Brevet FR2950422A1 — publié le 20110325

La présente invention concerne une enceinte destinée à contenir un échangeur géothermique, aussi appelé capteur géothermique. Elle concerne aussi un dispositif d'échangeur géothermique comprenant une telle enceinte et un tel échangeur ou capteur géothermique. Elle concerne encore une machine thermodynamique comprenant un tel dispositif d'échangeur géothermique. La géothermie fait partie des énergies dites « renouvelables ». Son principe consiste à échanger de l'énergie thermique avec le sous-sol terrestre pour l'utiliser dans des systèmes de production de chauffage ou de production de froid ou de production d'électricité. On distingue quatre types de géothermie : - la géothermie haute énergie ; - la géothermie moyenne énergie ; - la géothermie basse énergie ; et - la géothermie très basse énergie. Les sites géothermiques haute et moyenne énergies permettent la production d'électricité. En revanche, les sites géothermiques basse et très basse énergies ne permettent que la production de chaleur. La géothermie basse énergie utilise des échangeurs placés profondément dans le sous-sol terrestre. La géothermie très basse énergie utilise des machines thermodynamiques, notamment des pompes à chaleur. La géothermie haute énergie utilise des eaux et des vapeurs ayant des températures de plus de 180 °C, les vapeurs entraînant des turbines entraînant à leur tour des générateurs d'électricité. En moyenne, la température du sous-sol terrestre augmente à partir de la surface terrestre de 3 °C environ par 100 mètres de profondeur, ce qui correspond à un gradient géothermique normal. En de nombreux endroits du globe, nous constatons toutefois des anomalies géothermiques (dites «positives»), c'est-à-dire des MS\CEA011FR.dpt régions présentant des gradients de température nettement plus élevés, par exemple en Islande, en Italie, en Indonésie ou en Nouvelle-Zélande. Dans ces endroits, la géothermie haute énergie peut être mise en oeuvre sans réaliser des forages très profonds. La géothermie moyenne énergie utilise des fluides ayant des températures comprises entre 100 et 180 °C, qui cèdent leur chaleur à un fluide secondaire plus volatil. Ce fluide entraîne alors une turbine qui entraîne un générateur d'électricité. 10 La géothermie basse énergie utilise des fluides à des températures comprises entre 30 °C et 100 °C. Le rendement est très trop faible pour pouvoir produire de l'électricité, mais elle permet de couvrir une large gamme d'usages : chauffage urbain, chauffage de serres, utilisation de chaleur dans des 15 procédés industriels, thermalisme... La géothermie très basse énergie est exploitée pour le chauffage et le rafraîchissement des maisons ou des bâtiments collectifs, et aussi pour la production d'eau chaude sanitaire. Pour ce faire, il est nécessaire de prélever 20 ou d'injecter dans le sous-sol terrestre de la chaleur grâce à un échangeur ou capteur géothermique. Cette chaleur entre en jeu dans les échanges énergétiques d'une machine thermodynamique comme une pompe à chaleur. Ce type de géothermie est accessible partout, ou presque, quel que soit le site géographique. Dans ces applications, on enfouit donc dans le sous-sol 25 terrestre un ou plusieurs échangeurs géothermiques. Dans les applications de géothermie très basse énergie, les différences de température entre l'échangeur géothermique et le sous-sol étant relativement basses, le flux de transfert thermique est donc relativement faible entre 30 l'échangeur géothermique et le sous-sol. En effet, on utilise le plus souvent la chaleur sensible du sol, ce qui limite grandement la puissance échangée. En MS\CEA011FR.dpt5 outre, les échangeurs géothermiques sont de petite taille. Tout ceci contraint à installer un grand nombre d'échangeurs géothermiques dans le sous-sol, ce qui est coûteux. De plus, dans certaines phases de fonctionnement des installations comprenant les échangeurs géothermiques, il est possible de causer un gel partiel ou total du sous-sol au voisinage des échangeurs, et notamment aux interfaces échangeurs - sous-sol. Ce gel provoque des dilatations du sous-sol. Lors du dégel, le sous-sol se rétracte en laissant un espace entre lui-même et les échangeurs géothermiques. Cet espace nuit évidemment