Brevet FR2441840A1 — publié le 19800613

La présente invention concerne un dispositif et un procédé pour tester un forage d'un projet d'installation géothermique de climatisation. Dns une installation classique, la puissance calorifique disponible pour assurer la climatisation d'un local ou analogue est celle d'une chaudière dont les paramètres ont été choisis en fonction : du volume à climatiser; de l'exposition du local; de la nature des murs (isolés ou non); de la surface des ouver turnes. le chauffagiste définit simplement, à partir d'abaques, le nombre et la puissance de radiateurs ou dispositifs de climatisation nécessaires, donc la puissance de la chaudière. Dans le cas d'une installation géothermique, la source de chaleur est constituée par des échangeurs géothermiques mis en place dans des trous forés dans le sol. Si l'on désire fournir à l'installation une puissance calorifique donnée, il faut con nsttre la puissance capable d'être cédée par un type de terrain au niveau d'un forage, afin de déterminer le nombre de finages nécessaires. La présente invention a pour but de présenter un dispositif simple et un procédé de mesure du nombre de calories qui peuvent Strie cédées (ou absorbées) par unité de temps, par un trou foré dans un type donné de terrain. Un dispositif de mesure selon l'invention est caractérisé on ce qu'il comprend une capacité calorifugée contenant un fluide qui circule le long d'un trajet fermé sur lequel est intercalé le trou à mesurer, un échangeur thermique étant mis en place dans ce trou, alors qu'une source de chaleur ou de froid, dont la puissance est connue, est branchée sur un circuit isergé dans la capacité, pour créer un échange tbermique entre le circuit de la source connue de chaleur et le circuit de fluide circulant dans la source de chaleur constituée par le terrain Suivant une caractéristique supplémentaire, des thermomètres sont placés sur le circuit de fluide du trou, à l'entrée et à la sortie du la capacité. Suivant une caractéristique supplémentaire, un tube capillaire ouvert à son sommet est mis en place à la partie haute de la capacité, le bas de ce tube dépassant à l'intérieur de ladite capacité, pour transmettre les variations de niveau de fluide. Un procédé pour mesurer la puissance calorifique disponible au niveau d'un forage dans un type donné de terrain, met en oeuvre le dispositif de l'invention , et il consiste à réaliser les opérations suivantes - mesure de la température de la terre au fond du trou - mise en place dé l'appareil et circulation du fluide le long du trajet comprenant la capacité calorifugée et le trou,jus qugà obtenir un régime permanent - mesure de la température au fonds du puits - mesure de le puissance cédée(ou absorbée) par le forage en régime permanent - tracé de la courbe de puissance en fonction de la différence des températures de la terre et du puits, sachant que la forme générale de cette courbe est connue, alors que, par ail- leurs, elle passe par l'origine des axes de coordonnées Suivant une caractériqtique supplémentaire, la puissance calotifique fournie (ou absorbée) par le forage est mesurée par la puissance dissipée dans la capacité par la source connue de froid (ou de chaleur). Suivant une autre caractéristique, les fuites éventuelles de fluide dans le trou foré dans un sol particulier sont détectées par la variation de niveau de fluide dans le tube capillaire. Suivant une autre carectéristique, on petiot établir un seul régime permanent, lequel donne un point de la courbe de puissance que l'on trace par extrapolation. Cette courbe permet de dé- terminer par une simple mesure de températures le régime qui permet de fournir, par échange géothermique, une puissance donne pout un type de terrain, ceci sans étude géologiques du sol où doit être montée une installation géothermique de climatisation. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, permettra de mieux comprendre les caractéristiques de l'invention. Fig. 1 est une vue schématique en coupe d'un dispositif selon l'invention. Fig. 2 montre la courbe de puissance obtenue par mesure d'un seul point. Fig. 3 est une variante de le figure 1. Avant de réaliser les forages, la mise an place et les branchements des échangeurs thermiques d'une installation de climatisation à pompe de chaleur géothermique, du type de celle décrite dans le brevet Français NO 2.236.153, aux noms des présents Demandeurs, il faut connattre le nombre de calories qui peuvent être cédées par un forage réalisé dans le terrain qui constitue la source de chaleur essentielle de l'installation. On a tracé, à la suite d'essais systématiques, des diagram- mes donnant lawpaissance calorifique"dn terrain donné. On a constaté que tous ces diagrammes fournissaient des courbes de m8me allure, quelle que soit la nature du terrain, Par contre, il est évident que la qualité de i!