Brevet FR2487954A1 — publié le 19820205

La présente invention concerne les dispositifs de chauffage géothermique par pompe à chaleur. Les dispositifs de chauffage connus de ce genre peuvent être classés en deux catégories:les dispositifs requierant une consommation d'eau extérieure et ceux utilisant des circuits d'eau en boucle,enterrés dans le sol ou dans des réservoirs thermiques de capacité limitée. Dans le premier cas il est nécessaire de pouvoir disposer d'une importante masse d'eau à proximité de la pompe à chaleur,un lac ou une rivière par exemple,ou plus généralement une nappe d'eau phréatique.Pour atteindre une telle nappe,on effectue un forage avec le risque qu'il soit infructueux dans le cas où les prévisions de couches géologiques se sont avérées fausses quant à la profondeur ou même l'existence de la nappe. Dans le deuxième cas,on enterre à faible profondeur un réseau de tuyauteries parcourues par une circulation d'eau qui vient alimenter en circuit fermé la source froide d'une pompe à chaleur. Ce dispositif,s'il supprime le problème de l'épuisement progressif de la réserve calorifique des nappes phréatiques et la réinjection de l'eau puisée dans le sous-sol, reste par contre soumis dans une certaine mesure aux variations climatiques et ne permet pas le soutirage des moyennes et grandes puissances. Le dispositif de chauffage,objet de la présente invention qui est caractérisée par la combinaison d'un tube à chaleur enterré aboutissant à un échangeur en relation avec une pompe à chaleur, permet d'éviter ces inconvénients. Description du dispositif Rappelons tout d'abord qu'un tube à chaleur est un conducteur calorifique qui transporte les calories d'une extrémité à l'autres Pour ce faire,le tube,hermétiquement fermé aux deux bouts,contient partiellement un liquide,qui,s'il est mis en ébullition dans la parte inférieure (le tube n'étant pas en position horizontale),se vaporise et se condense à la partie supérieure en cédant les calories transportées par le gaz. Le dispositif,objet de la présente invention ,est constitué par un tube à chaleur inséré dans un trou de forage , dont l'extrêmité supérieure7 située au niveau du sol,se trouve placée dans un réservoir d'eau échangeur de chaleur qui est destiné à transmettre les calories d'origine géothermique transportées par le tube à chaleur,à la source froide d'une pompe à chaleur. La longueur et le diamètre du tube à chaleur sont déterminés en fonction de la puissance calorifique à transmettre et de l'écart de température entre la partie inférieure dite de prélèvement de chaleur et la partie supérieure dite de restitution de chaleur. Si on veut par exemple disposer d'une puissance maximum de 4 Kw/h ,le calcul montre qu'il faut utiliser un tube d'environ 50 mètres dé longueur et de 50 mm de diamètre,la température du soussol français étant en moyenne de 14,50c à une profondeur de -50 m. Le dispositif ainsi décrit peut comporter plusieurs variantes; 1) Variantes destinées à faciliter la mise en place du tube à à chaleur selon le dispositif. On conçoit que la mise en place d'un tube à chaleur de grande longueur soulève des problèmes d'ordre pratique. Pour faciliter cette mise en place,la première variante consiste à insérer dans le trou de forage un tube à chaleur préfabriqué en atelier en un seul morceau et dans un materiau suffisament flexible pour qu'il puisse être enroulé autour d'un tambour mobile de grand diamêtre.Le tube à chaleur peut être ainsi transporté de l'atelier sur le chantier et inséré dans le trou de forage préparé pour le recevoir,en amenant le tambour au bord du trou,puis en déroulant le tube pour l'enfoncer. La deuxième variante consiste à utiliser le tube de forage lui-mAeme en le transformant en tube à chaleur.Cette variante est plus aisément réalisable lorsque le forage est réalisé au percuteur qutavec le trépanAu cours du forage,pendant la descente,les section de tube sont jointoyés de façon parfaitement étanche (en vissage/collage par exemple).A la pose du dernier élément,le liquide destiné au fonctionnement du tube à chaleur est versé au fond du tube,puis on fixe un bouchon étanche pour assurer la fermeture définitive de la partie supérieure.Ensuite les ailettes sont rapportées. L'opération reste la mime si on décide de remplacer le tube de forage par un autre tube livré par sections. 2) Variantes au dispositif pour le remplissage du tube à chaleur sur chantier Pour le remplissage du tube sur chantier,un tube raccord est branché à la partie supérieure du tube à chaleur.Lors du remplissage le liquide doit être préalablement réfrigéré ou être injecté sous pression.Ensuite le tube raccord est fermé soit par une vanne soit par un bouchon vissé et/ou collé. 