Brevet FR2357721A1 — publié le 19780203

La présente invention est relative aux méthodes utilisées en vue d'assurer un excellent 4change- thermique entre le sol et le fluide de chauffage circulent dans un trou. Elle concerne également la structure du "trou de chauffage réalisé. En fait, une installation de chauffage géothermique utilise principalement les calories récupérées dans le sol par un liqui de injecté à basse température (par exemple, moins 10 ) à la partic inférieure d'un trou profond. Le fluide circulant dans ce trou est recueilli à la partie haute à une température voisine de la température co-nstante du sol, soit environ 4 à 10 C. De façon connue le liquide est ensuite envoyé vers un échangeur d'une pompe à chaleur où il cède ses calories au fluide réfrigé- rant. Remarque : Plusieurs difficultés sont à résoudre lors du forage du trou. Si le sol est poreux et perméable il faut éviter les déperditions du liquide de l'installation de chauffage. Par ailleurs, l'échange géothermique dans le trou n'est reellement efficace que si on a un contact thermique entre le so et les canalisations dans lesquelles circule le liquide.Ce contact dé- pend, en grande partie, de la nature du terrain (sec ou humide, compact ou instable...). Dn sait que l'installation de chauffage décrite notamment dans la-demande de brevet français n 73 25 143 ddposée le 4 juillet 1973 aux noms des présents demandeurs pour nProce et dispositif pour la climatisataon thermique d'un local, d'une cuve ou analogues, est utilisable quelle que soit la nature du sol, à condition que le ou les trous forés dans le sol et à l'intérieur desquels circule le fluide frans- portant les calories vers le circuit de chauffage permettant un contact thermique excellent entre le sol et le fluide de transi fert. La présente invention a pour but de décrire un procédé de réalisation d'un trou de chauffage permettant de récupérer les calories terrestres par échange thermique sur la plus grande partie de sa surface, Un procédé selon l'invention pour la réalisation d'un trou de chauffage consiste à creuser dans le sol > à l'aide d'un tr4- pan, un forage jusqu'à la profondeur désirée, ce forage pouvant éventuellement --tre chemisé, et il est caracteris en ce qu'on descend à ltintérieur du forage, un tube en matière plastique à fond collés les parois latérales de ce tube présentant un jeu radial avec les parois internes du forage ou de la chemise mé- tallique, tandis qu'après avoir tté cette chemse, on établit un contact thermique entre le sol et la gaine ou tube plastique rempli d'un liquide, ce contact oyant réalisé en comblant l'in- tersticeannulaire périphérique séparant les parois du forage des parois externes du tube plastique. Suivant la nature du terrain* un contact thernique peut 8tre établi de plusieurs façons. a) - Si le terrain s'éboule lorsquton retire la chemise mé- tallique, il comble de lui-même cet intervalle annulaire et vient enserrer le tube plastique qui constitue le trou de chauffage b) - Au cours du forage, on a pu perceur une nappe dteau souterraine, si bien que lorsqu'on retire la chemise, cette eau vient combler l'intervalle annulaire et constitue le support dee calories fournies par le sol au fluide circulant à l'intErieur du tube en matière plastique c) - Le terrain est sec, il ne s'éboule que partiellement il reste entre le sol et le tube de l'installation de chauffage de nombreux intersSices que l'on est amené à combler en injectant de l'eau1 de la boue ou des remblais recueillis, par exemple, au moment du forage d) -. Si on sb trouve sur un terrain très solide et tres sec où l'intervalle annulaire reste entier, on établit le contact thermique en provoquant le givrage du sol autour du tube plastique de l'installation de chauffage. A cet effet, on réfrigère le sol dont l'humidité latente vient se condenser, se déposer et s'accumuler autour du tube plastique--en comblât l'intervalle annulaire entre le diamètre de forage et le diamètre de ce tube. Au bout de quelques jours, le contact thermique est bon. Suivant