Brevet FR2385611A1 — publié le 19781027

La présente invention due à la collaboration de Messieurs BOMAL et CAREYRON du Commissariat à l'Energie Atomique, de Monsieur TORRENTI de la Société d'Etude et de Réalisation et de Messieurs ALEXANDROFF et LIEBARD, architectes, a pour objet une installation de stockage thermique mixte, de type modulaire. Elle trouve une application à la réalisation de systèmes de récupération d'énergie, notamment d'énergie solaire, qui peuvent êtredestinés par exemple au chauffage de piscines, de serres, de bâtiments d'habitation, ou utilisés comme source d'eau chaude à des fins domestiques ou industrielles. I1 est à peine besoin de rappeler que 1'on sait stocker un liquide calopsrteur, de l'eau chaude par exemple, dans des cuves ou des citernes métalliques. L'inconvénient de ces appareils tient à leur capacité réduite et à leur coût élevé. Ils conviennent donc aux hesoins limités, mais sont inadaptés à la récupération de l'énergie à grande échelle, lorsqu'on a en vue par exemple le chauffage d'un immeuble, d'un ensemble de maisons ou d'une piscine. On oennalt également des installations de stockage de plus grande capacité qui sont constituées par des bassins de grandes dimensions ou par des excavations naturelles ou artificielles enfouies dans le sol. Les bassins de grandes dimensions, s'ils permettent de stocker une grande quantité de liquide, conduisent cependant à de multiples inconvénients et difficultés. L'un des problèmes importants, posé par ce genre d'installation, est celui de leur couverture par un matériau isolant. Pour le résoudre, on peut munir le bassin de piliers sur lesquels on vient poser une dalle rigide ; il est aussi possible de recouvrir le bassin d'une couverture flottante ou d'une structure gonflable. La première solution conduit à une installation d'un coût élevé et de fiabilité incertaine , la seconde rend inutilisable la surface extérieure du bassin, ce qui, dans les régions urbaines où le terrain est cher, grève fortement le prix de l'installa tion. A ces inconvénients des bassins de grandie taille, s'en ajoute un autre qui provient de ce que la répartition de température de l'eau nty est, en général, pas homogène En effet, dans un bassin profond, il se produit une stratification dans laquelle les couches très chaudes, situées à la partie supérieure du réservoir, sont à une température qui peut dépasser de 20"C celle des couches moins chaudes situées à la partie inférieùre; d'où des mouvements de convection inévitables, notamment lors des opérations d'introduction et d'extraction de l'eau La gestion thermique d'un tel réservoir est donc difficile puisque l'isolation des masses d'eau ayant des températures différentes pose des problèmes technologiques et thermiques délicats à résoudre. On observera en outre que, du fait de cette stratification, les couches les plus chaudes sont situées à la partie supérieure du bassin, là précisément où les pertes theriniques par conduction à travers la couverture sont les plus importantes, ce qui diminue l'efficacité du stockage. Quant aux installations utilisant des excavations naturelles ou des structures géologiques permettant un stockage, il va de soi tout d'abord qu'elles ne sont pas nécessairement disponibles là où le besoin s'en ferait sentir, c'est-à-dire à proximite des lieux d'habitation. De plus, elles nécessitent des puits de forage et des installations complexes qui peuvent entre disproportionnées avec les besoins , c'est le cas notamment si l'on se contente de quelques milliers de mètres cubes d'eau par exemple. On connaît également des procédés qui consistent à réaliser des forages dans le sol, de profondeur et de répartition adaptées à la nature du terrain, dans lesquels on injecte de l'eau chaude afin d'utiliser le sol comme moyen de stockage thermique. Mais ces procédés ont une efficacité très limitée du fait de la faible surface d'échange thermique entre le sol et le fluide. La présente invention a justement pour but de remédier à ces inc,nvénients en proposant une installation de coût modéré, qui laisse la pleine disposition du terrain qu' elle occupe, tout en facilitant la gestion thermique du stockage Ces buts sont atteints selon l'invention par l'utilisation de modules de stockage mixte disposés cte à côte, chaque module étant constitué par le volume dudit fluide conte nu dans une excavation et par le sol avoisinant, la surface de séparation entre le sol et ledit fluide étant étanche et l'ensemble des modules étant muni d'une couverture assurant l'isolation thermique. Le caractère modulaire d'une telle installation permet de stocker des volumes de liquide à des températures différentes De préférence, les modules disposés au