Brevet FR2956197A1 — publié le 20110812

. Domaine technique Cette invention concerne un dispositif pour capter l'énergie solaire et l'accumuler dans le sous-sol. Elle s'inscrit dans le domaine des énergies renouvelables. Plus précisément, elle se situe à la confluence des techniques de solaire thermique et de géothermie basse énergie, en présentant des caractéristiques qui la rendent unique. 2. Etat de la technique antérieure II existe actuellement différentes techniques d'exploitation des ressources d'énergie solaire et géothermique : o Le chauffe-eau solaire consiste à produire de l'eau chaude sanitaire par exposition d'eau froide au 10 rayonnement solaire grâce à un dispositif appelé capteur. Une fois que l'eau a atteint la température souhaitée, elle est stockée dans un réservoir isolant et disponible pour utilisation. o Le chauffage par plancher solaire direct consiste à capter l'énergie solaire grâce à un fluide caloporteur traversant un capteur, puis à faire circuler ce fluide dans un circuit intégré au plancher des locaux à chauffer pour qu'elle s'y diffuse. 15 o La géothermie horizontale consiste à prélever la chaleur présente dans la couche superficielle du sous-sol. Ceci est réalisé au moyen d'un fluide caloporteur qui s'échauffe en traversant un circuit enterré à faible profondeur et d'une pompe à chaleur permettant de restituer cette chaleur à la température requise. o La géothermie verticale. consiste à prélever la chaleur présente à des profondeurs géologiques faibles 20 de l'écorce terrestre. Le prélèvement et la restitution de la chaleur sont faits selon le même principe qu'en géométrie horizontale à la différence qu'ici le fluide caloporteur circule dans une sonde installée verticalement dans un forage de profondeur maximale d'une centaine de mètres. o On trouve aussi des systèmes dits « hybrides » qui consistent en l'emploi combiné de chauffe-eau solaire, de plancher solaire direct et de géothermie horizontale. 25 o Certaines installations de géothermie horizontale ont un fonctionnement réversible. En été, elles refroidissent les locaux en captant la chaleur de l'air ambiant et en l'évacuant vers le sous-sol via la pompe à chaleur réversible et le circuit enterré. o Enfin, dans certaines applications de géothermie horizontale dite « à détente directe » le circuit de captage enterré est l'évaporateur de la pompe à chaleur : le fluide caloporteur qui y circule est le 30 fluide frigorigène de cette dernière. Les techniques de chauffe-eau solaire et de plancher solaire direct permettent de capter l'énergie solaire et de l'utiliser dans un délai court : quelques jours selon les performances isolantes du réservoir de stockage. Les techniques de géothermie horizontale et verticale puisent la chaleur qui a été apportée de façon 35 naturelle à proximité du circuit ou de la sonde de prélèvement. Dans le cas de la géothermie horizontale, cet apport est fait par rayonnement solaire direct à la surface du sol et infiltration des eaux. Dans le cas de la géothermie verticale, cet apport est fait par conduction thermique dans le sous-sol. Dans le cas de géothermie horizontale, le circuit de prélèvement doit occuper une surface de sol importante. Dans le cas de la géothermie verticale, la longueur de sonde doit être importante, nécessitant des forages relativement profonds. Dans les 2 cas, le coefficient de performance de la pompe à chaleur est limité par la température naturelle moyenne du sous-sol avoisinant 10 à 13°C. De plus, dans le cas de la géothermie verticale, si les caractéristiques physiques réelles du sous-sol diffèrent de celles considérées pour le dimensionnement de l'installation, on peut aboutir à un épuisement calorifique du sous-sol et au blocage du système. Les systèmes hydrides n'ont pas de spécificité propre, étant la juxtaposition des autres techniques sans création de synergie. Les géothermies horizontales réversible ou à détente directe, si elles présentent des avantages les distinguant de la géothermie horizontale simple (fonction supplémentaire de climatisation dans un cas, 10 amélioration sensible de l'efficacité du système dans l'autre) ont les mêmes limites. 