Brevet FR2419470A1 — publié le 19791005

La présente invention a pour objet, à titre de produit industriel nouveau, un dispositif thermique qui permet d'emmagasiner de l'énergie calorifique dans un tumulus artificiel de terres et graviers stratifiés, entouré d'une couche isolante imperméable à la chaleur et au passage d'air chaud de telle façon que lton puisse simultanément alimenter ce stock de chaleur avec une source calorifique électrique ou à combustion réchauffant l'air qui balaye les strates du tumulus, retirer de énergie calorifique de ce stock par batteries d'échange de surface alimentées par le même flux d'air chaud, conserver l'excès des apports sur les retraits par élévation de température des terres et graviers pendant de très grandes périodes de temps avec des pertes faibles à travers l'enveloppe isolante, réduire ces pertes par récupération d'énergies calorifiques à faibles températures ordinairement perdues et stockage de celles-ci dans une masse de graviers secondaire répartie au pourtour de l'enveloppe isolante sous une deuxième enveloppe isolante extérieure. Elle s'applique aux techniques de chauffage de bâtiments, d'utilisations industrielles d'énergies calorifiques, de production de vapeur ou d'énergie électrique dans le but d'étaler les pointes énergétiques appelées par les systèmes en aval du dispositif et les adapter aux capacités productives des systèmes en amont du dispositif. Ce dispositif est remarquable en ce qu'il comporte l'association de sept composants : le premier est un tumulus de terres et graviers construit artificiellement par couches de granulométrie et de perméabilité à l'air choisies, disposé à l'intérieur du deuxième composant et enserrant le troisième ; le deuxième composant est une enveloppe isolante et imperméable dite primaire, composée d'une ou plusieurs épaisseurs d'isolant thermique, d'une membrane imperméable à l'air chaud, d'une étanchéité à l'eau et éventuellement d'une pellicule réfléchissant les radiations, enveloppe qui entoure complètement le premier et le troisième composant ; le troisième composant est un - ou plusieurs - four d'échange composé d'une structure résistant aux fortes chaleurs sèches et aux poussées des terres du tumulus, percé latéralement par des perforations périphériques formant grilles-écran laissant passer l'air chaud vers les strates du tumulus tout en retenant les grains des matériaux de ce tumulus, puis percé longitudinalement de grands canaux formant conduits d'air chaud, avec registres à volets qui permettent à la fois d'alimenter les perforations latérales et de créer les circuits d'air d'alimentation, soutirage du tumulus et de fonctionnement neutre du four par recyclage ; le quatrième composant est un ensemble de ventilateurs à plusieurs étages de pales plongés dans les veines d'air chaud du four, chaque étage permettant suivant position des volets, soit de faire circuler l'air dans une strate du tumulus par sa pression propre, soit de faire circuler l'air dans les canaux principaux du four par addition des pressions indi viduelles de chaque étage ; le cinquième composant est un système énergétique de réchauffage de l'air circulant dans les canaux d'un type adapté à la nature d'énergie disponible tel que batteries électriques, brûleurs, tuyauteries d'échange "fluide caloporteur-air" ; le sixième composant est un système inverse de soutirage de calories à partir de l'air chaud et de charge du fluide calorifère de l'installation d'utilisation de l'énergie à l'aval du dispositif ; le septième composant est un ensemble de canaux intégré à l'épaisseur du deuxième composant et où circule de l'air de refroidissement pressurisé avec un débit tel que soit limité la température des éléments de ce deuxième composant à des niveaux où leur stabilité physique est assurée. Ce dispositif est par ailleurs remarquable parce que pour-certaines applications, il comporte en plus des composants définis ci-avant, trois composants complémentaires formant récupérateur d'énergie. Le premier composant complémentaire est une masse additive tampon de terres et graviers entourant l'enveloppe primaire et où circule un flux d'air chaud distinct du précédent alimenté épisodiquement par les déperditions à basse ou moyenne température ordinairement perdues d'appareils mécaniques ou thermodynamiques. Le deuxième composant complémentaire est une enveloppe isolante et imperméable dite secondaire entourant le premier