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Dispositif d'accumulation d'énergie à inertie
La présente ïnvention concerne de façon générale les
systèmes de chauffage et climatisation de locaux utilisant des
formes d'énergie renouvelables, notamment par l'intermédiaire
de pompes thermiques.
On a déjà proposé dans ce domaine l'utilisation
d'accumulateurs de chaleur comprenant des blocs solides dans
lesquels sont noyés un ou des circuits formés de tubes
métalliques parcourus, quand le système est en service, par un
fluide caloporteur qui peut être liquide ou gazeux. La demande
de brevet WO 96/28703, par exemple, décrït un açcumulateur de
ce genre dont une des particularités est qu'il est en béton,
matériau qui présente plusieurs avantages.
Les expériences récentes ont montré que le stockage
d'énergie thermique dans des blocs rigides pouvait présenter
des avantages pratiques très remarquables sur le plan de la
rationalisation des travaux d'installation, du coût, de la
fiabilité du service, du rendement et de la durée de vie,
moyennant certaines dispositions à respecter de manière
précise.
Le but de la présente invention est donc d'assurer les
avantages susceptibles d'être obtenus, en réalisant à bon
marché un dispositif d'accumulation d'énergie à inertie
comportant certaines particularités quï forment l'objet de
l'invention et sont définies dans les revendications 1 à 12
annexées.
On va décrire ci-après, à titre d'exemple, une forme
d'exécution et quelques variantes du dispositif selon
l'invention en se référant au dessin annexé, dont .
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la fig. 1 est une vue générale schématique en perspective
montrant une maison d'habitation équipée d'un système de
chauffage et climatisation avec un dispositif d'accumulation
d'énergie à inertie selon une forme d'exécution de
l'invention,
la fig. 2 est un schéma montrant une forme d'exécution
préférée du dispositif d'accumulation d'ënergie à inertie
selon l'invention,
les figs. 3 et 4 sont des vues respectivement en coupe
transversale et en élévation frontale dans le sens de la
flèche A de la fig. 3, montrant un bloc avec deux assemblages
formés d'une grille et d'un circuit de fluide caloporteur,
selon la forme d'exécution préférée,
les figs. 5 et 6 sont des vûes en coupe analogues à la
fig. 3 montrant deux variantes de disposition pour les
grilles,
la fig. 7 est une vue en élévation frontale d'un circuit
monté sur une grille, montrant l'arrimage du serpentin aux
points de croisement des barres, et
la fig. 8 est une vue en perspective schématique à plus
grande échelle montrant une bride d'arrimage en place sur un
conduit et sur un croisement des barres de la grille porteuse.
A la fig. 1, on voit une villa 1 équipée d'un système de
chauffage comportant un dispositif d'accumulation d'énergie à
inertie 2 comportant quatre blocs d'accumulation 3 noyés dans
le sol au voisinage de la construction et des moyens pour
conduire selon les besoins la chaleur latente contenue dans
les blocs. Ceux-ci sont reliés par un ensemble d'éléments de
circuits de fluide dêsigné de façon globale par 4, à un groupe
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générateur de chaleur 5 dont partent différents circuits
secondaires alimentant des auxiliaires usuels tels que
conditionnement d'eau chaude sanitaire 6, radiateurs de
chambre 7, circuit de chauffage par le sol 8. Le groupe
générateur 5 est symbolisé à la fig. 1 par deux armoires
superposées. Sa structure est précisée dans le schéma de la
fig. 2. Il est aussi relié par des circuits secondaires à un
capteur solaire à circuit d'eau 9 et à un récupérateur 10 de
chaleur excédentaire susceptible d'être produite par une
cheminée de salon. '
On comprend que cette énumération d'auxiliaires est
donnée uniquement à titre d'exemples et n'est nullement
exhaustive. Comme on le verra encore plus loin, elle englobe
également, par exemple, le cas d'une piscine ainsi que celui
d'un four solaire à haute température. Elle montre simplèment
la grande variété des applications qui peuvent être envisagêes
dans tout problème de chauffage et climatisation de locaux. Le
dispositif d'accumulation d'énergie à inertie qui va être
décrit maintenant permet de satisfaire par des moyens
standards et rationnels chaque cas particulier susceptible
d'être prévu.