3. Exposé de l'invention Le dispositif selon cette invention capte l'énergie solaire et l'accumule dans le sous-sol sous forme de chaleur. Selon sa première caractéristique, il permet d'échauffer un fluide caloporteur en l'exposant au rayonnement solaire au moyen d'un capteur et, lorsque ce fluide a atteint une température suffisante, de 15 le transvaser dans un diffuseur de chaleur enterré pour qu'un flux de chaleur s'établisse entre lui et le sous-sol en conséquence de leur écart de température. Ce flux a pour effet d'élever la température du sous-sol de proche en proche au dessus de sa température moyenne, constituant l'accumulation d'énergie, et de refroidir le fluide. Compte-tenu des propriétés thermiques du sous-sol, la chaleur qui lui est transférée se diffuse lentement et reste à proximité du diffuseur de chaleur. Elle peut ainsi être 20 conservée plusieurs mois sans déperditions importantes avant d'être prélevée par un système similaire à une géothermie verticale et servir différentes utilisations. Sa mise en oeuvre est réalisée au moyen : o d'un circuit de captage et d'accumulation (figure 1) composé principalement d'un capteur solaire (C) et d'un diffuseur de chaleur sous-terrain (D), convenablement dimensionnés en fonction des besoins 25 à couvrir, des conditions climatiques du lieu de l'installation et de la nature du sous-sol, et dans lequel circule un fluide caloporteur. o d'un système de pilotage, appliquant un mode de pilotage particulier et déterminant pour atteindre un rendement énergie captée / énergie accumulée élevé. o d'un dispositif de prélèvement et de restitution de l'énergie, similaire à ceux utilisés en géothermie 30 verticale et ne faisant pas l'objet de cette invention. Cependant ce dispositif de prélèvement et de restitution pourra utiliser le fluide caloporteur et le diffuseur du circuit de captage et d'accumulation, l'utilisation du diffuseur étant alors inversée pour fonctionner comme sonde géothermique. Les dimensions du capteur et du diffuseur et le mode de pilotage sont liés afin de maximaliser le rendement énergie captée / énergie accumulée. En particulier, la masse de fluide exposée au 35 rayonnement solaire par unité de surface de capteur, la surface externe du diffuseur par laquelle se fait le transfert de chaleur vers le sous-sol, et la masse de fluide contenue par unité de longueur du diffuseur sont interdépendantes et dimensionnées en fonction des caractéristiques du fluide caloporteur, des caractéristiques du sous-sol, des conditions climatiques du lieu de l'implantation et des besoins à couvrir. Le pilotage est principalement déterminé en fonction de 2 cycles : 1. un cycle de captage et d'accumulation, à fréquence plus ou moins quotidienne : captage par échauffement du fluide exposé au rayonnement solaire grâce au capteur durant la journée, accumulation par transfert de chaleur du fluide au sous-sol grâce au diffuseur durant la nuit. Cependant, plusieurs de ces cycles peuvent être répétés dans la même journée dès l'instant que le fluide contenu dans le capteur a atteint une température suffisamment élevée pour qu'une fois transvasé dans le diffuseur un flux de chaleur substantiel s'établisse entre lui et le sous-sol, alors qu'une autre quantité de fluide est chargée dans le capteur pour être à son tour échauffée. 2. un cycle saisonnier lié à la saisonnalité des conditions climatiques du lieu de l'installation et des besoins à couvrir : phase de captage et d'accumulation en saison chaude, phase de prélèvement et utilisation en saison froide. Le système de pilotage est réalisé au moyen, entres autres choses, de sondes de température en différents points du dispositif, d'un automate de contrôle et de commande programmé en fonction des caractéristiques spécifiques à chaque installation, et d'une pompe de circulation. Le dimensionnement des éléments du circuit et le mode de pilotage permettent, dans les conditions usuelles d'ensoleillement du lieu de l'installation, d'effectuer un nombre suffisant de cycles de captage et d'accumulation pour constituer une réserve d'énergie couvrant les besoins. Les composants, sous-ensembles et règles de l'art pour la mise en oeuvre du dispositif selon cette invention sont identiques à ceux usuellement utilisés pour les techniques antérieures. Cette demande de reconnaissance d'invention concerne la façon dont ils sont assemblés, les règles de dimensionnement et le mode de pilotage qui, ensemble, permettent de constituer