composant complémentaire.Le troisième composant complémentaire est le système d'alimentation du tumulus complémentaire comprenant des ventilateurs d'air et eventuellement des batteries d'échange surfacique ou de transfert fixes ou mobiles transformant les énergies perdues sous forme de variations de niveau de température de l'air insufflé dans le tumulus. Le dispositif tend à remplacer les chaufferies de chauffage ou d'alimentations énergétiques industrielles classiques en remplaçant leurs caractéristiques de production instantanée par une utilisation différée sur une très longue période, de la chaleur produite. I1 permet d'écrêter en amont les pointes d'énergie appelées en aval et de charger le silo calorifique de préférence au moment où l'énergie est la moins coûteuse. Il permet aussi d'utiliser en périodes sans soleil ou vent, l'énergie solaire ou éolienne acquise aux autres périodes. Une forme d'exécution de l'invention est décrite ci-après à titre indicatif et nullement limitatif en se réfèrant aux dessins annexés. La figure I présente l'invention dans son ensemble avec un exemple de silo de chaleur enterré sous une place au milieu d'un îlot urbain sans système de récupération de chaleur. La figure 2 présente la meme invention avec système de récupération de chaleur. La figure 3 est une coupe de principe de l'enveloppe primaire avec ses principaux composants. La figure 4 est une vue de dessus, toiture enlevée, du four central. La figure 5 est une coupe horizontale du fût du four central dans sa partie enfouie. La figure 6 est une vue en perspective cavalière éclatée d'un des quatreéle- ments fonctionnels du four central. La figure 7 est un détail du ventilateur à organes creux. Suivant la figure 1, l'invention comporte un tumulus enterré de couches successives de terres et graviers, telles que la couche 1 ; cette couche 1 est for mée de sous-couches dont les proportions d'éléments fins, tels que sable et argiles,et grossiers, tels que graviers, varient en fonction de la porosité des sous-couches souhaitées pour guider l'air chaud et assurer un balayage homogène du tumulus ; les sous-couches 2 sont faiblement poreuses, les sous-couches 3 sont fortement poreuses et la couche 4 moyennement poreuse. Le tumulus de couches 1 est entouré sur la vue en coupe de la figure 1 par l'enveloppe 5 isolante et imperméable ; cette enveloppe est totalement enfouie sur la figure 1 sans que cela soit nécessaire dans toutes les applications.Le tumulus peut-être com partinenté en plan par des murs 29 et enserre l'ensemble du four central 16 qui, sur sa périphérie au contact des couches 1, comporte dans chaque compartiment du tumulus des perforations écrans 17 laissant passer l'air mais non les terres et graviers, par un choix judicieux de leur diamètre d'ouverture ; le corps du four est en matériau résistant aux fortes chaleurs telles que briques ou acier réfractaire ou revêtu ; ce matériau délimite des canaux de passage d'air chaud 18 isolables les uns des autres par des volets manoeuvrables 36 ; le ca nal principal est sensiblement vertical et reçoit par compartiment un ventilateur à entraînement par moteur 19, arbre 20 et étages de pales sucessifs 21 ; chaque étage 21 assure en rotation le brassage de l'air chaud dans les couches 1 à travers les perforations 17 ; de plus, l'ensemble des étages 21 établit une circulation d'air chaud dans les canaux 18 où l'air est guide en plus ou moins grande proportion suivant le degré d'ouverture des volets 36, et forme deux circuits de ventilation règlables parallèles ayant une branche commune qui est le canal du ventilateur ; un des circuits passe dans un canal où se trouve un élément de réchauffage 22 alimenté en énergie neuve par le feeder 23 venant de la source 24 ; l'autre passe par un échangeur 25 de calories avec l'air du tumulus; cet échangeur n'est représenté que sur la demi-coupe de gauche bien qu'il existe aussi dans la demi-coupe de droite où il est caché par le canal de l'élément 22, et il alimente le réseau d'utilisation de chaleur 26. L'enveloppe 5 de la demi-coupe de droite correspond à l'utilisation du dispositif sans système de récupération de chaleur et comporte des canaux de refroidissement li et 12 permettant de contrôler la température de l'enveloppe par insufflation annexe d'air ou d'eau. Suivant la figure 2 qui correspond à l'utilisation du dispositif avec récu pération de chaleur, l'enveloppe 5 est entourée d'une masse