre comprenant la circulation en circuit ferme de materiaux a changement de phase - Google Patents

Systeme d'echange de chaleur entre un batiment et le sous-sol terrestre comprenant la circulation en circuit ferme de materiaux a changement de phase Download PDF

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WO2022122384A1
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WO
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building
heat
earth
capsules
phase change
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/082787
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Isabelle Durand
Habiba BOULHARTS
Bernard Bourbiaux
Vivien Esnault
Jean-Francois Lecomte
Vlasios LEONTIDIS
Marie MARSIGLIA
Elena Sanz
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles
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Publication date
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the invention relates to the field of cooling (and/or heating) of a building by heat exchange with the earth's subsoil, known as geothermal energy.
  • phase change materials also called PCM
  • PCM phase change materials
  • Patent application GB 2 470 400 relates to a geothermal system with two reservoirs of phase change materials stored in the ground.
  • a circulating fluid recovers the heat from the PCMs to transmit it to a heat pump.
  • this system requires heat exchangers between the MCP and the fluid so that only the fluid circulates, the MCPs remaining in the dedicated reservoirs. As a result, heat recovery is not optimal.
  • the system requires tanks to store PCMs and heat exchangers. This increases the footprint of the system and requires significant energy consumption to circulate the fluid continuously.
  • the heat recovery is not optimal, the heat exchanger between the two circuits representing an additional thermal resistance and thus limiting the overall heat transfer coefficient.
  • the system requires a heat exchanger between the PCMs and the circulating fluid as well as a PCM tank.
  • the object of the invention consists in proposing a system for cooling and/or heating a building thanks to the terrestrial basement, making it possible to improve the recovery or the evacuation of heat, to reduce the footprint on the ground compared to the systems above, to reduce energy consumption thanks to fluid circulation which may be discontinuous depending on the conditions and to reduce the loss of efficiency thanks to the limitation of thermal resistors in series (limitation of the number of heat exchanges).
  • a heat exchange system between a building and the earth's subsoil comprising a closed circuit (also called “closed loop circuit") with at least one device implanted in the earth's subsoil to exchange the heat with the earth's basement and connected by connecting pipes to at least one device installed in the building to exchange heat with the building.
  • the closed circuit comprises a circulation pump for circulating therein a fluid comprising capsules enclosing phase change materials.
  • the circulation of encapsulated PCMs makes it possible to dispense with reservoirs to maintain the PCMs in a closed space and to avoid the circulation of PCMs in the closed loop.
  • a heat exchanger such as a tube exchanger, between the PCMs and the fluid to recover energy (in heating or cooling mode) is not necessary. Due to this, the mechanical design is simplified and the installation size can be reduced. Installation and operating costs are therefore also reduced.
  • the latent heat of fusion of the PCMs increases the cooling or heating capacities of the building, in particular the cooling or heating speeds, which makes it possible to greatly limit the circulation of the fluid and therefore the energy consumption linked to it.
  • the invention relates to a system for exchanging heat between a building and the earth's subsoil comprising a closed circuit comprising at least one device implanted in said earth's subsoil for exchanging heat with the earth's subsoil, pipes connection, and at least one device installed in said building to exchange heat with the building, the device installed in the earth's subsoil being connected by said connecting pipes to the device installed in the building, the closed circuit comprising at least a circulation pump for circulating a fluid in said closed circuit.
  • the system includes the fluid comprising capsules enclosing phase change materials.
  • the system comprises heat exchange means for heating a second fluid arriving in said building, preferably the second fluid is water from the distribution network.
  • the circulation pump is a Moineau pump or an offset vane pump.
  • the pump is positioned on the part of the connecting pipes which is configured to circulate the capsules of phase change materials from a hot source to a cold source, the cold and hot sources being respectively constituted by the building and the terrestrial basement or vice versa.
  • the material of the capsules comprises organic, inorganic and/or metallic materials, preferably the material of the capsules comprises silica, fused silica, graphene, biological porous carbon, polymers, polyamides, nylon, lignins, fatty acids, esters, crown ethers, and/or for which the capsule is a molecular cage.
  • the capsules are functionalized using ionic molecules or using long hydrophobic chains.
  • the fluid comprises water and preferably at least one additive chosen from a biocide, an antifreeze, a surfactant, a dispersing agent for the capsules and/or an anti-corrosion additive.
  • the phase change materials comprise metals, metal alloys, inorganic materials, organic materials or hydrates, preferably the phase change materials comprise Gallium, calcium salts, fatty acids, esters, carboxylic acids or are formed from a eutectic mixture of these materials and even more preferably, the phase change materials comprise paraffins.
  • the size of the capsules is between 5 nm and 2 mm and the material of the capsules has a thickness between 0.5 nm and 500 ⁇ m.
  • At least part of the connecting pipes comprises a thermal insulation layer.
  • At least one device implanted in the building is located in at least one floor, in at least one ceiling and/or in at least one wall.
  • At least one device implanted in the building and/or at least one device implanted in the earth's subsoil comprises several branches in parallel and/or circulation loops.
  • the system comprises temperature measurement means for measuring the temperature of the building and/or of the pipes and/or of the devices and/or of the earth's subsoil and for which the system comprises an automatic control system for starting the circulation pump and stopping it according to the temperatures detected by the temperature measuring means.
  • At least one device implanted in the earth's subsoil is positioned at a depth between 4 and 100 m from ground level.
  • the connecting pipes are installed at least partially in the foundations of the building and/or in the piles of the building.
  • the fluid comprises between 5 and 70% by weight of capsules of phase change materials, preferably between 5 and 40%
  • the invention also relates to a method for cooling and/or heating a building in which at least the following steps are carried out by means of the system described above:
  • Phase-change material capsules are circulated in at least the device implanted in said building or in the device implanted in the earth's subsoil to recover heat respectively from the building or from the earth's subsoil;
  • the circulation of the capsules of phase-change materials is continued and the heat recovered by the phase-change materials is evacuated by means respectively of at least said device implanted in the earth's subsoil to cool the building or of the implanted device in the building to warm the building.
  • the heat of the building or of the basement is captured by stopping the circulation of the capsules of phase-change materials; once the phase change materials have captured sufficient energy, the capsules of phase change materials are put back into circulation; then the circulation is stopped so that the phase change materials evacuate the heat recovered respectively in the earth's basement to cool the building or in the building to heat it.
  • Figure 1 shows a first embodiment of the system of the invention.
  • Figure 2 shows a second embodiment of the system of the invention.
  • FIG. 3 represents a third embodiment of the system of the invention.
  • FIG. 4 represents a fourth embodiment of the system of the invention.
  • FIG. 5 represents an illustration of the fluid loaded with capsules of phase change materials in a pipe of the system according to the invention.
  • Figure 6 shows a variant of the pipes installed in the building of the system according to the invention.
  • FIG. 7 represents a variant of the pipes installed in the earth's subsoil of the system according to the invention.
  • the invention relates to a system for exchanging heat between a building and the earth's subsoil comprising a closed circuit comprising at least one device (a pipe or a plate exchanger for example) installed in the earth's subsoil for exchanging heat with the earth's subsoil, connecting pipes, and at least one device (a pipe for example) installed in the building to exchange heat with the building.
  • the device implanted in the earth's subsoil is connected by the connecting pipes to the device implanted in the building so as to form a closed circuit.
  • the system according to the invention can be adapted to only one of these two cases (permanent cooling of a computer center for example) or be adapted to successively allow these two cases (cooling in summer and heating in winter for a residential building for example ).
  • the closed circuit includes a circulation pump to circulate a fluid in the closed circuit. Indeed, given the gravity and pressure drops by viscous friction, the fluid could not circulate alone without a circulation pump.
  • the system includes the fluid and the fluid includes capsules enclosing phase change materials; in other words, the fluid is loaded with encapsulated PCMs. As a result, the fluid allows the circulation of the capsules of materials to phase change.
  • This circulation of the capsules of phase change materials makes it possible to simplify the system and to improve the energy efficiency of the system.
  • the use of capsules makes it possible to avoid the risks of clogging linked to agglomerates which could occur if the phase change materials were not encapsulated.
  • the system can be configured to allow intermittent fluid circulation, preferably a day/night cycle for example.
  • the invention is suitable for cooling buildings in the summer period.
  • PCMs are materials capable of changing physical state (solid/liquid or liquid/vapour) within a restricted temperature range. Unlike other materials or fluids that only store energy in the form of sensible heat, PCMs have the ability to store energy in two forms of heat, sensible and latent. It is during its change of physical state that it stores or releases energy in the form of latent heat. PCMs thus store much more energy than other materials. During this process, the PCM remains at a stable temperature, which also keeps the building at a stable temperature.
  • An MCP thus has two advantages compared to a material delivering only sensible heat (no phase change):
  • the energy absorbed by its heating from 15°C to 25°C, i.e. a temperature increase of 10°C, is this time 167 + 10 * 1.25 180 J/cm 3 i.e. approximately 4.3 times that of water, which testifies to the interest of PCMs for storing or evacuating heat (the system being reversible).
  • the system of the invention makes it possible to capture heat from a hot source (a building for example) and to restore it to at least one cold source (for example ground or tablecloth and possibly a second cold source such as the water network) away from the atmospheric environment of the hot source. It performs three functions: energy storage function, a transport function then an exchange function for this energy. These three functions are provided by the same vector, namely a liquid-phase suspension of solid capsules containing the PCM, this assembly being called “encapsulated phase-change material (PCM) slurry”.
  • PCM encapsulated phase-change material
  • the closed circuit can comprise one or more additional pumps to facilitate or accelerate the circulation of the fluid inside the closed loop circuit.
  • the system can comprise a heat exchange means for heating a second fluid (water for example) arriving in the building, preferably water from the public distribution network.
  • a second fluid water for example
  • the system can comprise a heat exchange means for heating a second fluid (water for example) arriving in the building, preferably water from the public distribution network.
  • This recovered heat can thus be used to preheat domestic hot water which must be brought to and maintained at a temperature above 50°C to avoid the risk of development of legionella.
  • Cold water from the distribution network (temperature of 15 to 21°C) is sufficient for the PCM to initiate a Liquid/Solid phase change by releasing energy.
  • the use of this recovered heat to preheat water from the network is therefore particularly advantageous for limiting the energy consumption necessary to finally reach a temperature above 50°C.
  • the circulation pump can be a Moineau pump or an offset vane pump.
  • a Moineau pump comprises a helical rotor rotating inside a helical stator. When the rotor turns inside the stator, cavities progress along the axis of the pump without changing either the shape or the volume of the cavities.
  • the Moineau pump is a rotary volumetric pump with a regular flow rate. It is particularly advantageous because its operation limits heating of the fluid. As a result, this pump can be positioned anywhere on the closed loop circuit.