centre de l'installation travaillent à une température supérieure à celle des modules de la périphérie, ce qui réduit les pertes pour les modules du centre. En outre, ce caractère modulaire facilite la ma.inte- nance puisqu'il permet des opérations de contrôle ou de remise en état d'un des modules sans arrêter le fonctionnement de l'ensemble De préférence, les excavations sont des tranchées, ce qui réduit le phénomène de stratification puisque leur profondeur est faible (de l'ordre du mètre), ce qui conduit à une meilleure homogénéité de température au sein d'un même module. On conçoit donc que cette homogénéité de température, liée à la pluralitéde températures disponibles, confèrent à l'installation une grande facilité de mise en oeuvre, dont les systèmes de l'art antérieur étaient dépourvus. De préférence, les tranchées ont une forme trapézordale évasée vers le haut. I1 en résulte que les forces exercées par le liquide sur les parois obliques de la tranchée ont pour effet de tasser le terrain compris entre deux tranchées, d'augmenter sa compacité et finalement d'améliorer la solidité de l'ensemble. Cela permet de réaliser l'installation de l'invention même dans les terrains dont la consistance ou la résistance mécanique sont médiocres. Les matériaux utilisés pour rendre la tranchée étanche peuvent être de natures diverses : il peut s'agir d'un briquetage, d'un revêtement de plaques, d'une projection de produits d'étanchéité, etc... Mais de préférence, on choisira des mate- riaux permettant de réaliser des volumes étanches préfabriqués, par exemple des sacs en matière plastique ou en caoutchouc, ou en tout autre matière souple et étanche, ledit sac épousant la forme de la tranchée. Ces sacs sont munis de conduits d'arrivée et de sortie du fluide. Un matériau qui peut convenir à cette fonction est une matière plastique désignée commercialement sous le nom de "butyl", Mais d'autres matériaux peuvent être utilisés, comme le polychlorure de vinyle. De préférence, la couverture comprend d'abord un ensemble de dalles rigides juxtaposées, par exemple en béton, ou en matériau composite Mais, on pourrait utiliser également un maillage métallique, ou, si l'on veut obtenir un revêtement plus rustique donc moins onéreux, des troncs d'arbres ou des planches recouverts de roseaux ou de joncs. Sur cette structure portante est disposé un matériau isolant thermique par exemple une terre de type "ponzzolane" Pour protéger l'installation contre l'humidification de l'isolant et pour éviter la détérioration mécanique du terrain et la dégradation thermique de l'ensemble, il est avantageux de recouvrir une feuille en matière plastique présen.tant une-pente facilitant l'écoulement des eaux de pluie et d'infiltration. L'ensemble peut alors être recouvert de terre (provenant par exemple de l'excavation des tranchées) ou de gravier pour constituer un espace vert, un jardin, une aire de jeux, un terrain de sport, un parking, etc... De toute façon, les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente en vue de dessus un ensemble de cinq modules selon l'invention ; - la figure 2 représente en coupe longitudinale l'extrémité d'un module ; - la figure 3 représente schématiquement une disposition particulière des modules - la figure 4 illustre une installation de récupération de l'énergie solaire. - la figure 5 illustre un détail de cette installation Dans toute la description qui suit, on considèrera, à titre illustratif, que le fluide utilisé pour stocker les calories est de l'eau. Mais il va de soi qu'on pourraît utiliser d'autres fluides. Sur la figure 1 est représentée, en vue de dessus, une installation de stockage selon l'invention. Elle comprend cinq tranchées As B, C, D, E de forme trapézoidale, l'ensemble étant recouvert par un terre-plein 10. La structure des modules apparait de manièreplus détaillée sur les figures 2 et 3. Sur la figure 2, qui est une coupe longitudinale de l'extrémité d'une tranchée, apparaissent une feuille 2 de matière plastique formant un sac fermé et des dalles portantes juxtaposées 4, disposées en travers de la tranchée, une couche de matière isolante 6, formée par exemple par de la terre de pouzzolane, une feuille de matière. plastique 8, par exemple de type "griltex", slétendant sur l'ensemble et enfin une couche de terre 10 pouvant comprendre éventuellement une sous-couche de drainage 12 de gravier ou de cailloux. Les différentes surfaces situées au-dessus de la feuille étanche 8 peuvent tre légère- ment inclinées sur l'horizontale pour faciliter le ruissellement des eaux de pluie ou d'infiltration. Cette figure illustre le caractère mixte du stockage puisqu'elle fait apparaître que les parties du sol entourant une