FR2922634A1 - Procede et dispositif pour l'optimisation des performances d'une installation de transfert calorifique utilisant une source d'energie calorifique de nature geothermique - Google Patents

Abstract

Le procédé selon l'invention est destiné à optimiser les performances d'une installation de transfert calorifique utilisant un échangeur géothermique (3) disposé dans le sol (1) et une pompe à chaleur (8) couplée à l'échangeur géothermique (3) de manière à présenter au moins un mode de fonctionnement dans lequel la pompe à chaleur (8) transfère des calories émanant du sol (1) pour satisfaire des besoins en calories. Il consiste à recharger en énergie calorifique le sol (1) entourant ledit échangeur géothermique (3), en dehors des périodes de fonctionnement dans ledit mode grâce à un apport calorifique effectué par ledit échangeur géothermique (3) à partir d'une deuxième source d'énergie calorifique renouvelable.

Description

10 La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour l'optimisation des performances d'une installation de transfert calorifique utilisant une source d'énergie calorifique de nature géothermique.

Elle s'applique notamment, mais non exclusivement, au chauffage et/ou à la 15 climatisation de locaux.

La géothermie est une énergie dite renouvelable . Elle consiste à extraire l'énergie calorifique contenue dans le 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<T<100°C) et la très basse énergie (T<30°C).

25 Les sites géothermiques à haute énergie permettent la production d'électricité. La production de chaleur est obtenue à partir des sites géothermiques de basse (utilisation directe des nappes d'eau chaude du sous-sol profond) et très basse énergie (utilisation via des pompes à chaleur).

30 Pour la géothermie très basse énergie, une solution pour récupérer la chaleur du sous-sol est l'utilisation de sondes géothermiques verticales. Ces sondes 1 20 sont installées dans un forage de plusieurs dizaines de mètres de profondeur dans lesquelles circule un fluide caloporteur en circuit fermé.

Le circuit de fluide caloporteur comprend le circuit secondaire d'au moins un échangeur d'une pompe à chaleur, par exemple l'échangeur de l'évaporateur de la pompe à chaleur dans le cas d'un fonctionnement en mode chauffage ou l'échangeur du condenseur de la pompe à chaleur, dans le cas d'un fonctionnement en mode refroidissement.

En mode chauffage, l'installation extrait des calories contenues dans le sous-sol pour les transférer vers les besoins (logements, bureaux, processus industriels, équipements divers, ...).

Il s'avère que le système puisant à long terme plus de calories que le sous-sol ne peut en apporter, il en résulte une baisse de la température du sous-sol. Cette baisse de température a, comme conséquence, une dégradation des performances des pompes à chaleur au cours du temps et une hausse des consommations électriques.

L'invention a donc plus particulièrement pour but de supprimer cet inconvénient.

A cet effet, le procédé selon l'invention consiste à recharger le sous-sol en énergie calorifique autour des sondes géothermiques en dehors des périodes de fonctionnement en mode chauffage grâce à un apport calorifique effectué à partir d'une source d'énergie calorifique de préférence renouvelable telle que, par exemple, un ou plusieurs capteurs solaires.

Avantageusement, la recharge en énergie calorifique autour des sondes géothermiques pourra s'effectuer l'été (période où la pompe à chaleur ne fonctionne pas en mode chauffage) grâce à l'énergie solaire (qui est -3 particulièrement disponible pendant cette période). Le capteur solaire pourra consister en une ou plusieurs moquettes solaires, montées dans le circuit de liquide caloporteur circulant autour des sondes géothermiques.

Comme ceci sera expliqué dans la suite, les propriétés spécifiques à ces moquettes solaires conviennent de façon surprenante au problème précédemment évoqué.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description ci-après, se 10 référant aux dessins annexés dans lesquels :

Les figures 1 et 2 sont deux représentations schématiques d'installations de transfert calorifique utilisant des sondes géothermiques, la figure 1 montrant une installation fonctionnant en mode chauffage tandis que la 15 figure 2 montre cette installation en mode refroidissement ;

La figure 3 montre le schéma théorique d'un système réversible mettant en oeuvre le procédé selon l'invention ;

20 La figure 4 est une vue en perspective schématique d'un capteur solaire simplifié utilisant une moquette solaire.

Il convient de rappeler tout d'abord que la géothermie très basse énergie est usuellement exploitée pour la production de chaleur et de froid. Cette 25 production s'effectue habituellement à 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 verticales 3.

