Brevet FR2455717A1 — publié le 19801128

L'invention a pour objet un système de stockez saisonnier de la chaleur utilisant le sol naturel comme support de stockage,d-vers di positifs de mise en charge du stockage et de récupération de le chaleur, ainsi que l'application de ce système au chauffage des locaux par capteurs solaires. La réalisation d'un chauffage essentiellement solaire n'est généralement pas rentable du fait que l'apport solaire est minimal au moment où le besoin de chauffage est maximal. Un chauffae solaire sans appoint important d'une autre énergie exige donc: -soit une très grande surface de capteurs, solution inesthétique, trop onéreuse,dans laquelle les capteurs sont utilisés à moins de 30 % de leur capacité,ce qui conduit à renoncer à la solution; - soit la réalisation d'un stockage saisonnier par un des procédés connus (eau,fluides divers,cailloux,chaleur latent; de certains produits etc...),méthode couteu:e à l'installation et souvent même à l'exploitation par suite des pertes de chaleur du stockage. La présente invention pallie ces inconvénients. Elle est applicable à tous les types de locaux,la description qui suit étant basée sur un exemple simple pour la clarté de l'exposé. I1 est nécessaire de rappeler,avant la description, quelques données relatives aux migrations de la chaleur dans les sols courants. L'exemple qui suit est destiné à montrer certaines caractéristiques de ces migrations. Un réservoir d'une capacité de 6 à 7 mêtres cubes, de forme cylindrique (diamêtre 2 m.) ayant un fond inférieur de forme hémisphèrique contient de l'eau dont la température T est maintenue constante,par exemple à 500C.I1 est en contact intime avec le sol par sa seule partie hémisphérique,sans isolation dans cette partie.Le sol est supposé normal avec une température moyenne de 10 C à un mettre de profondeur,une chaleur volumique de 0,5 Kcal/àm3 C, une conductivité de 1,5 Kcal/h m2 m C et il est admis qu'une isolation convenable de la surface du sol rend négligeables les pertes de chaleur vers l'atmosphère. Dans ces conditions, le champ thermique existant dans le sol évolue et les surfaces d'égale tempe rature sont des hémisphères dont le rayon croit sans cesse.Le rayon R de l'hémisphère constituant, chaque instant,la limite du champ ainsi créé,la quantité de chaleur Cintro@uite dans ce champ (au dessus de 10 C), et le fluez F de chaleur émis par le réservoir varient avec le temps. Si des valeurs de R de l'ordre de 3 c 5 m. sont atteintes rapidement,en 10 puis 40 jours,gråce à un flux horaire F initialenent très elevé,mais qui s'abaisse rapidement à moins de 500 Xcal/h,la quantité de chaleur C stockée reste faible et inférieurs à 1 Gcal.La progression devient ensuite de plus en plus lente,et,pour atteindre R = 10 ou 15 m., ele pourra durer des mois,voire plus d'un an,le stockage devenant airs très important ( de 2 à 5 Gcal.). Si le réservoir cesse d'être alimenté en chaleur lors que le rayon R est de l'ordre de 10 par exemple,le quantité de chaleur C ne varie plus que faiblement (grace au refroidissement du réservoir),le rayon R continue à staccroitre,mais la dispersion de la chaleur est très lente R = 15 n'étant atteint qu'au bout de nombreux mois. On remarquera que la répartition des températures est telle que seules les zônes procnes du réservoir sont à une temprature relativement élevée ( 350 à 0,50 ou 280 à 1 m. du réservoir).A 4m. (R=5), la température tombe à 15 C.A 10 m. elle est comprise entre 11 et 12 C. On remarquera en outre que lorsque le rayon atteint 15 m. la profond température étant alors de l'ordre de 10,5 le sol est déja normalement à ce niveau par suite du degré géothermique normal, 30C/100m.,soit environ 0,45 C pour 15 m.Le champ ne progresse donc plus eE profondeur. L'invention tient compte de ces considérations. La chaleur solaire (ou de toute autre origine) est stockée dans le sol situé au dessous des batiments à chauffer ( au dessous des caves ou du vide sanitaire) le centre du stockage étant placé en un point aussi central que possible des locaux à cheuffer.La température normale de l'air au dessus du stockage serait normalement de l'ordre de 10 C,dans un pavillon habituel.Elle sera ici légèrement plus élevée,par suite de l'existence du stockage.11 en résulte que les échanges seront très faibles,avec le sol.Au centre du stockage,sur une surface réduite il se feront dans le sens stockage/sol.A la périphérie ils auront ten- dance