un dispositif capable de capter et d'accumuler l'énergie solaire de manière innovante : • L'énergie solaire captée et accumulée peut être conservée plusieurs mois avant d'être utilisée. Ceci distingue cette invention des techniques de chauffe-eau solaire et de plancher solaire direct. • L'énergie utilisable a été préalablement captée et accumulée de façon forcée dans le sous-sol, rendant le système indépendant des transferts naturels de chaleur en surface ou dans le sous-sol. Ceci distingue cette invention de la géothermie horizontale en supprimant la nécessité de lui dédier une surface de sol. Ceci distingue cette invention de la géothermie verticale en réduisant de façon importante la profondeur de forage nécessaire, et en prévenant le risque de blocage par épuisement calorifique du sous-sol. • Le sous-sol autour du diffuseur atteint une température supérieure à sa température naturelle. Ceci distingue cette invention de la géothermie horizontale et de la géothermie verticale en permettant d'obtenir un meilleur coefficient de performance de la pompe à chaleur, ou de restituer la chaleur en sortie de pompe à chaleur à une température supérieure à ce qui serait obtenue en géothermie horizontale ou géothermie verticale. 4. Présentation des figures annexées La figure 1 présente le schéma du circuit de captage et d'accumulation, sur lequel sont indiqués : (C) : le capteur solaire à fluide caloporteur (D) : le diffuseur de chaleur enterré verticalement et non-représentés : - le fluide caloporteur contenu dans le circuit, le système de pilotage la pompe de circulation le by-pass et le circuit de prélèvement à pompe à chaleur, optionnel. La figure 2 illustre le mode de réalisation exposé dans l'exemple ci-dessous. Elle présente l'évolution de la température du sous-sol en fonction de la distance au diffuseur pour différents mois du cycle saisonnier. 5. Exposé d'un mode de réalisation : système de captage et d'accumulation de l'énergie solaire pour le chauffage d'une maison individuelle Le capteur solaire de type plan vitré se trouve sur le toit de la maison, et est convenablement orienté par rapport à la position du soleil en saison chaude. Le circuit relie le capteur au diffuseur de chaleur enterré verticalement sous la maison. Il contient le fluide caloporteur dont une part se trouve dans le capteur alors qu'une autre se trouve dans le diffuseur. La circulation du fluide est assurée par une pompe commandée par le système de pilotage. En saison chaude le cycle de captage et d'accumulation est décomposé selon les phases temporelles suivantes : • Phase 1 : la part du fluide FI se trouvant dans le capteur est exposée au rayonnement solaire dont elle capte l'énergie sous forme de chaleur par élévation de sa température. La seconde part de fluide F2 se trouve dans le diffuseur. • Changement de phase : lorsque F1 atteint la température de transvasement t°*, le circuit est activé pour transvaser F1 du capteur au diffuseur, et transvaser F2 du diffuseur au capteur. • Phase 2 : l'écart entre la température de transvasement t°* de la part de fluide F1 se trouvant maintenant dans le diffuseur et la température du sous-sol établit un transfert de chaleur de F1 vers le sous-sol, dont la température s'élève pour constituer l'accumulation d'énergie, alors que celle de F1 s'abaisse. Pendant ce temps F2 se trouvant dans le capteur exposée au rayonnement solaire en capte l'énergie par élévation de sa température. • Changement de phase : lorsque F2 dans le capteur atteint la température de transvasement t°*, le circuit est activé pour transvaser F2 du capteur au diffuseur, et F1 du diffuseur au capteur. • et ainsi de suite ... La température de transvasement t°* est la plus élevée possible afin de maximaliser le flux de chaleur du fluide vers le sous-sol. Elle est limitée par la température d'ébullition du fluide caloporteur. Cependant, les changements de phase sont aussi déclenchés lorsque l'intensité du rayonnement solaire décline, notamment en fin de journée, et que le fluide dans le diffuseur s'est refroidi à une température inférieure à celle du fluide se trouvant dans le capteur. En saison froide, le capteur solaire est by-passé et le diffuseur est mis en circuit avec une pompe à chaleur et un système de distribution de chaleur à l'intérieur de la maison. Le