  • the circulation pump is configured so as not to heat the fluid and not to destroy the capsules of phase change materials.
  • the pump can be positioned on the part of the connecting pipes which is configured to circulate (preferably which circulates) the capsules of materials phase change from a hot source to a cold source, the hot and cold sources being respectively constituted by the building and the earth's subsoil in summer (and vice versa in winter). Therefore, if the pump creates a heating of the fluid, for example in the case of a centrifugal pump, the phase change materials can be cooled in the cold source and thus allow better heat recovery from the hot source. , in particular to cool the building.
  • the fluid can comprise water and preferably at least one additive chosen from a biocide, an antifreeze, a surfactant, a dispersing agent for the capsules and/or an anti-corrosion additive.
  • a biocide an antifreeze
  • a surfactant a dispersing agent for the capsules and/or an anti-corrosion additive.
  • the use of water makes it easy to drive the capsules, easily flow through the pipes and reduce the cost of the system.
  • the environmental impact is reduced.
  • the phase change materials can comprise metals, alloys of metals, inorganic materials, organic materials or hydrates or mixtures of these materials.
  • the PCM metals and/or metal alloys may comprise gallium, the melting point of which is between 26 and 28° C., adapted to the cooling situation of the building; inorganic materials may include calcium salts (CaCl 2 , -6H 2 O, or CaCl 2 , -2H 2 O); the organic PCM materials can comprise paraffins, fatty acids, esters, carboxylic acids or mixtures of these different materials.
  • paraffins are the preferred materials for their stability and their lesser sensitivity to the supercooling phenomenon.
  • the phase change materials can comprise a eutectic mixture of the materials described above, so as to reach a melting temperature that cannot be reached with pure compounds and/or to lower the cost of the PCM.
  • a eutectic mixture can make it possible to reach a melting temperature identical to that of a very expensive pure paraffin but by using a mixture of paraffins which would be less expensive to purchase.
  • the material of the capsules can comprise organic, inorganic and/or metallic materials or mixtures of these materials.
  • organic materials for capsules can include graphene, porous carbon, polymers, polyamides, nylon, lignins, fatty acids, esters, crown ethers; inorganic materials for capsules may include silica, fused silica.
  • the capsules can be constituted by one or more of the materials described above and be constituted by mixtures of these materials.
  • Metals have the advantage of offering good thermal conductivity. Polymers allow a good compromise between conductivity and flexibility. They also reduce friction and noise. Silica makes it easy to obtain functionalized materials. Capsules can also take the form of molecular cages.
  • the capsules can be functionalized using ionic molecules or using long hydrophobic chains so as to ensure that the capsules remain at a distance from each other by electrostatic or steric repulsion in the case of molecules ions and by steric repulsion in the case of long hydrophobic chains.
  • electrostatic or steric repulsion in the case of molecules ions and by steric repulsion in the case of long hydrophobic chains it is possible to avoid generating agglomerates of capsules which could cream, sediment or even generate a clogging of the pipes.
  • the size of the capsules can be between 5 nm and 2 mm and the material constituting the wall of the capsules can have a thickness between 0.5 nm and 500 ⁇ m. Because of this, the capsules are small, which facilitates their circulation in the transport fluid.
  • the average capsule size may correspond to Sauter's equivalent diameter.
  • the thickness ensures sufficient resistance to the capsules.
  • the thickness of the capsules is optimized according to each material so that the capsule is impermeable to the MCP, that its mechanical properties make it possible to resist the expansion-compression stresses of the MCP according to the temperature and the stresses applied by the traffic (elbow , restriction, pump, etc.) and heat exchanges are maximized.
  • At least part of the connecting pipes may comprise a thermal insulation layer.
  • the heat exchange between the earth's basement and the building is improved.
  • the heating of a part of the building through which the connecting pipes pass for example the lower floor, the foundations or the piles, is avoided.
  • At least one device installed in the building can be located in at least one floor and/or in at least one ceiling and/or in at least one wall. In this way, heat can be recovered from different locations in the building, which allows more flexibility in the design of the system and/or the building and which can make it possible to increase the heating or cooling performance.
  • At least one device implanted in the building and/or at least one device implanted in the earth's subsoil may (may) comprise several branches in parallel and/or circulating loops.
  • circulation loop is meant a tortuous pipe so as to increase the length of the pipe in the space considered without increasing the footprint on the ground, which makes it possible to increase the heat exchanges.
  • the system can comprise temperature measurement means for measuring the temperature of the building and/or devices installed in the earth's subsoil and in the building, and/or pipes and / or the earth's subsoil and the system may comprise an automatic control system for starting the circulation pump and stopping it according to the temperatures recorded by the temperature measuring means.
  • a first predetermined temperature 28° C. for example.
  • a temperature measurement in the building above this predetermined temperature will cause, automatically by the control system which receives the information from the temperature measurement means, the start-up of the circulation pump, so that the capsules located in the earth's basement arrive in the device implanted in the building.
  • a temperature measurement on the implanted device, sent to the control system can then detect the presence of the cold fluid.
  • the control system can then cut off the pump so as to stop the circulation of the fluid.
  • the fluid could be allowed to circulate for a predetermined time for the PCMs to arrive in the device implanted in the building.
  • the PCMs will then recover the heat from the building. As a result, the temperature of the building will decrease and the temperature of the device implanted in the building will increase. Either or both of these temperatures are recorded and sent to the control system. When a new threshold is crossed, the control system will restart the pump so that the MCPs which have captured the heat of the building arrive in the earth's basement to evacuate the captured heat.
  • control system is configured to receive information from the temperature measurement means (thermometers, temperature probes or thermocouples for example), and it compares these temperature measurements with one or more predetermined temperatures to activate or deactivate (stop) the pump.
  • the use of the control system makes it possible not to use the pump continuously and therefore limits energy consumption.
  • the circulation of PCMs only takes place when they have recovered or evacuated sufficient energy. For example, the PCM crystallized in solid form then rises in temperature with the heat of the building so as to store the heat of the building to cool it.
  • the system can be controlled in order to take into account the phase change kinetics of the MCP which can be different depending on whether it passes from the first state to the second state or from the second state to the first state.
  • the system may include control means for controlling the flow rate or velocity of the fluid to control the amount of heat recovered and/or optimize the operation of the circulation pump.
  • the system (the closed-loop circuit in particular) can comprise a drain point and/or a point where the encapsulated PCMs (or the fluid comprising the encapsulated PCMs) can be pumped and/or on the contrary injected into the circuit in a closed loop, this pumping/injection point preferably being at the surface, so as to replace the encapsulated PCMs and/or the fluid, if the charged fluid has lost capacity due to the deterioration of the capsules for example, for sampling or to add additives for example.
  • At least one pipe installed in the earth's subsoil can be positioned at a depth between 4 and 100 m from ground level, this depth allowing good heat evacuation and a stable temperature and generally between 12 and 15 °C, which allows good cooling of the PCMs and therefore of the building.
  • At least one device implanted in the earth's subsoil could be positioned at a depth greater than 100 m, which, due to the geothermal gradient (increase in the temperature of the earth's subsoil with depth), would make it possible to obtain a temperature close to 20°C suitable for heating the building more efficiently.
  • the connecting pipes can be installed at least partially in the foundations of the building and/or in the piles of the building. Therefore, it is not necessary to drill further holes.
  • the fluid can comprise between 5 and 70% (preferably between 5 and 40%) by weight of capsules of phase change materials.
  • the PCM density is sufficient to recover/remove the heat and it also allows good circulation of the PCMs with the fluid. Therefore, the energy consumption of the pump to circulate the fluid is optimal. Higher concentrations are not prohibited, however, the strong increase in the relative viscosity is the cause of a high pressure drop and heating of the fluid.
  • the invention also relates to a method for cooling and/or heating a building in which at least the following steps are carried out by means of the system according to one of the characteristics described above:
  • - capsules of phase-change materials are circulated in at least the device implanted in the building or in the device implanted in the earth's subsoil to recover the heat respectively from the building or from the earth's subsoil to cool the building thanks to in the terrestrial basement and/or to heat the building thanks to the terrestrial basement;
  • the circulation of the capsules of phase-change materials is continued and the heat recovered by the phase-change materials is evacuated by means respectively of at least the device implanted in the earth's subsoil to cool the building or the implanted device in the building to warm the building.
  • phase-change materials By circulating phase-change materials, the process is simple and allows better heat recovery/evacuation.
  • the different stages can be carried out with continuous circulation of the fluid or with intermittent circulation (with circulation phases and circulation stop phases to allow time for the PCMs to load/unload the heat).
  • the heat of the building or of the basement can be captured by stopping the circulation of the capsules of phase-change materials; once the phase change materials have captured sufficient energy (for example, when the temperature of the building rises above a predetermined temperature or the temperature of the device implanted in the building exceeds a threshold value), it is reset in circulation the capsules of phase change materials; then the circulation is stopped so that the phase change materials evacuate the heat recovered respectively in the earth's basement to cool the building or in the building to heat it.
  • the pump By starting and stopping the pump in a judicious manner, with the aid of a control system and means of measuring the temperature, it is possible to limit the energy consumption and optimize the heat recovery of the PCMs.
  • Phase-change material capsules are circulated in at least the device implanted in the earth's subsoil;
  • phase change materials
  • the heat of the earth's subsoil can be captured by stopping the circulation of the capsules of phase-change materials (by stopping the circulation pump automatically by the control system);
  • the capsules of phase change materials are put back into circulation (by restarting the circulation pump automatically by the control system);
  • the circulation is stopped (by stopping the circulation pump again, automatically by the control system) so that the phase change materials evacuate the heat recovered from the ground underground in the building.
  • the melting point of PCMs suitable for operation to cool the building may be different from the melting point of PCMs suitable for operation to heat the building. This is particularly the case when it is desired to optimize the heat exchanges.
  • provision may be made to filter and store the PCMs of an operating mode (heating for example) and to introduce other PCMs into the fluid of the closed circuit to the second operating mode (cooling for example).
  • the system can include a means of filtering the PCMs (a filter capable of letting the fluid be tired and retaining the encapsulated PCMs), a storage tank for the first PCMs (suitable for the heating operating mode for example), a storage tank for the second MCPs (suitable for the operating mode cooling for example) and an introduction means for introducing the first or second PCMs into the closed circuit.
  • a means of filtering the PCMs a filter capable of letting the fluid be tired and retaining the encapsulated PCMs
  • a storage tank for the first PCMs suitable for the heating operating mode for example
  • a storage tank for the second MCPs suitable for the operating mode cooling for example
  • an introduction means for introducing the first or second PCMs into the closed circuit.
  • Figure 1 illustrates, schematically and without limitation, a first embodiment of the system according to the invention.