On sait, par ailleurs, qu'une pompe à chaleur 8 est une machine 30 thermodynamique apte à puiser de la chaleur dans un milieu appelé "source froide" dont la température est inférieure à celle du besoin. Elle transfère ensuite cette énergie à un fluide de chauffage (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. La chaleur est ensuite transmise à plus haute température à la source chaude au niveau de l'échangeur du condenseur 9 de la pompe à chaleur.

Dans les exemples illustrés sur les figures 1 à 3, la pompe à chaleur 8 a été représentée schématiquement par un bloc rectangulaire comportant, d'un côté, un sous-ensemble incluant l'échangeur de l'évaporateur 7 et, de l'autre côté, un sous-ensemble incluant l'échangeur de condenseur 9.

Dans ces exemples, les sondes géothermiques verticales 3 comprennent chacune un échangeur placé dans un forage vertical réalisé dans le sol 1 à partir de la surface du sol 2. Ce forage peut atteindre plusieurs dizaines de mètres de profondeur. L'échangeur peut ensuite être scellé dans le forage par un coulis (ciment + bentonite par exemple). A l'heure actuelle, plusieurs types de sondes géothermiques verticales existent : par exemple en U , en double U ou encore coaxiales .

Un fluide caloporteur (généralement eau mélangée avec un antigel) circule en circuit fermé dans la ou les sondes géothermiques 3 au moyen de la pompe 6 dans les tubes 4 et 5. Dans ce cas, on parle de géothermie sèche, car il n'y a pas d'échange de fluide avec le sol.

Ce fluide échange ainsi sa chaleur avec le sol 1 qui entoure la sonde géothermique verticale 3. 2922634 -5 Lors d'un fonctionnement en mode chauffage (figure 1), le circuit de fluide caloporteur des sondes est raccordé à l'échangeur de l'évaporateur 7 de la pompe à chaleur 8.

5 Si la température du fluide caloporteur dans la sonde géothermique verticale 3 est inférieure à la température du sol 1 en contact avec la sonde 3, le fluide caloporteur se réchauffe en prélevant de la chaleur au sol 1 autour de la sonde géothermique 3 et ainsi, refroidit le sol 1 autour de cette sonde géothermique 3. 10 Dans ce cas, l'installation prélève de la chaleur au sol 1 (chauffage d'un bâtiment et/ou préchauffage de l'eau chaude sanitaire), la pompe à chaleur 8 prélève de la chaleur au fluide caloporteur au niveau de son évaporateur 7, et ainsi le refroidit. Le fluide caloporteur refroidi va ensuite circuler dans les 15 sondes géothermiques verticales 3, où il va échanger la chaleur avec le sol 1. Comme le fluide caloporteur est refroidi, il est plus froid que le sol 1 qui entoure les sondes géothermiques verticales 3, et il va donc se réchauffer en prélevant de la chaleur du sol entourant les sondes géothermiques 3 et ainsi refroidir le sol 1 à proximité des sondes 3. Le sol 1 permet ainsi de fournir de 20 la chaleur au fluide, qui est alors prélevée au niveau de l'évaporateur 7 de la pompe à chaleur (qui refroidit celui-ci).

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 25 fluide de la source chaude qui circule dans les tubes 10 et 11 au moyen d'une pompe 12.

Lors d'un fonctionnement en mode refroidissement (figure 2), le circuit de fluide caloporteur des sondes est raccordé à l'échangeur du condenseur 9 de la pompe à chaleur. L'échangeur de l'évaporateur 7 est alors connecté à un circuit de refroidissement faisant intervenir des tubes 10 et 11 dans lesquels circule un fluide caloporteur grâce à une pompe 12.

