Brevet FR2431004A1 — publié le 19800208

La présente invention concerne un procédé destiné à faciliter et accélérer les opérations pour la mise en place dans le sol d'un échangeur thermique d'une installation de climatisation par prélèvement de calories terrestres. On sait que dans de telles installations, dites " & effet de sol", la chaleur terrestre est prélevée au niveau d'un ou plisseurs puits de quelques mitres de profondeur et quelques dizaines de centimbtres de diamètre. Pour forer de tels puits, il=~est inutile de mettre en oeuvre des appareillages lourds du type de ceux utilisés pour les forages pétroliers Par contre, les forages classiques présentent des inconvénients, en particulier lorquton doit les effectuer en terrain meuble, s'é- boulant facilement (alluvions, sable, gravier ou analogue). On est en effet obligé de faire suivre l'outil de pénétration par un tube destiné à retenir l'éboulement des parois.Ensuite, on retire l'outil, puis on met en place l'échangeur dans le forage. Enfin, il faut encore retirer le- tubage extérieur0 On comprend que cette méthode est relativement lente (pénétration de l'outil ralentie par le tubage, nombre important d'opérations successives) et met en oeuvre un matériel plus important que pour le forage dans un terrain compact, par exemple du rocher, qui ne saboule pas en cours de forage. On notera cependant que les méthodes connues de forage dans le rocher comportent des opEra- tions successives de forage, de retrait de l'outil, de mise en place d'un échangeur et d'établissement d'un échange thermique efficace entre l'échangeur et le sol, par coulée d'une boue ou analogue. La présente invention a pour but d'éviter ces inconvénients en proposant une méthode nouvelle de forage, notamment pour les terrains meubles, pour assurer, simultanément, la pénétration d'un outil et la mise en place dans le trou du tube d'échange géo-thermique de l'échangeur Un procédé pour mettre en place, selon l'invention, un échangeur gRo-thermique dans un forage d'une installation de climatisation est caractérisé en ce qu'il consiste & forer un trou en agissant sur un outil à l'aide d'un marteau au moins, et à tuber, à l'avancemeBt de outil, le trou an cours de forage, par au moins un élément de l'échangeur thermique lui-meme qui se trouve ainsi en place en myome temps que l'on termine le forage. Suivant une caractéristique supplémentaire, le tubage est constitué par un échangeur sans fond, tandis qu'après avoir retiré l'outil, on met en place un bouchon en fond d'échan- geur, par exemple on polymérisant une résine ou en coulant des boues collotdales Suivant une autre caractéristique, on réalise le fond de l'échangeur en utilisant outil constitué par une pièce massive préfabriquée en forme d'ogive et adaptée à un butoir destiné à recevoir la poussée et les chocs du marteau "fond de trou", tout en assurant l'étanchéité du fond d'changeur, pour un terrain meuble . Suivant une caractéristique supplémentaire, le forage est incliné sur l'horizontale. Un échangeur géothermique mis on place selon le procédé de l'invention est caractEris en ce qu'il comprend - le tubage du forage, mis en place à l'avancement de l'ou- til de pénétration - un bouchon de fond ; - un autre tube, généralement axial, introduit après le re-trait des matériels de forage, communicant avec le tubage échangeur pour permettre la circulation d'un fluide caloporteur, l'échangeur étant relié, d'une manière quelconque connue, & une installation de climatisation. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, permettra de mieux comprendre les caractéristiques de l'invention. Fig. 1 montre, en section axiale, un procédé selon l'invention pour forer un trou et mettre en place un échangeur. Fig. 2 illustre l'echangeur obtenu. Fig. 3 est une section III-III (fig. 2),agrandie, de lwéchan- geur. Fig. 4 illustre une variante du procédé, particulièrement adaptée aux terrains meubles. Fig. 5 outre une variante de réalisation d'un outil-bouchon. Sur le dessin, on a volontairement exagéré les diamètres du trou et du tubage par rapport aux longueurs, afin de clarifier les figures. On sait que, pour ce type d'installations thermiques, la longueur d'un trou est de 8 à 50 mètres, alors que le diamètre est cOmpris entre 10 et 50 ceBtimètres La figure 1 illustre le forage d'un trou 5 dans un sol compact 1 ne s'éboulant pas (rocher).On utilise un outil 2 qu'on enfonce à l'aide d'in marteau 3 qui subit des impacts verticaux (flèche 10) et un mouvement de rotation (flèche ii). Le marteau, par exemple pneumatique, est soit au fond du trou (figure 4), soit hors du trou (figure 1) pour agir sur ltextrómité supérieure dépassante 4 de barres disposees entre lsoutil 2 et le marteau Le forage 5 est tubé à l'avancement de l'outil par le tube enveloppe extérieur 9 de l'échangeurthermique 6. Ce tube