Brevet FR2270536A1 — publié le 19751205

L'invention a pour objet une installation à l'aide de laquelle on parvient à une exploitation optimum de l'énergie géothermique fournie par un forage d'où jaillit de l'eau chaude0 On sait ou'en de nombreux endroits où les conditions géologiques voulues sont satisfaites, on peut obtenir du sol, en réalisant un forage à la profondeur convenable, un jaillis- sement d'eau chaude. Cette eau arrive à la surface à une température de 70 à 800C et à un déDit de 100 m3/he.ure; dans le cas général, exception faite de certains sites particuliers bien connus. On utilise déjà, spécialement pour les besoins du chauffage central des habitations, l'eau chaude fournie par des forages Cependant, cette technique ne s'est pas généralisée parce que le prix d'un sondage est élevé et que l'exploitation de l'eau chaude qui en provient n'est pas faite qu'une manière suffisamment efficace avec les installations classiques adoptées jusqu a présent. En chauffage central, l'écart entre la température de l'eau fournie à un circuit de chauffage et la température de l'eau de retour de ce circuit est normalement de 200C et au maximum de 40 à 500G, De plus, au cours d'un hiver pendant lequel le chauffage est mis en marche pendant 4 500 heures environ, la durée d'exploitation du forage à sa pleine puissance ne dépasse guère 2 500 heures Pendant le reste du temps, dans les installations classiques, le forage est exploité en-dessous de sa capacité0 Dans ces conditions, avec une telle exploitation du forage, en supposant un écart de 400 entre l'eau provenant de ce dernier et l'eau de retour qui est renvoyée dans le sol, et en admettant une durée d'amortissement de 40 années du codt d'exécution de ce forage, on arrive à un prix de la thermie qui est plus élevé de 50 % que le prix commercial courant. Â ce prix il faut ajouter les frais de fonctionnement et d'entretien de l1installation0 D'invention a pour but principal d'apporter une insqta lation de chauffage exploitant l'eau chaude provenant d'un forage dont la constitution est telle que le coft de la thermie est fortement diminué grace à une exploitation plus intensive du forage pendant une période donnée de chauffage. Un autre but important de l'invention est de parvenir à une installation de chauffage dans laquelle l'écart entre la température de l'eau d'arrivée et la température de l'eau de retour est accru de sorte qu'il est possible de réduire le diamètre des canalisations et, par conséquent, d'abaisser également, de cette façon, le prix de la thermie. Un autre but encore de l'invention est d'apporter une installation de chauffage esrploitant l'eau fournie par un forage, dans laquelle on dispose d'eau à température basse, de l'ordre de +5 à +1000, pouvant titre utilisée en été pour le conditionnement de l'air. On atteint ces buts, selon l'invention, au moyen d'une installation comprenant un poste primaire situé sur le lieu mQme d'un forage fournissant de l'eau chaude du sol et plusieurs postes secondaires, ou sous-stations, alimentant chacun un circuit de chauffage, par exemple celui d'un immeuble ou de plusieurs immeubles groupés. De poste primaire est réuni par une canalisation de départ d'eau chaude et par une canalisation de retour d'eau à chacun des postes secondaires. Au poste primaire se trouve deux échangeurs dans lesquels circule d'une part l'eau chaude sortant du forage et, d'autre part, à contre-courant, leau froide de la canalisation de retour venant de chaque poste secondaire. Selon un premier aspect de l'invention chacun des poste secondaires est équipé d'une pompe de chaleur comprenant un évaporateur et un condenseur. La canalisation de 1 'eau de retour du circuit de chauffage de l'immeuble ou du groupe d'immeubles correspondant est raccordée d'une part à l'entrée de l'évaporateur et d'autre part à l'entrée du condenseur, les débits respectifs étant par exemple dans le rapport de 1/2 environ. À la sortie de l'évaporateur, la canalisation aboutit au poste primaire tandis qu'à la sortie du condenseur la canalisation est branchée sur la canalisation de l'eau chaude venant du poste primaire. Selon un autre aspect de l'invention, le poste primaire est équipé aussi d'une pompe de chaleur de type connu en soi comprenant un compresseur de fluide frigorifique, un condenseur et un évaporateur. À la sortie du second échangeur de chaleur, la canalisation de l'eau du forage est raccordée d'une part à l'entrée de l'évaporateur, d'autre part, à l'entrée du