Brevet FR2959001A1 — publié le 20111021

La présente demande concerne une installation de transfert calorifique utilisant une pompe à chaleur, une source d'énergie calorifique de nature géothermique et au moins une canalisation d'eau. Elle s'applique notamment, mais non exclusivement, au chauffage et/ou à la climatisation de locaux. La géothermie consiste à extraire l'énergie calorifique contenue dans le 15 sol pour la production de chaleur ou d'électricité. Il est communément admis de classer la géothermie en trois catégories : la haute énergie (T > 100° C), la basse énergie (30° C L'invention a donc plus particulièrement pour but de supprimer cet inconvénient. A cet effet l'invention propose une installation de transfert d'énergie calorifique comprenant : - au moins un premier échangeur thermique disposé auprès d'une source d'énergie géothermique, - au moins un second échangeur thermique disposé auprès d'une source d'énergie thermique renouvelable comportant une canalisation de réseau d'eau, - une pompe à chaleur, - un circuit de fluide caloporteur reliant l'évaporateur de la pompe à chaleur 30 auxdits premier et second échangeur thermique. L'invention porte sur une installation de transfert d'énergie calorifique d'origine géothermique, par exemple en vue de contribuer au chauffage de locaux, cette installation ayant la particularité de comporter un échangeur thermique disposé sur une canalisation d'eau. Le principe de l'installation est de puiser les calories contenues dans le sol pour les transférer vers les besoins (logements, bureaux, process industriels, équipements divers,...), et de recharger le sol en calories puisées dans un liquide utilisé en service public, eaux usées, eau potable, et/ou utilisé dans l'industrie. Avantageusement, la canalisation de réseau d'eau peut être une canalisation de réseau d'eaux usées, d'eau industrielle ou une canalisation d'adduction d'eau. Ladite canalisation de réseau d'eau peut provenir d'un réseau de refroidissement d'un procédé industriel, nécessitant le recours à un circuit de 15 refroidissement. Diverses techniques d'échangeurs permettent de prélever des calories sur des canalisations d'eau, notamment d'eaux usées. Ces dernières restent chaudes pendant les périodes de froid climatique, elles peuvent ainsi servir de 20 source de chaleur pour les pompes à chaleur. Divers autres liquides restent chauds pendant l'hiver : eau potable, eaux industrielles, circulant en tuyaux fermés, enterrés ou non, peuvent aussi être utilisés comme source chaude. L'avantage de ce type de source de calories est qu'elle est beaucoup plus stable dans le temps que des capteurs solaires. La température des eaux usées 25 par exemple varie entre 13 à 17° C en hiver, et 20 à 25° C en été. Cette source de calories peut être qualifiée de renouvelable car les calories des eaux usées sont un sous-produit de l'activité humaine qui est autrement perdu. Grâce à sa relative permanence dans le temps, elle est tout indiquée pour constituer un apport calorique de « base » pour un système de chauffage de locaux. Le gain 30 estimé est d'environ 30% par rapport à un système utilisant l'énergie géothermique seule. Avantageusement, l'installation comporte un premier mode de fonctionnement dans lequel ledit circuit de fluide caloporteur est un circuit en boucle fermée disposé de sorte que le fluide caloporteur circule dans l'évaporateur de ladite pompe à chaleur, puis dans le second échangeur thermique, puis dans le premier échangeur thermique. Dans cette configuration, le fluide caloporteur cède des calories lors de son passage dans l'évaporateur de la pompe à chaleur, puis se réchauffe en passant dans l'échangeur associé à la canalisation d'eaux, puis est dirigé vers l'échangeur géothermique avant de retourner vers l'évaporateur. De cette façon, le fluide se recharge en calories provenant des eaux, par exemple des eaux usées, avant d'aller puiser des calories dans le sol avec l'échangeur géothermique. Typiquement, le fluide peut ainsi passer, en sortie de l'évaporateur, d'une température d'environ 1° C à environ 3° C en hiver, ou d'environ 7° C à environ 12° C en été. Ce réchauffement du fluide caloporteur diminue le prélèvement de calories exercé sur le sous-sol et améliore le rendement de l'installation. Avantageusement, l'installation comporte un second mode de fonctionnement dans lequel ledit circuit de fluide caloporteur est un circuit en boucle fermée disposé de telle sorte que le fluide caloporteur circule dans le premier échangeur thermique puis dans le second échangeur thermique. Dans cette configuration, le fluide caloporteur ne passe plus par l'évaporateur de la pompe à chaleur, mais circule entre le second échangeur couplé à la canalisation d'eaux, et le premier échangeur dans le sol. De cette façon l'installation recharge le sol en calories. Il