échange thernique au niveau d'un forage varie avec les particularités du sol. Par conséquent, tout en conservant la même forme, les courbes présentebt des pentes différentes suivant le type du terrain. Les courbes sont tracées avec, en abscisse, la différence température moyenne du forage (en régime permanent de fenction- nement) moins température de la terre. Elles ont donc toutes un point commun, à savoir l'origine des coordonnées . Eh effet, l'échange thermique dans le ferage,entre le sol et un fluide circulant dans ce feraga,est nul si les deux températures sont égales et la puissance cédée pu absorbée par le fluide est nulle. Le dispositif de l'intention permet de se placer sur une des courbes pré-établies on évitant toute recherche géologique qui devrait tenir compte d'un nombre important de paramètres. On a représenté sur les figures 1 et 3 un dispositif qui comprend une capacité ou ballon 1, calorifugée par un matériau isolant 2. Un fluide caloporteur 3 remplit la capacité 1 et un circuit 4, fermé, sur lequel sont intercalés une pompe 5 de circulation (ou un débitmètre), un changeur 6 et des thermomètres 7 et 8 placés respectivement près de l'une et de l'autre des deux ouvertures 9 et 10 de communication entre le circuit 4 et le ballon 1. Une canalisation 11, par exemple an forme de U ou de serpentin est immergée dans le fluide 3 du ballon 1. Elle transporte, par exemple, un fluide réfrigérant 12 (fig. 1) qui est produit par une source de chaleur (non représentée) de puissance connue. Dans le canalisation 11 peut être logée une résistance 13 (fig. 2) Par ailleurs, la partie haute du ballon est munie d'un tube capillaire 14 ouvert à son sommet lequel est extérieur au ballon, alors que sa partie basse est située à l'intérieur du ballon et peut plonger dans le fluide 3. Bien entendu, cette réalisation n'est donnée qu'à titre d'exemple. Les thermomètres peuvent être remplacés par des capteurs quelconques de température. La forme du ballon, la dispo sition de la résistance 13 ou du circuit réfrigérant 12 peuvent être modifiées. L'échangeur 6 est mis an place dans un trou 15 foré dans le terrain 16 dont on désire mesurer la puissance calorifique", c'est--dire son aptitude à fournir ses calorie au fluide 3. L'échangeur 6 comporte, par exemple, une arrivée axiale 17 et un retour 18 annulaire pour le fluide 3, la communication se faisant au fond du trou, en 19 (fig1 1 et 3). La mise en oeuvre de cette machine permet, par la mesure de températures, de déterminer la valeur calorifique du terrain sans connattre celui-ci et sans avoir à étudier les différentes couches traversées par le forage. On procède de la manière suivante Après avoir foré le trou 15 (profond-ur : quelques mètres diamètre t quelques dizaines de centimètres), on mesure la tem pérature T t de la terre au fend du trou. On mat ensuite l'échangeur 6 en place dans le forage, on remplit de fluide 3 le ballon 1 et le circuit 4 et on actionne la pompe 5. Le fluide 3 circule suivant les flèches 20 et 21. On fournit, par la source de chaleur (ou de froid) annexe, des calories (ou des frigories) au ballon 1, à l'intérieur duquel se fait un échange thermique. Les températures d'entrée 8 et de sortie 7 du fluide 3 dans le ballai 1 sont différente l'une de l'autre. Par exemple, dans le cas d'un fluide 12 de réfrigération, le liquide 3 arrive froid dans l'échangeur enterré 6. I1 s'écbaufge en prélevant des calories terrestres et il revient chaud, en 10, dans le ballon 1. La puissance calorifique fournie par le trou 15 est égale, aux pertes près, à la puissance frigorifique connue produite par le réfrigérant 12. Un régime permanent d'équilibre est atteint lorsque - le débit de liquide 3 est constant (la pompe tourna à vitesse constante) - les températures T1 et T2 mesurées à l'entrée et à la sortie du ballon ne varient plus sensiblement. On mesure alors la température T en fond d'échaneur: c'est la température moyenna du forage 15 pour un régime donné. On peut alors déterminer un point sur le diagramme de la fig. 2, connaissant son abscisse (Te T Tt) et son ordonnée P (puissance fournie par la source immergée dans le ballon). On obtint, par exemple le point 25 d'une courbe dont on connatt un autre point, à savoir le point 0. Par extrapolation, et à partir des abaques préétablis, on détermine la courbe de puissance pour le terrain étudié, soit la courbe 26. Bien entendu, on pourrait préciser cette courbe en réalisant un autre régime permanent, par exemple en diminuant la tem pérature T . Mais on voit qu'on est très vite limité. En effet, e on doit avoir,le plus souvent, Te > OOC , alors que Tt est, sauf exception, voisine de 5 à lO0C. La courbe en traits mixtes(courbe 27) correspond à un sol gorgé d'eau, ce qui facilite les échanges au niveau du forage et augmente la puissance disponible. La courbe en traits interrompus 28 correspond à un rocher sec. La courbe 26 en traits pleins correspond à un terrain intermédiaire. La figure 3 montre le fonctionnement réversible de la machine de mesure: on fournit de la chaleur au fluide 3 dans le ballon 1. La température d'arrivée T2 dans l'échangeur est, ici, plus grande que la température T1 d'arrivée dans le ballon le forage cède de la chaleur dans le sol. Par ailleurs, on peut détecter (et m8me, éventuellement, mesurer) les fuites qui se produisent à l'intérieur du forage. Si le sel est perméable, le liquide 3 peut s'écouler dans le terrain lors de son passage dans l'échangeur enterré 6 (comme indiqué par les flèches 30 de la figure 3). Le niveau de liquide 3 dans le ballon diminue. Cette variation de niveau est amplifiée par le