à s'effectuer en sens contraire. A l'extérieur des batiments,la température du stockage,à un mêtre de profondeur,sera presque toujours inférieure à 11 ou 120C.S'il existe,accidentellement,une zône plus chaude qui ne peut etre maintenue à l'intérieur des batimants,eile sera munie d'un calorifuge,à moins que l'exposition du sol aux rayons solaires ne permette de neutraliser les pertes éventuelles. La faiblesse des pertes en surface,et l'extrême lenteur des migrations thermiques à l'échelle des saisons,voire des années, donnent à ce stockage une inertie considérable qui en fait l'intéret. La mise en charge, an été, peut ê@re obtenue par le procéd décrit précédement à titre d'exemple.En fait,il est plus économique de réaliser la surface de contact avec 1 sol à l'aide de tuyauteries.L'eau y est envoyée à une température liée aux possibilités existantes,50 à 600C avec des capteurs solaires plans, 80 ou p1-.us grace à d'autres solu tions.L'eau est refroidie dans les tuyauteries de 10,200C ou plus,en fonction de l'état du champ thermique existent dans le stockage,de la nature et du développement des tuyauteries,et du débit. Si ls source de chaleur est constituée par des capteurs colai- res plans, la chaleur recueillie pourra, après satisfaction éventuelle d'autres besoins (eau chaude sanitaire par exemple) être intégralement stockée dans le sol,grace,éventuellement,à une distribution différente des tuyauteries intéressant des zones de stockage où la température est moins élevée qu'au centre. Dans cette forme de réalisation,lteau chaude,en été,est envoyée au centre du stockage, partir duquel le réseau de tuyauteries s'écarte progressivement vers la périphérie: - un ensemble de tuyauteries,rectilignes ou non, alimentées par un distributeur central et collectées ensuite par une tuyauterie située à une certaine distance du centre (distance liée aux caractéristiques du champ thermique) répond à ce principe; - une ou plusieurs tuyauteries disposées en spirale(s) constituent une autre forme de réalisation possible. De la sorte,l'eau introduite,même si sa température n'est pas suffisante pour réchauffer la zône centrale, cède sa chaleur plus tard, lorsqu'elle atteint les zones à températures plus basses. En demi-saison,s'il existe de la chaleur disponible, elle pourra être stockée comme ci-dessus.Toutefois,un dispositif supplémentaire peut etre prévu,qui-permet d'alimenter les zones périphériques sans passer par la zâne centrale. En hiser,la récupération de la chaleur est assurée par le me- me réseau.Il est toutefois préférable d'inverser le sens de la circulation.L'eau introduite,à une température inférieure à celle du stockage, dans la zane du collecteur périphérique, s'échauffe progressivement au contact de couches de plus en plus chaudes.L'eau peut alors provenir de systèmes de chauffage -ans lesquels les retours sont à de très bases températures (certains chauffages de serres par exem@@el. L'eau peut également provenir de l'évaporataur d'une pompe a chaleur,sa température étant alors,par exemple, de l'ordre de +5 C.Le débit sera calculé afin d'obtenir l'échange désiré,la température de sertie couvant varier de 10 à 30, 40 C ou plus,suivant le cas.Le choix d'un mode de chauffage à très ba-se température de spart est alors sou heitab e,l température Je l'eau à la sorti du condenseur influant sur le coefficient de performance, et donc sur la auastitw d'énergie mécani- que absorbéc par la pompe à chaleur. Divers dispositifs complémentaires peuvent être prévus et sont décrits ci-après à l'aide des figures. La figure t illustre le principe du stockage.Un réservoir cylindro-sphérique est en contact avec le sol par sa seule paroi hémisphérique.Une tuyauterie 1 alimente le réservoir au point bas,cependant qu'une tuyauterie 5 évacue l1eau.Une isolation 8 est disposée sur la partie cylindrique du réservoir et sur le sol 7.Le sens de circulation de l'eau ne change pas,car en hiver, la stratification thermique permet d'évacuer l'eau la plus chaude,cependant qu'en été,il est nécessaire de contrarier la stratification en vue d'améliorer l'échange. La figure 2 représente,en plan et en élévation,un tracé possible de tuyauteries rayonnantes.En été,l'eau chaude arrive par le tube 1 au distributeur 2 (flèches tracées sur le tube) d'où partent les tubes échangeurs 3.Ces derniers sont raccordés au collecteur 4 d'où l'eau repart vers la source chaude par le tube 5. Le distributeur 2 pourra