s'agit principalement d'un mode de fonctionnement estival, lorsque le besoin de chauffage est faible ou nul et la température des eaux, par exemple des eaux usées, est relativement élevée.30 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description ci-après, se référant aux dessins annexés dans lesquels : La figure unique est une représentation schématique d'une installation 5 de transfert calorifique utilisant des sondes géothermiques et une canalisation d'eau. La géothermie très basse énergie est usuellement exploitée pour la production de chaleur et de froid. Cette production s'effectue habituellement à 10 l'aide d'une pompe à chaleur 8 qui échange avec le sol 1 une énergie thermique par l'intermédiaire d'une ou plusieurs sondes géothermiques 3 par exemple verticales. On sait qu'une pompe à chaleur 8 est une machine thermodynamique apte à puiser de la chaleur dans un milieu appelé « source froide » dont la 15 température est inférieure à celle du besoin. Elle transfère ensuite cette énergie à un fluide caloporteur, en général l'eau chaude mais aussi quelquefois l'air. L'énergie calorifique est prélevée à basse température au niveau de l'échangeur de l'évaporateur 7 de la pompe à chaleur 8. La chaleur est ensuite transmise à plus haute température à la « source chaude » au niveau de 20 l'échangeur du condenseur 9 de la pompe à chaleur. Dans l'exemple illustré, les sondes géothermiques verticales 3 comprennent chacune un premier échangeur 4 placé dans un forage vertical réalisé dans le sol 1 à partir de la surface 2 du sol. Ce forage peut atteindre plusieurs dizaines de mètres de profondeur. Cet échangeur 4 peut ensuite être 25 scellé dans le forage par un coulis (ciment + bentonite par exemple). On connaît plusieurs types de sondes géothermiques verticales : par exemple « en U », « en double U » ou encore « coaxiales ». Dans l'exemple illustré, la pompe à chaleur 8 a été représentée schématiquement par un bloc rectangulaire comportant, d'un côté, un sous- 30 ensemble incluant l'échangeur de l'évaporateur 7 et, de l'autre côté, un sous-ensemble incluant l'échangeur du condenseur 9. - 6 Un fluide caloporteur (généralement de l'eau additionnée d'antigel) circule dans un circuit en boucle fermée 40 au moyen d'une pompe de circulation 6, le circuit 40 comprenant : - des premiers échangeurs thermiques 4 couplés à une pluralité de sondes 5 géothermiques 3, - un second échangeur thermique 30 couplé à une canalisation d'eaux usées 31, - l'évaporateur 7 de la pompe à chaleur 8, - un premier tuyau 5a, reliant la sortie des premiers échangeurs 4 et 10 l'entrée de l'évaporateur 7, un deuxième tuyau 5b reliant la sortie de l'évaporateur 7 et l'entrée du second échangeur 30, et un troisième tuyau 5c reliant la sortie du second échangeur 30 couplé à la canalisation 31 et l'entrée des premiers échangeurs 4 couplés aux sondes géothermiques 3 ; un quatrième tuyau 5d relie le premier tuyau 5a au deuxième tuyau 5b, permettant de « by 15 passer » la pompe à chaleur 8. La pompe de circulation 6 est montée sur le premier tuyau 5a, mais elle pourrait être montée sur le deuxième ou le troisième tuyau, l'important étant qu'elle puisse entraîner le fluide caloporteur dans les deux modes de fonctionnement de l'installation, c'est à dire qu'elle soit montée sur une partie commune aux circuits mis en oeuvre dans ces 20 modes de fonctionnement. Dans un premier mode de fonctionnement en mode chauffage, la vanne 20 située sur le premier tuyau 5a est ouverte, la vanne 21 située sur le quatrième tuyau 5d est fermée. Dans ce premier mode de fonctionnement, le fluide caloporteur circule en boucle fermée entre les premiers échangeurs 4, 25 l'évaporateur 7 de la pompe à chaleur 8 et le second échangeur 30. Le fluide puise des calories dans le sol 1 grâce aux premiers échangeurs 4, circule dans le premier tuyau 5a vers l'évaporateur 7 de la pompe à chaleur 8, cède ces calories dans l'échangeur de l'évaporateur 7, emprunte le deuxième tuyau 5b vers le second échangeur 30 où il se réchauffe, circule 30 ensuite dans le troisième tuyau 5c pour retourner dans les premiers échangeurs 4 des sondes géothermiques 3. Le fluide échange de la chaleur avec le sol 1 qui entoure les sondes géothermiques 3, avec la canalisation d'eau 31 et avec le fluide frigorigène de la pompe à chaleur 8. Si la température du fluide caloporteur circulant dans la/les sonde(s) géothermique(s) 3 est inférieure à la température du sol 1 en contact avec la/les sonde(s) 3, le fluide caloporteur se réchauffe en prélevant de la chaleur au sol 1 autour des sondes géothermiques 3 et ainsi, refroidit le sol 1 autour de ces sondes géothermiques 3. Dans ce cas, l'installation prélève des calories au sol 1, la pompe à chaleur 8 prélève ces calories au fluide caloporteur au niveau de son évaporateur 7, par exemple en vue du