Brevet FR3010543A1 — publié le 20150313

DISPOSITIF DE MAINTIEN EN TEMPERATURE D'UN LOCAL A PARTIR DE SOURCES MULTIPLES INTERCONNECTEES ET PROCEDE DE PILOTAGE La présente invention a pour objet un dispositif de maintien en température d'un local à partir de sources multiples interconnectées et son procédé de pilotage. La présente invention se rapporte typiquement au chauffage et au rafraîchissement de locaux collectifs, par exemple une maison de retraite. L'installation peut aussi être utilisée pour la production d'eau chaude sanitaire. L'application retenue pour illustrer la présente invention est un local collectif tel qu'une maison de retraite, qui est un exemple très contraignant. Cette application est choisie du fait qu'elle est extrêmement exigeante. Les personnes âgées sont en effet très sensibles aux variations de températures et 10 elles supportent relativement mal les grandes amplitudes de températures. Ainsi, en hiver il convient de chauffer plutôt à 21°C et l'été, il est bon de maintenir une température maximale de 25°C. Cette régulation en température, indépendamment de l'isolation des locaux, nécessite beaucoup d'énergie pour maintenir la température dans une plage aussi 15 limitée, ceci d'autant plus que le lieu d'implantation concerné présente un climat avec des plages à fort écarts entre températures d'hiver minimales et températures d'été maximales. bu fait du prix de l'énergie, il apparaît nécessaire d'optimiser les moyens nécessaires à une telle régulation en température. 20 On connaît déjà des agencements comprenant des sources multiples de production de frigories et de calories. Un des meilleurs moyens de production de calories est la pompe à chaleur qui comme son nom l'indique consiste à prélever des calories à partir d'une source, à les véhiculer par un fluide caloporteur à travers un réseau d'échangeurs disposés dans le local concerné, qu'il s'agisse de modules séparés ou d'un réseau de diffusion par le sol. Cette source peut être l'air extérieur, on parle alors d'une pompe air/eau, un fluide extérieur tel qu'un fluide circulant dans un circuit ménagé dans un réservoir d'eau tel qu'un lac ou encore un fluide circulant dans des sondes géothermiques verticales ou encore dans un réseau géothermique horizontal. Le but est de disposer du plus grand écart possible de température afin d'extraire aisément les calories donc à un coût moindre. Lorsque la pompe à chaleur est du type réversible, il est alors possible d'extraire des frigories et de les transporter via le même circuit caloporteur et de les diffuser à travers les mêmes échangeurs en vue d'un rafraîchissement. Lorsque l'on recourt à la géothermie, il se pose un problème qui est celui de l'épuisement du champ de sondes. En effet, la législation n'autorise généralement pas de forer à des profondeurs supérieures à une profondeur limite, par exemple 100m. La température annuelle de surface étant généralement de 15°C en moyenne est de 15°C à 100m pour donner un exemple. bans le cas d'une installation de forte puissance comme par exemple une installation visant à réguler la température d'une maison de retraite, la puissance installée nécessaire est de l'ordre de 300 kilowatts pour 11000 m2de surface utile pour maintenir une température moyenne de 23°C dans le bâtiment. La géothermie basse température concernée par la présente invention ne pouvant être suffisante, le fluide circulant dans les sondes alimente une pompe à chaleur eau/eau qui extrait les calories/frigories. Pour atteindre la puissance nécessaire, il convient de prévoir un champ de sondes avec une distance suffisante entre les sondes. Néanmoins, on constate un épuisement ou du moins une modification de la température moyenne avec un abaissement de cette température, lié à l'extraction répétée des calories dans les sondes. La diffusion des calories au sein de la masse de terre entourant les sondes est insuffisante pour assurer sa régénération entre plusieurs périodes de prélèvement. bans ce cas, la pompe à chaleur, combinée avec la géothermie comporte un échangeur eau/eau. Il existe néanmoins d'autres moyens de production de calories/frigories comme les aérothermes qui sont des échangeurs air/eau. Ces dispositifs sont peu utilisés dans des agencements multisources. bans le cas d'une maison de retraite, il existe également une autre contrainte qui est celle de la fiabilité c'est-à-dire qu'il faut que, quelles que soient les circonstances, le procédé permette une régulation, ceci temporairement et indépendamment du coût, uniquement à des fins de préservation de la santé des personnes. La présente invention propose un dispositif de maintien en température d'un local à partir de sources multiples interconnectées ainsi que le procédé de pilotage associé. Le but de la présente invention est de conserver l'installation pérenne, c'est-à- dire fonctionnelle avec un rendement sensiblement constant au cours du temps. Ce procédé permet de piloter un dispositif à