additive tampon 28 de terres et graviers où circule de l'air tiède 31 pulsé par le ventilateur 30 et d'une enveloppe secondaire isolante 15 avec étanchéité en surface. Cette masse additive ainsi chauffée réduit les déperditions du silo central 1 et augmente le rendement de l'ensemble. Selon la figure 3, l'enveloppe 5 peut-être constituée d'une alternance de couches de voûtains solides 7 en béton poreux étuvé ou en argile cuit avec dépouilles contrariées formant des vides Il ou 12 communiquant les uns avec les autres, de remplissages de matériaux très isolants et résistants à la chaleur 8 et 10, de couches aluminisées 9 renvoyant les radiations calorifiques de matériaux étanches à l'eau et à l'air 6, de supports de stabilité en mélange de sable, graviers et ciment 13. L'air pulsé par le ventilateur 30 circule dans les canaux 11 ou 12 et abaisse suffisamment la température pour assurer la stabilité des matériaux 10 - 9 - 8 - 6 et 13. Selon la figure 4, l'ensemble des appareils élastiques ou fragiles mobiles du dispositif est placé en surface à l'abri de la chaleur avec un puits central d'accès permettant d'entretenir et visiter les appareils inclus dans les canaux du four et les pompes d'épuisement 34 pour venues d'eau accidentelles. Selon la figure 5, il est compréhensible quelle silo peut-être scindé en compartiments autonomes découpés en plan par les murs 29 et possédant un élé- ment de four indépendant. De cette indépendance naît une grande sécurité d'utilisation puisqutil est possible d'intervenir en maintenance sur un compartiment sans stopper l'utilisation des autres. Selon la figure 6, le canal avec éléments de chauffage 22 et le canal avec éléments de sortie de chaleur du tumulus 25 sont parallèles et alimentés à travers les volets de règlage ou isolement 36 suivant une disposition permettant le démontage de tous les éléments. Sélon la figure 7, chaque ensemble ventilateur peut comporter un moteur ex térieur 19, un arbre creux 20 et des pales creuses 21 à travers lesquelles circule de l'air entrant par l'extrémité de l'arbre et sortant par les extrémités des pales par suite de la force centrifuge de rotation. Ainsi les éléments plongés dans l'air très chaud du four sont refroidis interieurement par l'air aspiré au bénéfice de leur longévité et la totalité da tumulus est mis en communica tion, sous pression de ce phénomène, avec l'atmosphère de ltexterieur.La La pres- sion est calculée de telle façon que les entrées d'eau provenant des nappes souterraines soient minimisées mais qu'en cas de dilatation brusque de l'air du silo ou d'entrée d'eau vaporisée, le courant puisse malgré tout s'inverser dans les organes creux pour empêcher que l'enveloppe supérieure ne se soulève. La figure I montre comment le dispositif principal peut être mis en application. La source d'énergie 24 est sollicitée aux heures où cette énergie est dis ponible et la moins coûteuse ; le système 22 réchauffe l'air chaud des canaux que le ventilateur principal distribue dans les couches 1 du tumulus de façon homogène ; l'air chaud elève la température des terres et graviers ; il peut aussi servir simultanément et directement de fluide caloporteur dans le canal de soutirage 25 au même instant, l'élévation de température du tumulus étant alors moindre. Les couches de graviers et terres du tumulus conservent leur énergie calorifique pendant très longtemps parce que l'enveloppe 5 est très isolante et parce que leur masse et leur capacité calorifique sont adaptées par le calcul à cette durée de conservation.Lorsqu'il est nécessaire de soutirer de l'énergie par le système d'échange 25, l'air chaud qui circule dans ce canal est refroidi en traversant ce système, mais par son mélange continuel dans le canal des ventilateurs à étages avec les circuits d'air des couches 1, il emprunte de la chaleur aux terres et graviers du tumulus dont la température s'abaisselentement. En fonction de l'importance de la réserve énergétique constituée par la capacité calorifique du tumulus il devient possible de faire le soutirage à une température acceptable, d'autant plus longtemps après la charge que la température des terres et graviers a été portée à un haut niveau par le système 22. La figure 2 montre comment fonctionne le dispositif annexe en se référant au fait qu'en général on dispose d'énergie principale de source 24 à bon marché en même temps que de l'énergie ordinairement perdue parce que rejetée à