  • the system comprises a device installed in the building 1, here a pipe 6, connected by connecting pipes 4 and 7 to a device installed in the earth's subsoil 5, here a pipe 9.
  • the plane 2 materialized by the dotted lines represents the lower plane of the building 1 .
  • the plane 8 materialized by the dotted lines represents the level in the earth's subsoil from which the pipe 9 begins, that is to say the level from which the earth's subsoil acts as a cold source or as a hot source to cool or heat phase change materials.
  • Space 3 located between the lower plane 2 of building 1 and plane 8 from which pipe 9 begins represents the space where connecting pipes 4 and 7 are located.
  • Space 3 includes the ground floor, the foundations of building 1 and/or the piles of building 1 .
  • Lines 6, 7, 9 and 4 form a closed loop circuit in which circulates (or can circulate when the circulation is not continuous) a fluid charged with capsules of phase change materials.
  • the circulation of the fluid can be continuous in the closed loop or not continuous, according to the operating modes envisaged and the overall dimensioning of the system.
  • the arrow materialized in the pipe 7 illustrates the direction of circulation of the fluid loaded with capsules in the closed-loop circuit.
  • a pump P is represented on the closed-loop circuit so as to ensure the circulation of the fluid loaded with capsules in the circuit.
  • the pump P is controlled by a control system (not shown) which receives information from temperature measurement means (not shown), such as temperature sensors, probes, thermocouples or thermometers, which can be installed in the building 1, in the terrestrial basement 5 near the pipe 9 located in the terrestrial basement 5, in or on the pipes and more particularly in or on the pipes 6 located in the building 1 and/or the pipes 9 implanted in the earth's subsoil 5.
  • temperature measurement means such as temperature sensors, probes, thermocouples or thermometers
  • the control system can then activate the pump P to allow the circulation of the fluid loaded with capsules, which will make it possible to capture the heat in the building 1 or in the ground basement 5, so as to then unload it in the other.
  • Temperature tracking helps stop traffic when necessary so as to improve the cooling or heating performance of the building 1 and to minimize the consumption of energy (electrical for example) to operate the pump P.
  • the pump P can be operated once that it has been activated, for a certain predetermined period (for example by preliminary tests of the system in the actual implantation situation, which will depend in particular on the lengths of pipes 6, 4, 7 and 9, on the depth of location of the pipe 9 in the earth's subsoil 5, the internal diameter of the pipes 6, 4, 7 and 9, the viscosity of the fluid, the rate of capsules in the fluid and their size, etc.).
  • the pump P When the pump P creates a heating of the fluid (a centrifugal pump for example), the pump is advantageously positioned between the hot source (here represented by the pipe 6 installed in the building 1 for the cooling of the building) and the cold source (here represented by the pipe 9 located in the ground basement 5 to allow the cooling of the building 1), in the direction of circulation of the fluid materialized by the arrow.
  • the hot source here represented by the pipe 6 installed in the building 1 for the cooling of the building
  • the cold source here represented by the pipe 9 located in the ground basement 5 to allow the cooling of the building 1
  • the direction of circulation of the fluid in the pipe 7 could likewise be in the opposite direction for cooling as for heating the building.
  • FIG. 2 represents, schematically and without limitation, a second embodiment of the system according to the invention.
  • the insulation layer thermal may for example be a layer of polymeric materials such as foams or aerogels, of glass fibers or of rock wool.
  • FIG. 3 represents, schematically and without limitation, a third embodiment of the system according to the invention.
  • This system differs from Figure 2 by the addition of a heat exchange means, such as here a heat exchanger 11 without direct contact, on one of the connecting pipes, in this case here the connecting pipe 7.
  • a heat exchange means such as here a heat exchanger 11 without direct contact
  • the other connecting pipe 4 remains equipped with a thermal insulation layer but could not be covered with it, as in FIG.
  • the heat exchanger 1 1 allows a heat exchange between the fluid loaded with capsules of phase change materials and another fluid (hereinafter called the second fluid).
  • the heat exchanger 11 does not allow direct exchange between these two fluids: in other words a wall is necessary to prevent the two fluids from mixing. This can be achieved by a tube/shell or spiral tube exchanger, for example.
  • the second fluid arrives in a pipe 12a which opens into the heat exchanger 11.
  • the second fluid can then heat up while the capsule-laden fluid cools by its heat capacity.
  • the second fluid emerges from the heat exchanger 11 in a pipe 12b, hotter than it entered.
  • the pipe 12a comes from a water distribution network, the second fluid then being water, for example from the public water network, and the pipe 12b allows the circulation of the heated water in the building 1 .
  • the heat captured in the building for example by the phase change materials is used to heat the water necessary for the building, the heat remaining in the PCMs (essentially by the latent heat of fusion) is then discharged into the sub- terrestrial ground 5 via pipe 9 located in the terrestrial basement 5.
  • the PCMs finalize their phase change.
  • Heating the water from the network also makes it possible to limit the environmental impact of the heat transmitted to the ground while saving energy.
  • the heat exchanger 11 could be used to cool the second fluid.
  • FIG. 4 represents, schematically and without limitation, a fourth embodiment of the system according to the invention.
  • This system differs from Figure 1 by the location of the connecting pipes 4 and 7 in the foundation piles 50 of the building 1, which makes it possible to limit the drilling in the ground, therefore to reduce the costs on the one hand and the environmental impact on the other hand.
  • FIG. 5 illustrates, schematically and without limitation, the circulation F of the fluid loaded with capsules 13a, 13b, 13c of phase change materials 14 in a pipe T which can be a device installed in the building, a connecting pipe or a device implanted in the earth's subsoil such as pipes, 4, 6, 7 or 9 of Figures 1 to 4.
  • the capsule 13a has for example a spherical or cylindrical shape (the capsule 13a has a circular section), the capsule 13c is of elliptical section, the capsule 13b is of any shape.
  • the capsules 13a, 13b or 13c materialized by the black external solid envelopes (or skins) enclose a phase change material 14 in gray.
  • the fluid circulating in the pipe T carries with it the capsules 13a, 13b or 13c of phase change materials 14.
  • the arrow F represents the direction of circulation of the fluid in the pipe T.
  • capsules or preferably all the capsules, can be functionalized by ionic molecules 15, here positive charges + are represented, but negative charges could be used alternatively.
  • positive charges + are represented, but negative charges could be used alternatively.
  • the capsules tend to repel each other naturally by electrostatic repulsion, which avoids agglomerates of capsules and therefore the risks of creaming, sedimentation or even clogging of the pipe T .
  • hydrophobic functions in particular long hydrophobic chains can be grafted in order to use the mechanism of steric repulsion (reduction of entropy), Covalent functionalization is preferred but functionalization by weak bonds can also be considered.
  • FIG. 6 illustrates, schematically and without limitation, a device installed in the building, here a pipe installed in the building comprising several branches in parallel.
  • the pipe 6 located in the building comprises a first branch 26 located in the floor 20 of the building, a second and a third branches 24 and 25 located in a vertical wall 21 of the building and a fourth branch 23 located in the ceiling 22 of the building. As illustrated in Figure 6, these branches 23, 24, 25 and 26 are mounted in parallel and connected to the connecting pipes 4 and 7.
  • the various branches 23, 24, 25 and 26 comprise portions of tubes forming loops (or undulations) so as to optimize heat exchange with the building, with the ceiling, the vertical wall or the floor.
  • the branches 23, 24, 25 and 26 comprise tortuous circulation loops.
  • the flow in each branch 23, 24, 25, 26 can be determined by the length, the section and the tortuosity of each branch so as to best meet the needs of the building. For example, in FIG. 6, the heat having a tendency to rise to the ceiling, it may be advantageous to circulate more flow through branch 23 than through the others.
  • FIG. 7 illustrates, in a schematic and non-limiting manner, a pipe installed in the earth's subsoil comprising several branches in parallel.
  • the pipe 9 implanted in the earth's subsoil comprises a first branch 9a implanted at a first depth in the earth's subsoil, a second branch 9b at a second depth in the earth's subsoil, the second depth being greater at the first depth, and three branches 9c1, 9c2 and 9c3 located at a third depth in the earth's basement, the third depth here being greater than the first and second depths.
  • the terrestrial basement where the pipe 9 is located is delimited by an upper horizontal plane 28 and a lower horizontal plane 29.
  • the different branches 9a, 9b, 9c1, 9c2, 9c3 are mounted in parallel and interconnected by connections C.
  • branches in parallel mounted vertically one above the other and /or located next to each other in the same horizontal plane.
  • two successive branches could be implanted at a different vertical level without being above each other and in a different horizontal plane (i.e. horizontally offset the branches located at different vertical levels), for example, the branches could be staggered vertically.
  • these branches 9a, 9b, 9c1, 9c2 and 9c3 are mounted in parallel and connected to the connecting pipes 4 and 7.
  • the various branches 9a, 9b, 9c1, 9c2 and 9c3 comprise portions of tubes forming loops (or undulations) so as to optimize heat exchange.
  • the branches 9a, 9b, 9c1, 9c2 and 9c3 comprise tortuous circulation loops.
  • the system of the invention makes it possible to improve the thermal performance and therefore makes it possible to reduce the length of the pipes, which makes it possible to reduce the environmental impact, the size of the system and the cost of the system.

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Abstract

La présente invention concerne un système d'échange de chaleur entre un bâtiment (1) et le sous-sol terrestre (5) comprenant un circuit fermé avec au moins une conduite (9) implantée dans ledit sous-sol terrestre (5) pour échanger de la chaleur avec le sous-sol terrestre (5) et reliées par des conduites de liaison (4, 7) à au moins une conduite (6) implantée dans ledit bâtiment (1) pour échanger de la chaleur avec le bâtiment (1), le circuit fermé comprenant une pompe de circulation (P) pour faire circuler un fluide dans ledit circuit fermé, et le fluide comprenant des capsules enfermant des matériaux à changement de phase. L'invention concerne également un procédé pour refroidir ou réchauffer un bâtiment (1) à partir du système d'échange de chaleur entre un bâtiment (1) et le sous-sol terrestre (5).

Description

SYSTEME D’ECHANGE DE CHALEUR ENTRE UN BATIMENT ET LE SOUS-SOL TERRESTRE COMPRENANT LA CIRCULATION EN CIRCUIT FERME DE MATERIAUX A CHANGEMENT DE PHASE
Domaine technique
L’invention concerne le domaine du refroidissement (et/ou du réchauffage) d’un bâtiment par échange de chaleur avec le sous-sol terrestre, connu sous le nom de géothermie.