sources multiples interconnectées en fonction des conditions liées à chacune des sources de façon à optimiser la production des calories/frigories. Un tel procédé permet une régulation y compris en cas d'un problème technique 25 sur une des sources. L'invention est maintenant décrite en détail suivant un mode de réalisation particulier non limitatif, en regard des dessins annexés, lesdits dessins comportant des figures représentant respectivement - Figure 1A : une vue d'une installation avec tous les composants nécessaires telle qu'elle se présente dans la réalité, - Figure 1B : une vue schématique de l'installation et donc du dispositif selon l'invention, incluant les différentes sources - Figure 2 : une vue du dispositif en fonctionnement Hiver PAC en aérothermie, - Figure 3 : une vue du dispositif en fonctionnement Hiver PAC en géothermie/aérothermie, - Figure 4 : une vue du dispositif en fonctionnement Eté PAC en géothermie, - Figure 5 : une vue du dispositif en fonctionnement Eté PAC en aérothermie, - Figure 6 : une vue du dispositif en fonctionnement Eté en refroidissement par simple échange géothermie, aérothermie ou mixte, sans PAC, - Figure 7 : une vue du dispositif en fonctionnement Restitution de calories. On entend pour la suite de la description et en regard de la figure 1, par pompe à chaleur 10 une pompe à chaleur eau/eau comportant un évaporateur 12 et un condenseur 14 et au moins un compresseur 16. Cette PAC peut fonctionner en production de calories ou de frigories, elle est du type réversible. Le schéma de la figure 1 est simplifié et c'est celui qui est retenu pour les explications qui vont suivre, on note que, sur la figure 1A uniquement utilisée à titre d'illustration, on retrouve très détaillée une installation réelle avec tous les composants nécessaires mais non utiles à la compréhension de la présente invention. bans cette installation réelle on constate ainsi la complexité de réalisation par le nombre de composants, complexité néanmoins intégralement à la portée de l'homme de l'art. On entend par aérotherme 18, un dispositif comprenant une entrée 20, un échangeur 22 et au moins un accélérateur de circulation du flux d'air sous forme d'un ventilateur 24 sur ledit échangeur 22 pour augmenter la puissance d'échange. L'aérotherme peut comporter une batterie d'aérothermes en fonction des besoins, l'ensemble étant toujours considéré comme un aérotherme. On entend par source 26 géothermique basse température, au moins un circuit 28 implanté dans le sol soit de façon horizontale, soit de façon verticale. On parle dans le cas d'un forage vertical de sondes 30 c'est-à-dire de puits dans lesquels un conduit est implanté, ledit conduit comportant un aller-retour jusqu'au fond dudit puits. Il est prévu un ensemble de vannes V1-V4, trois voies, afin de permettre l' isolement d'un circuit ou sa mise en service en fonction des besoins et deux 10 vannes quatre voies V5-V6. L'ensemble comporte aussi des terminaux 32 pour diffuser calories/frigories dans le local. Ces terminaux peuvent être des cassettes ou un réseau de diffusion par le sol, ceci de façon connue et ne faisant pas partie de la présente invention. 15 Il est en outre prévu des sondes 34 de températures T1 - T6, permettant des mesures de température dont on peut citer les principales sans que cela soit exhaustif : - T1 température fluide secondaire en entrée de PAC - T2 température fluide secondaire en sortie de PAC 20 - T3 du circuit géothermique - T4 de l'air extérieur - T5 en entrée de l'aérotherme - T6 en sortie de l'aérotherme. Fonctionnement 1 : Hiver PAC en géothermie 25 bans ce cas, la pompe à chaleur PAC travaille pour extraire les calories à partir de la source de calories qui est le fluide secondaire ayant circulé à travers le champ de sonde. Il faut que la température T4 extérieure soit inférieure à celle T3 du champ de sondes. Ce fluide est par exemple à T3=16°C et la température extérieure T4 Dès lors le fluide secondaire est porté à la température T4 de l'air extérieur si bien que l'extraction est toujours réalisée avec un excellent rendement, le COP pouvant monter à 7 si la température T4 de l'air extérieur est de 18°C, ce qui est souvent le cas en saison intermédiaire. bans ce cas, l'énergie consommée par l'aérotherme est très limitée puisque seuls les ventilateurs tournent, il n'y a pas d'apport énergétique supplémentaire. L'avantage est de ne pas consommer les calories du sol autour des sondes et donc de ne pas appauvrir en calories le champ de sondes en plus de celui d'augmenter le COP, ce qui serait impossible avec le champ de sondes dont la température est constante et même dégressive en cours de saison. De nouveau, l'installation est optimisée moyennant un pilotage économique et aisé. bans ce cas, le circuit secondaire de la PAC est couplé au seul aérotherme. Fonctionnement 3 : Hiver PAC en géothermie/aérothermie bans le cas où cela est nécessaire, en fonction des conditions extérieures, il