Brevet FR2288276A1 — publié le 19760514

La présente invention concerne le chauffage de locaux par un procédé héliogéothermique à accumulation. On connait déjà des procédés de chauffage de locaux utilisant l'énergie solaire avec pcssibilité d'accumulation allant de la journée à une dizaine de jours maxiaaun. On connait également des procédés d'utilisation en direct de l'énergie géothermique lorsque la température d'extraction le permet, ou encore en relevant cette température au moyen d'une pompe à chaleur lorsqu'elle est insuffisante. Ce dernier procédé est parfois utilisé dans la récupération d'énergie solaire. Ces divers procédés, solaires ou géothermiques, ne permettent pas d'obtenir une importante accumulation de chaleur. L'utilisation de l'énergie géothermique seule oblige à se servir très souvent de chaleur additionnelle artificielle nécessitant une dépense d'énergie relativement importante. L'objet visé par l'invention est de réaliser une très importante accumulation de chaleur en combinant le captage d'énergie solaire et d'énergie géothermique. Cet objet est atteint selon l'invention en captant l'énergie solaire sous forme de chaleur sans limitation de durée et en 1 'accumulant dans la masse du sous-sol. Ce mode d'accumulation combine les avantages de chacun des deux procédés en él;minRnt leurs principaux inconvénients. En effet, l'accumulation porte non plus sur quelques jours, mais sur toutes les journées ensoleillées de l'année, le captage pouvant même s1 effectuer par temps couvert. Le nombre de forages nécessaires est très nettement plus réduit que celui des installations géothermiques. Un autre avantage réside dans le fait que l'on peut utiliser la chaleur directement à la température d'extraction pendant une grande partie de l'année, ce qui permet de réaliser une économie notable d'énergie annexe. De plus,on supprime les masses artificielles d'accuuulation,puisque c'est le sous-sol lui-meme qui sert d'accumulateur. L'accumulation par captage solaire s'effectue au moyen d'une circulation d'eau chaude aboutissant dans un liquide non gelable emplissant partiellement des réservoirs échangeurs constitués par des forages tubés de façon étanche. La température normale du sous-sol est de l'ordre de 100 dans la hauteur utile d'accumulation, le captage de chaleur solaire accroît lentement cette température qui peut atteindre en fin d'été jusqu'a' 600. Le procédé fonctionne en accumulation jusqu'a 100, et ensuite la température extérieure continuant à baisser, il fonctionne en géothermie, c' est-à-dire en utilisant la chaleur naturelle du sol, laquelle est renouvelable en fonction de sa conductibilité. On peut descendre sans difficultés notables jusqu'à -100, température permise par l'évaporateur de la pompe à chaleur, grâce à des additifs antigel, glycol par exemple, ajoutés aux différents fluides utilisés. A cette température, l'apport de chaleur des capteurs solaires est grandement facilité, car même par temps couvert, le captage continue et s'effectue à des températures bien supérieures. Ceci retarde le refroidissement du soussol, cependant que le moindre ensoleillement, du fait de la forte différence de température, réchauffe très rapidement le liquide d'accumulation contenu dans les tubages en sous-sol. Ces divers avantages se traduisent par un excellent rendement de l'installation. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description qui suit, faite en regard du dessein annexé figure 1. Le procédé comporte fiv.1, des moyens capteurs 1 d'énergie solaire par circulation de fluide avec leur régulation, des forages 2 tubés 3 fermés au fond de façon étanche. L'espace forage-tubage est comblé,au moins sur la hauteur utile, par un matériau thermiquement bon conducteur 4 coulé sur place, tel que du béton par exemple, de façon à assurer dans cette partie un contact homogène permettant une bonne conduction vers le sous-sol 5. La hauteur utile 6 d'accumulation de chaleur dans le sous-sol est isolé par une couche intermédiaire 7 assurant l'isolation thermique avec l'air extérieur Les tubages 3 sont partiellement remplis, jusqu'au niveau compris entre 6 et 7, d'un liquide bon conducteur de la chaleur dans lequel plongent les échangeurs capteur-tubage 8 et les échangeurs d'utilisation tubage-chauffage 9. Pour éviter un thermo-siphonage trop important entre les différents niveaux du liquide contenu dans les tubages 3, il est prévu des disques de cloisonnement tous les mètres environ sur toute la partie active 6. Les échangeurs de captage 8 et d'utilisation 9 sont reliés à "contre courant " avec tous les tubes, en série ou en série-parallèle pour assurer l'égalisation des températures d'accumulation et de