Technique antérieure
Afin de refroidir un bâtiment, il est connu de stocker la chaleur récupérée du bâtiment dans le sol terrestre. De la même manière, il est également connu de récupérer la chaleur du sol terrestre pour réchauffer un bâtiment. Cela se fait habituellement à l’aide d’un fluide caloporteur (par exemple de l’eau glycolée) qui circule entre le bâtiment et le sol terrestre dans un système de tuyauterie en circuit fermé à l'aide d'une pompe.
De manière à améliorer les performances de stockage et récupération d’énergie, des matériaux à changement de phase (également appelés MCP) ont été utilisés pour améliorer les échanges avec le sol terrestre et/ou avec le bâtiment.
La demande de brevet GB 2 470 400 concerne un système de géothermie avec deux réservoirs de matériaux à changement de phase stockés dans le sol. Un fluide circulant permet de récupérer la chaleur des MCP pour la transmettre à une pompe à chaleur. Toutefois, ce système nécessite des échangeurs de chaleur entre le MCP et le fluide de manière à ce que seul le fluide circule, les MCP restant dans les réservoirs dédiés. De ce fait, la récupération de chaleur n’est pas optimale. De plus, le système nécessite des réservoirs pour stocker les MCP et des échangeurs de chaleur. Ceci augmente l’emprise au sol du système et nécessite une consommation d’énergie importante pour faire circuler le fluide en continu.
On connaît également la demande de brevet US 2014/0166232 qui utilise deux circuits en boucle fermée avec un échangeur de chaleur entre ces deux circuits. De plus, ce système met en oeuvre un réservoir de MCP qui ne circulent pas et un fluide circulant pour échanger la chaleur avec les MCP.
Là encore, la récupération de chaleur n’est pas optimale, l’échangeur de chaleur entre les deux circuits représentant une résistance thermique supplémentaire et limitant ainsi le coefficient de transfert thermique global. De plus, le système nécessite un échangeur de chaleur entre les MCP et le fluide de circulation ainsi qu’un réservoir de MCP.
De plus, le fluide circule en continu, ce qui représente une consommation d’énergie importante. Le but de l’invention consiste à proposer un système pour refroidir et/ou réchauffer un bâtiment grâce au sous-sol terrestre, permettant d’améliorer la récupération ou l’évacuation de chaleur, de réduire l’emprise au sol par rapport aux systèmes précédents, de réduire la consommation d’énergie grâce à une circulation du fluide qui peut être discontinue selon les conditions et de réduire la perte de rendement grâce à la limitation de résistances thermiques en série (limitation du nombre d’échanges de chaleur).
Le but est atteint par un système d’échange de chaleur entre un bâtiment et le sous-sol terrestre comprenant un circuit fermé (aussi appelé « circuit en boucle fermée ») avec au moins un dispositif implanté dans le sous-sol terrestre pour échanger de la chaleur avec le sous-sol terrestre et relié par des conduites de liaison à au moins un dispositif implanté dans le bâtiment pour échanger de la chaleur avec le bâtiment. Le circuit fermé comprend une pompe de circulation pour y faire circuler un fluide comportant des capsules enfermant des matériaux à changement de phase. En effet, la circulation des MCP encapsulés permet d’améliorer de manière significative les échanges de chaleur grâce à la chaleur latente de fusion, associée à la capacité calorifique des MCP. De plus, la circulation des MCP encapsulés permet de s’affranchir de réservoirs pour maintenir les MCP dans un espace clos et pour éviter la circulation des MCP dans la boucle fermée. Ainsi, un échangeur de chaleur, tel qu’un échangeur à tubes, entre les MCP et le fluide pour récupérer l’énergie (en mode chauffage ou rafraîchissement) n’est pas nécessaire. De ce fait, la conception mécanique est simplifiée et la taille de l’installation peut être réduite. Les coûts d’installation et d’opération sont donc également réduits.
La chaleur latente de fusion des MCP augmente les capacités de refroidissement ou de chauffage du bâtiment, notamment les vitesses de refroidissement ou de chauffage, ce qui permet de limiter fortement la circulation du fluide et donc la consommation d’énergie liée à celle-ci.
Résumé de l’invention
L’invention concerne un système d’échange de chaleur entre un bâtiment et le sous-sol terrestre comprenant un circuit fermé comprenant au moins un dispositif implanté dans ledit sous-sol terrestre pour échanger de la chaleur avec le sous-sol terrestre, des conduites de liaison, et au moins un dispositif implanté dans ledit bâtiment pour échanger de la chaleur avec le bâtiment, le dispositif implanté dans le sous-sol terrestre étant relié par lesdites conduites de liaison au dispositif implanté dans le bâtiment, le circuit fermé comprenant au moins une pompe de circulation pour faire circuler un fluide dans ledit circuit fermé. De plus, le système comprend le fluide comprenant des capsules enfermant des matériaux à changement de phase. Selon une configuration, le système comprend un moyen d’échange de chaleur pour réchauffer un deuxième fluide arrivant dans ledit bâtiment, de préférence, le deuxième fluide est de l’eau du réseau de distribution.
Selon une mise en oeuvre de l’invention, la pompe de circulation est une pompe Moineau ou une pompe à aube déportée.
De préférence, pour lequel la pompe est positionnée sur la partie de conduites de liaison qui est configurée pour faire circuler les capsules de matériaux à changement de phase depuis une source chaude vers une source froide, les sources froides et chaudes étant respectivement constituées par le bâtiment et le sous-sol terrestre ou inversement.
Avantageusement, le matériau des capsules comprend des matériaux organiques, inorganiques et/ou métalliques, de préférence le matériau des capsules comprend de la silice, de la silice fondue, du graphène, du carbone poreux biologique, des polymères, des polyamides, du nylon, des lignines, des acides gras, des esters, des éthers couronne, et/ou pour lequel la capsule est une cage moléculaire.
Préférentiellement, les capsules sont fonctionnalisées à l’aide de molécules ioniques ou à l’aide de chaînes longues hydrophobes.
De manière avantageuse, le fluide comprend de l’eau et de préférence au moins un additif choisi parmi un biocide, un antigel, un tensioactif, un agent dispersant des capsules et/ou un additif anticorrosion.
Selon un mode de réalisation de l’invention, les matériaux à changement de phase comprennent des métaux, des alliages de métaux, des matériaux inorganiques, des matériaux organiques ou des hydrates, de préférence, les matériaux à changement de phase comprennent du Gallium, des sels de calcium, des acides gras, des esters, des acides carboxyliques ou sont formés d’un mélange eutectique de ces matériaux et de manière encore préférée, les matériaux à changement de phase comprennent des paraffines.
De manière préférée, la taille des capsules est comprise entre 5 nm et 2 mm et le matériau des capsules a une épaisseur comprise entre 0.5 nm et 500 pm.
Avantageusement, au moins une partie des conduites de liaison comprend une couche d’isolation thermique.
Selon une configuration de l’invention, au moins un dispositif implanté dans le bâtiment est situé dans au moins un plancher, dans au moins un plafond et/ou dans au moins un mur.
Selon une variante de l’invention, au moins un dispositif implanté dans le bâtiment et/ou au moins un dispositif implanté dans le sous-sol terrestre comprend plusieurs branches en parallèle et/ou des boucles de circulation.
De manière avantageuse, le système comprend des moyens de mesure de températures pour mesurer la température du bâtiment et/ou des conduites et/ou des dispositifs et/ou du sous- sol terrestre et pour lequel le système comprend un système de contrôle automatique pour mettre la pompe de circulation en route et l’arrêter en fonction des températures relevées par les moyens de mesure de température.
De préférence, au moins un dispositif implanté dans le sous-sol terrestre est positionné à une profondeur située entre 4 et 100 m du niveau du sol.
Selon une mise en oeuvre de l’invention, les conduites de liaison sont implantées au moins partiellement dans les fondations du bâtiment et/ou dans les pieux du bâtiment.
Préférentiellement, le fluide comprend entre 5 et 70 % en poids de capsules de matériaux à changement de phase, préférentiellement entre 5 et 40 %
L’invention concerne également un procédé pour refroidir et/ou réchauffer un bâtiment dans lequel on effectue au moins les étapes suivantes au moyen du système décrit précédemment :
- on fait circuler des capsules de matériaux à changement de phase dans au moins le dispositif implanté dans ledit bâtiment ou dans le dispositif implanté dans le sous-sol terrestre pour récupérer la chaleur respectivement du bâtiment ou du sous-sol terrestre ;
- on capte la chaleur du bâtiment ou du sous-sol terrestre grâce aux matériaux à changement de phase ;
- on poursuit la circulation des capsules de matériaux à changement de phase et on évacue la chaleur récupérée par les matériaux à changement de phase au moyen respectivement d’au moins ledit dispositif implanté dans le sous-sol terrestre pour refroidir le bâtiment ou du dispositif implanté dans le bâtiment pour réchauffer le bâtiment.
De préférence, on capte la chaleur du bâtiment ou du sous-sol en arrêtant la circulation des capsules de matériaux à changement de phase ; une fois que les matériaux à changement de phase ont capté une énergie suffisante, on remet en circulation les capsules de matériaux à changement de phase ; puis on arrête la circulation de manière à ce que les matériaux à changement de phase évacuent la chaleur récupérée respectivement dans le sous-sol terrestre pour refroidir le bâtiment ou dans le bâtiment pour le réchauffer.
Liste des figures
D'autres caractéristiques et avantages du système et/ou du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
La figure 1 représente un premier mode de réalisation du système de l’invention.
La figure 2 représente un deuxième mode de réalisation du système de l’invention.
La figure 3 représente un troisième mode de réalisation du système de l’invention. La figure 4 représente un quatrième mode de réalisation du système de l’invention.
La figure 5 représente une illustration du fluide chargé de capsules de matériaux à changements de phase dans une conduite du système selon l’invention.
La figure 6 représente une variante des conduites implantées dans le bâtiment du système selon l’invention.
La figure 7 représente une variante des conduites implantées dans le sous-sol terrestre du système selon l’invention.