condenseur. À la sortie de l'évaporateur, la canalisation retourne au sol tandis que la sortie du condenseur est raccordée en un point intermédiaire entre la sortie du premier échangeur et ltentrée du second échangeur de chaleur, sur la canalisation de l'eau venant du forage. De préférence, le rapport entre la fraction du débit de 1' eau sortant des échangeurs envoyée à l'évaporateur et la fraction envoyée au condenseur est de 1/2 environ. La canalisation de retour de 11 eau froide venant des postes secondaires devient à la sortie des échangeurs de chaleur la canalisation de départ d'eau chaude. Sur la canalisation de départ d'eau chaude, avant le circuit de chauffage de chaque immeuble, se trouve une unité auxiliaire de réchauffage. Pour mieux faire comprendre l'invention et pour en faire apparattre d'autres caractéristiques ainsi que ses avantages, on donnera maintenant, uniquement à titre d'exemple, une description d'une installation et de plusieurs variantes conformes à l'invention. On se reportera aux dessins annexés dans lesquels - la figure i est un schéma d'un poste primaire situé sur le lieu meme d'un sondage faisant partie d'une installation selon 11 invention, - la figure 2 est un schéma d'un poste secondaire situé près d'un lieu d'utilisation de la chaleur et faisant partie dé l'installation de la figure 1, - la figure 3 est une vue montrant une partie du schéma du poste primaire de la figure 1 avec une première variante de réalis-ation, - la figure 4 est une vue analogue à la précédente montrant une deuxième variante d'une partie du poste primaire de la figure 1, - la figure 5 est une vue analogue à la figure 2 complétée pour montrer l'utilisation de l'eau froide pour le conditionnement de l'air en été. L'installation que l'on va décrire est utilisée pour le chauffage de bStiments mais ceci ne doit pas être considéré comme une limitation. Cette installation comprend un poste primaire (figure 1) situé sur le lieu meme d'un forage en vue de l'exploitation de l'énergie géothermique. On a représenté schématiquement ce forage par une canalisation 1 qui conduit l'eau chaude sortant du forage, par.exemple à une température de 750C, et par une canalisation 2 qui conduit dans le sol l'eau froide qui lui est restituée. Selon l'invention, le poste primaire est équipé de deux échangeurs de chaleur distincts 3, 4. Selon l'aspect de l'invention qui procure le résultat le plus avantageux, ce poste primaire est équipé aussi d'une pompe de chaleur désignée par la référence générale 5. Cette dernière est connue en soi; on ne la décrira donc pas en détail. En plus d'un compresseur entraSné par un moteur électrique, elle comprend un condenseur 6 et un évaporateur 7 ainsi qu'un détendeur. La canalisation 1 apportant l'eau chaude du forage aboutit au premier échangeur 3; elle se prolonge en 8 entre le premier et le second échangeur 4. A la sortie de celui-ci, une canalisation 9 conduit l'eau du forage d'une part à l'entrée de l'évaporateur 7, d'autre part à l'entrée du condenseur 6. À la sortie de l'évaporateur 7, l'eau est conduite au sol par la canalisation d'eau froide 2. La sortie du condenseur 6 est raccordée par une canalisation 10 à la canalisation 8 en un point intermédiaire entre le premier échangeur 3 et le second échangeur 4. De débit de la canalisation 9 est divisé entre l'évaporateur 7 et le condenseur 6 dans un rapport de 1 à 2 environ; par exemple, pour un débit d'eau chaude de 100 m3/heure venant du forage à 7500, le débit de la canalisation 9 est de 500 m5/ heure dont 100 m3 sont fournis à l'évaporateur 7 et retournent au sol tandis que 200 m3 sont envoyés au condenseur 6 et retournent à la canalisation 8 en amont du second échangeur 4 De poste primaire de l'installation est raccordé à plusieurs postes secondaires (figure 2). Chacun de ceux-ci est situé à proximité d'un endroit où la chaleur est nécessaire1 dans un immeuble ou à proximité d'un groupe d'immeubles, par exemple.Le nombre des postes secondaires n'est pas limité par l'invention; il peut aller de 5 à 10 par exemple, ou méme dépasser ce dernier chiffre. De poste primaire est réuni à chacun des postes secondaires par une canalisation 11 de départ d'eau chaude et une canalisation 12 de retour d'eau. Àu poste primaire, la canalisation 12 de retour d'eau aboutit au second échangeur 4 qui est lui-mevme raccordé au premier échangeur 3. La sortie de celui-ci est réunie à la canalisation 11. étant donné le débit d'eau de forage indiqué plus haut, le débit