Brevet FR2475702A1 — publié le 19810814

L'invention concerne un procédé d'exploitation saisonnière de la chaleur sensible naturelle d'une nappe aquifère au sein de laquelle on établit deux forages écartés, constituant un doublet, par l'un desquels, pris comme ressource de chaleur, on prélève pendant la saison d'exploitation l'eau de la nappe, dont on exploite alors la chaleur sensible, et par l'autre desquels on réinjecte simultanément l'eau thermiquement dégradée, procédé dans lequel on inverse hors de la saison d'exploitation le sens de prélévement et de réinjectior simultanée de l'eau de la nappe tout en la régénérant thermiquement. Dans ce qui suit la chaleur sensible exploitée concernera aussi bien le prélèvement de calories, c'est-à-dire un chauffage, que le prélèvement de frigories, c'est-à-dire la réfrigération. De cette façon on simplifiera l'exposé, dans lequel o supposera généralement qu'il est question de chauffage en hiver par utilisation de l'eau de la nappe à laquelle on prélèvera des calories et qu'il est question de régénération thermique de l'eau de la nappe en été. Bajs il va de soi que l'invention s'appliquerait tout aussi bien à la réfrigération par échauffement de l'eau de la nappe en e te et régénération thermique par refroidis- sement de l'eau en hiver. On connais bien maintenant l'exploita- tion de scur@es géothermique par un doublet constitué par deux forages écartés. On sait également qu'un tel doublet n'a qu'une durée de vie limitée, qu'on s'efforce de régler par un espacement suffisant des forages et qui dans les réalisations ccnnues est de l'ordre de 30 ans. On a déjà proposé, par le brevet fran çais publié sous le N 2 241 047, d'utiliser une nappe aquifère pour y stocker en été de l'eau chaude réutilisable en hiver. Cette méthode permet c'utiliser une eau plus chaude que celle de la nappe dans son état naturel, mais certains inconvénients existent qui la rendent encore difficilement adaptable. Si on stocke dans la nappe naturelle ment à 150C, par exemple, de l'eau à 60 C, la température va progressivement baisser au cours de la saison froide, au fur et à mesure du soutirage de Liteau. Cette température pourra varier par exemple de 550C à 30 O, température aux alentours de laquelle la chaleur sera difficilement exploitable à moins de rivoir des échangeurs ou pompes à chaleur dimensionnés en conséquence et donc inadaptés en début de dé stockage. Un autre inconvénient tient à ce ou'il faudra plusieurs cycles annuels de stockage et déstockage de chaleur pour mettre les terrains encaissants à température, et obtenir un régime thermique stabilisé, avec toutefois la décroissance de température ainsi qu'il vient d'etre dit. Un tel dispositif nécessite en outre des conditions hydrogéologiques de profondeur, de vitesse d'écoulement de lteau de la nappe particulières sans lesquelles les taux de récupération de chaleur sont très bas, moins de 20% dans un essai de la demanderesse. L'utilisation thermique des aquifères est plus aisée lorsqu'il s'agit, non plus de stockage, mais de l'exploitation de la chaleur sensible qu'ils contiennent naturellement. A ce -sujet, on connaît bien maintenant le procédé d'exploitation de ressources géothermiques par un doublet constitué de deux forages écartés. Dans le cas d'une nappe où l'écoulement régional est faible, le doublet n'a qu'une durée de vie limitée ; l'écartement des puits est en général calculé de façon à ce que l'eau froide de réinjection n'atteigne le puits de production qu'au bout d'une période d'en général trente ans, après laquelle la puissance thermique du puits de production décroît. Dans le cas d'une nappe à fort gradient d'écoulement, une judicieuse disposition des deux puits permet d'éviter tout retour des eaux froides au puits de production, mais il se développe toutefois une zone froide susceptible d'interdire une utilisation de meme nature à l'aval de l'écoulement. L'invention a pour but de pallier ces inconvénients, d'assurer la pérennité d'exploitation de la ressource aquifère, de limiter l'espacement entre les puits dans un rapport d'un à cinq environ par rapport aux doublets classiques et d'éviter la dégradation thermique du milieu aquifère. Il devra permettre d'exploiter une source de chaleur à température constante ou sensiblement constante, ce qui simplifiera les problèmes de régulation et permettra d'utiliser une source de régénération de type solaire à très basse température, inférieure à l'ambiante, sans pertes par échanges thermiques au sein du milieu poreux aquifère. Les buts de l'invention sont atteints par un procédé du type décrit au début, grâce au fait qu'on règle la température de régénération thermique de l'eau à une valeur ne s'écartant pas de la température naturelle de la