A la fig. 2 on reconnaît les parois de la maison
d'habitation 1 et un des blocs 3 d'accumulation d'énergie à
inertie. Ce bloc est placé dans une excavation 11 creusée au
voisinage de la construction 1 et remplie de terre. Il
présente la forme d'un prisme avec une grande base
rectangulaire placée horizontalement et une face supérieure
plus étroite que la base et parallèle à cette dernière. Les
blocs 3 sont en béton. Leurs dimensions seront standardisées:
par exemple 2,5 x 1,7 x 0,5/0,3 m. Les dimensions de
l'excavation 11 et la position de chaque bloc dans son
excavation seront déterminées de cas en cas en fonction des
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quantités d'énergie à stocker et de la durée des périodes de
renversement des flux comme on le verra plus loin.
La connexion entre les blocs 3 et le groupe générateur 5,
désignée par 4 à la fig. 1, est réalisée en fait pour chaque
bloc par des tubulures formant deux circuits 12 et 13 avec
chacun une entrée 12a, 13a et une sortie 12b, 13b. Les parties
actives des tubulures 12, 13 sont noyées dans le béton du bloc
3 et à partir des segments d'entrée 12a, 13a sont coudées en
serpentins en une nappe afin que les surfaces de contact
soient aussi grandes que possible et facilitent les échanges
de chaleur entre le fluide caloporteur circulant dans les
circuits et le béton.
Le groupe générateur de chaleur 5 est constitué dans la
forme d'exécution décrite par deux ensembles de pompes
thermiques 14 et 15 entièrement séparés. Chaque ensemble
comprend une boucle complète de fluide caloporteur à
changement de phase, avec: un élément de circuit amont et un
élément de circuit aval, entre les deux éléments un
compresseur et une vanne de détente, sur un des éléments un
échangeur de chaleur, et un circuit secondaire avec un ou des
organes radiateurs.
Pour l'ensemble 14, le comprèsseur et la vanne de détente
sont désignés par 16 et 17, le circuit amont est le circuit
12, noyé dans le bloc 3 et fonctionnant en condenseur en
fournissant de la chaleur au bloc. Le circuit aval est alors
l'évaporateur désigné par 18a, 18b. Le fluide passe dans
l'êchangeur 19 en absorbant la chaleur fournie par le circuit
secondaire 20 et captée dans le circuit réfrigérateur 21. On'
comprend que cet ensemble peut entretenir une chambre froide
ou constituer un climatiseur destiné à fonctionner en été. Il
pourrait aussi remplir d'autres fonctions comme on le verra
plus loin.
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L'ensemble 15 est constitué d'éléments semblables mais
fonctionnant en sens inverse. On voit à la fig. 2 la vanne de
détente 22, le compresseur 23, le circuit amont 24a, 24b
fonctionnant en condenseur et fournissant à travers
l'échangeur 25 la chaleur captée dans le circuit aval 13 au
circuit secondaire 26 alimentant le radiateur 27. Celui-ci
correspond à l'élément 7 ou à l'élément 8 de la fig. 1. Le
chauffe-eau 6 sera également branché dans le circuit 26.
Ainsi, dans chaque bloc 3 sont noyés deux éléments de
circuit 12, 13 incorporés chacun à l'une des unités 14 ou 15
du groupe 5 et constituant l'un le condenseur 12 de l'unité 14
de production de froid et l'autre l'évaporateur 13 de l'unité
15 de production de chaleur. Cette disposition donne une très
grande souplesse dans la gestion du système décrit. Les figs.
3 et 4 montrent à nouveau le bloc 3 avec les circuits de
fluide caloporteur 12 et 13 noyés dans le béton. Chacun de ces
circuits est formé d'un segment de tube de longueur
suffisante, coudé en serpentin. Les tubes peuvent être en
acier inox ou en cuivre, avec par exemple un diamètre de 10 mm
et une épaisseur de paroi de 0,5 mm. Ils peuvent également
être réalisés en matière synthétique, par exemple en.
polyéthylène, ou encore en matériaux composites. Chaque
circuit 12, 13 est monté sur une grille 28, 29. Cette grille
peut être formée de barres métalliques, notamment de fers à
béton, par exemple de 6 mm de diamètre et soudés
perpendiculairement les uns aux autres de manière à former un
réseau à mailles carrées ou rectangulaires, ayant par exemple
environ 15 cm de côté. La grille peut également être réalisée
en matière synthétique, par exemple en polyéthylène, avec des
barres soudées ou collées, ou moulée en une fois. Les grilles
28, 29 constituent des structures de support pour les éléments
de circuit, particulièrement utiles pour le transport et la
mise en place du circuit avant de couler le béton. Dans le cas
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où les blocs accumulateurs sont préfabriqués, on utilisera de
préférence des grilles constituées de fers à béton, les
grilles ayant alors également pour fonction d'assurer la
cohésion du béton. L'opération de soudage des tubes et de mise
en place exacte des serpentins par rapport aux noeuds de la
grille peut être réalisée de manière rationnelle au moyen d'un
posage ayant la forme d'une plaque présentant des rainures
dans lesquelles les barres de la grille viennent se placer. La
plaque sera équipée de pinces fixant le tube par rapport au
posage et par rapport à la grille à l'emplacement où un coude
du serpentin doit âtre réalisé. On reviendra plus loin sur la
technique de montage des serpentins sur les grilles.