tranchée participentau stockage thermique. Chaque module est donc constitué par une tranchée et par une partie du sol environnant. A titre explicatif, on peut réaliser des tranchées présentant une largeur d'environ 1 mètre à la base et 3 à 4 mètres à la partie supérieure. La profondeur peut être de l'ordre de 4 mètres. La longueur de la tranchée dépend de la configuration du terrain ; elle peut être de l'ordre de 20 à 25 mètres, ce qui correspond à une capacité de 200 à 250m3 par tranchée Pour une installation comme celle de la figure 1, qui comprend cinq tranchées, on obtient donc, avec ces dimensions, une capacité en eau de l'ordre de 1000 à 1200m3.En réalité, le sol compris entre les tranchées participe au stockage de la chaleur, puisqu'il est porté à une température voisine de celle de l'eau dans ces tranchées, de sorte que la capacité totale équivalente dlune installation de cette dimension est de l'ordre de 1500m3 à 2000m3 d'eau. Une telle capacité est suffisante pour un stockage de longue durée destiné à quelques pavillons d'habitation. La réalisation de telles tranchées ne pose aucun problème particulier de terrassement ; elles peuven être obte- nues à l'aide d'une pelleteuse classique qui peut creuser une tranchée et recouvrir de la terre excavée le module de stockage précédent, ce qui évite d'avoir à transporter et à stocker la terre9 Il va de soi que la disposition adoptée sur la figure 1 n'est pas la seule possible et, qu'à cet éyard, une grande liberté est laissée au constructeur. A titre d'exemple, la figure 3 représente une installation à sept modules dont deux sont en position latérale par rapport aux cinq autres. Comme il a ete souligné plus haut, le caractère modulaire de l'installation permet de stocker le fluide (de l'eau en particulier) à des températures différentes d'une tranchée à l'autre. C'est ainsi que la température de l'eau peut être, dans les tranchées extrêmes A et E de la figure 1, de ltordre de 200C, dans les tranchées et D de l'ordre de 4QOC et dans la tranchée centrale C de l'ordre de 600C, ceci à titre d'exemple Le module central se trouve donc bien protégé thermiquement puisqu'encadré par deux modules à 400C. En outre, le flux de chaleur provenant du module central est dirigé vers les modules qui le jouxtent et sert, par conséquent, à échauffer ces derniers ; il ne constitue donc pas une perte pour l'ensemble de l'installation Les fuites de chaleur se limitent donc pour l'essentiel aux fuites vers le bas, en direction du sol. Eventuellement et pour les réduire, une couche de matériau bon isolant thermique peut être disposée à la partie basse de la tranchée centrale, voire dans la partie basse de toutes les tranchées. Quant aux tranchées extrêmes A et E, emmagasinant une eau à 200C, elles sont à une température proche de celle du sol et subissent, de ce fait, des pertes relativement faibles. La gamme de températures indiquée (200C, 400C, 600C) n'est naturellement qu'un exemple. Elle n'est cependant pas totalement arbitraire car elle correspond à plusieurs besoins de types différents : l'eau à 20 C peut servir au chauffage des piscines, l'eau à 400C au chauffage des planchers des habitations et l'eau à 600C à l'alimentation des appareils sanitaires, aux installations de chauffage central, etc. Une installation complète de récupération de l'énergie, solaire ou autre, comprend, en-plus d'un groupe de modules tels qu'ils- viennent d'être décrits, des moyens d'amenée d'eau chaude et des moyens de distribution. C'est ce qui est représenté schématiquement sur la figure 4, qui correspond au cas de l'utilisation de l'énergie solaire, mais qui se transposerait sans difficultéà d'autres cas, notamment à la récu pération de la chaleur de certains effluents industriels. Sur cette figure, un réseau de capteurs 14 collecte les rayons solaires et- alimente en eau chaude un conduit 16 muni d'une pompe de circulation 18 ; ledit conduit est relié aux modules A, B, C, D, E par des vannés 20 disposées avant chaque module. L'eau retourne au capteur par un conduit 22 muni de vannes 24. L'utilisation des calories stockées dans les modules s'effectue en pompant l'eau dtun ou des modules à l'aide d'une pompe 26 disposée dans un conduit d'extraction 28 relié à chaque module par des vannes 30 ; l'eau chaude circule dans un échangeur 32 parcouru par ailleurs par un autre fluide caloporteur dirigé vers les organes d'utilisation 34 ; l'eau retourne ensuite dans les modules -par un conduit 36 muni de vannes 38. Eventuellement, l'eau de stockage pourrait être envoyée directement dans certains organes d'utilisation, auquel cas l'échangeur 32 disparatrait. Eventuellement encore, on pourrait envisager d'alimenter une machine climatisante