Description des modes de réalisation
L’invention concerne un système d’échange de chaleur entre un bâtiment et le sous-sol terrestre comprenant un circuit fermé comprenant au moins un dispositif (une conduite ou un échangeur à plaques par exemple) implanté dans le sous-sol terrestre pour échanger de la chaleur avec le sous-sol terrestre, des conduites de liaison, et au moins un dispositif (une conduite par exemple) implanté dans le bâtiment pour échanger de la chaleur avec le bâtiment. Le dispositif implanté dans le sous-sol terrestre est relié par les conduites de liaison au dispositif implanté dans le bâtiment de manière à former un circuit fermé. Ainsi, on peut faire circuler un fluide dans ce circuit fermé et les MCP encapsulés circulant avec le fluide pour permettre de récupérer la chaleur du bâtiment pour l’évacuer dans le sous-sol terrestre et/ou à l’inverse récupérer la chaleur du sous-sol terrestre pour l’évacuer dans le bâtiment. Dans le cas de réchauffage, on peut par exemple utiliser des MCP différents de ceux utilisés pour le refroidissement de manière à ce que la température de fusion de chaque opération soit optimale. Pour changer les MCP, on peut par exemple filtrer les MCP du premier mode de fonctionnement (refroidissement par exemple) et injecter d’autres MCP pour le deuxième mode de fonctionnement. Dans le premier cas, on refroidit donc le bâtiment ; dans le deuxième cas, on le réchauffe. Le système selon l’invention peut être adapté à un seul de ces deux cas (refroidissement permanent de centre informatique par exemple) ou être adapté pour permettre successivement ces deux cas (refroidissement en été et chauffage en hiver pour un bâtiment d’habitation par exemple). De plus, le circuit fermé comprend une pompe de circulation pour faire circuler un fluide dans le circuit fermé. En effet, compte tenu de la gravité et des pertes de charge par frottement visqueux, le fluide ne pourrait pas circuler seul sans pompe de circulation. En outre, le système comprend le fluide et le fluide comprend des capsules enfermant des matériaux à changement de phase ; autrement dit, le fluide est chargé de MCP encapsulés. De ce fait, le fluide permet la circulation des capsules de matériaux à changement de phase. Cette circulation des capsules de matériaux à changement de phase permet de simplifier le système et d’améliorer l’efficacité énergétique du système. L’utilisation de capsules permet d’éviter les risques de bouchage liés aux agglomérats qui pourraient se produire si les matériaux à changement de phase n’étaient pas encapsulés.
Par exemple, le système peut être configuré pour permettre une circulation du fluide par intermittence, de préférence un cycle jour/n uit par exemple.
Plus particulièrement, l’invention est adaptée au refroidissement des bâtiments en période estivale.
Les MCP sont des matériaux capables de changer d’état physique (solide/liquide ou liquide/vapeur) dans une plage de température restreinte. Contrairement à d’autres matériaux ou fluides qui ne stockent de l’énergie que sous forme de chaleur sensible, les MCP ont la capacité de stocker de l’énergie sous deux formes de chaleur, sensible et latente. C’est lors de son changement d’état physique qu’il stocke ou libère de l’énergie sous forme de chaleur latente. Les MCP emmagasinent ainsi beaucoup plus d’énergie que d’autres matériaux. Durant ce processus, le MCP reste à une température stable, ce qui permet également de maintenir le bâtiment à une température stable.
Un MCP possède ainsi deux avantages par rapport à un matériau ne délivrant que de la chaleur sensible (pas de changement de phase) :
- Sa grande capacité de stockage d’énergie sur l’intervalle de température couvrant sa température de changement de phase. Il en résulte un gain de volume par rapport à un matériau ne délivrant que de la chaleur sensible sur le même intervalle de température. En effet, par exemple, pour l’eau, la capacité calorifique volumique vaut 4.18 J/°C/cm3. L’énergie absorbée par son réchauffement de 15 °C à 25 °C, soit une augmentation de température de 10 °C, est donc de 42 J/cm3. Si on considère maintenant un MCP tel que l’heptadécane dont la température de fusion est de 22 °C, la chaleur latente de fusion L est égale à 215 J par gramme (167 J/cm3) et la capacité calorifique volumique égale à 1.25 J/°C/cm3. L’énergie absorbée par son réchauffement de 15 °C à 25 °C, soit une augmentation de température de 10 °C, vaut cette fois 167 + 10 * 1.25 = 180 J/cm3 soit environ 4.3 fois celle de l’eau, ce qui témoigne de l’intérêt des MCP pour stocker ou évacuer la chaleur (le système étant réversible).
- Le quasi maintien d’une température constante au changement de phase, qui procure une plus grande stabilité des flux d’énergie entre le MCP et chacune des sources, principalement la source que constitue le bâtiment dont la température est à réguler.
Le système de l’invention permet de capter la chaleur depuis une source chaude (un bâtiment par exemple) et de la restituer à au moins une source froide (par exemple sol ou nappe et éventuellement une deuxième source froide comme le réseau d’eau) éloignée de l’environnement atmosphérique de la source chaude. Il assure donc trois fonctions : une fonction de stockage de l’énergie, une fonction de transport puis une fonction d’échange de cette énergie. Ces trois fonctions sont assurées par un même vecteur, à savoir une suspension en phase liquide de capsules solides renfermant le MCP, cet ensemble étant appelé « coulis de matériau à changement de phase (MCP) encapsulés ».
Selon une variante de l’invention, le circuit fermé peut comprendre une ou plusieurs pompes supplémentaires pour faciliter ou accélérer la circulation du fluide à l’intérieur du circuit en boucle fermée.
Selon une configuration de l’invention, le système peut comprendre un moyen d’échange de chaleur pour réchauffer un deuxième fluide (de l’eau par exemple) arrivant dans le bâtiment, de préférence l’eau du réseau de distribution public. Ainsi, on peut utiliser la capacité calorifique des matériaux à changement de phase pour réchauffer le deuxième fluide (l’eau notamment) du bâtiment, ce qui permet de récupérer une partie de la chaleur prélevée dans le bâtiment, avant d’évacuer le reste de l’énergie récupérée par les MCP, notamment par la chaleur latente de fusion et donc par un changement de phase des MCP, dans le sous-sol terrestre.
Cette chaleur récupérée peut ainsi servir au préchauffage de l’eau chaude sanitaire qui doit être portée et maintenue à une température supérieure à 50°C pour éviter les risques de développement des légionnelles. L’eau froide du réseau de distribution (température de 15 à 21 °C) est suffisante pour que le MCP entame un changement de phase Liquide/Solide en libérant de l’énergie. L’utilisation de cette chaleur récupérée pour préchauffer l’eau du réseau est donc particulièrement avantageuse pour limiter la consommation d’énergie nécessaire pour finalement atteindre une température supérieure à 50 °C.
De préférence, la pompe de circulation peut être une pompe Moineau ou une pompe à aube déportée. Une pompe Moineau comprend un rotor hélicoïdal tournant à l’intérieur d’un stator hélicoïdal. Lorsque le rotor tourne à l’intérieur du stator, des cavités progressent le long de l’axe de la pompe sans changer ni la forme ni le volume des cavités. Ainsi, la pompe Moineau est une pompe volumétrique rotative à débit régulier. Elle est particulièrement avantageuse car son fonctionnement limite réchauffement du fluide. De ce fait, cette pompe peut être positionnée n’importe où sur le circuit en boucle fermée.
De préférence, la pompe de circulation est configurée pour ne pas chauffer le fluide et ne pas détruire les capsules de matériaux à changement de phase.
De manière avantageuse, la pompe peut être positionnée sur la partie de conduites de liaison qui est configurée pour faire circuler (de préférence qui fait circuler) les capsules de matériaux à changement de phase depuis une source chaude vers une source froide, les sources chaudes et froides étant respectivement constituées par le bâtiment et le sous-sol terrestre en été (et inversement en hiver). De ce fait, si la pompe crée un échauffement du fluide, par exemple dans le cas d’une pompe centrifuge, les matériaux à changement de phase pourront être refroidis dans la source froide et ainsi, permettre une meilleure récupération de chaleur de la source chaude, notamment pour refroidir le bâtiment.
Selon une mise en oeuvre de l’invention, le fluide peut comprendre de l’eau et de préférence au moins un additif choisi parmi un biocide, un antigel, un tensioactif, un agent dispersant des capsules et/ou un additif anticorrosion. L’utilisation de l’eau permet de conduire facilement les capsules, de circuler facilement dans les conduites et de réduire le coût du système. De plus, en cas de fuite dans le sous-sol terrestre, l’impact environnemental est réduit.
Selon une variante de l’invention, les matériaux à changement de phase peuvent comprendre des métaux, des alliages de métaux, des matériaux inorganiques, des matériaux organiques ou des hydrates ou des mélanges de ces matériaux. De préférence, les métaux et/ou alliages de métaux de MCP peuvent comprendre du Gallium dont la température de fusion se situe entre 26 et 28°C, adaptée à la situation de refroidissement du bâtiment ; les matériaux inorganiques peuvent comprendre des sels de calcium (CaCI2, -6H2O, ou CaCI2, -2H2O); les matériaux organiques de MCP peuvent comprendre des paraffines, des acides gras, des esters, des acides carboxyliques ou des mélanges de ces différents matériaux. Parmi les matériaux à changement de phase, les paraffines sont les matériaux préférés pour leur stabilité et leur moindre sensibilité au phénomène de surfusion.
De manière encore préférée, les matériaux à changement de phase peuvent comprendre un mélange eutectique des matériaux décrits précédemment, de manière à atteindre une température de fusion non atteignable avec des composés purs et/ou à faire baisser le coût du MCP. En effet un mélange eutectique peut permettre d’atteindre une température de fusion identique à celle d’une paraffine pure très chère mais en utilisant un mélange de paraffines qui seraient moins chères à l’achat.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le matériau des capsules peut comprendre des matériaux organiques, inorganiques et/ou métalliques ou des mélanges de ces matériaux. Par exemple, les matériaux organiques pour les capsules peuvent comprendre du graphène, du carbone poreux des polymères, des polyamides, du nylon, des lignines, des acides gras, des esters, des éthers couronne ; les matériaux inorganiques pour les capsules peuvent comprendre de la silice, de la silice fondue. Bien entendu, les capsules peuvent être constituées par un ou plusieurs des matériaux décrits ci-dessus et être constituées par des mélanges de ces matériaux.
Les métaux ont l’avantage d’offrir une bonne conductivité thermique. Les polymères permettent un bon compromis entre la conductivité et la flexibilité. Ils permettent aussi de réduire la friction et le bruit. La silice permet d’obtenir facilement des matériaux fonctionnalisés. Les capsules peuvent également prendre la forme de cages moléculaires.
Préférentiellement, les capsules peuvent être fonctionnalisées à l’aide de molécules ioniques ou à l’aide de chaînes longues hydrophobes de manière à faire en sorte que les capsules restent à distance les unes des autres par une répulsion électrostatique ou stérique dans le cas de molécules ioniques et par une répulsion stérique dans le cas de chaînes longues hydrophobes. Ainsi, on peut éviter de générer des agglomérats de capsules qui pourraient crémer, sédimenter voire générer un bouchage des conduites.
Avantageusement, la taille des capsules peut être comprise entre 5 nm et 2 mm et le matériau constituant la paroi des capsules peut avoir une épaisseur comprise entre 0.5 nm et 500 pm. De ce fait, les capsules sont petites, ce qui facilite leur circulation dans le fluide de transport. La taille moyenne des capsules peut correspondre au diamètre équivalent de Sauter. L’épaisseur permet d’assurer une résistance suffisante aux capsules. L’épaisseur des capsules est optimisée en fonction de chaque matériau afin que la capsule soit imperméable au MCP, que ses propriétés mécaniques permettent de résister aux contraintes de dilatation- compression du MCP en fonction de la température et aux contraintes appliquées par la circulation (coude, restriction, pompe, etc.) et que les échanges thermiques soient maximisés.