une autre caractéristique, l'échanger geothermique est constitué par un tube en matière plastique enfoncé dans un forage, le fond de ce tube étant bouché hermétåquement, alors qu'il reçoit* par sa partie supérieure, au moins une canalisation dtentrEe et une canalisation de sortie de fluide, le fluide froid étant injecté à la base du tube tandis que le fluide ré- chauffé est aspiré à la partie haute du tube. Suivant une autre caractéristique, une quantité de chaleur additionnelle est récupérée en déversant, entre les parois exté- rieures du tube et les parois internes du forage, des calories fournies, par exemples par un ou plusieurs autres forages, par des eaux usées, des effluents... qui sont ensuite absorbes par le sol à la façon d'un puits perdu. Suivant une autre caractéristique, le trou de chauffage est par exemple, creusé au-dessous d'une piscine, d'une cuve, d'une fosse ou de tout volume de liquide qui récupère les calories so laires, l'arrivée de liquide dans le trou se faisant s=run coté de la cuve, alors que la canalisation de sortie traverse un ser pentin qui absorbe les calories de la masse liquide avant de do- boucher sur le cicuit de chauffage. Dans ce cas1 1'extrémité su prieure du tube plastique logé dans le trou de chauffage est fermé de façon herretique en ne laissant passer qu'une canalisation d'entrée et une canalisation de sortie, Suivant une autre caracteristique, le trou de chauffage est constitué par deux ou plusieurs forages plantés en séries ou en parallèle, Lorsque deux forages sont assemblés en serine, le paroi mier reçoit la canalisation d'entrée, une pompe assure la circulation du liquide dans le second forage Où plonge la canalisation de sortie, ai bien que la surface d'échange géothermique est doublées Suivant une autre caractéråstique,le trou de chauffage comprend un trou de forage percé dans le sola muni d'une gaine plastique et d'une piscine au fond de laquelle débouche une canalisation de sortie issue du trou foré, la canalisation d'entrée passant dans le sol sur le coté de la piscine. Dans ce cas, l'eau de chauffage se mélange à lleau de la piscine qui est dirigee vers le circuit de chauffage. Suivant une autre caractéristique la cuve, la fosse oula piscine sont creusées dans le sol et ouvertes à l'air libre, i bien qu'elles constituent un récupérateur de chaleur géothermique et un récupérateur de chaleur solaire Suivant une autre caracteristique, l'extrémité supérieure de la gaine enfoncée dans le sol est fermée par un bouchon hor- metique qui ne laisse passer que les canalisations d'saturée et de sortie d'un fluide antigel de chauffage, ce fluide circulant entre un échangeur de la pompe à chaleur et la gaine plastique enterrée et en contact thermique avec le sol. Bien entendu, de nombreux autres récupérateurs de calories pourraient entre montes sur le circuit du fluide. Le dessin annexe, donné à titre d'exemple non limitatif, permettra de mieux comprendre les caractoristiques de l'invention. La fiure 1 illustre le forage et le tubage pour la réalisa tion d'un trou de chauffage selon l'invention. La figure 2 montre la alise en place d'un tube en matière 31astique dans le forage ainsi réalisé. La figure 3 est une vue montrant* de façon détaille, l'es- pace annulare périphérique lorsqu'on retire le tubage du forage. Les figures 4, 5, 6, 7 montrent diverses var antes du procédé selon l'invention, destiné à assurer le contact thermique entre le sol et le tube plastique en comblant l'intervalle annulare périphérique existant. La figure 8 montre ltapport de calories additonnelles par ctversement d'eaux d'effluents dans le fofage qui fonctionne à la façon d'un puits perdu. La figure 9 corres-oond à la figure 8, les effluents étant, dans ce cas, recyclés ou évacués La figure 10 montre un trou de chauffage où la gaine est en contact direct avec le so. La figure 11 est une variante à deux forages montés en rie. Les figures 12 et 13 sont des vues d'un trou de chauffage foré sous une cuve, une piscine ou une capacité quelconque constituant un récupérateur de