Brevet FR2566883A1 — publié le 19860103

Dispositif enterré de stockage de calories et procédé de construction. La présente invention a pour objet des dispositifs de stockage de calories enterrés et des procédés de construction de ceux-ci. Le secteur technique de linvention est celui de la construction des stockages enterrés pour accumuler des calories sur une longue durée, par exemple des stockages saisonniers d'énergie solaire. Le stockage de grandes quantités de calories à basse température pendant de longues durées est un problème mal résolu. On a proposé de stocker les calories9 notamment des calories solaires qui peuvent être captées en grande quantité pendant l'été, dans des masses d'eau enfermées dans des récipients étanches enterrés. Cette solution est onéreuse car il faut construire des recipients étanches enterrés, pouvant supporter le passage d'une charge. On construit des installations de chauffage par pompes a chaleur dont l'évaporateur reçoit des calories d'un liquide qui circule dans un circuit fermé comportant un échangeur noyé dans le sol a faible profondeur. Un tel dispositif ne comporte pas un stockage de calories dans le sol. I1 prélève la chaleur géothermique du sol. On connait également des stockages de calories qui comportent une masse d'un sel hydraté enfermée dans un récipient étanche et qui utilisent la chaleur latente de fusion pour stocker des calories. Ce type de stockage par chaleur latente présente l'avantage que les matériaux utilisés ont une très forte chaleur spécifique et des variations d'enthalpie très élevées dans une plage de température étroite, encadrant la température de fusion. Mais ce sont des solutions onéreuses tant par le matériau utilisé que par la mise en oeuvre de celui-ci qui exige des précautions pour éviter les phenomènes de surfusion et de fusion non congruente. On a également proposé de construire des stockages de calories enterrés comportant une masse de galets qui entourent un serpentin échan- geur. Cette solution présente l'avantage de réduire les frais de construc- tion. Il suffit de creuser une excavation dans le sol, de la remplir de galets après y avoir placé un serpentin et de le recouvrir de terre en intercalant un film entre les galets et la terre. Toutefois, la capacité calorifique des galets par unité de volume est relativement faible à cause des vides entre les galets et le contact entre les galets et l'échangeur est mauvais. Pour améliorer les performances de cette dernière solution, on a proposé un stockage comportant des récipients enterrés étanches qui sont remplis d'eau et de galets. La présence d'eau améliore la capacité calorifique par unité de volume et elle améliore également les échanges thermiques avec l'échangeur. La présence de galets fait qu'il n'est pas nécessaire de construire une couverture autoportante sur les réservoirs enterrés. La couverture de ceux-ci peut prendre appui sur les galets. Toutefois, les stockages enterrés composés d'eau et de galets présentent encore certains inconvénients. Un premier inconvénient tient au fait que des galets arrondis ne sont pas disponibles dans de nombreuses régions, ce qui entraîne des frais de transport élevés. Un deuxième inconvénient tient au fait que la chaleur spécifique d'un mélange d'eau et de galets n'est pas parfaitement bien définie. Elle dépend de la nature des galets et de leur granulométrie. Un autre inconvénient tient au fait que les galets risquent de présenter des points de contact localisés avec l'échangeur et avec l'enveloppe qui entraînent des contraintes élevées et des risques d'écrasement de l'échangeur et de déchirement de l'enveloppe. Pour éviter ces risques, il faut procéder à une mise en place soigneuse des galets dans l'enveloppe et autour de 11 échangeur d'où un coût plus élevé. L'objectif de la présente invention est de procurer des stockages de calories enterrés qui cumulent les avantages d'un stockage dans une masse d'eau et ceux d'un stockage dans des galets mélangés à de l'eau, tout en éliminant les inconvénients propres à ces deux sortes de stockages connus. Un dispositif de stockage de calories selon l'invention est du type comportant au moins un récipient étanche enterré, rempli d'un ma tériau accumulateur de calories et un ou plusieurs échangeurs de chaleur noyés dans ledit matériau. Les objectifs de l'invention sont atteints au moyen de dispositifs de stockage de calories dans lesquels chaque récipient enterré est constitué par une mince enveloppe étanche et souple, qui est entourée sur toutes ses faces d'un isolant thermique et qui est remplie de sable saturé d'eau. Avantageusement, le matériau de stockage de calories contient une proportion d'eau de l'ordre de 35 % du volume total. Selon un mode de réalisation préférentiel, chaque récipient comporte un humidificateur qui est constitué par une rampe ou par un tapis perforé, qui est noyé dans ledit sable,qui est situé dans le fond du récipient et qui est connecté sur une canalisation d'alimentation en eau. L'invention a pour résultat de nouveaux dispositifs enterrés permettant de stocker des calories sur une longue période. Les stockages selon l'invention permettent par exemple de stocker les calories captées par des capteurs solaires pendant la saison chaude, puis de restituer ces calories pendant la saison froide. Les stockages enterrés selon l'invention peuvent servir par