De préférence, au moins une partie des conduites de liaison peut comprendre une couche d’isolation thermique. Ainsi, l’échange thermique entre le sous-sol terrestre et le bâtiment est amélioré. On évite notamment de réchauffer une partie du bâtiment dans lequel passe les conduites de liaison, par exemple, le plancher inférieur, les fondations ou les pieux.
Selon une variante de l’invention, au moins un dispositif implanté dans le bâtiment peut être situé dans au moins un plancher et/ou dans au moins un plafond et/ou dans au moins un mur. Ainsi, on peut récupérer la chaleur à différents endroits dans le bâtiment, ce qui permet plus de flexibilité à la conception du système et/ou du bâtiment et qui peut permettre d’augmenter les performances de chauffage ou de refroidissement.
Avantageusement, au moins un dispositif implanté dans le bâtiment et/ou au moins un dispositif implanté dans le sous-sol terrestre peut (peuvent) comprendre plusieurs branches en parallèle et/ou des boucles de circulation. Ainsi, on peut accélérer et augmenter la récupération ou l’évacuation de chaleur. Par boucle de circulation, on entend une conduite tortueuse de manière à augmenter la longueur de la conduite dans l’espace considéré sans augmenter l’empreinte au sol, ce qui permet d’augmenter les échanges thermiques.
Selon une mise en oeuvre préférée de l’invention, le système peut comprendre des moyens de mesure de températures pour mesurer la température du bâtiment et/ou des dispositifs implantés dans le sous-sol terrestre et dans le bâtiment, et/ou des conduites et/ou du sous-sol terrestre et le système peut comprendre un système de contrôle automatique pour mettre la pompe de circulation en route et l’arrêter en fonction des températures relevées par les moyens de mesure de température. Ainsi, on peut faire circuler le fluide du circuit fermé lorsque la température du bâtiment dépasse une première température prédéterminée (28 °C par exemple). Une mesure de température dans le bâtiment supérieure à cette température prédéterminée va entraîner, de manière automatique par le système de contrôle qui reçoit les informations des moyens de mesure de températures, la mise en route de la pompe de circulation, de manière à ce que les capsules situées dans le sous-sol terrestre arrivent dans le dispositif implanté dans le bâtiment. Une mesure de température sur le dispositif implanté, envoyée au système de contrôle peut alors détecter la présence du fluide froid. Le système de contrôle peut alors couper la pompe de manière à arrêter la circulation du fluide. Alternativement, on pourrait laisser circuler le fluide pendant un temps prédéterminé pour que les MCP arrivent dans le dispositif implanté dans le bâtiment.
Les MCP vont alors récupérer la chaleur du bâtiment. De ce fait, la température du bâtiment va diminuer et la température du dispositif implanté dans le bâtiment va augmenter. L’une ou l’autre de ces températures ou ces deux températures sont enregistrées et envoyées au système de contrôle. Lorsqu’un nouveau seuil sera franchi, le système de contrôle va remettre la pompe en route de manière à ce que les MCP qui auront capté la chaleur du bâtiment arrivent dans le sous-sol terrestre pour évacuer la chaleur captée.
Bien évidemment, l’exemple ci-dessus sert à refroidir le bâtiment mais il est bien évident qu’un mode inverse permettrait de réchauffer le bâtiment.
Ainsi, le système de contrôle est configuré pour recevoir des informations des moyens de mesure de températures (des thermomètres, des sondes de températures ou des thermocouples par exemple), et il compare ces mesures de températures à une ou plusieurs températures prédéterminées pour actionner ou désactiver (arrêter) la pompe. L’utilisation du système de contrôle permet de ne pas utiliser la pompe en continu et donc limite la consommation d’énergie. De plus, la circulation des MCP n’a lieu que lorsque ceux-ci ont récupéré ou évacué suffisamment d’énergie. Par exemple, le MCP cristallisé sous forme solide monte alors en température avec la chaleur du bâtiment de manière à stocker la chaleur du bâtiment pour le refroidir.
Il se charge alors d’abord en énergie par chaleur sensible puis à l’atteinte de son point de fusion (qui est fonction du MCP choisi, par exemple 26 °C), il se charge en énergie par chaleur latente tout en devenant liquide. Durant ce temps, sa température et la température de l’environnement restent stables, aux environs de la température de fusion du MCP. Lorsque la température de l’environnement remonte au-dessus de la température fixée de fusion du MCP, le coulis est remis en circulation.
Selon une configuration, le système peut être piloté afin de tenir compte des cinétiques de changement de phase du MCP qui peuvent être différentes selon qu’il passe du premier état au deuxième état ou du deuxième état au premier état. De préférence, le système peut comprendre un moyen de contrôle pour contrôler le débit ou la vitesse du fluide afin de contrôler la quantité de chaleur récupérée et/ou optimiser le fonctionnement de la pompe de circulation.
Dans une mise en oeuvre de l’invention, le système (le circuit en boucle fermée notamment) peut comprendre un point de vidange et/ou un point où les MCP encapsulés (ou le fluide comprenant les MCP encapsulés) peuvent être pompés et/ou au contraire injectés dans le circuit en boucle fermée, ce point de pompage/injection étant de préférence en surface, de manière à remplacer les MCP encapsulés et/ou le fluide, si le fluide chargé a perdu des capacités en raison de la détérioration des capsules par exemple, pour l’échantillonnage ou pour ajouter des additifs par exemples.
Avantageusement, au moins une conduite implantée dans le sous-sol terrestre peut être positionnée à une profondeur située entre 4 et 100 m du niveau du sol, cette profondeur permettant une bonne évacuation de la chaleur et une température stable et comprise généralement entre 12 et 15 °C, ce qui permet un bon refroidissement des MCP et donc du bâtiment.
Alternativement, au moins un dispositif implanté dans le sous-sol terrestre pourrait être positionnée à une profondeur supérieure à 100 m, ce qui, en raison du gradient géothermique (accroissement de la température du sous-sol terrestre avec la profondeur), permettrait d’obtenir une température proche de 20 °C apte au réchauffage du bâtiment plus efficace.
Selon une variante de l’invention, les conduites de liaison peuvent être implantées au moins partiellement dans les fondations du bâtiment et/ou dans les pieux du bâtiment. De ce fait, il n’est pas nécessaire de forer d’autres trous. De plus, on peut ainsi prévoir une isolation thermique. De préférence, le fluide peut comprendre entre 5 et 70 % (de préférence entre 5 et 40%) en poids de capsules de matériaux à changement de phase. Ainsi, la densité de MCP est suffisante pour récupérer/évacuer la chaleur et elle permet aussi une bonne circulation des MCP avec le fluide. De ce fait, la consommation d’énergie de la pompe pour faire circuler le fluide est optimale. Des concentrations supérieures ne sont pas proscrites, néanmoins, l’augmentation forte de la viscosité relative est à l’origine d’une perte de charge élevée et d’échauffements du fluide.
L’invention concerne aussi un procédé pour refroidir et/ou réchauffer un bâtiment dans lequel on effectue au moins les étapes suivantes au moyen du système selon l’une des caractéristiques décrites précédemment :
- on fait circuler des capsules de matériaux à changement de phase dans au moins le dispositif implanté dans le bâtiment ou dans le dispositif implanté dans le sous-sol terrestre pour récupérer la chaleur respectivement du bâtiment ou du sous-sol terrestre pour refroidir le bâtiment grâce au sous-sol terrestre et/ou pour réchauffer le bâtiment grâce au sous-sol terrestre ;
- on capte la chaleur du bâtiment ou du sous-sol terrestre grâce aux matériaux à changement de phase ;
- on poursuit la circulation des capsules de matériaux à changement de phase et on évacue la chaleur récupérée par les matériaux à changement de phase au moyen respectivement d’au moins le dispositif implanté dans le sous-sol terrestre pour refroidir le bâtiment ou du dispositif implanté dans le bâtiment pour réchauffer le bâtiment.
Par la circulation des matériaux à changement de phase, le procédé est simple et permet une meilleure récupération/évacuation de chaleur.
Les différentes étapes peuvent être réalisées avec une circulation continue du fluide ou par une circulation intermittence (avec des phases de circulation et des phases d’arrêt de circulation pour laisser le temps aux MCP de charger/décharger la chaleur).
De préférence, on peut capter la chaleur du bâtiment ou du sous-sol en arrêtant la circulation des capsules de matériaux à changement de phase ; une fois que les matériaux à changement de phase ont capté une énergie suffisante (par exemple, lorsque la température du bâtiment passe au-dessus d’une température prédéterminée ou que la température du dispositif implanté dans le bâtiment dépasse une valeur seuil), on remet en circulation les capsules de matériaux à changement de phase ; puis on arrête la circulation de manière à ce que les matériaux à changement de phase évacuent la chaleur récupérée respectivement dans le sous-sol terrestre pour refroidir le bâtiment ou dans le bâtiment pour le réchauffer. En mettant en route et en arrêtant la pompe de manière judicieuse, à l’aide d’un système de contrôle et des moyens de mesure de température, on peut limiter la consommation d’énergie et on optimise la récupération de chaleur des MCP.
Selon un mode de réalisation du procédé de l’invention, pour réchauffer un bâtiment, on peut effectuer au moins les étapes suivantes :
- on fait circuler des capsules de matériaux à changement de phase dans au moins le dispositif implanté dans le sous-sol terrestre ;
- on capte la chaleur du sous-sol terrestre grâce aux matériaux à changement de phase ;
- on poursuit la circulation des capsules de matériaux à changement de phase et on évacue la chaleur récupérée par les matériaux à changement de phase du sous-sol terrestre dans le bâtiment au moyen d’au moins le dispositif implanté dans le bâtiment.
Préférentiellement, pour réchauffer un bâtiment :
- on peut capter la chaleur du sous-sol terrestre en arrêtant la circulation des capsules de matériaux à changement de phase (en arrêtant la pompe de circulation de manière automatique par le système de contrôle) ;
- une fois que les matériaux à changement de phase ont capté une énergie suffisante (lorsqu’une température mesurée par un moyen de mesure de température dépasse une valeur seuil dans le sous-sol ou devient inférieure à une température prédéterminée dans le bâtiment par exemple), on remet en circulation les capsules de matériaux à changement de phase (en remettant en route la pompe de circulation de manière automatique par le système de contrôle) ;
- on arrête la circulation (en arrêtant à nouveau la pompe de circulation, de manière automatique par le système de contrôle) de manière à ce que les matériaux à changement de phase évacuent la chaleur récupérée du sous-sol terrestre dans le bâtiment.