3) Variantes au dispositif destinées à l'amélioration des échanges thermiques à la partie supérieure du tube à chaleur. Afin de favoriser l'échange thermique,la partie supérieure du tube à chaleur est muni d'ailettes verticales. Une deuxième solution consiste a positionner l'extrèmité supérieure du tube en position horizontale en le coudant.Cette position permet d'augmenter encore la surface d'échange,les ailettes en position verticale etant cette fois disposées perpendiculairement au tube,et leur nombre plus important pour la même longueur de tube que -dans la première solution. 4) Variantes au dispositif concernant l'échangeur de chaleur Pour les pompes à chaleur dont la source froide doit être alimentée par de l'eau,unevariante au réservoir d'eau consiste à équiper la partie supérieure (restitution de calories) du tube à chaleur,d'un manchon,hermetique, à double enveloppe isolé thermiquement.L'arrivée d'eau provenant de la source froide de la pompe à ~haleur,pénêtre dans L'enveloppe extérieure du manchon grace à un tuyau de raccordement fixée à son extremité supérieure.L'eau passe ensuite dans l'enveloppe intérieure par des ouvertures dans,aaopsmoi qui séparent les deux enveloppes,situées à l'opposé de l'arrivée et de la reprise d'eaupuis retourne à la source froide par l'intermédiaire d'un tuyau de raccordement(reprise d'eau). Par rapport au réservoir d'eau,l'utilisation d'un tel manchon offre l'avantage d'une pose plus rapide et moins onéreuse pour une efficacité comparable. Pour les pompes à chaleur dont la source froide doit être alimentée par de l'air,l'échangeur est constitué par un caisson isolé thermiquement,comportant une ouverture de prise d'air extérieure protégée des intempéries,et une gaine de sortie d'air.L'a r extérieur est réchauffé lors de son passage sur la partie de restitution ailettée du tube à chaleur qui est intégré au caisson. Afin d'obtenir une température de sortie d'air constante et d'éviter un fonctionnement à puissance maximwn du tube à chaleur en mi-saison,donc un risque d'épuisement temporaire de la réserve calorifique exploitée,le caisson peut être muni d'une prise d'air additionnelle.Elle permet de mélanger de l'air frais à l'air déja réchauffé par le tube à chaleur selon un pourcentage dépendant de la température locale.Pour ce faire le débit d'entrée d'air provenant de la prise additionnelle est réglé par ùn volet.Ce volet est disposé de telle façon qu'il subisse d'une part une poussée tendant à l'ouvrir (soit par gravitation avec le poids d'une masse, soit par un ressort) et une traction d'un cable tendant à le fermer. Ce cable qui est situé dans le caisson,relie le volet à un-bouton de réglage manuel,manipulable de l'extérieur.Ainsi si la température monte,le cable se dilate et le volet s'ouvre.Par contre si la tempé- baisse,la prise d'air additionnelle se fermera. Tout autre système classique de réglage thermique des débits est applicable au présent caisson. Présentation des dessins 1) Le premier dessin 1/l montre un vue en coupe du dispositif de chauffage géothermique par pompe à chaleur avec l'utilisation d'un tube à chaleur,objet de la présente invention. Tel qu'il est représenté le dispositif comporte un tube à chaleur vertical (1),installé à l'intérieur d'un trou de forage.la partie supérieure (2),coudée en position horizontale et équipée d'ailettes de refroidissement,est plongée dans un réservoir d'eau (3) échangeur de chaleur qui est branché sur la source froide (4) d'une pompe à chaleur. 2) Le deuxième dessin > * qui détaille la partie supérieure du tube à chaleur comporte deux figures. La figure 1 montre 1' extrémité supérieure du tube à chaleur en position horizontale avec ses ailettes (1),1e coude d'angle horizontal/vertical (2),et le tube raccord de remplissage pour la mise en fonctionnement du tube à chaleur. La figure 2 montre l'extremité supérieure en position verticale avec ses ailettes (4) et le tube raccord (5) de remplissage pour la mise en fonctionnement du tube à chaleur. 