pappe de plus de +10 à -2 C, de préférence +5 à -0 C, pour une ressource de chauffage et de -10 à +20C, de préJé- rence -5 à +0 C pour une ressource de réfrigération. Si l'aquifère utilisé est la nappe phréatique, il sera donc généralement à une température de 10 à 1500 ce qui nécessitera que le prélèvement de chaleur soit fait au moyen d'une pompe à chaleur, comme il est con- nu en soi, laquelle aura l'avantage de marcher à source froide à température constante. Dans tous les cas, il est préférable, selon l'invention, que la régénération de l'eau soit obtenue par un capteur solaire du type à très basse température, c'est-à-dire à celle de régénération de l'eau à réinjecter dans l'aquifère. On pourra donc utiliser des capteurs très bon marché sans vitrage et à haut rendement puisque, même par soleil voilé, ils produiront des calories du fait qu'ils sont alimentés par de l'eau froide à une température inférieure à l'ambiante. Finalement on pourra capter l'énergie solaire à très basse puissance. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui sera donnée ci-après uniquement à titre d'exemple d'un mode de réalisation de l'invention. On se reportera à cet effet au dessin annexé dans lequel : - la figure 1 représente schématiquement un doublet avec son schéma de fonctionnement en hiver pour le chauffage de locaux, - la figure 2 représente schématiquement le même doublet avec son schéma de fonctionnement en été pour la régénération de la ressource par énergie so laire. Sous le niveau 1 du sol, on fore deux sondages 2 et 3 verticaux espacés et débouchant tous deux dans une mêfne nappe aquifère 4 située à 30 m de profondeur ayant une épaisseur de 10 m et dont la température naturelle est de 150C. En hiver, le forage 2 est pris comme ressource de chaleur à sa température de 15 C. l'eau en est prélevée par une pompe 5 et est envoyée à la source froide d'une pompe à chaleur d'un ensemble thermique 6 comportant une pompe à chaleur et un échangeur pour un circuit 7 d'eau de chauffage arrivant à 350C et en repartant à 40 C. Pans la pompe à chaleur on a abaissé la température de l'eau prélevée dans la nappe à 50C. C'est à cette température qu'elle est injectée dans le forage 3 où elle crée une zone 8 d'eau thermiquement dégradée, ou "poche" dont le front 9 s'étend durant l'hiver. Une distance de 150 m entre les deux forages convient pour un prélèvement annuel de 120 000 m3 nécessaires. à 200 logements environ en région parisienne et réglementairement isolés pour éviter la dégradation thermique de l'eau prélevée au forage 2. Cette distance pourra être modifiée en fonction des conditions locales et de la quantité d'énergie thermique à prélever chaque année. On voit bien que, pendanttout l'hiver, la source froide de la pompe à chaleur sera réellement à température constante, soit ici 1500. En été, on régénèrera la ressource du sondage 2 en inversant le sens de pompage du circuit, c'est- à-dire en soutirant l'eau à 5 C du forage 3 pour la faire passer, par un jeu de vannes, dans des capteurs solaires 10 à tres basse température, où on ne l'échauffera pas de plus de 1000 pour la restituer dans le sondage 4 à sa température naturelle de 15 C ou à une température très voisine, par exemple 13 à 25 C, ou plutôt 15 à 200C, mais au plus près possible de 150C. Lorsqu'on régénère l'eau, le front froid 9' de la "poche" 8 recule comme il est indiqué à la figure 2. REVENDICADIONS 1) Procédé d'exploitation saisonnière de la chaleur sensible naturelle d'une nappe aquifère au sein de laquelle on établit deux forages écartés, constituant un doublet, par l'un desquels, pris comme ressource de chaleur, on prélève pendant la saison d'exploitation l'eau de la nappe, dont on exploite alors la chaleur sensible, et par l'autre desquels on réinjecte simultanément l'eau thermiquement dégradée, procédé dans lequel on inverse hors de la saison d'exploitation le sens de prélèvement et de réinjection simultanée de l'eau de la nappe tout en la régénérant thermiquement, caractérisé en ce qu'on règle la température de régénération thermique de l'eau à une valeur ne s'écartant pas de la température naturelle de la nappe aquifère de plus de +10 à -20C, pour une ressource de chauffage, et de -10 à +20C, pour une ressource de réfrigé ration. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on règle la température de régénération thermique de l'eau à une valeur ne s'écartant pas de la température naturelle de la nappe aquifère de plus de +5 à -0 C, pour une ressource de chauffage, et de -5 à iOOC pour une ressource de réfrigération. 3) Procédé selon la revendication 1, dans lequel la régénération de l'eau est-obtenue par le moyen d'un capteur solaire, caractérisé en ce que le capteur est du type à très basse température.