diffuseur fonctionne alors comme sonde de prélèvement, et le circuit ainsi constitué est piloté comme une géothermie verticale. Exemple d'installation : Le besoin est de chauffer une maison de 100m2 située à 45° de latitude nord et aux performances d'isolation moyennes. L'énergie annuelle requise est de 10 000 kW.h. La période de chauffage commence le 1er novembre et s'achève le 31 mars. Les conditions de mise en oeuvre sont les suivantes : • Ensoleillement : o 2200 h /an, dont 1500 h entre avril et septembre o Irradiation globale dans le plan entre avril et septembre comprise entre 4 à 5,9 kWh/m2 par jour • Capteur solaire de type plan vitré, de rendement solaire 0,6 • Fluide caloporteur dont les caractéristiques sont : o masse volumique = 1000 kg/m3 o chaleur massique 4000 J/kg/°C o température d'ébullition de 120°C, de solidification de -25°C à pression atmosphérique • Sous-sol de type argileux, dont les caractéristiques sont : o masse volumique 2700 kg/m3 o chaleur massique = 500 J/kg/°C o coefficient de transfert par conduction = 1 W/m/°C • Dimensions de l'installation nécessaire : o la surface utile du capteur solaire est de 24m2 et l'épaisseur de la lame de fluide est de 4 cm 0 le volume des parts de fluide caloporteur dans le capteur et dans le diffuseur sont de 0,96 m3 o le diffuseur est un cylindre de diamètre 20 cm, de longueur 31 m. Il est enterré verticalement entre 5 et 36 m de profondeur pour éviter le transfert de chaleur sur les 5 m supérieurs du sous-sol qui ont uniquement une fonction isolante. • Mode de pilotage à appliquer et performance : La saison chaude de captage et d'accumulation commence le 1er avril et finit le 30 septembre. La température de transvasement de 90°C déclenche 424 transvasements, permettant de capter 13 150 kW.h dont 10 000 kW.h sont accumulés. 6. Applications industrielles Le dispositif selon cette invention est destiné à capter et accumuler l'énergie solaire à des fins de chauffage des maisons individuelles, des immeubles d'habitation collective et de bureau, des bâtiments industriels, et de production d'eau chaude sanitaire. II peut aussi être utilisé pour transformer l'énergie solaire en électricité s'il est mis en œuvre avec un dispositif permettant la conversion de chaleur en électricité, par exemple une génératrice d'électricité à turbine et alternateur. Revendications1) Dispositif pour capter et accumuler l'énergie solaire dans le sous-sol caractérisé en ce qu'il comporte un capteur d'énergie solaire à fluide caloporteur, un diffuseur de chaleur sous-terrain, et un système de commande appliquant un mode de pilotage particulier. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il ne nécessite aucune surface de sol dédiée. 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'énergie est captée et accumulée de façon forcée et contrôlée, indépendamment des transferts de chaleur naturels à la surface ou dans le sous-sol. 4) Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'énergie captée et accumulée dans le sous- sol peut-être conservée durant plusieurs mois sans subir de déperditions importantes. 5) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'interdépendance des règles de dimensionnement du capteur et du diffuseur et du mode de pilotage permet de maximaliser la quantité d'énergie accumulée. 6) Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que l'optimisation des dimensions du capteur et 15 du mode de pilotage permettent de limiter la longueur du diffuseur et la profondeur de forage nécessaire à sa mise en place. 7) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le diffuseur de chaleur et le fluide caloporteur peuvent être utilisés par le dispositif de prélèvement de chaleur de type géothermie verticale. 20 8) Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'élévation de la température du sous-sol conséquente de l'accumulation forcée de chaleur permet d'améliorer le coefficient de performance de la pompe à chaleur du dispositif de prélèvement. 9) Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'élévation de la température du sous-sol conséquente de l'accumulation forcée de chaleur permet au dispositif de prélèvement à pompe à 25 chaleur de restituer la chaleur à une température suffisante pour alimenter un dispositif convertissant la chaleur en électricité.