est possible de profiter de l'aérotherme pour assurer un premier apport de calories au fluide secondaire en sortie de la PAC. Ce premier apport est possible lorsque la température T4 de l'air extérieur est supérieure à la température T2 du fluide secondaire en sortie de PAC, après extraction des calories. Dès lors le fluide secondaire est remonté par exemple de T2=10°C en sortie de PAC à 12°C par l'aérotherme. Ce fluide secondaire ainsi réchauffé à 12°C n'est pas renvoyé directement vers la PAC mais circule dans le champ de sondes de façon à monter le fluide secondaire à la température T3 de 16°C du circuit géothermique basse température, ce qui est plus favorable pour la PAC et permet d'atteindre le COP maximum. On note que dans ce cas, le champ de sondes du circuit géothermique est maintenu à son optimum thermique puisqu'il faut uniquement remonter de 12°C à 14°C au lieu de 10°C à 16°C. be nouveau, on constate que l'installation est optimisée en utilisant les sources 5 adaptées en fonction des conditions extérieures. Le circuit secondaire de la PAC est couplé aux circuits aérotherme et géothermique, successivement, lorsque la température T4 de l'air extérieur est comprise entre la température T1 d'entrée du circuit secondaire et la température T3 du circuit géothermique. 10 Fonctionnement 4 : Eté PAC en géothermie bans le cas où la diffusion vise des frigories, la production de ces frigories doit également être optimisée. La diffusion s'effectue à travers les terminaux 32, de la même façon que les calories. 15 bans le cas d'un fonctionnement en géothermie, la PAC réversible travaille en production de frigories et le fluide caloporteur est sensiblement à 16°C dans l'exemple retenu. La PAC travaille avec un COP optimum. Par exemple pour une température extérieure T4 de 28°C, qui est supérieure à la 20 température maximale recherchée de 25°C, cet agencement permet de porter le fluide primaire qui était à une température de 22°C par exemple en retour de réseau diffusant, c'est-à-dire en entrée de la PAC, par exemple, à une température de 18°C en sortie de la PAC vers le réseau de diffusion. La température du local peut ainsi être maintenue toujours à une température 25 inférieure à 25°C, si l'on suit l'exemple de la maison de retraite et la température moyenne fixée à 23°C. On note que les frigories extraites du fluide du réseau secondaire conduisent à un échauffement et ce fluide primaire est alors réchauffé à une température de l'ordre de 45°C pour donner un ordre d'idée. La circulation de ce fluide secondaire dans les sondes géothermiques permet de ramener la température au plus proche de la valeur initiale de 16°C, de façon à optimiser les capacités de stockage. Les calories ainsi ramenées permettent de stabiliser la température du champ de sondes et notamment contribue de manière non négligeable, à ressourcer le champ de sondes, notamment en ramenant une partie des calories extraites 10 durant la phase hivernale dans l'environnement de chacun des puits. On constate que cette réversibilité est très intéressante pour produire des frigories à un coût réduit d'une part et pour recharger les puits géothermiques d'autre part. Ainsi lorsque la température extérieure est supérieure à la température 15 maximale recherchée à l'intérieur du local, on utilise le circuit géothermique pour refroidir le circuit secondaire de la PAC. Fonctionnement 5 : Eté PAC en aérothermie bans ce mode de fonctionnement, l'air est à une température T4 inférieure à la température T3 du circuit géothermique c'est-à-dire à la température des 20 sondes, en l'occurrence inférieure à 16°C. bans ce cas, s'il s'avère nécessaire de produire des frigories, le recours à l'aérothermie s'impose. Le champ de sondes est alors isolé et le circuit secondaire passe uniquement à travers l'aérotherme, la température du circuit secondaire dont les frigories ont été extraites est remontée donc le passage en aérotherme refroidit le fluide du 25 circuit secondaire de façon que la PAC travaille avec le meilleur COP. Ce mode de fonctionnement est réservé à certaines périodes particulières comme les périodes à forts contrastes de températures entre le jour et la nuit. Fonctionnement 6 : Eté en refroidissement libre Lorsque la période nécessite un confort mais avec de très faibles besoins, c'est-à-dire lorsque l'écart de températures est faible, il est possible de ne recourir qu'à la géothermie, sans recourir à une PAC pour forcer l'extraction d'un grand nombre de calories. Par exemple pour une température de 22°C extérieure, si l'on souhaite maintenir cette température de 22°C, du fait des calories générées par la vie humaine, il faut pouvoir apporter des frigories compensatrices. Le fluide du circuit secondaire circule alors des terminaux directement dans les sondes du champ de sondes, juste moyennant un circulateur, la PAC est isolée. Le fluide du circuit secondaire est alors ramené à une température plus basse, par exemple de 22°C à 