température assez basse, est disponible. Quand l'air 31 réchauffé par cette énergie de récuDération, échauffe les graviers et sables 28, la température à l'exte- rieur de l'enveloppe 5 est plus forte que stil n'y avait pas de masse-tampon le flux de chaleur traversant 5 est donc réduit et on conserve donc la chaleur à haut niveau énergétique du tumulus 1 plus longtemps, comme si la valeur isolante de l'enveloppe 5 était majorée. Si le flux à travers 15 est inférieur à celui à travers 5, la température de la masse-tampon 28 augmente et la chaleur de cette masse peut-être utilisable plus tard en sens inverse sur le réseau 34 33 ; dans ce réseau,34 est un réseau de transport de calories d'eau chaude ou d'air chaud, 33 un échangeur entre l'air 31 et ce fluide. On dispose ainsi d'une double possibilité d'alimentation différée à l'aval du tumulus de chaleur. Les formes, les dimensions, les dispositions relatives des différents éléments pourront varier dans la limite des équivalents, comme d'ailleurs les matériaux utilisés sans changer pour cela la conception générale de l'invention qui vient d'être decrite. REVENDICATIONS 10- Dispositif formé d'un tumulus de terres et graviers naturels chauffés par air chaud circulant entre leurs grains, entouré d'une enveloppe isolante et étanche en couches composites de matériaux s'opposant aux transmissions calorifiques par convection ou conduction et rayonnement, et étanches à l'air et à l'eau,dont tout ou partie est au contact du sol naturel, qui emmagasine l'éner- gie calorifique sous forme de chaleur sensible contenue dans les matériaux du tumulus même à des températures très élevées pour la restituer après un délai variable et qui diminue les pertes de chaleur par transmission vers l'extérieur. 20- Dispositif selon la revendication 1 dans lequel les terres et graviers sont mis en place par couches successives de granulométries variées et présentant des porosités différentes au passage de l'air chaud et qui permet de guider l'air chaud vers les points les plus éloignés du dispositif. 30- Dispositif selon les revendications 1 ou 2 dans lequel l'enveloppe isolante et étanche comporte aussi des canaux internes emplis d'un fluide en circulation qui permet de maintenir ou d'abaisser la température de tout ou partie de l'en- veloppe pour assurer la durabilité du dispositif. 40- Dispositif selon les revendications 1, 2 ou 3 qui comprend en position interne au tumulus un four à structure solide avec plusieurs canaux de circulation d'air chaud réunis à leurs extrémités et dont l'un comporte un système de mise en circulation de l'air chaud en circuits fermés, d'une part dans le tumulus à travers des perforations de ses parois, et d'autre part dans les autres canaux du four à travers éventuellement des organes de réglage de passage de l'air chaud. 50- Dispositif selon la revendication 4 qui comprend dans l'un des canaux du four un système d'échauffement de l'air chaud à partir d'une source d'énergie quelconque par échanges calorifiques de surface ou par combustion ou par mélange. 60- Dispositif selon la revendication 4 qui comprend dans l'un des canaux du four un système de refroidissement de l'air chaud circulant dans ce canal, permettant de soutirer l'énergie calorifique emmagasinée dans les matériaux du tumulus, dans les matériaux du four et dans l'air chaud les baignant, et de la transférer dans un autre fluide, qui peut-être l'air ou l'eau ou la vapeur ou tout fluide stable à la température d'échange, circulant dans un réseau d'utilisation. 70- Dispositif selon la revendication 4 qui comporte dans l'un des canaux un ventilateur pour la mise en circulation de l'air chaud avec plusieurs étages de compression de l'air, chaque étage assurant séparément le mouvement de l'air dans une tranche d'épaisseur du tumulus de terres et graviers. 8 - Dispositif selon la revendication 4 qui comporte dans l'un des canaux un ventilateur de circulation de l'air chaud dont les organes axiaux et mobiles sont refroidis par un courant interne d'un fluide de refroidissement s'échappant ou non dans l'air circulant dans le tumulus. 90- Dispositif selon la revendication 1 dans lequel l'enveloppe isolante est exécutée en deux épaisseurs distinctes et séparées par une masse additive tampon de terres et graviers entre les grains desquels circule un courant d'air distinct du circuit du dispositif principal et branché sur un système de récupération d'énergie de chaleur.