dans les canalisations 11, 12 est de 200 m3/ heure. Ce débit est la somme des débits fournis aux postes secondaires quand il existe plusieurs postes secondaires0 Avec l'installation de l'invention, on exploite au maximum la chaleur contenue dans 1' eau venant du forage. La température initiale de 750C à l'entrée de l'échangeur 1 descend à 250C à la sortie de l'échangeur 2 après échange, à contrecourant, avec liteau de retour, à 100C, venant des postes secondaires par la canalisation 12. La pompe de chaleur 5 extrait encore des calories de cette eau à 250o de sorte que 1' eau qui est finalement renvoyée au sol par la canalisation 2 a une température de 50C seulement.On abaisse donc de 750C à SOC la température de la totalité du débit de l'eau fournie par le fizage; on exploite donc bien celui-ci au maximum. De plus, l'eau du forage est fréquemment une eau chargée en sels et plus ou moins agressive ou colmatante. Selon l'invention ne ne l'utilise qu'au poste primaire et dans des échangeurs de chaleur0 Ces derniers peuvent titre de construction simple en raison de l'écart relativement élevé des températures; il est facile de les entretenir et de les nettoyer. Dans le présent exemple, à chaque poste secondaire, la canalisation Il est raccordée à une canalisation 13 d'alimentation en eau chaude d'un circuit de chauffage (non représenté) d'un bâtiment, par exemple. L'eau de retour de ce circuit revient par une canalisation 14. il est avantageux aussi, selon l'invention, d'équiper chaque poste secondaire d'une pompe de chaleur 15, analogue à la pompe de chaleur 5, ayant un évaporateur 16 et un condenseur 17. L'eau de retour du circuit de chauffage venant par la canalisation 14 est divisée en deux fractions, l'une qui est conduite à l'entrée de l'évaporateur 16 et l'autre à l'entrée du conden seur 17. La sortie de l'évaporateur est raccordée à la canalisation de retour 12; la sortie du condenseur est raccordée par une canalisation 18 à la canalisation Il d'arrivée d'eau chaude venant du poste primaire. La répartition des débits entre l'évaporateur 16 et le condenseur 17 est de 1 à 2, par exemple. Ainsi, comme le débit de la canalisation Il est de 200 m3/heure, celui de la canalisation 18 est de 400 m3/h. Il circule donc dans le circuit de chauffage 600 m3/h. Une partie de la chaleur de leau de retour qui est à 4000 environ est extraite de cette eau par la pompe de chaleur et renvoyée à l'entrée du circuit de chauffage0 Il en résulte un double avantage. L'eau qui retourne au poste primaire par lacanalisation 12 a une température abaissée à 1000, au lieu d'une température de 4000 à la sortie du circuit de chauffage.L'eau qui arrive du poste primaire par la canalisation Il à 4800 voit sa température portée à 560C cependant que son débit passe de 200 m3/h à 600 m3/h à l'entrée du circuit de chauffage. On a un écart de température plus grand (10 C et 480C) à un débit plus faible (200 m3/h) entre les canalisations Il et 12 qui réunissent le poste primaire aux postes secondaires. Ces canalisations ont donc un diamètre peu élevé et sont moins conteuses; on dispose néanmoins d'un débit d'eau chaude trois fois plus fort (600 cm3/h) à 560C à l'entrée du circuit de chauffage. Ceci n'empoche pas de prévoir le recyclage classique entre les canalisations 13 et 14. On peut accroître encore l'avantage apporté par l'invention et l'exploitation qui est faite du forage, quand il s'agit d'alimenter un circuit de chauffage d'habitation et que la température extérieure fluctue au cours de la saison de chauffage entre une valeur basse , par X Eple -100C, et une température qui se rapproche de la température intérieure souhai tée. Etant donné que l'eau qui circule entre le poste primaire et les postes secondaires n'est pas l'eau venant du forage mais une eau non chargée en sels utilisée en circuit fermé, il n'y a pas d'inconvénient à en élever la température à une température élevée de l'ordre de 9000 et pouvant atteindre 110 C, On peut donc déterminer la puissance du forage par rapport aux besoins de façon qu'elle soit employée au maximum pendant le plus grand nombre d'heures possible Pendant les périodes de plus grand froid, on élève la température de l'eau chaude d'alimentation du circuit de chauffage à l'aide d'une unité auxiliaire de chauffage. Une telle unite peut tore de tout type connu approprié: chaudière à charbon, à gaz, à combustible liquide ou mme électrique. Dans ce dernier cas, afin de profiter des heures pendant lesquelles l'énergie