calories supplémentaires. La figure 14 est une vue schématique nontrant le circuit du liquide de chauffage depuis sa sortie du trou de chauffage jusqu'à son retour. La figure 15 montre un apport de calories additionnelles par envoi d'air chaud dans le tube de chauffage. On a repésenté, sur la figure 1, un forage réalisé de fa çon classique à l'aide d'un trépan (non représenté) ; les parois du forage (1) réalisées dans le sol (2) sont maintenues par un tubage (3) réalisé par l'addition de chemises métalliques (4) destinées à retenir le sol, notamment si le terrain est friable. Dans le cas qui nous intéresse, le forage est ensuite amé- nagé pour constituer un échangeur thermique que l'on appellera le trou de chauffage. Dans cet échangeur thermique, on injecte, à très basse température, un liquide issu d'une installation de chauffage. Ce liquide se charge des calories fournies par le sol (2) qui les transfère vers un échangeur d'une pompe à chaleur d'une installation de chauffage. Une vue schématique de l'installation de chauffage est représentée sur la figure 14. Le liquide transportant des calories circule dans le trou (5)sous l'effet d'une pompe (6). il sort réchauffé par la canalisation (8) qui l'amène vers l'évaporateur (9) d'une pompe à chaleur. Cette pompe a' chaleur comprend, de far çon classique, un compresseur (1Q) un condenseur (11) et un déten- deur (12), l'ensemble formant un circuit ferté dnr.s-lequel cir- cule un fluide (13) passant de l'état gazeux a l'état liquide. Cette pompe absorbe des calories par échange thermique dans l'évaporateur (9) et les cède de la même façon dans le condenseur (11) pour chauffer un local (14). Le fluide transfert (15) traverse successivement le trou de chauffage (5), le récupérateur calorifique (16) où il se réchauffe, ltévaporateur (9) où il se froidit avant-de revenir, par la canalisation (7) et la pompe (6), dans le trou de chauffage (3). Les calories cédées dans ltévapo- rateur (9) sont reprises par le fluide (13) de la pompe à chaleur. Celle-ci fonctionne de façon connue pâur transporter des calories au condenseur (11) et climatiser une cuve ou analogue (:t4). L'invention consiste à réaliser un trou (5) dans lequel le fluide d'échange thermique (15) absorbe un maximum de calories. Ces calories sont fournies par l'écorce terrestre. Le problème consiste donc à réaliser un échangeur thermique efficace, de fa çon que le fluide ressorte pratiquement à la température du sol. Après avoir réalisé le forage chemisé (13 (fig. 1), on enfonce, à l'intérieur du tubage (3), un tube (17) en matière plas tique. À sa partie inférieure, ce tube est fermé par un fond (18) collé ou moulé (fig. 2). Au fur et à mesure qu'on l'enfonce * on remplit le tube d'une-eau (19) qui permet de le descendre sans difficulté à l'intérieur du tubage (3) même Si on a percé uge éventuelle nappe d'eau souterraine. Lorsque le tube est en place au fond du forage (fig. 3), on peut alors retirer le chemisage (3,4). Etant donné que le diamètre du tube (17) est inférieur au diamètre du tube de chamoisage (3), lorsqu'on-retire celui ci il apparat un interstice annulaire périphérique important entre les parois (1) du forage et la face externe (17a) du tube remplit d'eau. Le tube d'air 20 défini par cet intervalle annulaire (21) doit titre éliminé pour améliorer le contact thermique entre le sol (2) et le tube (17) qui définitle volume de circulation et la surface dtéchange géothernique du fluide de l'installation de climatisation. Lorsque le forage a été pratiqué dans un sol friable, le terrain s'éboule, Dès qu'on a retiré la chemise (fig. 4), les parois (1) du forage sJécfoulent, le sol (2) vient enserrer le tube plastique (17) repli d'eau. L'intervalle annulaire pAri- phérique est ainsi comblé et on a un contact direct entre le tu (17) constituant le trou de chauffage et le sol (2) qui fournit les calories. L'installation de chauffage reçoit ses calories par l'intermédiaire d'un liquide antigel (22) rentrant dans le tuke par la canalisation d'arrivée (7) et sortant par la