Bien que ces opérations de montage des serpentins sur les
grilles puissent être effectuées sur le chantier, afin de
permettre un contrôle optimal de la qualité de fabrication et
de réduire au maximum le temps de travail sur le chantier, ces
opératïons seront de préférence effectuées en usine, les
ensembles grille-serpentin étant transportés sur le chantier
déjà assemblés, de façon à pouvoir être directement mis en
place avec un coffrage, ou directement à l'intérieur d'une
fouille dans le sol, les côtés et le fond de la fouille
faisant office de coffrage, après quoi le béton peut être
coulé. Les segments d'entrée et de sortie 12a, 12b, 13a, 13b
des éléments de circuit seront prévus suffisamment longs pour
permettre les raccordements ultérieurs. Avec les dimensions
indiquées, chaque assemblage grille-serpentin présente un
poids de 50 à 100 kg, rendant sa manutention aisée. Le
chantier ne nécessite donc pas de moyens d'accès agencés pour
des engins particulièrement lourds. Toutefois, si la situation
le permet, les blocs 3 peuvent aussi être fabriqués
entièrement en usine et transportés sur le chantier en tant
que produits prêts au montage.
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Comme on le voit à la fig. 3, les deux grilles 28, 29
sont placées en position verticale 'à faible distance l'une de
l'autre au centre du bloc. Chaque circuit en serpentin 12, 13
est fixé contre la grille qui le porte du côté extérieur. Les
grilles et les branches des serpentins sont décalées en
hauteur de l'un des assemblages par rapport à l'autre de 1/2
du pas de la grille. Cette disposition assure une utilisation
thermique optimale des propriétés du béton et des fers des
grilles. Ces dernières jouent le rôle de ponts thermiques et
favorisent la diffusion des calories.
Les blocs peuvent être utilisés en tant que réservoïrs de
calories, soit en accumulation, soit en "vidange", c'est-à-dire
que seul l'un des deux circuits, le circuit condenseur 12 ou le
circuit évaporateur 13, est en fonction. Cependant, les
séquences de fonctionnement peuvent être variables, par exemple
journalières ou saisonnières. On peut donc concevoir des cas où
les deux circuits fonctionnent en même~temps, l'énergie ne
faisant que transiter à travers le bloc. Une telle configuration
est particulièrement utile pour les hôtels et les hôpitaux, où
la climatisation et la production d'eau chaude sanitaire
simultanées en continu sont nécessaires. La disposition
rapprochée des deux assemblages 12-28, 13-29 présente alors
l'avantage que les différences de températures sont très
faibles. Toutefois, dans ce cas, les grilles 28 et 29 seront
disposées à une distance sensiblement plus grande l'une de
l'autre que celles reprêsentées à la fig. 3, généralement à une
distance comprise entre 5 et 10 cm, de façon à permettre une
bonne diffusion de l'énergie autour du tube. Si la différence de
température entre la source des calories et le diffuseur de ces
dernières est elle-même faible, alors le coefficient de
performance (COP) des agrégats est particulièrement élevé. Ce
sera 1.e cas par exemple lorsque, dans l'entre-saison on désire
utiliser l'énergie thermique de l'eau d'une piscine pour
tempérer des locaux habités, ou inversement, lorsqu'un effet de
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climatisation ou le captage de la chaleur solaire par le capteur
9 sont utilisés pour chauffer l'eau de la piscine. Du fait que
les pompes sont réversibles, les deux circuits peuvent également
être utilisés simultanément, soït en accumulateur, soit en
vidange. Les figs. 5 et 6 sont des coupes analogues à celle de
la fig. 3 et montrent deux variantes de la disposition des
assemblages 12/28, 13/29 quï, dans certains cas, conduisent à
des performances encore meilleures que celles de la forme
d'exécution préférentielle décrite jusqu'à maintenant. A ces
deux figures, les barres verticales de deux grilles 28, 29 sont
situées dans le même plan. Les barres horizontales peuvent être
placées aussi près l'une de l'autre que possible (fig. 5) ou, de
préférence, décalées, par exemple d'un demi-pas (fig. 6).