également à la qualité du flux de transfert thermique entre le sous-sol et les échangeurs. Le but de l'invention est de fournir un dispositif permettant de remédier aux problèmes évoqués précédemment et améliorant les dispositifs connus de l'art antérieur. En particulier, l'invention propose un dispositif permettant d'améliorer le transfert thermique entre un échangeur géothermique et le sous-sol terrestre, notamment dans une application de géothermie très basse énergie. Notamment, l'invention propose un dispositif permettant d'éviter l'apparition d'un espace ou d'un vide d'air entre l'échangeur géothermique et le sous-sol suite à une série successive de gel et de dégel du sous-sol. L'enceinte selon l'invention comprend un premier matériau déformable formant une poche et est destinée à être enfouie dans un sous-sol terrestre et à contenir au moins partiellement un échangeur géothermique. L'enceinte comprend un moyen d'expansion permettant des variations de volume du contenu de l'enceinte. Le moyen d'expansion peut comprendre un vase d'expansion raccordé hydrauliquement à la poche par une conduite. MS\CEA011FR.dpt30 Le moyen d'expansion peut comprendre une paroi de la poche pouvant se déformer dans une cavité ou être disposé dans la poche. Le premier matériau déformable peut être une matière plastique souple, 5 comme du polyéthylène. L'enceinte peut comprendre au moins une ouverture de passage de conduites hydrauliques connectées à l'échangeur géothermique. 10 Le dispositif d'échangeur géothermique selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte, définie précédemment, contenant au moins partiellement un échangeur géothermique et contenant un deuxième matériau déformable de remplissage de l'enceinte. 15 L'échangeur géothermique peut être de type corbeille. Le deuxième matériau déformable de remplissage peut être un mélange d'eau glycolée et de minéraux comme du sable et/ou du gravier et/ou de la terre. 20 Les dimensions de la poche peuvent être supérieures de 5 cm à 1 m à celles de l'échangeur géothermique. Selon l'invention, une machine thermodynamique comprend un condenseur, un évaporateur et un dispositif d'échangeur géothermique défini 25 précédemment et couplé thermiquement avec le condenseur et/ou avec l'évaporateur. Les dessins annexés représentent, à titre d'exemples, deux modes de réalisation d'un dispositif d'échangeur géothermique selon l'invention. La figure 1 est un schéma d'un premier mode de réalisation d'un dispositif d'échangeur géothermique selon l'invention. MS\CEA011FR.dpt 30 La figure 2 est un schéma d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif d'échangeur géothermique selon l'invention. Le dispositif d'échangeur géothermique 10 représenté à la figure 1 comprend principalement un échangeur géothermique 2, une enceinte 1 entourant l'échangeur géothermique et un matériau 12 déformable de remplissage de l'enceinte. Le dispositif d'échangeur géothermique est destiné à être enfoui sous le sol 13, dans le sous-sol terrestre 6. L'enceinte comprend une poche 11 réalisée en un matériau déformable, par exemple un matériau plastique, en particulier un matériau synthétique souple comme par exemple du polyéthylène haute densité de 0.5 mm d'épaisseur. La poche comprend au moins une ouverture 5 définissant un passage pour des conduites 7 permettant la circulation d'un fluide caloporteur dans l'échangeur géothermique 2. De préférence, une fois que les conduites traversant la poche au niveau de cette au moins une ouverture sont en place, la poche est étanche à ce niveau. Pour ce faire des moyens d'étanchéité sont prévus au niveau de l'au moins une ouverture 5 et/ou au niveau des conduites 7. Ainsi, l'enceinte est de préférence étanche. De préférence, la poche est dimensionnée de sorte que la totalité de l'échangeur géothermique soit contenue dans celle-ci. La taille de la poche est limitée par la taille de la tarière qui est utilisée pour installer le dispositif d'échangeur géothermique dans le sous-sol ou par la taille du trou réalisé par une pelle mécanique. Plus son volume est important, mieux c'est. En effet, un fort volume de matériau ayant des conductivité et capacité thermiques élevées a pour effet d'améliorer les échanges thermiques entre l'échangeur géothermique