canalisation de sortie (8) (22 représente le volume de fluide 15 dans le tube 17). On a représenté* sur la figure 5, un forage pratiqué dans un sol compact. La chemise métallique étant retirée, la paroi (1) ne s'éboule pas0 Par contre, l'intervalle annulaire (20) est rempli par une eau souterraine (23). Cette eau assure le contact thermique entre la face externe (1 S du tube plastique et la paroi interne (1) du forage. Un autre type de terrain est représenté sur la figure 6. Les parois du forage ne s'éboulent que partiellement0 Par ailleurs le terrain est sec et imperméable. On nta,- ainsi, qu'un contact thermique localisé dans les zones 24, 24a). Pour combler l'intervalle annulaire (20) et supprimer le matelas isolant entre le sol (2) et le trou de chauffage constitué par le tube (17), on injecte, dans cet intervalle, un matériau permettant d'améliorer ltéchange thermique. Si ce matériau est de l'eau (24), on se place, alors, dans le cas précédent.Si ce matériau est constitué par des remblais solides* ltéchange thermique est assuré de la méme façon que lorsque le terrain stéboule. Bien entendu, on faci- lite cette opération en injectant les remblais (25) sous forme de boue, de façon à assurer une surface maximale (fig. 6). Le forage peut également titre réalisé dans un terrain très solide et sec. On remarquera que, dans ce cas, le tubage métallique n'est pas nécessaire. Le liquide (22) utilisé pour ltab qF tion des calories géothermiques est un liquide antigel. Pour combler l'intervalle annulaire entre le tube (17) et la paroi interne (1) du forage, on utilise cet intervalle (20) comme échan- leurs évaporateur d'un circuit auxiliaire dé pompe à chaleur. Les calories du sol (2) sont évacuees par les canalisations (27, 28).; le refroidissement du sol autour du forage provoque la condensation de lthumidité du sol, cette humidité venant se dépo ser autour du tube plastique (17) rempli de liquide antigel (22). Elle s'accumule peu à peu dans l'intervalle (20) pour établir* au bout de quelques jours, un contact thermique satisfaisant entre le tube (17) et le sol (2). Le trou de chauffage devient alors utilisable pour transférer les calories à l'installation de chaC- fage (fig. 7). On a vu, précédemment, qu'il était intéressant de disposer d'un récupérateur calorifique sur le circuit de fluide afin d'augmenter le rendement de l'installation. Un tel récupérateur calorifique peut titre constitue directement par l'intervalle annulaire périphérique entre le tube-plastique dans lequel circule le fluide antigel (22) et la paroi interne (1) du forage. Lorsque le terrain (2) est perméable et solide, les calories additionnelles peuvent titre fournies par des effluents déversés dans l'intervalle (20).Le forage fonctionne, alors à la façon d'un puits perdu (fig. 8 Les effluents (29) (eaux d'égotts, eaux usées...) remplissênt l'intervalle (20). Ils ont alors un double rtle : d'une part, ils assurent le contact thermique entre le sol (2) et le tube (17) ; d'autre part, ils cèdent leurs calories au liquide (22), ces calories s'ajoutant à la chaleur fournie par le sol (2). Enfin, le sol étant perméable, ces effluents s'évacuent peu à peu à travers les couches de terrain (flèche 29a). Il suffit que le renouvellement des effluents (29) soit suffisant pour, d'une part, remplir le trou, d'autre part* être évacués assez raZ pidement pour ne pas avoir le temps de givrer. Dans le cas où le sol est peu perméable ou lorsqu'on désire recycler les eaux usées ou les effluents, on peut gainer le forage. L'eau, relativement chaude ou tiède, est injectée dans le trou entre la gaine (31) et le tube plastique (17). Il forme un anneau liquide (34) qui cède des calories supplémentaires au liquide antigel (22) circulant à l'intérieur du tube (17). De plus, l'anneau liquidd (34) améliore le contact thermique entre le sol et le tube plastique. Les effluents (34) sont, enfin, évacue en (33) soit pour entre recyclés, soit pour entre rejetés après avoir cédé leurs calories (fig. 9). On a représenté, sur la figure 10, une vue agrandie