être placé à une profondeur plus grande que le collecteur 4 afin de limiter les pertes vers le haut dans la partie la plus chaude du champ thermique. il est possible de- donner au distributeur 2 un diamêtre tel qu'un réservoir indépendant d'eau très chaude puisse etre placé en son centre,avec ou sans calorfuge,avec ou sans contact avec le sol,les pertes du réservoir étant alors réduite grace au champ thermique chaud et récupérées par le stockage. En hiver,l'eau à réchauffer (flèches placées à coté du trait) arrive par le tube 5 au collecteur 4,qui joue alors le rôle de distributeur.Le circuit est inversé,et l'eau froide se réchauffe progressivement travers les zânes de plus en plus chaudes du stockage. La figure 3 représente un mode de réalisation en spirale(s). L'eau suit le même parcours que précédement,les flèches sur le trait matérialisant la circulation de mise en charge de 1 vers 5,et les flèches à coté du trait matérialisant la décharge de 5 vers l.Un piquage 6 est destiner ì permettre,en demi-saison, d'introduire dans le circuit la chaleur disponibl-e à un niveau de température moyen,sans refroidir le centre et donc sans perturber le champ thermique existant. Deux vannes 91 et 9 permettant de passer d'un régime à l'autre. La figure 4 montre une combinaison des deux trecés,permGttant la mise en place d'un réservoir indépendant 10,la limitation des pertes de cnaleur,et leur récupération. La figure 5 est un schéma très simplifié montrant comment un chauffage peut être alimenté grace à un stockage dans le sol par l'intermédiaire d'une pompe à chaleur.La pompe à chaleur comporte un compresseur 11,un évaporateur 12 et un condenseur 13,les autres équipements n'étant pas réprésentés.L'eau extraite du sol,en hiver,après réchauffage,arrive a le tube 1 à l'évaporateur,qui la refroidit.Elle est ensuite réinjectée dans le stockage par le tube 5.Une pompe est généralement nécessaire sur ce circuit,et n'est pas représentée.L1eau de retour du chauffage est introduite dans le condenseur où elle est réchauffée,pour autre renvoyée vers les émetteurs 14,souvent par l'in termédiaire d'une vanne de régulation à trois voies 15(asservie ou non). Ce circuit sera amélioré par l'insertion d'un réservoir de stockage 16,réservoir qui permet de faire fonctionner la pompe à chaleur à charge constante,et avec un meilleur rendement.A titre d'exemple, si les températures de sortie de l'évaporateur et du condenseur sont respectivement de 5 et 35 C, et en admettant un écart de 50 dans ces échangeurs,le coefficient de performance théorique est de 8,et il est possible de ramener l'énergie mécanique consommée aux environs de 20 % de la chaleur dégagée au condenseur. La figure 6 représente un schéma plus complet montrant les multiples possibilités offertes par l'association d'un stockage dans le sol,de capteurs solaires,et d'une pompe à chaleur.Un élément essentiel est constitué par le fait qu'une pompe à chaleur améliore considérablement le rendement d'un capteur solaire,qui est généralement au moins doublé,mais que son amortissement est impossible du fait de l'intermittence de la source,obstacle qui disparait ici. La figure montre une forme d'exploitation du réservoir 16 prédement signalé.Elle montre en outre la possibilité de récuire le nombre de pompes à installer en combinant les tuyauteries et les vannes afin d'inverser la circulation dans le stockage (pompe 18, vannes 191X192X22?. En été,les capteurs solaires 17 réchauffent fortement l'eau qui est envoyée dans le stockage par le tube 1 (flèches sur le trait). L'eau refroidie sort du stockage par le tube 5 et se dirige vers la pompe 18 (vanne 191 ouverte,vannes 20 et 192 fermées) d'où elle repart vers les capteurs 17.Si l'on désire charger le réservoir 16,il est possible de mettre en route la pompe 21 (vanne 221 ouverte,vanne 222 fermée) et la circulation s'effectue par les tuyaux 23 et 24 (flèches tiretées à coté du trait)la pompe 18 étant,ou non,en marche simultanée. En demi-saison,aussi longtemps que les capteurs peuvent assurer le chauffage,la pompe 21 est en fonctionnement (vannes 222 20 19i et 192 fermées et vanne 227 ouverte).La pompe 18 est arrètée,La pompe du circuit de chauffage des locaux est naturellement an marche ininterrompue pendant toute la période de chauffage.La circulation,identique à la précédente est caractérisée par les flèches tiretées à coté du trait. En hiver,la pompe 21 alimente le condenseur (vanne 221 