et le sous-sol. De préférence, l'échangeur géothermique est noyé dans une poche dont le diamètre et la hauteur sont supérieurs d'une cinquantaine de centimètres à l'échangeur géothermique. Néanmoins, les MS\CEA011FR.dpt dimensions de la poche peuvent aussi être supérieures à celles de l'échangeur géothermique dans un intervalle variant de quelques centimètres, typiquement 5cm,à1 m. Outre la présence de l'échangeur géothermique à l'intérieur de la poche, celle-ci est remplie du matériau 12 de remplissage ayant des conductivité et capacité thermiques élevées de façon à maximiser le flux thermique transmissible entre le sous-sol et l'échangeur géothermique. Ce matériau de remplissage est par exemple un mélange d'eau glycolée et de minéraux comme du sable et/ou du gravier et/ou de la terre. Ainsi, la conductivité thermique du matériau est par exemple comprise entre 1.5 et 5 W/m.K et la capacité thermique est par exemple comprise entre 1.5 et 4 MJ/m3.K. Ainsi, de préférence, la poche est totalement remplie par l'échangeur géothermique et le matériau de remplissage. L'enceinte comprend également un moyen d'expansion 3 permettant des variations de volume du contenu de l'enceinte, c'est-à-dire des déformations de la poche. De préférence, le moyen d'expansion comprend un vase d'expansion 3 relié à la poche grâce à une conduite hydraulique 4. Ainsi, sous l'effet de déformation de la poche, une certaine quantité du matériau de remplissage (correspondant à une déformation de la poche) peut être échangée entre la poche et le vase d'expansion. En outre, une certaine quantité du matériau de remplissage peut être échangée entre la poche et le vase d'expansion lorsque ce matériau de remplissage se dilate ou se rétracte sous l'effet de variations de sa température. De l'air, ou un autre gaz, se trouve dans le vase d'expansion, au-dessus du niveau du matériau de remplissage. Ainsi, cet air est compressé ou détendu selon les échanges de matériau de remplissage entre la poche et le vase d'expansion. Bien entendu, les dimensions du vase d'expansion, et notamment son volume, dépendent des dimensions de la poche, et notamment de son volume. MS\CEA011FR.dpt Alternativement, comme décrit ci-après en référence à la figure 2 représentant un deuxième mode de réalisation d'un dispositif d'échangeur géothermique selon l'invention où, par rapport au premier mode de réalisation, les éléments identiques portent des références numériques auxquelles on a ajouté 100, le moyen d'expansion 133 comprend une paroi déformable 132 de la poche 111 pouvant se déformer à l'intérieur d'une cavité 130 extérieure à la poche, par exemple une paroi supérieure 132 de la poche. La cavité 130 peut être réalisée grâce à une forme 131 accolée à la poche 111. En effet, lorsque sous l'effet du gel, le sous-sol se dilate en comprimant la poche au niveau des parois avec lesquelles il est en contact. Les dimensions de la poche sont modifiées et la variation de volume correspondante peut être compensée par la déformation de ladite paroi à l'intérieur de la cavité. Alternativement encore, dans un troisième mode de réalisation non- représenté, le moyen d'expansion est disposé à l'intérieur de la poche. Dans un premier exemple, le moyen d'expansion peut comprendre une enveloppe déformable et remplie de gaz. L'enveloppe est déformée et son volume est modifié en fonction des modifications des dimensions de la poche. Dans un deuxième exemple, le moyen d'expansion peut comprendre du gaz libre dans la poche, c'est-à-dire que la poche n'est pas complètement remplie avec le matériau de remplissage. Ainsi, dans ce troisième mode de réalisation, la poche contient, outre l'échangeur géothermique et le matériau de remplissage, le moyen d'expansion. Dans les trois modes de réalisation, la dilatation du sous-sol absorbée par l'enceinte selon l'invention est de l'ordre de un centimètre à quelques centimètres, en cas de changement de phase du sous-sol. Même s'il n'y a pas de changement de phase du sous-sol, l'enceinte selon l'invention permet de garantir un contact permanent avec le sous-sol. Dans tous les cas, le contact garanti avec le sous-sol améliore l'échange thermique entre le sous-sol et MS\CEA011FR.dpt l'échangeur géothermique ainsi que le flux thermique