restitution. Le circuit de captage d'accumulation comporte une pompe 10 qui assure la circulation du fluide en provenance du captage vers l'échangeur 8 et un clapet 11 anti-$hermo-siphon; la régulation est obtenue au moyen des sondes, haute 12 au niveau des capteurs solaires, et basse 13 disposée au voisinage du fond du tubage le plus éloigné de celui d'entrée et de sortie. Le circuit d'utilisation est raccordé à un doyen du type chauffage 8 eau chaude 14 par exemple à rayonn"ont de sol et de plafond, de façon à utiliser une eau de circulation préférablement à basse tepérature( de 30 à 350), ce qu a pour avantage de limiter considérableent la durée de ionctionneent du moyen de réélévation en température du fluide de chauffage, et de ce fait, le d'accroître /rendement du procédé dans des proportions considérables. Le circuit d'utilisation se divise en deux parties, une première fonctionnant en direct au travers d'une vanne 4 voies motorisée 15 ligulée par les sondes 16,17,18 et 19, tant que la température d'utilisation est inférieure à la température d'accumulation. La deuxième partie du circuit fonctionne de façon indirecte en traversant un moyen d'élévation de la température du fluide d'utilisation quand celle-ci est insuffisante par rapport à la de sonde émnant du moyen de chauffage des locaux ou du moyen ballon réchauffeur sanitaire. Ce deuxième circuit comporte une pope de charge 20, un évaporateur 21, un condenseur 22 d'une pompe à chaleur 23, la centrale de commande 24, le relais 25 coasandant la vanne 15, la vanne électro-magnétique 26. L'eau chaude sanitaire est obtenue au moyen du ballon réchauffear 27 mis en service par la vanne motorisée 28 et la centrale de commande 29; la centrale 30 commande la pompe de charge 10. Le capteur solaire 1 peut,sana modification de principe, être re : placé ou doublé par d'autres moyens de récupération de chaleur, tels que l'eau de refroidissement d'usines, de tachines diverses, d'air d'extraction etc... L'installation fonctionne de la façon suivante: 'e fluide réchauffé dans les capteurs ou récupéré dans d'autres installations, est dirigé au moyen de la pompe 10 vers les échangeurs capteurs-tubages 8 plant dans le fluide in- termédiaire caloconducteur contenu dans les tubages 3, ledit fluide intersé- diaire transmet sa chaleur par conduction dans le sou--sol autour des tubages. La pompe 10 n'eat mise en service que lorsque la sonde 12 du cap teur enregistre une température supérieure à celle de la sonde 13 contrôlant la température du liquide intermédiaire d'accuulation. Le supplément de cha leur captée es utilisé immédiatement, en totalité ou non au travers de l'échangeur tubage-chauffage 9, et transmis partiellement ou totalement selon le cas, à la masse du sous-sol. Le système de chauffage 14 est régulé par une vanne 15 à 4 voies motorisée et commandée par une sonde extérieure et une sonde de départ. Le servo-moteur de cette vanne 15 est équipé de contacta de fin de course qui ont pour fonction, lorsque la vanne est ouverte totalement dans le sens échangeur 9-chauffage 14, la mise en service par l'intermédiaire du relais 25, de la pompe à chaleur 23, de sa pompe de charge 20 et la fermeture de la vanne électro-magnétique 26. Le fluide venant de 1' échangeur 9 est alors dévié dans ltévaporateur 21,alors que celui revenant du circuit de chauffage 14 passe par le condenseur 22, ce sens de circulation dure tant que la vanne 15 ne se referme pas partiellement et que la sonde 16 placée sur l'arrivée du circuit en provenance de I'échangeur 9 n1 enregistre pas une température supérieure å celle de la sonde 17 placée sur le départ du circuit de chauffage 14. Cette régulation est assurée par Il intermédiaire de la centrale 24 et des contacts de fin de course du servo-moteur de la vanne 15 qui commande le relais 25 pilotant la pompe 20 et l'électro-vanne 26. La production d'eau chaude sanitaire est assurée par un ballon réchauffeur 27 du type utilisé sur les installations de chauffage par chaudière, raccordé en parallèle sur le circuit en provenance de l'échangeur 9 entre les dérivations de raccordement de la pompe à chaleur et de la vanne 15. la vanne motorisée 26,commandée par la centrale 29, ouvre ce circuit lorsque la sonde 18, placée à la jonction de la dérivation en provenance du condenseur 22 avec la conduite venant de 1' échangeur 9, enregistre une température supérieure A celle enregistrée par la sonde 19 placée à la partie inférieure du ballon réchauffeur 27 afin de ne pas risquer de refroidir l'eau qu'il contient. Le diamètre des forages et celui des tubages, la hauteur de sous- sol utile, la couche de sol d'isolation thermique de la partie active, le nombre et l'espacement