chauffage d'un bâtiment et/ou préchauffage de l'eau chaude sanitaire. De façon à minimiser le refroidissement du sol 1, le fluide caloporteur emprunte le second échangeur 30 couplé à la canalisation d'eaux usées 31 de façon à se réchauffer avant d'être dirigé vers les sondes géothermiques 3. On limite ainsi la décharge thermique du sol 1 et donc la baisse de la température du fluide caloporteur circulant dans les sondes géothermiques 3. La chaleur prélevée par la pompe à chaleur 8 est ensuite fournie à la source chaude grâce à l'échangeur du condenseur 9. Cette chaleur est récupérée par le fluide de la source chaude qui circule dans les tubes 10 et 11 au moyen d'une pompe 12. En dehors de la saison de chauffe, c'est-à-dire la période de l'année où il n'y a pas de besoin de chaleur, qui correspond à la période estivale, l'installation couplant les sondes géothermiques 3 à une canalisation d'eaux usées 31 fonctionne en mode injection de chaleur dans le sol 1. La mise de l'installation dans ce mode de fonctionnement pourra se faire, par exemple, en fonction de la température extérieure (mise en fonctionnement si la température extérieure est supérieure à une température extérieure de 30 consigne). 2959001 -8 Lorsque ce second mode de fonctionnement est activé, la vanne 20 montée sur le premier tuyau 5a est fermée et la deuxième vanne 21 montée sur le quatrième tuyau 5d est ouverte, c'est à dire que la pompe à chaleur 8 est « by passée ». 5 Dans ce second mode de fonctionnement, le fluide caloporteur circule en boucle fermée entre les premiers échangeurs 4 des sondes géothermiques 3 et le second échangeur 30 associé à la canalisation 31 grâce à la pompe 6 montée sur le premier tuyau 5a. Le fluide se réchauffe en traversant le second 10 échangeur 30, circule ensuite dans le troisième tuyau 5c, puis dans les premiers échangeurs 4 des sondes géothermiques 3 et retourne au second échangeur 30 par les tuyaux 5d et 5b. Comme la température du fluide caloporteur est supérieure à la température du sol 1 entourant les sondes géothermiques verticales 3, puisqu'il a été réchauffé par le second échangeur 15 30, le fluide caloporteur cède de la chaleur au sol 1 entourant les sondes géothermiques 3. Ce mode de fonctionnement permet ainsi une recharge thermique du sol 1 entourant les sondes géothermiques 3 grâce à l'énergie thermique fournie 20 par la canalisation d'eaux usées 31. Cette recharge thermique permet de compenser au moins partiellement la décharge thermique du sol 1 engendrée par le prélèvement de chaleur du sol 1 par la pompe à chaleur 8 au moyen des sondes géothermiques 3 pendant la saison de chauffe. Revendications1. Installation de transfert d'énergie calorifique comprenant : - au moins un premier échangeur thermique (4) disposé auprès d'une source d'énergie géothermique (1), - au moins un second échangeur thermique (30) disposé auprès d'une source d'énergie thermique renouvelable comportant une canalisation de réseau d'eau, - une pompe à chaleur (8), - un circuit de fluide caloporteur (40) reliant l'évaporateur (7) de ladite pompe à chaleur auxdits premier et second échangeur thermique. 2. Installation de transfert d'énergie calorifique selon la revendication 1, 15 caractérisée en ce que ladite canalisation de réseau d'eau est une canalisation de réseau d'eaux usées (31). 3. Installation de transfert d'énergie calorifique selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite canalisation de réseau d'eau est une canalisation 20 de réseau d'adduction d'eau. 4. Installation de transfert d'énergie calorifique selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite canalisation de réseau d'eau est une canalisation d'eau industrielle. 5. Installation de transfert d'énergie calorifique selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite canalisation de réseau d'eau provient d'un réseau de refroidissement d'un procédé industriel, nécessitant le recours à un circuit de refroidissement. 25 30 2959001 -10- 6. Installation de transfert d'énergie calorifique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte un premier mode de fonctionnement dans lequel ledit circuit de fluide caloporteur (40) est un circuit en boucle fermée 5 disposé de sorte que le fluide caloporteur circule dans l'évaporateur (7) de ladite pompe à chaleur (8), puis dans l'au moins un second échangeur thermique (30), puis dans l'au moins un premier échangeur thermique (4). 7. Installation de transfert d'énergie calorifique selon l'une des 10 revendications 1 à 5, caractérisée en ce que qu'elle comporte un second mode de fonctionnement dans lequel ledit circuit de fluide caloporteur (40) est un circuit en boucle fermée disposé de telle sorte que le fluide caloporteur circule dans l'au moins un premier échangeur thermique (4) puis dans l'au moins un second échangeur thermique (30).