à absorption, par l'eau chaude stockée Le fonctionnement d'une telle installation -peut être adapté aux variations de l'ensoleillement et aux variations de la demande. En période diurne, le réseau de capteurs est -réuni aux modules ; si l'ensoleillement est faible (le matin par exemple ou pendant la mauvaise saison), ce réseau est mis en liaison avec les modules extrêmes à faible température (200C). Si l'ensoleillement est plus important (à midi ou en été), le stockage s'effectue de préférence dans le module central à 600C. Pendant les-périodes nocturnes, le réseau de capteurs est isolé des modules, L'utilisation peut être permanente ou intermit- tente. Il y a donc découplage total entre les fonctions de collection et dlutilisation de l'énergie. Dans certains cas, il peut être utile dradjoindre à l'installation un chauffage d'appoint, dans les cas où le capteur stavèrerait insuffisant (par exemple en cas de tres longue période de mauvais temps). I1 peut s'agir notan?zaent de résistances chauffantes placées dans le volume des tran chées ou à proximité. On peut également utiliser des pompes a chaleur, telles que 42, pour remonter la température d'un des modules aux dépens d'un autre. Enfin, il va de soi que le réseau de capteurs 14 peut avantageusement être disposé sur la couverture de l'ensemble des modules, auquel cas ladite couverture peut être simplifiee. Sur la figure 5 est représenté un mode particulier de réalisation d'une telle installation qui comprends en plus des moyens dejà illustrés sur la figure 4, un bac tampon 44 recevant l'eau du réseau de capteurs 14 et communiquant à sa partie inférieure avec le sac contenu dans une des tranchées (A). Ces moyens permettent d'obtenir une légère surpression dans le sac par rapport à l'atmosphère. I1 est alors avantageux de munir chaque module de moyens permettant de détecter les fuites de liquide. Ces moyens sont par exemple des manomètres 40 disposés sur l'une des canalisations propres à chaque module. Une fuite est alors immédiatement décelable par l'apparition d'une baisse de pression. Il suffit alors d'isoler le module défectueux et d'effectuer la réparation. REVENDICATIONS 1. Installation de stockage thermique, du genre de celles quoi utilisent une excavation creusée dans le sol et contenant un fluide approprie au stockage de calories, caractérisée en ce qu'elle. comprend des modules de stockage mixte disposés c8te à c8te, chaque module étant constitué par le volume dudit fluide contenu dans une excavation et par le sol avoisinant, la surface de séparation entre le sol et ledit fluide étantétanche et l'ensemble des modules étant muni d'une couverture assurant l'isolation thermique. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ces que la température du fluide stocké dans les modules va en décroissant des modules du centre de l'installation aux modules de la périphérie. 3. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que ladite excavation est une tranchée. 4. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 3, caractérisée en ce que chaque tranchée comprend un sac étanche constitué par au moins une feuille mince, notamment de matière plastique. 5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que le sac est en butyl ou en polychlorure de vinyle. 6. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la couverture comporte une structure portante formée d'un ensemble de dalles rigides juxtaposées, disposées en travers de chaque tranchée. 7. Installation selon ltune quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que lacouverture est formée d'un maillage métallique, ou de planches, ou de troncs d'arbres. 8. Installation selon lJune quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la couverture comprend une couche de matériau isolant, notamment une terre de pouzzolane. 9. Installation selon ltune quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la couverture comprend une feuille de matériau étanche, notamment en matière plastique. 10, Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la couverture est recouverte de la terre d'excavation des tranchées. 11. Installation selon l'une quelconque des revendications 3 à 10, caractérisée en ce que chaque sac est muni d'un manomètre en communication avec le liquide stocké. 12. Application de l'installation selon l'une quelconque des revendications précédentes à la réalisation d'un système de récupération de l'énergie, notamment solaire, comprenant une source de calories, notamment un réseau de capteurs solaires, relié aux modules de stockage par un premier jeu de conduits munis de moyens de circulation du fluide, et un second jeu de conduits reliant les différents modules à des organes d'utilisation.