entre le sous-sol et l'échangeur géothermique. L'enceinte selon l'invention permet d'épouser au mieux et tout le temps la forme en creux du sous-sol dans laquelle elle est placée, et ce malgré les dilatations thermiques dues aux variations de température du sol. En effet, l'enceinte permet (par la déformation de la poche qui la constitue) sa déformation lors de la dilatation du sous-sol et elle permet (par l'effet du matériau de remplissage) le rappel de ses parois en contact avec le sous-sol lors du retrait de celui-ci, dû à un dégel par exemple. Ainsi, l'enceinte selon l'invention constitue un système pouvant être adapté sur des échangeurs géothermiques compacts de façon à garantir dans toutes les conditions un bon contact avec le sous-sol. Une enceinte selon l'invention et un dispositif d'échangeur géothermique selon l'invention peuvent être utilisés dans une application de géothermie très basse énergie pour le conditionnement (c'est-à-dire le chauffage et/ou le refroidissement) d'un bâtiment de type résidentiel individuel, résidentiel collectif, tertiaire, commercial ou industriel. Dans une telle application, le dispositif d'échangeur géothermique est couplé thermiquement à un évaporateur et/ou un condenseur d'une machine thermodynamique, comme une pompe à chaleur. L'échangeur géothermique peut être de type corbeille. Ainsi, il peut avoir une dimension longitudinale (sa hauteur) comprise entre 2 m et 5 m et/ou il peut présenter une dimension transversale (notamment un diamètre) comprise entre 0,5 m et 2 m. Dans un exemple de réalisation particulier, la poche est en matière plastique souple. L'échangeur géothermique est une corbeille géothermique d'un MS\CEA011FR.dpt 5 diamètre de 0.4 m et d'une hauteur de 3 mètres située dans la poche. Un vase d'expansion a une capacité de 20 litres et permet de compenser les variations de volume de la poche dues au gel/dégel. La poche présente une hauteur de 3.5 mètres et un diamètre de 0.9 m. MS\CEA011FR.dpt Revendications: 1. Enceinte (1 ; 101) comprenant un premier matériau déformable formant une poche (11 ; 111) et destinée à être enfouie dans un sous-sol terrestre (6) et à contenir au moins partiellement un échangeur géothermique (2 ; 102), l'enceinte comprenant un moyen d'expansion (3, 4 ; 133) permettant des variations de volume du contenu de l'enceinte. 2. Enceinte selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen d'expansion comprend un vase d'expansion (3) raccordé hydrauliquement à la poche par une conduite (4). 3. Enceinte selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le moyen d'expansion comprend une paroi (132) de la poche (111) pouvant se déformer dans une cavité (130) ou en ce que le moyen d'expansion est disposé dans la poche. 4. Enceinte selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le premier matériau déformable est une matière plastique souple, comme du polyéthylène. 5. Enceinte selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une ouverture (5 ; 105) de passage de conduites hydrauliques (7 ; 107) connectées à l'échangeur géothermique (2 ; 102). 6. Dispositif d'échangeur géothermique (10 ; 110), caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte (1 ; 101) selon l'une des revendications précédentes contenant au moins partiellement un échangeur géothermique (2 ; 102) et contenant un deuxième matériau (12 ; 112) déformable de remplissage de l'enceinte. MS\CEA011FR.dpt 10 7. Dispositif d'échangeur géothermique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'échangeur géothermique (2 ; 102) est de type corbeille. 8. Dispositif d'échangeur géothermique selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le deuxième matériau (12 ; 112) déformable de remplissage est un mélange d'eau glycolée et de minéraux comme du sable et/ou du gravier et/ou de la terre. 9. Dispositif d'échangeur géothermique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les dimensions de la poche (11 ; 111) sont supérieures de 5 cm à 1 m à celles de l'échangeur géothermique (2 ; 102). 10. Machine thermodynamique comprenant un condenseur, un évaporateur et un dispositif d'échangeur géothermique (10 ; 110) selon l'une des revendications 6 à 9 couplé thermiquement avec le condenseur et/ou avec l'évaporateur. MS\CEA011FR.dpt