échangeur 9, directement mis en place, est ouvert à ses deux extrémités, son extrémité inférieure étant munie d'un embout 7, dur et résistant aux chocs, capable de s'enfoncer dans le sol (par exemple de la roche) en meme temps que l'outil.Par ailleurs, le diamètre de l'outil est au plus égal au diamètre intérieur minimal du tÈbe 9, pour permettre de sortir l'outil en fin de forage. Le contour périphérique du tube enveloppe-9 de l'échangeur peut être de forme variée quelconque, par exemple étudiée pour augmenter la surface de contact de l'échangeur avec le sol, sans augmenter le diamètre du forage. Un tel contour est illustré, à titre d'exemple, sur la figure 3 où l'on voit plusieurs portions longitudinales adjacentes limitées par des parois concaves. Bie; entendu, la section et le profil du tube 9 ne sont pas limités à cette forme. En particulier, les surfaces d'échange entre le tube échangeur et le sol peuvent eatre de forme hélicoI- dale ou de toute autre forme assurant un mailleur échange thermique entre le sol 1 et le tube 9. La figure 2 illustre l'échangeur complet. Lorsque le forage est terminé, le tube 9 est au fond du trou. On peut alors retirer I'outilfét réaliser un bouchon 12 de fond d'échangeur, par exemple par injection de boues colloidales ou de résines durcissables pour fermer le fond du tube 9 de l'échangeur 6. Enfin, la dernib- re opération avant 1 + ise en service consiste à placer le tube intérieur 8 d'arrivée du fluide caloporteur et, bien sflr, à raccorder les sommets des tubes 8 et 9 à l'installation de chauffage ou de climatisation. Le trou est alors prat à titre utilisé comme échangeur thermique entre l'installation et le sol. Le procédé de forage et de tubage tel que décrit précédem- ment est valable en terrain stable aussi bien qu'en terrain meu ble Cependant, lorsque le sol s'éboule facilement, on peut adopter le procédé et les appareils décrits aux figures 4 et 5, en variante. Cette variante consiste à réaliser les opérations suivantes a) on préfabrique une pièce 20 en forme d'ogive lisse, destinée à pénétrer dans la terre sous l'impact des chocs du marteau 3 qui est, ici, immobile en rotation. La partie supérieure de la pièce 20 présente une portion centrale 19 en saillie, destinée à s'adapter à la tête du marteau "fond de trou" b) on fixe de façon étanche la pièce 20 à la base d'un tube 21, lequel vient en appui sur la surface supérieure 18 de l'ogive, autour de la saillie centrale 19, le diamètre de l'ogive étant légèrement supérieur au diamètre du tube échangeur 21, ce qui permet de réduire les frottements de la terre contre les parois externes dudit tube au cours de la pénétration de l'ensemble ogive-tube ;; c) on enfonce l'ensemble ogive 20-tube 21 dans le sol à l'aide d'un marteau 3 "fond de trou" qui agit sur la partie supérieure 19 de l'ogive uniquement par des chocs en translation , l'ogive jouant le rele de l'outil de pénétration (fig. 4) d) au fur et à mesure que l'ogive 20 s'enfonce, on comprend qu'on réalise simultanément le forage d'un trou et son tibage directement par le tube échangeur 21, lequel est en contact intime avec le terrain qui s'éboule e) le trou étant foré et le tube échangeur "enveloppe" 21 en place, il suffit alors de retirer le marteau 3, puis de placer, jusqu'à quelques centimètres du fond (constitué par l'ogive 20), un tube intérieur 22 pour l'arrivée de fluide caloporteur. Le trajet de ce fluide est illustré par les flèches 23 (figure 2). Cette technique de forage par fonçage (chocs verticaux uniquement) et non par usinage (chocs plus rotation) peut aussi store employée avec le dispositif illustré en figure 5. La pièce destinée à constituer le fond d'échangeur comporte une partie avant en ogive 24 définissant le profil de la partie "outil" et une forme arrière 25, annulaire, Un tube en matériau plastique est logé, à sa base fermée, à l'intérieur de l'anneau 25. Un butoir en acier est introduit dans le tube plastique 26, en appui contre le fond, ce butoir 27 encaissant les chocs du marteau. Enfin, on peut intercaler des feuilles de plomb ou analogue, entre les faces en contact du butoir 27, du fond du tube 26 et de la face arrière de l'ogive 24. Ces feuilles, par exemple 28 et 29 encaissent les chocs et les répartissent sur le plastique. L'étanchéité entre le bouchon-ogive et le tube en matière plastique est parfaite. On notera que, comme dans le cas du procédé décrit en regard des figures 1 à 3, le forage par fonçage d'un outil-bouchon assure, en mSÈe temps,la mise en place dans le trou du tube échangeur de l'échangeur géothermique. Biep entendu, o; ne sortirait pas du cadre de lt-invention en apportant des modifications de détail à la structure de l'é- changeur-tubage ou en adaptant le procédé de mise en place soit à la nature du terrain soit aux matériels de pénétration. L'avantage essentiel est