Dans ce cas, la température du fluide caloporteur dans la sonde géothermique verticale 3 est supérieure à la température du sol 1 en contact avec la sonde 3. Le fluide caloporteur se refroidit donc en cédant de l'énergie calorifique au sol 1 autour de la sonde géothermique, et ainsi réchauffe le sol 1 autour de cette sonde géothermique verticale 3.

Dans ce cas, l'installation fournit de la chaleur au sol 1 (rafraîchissement du local et/ou d'eau), le système est dit réversible. La pompe à chaleur 8 prélève de la chaleur au niveau de son évaporateur 7, et ainsi refroidit la source froide qui peut être de l'eau pour climatiser le local circulant dans les tubes 10 et 11 au moyen de la pompe 12. La chaleur prélevée par la pompe à chaleur 8 est ensuite fournie au fluide caloporteur au niveau du condenseur 9. Le fluide caloporteur est ainsi réchauffé et il va ensuite circuler dans les sondes géothermiques verticales 3 par les tubes 4 et 5 au moyen de la pompe 6, où il va échanger de l'énergie avec le sol 1. Comme le fluide caloporteur est réchauffé, il est plus chaud que le soli 1 qui entoure les sondes géothermiques verticales 3, et il va donc se refroidir en donnant de la chaleur au sol 1 entourant les sondes géothermiques 3 et ainsi réchauffer le sol 1 à proximité des sondes 3. Le sol 1 permet ainsi d'évacuer de la chaleur du fluide caloporteur. Le fluide caloporteur est ensuite réchauffé à nouveau au condenseur 9 de la pompe à chaleur (qui fournit de la chaleur au fluide).

Comme précédemment mentionné, lors de l'utilisation d'une installation géothermique avec des sondes géothermiques verticales 3, en mode chauffage, le niveau de température du sol 1 autour des sondes 3 décroît avec le temps sur le long terme. Cette décharge thermique du sol 1 peut être très importante notamment lorsqu'il y a un déséquilibre important entre l'énergie annuelle extraite du sol 1 et l'énergie annuelle réinjectée dans le sol 1 autour des sondes 3. La recharge naturelle du sol 1 par le flux géothermique ne permet pas de retrouver un niveau de température équivalent au niveau initial.

Cette décharge thermique du sol 1 implique que les températures du fluide caloporteur circulant dans les sondes géothermiques verticales 3 vont également décroître avec le temps.

Il en résulte une baisse des performances des pompes à chaleur 8 au cours du temps, s'accompagnant d'une hausse des consommations électriques car les performances des pompes à chaleur 8 vont diminuer avec la diminution du niveau de température du fluide au niveau de l'évaporateur 7, en mode chauffage.

Pour compenser cette décharge thermique du sol 1, l'invention propose de 15 recharger thermiquement le sol 1 avec une énergie renouvelable telle que, par exemple, de l'énergie solaire.

Dans l'exemple illustré figure 3, cette recharge est réalisée au moyen de capteurs solaires 18, en dehors de la période de chauffage, notamment en été. 20 La chaleur récupérée par les capteurs solaires 18 est réinjectée dans le sol 1 par l'intermédiaire des sondes géothermiques verticales 3.

Cette recharge thermique du sol 1 permet d'obtenir des performances énergétiques élevées et durables de l'installation. 25 En saison de chauffe, c'est-à-dire la période de l'année où il y a un besoin de chaleur (pour le chauffage d'un local par exemple), l'installation couplant des sondes géothermiques verticales 3 à une pompe à chaleur 8 et des capteurs solaires thermiques 18 fonctionne en mode prélèvement de chaleur du sol 1 30 (mode chauffage).

Dans ce cas, la vanne 20, qui permet la circulation du fluide caloporteur circulant dans les sondes 3 de circuler sur l'évaporateur 7 de la pompe à chaleur 8, est ouverte et la vanne 21, qui permet au fluide caloporteur circulant dans les sondes 3, de circuler dans les capteurs solaires thermiques 18, est fermée.