électrique est fournie à un tarif moins élevé, il est prévu d'adjoindre à l'installation un réservoir de stockage. L'unité auxiliaire peut être montée dans certains ou dans la totalité des postes secondaires ou, ce qui est souvent préférable, dans le poste primaire. La figure 3 montre une variante de réalisation de la figure 1 qui ne montre que les canalisations Il et 12 et les échangeurs 3, 4. Après l'échangeur 3, la canalisation 11 est équipée d'une chaudière 19, à brflleur à mazout par exemple. Elle est capable, quand c'est nécessaire, d'élever de 480C à 90 C la température de l'eau qui arrive par la canalisation 11. La figure 4 est analogue à la figure 3 mais les échangeurs 3 et 4 ont été omis sur le dessin et l'unité auxiliaire est un réchauffeur électrique 20. Après ce réchauffeur 20, plusieurs réservoirs 21 sont branchés en série entre la canali station 11 et la canalisation 12, au moyen d'une canalisation 22 sur laquelle sont montées, en parallèle, une pompe de stockage 24 et une pompe de déstockage 23c La pompe 24 fait venir dans les réservoirs 21, qui ont dans cet exemple, une capacité totale de 500 m3, de l'eau à 900C sortant du ré chauffeur 20 tandis que la pompe 23 chasse cette eau à 90 C dans la canalisation Il en la remplaçant progressivement, par de l'eau à 1000 venant de la canalisation 120 Avec une installation telle que celle qui vient d'8tre décrite, on peut arriver à une exploitation du forage qui correspond à 4500 heures à pleine puissance. Dans le cas où l'unité auxiliaire est du type réchauffeur électrique (cas le moins favorable dans les conditions actuelles, au point de vue économique), avec un réservoir de stockage, l'électricité consommée est obtenue pour plus de 79Yo au tarif de nuit, ce qui permet de parvenir encore à un coft peu élevé de la thermie. La figure 5 montre comment on peut utiliser en été de l'eau froide fournie parla pompe de chaleur 15 de chacun des postes secondaires pour réaliser un conditionnement de l'air en été. Le schéma de la figure 5 comprend, en plus de celui de la figure 2, un ballon 25 de réchauffage d'eau sanitaire qui peut titre utilisé en hiver et en été. Ala sortie de l'évaporateur 17 une canalisation supplémentaire 26 aboutit au début de la canalisation 13 du circuit du bâtiment et une vanne permet d'isoler l'évaporateur de la canalisation 12 de retour au poste primaire0 De cette façon, l'eau qui sort de l'évaporateur à une température de 10 C au plus, est envoyée dans le bttiment où elle sert à y rafratchir l'air puis elle revient par la canalisation 14 à une température de 200C environ pour être envoyée en partie à tra vers l'évaporateur 17. L'eau qui sort du condenseur 16 à 600C environ ne parvient plus à la canalisation 13; elle est arrêtée par une vanne 27; cette eau peut traverser le ballon 25 de réchauffage d'eau sanitaire. Une canalisation supplémentaire 28 met la canalisation 11 venantdu forage en communication avec la cana lisation qui aboutit à l'entrée du condenseur 16. Cette entrée est également réunie par une canalisation 29 à la canalisation 12 de retour au poste primaire. Le sens de circulation de l'eau est indiaué par des flèches sur les figures ainsi que l'ordre de grandeur des tempé ratures, pendant l'hiver sur les figures 1 à 4 et en été sur la figure 5. L'équipement des postes secondaires en pompe à cha leur a pour résultat que liteau de retour du circuit de chauffage test renvoyée au forage, pendant la période de chauffage, à une température abaissée jusqu'à 1000 ou mEme 5 G. Cette eau à basse température épuise mieux la chaleur de l'eau chaude qui sort du forage au poste primaire. L'exploitation du forage est donc meilleure. On accroSt cet avantage en équipant aussi, bien que ce ne soit pas obligatoire, le poste primaire d'une pompe de chaleur0 D'autre part, l'écart important de température entre l'eau chaude de départ et l'eau froide de retour, entre le poste primaire et les postes secondaires, permet une économie sur le diamètre des canalisations et sur les dépenses de pompage.On accroSt cet avantage en prévoyant, pour les périodes les plus froides pendant lesquelles les besoins en chaleur sont plus élevés, une unité auxiliaire de réchauffage qui élève encore l'écart entre les températures. Au sujet du rapport des débits de l'eau envoyée à l'évaporateur et au condenseur des pompes de chaleur, on remarquera que la valeur préférée est de 1/2 mais qu'il n'est pas possible de la conserver en toutes circonstances. En effet, pour la bonne