exemple à accumuler des calories produites à bas prix pendant une période de faible consommation où l'on dispose d'énergie excédentaire puis à restituer ces calories pendant une période de pointe où l'énergie coûte beaucoup plus cher. Les stockages enterres selon l'invention presentent l'avantage de permettre de réaliser à bas prix des stockages de calories enterrés ayant un volume important, par exemple plus de 100 m3, qui ont une capacité d'accumulation de calories importante. La construction de l'enveloppe souple et du revêtement calorifuge de celle-ci n'exige pas l'utilisation de matériaux onéreux, ni des frais de construction élevés. Le sable humide qui remplit les cuves de stockage selon l'inven- tion est un matériau courant, disponible en toutes régions et facile à transporter et à mettre en place. L'utilisation comme stockage d'un volume de sable humide séparé des terrains encaissants par une enveloppe étanche isolée thermiquement, présente l'avantage de définir un volume parfaitement déterminé, puisqu'il est isolé thermiquement de son environnement qui reste à température constante,cevolumeaune chaleur spécifique uniforme et bien connue, de sorte qu'il est possible d'effectuer des calculs thermiques précis de l'installation de chauffage qui est alimentée par le stockage. Par rapport aux stockages de calories connus comportant un bassin enterré rempli d'eau, les dispositifs selon l'invention présentent l'avantage d'éviter la nécessité de construire un bassin enterré et une couverture de ce bassin pouvant supporter les charges qui circulent ou séjournent au-dessus du bassin. Par rapport aux stockages de calories connus comportant une enceinte enterrée remplie d'eau et de galets les stockages selon l'invention présentent l'avantage que le sable est un matériau plus répandu que les galets, que la chaleur spécifique du sable saturé d'eau est une donnée pratiquement constante et bien connue et que l'on évite les risques de détérioration du serpentin et de l'enveloppe par le contact ponctuel des galets. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, des exemples de réalisation de dispositifs enterrés de stockage de calories selon l'invention, La figure 1 est une coupe verticale d'un premier mode de réalisation. La figure 2 est une coupe verticale d'un deuxième mode de réalisation. Les figures 1 et 2 représentent des dispositifs enterrés sous une couche de terre d'au moins 0,70 m et, de préférence, de l'ordre d'un mètre. Ces dispositifs sont destinés à stocker des calories sur une longue période par exemple à stocker pendant l'été des calories provenant de capteurs solaires afin de restituer ces calories pendant la saison froide. Il s'agit de stockage ayant des volumes importants.Par 2 exemple, pour stocker l'énergie nécessaire pour chauffer 100 m c'est-à-dire l'équivalent d'une villa ou d'un appartement, on prévoit 3 un volume de stockage de l'ordre de 120 m Un dispositif de stockage selon l'invention comporte un ou plusieurs récipients étanches enterrés 1. Chaquerécipient comporte une enveloppe étanche et souple 2 qui est enveloppée sur toutes ses faces par un revêtement isolant thermique 3. L'enveloppe 2 est par exemple constituée par un film en matière plastique par exemple en polyéthylène ou en butadiène ou en toute autre matière souple pouvant supporter sans risques, une température de 900C. L'enveloppe 2 peut' être par exemple une seule poche préfabriquée que l'on descend dans la fouille et que l'on remplit ensuite de sable. On peut également construire la poche étanche sur le chantier. Le revêtement isolant thermique 3 est constitué de plaques juxtaposées qui sont par exemple des plaques en mousse de polyuréthane rigide. Avantageusement le récipient 1 est une cuve cylindrique à axe vertical et, dans ce cas, le revêtement 3 est composé. d'éléments verticaux qui sont maintenus assemblés entre eux par des cercles en feuillard horizontaux. Le récipient 1 est rempli d'un matériau 4 accumulateur de calories qui est du sable saturé d'humidité par exemple du sable de rivière ou de carrière mélangé à de l'eau laquelle occupe environ 35% du volume total et représente 16 % du poids total. Dans le matériau 4 sont noyés un ou plusieurs échangeurs de chaleur 5, de préférence en forme de serpentins qui sont connectés sur des canalisations extérieures 6, 7 qui font partie d'un circuit de transfert de calories, par exemple d'un circuit qui comporte des capteurs solaires pendant l'été et d'un circuit de chauffage pendant l'hiver. Avantageusement, l'eau mélangée au sable 4 est traitée. Par exemple elle contient des agents anti-bactériens et des fongicides et algicides destinés à éviter la prolifération de micro-organismes. Le récipient 1 contient avantageusement un humidificateur qui est constitué par une rampe ou par un tapis perforé 8 qui est noyé dans le sable 4, qui est placé dans le fond du récipient 1 et qui est connecté sur une canalisation d'arrivée d'eau 9 qui permet de maintenir le sable saturé d'eau qui s'élève par capillarité dans le sable. L'enveloppe 2 comporte une ou plusieurs ouvertures de passage des canalisations 6, 7, 9 qui sont par exemple des manches souples qui sont resserées de façon étanche autour des canalisations. Ces ouvertures servent également au remplissage du récipient en sable. Afin d'éviter que de la vapeur d'eau ne risque de s'accumuler dans la cuve