fermée, vanne 222 ouverte) le circuit étant parcouru dans le sens des flèches continues placées à coté du trait.La pompe 18 aspire l'eau dans l'évaporateur (vannes 20 et 192 ouvertes,vanne 191 fermée) et l'envoie à la fois dans les capteurs et dans le stockage (flèches continues à coté du trait).Le recours au stockage peut Autre modulé grace à un robinet de réglage 25.L'eau revient des capteurs et du stockage à ltévaporateur. Deux équipements qui peuvent utilement compléter l'inqtalla- tion figurent dans ce schéma: - un réservoir échangeur 26 de préparation d'eau chaude sanitaire peut être alimenté,l'été,directement par les capteurs;il sera raccordé grace aux tuyauteries 27 et 28 dont seule l'amorce est représentée; - une batterie froide 29 peut être placée sur l'extraction d'air des batiments si cette extraction est centralisée;elle sera alors raccordée à l'évaporateur- suivant un schéma qui dépendra de l'emplacement des différents matériels. L'ensemble de ces dispositifs permet d'assurer le chauffage complet des batiments et une part appréciable de la préparation d'eau chaude avec une faible surface de capteurs et une consommation d'énergie très réduite. REVENDICATIONS 10/ Diapositi de stockage saisonnier de la chale@r utilisant le sol naturel,réalisé à l'aide de surface d'échange parcourues par un fluide calovecteur,sans limitation artificielle de la zâne de stockage, le fluide calovecteur étant tantot à haute ou moyenne température (stockage de la chaleur),tantot à moyenne ou basse température (d.éstockage). 20/ Réalisation de la surface d'échange suivant la revendication 1 sous forme d'un réseau de canalisations comportant, an phase stockage, une alimentation aboutissant à la zôns centrale,la plus chaude, et des tubes d'échange s'éloignant progressivement de cette zône chaude,le retour du fluide calovecteur s'effectuant à partir de la zâne la moins chaude du stockage. 30/ Réalisation de la surface d'échange suivant les revendications 1 et 2 comporter un système d'inversion du sens de circulation dans le stockage suivant la phase en cours (stockage ou déstockage) afin que le fluide calovecteur soit toujours dans les conditions d'échange de chaleur avec le sol les plus favorables. 40/ Réalisation de la surface d'échange suivant les revendications 1,2,et 3 sous forme d'un distributeur (collecteur) central,de tuyauteries rayonnant- vers la périphérie (rectilignes ou non) et d'un collecteur (distributeur) périphérique,en vue d'assurer le stockage (déstockage). 5 / Réalisation de la surface d'échange suivant les revendications 1,2 et 3,sous forme d'un réseau tracé en spirale(s). 60/ Dispositif conforme aux revendications 1,2 et 3,comportant en vue de l'utilisation, pour le stockage,d'un fluide à température moyenne un dispositif de raccordement spécial aux surfaces d'échange situées dans les zônes à basse ou moyenne température du stockage. 70/ Dispositif conforme à la revendication 1 utilisant l'eau (avec ou sans antigel) comme fluide calovecteur. 80/ Dispositif conforme à la revendication 1 utilisant comme fluide calovecteur,lors du déstockage,un fluide frigorigène,la surface d'échange dans le stockage constituant alors l'évaporateur d'une pompe à chaleur. 90/ Dispositif conforme à la revendication 1 utilisent pour le déstockage un fluide calovecteur refroidi préalablement par ltévapora- teur d'une pompe à chaleur. 10 / Dispositif conforme aux revendications 1 et 9 comportant l'association à l'installation de capteurs solaires permettant la mise en charge du stockage l'été,sans intermédiaire, et raccordés à ltévapo- rateur de la pompe à chaleur,l'hiver,en parallèle ou non avec le stoc kage, avec, ev@n@uellement, un moyen de réglage @onnant la priorité aux capteurs. 110/ Dispositif conforme aux revendication. 1,2,3,9 et 10 comportant la réalisation d'un réseau de tuyauteries (et des auxilliaires nécessaires, vannes pompes etc..) permettant d'uti iser an permanence et de la façon la plus efficace le rayonnement solaire, soit directement l'été et en demi-saison, soit avec décalage dans le temps (stockage), soit avec transfert de chaleur par pompe. 120/ Dispositif conforme -ux revendications 1,2 et 9 réalisé de telle façon que la plus grande partie du stockage soit implantée sous une zône habitée et de préférence chauffée,de telle sorte que les pertes calorifiques du stockage soient réduites et récupérée@, malgré l'absence ou la très faible utilisation de calorifuge.