des forages sont à déterminer en fonction des besoins thermiques désirés et de la nature du sous-sol. A titre d'exemple, on peut admettre pour un diamètre de forage de 30 cm, de tubage de 20 cm, une couche d'isolation thermique de 5 m, une couche active utile de 10 à 15 m, un écartement des forages de 3 à 4 n, une déperdition du bâtiment à chauffer par forage de l'ordre de 5 thermies. Pour un forage d'une hauteur de 10 i, une densité de sous-sol de l'ordre de 2, une chaleur massique de 0,5 (pierre calcaire dure), en élevant cette masse de sous-sol de 10 à 600 par captage solaire l'été, on obtient une accumulation d'environ 625 thermies'par tubage. Les forages peuvent être effectués soit sous les locaux, soit dans leur voisinage. Ce dispositif s'applique plus particulièrement au chauffage d'immeu- bles ou à des installations collectives d'une certaine importance, également aux usines diverses. REVENDICATIONS 1 - Procédé de chauffage de locaux ou autres par accumulation, carac térise en ce qu'il associe un procédé de captage de chaleur solaire , un procédé d'accumulation et de réutilisation de l'énergie solaire accumulée et un procédé de captage geothermique, l'accumulation de la chaleur s'effectuant par conduction dans la masse du sous-sol par I'intermédiaire de réservoirséchangeurs tubulaires placés à une profondeur telle qu'ils soient insensibles aux variations saisonnières de température, lesdits réservoirs recueillent la chaleur d'un liquide caloconducteur en circulation libre ou forcée entre les capteurs et les réservoirs échangeurs selon les besoins de la régulation, l'utilisation de la chaleur accumulée s'effectue au moyen d'au moins un échangeur de chaleur plongé dans chacun desdits réservoirs et d'un circuit de tuyauterie relié a un moyen de chauffage du type a rayonnement de plafond et/ou de sol, le captage de l'énergie géothernique s'effectue après le retour de la masse du sol à sa température anormale. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les réservoirs échangeurs d'accumulation et de restitution de la chaleur solaire et géothermique sont constitués chacun d'un forage dans lequel est disposé un tube étanche fermé à sa base et empli, dans la partie d'accumulation, par un liquide caloconducteur non gelable aux températures d'utilisation, dans lequel plonge jusqu'au voisinage du fond, un échangeur de chaleur tube-capteurs solaires et un échangeur tube-moyen de chauffage des locaux. 3 - Procédé selon les revendications I et 2, caractérisé en ce que les tubes-réservoirs-échangeurs de chaleur comportent une partie supérieure d'une hauteur moyenne de 5m faisant fonction d'isolation thermique avec l'ambiance de surface, et d'une partie active d'une hauteur de 10 à 15 m, située au-dessous. 4 - Procédé selon les revendications 1,2 et 3, caractérisé en ce que le circuit de tuyauterie alimentant le moyen de chauffage en eau chaude est fractionné en deux parties, l'une reliée directement au moyen de chauffage lorsque la température d'accumulation est égale ou supérieure à la température demandée par le système de régulation du chauffage, l'autre partie traverse un dispositif d'élévation de la température du fluide de chauffage, quand celle-ci devient inférieure à celle demandée par le systeme de régulation du chauffage. 5 - Procédé selon les revendications 1 et 4, caractérisé en ce que le dispositif d'élévation de la température du fluide de chauffage raccorde la partie du circuit en provenance de l'échangeur du réservoir échangeur en sous-sol sur l'évaporateur d'une pompe à chaleur alimentée par une pompe de charge, et raccorde l'autre circuit allant vers le moyen de chauffage sur le condenseur de la pompe à chaleur, le fractionnement de ce circuit est réalisé au moyen d'une vanne motorisée commandée, ainsi que la pompe à chaleur, par le système de régulation. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que dans le cas de pluralite de forages reservoirs-échangeurs les échangeurs de captage et d'utilisation de chacun d'eux sont raccordés à contre-courant aux circuits d'entree et de sortie. 7 - Procede selon les revendications 1,2 et/ou 3, caractérisé en ce que la partie active des tubes réservoirs échangeurs est fractionnée de place en place,sur toute la hauteur, par des cloisonnements empêchant le thermosiphonnage entre les différents niveaux de liquide caloconducteur contenu dans les tubes réservoirs. 8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications precedentes, caractérisé en ce que le captage de chaleur provient soit partiellement de l'énergie solaire en combinaison avec d'autres sources telles que l'eau de refroidissement d'ensembles industriels, soit totalement de ces sources.