Lorsque le même système est utilisé pour réchauffer un bâtiment (l’hiver par exemple) puis, à un autre moment, pour le refroidir (l’été par exemple), il peut être nécessaire de changer les MCP. En effet, le point de fusion des MCP adaptés au fonctionnement pour refroidir le bâtiment peut être différent du point de fusion des MCP adaptés au fonctionnement pour réchauffer le bâtiment. C’est notamment le cas lorsqu’on souhaite optimiser les échanges thermiques. Dans ce cas, pour changer le mode de fonctionnement du système, il peut être prévu de filtrer et de stocker les MCP d’un mode de fonctionnement (chauffage par exemple) et d’introduire dans le fluide du circuit fermé d’autres MCP pour le deuxième mode de fonctionnement (refroidissement par exemple). De ce fait, le système peut comprendre un moyen de filtrage des MCP (un filtre apte à laisser lasser le fluide et à retenir les MCP encapsulés), un réservoir de stockage des premiers MCP (aptes au mode de fonctionnement de chauffage par exemple), un réservoir de stockage des deuxièmes MCP (aptes au mode de fonctionnement de refroidissement par exemple) et un moyen d’introduction pour introduire les premiers ou deuxièmes MCP dans le circuit fermé.
La figure 1 illustre, de manière schématique et non limitative, un premier mode de réalisation du système selon l’invention.
Le système comprend un dispositif implanté dans le bâtiment 1 , ici une conduite 6, reliée par des conduites de liaison 4 et 7 à un dispositif implanté dans le sous-sol terrestre 5, ici une conduite 9.
Le plan 2 matérialisé par les traits pointillés représente le plan inférieur du bâtiment 1 .
Le plan 8 matérialisé par les traits pointillés représente le niveau dans le sous-sol terrestre à partir duquel la conduite 9 débute, c’est-à-dire le niveau à partir duquel le sous-sol terrestre agit comme source froide ou comme source chaude pour refroidir ou réchauffer les matériaux à changement de phase.
L’espace 3 situé entre le plan 2 inférieur du bâtiment 1 et le plan 8 à partir duquel la conduite 9 débute représente l’espace où les conduites de liaison 4 et 7 sont implantées. L’espace 3 comprend le sol terrestre, les fondations du bâtiment 1 et/ou les pieux du bâtiment 1 .
Les conduites 6, 7, 9 et 4 forment un circuit en boucle fermée dans lequel circule (ou peut circuler lorsque la circulation n’est pas continue) un fluide chargé en capsules de matériaux à changement de phase. En effet, la circulation du fluide peut être continue dans la boucle fermée ou non continue, selon les modes de fonctionnement envisagés et le dimensionnement global du système.
La flèche matérialisée dans la conduite 7 illustre le sens de circulation du fluide chargé de capsules dans le circuit en boucle fermée.
Une pompe P est représentée sur le circuit en boucle fermée de manière à assurer la circulation du fluide chargé de capsules dans le circuit. La pompe P est commandée par un système de commande (non représenté) qui reçoit des informations de moyens de mesure de la température (non représentés), comme des capteurs de température, des sondes, des thermocouples ou des thermomètres, qui peuvent être implantés dans le bâtiment 1 , dans le sous-sol terrestre 5 à proximité de la conduite 9 implantée dans le sous-sol terrestre 5, dans ou sur les conduites et plus particulièrement dans ou sur les conduites 6 implantées dans le bâtiment 1 et/ou les conduites 9 implantées dans le sous-sol terrestre 5.
Suivant les températures mesurées et les comparaisons de ces températures à des températures prédéterminées minimales et/ou maximales, le système de contrôle peut alors activer la pompe P pour permettre la circulation du fluide chargé de capsules, ce qui va permettre de capter la chaleur dans le bâtiment 1 ou dans le sous-sol terrestre 5, de manière à ensuite la décharger dans l’autre. Le suivi des températures permet d’arrêter la circulation lorsque nécessaire de manière à améliorer les performances de refroidissement ou de chauffage du bâtiment 1 et à minimiser la consommation d’énergie (électrique par exemple) pour faire fonctionner la pompe P. Selon une variante, on peut faire fonctionner la pompe P, une fois qu’elle a été activée, pendant une certaine durée prédéterminée (par exemple par des essais préalables du système dans la situation réelle d’implantation, qui va notamment dépendre des longueurs de conduites 6, 4, 7 et 9, de la profondeur d’implantation de la conduite 9 dans le sous-sol terrestre 5, du diamètre interne des conduites 6, 4, 7 et 9, de la viscosité du fluide, du taux de capsules dans le fluide et de leur taille etc...).
Lorsque la pompe P crée un échauffement du fluide (une pompe centrifuge par exemple), la pompe est avantageusement positionnée entre la source chaude (ici représentée par la conduite 6 implantée dans le bâtiment 1 pour le refroidissement du bâtiment) et la source froide (ici représentée par la conduite 9 implantée dans le sous-sol terrestre 5 pour permettre le refroidissement du bâtiment 1 ), dans le sens de circulation du fluide matérialisé par la flèche. Ainsi, si on cherche à réchauffer le bâtiment en conservant la pompe P au même endroit, on peut faire circuler le fluide en sens inverse du sens représenté sur la figure 1 .
Par ailleurs, lorsque la pompe ne génère pas d’échauffement du fluide, le sens de circulation du fluide dans la conduite 7 pourrait de même être en sens inverse pour le refroidissement comme pour le réchauffage du bâtiment.
La figure 2 représente, de manière schématique et non limitative, un deuxième mode de réalisation du système selon l’invention.
Ce système diffère de la figure 1 par l’ajout de couches d’isolation thermique 10 sur les conduites de liaison 4 et 7 de manière à favoriser les échanges thermiques entre le bâtiment 1 et le sous-sol terrestre 5. La couche d’isolation thermique peut par exemple être une couche en matériaux polymères tels que des mousses ou des aérogels, en fibres de verre ou en laine de roche.
Les références identiques à celles de la figure 1 correspondent aux mêmes éléments et ne seront donc pas redétaillées.
La figure 3 représente, de manière schématique et non limitative, un troisième mode de réalisation du système selon l’invention.
Ce système diffère de la figure 2 par l’ajout d’un moyen d’échange de chaleur, comme ici un échangeur de chaleur 11 sans contact direct, sur une des conduites de liaison, en l’occurrence ici la conduite de liaison 7. L’autre conduite de liaison 4 reste équipée d’une couche d’isolation thermique mais pourrait ne pas en être recouverte, comme dans la figure 1 .
L’échangeur de chaleur 1 1 permet un échange de chaleur entre le fluide chargé de capsules de matériaux à changement de phase et un autre fluide (appelé par la suite deuxième fluide). De plus, de manière à conserver le fluide chargé de capsules de matériaux à changement de phase dans le circuit en boucle fermée, l’échangeur de chaleur 11 ne permet pas d’échanger directement entre ces deux fluides : autrement dit une paroi est nécessaire pour éviter aux deux fluides de se mélanger. Cela peut être réalisé par un échangeur à tubes/calandres ou à tubes spiralés par exemple.
Le deuxième fluide arrive dans une conduite 12a qui débouche dans l’échangeur de chaleur 11 . Le deuxième fluide peut alors se réchauffer pendant que le fluide chargé de capsules se refroidit par sa capacité calorifique.
Le deuxième fluide ressort de l’échangeur de chaleur 1 1 dans une conduite 12b, plus chaud qu’il n’y est rentré.
Avantageusement, la conduite 12a provient d’un réseau de distribution d’eau, le deuxième fluide étant alors de l’eau, par exemple du réseau public d’eau et la conduite 12b permet la circulation de l’eau réchauffée dans le bâtiment 1 .
Ainsi, la chaleur captée dans le bâtiment par exemple par les matériaux à changement de phase est utilisée pour réchauffer l’eau nécessaire au bâtiment, la chaleur restante dans les MCP (essentiellement par la chaleur latente de fusion) est alors déchargée dans le sous-sol terrestre 5 par la conduite 9 implantée dans le sous-sol terrestre 5. Par exemple, on peut prévoir de réchauffer préférentiellement l’eau qui sert à alimenter un ballon d’eau chaude dans le bâtiment, de manière à éviter de renvoyer la chaleur partiellement dans le bâtiment. Ainsi, dans la conduite 9 implantée dans le sous-sol terrestre, les MCP finalisent leur changement de phase.
Réchauffer l’eau du réseau permet aussi de limiter l’impact environnemental de la chaleur transmise au sol tout en faisant des économies d’énergie.
Alternativement, l’échangeur de chaleur 1 1 pourrait être utilisé pour refroidir le deuxième fluide.
Les références identiques à celles des figures 1 et 2 correspondent aux mêmes éléments et ne seront donc pas redétaillées.
La figure 4 représente, de manière schématique et non limitative, un quatrième mode de réalisation du système selon l’invention.
Ce système diffère de la figure 1 par l’implantation des conduites de liaison 4 et 7 dans les pieux de fondations 50 du bâtiment 1 , ce qui permet de limiter les forages dans le sol, donc de réduire les coûts d’une part et l’impact environnemental d’autre part.
Les références identiques à celles de la figure 1 correspondent aux mêmes éléments et ne seront donc pas redétaillées. La figure 5 illustre, de manière schématique et non limitative, la circulation F du fluide chargé de capsules 13a, 13b, 13c de matériaux à changement de phase 14 dans une conduite T qui peut être un dispositif implanté dans le bâtiment, une conduite de liaison ou un dispositif implanté dans le sous-sol terrestre comme les conduites, 4, 6, 7 ou 9 des figures 1 à 4.
La capsule 13a a par exemple une forme sphérique ou cylindrique (la capsule 13a a une section circulaire), la capsule 13c est de section elliptique, la capsule 13b est de forme quelconque.
Comme visible sur la figure 5, les capsules 13a, 13b ou 13c matérialisées par les enveloppes solides (ou peaux) externes noires enferment un matériau à changement de phase 14 en gris. Le fluide circulant dans la conduite T entraîne avec lui les capsules 13a, 13b ou 13c de matériaux à changement de phase 14. La flèche F représente le sens de circulation du fluide dans la conduite T.
Par ailleurs, certaines capsules, ou de préférence toutes les capsules, peuvent être fonctionnalisées par des molécules ioniques 15, ici des charges positives + sont représentées, mais des charges négatives pourraient être utilisées de manière alternative. Ainsi, en chargeant les capsules par une même charge (ici positive), les capsules ont tendance à se repousser naturellement par répulsion électrostatique, ce qui évite les agglomérats de capsules et donc les risques de crémage, de sédimentation voire de bouchage de la conduite T.