marche de la pompe de chaleur, on est obligé de ne pas faire varier à l'excès la température de l'eau à la sortie du condenseur et de l'évaporateur. On peut donc titre conduit à modifier les débits à travers ces appareils quand la température risquerait de ne plus avoir la valeur convenable. Toutefois1 dans les conditions de marche les plus fréquentes, il est préférable de respecter le rapport 1/2 indiqué plus haute REVENDICATIONS 1. Installation de chauffage utilisant l'énergie géothermique comprenant un poste primaire situé sur le lieu d'un forage et plusieurs postes secondaires situés chacun aux endroits à chauffer, une canalisation de départ et une canalisation de retour d'eau reliant le poste primaire et chacun des postes secondaires, chaque poste secondaire étant le lieu de départ et d'arrivée d'un circuit de chauffage, caractérisée en ce que chaque poste secondaire est équipé d'une pompe de chaleur ayant un évaporateur et un condenseur, la canalisation de l'eau de retour du circuit de chauffage est raccordée d'une part à l'en- trée de l'évaporateur, d'autre part à l'entrée du condenseur tandis que la sortie de l'évaporateur est réunie à la canalisa- tion de retour d'eau qui s'étend jusqu'au poste primaire et que la sortie du condenseur est reliée par une canalisation à la canalisation d'eau chaude venant du poste primaire, cette dernière étant raccordée ensuite à la canalisation d'alimentation en eau chaude du circuit de chauffage. 2. Installation de chauffage selon la revendication 1, caractérisée en ce que le poste primaire est équipé de deux échangeurs de chaleur distincts dans lesquels circule en série d'une part l'eau chaude sortant du forage, d'autre part, à contre-courant, l'eau froide venant des postes secondaires par la canalisation de retour d'eau, ce poste primaire étant équipé en outre d'une pompe de chaleur ayant un condenseur et un évaporateur, la sortie de l'eau de forage du dernier des échangeurs de chaleur étant raccordée d'une part à l'entrée de l'évaporateur, d'autre part à l'entrée du condenseur, tandis que la sortie de l'évaporateur est reliée au forage par une canalisation de retour d'eau dans le sol et que la sortie du condenseur est reliée par une canalisation en un point intermédiaire entre les deux échangeurs à la canalisation de 1 'eau venant du forages 3. Installation de chauffage selon l'une quelconque des revendications 1, 2, caractérisée en ce que le rapport entre le débit de l'eau envoyée à travers l'évaporateur et celui de l'eau envoyée au condenseur est de 1/2 environ dans les conditions de marche les plus fréquentes. 4. Installation de chauffage selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une unité auxiliaire de réchauffage est montée sur la canalisation de départ d'eau chaude du poste primaire en un point quelconque entre la sortie du dernier des deux échangeurs et le raccordement à la canalisation d'alimen- station en eau chaude du circuit de chauffage. 5. Installation de chauffage selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'unité auxiliaire de réchauffage est installée au poste primaire et constituée par une chaudière classique à combustible quelconque, solide, liouide ou gazeux. 6. Installation de chauffage selon la revendication 4 caractérisée en ce que 'unité auxiliaire de réchauffage est installée au poste primaire et constituée par un ré chauffeur électrique en association avecun réservoir de stockage d'eau chaude 70 Installation de chauffage selon la revendication 6 caractérisée en ce que le réservoir de stockage comprend un ensemble de réservoirs élémentaires montés en série avec une pompe de stockage et une pompe de déstockage en parallèle, cet ensemble étant branché entre la canalisation de départ d'eau chaude, en aval du réchauffeur électrique, et la canalisation de retour d'eau des postes secondaires, en amont des réchauffeurs d'eau 8. Installation selon les revendications 1 et 2 réunies, caractérisée en ce que la sortie de l'évaporateur est isolée de la canalisation de retour d'eau au poste primaire et elle est réunie par une canalisation supplémentaire à la canalisation d'alimentation du circuit de chauffage tandis que la sortie du condenseur est isolée de la canalisation de ce dernier circuit et elle est réunie par une canalisation supplémentaire à ltentrée du condenseur qui est elle-m8me reliée à la canali sation de retour d'eau au poste primaire, de sorte que l'on peut envoyer dans le circuit l'eau froide sortant de l'évaporateur.