d'autoriser une mise en place accélérée de l'échangeur dans le sol, tout en assurant une étanchéité parfaite -au niveau du bouchon de fond et en améliorant le rendement de l'échange thermique grftce au contact intime créé entre le sol et les parois exÉérieures de l'échangeur. Toute solution permettant d'augmenter la surface d'échange géothermique fait partie de l'invention (contours extérieurs allongés du tube (par exemple, profil hélicoÏdal) ; multiplication du nombre de départs et 44 arrivées de fluide ; forage inclin, facilitant la circulation naturelle de l'eau du sol ). REVENDICATIONS 1. Procédé pour mettre en place dans le sol un échangeur géothermique notamment destin i constituer une source de chaleur d'une installation de climatisation, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser simultanément le forage d'un trou et son tubage directement par le tube extérieur "enveloppe" de l'échangeur, ce tubage étant réalisé à l'avancement de l'outil de pénétration, si bien que l'échangeur est en place dans le sol en même temps qu'on termine le forage. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise les opérations suivantes - forage-tubage avec un tube échangeur sans fond - retrait de l'outil - mise en place d'un bouchon de fond d'échangeur, par coulée d'une résine polymérisable, de boues collofdales ou analogues - introduction d'un tube intérieur, disposé pour communiquer avec l'intérieur du tube extérieur, et constituant l'arrivée de fluide caloporteur. 3. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on réalise le forage-tubage en appliquant à l'outil des chocs verticaux d'enfoncement et un mouvement de rotation. 4. Procédé suivant la revendication 1, adapté pour le travail dans un terrain meuble qui s éboule, caractérisé en ce qu'il consiste å réaliser les opérations suivantes - préfabrication dtun outil-bouchon, présentant, de préfOren- ce, un contour en forme d'ogive lisse - liaison de cet outil à la base du tube échangeur à mettre en place,çette liaison étant étanche - enfoncement de l'ensemble ogive-tube à l'aide d'un marteau fond de trou qui frappe sur la partie supérieure de l'ogive - retrait du marteau et de ses moyens de commande, par exemple pneumatiques mise en place d'un tube intérieur pour l'arrivée de fluide caloporteur, ce tube étant disposé de façon à communiquer, par se partie basse, en fond de forage, avec le tube échangeur extérieur, en contact intime avec le terrain. 5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications pré cédantes, caractérisé en ce quion réalise un forage incliné d'un angle quelconque par rapport à la vertisale, pour augmenter la surface d'échange, améliorer la circulation naturelle du ou des fluides et, ainsi, faciliter l'échange géothermique. 6. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'on utilise un tube échangeur extérieur,en matière plastique, fermé à son extrémité inférieure qu'on loge dans une forme tubulaire prévue à la partie arrière de l'outil de pénétration en forme d'ogive lisse pointue vers l'avant, tandis qu'on fait agir le marteau sur un butoir rigide logé à l'intérieur et au fond du tube plastique. 7. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications là 3, caractérisé en ce qu'il comprend un outil-trEpan sur lequel agit un marteau pneumatique disposé soit bora du trou soit en fond de trou, et un système provoquant la rotation de l'outil qui présente un diamètre extérieur légèrement inférieur au diamètre interne minimal du tube échangeur extérieur. 8. Echangeur géothermique mis en place dans le sol par le procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte le tube extérieur échangeur mis en place à ltavancement de l'outil, un bouchon de fond d'échangeur et un tube intérieur pour définir au moins une arrivée et un départ de fluide caloporteur, la communication entre les deux tubes étant réalisée près du fond du trou, alors que la forme extérieure du tube échangeur est prévue pour entre en contact intime avec le sol et présente un contour ou profil tpurmenté, pour augmenter la surface d'échange géothermique. 9. Echangeur suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la paroi externe du tube échangeur est, par exemple, prévue avec des profils longitudinaux à parois concaves, ou réalisée pour définir un trajet hélicoïdal 10. Echangeur suivant l'une quelconque des revendications 8 ou 9, réalisé par la mise en oeuvre d'un procédé suivant l'inde quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé eh ce que le bouchon de fond est constitué par l'outil de pénétration en forme dtogive, dont le diamètre externe est légèrement supérieur au plus grand diamètre du tube extérieur do ltéchangeur, tandis que l'outil est fixé de façon étanche à la base du tube extérieur qui peut être soit un tube rigide ouvert, soit un tube fermé, en matière plastique.