La fig. 7 montre l'arrimage des tubes de fluide
caloporteur sur les grilles. Elle représente une vue des
assemblages 12/28, 13/29 dans le sens opposé à la flèche A de
la fig. 3. Une portion de grille 29 est représentée en
élévation avec une portion d'un tube 13 de fluide caloporteur
coudé en serpentin. Bien que l'on n'ait représenté que six
branches horizontales et quatre coudes à 180 degrés, il est
évident que ce nombre n'est pas déterminant et que, dans la
pratique, il sera plus élevé. Les branches horizontales du
serpentin 13 sont fixées à des noeuds de la grille 29 par des
attaches 30 formées de bandes métalliques ou synthétiques
telles que des brides colson. Dans l'exemple de la fig. 7,
chaque bride est accrochée à un noeud de la grille et
maintient la branche horizontale du tube 13 contre une barre
horizontale de la grille. La fig. 8 illustre encore la
disposition. Selon une variante, les brides ne sont pas
accrochées à un noeud de la grille, mais le long d'une barre
horizontale de la grille. Le nombre des brides et leur
disposition alternée sur chaque branche horizontale du
serpentin seront choisis de cas en cas. On note que ce mode
d'arrimage assure une pression élastique des tubes contre les
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barres de leur grille de support, ce qui permet à l'ensemble
de supporter des dilatations ou contractions différentes
grilles/tubes lors des variations des températures. D'autre
part, les portions coudées du tube pour la constitution du
serpentin peuvent être munies d'un dispositif permettant une
dilatation/contraction différenciée du tube par rapport au
béton. Un tel dispositif peut être réalisé par exemple sous
forme de manchons 31 (représentés schématiquement à la fig. 7)
en mousse polyuréthane compressible (de préfêrence à cellules
fermées) qui sont disposés autour des parties coudées du tube
formant le serpentin.
Le système décrit est particulièrement avantageux pour
plusieurs raisons . il permet de valoriser des captages
d'énergie provenant de sources accessoires, comme une piscine
ou un capteur solaire à circulation d'eau avec un coefficient
de performance (COP) élevé, ou encore, par exemple, un
récupérateur de la chaleur d'une cheminée ou celle d'un four
solaire à haute température. L'accumulation de chaleur dans
les blocs peut s'étendre, durant des périodes saisonnières, au
sol environnant qui fonctionne aussi bien comme isolant que
comme récepteur. Ainsi, les tubes d'eau provenant de capteurs
solaires pourraient être directement intégrés aux blocs 3 ou à
certains de ces blocs, ce qui évite l'ïntercalation d'un
échangeur de chaleur. Il est évident, finalement, que les cas
où les blocs 3 et la terre environnante captent directemént la
chaleur ambiante pendant l'été et seuls les circuits 13 et
l'agrégat 15 sont prévus représentent aussi une application de
la présente invention.
Ainsi, le dispositif d'accumulation d'énergie à inertie
selon l'invention peut servir à la fois d'accumulateur
d'énergie thermique, d'égalisateur de tempêrature, d'échangeur
de température ou de régulateur de température, le tout étant
réversible.
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Les blocs d'accumulation représentés aux figs. 1 et 3 ont
une section en forme de prisme triangulaire ou trapézoïdal
avec une base supérieure de dimension inférieure à celle de la
base inférieure. Mais bien entendu, les blocs 3 peuvent être
réalisés de toute autre forme, comme par exemple en forme de
T, de façon à empêcher le bloc de s'enfoncer dans le terrain,
ou également de forme rectangulaïre.
Bien que le dispositif selon l'invention ait été décrit
avec des blocs 3 en béton, lesdits blocs peuvent également
être réalisés en d'autres matières solides ou semi-solides,
comme par exemple avec de la bentonite ou d'autres gels
analogues.
On n'a pas décrit ici les moyens qui seront prévus pour
permettre une gestion efficace de l'ensemble du système, tels
que vannes à plusieurs voies permettant de piloter les flux,
organes de vidange et, le cas échéant, de nettoyage des tubes,
appareils de mesure et de contrôle. Ces moyens seront
naturellement prévus én fonction des besoins. Bien que l'on
ait décrit un système avec deux agrégats de pompes thermiques
séparés fonctionnant l'un en producteur de chaleur et l'autre
en producteur de froid, il est aussi possible de ne prévoir
qu'un seul agrégat.
De plus, les applications possibles du dispositif de
stockage décrit ne se limitent évidemment pas au chauffage et
à la climatisation de villas, mais touchent également toute
construction dont les locaux doivent être tempérés ou
refroidis.