et de produire une surpression dangereuse, la cuve 2 comporte, à son sommet,au moins une ouverture qui est obturée par une feuille 10 d'un tissu imperméable à l'eau et perméable à la vapeur d'eau qui est par exemple un tissu vendu sous la marque "GORETEX". La figure 2 représente une cuve cylindrique d'axe vertical z zl, contenant un seul serpentin axial 5. Dans ce cas, le rayon externe du serpentin 5 est sensiblement égal à la moitié du rayon interne de la cuve. Les parties de la figure 2 homologues de celles de la figure 1 sont représentées par les mêmes repères et elles remplissent les mêmes fonctions. Le sable 4 saturé d'eau placé dans une enveloppe souple est un matériau qui présente l'avantage de pouvoir résister à des charges circulant au-dessus du récipient enterré sans qu'il soit nécessaire de construire un récipient 2 rigide, par exemple une cuve en béton ou un récipient recouvert par une dalle de répartition de charge qui reporte la charge sur le terrain en place autour du récipient. Cette propriété permet donc d'isoler le sable des terrains encaissants sur toutes ses faces, y compris la face supérieure, uniquement par une enveloppe souple 2 doublée d'un revêtement isolant thermique 3 d'où une économie de construction très importante. De plus, le sable est un matériau que l'on trouve facilement en toute région et le sable saturé d'eau présente l'avantage d'avoir une chaleur spécifique très uniforme, pratiquement indépendante de la nature et de la provenance du sable et très bien connue, ce qui permet d'effectuer des calculs thermiques très précis. L'enveloppe souple 2 et le revêtement calorifuge 3 délimitent un volume de sable parfaitement déterminé et isolent thermiquement ce volume des terrains encaissants, ce qui contribue également à la précision des calculs thermiques qui n'ont à prendre en compte que le volume bien déterminé de sable 4. La construction d'un dispositif de stockage enterré selon l'invention comporte les opérations suivantes. On creuse d'abord dans le sol une ou plusieurs excavations. On peut préfabriquer des cuves équipées de leur serpentin échangeur et du revêtement isolant thermique et descendre celles-ci en bloc dans les excavations puis les remplir de sable imprégné d'eau. Les cuves préfabriquées sont composées de matériaux légers et malgré leurs grandes dimensions, la manutention de ces cuves ne pose pas de problèmes difficiles. Pour des cuves de très grandes dimensions, il est plus commode de les construire sur place. On commence alors à poser dans le fond de la fouille une couche d'isolant thermique, puis on construit les parois isolantes et rigides qui délimitent le volume à remplir de sable. Ensuite, soit on descend à l'intérieur du volume ainsi délimité une poche souple préfabriquée, soit on construit sur place une enveloppe étanche. On place dans cette enveloppe les serpentins échangeurs qui sont montés avantageusement sur un mannequin, par exemple sur un mannequin tubulaire qui les maintient en forme. On remplit l'enveloppe de sable. Ce remplissage peut se faire par exemple avec du sable humide qui est transporté pneumatiquement. Après quoi, on construit le dessus de l'enveloppe étanche puis le dessus du calorifuge. Finalement, on recouvre la cuve de terre jusqu'au niveau du sol. Le dessus dela cuve prend appui sur le sable contenu dans la cuve et peut donc supporter le passage de charges au-dessus de la cuve sans autre aménagement. REVENDICATIONS 1. Dispositif enterré de stockage de calories de longue durée du type comportant au moins un récipient étanche enterré, rempli d'un matériau (4) accumulateur de calories et un ou plusieurs échangeurs de chaleur (5), noyés dans ledit matériau, caractérisé en ce que chaque récipient est constitué par une mince enveloppe étanche et souple (2) qui est entourée sur toutes ses faces d'un isolant thermique (3) et ledit matériau (4) est du sable saturé d'eau. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau contient une proportion d'eau de l'ordre de 35 % du volume total. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque récipient comporte un humidificateur (8) constitué par une rampe ou un tapis perforé qui est noyé dans le sable, qui est situé dans le fond du récipient et qui est connecté sur une canalisation (9) d'alimentation en eau. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite enveloppe étanche comporte, à sa partie supérieure, au moins une ouverture qui est obturée par une feuille (10) d'un tissu imperméable à l'eau et perméable à la vapeur d'eau. 5. Procédé de construction d'un dispositif de stockage de calories enterré, caractérisé par les opérations suivantes - on creuse une excavation dans le sol; - on pose dans le fond de cette excavation, une couche d'isolant thermique et on construit des parois verticales en isolant thermique rigide qui délimitent un volume avec ledit fond; - on descend à l'intérieur de ce volume une poche souple et étanche préfabriquée contenant un ou plusieurs serpentins échangeurs ou bien on construit sur place une enveloppe étanche et on place un ou plusieurs serpentins échangeurs à l'intérieur de celle-ci; - on remplit ladite poche ou ladite enveloppe étanche de sable humide à travers une ouverture; - on referme ladite ouverture; - on pose au-dessus de l'enveloppe étanche remplie de sable un revêtement isolant thermique; - et on recouvre de terre.