Lorsqu'il y a un besoin de chaleur au niveau de la source chaude, c'est-à-dire que le fluide qui circule dans les tubes 10 et 11 a besoin d'être réchauffé, la pompe à chaleur 8 est alors mise en fonctionnement ainsi que les pompes 6 et 12. La pompe 6 permet la circulation du fluide caloporteur dans les sondes géothermiques verticales 3, dans lesquelles il va être réchauffé en prélevant de la chaleur au sol 1 entourant les sondes 3. Ce fluide est relié à l'évaporateur 7 de la pompe à chaleur 8 en circuit fermé par les tubes 4 et 5. Ce fluide cède de sa chaleur à la pompe à chaleur 8 au niveau de son évaporateur 7 et est donc refroidi. Il va ensuite se réchauffer à nouveau en circulant dans les sondes géothermiques verticales 3. La chaleur prélevée par la pompe à chaleur 8 au niveau de son évaporateur 7 est ensuite fournie à plus haute température à la source chaude au niveau de l'échangeur du condenseur 9. Cette chaleur est récupérée par le fluide circulant dans les tubes 10 et 11 au moyen de la 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 des sondes géothermiques verticales 3 à une pompe à chaleur 8 et des capteurs solaires thermiques 18 fonctionne en mode injection de chaleur dans le sol 1, c'est-à-dire que ce mode de fonctionnement correspond à une recharge thermique du sol 1.

La mise en fonctionnement de l'installation 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 consigne) ou, par exemple, en fonction de l'éclairement solaire sur les capteurs solaires thermiques 18 (mise en fonctionnement si l'éclairement solaire est supérieur à un éclairement solaire de consigne).

Lorsque la mise en fonctionnement est activée, la pompe 6 qui permet la circulation du fluide caloporteur dans les sondes géothermiques verticales 3 et dans les tubes 4 et 5 est alors mise en marche. La pompe 19 qui permet la circulation du fluide caloporteur dans les capteurs solaires thermiques 18 au moyen des tubes 22 et 23 est également mise en marche. La vanne 20 est alors fermée.

Comme le débit de circulation des pompes 6 et 19 n'est pas forcément identique, la présence du tube 24 permet le fonctionnement de l'installation même si le débit de circulation de la pompe 6 est différent du débit de circulation de la pompe 19.

Lorsque la mise en fonctionnement est activée, le fluide caloporteur, qui circule dans le circuit fermé par les sondes géothermiques verticales 3, les capteurs solaires thermiques 18 et les tubes 4, 5, 22, 23 et 24, est alors réchauffé en passant dans les capteurs solaires thermiques 18 grâce au rayonnement solaire et/ou à la température extérieure. Ce fluide réchauffé circule ensuite dans le tube 23, puis dans le tube 5 et ensuite dans les sondes géothermiques verticales 3. 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 les capteurs solaires thermiques 18, le fluide caloporteur va céder de la chaleur au sol 1 entourant les sondes 3 et ainsi se refroidir. Le sol 1 va se réchauffer grâce à la chaleur cédée par le fluide caloporteur circulant dans les sondes 3.

Le fluide caloporteur refroidi circule ensuite dans le tube 4 puis tout ou partie (en fonction du rapport des débits des pompes 6 et 19) dans le tube 22 (le reste .- 10 - circulant dans le tube 24 pour rejoindre le tube 23). Ce fluide est ensuite réchauffé à nouveau en circulant dans les capteurs solaires thermiques 18. On obtient ainsi une recirculation partielle du fluide caloporteur dans le capteur solaire thermique 18. Ce mode de fonctionnement permet ainsi une recharge thermique du sol 1 entourant les sondes géothermiques verticales 3 grâce à l'énergie solaire fournie par les capteurs solaires thermiques 18.

10 Cette recharge thermique du sol 1 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 verticales 3 pendant la saison de chauffe.

15 En ce qui concerne les capteurs solaires utilisables dans l'installation précédemment décrite, ces capteurs comprennent un circuit échangeur recevant de l'énergie calorifique provenant du rayonnement solaire et dans lequel circule un fluide caloporteur., par exemple le fluide caloporteur qui circule dans les sondes géothermiques. 20 Il existe de nombreux types de capteurs solaires thermiques fonctionnant sur ce principe général.