tube capillaire 14 qui pourrait aussi être un tube fin incliné et, éventuellement,gradué. La base du tube 14 est initiallement immergée dans le liquide 3 du ballon. Par capillarité, le liquide monte dans ce tube jusqu'à un niveau 29 (fig. 1). En cas de fuites 30, le niveau 29 varie avec la profondeur d'immersion du tube 14 qui peut même émerger, comme illustré en figure 3, si les fuites sont importantes. La machine de l'invention permet ainsi de déterminer si le forage doit être gatné ou chemisé, et ceci dans chaque cas particulier de terrain et/ou de type d'installation. Parmi les principaux avantages du dispositif et du procédé de l'invention, on peut noter - la possibilité de déterminer rapidement et à peu de frais le nombre et la profondeur des forages nécessaires dans un terrain donné pour fournir (ou évacuer) une puissancecelorifique suffisante pour une installation de chauffage et de climatisa- tion dont le-s caractéristiques sont définies de manière habituelle (site, volume à climatiser, températures minimale et maximales, exposition du local ou analogue..) - la possibilité d'utiliser un forage test, c'est-à-dire un trou de profondeur suffisante pour définir la température (sensiblement constante) de la terre1 sans cependant réaliser un forage trop profond qui, dans certains terrains, pourrait être onéreux ; ; - la faculté de réaliser un projet d'installation en réduisant sensiblement le cot de ce projet et les risques d'erreursqui pourraient amener à réaliser une installation soit surdimensionnée, soit insuffisante REVENDICATIONS 1. Dispositif pour tester et mesurer les qualités deuh forage d'un projet d'installation géothermique de climatisation, carac tersé en ce qu'il comprend une capacité ou ballon calorifugé qui contient un fluide qui circule le long d'un trajet compr-- nantlo trou foré à tester et mesurer, alors qu'une source de chaleur ou de froid , de puissance connue, est branchée sur un système immergé à l'intérieur de la capacité pour y créer us échange thermique, un autre échange thermique se réalisant à l'intérieur du trou foré dans u4 terrain qui constitue une sour- ce de chaleur géothermique, tandis qu'enfin des moyens de mesure de températures sont prévus pour déterminer le puissance calorifique qui est dispoenible dans le trou ou forage. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que des moyens de captage de températures, par exemple des ther momètres ou des sondes sont placés,d'une part, sur le circuit de fluide, à l'entrée et à la sortie de la capacité et, d'autre part au fond du trou ou d'un échangeur géothermique mis en place dans ce trou. 3. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'un tube fin, par exemple un tube capillaire, est monté à travers la paroi haute dô la capacité, le sommet de ce tube étant situé à l'extérieur, alors que le bas du tube est à l'intérieur de la capacité, les deux extrémités du tube étant ouvertes. 4. Procédé pour mesurer, par la mise en oeuvre du dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, le nombre de calories horaires susceptibles d'être fournies ou cédées par le trou foré dans un type donné de terrain, caractérisé en ce qu'on réalise les opérations successives suivantes -mesure de la température de la terre au fond du trou - mise on circulation du fluide le long du trajet comprenant la capacité calorifugée et le trou, et mise en route du système immergé et de puissance connue, jusqu'à obtenir un régime perma nuent - mesure de la température au fonds du trou, donnant la température du forage en cours de fonctionnement - mesure de la puissance cédée ou absorbée par le forage;; - tracé de la courbe de puissance en fonction de la différence des températures de la terre et du forage, cette courbe passant par l'origine des coordonnées et par au moins un point déterminé par les masures faites en régime permanent. 5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'on détermine la puissance calorifique fournie (ou absorbée) par le forage an mesurant le puissance dissipée par la source connue de froid (ou de chaleur) à l'aide du système d'échange thermique, logé à l'intérieur de la capacité et immergé dans le fluide que l'on fait circuler dans le forage et la capacité. 6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que, connaissant l'allure générale de la courbe de puissance, on trace cette courbe on établissant un seul régime permanent, lequel fournit un point de la courbe qui passe par l'origine des coordonnées et qu'on trace par extrapolation. 7. Procédé suivant les revendications 4 et 5, caractérisé an ce qu'on établit plusieurs régimes permanents différents les uns des autres, on ajustant la puissance dissipée à l'intérieur de la capacité, ai bien qu'on obtient plusieurs peines de la courbe de puissance qu'on peut ainsi tracer avec une meilleure précision. 8. Procédé pour détecter, par la mise en oeuvre du dispositif suivant la revendication 3, des fuites entre le sol et le forage, caractérisé en ce qu'il consiste à observer les variations de niveau de fluide à l'intérieur de la capacité, cas variations étant amplifiée et vues par l'intermédiaire du tube capillaire ouvert à son sommet et dont on immerge la bas dans le fluide qui circule dans la trou.