3) Le troisième dessin 3,/* représente le manchon échangeur de chaleur à double enveloppe qui s'adapte sur la partie supérieure du tube (restitution de calories).Il comporte deux figures. La figure 1 montre le manchon en coupe horizontale.Sur la figure 2 le manchon est présenté en coupe verticale.Sur ces figures se trouvent indiqués:le tube raccord d'arrivée d'eau noté(1) sur la figure 1 et (12) sur la figure 2,1'isolant thermique noté (2) sur la figure .1 et (7) sur la figure 2,la paroi de séparation de double enveloppe interne du manchon notée (3) sur la figure 1 et (8) sur la figure 2 ,le tube à chaleur lui-même noté (4) sur la figure 1 et (9) sur la figure 2,les ailettes du tube à chaleur notées (6) sur la figure 1 eut(10) sur la figure 2,puis enfin le tube raccord de reprise d'eau en relation avec la source froide de la pompe à chaleur noté (5) sur la figure 1 et (13) sur la figure 2.Le passage de circulation d'eau entre ltenveloppe extérieure et l'enveloppe intérieure est noté (11) sur la figure 2. 4) Le dernier dessin 4/4 concerne le caisson d'air,échangeur de chaleur,avec son entrée d'air frais extérieur noté (A) sur les figures 1 et 2,la sortie d'air réchauffé avec sa gaine notée (B),la prise d'air additionnelle notée (C) et la partie supérieure du tube à chaleur muni de ses ailettes (D),ceci sur les deux figures 1 et 2. Le détail d'un système de réglage automatique par gravite du débit d'air additionnel est montré par la figure 2,avec le volet équipé d'une masselotte (1),le cable de fermeture (2) situé à l'intérieur du caisson et attaché au bouton de réglage (3) équipé dun contreecrou de blocage et manipulable de l'extérieur du caisson. Applications Le dispositif,objet de l'invention,et les variantes décrites qui lui sont applicables,peut être mis en place quelque soit la structure géologique du sous-sol.Les applications les plus intéressantes concerne le chauffage de batiments et de serres n'étant pas situés au bord d'un lac ou d'un cours d'eau et ne disposant dans le sous-sol de leur implantation d'une nappe d'eau phréatique proche tie la surface. REVEDIDICATIOìiS 1. Dispositif de chauffage caractérisé par la combinaison d'un tube à chaleur-enterré,aboutissant à un échangeur en relation avec une pompe à chaleur. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par un tube à chaleur flexible préfabriqué en atelier en une seule pièce et livré sur un tambour mobile pour la mise en place sur le chantier. 3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par un tube à chaleur constitué par le tube de forage lui-mtme. 4. Dispositif selon les revendications 1 et 2,et 1 et 3,caractérisé par un tube à chaleur dont la partie supérieure située dans l'échangeur est munie d'ailettes parallèles au tube. 5. Dispositif selon les revendicaticns 1 et 2,et 1 et 3,caractérisé par un tube à chaleur dont la partie supérieure située dans l'échangeur est coudée de façon à ce que l'extremité du tube située dans l'échangeur se trouve placé à l'horizontale.La partie horizon-tale du tube est munie d'ailettes perpendiculaires au tube. 6. Dispositif selon les revendications 1,2;3,4 et 5 selon lesquelles un tube de raccordement se trouve branché à ltextremité supérieure du tube à chaleur pour permettre le remplissage et la mise en fonctionnement du tube à chaleur lors de son installation sur le chantier. 7. Dispositif selon les revendications 192,3,4,5 et 6 selon lesqueiles l'échangeur est constitué par un manchon a' double enveloppe,isolé thermiquement,l'arrivée d'eau en provenance de la pompe à chaleur se faisant par un tube raccord branché sur l'enveloppe extérieure,la reprise d'eau s'effectuant par un tube raccord branché sur l'enveloppe intérieure. 8. Dispositif selon les revendications 1 ,2,3,4,5, et 6 selon lesquelles l'échangeur est constitué par un caisson thermiquement isolé,caractérisé par une prise d'air frais extérieure et une sortie d'air en direction de la pompe à chaleur7l'air étant réchauffé lors de son passage dans le caisson par la partie supérieure du tube à chaleur. 9. Dispositif selon les revendications 1,2,3,4,5;6 et 8 caractérisé par une prise d'air extérieur additionnelle et dont l'ouverture est regelée automatiquement en fonction de la température de l'atmosphère.L'air de la prise d'air additionelle se mélange à l'air déja réchauffé par le tube à chaleur.Le réglage automatique du débit par le volet permet ainsi de conserver une température de sortie d'air constante malgré les variations climatiques.Le réglage automatique du volet selon la température est réalisée par uncable interne au caisson accroché d'une part au volet de la prise d'air additionnelle,et d'autre part à un bouton fixé sur le caisson et réglable manuellement de l'extérieur. Le rappel du volet est effectué soit par une masselotte,soit par un ressort de rappel. 10. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le montage sur place d'un tube à chaleur pour être inséré dans le trou de forage.