d*un trou de chauffage. Cette figure montre la structure des éléments de base constituant le trou. Le tube en matière plastique (17) est en contact thermique avec le sol par l'intermediaire de remblais (25) qui comblent l'intervalle annulaire périphérique créé par le jeu radial entre le tube et les parois du forage. A sa partie inférieure, le tube est bouché par un fond (18) collé ou moulé. Lorsque le tube est en place à l'intérieur du forage, on ferme de façon étanche la partie supérieure par un couvercle (38) Ce couvercle est percé de deux orifices dans lesquels sont em- boitées la canalisation d'arrivez (7) et la canalisation de sortie (8) du liquide antigel calo-porte.ur (22).Le trou de chauffage (5) (fige 10, 14) est constitué par l'ensemble comprenant les parois d'échange thermique (1 et 17a),- le tube (17) avec son fond (18) et son houchon-couvercle (38), des remblais (25) qui assurent le contact thermique, et enfin le volume résiduel (22) du liquide calo-porteur (15)- On a représenté sur les figures 11, 12, 13, 15, d'autres variantes de réalisation du trou de chauffage permettant, en particulier, de récupérer des calories supplémentaires - deux trous (5a et 5b) assemblés en série avec une entrée (37) de liquide dans le premier et une sortie (40) dans le second permettent de doubler la surface d'change thermique (fig. ii) - le trou (5) est foré au-dessous d'une piscine (4) à ciel ouvert. L'eau (42) de la piscine récupère les calories solaires. Une des sorties (43) est reliée à un serpentin (44) fournissant au liquide (15) des calories supplémentaires. La piscine peut titre coutfoireuåtée en cas de gel par une seconde canalisation (43a) (fig. 12) O - sur la figure 13, l'arrivée du circuit s'effectue sur le coté de la cuve (45) et l'eau de chauffage se mélange à l'eau de la cuve - les calories supplémentaires sont fournies par un conrant d'air chaud (46) envoyé dans le tube plastique (17).Cet air est, par exemple, pompé sur le.sircuit de ventilation (47) d'un local ou d'une enceinte (48) (fig, is)-. il peut également entre récha- fé à partir d1un récepteur de-rayons solaires. Il est évident que les exemples donnés précédemment de récupérateurs de calories additionnels ne constituent pas une liste limitative. De nombreuses autres solutions peuvent entre envisagdes. Elles seront adaptées à la situation géographique de l'installation de chauffage, à son importances au rapport quantité de chaleur récupérable, investissement de l'installation de récupération... De même, les procédés utilisés' pour améliorer le contact thermique au niveau du "trou de chauffage" ne sont pas limités aux types de terrains décrits. On voit qu'un "trou de chauffage", selon l'invention, permet de réaliser une installation géotherrique efficace et à haut rendement quels que soient la latitude, l'ensoleillement et le terrain du site de l'installation. REVENDICATIONS 1. - Procédé pour la réalisation d'un trou de chauffage consistant a creuser dans le sol un forage jusqu'à la profondeur désirée, ce forage pavant éventuellement entre chemisé, caracté risé en ce qu'on descend, à ltintérieur du forage, un tube en matière plastique à fond collé, les parois latérales de ce tube présentant un jeu radial avec les parois internes du forage ou de la chemise métallique, tandis qu'auprès avoir Bté cette chelse, on établit un contact thermique entre le sol et la gaine ou tube plastique rempli d'un liquide, ce contact étant réalisé en comblant l'interstice annulaire périphérique séparant les parois du forage des parois externes du tube plastique. 2. - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsqu'on retire la chemise métallique, le terrain s'éboule dans l'intervalle annulaire pour venir enserrer le tube plasti- que qui constitue le trou de chauf-age. 3. - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise le forage à proximité ou a l'aplomb d'une nappe d'eau souterraine, si bien que lorsqu'on retire la chemise, cette eau vient combler l'intervalle annulaire et constitue le sup- port des calories fournies par le sol au fluide circulant à l'intérieur du tube en matière plastique. 4. - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le trou est foré dans un terrain sec, qui ne s'éboule que partiellement,.si bien qu'il reste entre le sol et le tube de l'installation de chauffage de nombreux interstices que l'on est amené à combler en injectant de liteau, de la boue ou des remblais recueillis au moment du forage. 5. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le forage étant réalisé dans un terrain très solide et très sec, on établit le contact thermique en réfrigérant le sol autour du tube plastique de l'installation de chauffage, l'um- dité latente du sol venant se condenser contre ce tube autour duquel elle se dépose et s'accumule en comblant l'intervalle annulaire périphérique entre le diamètre de forage et le diamètre du tube. 6. - Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on réalise un trou de chauS- fage consistant cn un échangeur géothermique constitué par un tube en ratière iLastiq enfoncé dans un forage, le le de ce tube étant bouché hermétiquement, alors qu'il reçoit, par sa partie supé rieure, au moins une canalisation d'entrée et une canalisation de sortie de fluide, le fluide froid étant injecté à la base du tube tandis que le fluide réchauffé est aspiré à a partie haute du tube quton met en contact thermique avec les parois du forage. 7. - Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en te qu'on ajoute aux calories fournies par le sol au fluide circulant dans le trou de chauffage, une quantité de chaleur additionnelle récupérée par un dispositif re- cupérateur monté en série sur le circuit de fluide. 8. - Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'une quantité de chaleur additionnelle est récupérée en dévers sant dans le trou, entre les parois extérieures du tube et les parois internes du forages des calories fournies, par exemple, par un ou plusieurs autres forages, par des eaux usées, des ef fluents... qui sont ensuite absorbés par le sol à la façon d'un puits perdu. 9. - Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'off creuse le trou de chauffage au-dessous d'un volume de li- quide, par- exemple une cuve qui récupgre les calories solaires, l'arrivée de liquide dans le trou se faisant sur un côté de la cuve, alors que la canalisation de sortie traverse la nasse li quide avant de déboucher sur le circuit de chauffage. 10. - Xrou de chauffage obtenu par la mise en oeuvre d'un procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un trou percé dans le sol et à l'intérieur duquel est disposé un tube en matière plastique à fond bouché, l-a partie supérieure de ce tube comportant une ca. nalisation d'antre et une canalisation de sortie de fluide, des moyens assurant le contact et ltéchange thermique entre la paroi externe du tube et la paroi interne du forage, tandis que la surface d'échange géothermique peut être augmentée par des moyens récupérateurs supplémentaires. 11. Trou de chauffage suivant la revendication 10, caractérisé en ce qutil est constitué par deux forages montés en série, le premier recevant la canalisation d'entrée, tandis qutune pompe assure la circulation du liquide dans le second forage oX plonge la canalisation de sortie, si bien que la surface d'échange géothermique est doubléå. 12. Trou de chauffage suivant la revendication 102 carac- têrisé en ce que l'échange thermique entre le forage et le tube plastique est complété par un cuve ou analogue creuséedans le sol et ouverte à l'air libre, cette cuve constituant à la fois un récupérateur de chaleur géothermique et un récupérateur de chaleur solaire. 13. - Trou de chauffage suivant la revendication 10, caractérisé en ce pue l'extrémité supérieure de la gaine en matière plastique enfoncée dans le sol est fermée par un bouchon hersé~ tique qui ne laisse passer que les canalisations d'entrée et de sortie d'un fluide antigel de chauffage, ce fluide circulant entre un changeur de la pompe à chaleur et la gaine plastique enterrée et en contact thermique avec le sol