Néanmoins, l'invention propose d'utiliser de préférence, mais non 25 exclusivement, un capteur solaire du type de celui illustré sur la figure 4 qui est particulièrement simple et ne possède pas de couverture vitrée et pas d'isolation. Il comprend un absorbeur 13 qui peut être assimilé à un corps noir, dans lequel où, sous lequel sont insérés des tubes 14. Le fluide caloporteur (généralement de l'eau ou de l'eau mélangée avec un antigel) circule dans ces 30 tubes 14 pour y être réchauffé par le rayonnement solaire 15.5 Les rendements de ce type de capteur appelé usuellement "moquette solaire" sont d'autant plus élevés que l'écart entre la température extérieure et la température du fluide est important.

En effet, le capteur n'étant pas vitré, il n'y a pas d'effet de serre au-dessus de l'absorbeur 13, ce qui implique que la température à l'extérieur de l'absorbeur 13 est égale à la température de l'air ambiant. Ceci engendre des pertes de chaleur importantes, et donc des rendements plus faibles, lorsque la température extérieure est faible.

Au contraire, lorsque la température extérieure est importante et supérieure à la température du fluide caloporteur à l'entrée du capteur 16, le fluide va être réchauffé par le rayonnement solaire 15 mais également par l'air extérieur qui est à une température plus élevée, ce qui implique des rendements très élevés du capteur. Il s'avère que ces caractéristiques sont particulièrement adaptées aux exigences thermiques de l'installation précédemment décrite.

Claims (9)

Revendications

1. Procédé pour l'optimisation des performances d'une installation de transfert calorifique utilisant un échangeur thermique disposée dans le sol et une pompe à chaleur couplée à l'échangeur thermique de manière à présenter au moins un mode de fonctionnement dans lequel la pompe à chaleur transfère des calories émanant de la source pour satisfaire des besoins en calories, caractérisé en ce qu'il consiste à recharger en énergie calorifique le sol entourant ledit échangeur, en dehors des périodes de fonctionnement dans ledit mode grâce à un apport calorifique effectué par ledit échangeur à partir d'une deuxième source calorifique renouvelable.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième source d'énergie renouvelable consiste en un 15 ou plusieurs capteurs solaires.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le capteur solaire est constitué par une moquette solaire. 20

4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la recharge en énergie calorifique s'effectue l'été.

5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source d'énergie calorifique de nature géothermique 25 comprend une ou plusieurs sondes géothermiques verticales (3) comprenant chacune un échangeur placé dans un forage vertical réalisé dans le sol, ces sondes étant reliées à la pompe à chaleur par l'intermédiaire d'un circuit de fluide caloporteur.-. 13 -

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que lors du rechargement, les échangeurs des susdites sondes géothermiques (3) sont couplées aux capteurs solaires par l'intermédiaire d'un circuit monté en dérivation sur le circuit reliant lesdits sondes (3) à la pompe à chaleur.

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit de fluide caloporteur reliant les sondes géothermiques à l'échangeur de l'évaporateur (7) de la pompe à chaleur comprend une première pompe de circulation, et en ce que le circuit de dérivation alimentant le(s) capteurs) solaire(s) comprend une deuxième pompe ainsi qu'un circuit de recirculation ("by-pass") (24) permettant le fonctionnement de l'installation même dans le cas où le débit de l'une des pompes (6) est différent de celui de l'autre pompe (19).

8. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend une pompe à chaleur (8) comportant un évaporateur muni d'un premier échangeur (7), au moins une sonde géothermique (3) comportant un deuxième échangeur relié au premier échangeur (7) par l'intermédiaire d'un circuit de fluide caloporteur comportant une première pompe de circulation (6) et une vanne (20) et au moins un capteur solaire (18) comportant un deuxième échangeur monté en parallèle sur le circuit du premier échangeur (7) par l'intermédiaire d'un circuit comprenant une deuxième pompe de circulation (19), une deuxième vanne (21), ainsi qu'un conduit de recirculation (24) permettant la recirculation d'une fraction du fluide caloporteur dans le capteur solaire (18).

9. Installation selon la revendication 9, 30 caractérisée en ce que ledit capteur sol aire comprend une moquette solaire.