18°C, ce qui permet de maintenir les 22°C malgré l'activité humaine. Fonctionnement 7 : Eté rechargement champ de sondes bans le dispositif, les calories sont extraites en grand nombre en hiver, à partir du champ de sondes, pour alimenter la PAC avec une température en fluide secondaire quasiment constante. Même si les calculs ont été réalisés, on constate un épuisement au fur et à mesure des années et la température moyenne des sondes baisse, sans que la compensation naturelle soit suffisante. Aussi, le COP de la PAC chute et surtout le coût de fonctionnement augmente. C'est là qu'intervient une caractéristique du procédé de pilotage de l'installation selon la présente invention. En effet, il est possible de recharger les sondes en calories durant la phase Eté, lorsque la température extérieure est assez élevée. L'aérotherme est peu gourmand en énergie puisqu'il extrait par échange avec l'air qui est forcé à travers ledit échangeur. Le prix des calories est peu élevé et on a peu besoin de calories. Le but est donc de recharger les sondes du champ de sondes géothermiques avec des calories fournies par l'aérotherme à un coût très limité. On note de plus que l'électricité peut être à un coût moindre en été car la 5 demande du réseau est plus faible. De plus, plus la température extérieure est élevée et plus vite le champ de sondes est rechargé c'est-à-dire atteint une température constante continue. A cet effet, il est utile de prévoir une instrumentation des sondes ou au moins de certaines d'entre elles de façon à pouvoir contrôler les températures tant à 10 différentes hauteurs que dans le plan horizontal, entre les sondes. On note que dans l'agencement proposé, le choix des sources est important et les sources multiples interconnectées comprennent une PAC, un aérotherme et un circuit géothermique à nappage horizontale ou comportant un champ de puits verticaux, qui assure un stockage et qui est nommé "circuit stock géothermique". 15 On constate ainsi que l'aérotherme permet de recharger le stock de calories/frigories du champ de sondes, ceci de façon optimale, entre deux cycles de fonctionnement de la PAC, ceci à un coût réduit et quelle que soit la saison. Cette installation permet à tout moment de recharger le stock dès que la PAC n'est pas sollicitée ou que les conditions de travail de l'aérotherme le 20 permettent. REVENDICATIONS1. Dispositif de maintien en température d'un local, notamment d'un établissement de santé, ledit dispositif comprenant des terminaux de diffusion des calories/frigories, des capteurs de température, des sources de calories/frigories comprenant une pompe à chaleur, un aérotherme et un circuit stock géothermique ainsi que des moyens de connexion permettant de relier lesdits terminaux à l'une au moins de ces sources. 2. Procédé de pilotage d'un dispositif de maintien en température d'un local selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à : - Faire produire des calories par l'aérotherme lorsque la température extérieure est supérieure à la température du circuit stock géothermique, - Recharger en calories ledit circuit stock géothermique de manière à maintenir constante la température dudit circuit stock géothermique. 3. Procédé de pilotage d'un dispositif de maintien en température d'un local selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque la température extérieure est inférieure à celle du circuit stock géothermique, le circuit de la PAC est couplé au seul circuit stock géothermique, de façon à produire des calories. 4. Procédé de pilotage d'un dispositif de maintien en température d'un local selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le cas où la température de l'air extérieur est supérieure à la température du champ de sondes, le circuit secondaire de la PAC est couplé au seul aérotherme, de façon à produire des calories. 5. Procédé de pilotage d'un dispositif de maintien en température d'un local selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque la température 25 extérieure est supérieure à la température du fluide secondaire en sortie de PAC, et inférieur à la température du circuit stock géothermique, le circuitsecondaire de la PAC est couplé aux circuits aérotherme et géothermique, successivement, de façon à produire des calories. 6. Procédé de pilotage d'un dispositif de maintien en température d'un local selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque la température extérieure est supérieure à la température maximale recherchée à l'intérieur du local, on utilise le circuit stock géothermique pour refroidir le circuit secondaire de la PAC, de façon à produire des frigories. 7. Procédé de pilotage d'un dispositif de maintien en température d'un local selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque la température extérieure de l'air est à une température inférieure à la température du circuit stock géothermique, on utilise le circuit aérothermique pour refroidir le circuit secondaire.