De manière alternative ou en combinaison avec les fonctions ioniques, des fonctions hydrophobes, notamment des longues chaînes hydrophobes peuvent être greffées afin d’utiliser le mécanisme de répulsion stérique (diminution de l’entropie), La fonctionnalisation covalente est privilégiée mais la fonctionnalisation par des liaisons faibles peut également être envisagée.
La figure 6 illustre, de manière schématique et non limitative, un dispositif implanté dans le bâtiment, ici une conduite implantée dans le bâtiment comprenant plusieurs branches en parallèle.
En effet, la conduite 6 implantée dans le bâtiment comprend une première branche 26 implantée dans le plancher 20 du bâtiment, une deuxième et une troisième branches 24 et 25 implantées dans un mur vertical 21 du bâtiment et une quatrième branche 23 implantée dans le plafond 22 du bâtiment. Comme illustré sur la figure 6, ces branches 23, 24, 25 et 26 sont montées en parallèle et reliées aux conduites de liaison 4 et 7.
Les différentes branches 23, 24, 25 et 26 comprennent des portions de tubes formant des boucles (ou des ondulations) de manière à optimiser les échanges thermiques avec le bâtiment, avec le plafond, le mur vertical ou le plancher. Autrement dit, les branches 23, 24, 25 et 26 comprennent des boucles de circulation tortueuses. Le débit dans chaque branche 23, 24, 25, 26 peut être déterminé par la longueur, la section et la tortuosité de chaque branche de manière à répondre au mieux aux besoins du bâtiment. Par exemple, dans la figure 6, la chaleur ayant tendance à monter au plafond, il peut être intéressant de faire circuler plus de débit par la branche 23 que par les autres.
La figure 7 illustre, de manière schématique et non limitative, une conduite implantée dans le sous-sol terrestre comprenant plusieurs branches en parallèle.
En effet, la conduite 9 implantée dans le sous-sol terrestre comprend une première branche 9a implantée à une première profondeur dans le sous-sol terrestre, une deuxième branche 9b à une deuxième profondeur dans le sous-sol terrestre, la deuxième profondeur étant supérieure à la première profondeur, et trois branches 9c1 , 9c2 et 9c3 situées à une troisième profondeur dans le sous-sol terrestre, la troisième profondeur étant ici supérieure aux première et deuxième profondeurs.
Le sous-sol terrestre où est implantée la conduite 9 est délimité par un plan horizontal supérieur 28 et un plan horizontal inférieur 29.
Les différentes branches 9a, 9b, 9c1 , 9c2, 9c3 sont montées en parallèles et reliées entre elles par des connexions C. Ainsi, dans ce mode de réalisation, on peut avoir des branches en parallèles montées verticalement les unes au-dessus des autres et/ou implantées les unes à côté des autres dans un même plan horizontal. Alternativement, de manière à encore améliorer la diffusion de la chaleur dans le sol, on pourrait implanter deux branches successives à un niveau vertical différent sans être au-dessus les uns des autres et dans un plan horizontal différent (c’est-à-dire décaler horizontalement les branches situées à des niveaux verticaux différents), par exemple on pourrait organiser les branches en quinconce verticalement. Comme illustré sur la figure 7, ces branches 9a, 9b, 9c1 , 9c2 et 9c3 sont montées en parallèle et reliées aux conduites de liaison 4 et 7.
Les différentes branches 9a, 9b, 9c1 , 9c2 et 9c3 comprennent des portions de tubes formant des boucles (ou des ondulations) de manière à optimiser les échanges thermiques. Autrement dit, les branches 9a, 9b, 9c1 , 9c2 et 9c3 comprennent des boucles de circulation tortueuses.
Bien entendu, l’invention ne se limite pas aux modes de réalisation représentés. Des combinaisons des modes de réalisation des figures 1 à 4 et 6 et 7 sont possibles sans sortir du cadre de l’invention.
Le système de l’invention permet d’améliorer les performances thermiques et de ce fait, permet de réduire la longueur des conduites, ce qui permet de réduire l’impact environnemental, l’encombrement du système et le coût du système.

Claims

Revendications
1. Système d’échange de chaleur entre un bâtiment (1) et le sous-sol terrestre (5) comprenant un circuit fermé comprenant au moins un dispositif implanté dans ledit sous-sol terrestre (9) pour échanger de la chaleur avec le sous-sol terrestre (5), des conduites de liaison (4, 7), et au moins un dispositif implanté dans ledit bâtiment (6) pour échanger de la chaleur avec le bâtiment (1 ), le dispositif implanté dans le sous- sol terrestre (9) étant relié par lesdites conduites de liaison (4, 7) au dispositif implanté dans le bâtiment (6), le circuit fermé comprenant au moins une pompe de circulation (P) pour faire circuler un fluide dans ledit circuit fermé, caractérisé en ce que le fluide comprend des capsules (13a, 13b, 13c) enfermant des matériaux à changement de phase (14).
2. Système selon la revendication 1 , pour lequel le système comprend un moyen d’échange de chaleur (11 ) pour réchauffer un deuxième fluide arrivant dans ledit bâtiment (1 ), de préférence, le deuxième fluide est de l’eau du réseau de distribution.
3. Système selon l’une des revendications précédentes, pour lequel la pompe de circulation
(P) est une pompe Moineau ou une pompe à aube déportée.
4. Système selon l’une des revendications précédentes, pour lequel la pompe de circulation
(P) est positionnée sur la partie de conduites de liaison (4, 7) qui est configurée pour faire circuler les capsules (13&, 13b, 13c) de matériaux à changement de phase (14) depuis une source chaude vers une source froide, les sources froides et chaudes étant respectivement constituées par le bâtiment (1 ) et le sous-sol terrestre (5) ou inversement.
5. Système selon l’une des revendications précédentes, pour lequel le matériau des capsules (13a, 13b, 13c) comprend des matériaux organiques, inorganiques et/ou métalliques, de préférence le matériau des capsules comprend de la silice, de la silice fondue, du graphène, du carbone poreux biologique, des polymères, des polyamides, du nylon, des lignines, des acides gras, des esters, des éthers couronne, et/ou pour lequel la capsule est une cage moléculaire.
6. Système selon l’une des revendications précédentes, pour lequel les capsules (13a, 13b,
13c) sont fonctionnalisées à l’aide de molécules ioniques (15) ou à l’aide de chaînes longues hydrophobes.
7. Système selon l’une des revendications précédentes, pour lequel le fluide comprend de l’eau et de préférence un additif choisi parmi un biocide, un antigel, un tensioactif, un agent dispersant des capsules et/ou un additif anticorrosion.
8. Système selon l’une des revendications précédentes, pour lequel les matériaux à changement de phase (14) comprennent des métaux, des alliages de métaux, des matériaux inorganiques, des matériaux organiques ou des hydrates, de préférence, les matériaux à changement de phase comprennent du Gallium, des sels de calcium, des acides gras, des esters, des acides carboxyliques ou sont formés d’un mélange eutectique de ces matériaux et de manière encore préférée, les matériaux à changement de phase (14) comprennent des paraffines.
9. Système selon l’une des revendications précédentes, pour lequel la taille des capsules (13a, 13b, 13c) est comprise entre 5 nm et 2 mm et le matériau des capsules (13a, 13b, 13c) a une épaisseur comprise entre 0.5 nm et 500 pm.
10. Système selon l’une des revendications précédentes, pour lequel au moins une partie des conduites de liaison (4, 7) comprend une couche d’isolation thermique (10).
11. Système selon l’une des revendications précédentes, pour lequel au moins un dispositif implanté dans le bâtiment (6) est situé dans au moins un plancher (20), dans au moins un plafond (22) et/ou dans au moins un mur (21 ).
12. Système selon l’une des revendications précédentes, pour lequel au moins un dispositif implanté dans le bâtiment (6) et/ou au moins un dispositif implanté dans le sous-sol terrestre (9) comprend plusieurs branches en parallèle et/ou des boucles de circulation.
13. Système selon l’une des revendications précédentes, pour lequel le système comprend des moyens de mesure de températures pour mesurer la température du bâtiment (1 ) et/ou des conduites (4, 7, 6, 9) et/ou des dispositifs et/ou du sous-sol terrestre (5) et pour lequel le système comprend un système de contrôle automatique pour mettre la pompe de circulation (P) en route et l’arrêter en fonction des températures relevées par les moyens de mesure de température.
14. Système selon l’une des revendications précédentes, pour lequel au moins un dispositif implanté dans le sous-sol terrestre (9) est positionné à une profondeur située entre 4 et 100 m du niveau du sol.
15. Système selon l’une des revendications précédentes, pour lequel les conduites de liaison (4, 7) sont implantées au moins partiellement dans les fondations du bâtiment et/ou dans les pieux (50) du bâtiment.
16. Système selon l’une des revendications précédentes, pour lequel le fluide comprend entre 5 et 70 % en poids de capsules (13a, 13b, 13c) de matériaux à changement de phase (14), préférentiellement entre 5 et 40 %
17. Procédé pour refroidir et/ou réchauffer un bâtiment (1 ) dans lequel on effectue au moins les étapes suivantes au moyen du système selon l’une des revendications précédentes :
- on fait circuler des capsules (13&, 13b, 13c) de matériaux à changement de phase (14) dans au moins le dispositif implanté dans ledit bâtiment (6) ou dans le dispositif implanté dans le sous-sol terrestre (9) pour récupérer la chaleur respectivement du bâtiment (1 ) ou du sous-sol terrestre (5) ;
- on capte la chaleur du bâtiment (1 ) ou du sous-sol terrestre (5) grâce aux matériaux à changement de phase (14) ; - on poursuit la circulation des capsules (13a, 13b, 13c) de matériaux à changement de phase (14) et on évacue la chaleur récupérée par les matériaux à changement de phase (14) au moyen respectivement d’au moins ledit dispositif implanté dans le sous- sol terrestre (9) pour refroidir le bâtiment (1 ) ou du dispositif implanté dans le bâtiment (6) pour réchauffer le bâtiment (1 ).
18. Procédé pour refroidir et/ou réchauffer un bâtiment selon la revendication 17, pour lequel on capte la chaleur du bâtiment (1 ) ou du sous-sol (5) en arrêtant la circulation des capsules (13a, 13b, 13c) de matériaux à changement de phase (14) ; une fois que les matériaux à changement de phase (14) ont capté une énergie suffisante, on remet en circulation les capsules (13a, 13b, 13c) de matériaux à changement de phase (14) ;puis on arrête la circulation de manière à ce que les matériaux à changement de phase (14) évacuent la chaleur récupérée respectivement dans le sous-sol terrestre (5) pour refroidir le bâtiment (1 ) ou dans le bâtiment (1 ) pour le réchauffer.
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