Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 PCT/FR2006/051148
Procédé de contrôle du stockage d'énergie thermique dans le sol et
dispositif associé
L'invention a pour domaine le stockage d'énergie calorifique dans
le sol. Plus particulièrement, l'invention a pour domaine celui du stockage
d'énergie thermique pour découpler une source de chaleur et/ou un
consommateur de froid, d'une part, d'un consommateur de chaleur et/ou
une source froide, d'autre part.
Dans les systèmes énergétiques utilisant l'énergie thermique sous
forme de chaleur, tels que les systèmes de chauffage de bâtiments ou
les procédés de chauffage industriels, ou sous forme de froid, tels que la
climatisation de bâtiments ou la réfrigération industrielle, la production
d'énergie thermique est généralement synchronisée avec sa
consommation.
A cause principalement du coût croissant de l'énergie, l'efficacité
de ce genre de système synchronisé est un aspect essentiel, qui ne peut
être amélioré qu'à travers l'optimisation du système de production
(amélioration du rendement) ou du système de consommation
(minimisation de l'énergie consommée).
Une autre voie pour améliorer les systèmes énergétiques sur le
plan économique consiste à découpler production et consommation à
l'aide de systèmes de stockage d'énergie thermique. Ce découplage
permet alors de produire l'énergie nécessaire non plus seulement aux
périodes de consommation, mais à des périodes où l'énergie est
disponible à faible coût.
Avantageusement, la généralisation de tels systèmes de stockage
calorifique permettrait également la récupération et l'exploitation d'une
part importante de l'énergie thermique industrielle, aujourd'hui
massivement inutilisée en raison principalement du décalage de sa
production avec les périodes de consommation.
Enfin, les systèmes de stockage d'énergie thermique sont très
bien adaptés à l'exploitation des énergies renouvelables, qui sont bien
souvent caractérisées par leur intermittence, et dont la disponibilité ne
coïncide pas toujours avec la consommation, notamment dans le cas de
l'énergie solaire thermique.
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 2 PCT/FR2006/051148
Il est connu des dispositifs de stockage d'énergie calorifique
utilisant la chaleur sensible d'un matériau de stockage, c'est-à-dire
l'énergie qu'emmagasine ce matériau lorsqu'il subit une variation de
température, sans changement de phase et sans changement de
composition chimique, et dans lesquels le matériau de stockage utilisé
n'est autre que le sol. Dans ce qui suit, le terme de sol doit être compris
au sens large et couvre aussi bien un sol naturel tel qu'un volume de
terre, une strate de roche, un sol aménagé tel que le sous-sol d'un édifice
ou le sous-sol d'une aire de stationnement, les fondations d'un bâtiment
et leur environnement géologique, des éléments et assemblages
d'éléments de structure d'un bâtiment (murs, dalles...), ou l'équivalent.
Eventuellement, le sol n'est pas homogène et comporte différentes
structures et matériaux ayant des propriétés thermodynamiques variées.
Les échanges d'énergie entre le matériau de stockage d'une part, et les
sources et consommateurs d'énergie d'autre part, sont assurés par la
circulation d'au moins un fluide caloporteur à l'intérieur de canalisations.
Un paramètre important à prendre en compte pour décrire ces
dispositifs est l'échelle de temps sur laquelle est effectuée l'accumulation
puis l'utilisation de l'énergie calorifique stockée. Par exemple, un
dispositif de chauffage urbain pour le chauffage d'un quartier d'habitation
doit présenter un cycle de fonctionnement saisonnier : en été, on
accumule l'énergie calorifique chaude produite par une source de chaleur
comme un capteur solaire, ou par un consommateur de froid comme un
dispositif d'air conditionné ; en hiver, on libère cette énergie calorifique
pour chauffer les habitations en tant que consommateur de chaleur.
Ce type de dispositifs de stockage fonctionnant avec une échelle
de temps importante, de l'ordre de quelques mois à une année, présente
une problématique spécifique.
L'un des principaux problèmes limitant l'efficacité du stockage
d'énergie calorifique réside en des pertes de chaleur importantes. Ces
pertes, essentiellement du type diffusif, sont dues à la conduction
thermique entre une zone de stockage d'énergie ayant une température
moyenne T et ce que l'on pourrait appeler une zone extérieure restée à
une température TO. Ceci est d'autant plus marqué que, par exemple
dans le cas du stockage d'énergie dans le sol, le matériau de stockage
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 3 PCT/FR2006/051148
peut ne pas être physiquement délimité : le matériau de stockage peut
être un milieu continu. Il n'y a donc pas de délimitation matérielle entre la
zone de stockage et la zone extérieure. Ce mode de réalisation est
particulièrement avantageux puisqu'il permet d'éviter l'excavation d'un
volume de terre important, étape nécessaire lorsque l'on souhaite
délimiter une zone de stockage par exemple sous la forme d'un bloc de
béton enterré dans le sol, ou plus simplement d'un coffrage.
Un aspect important à prendre en compte lors de la planification
d'un tel système de stockage thermique, est la présence sur le site
d'éventuels flux hydrogéologiques souterrains. Ces déplacements d'eau
ou d'humidité en sous-sol ont pour effet de déplacer la chaleur
emmagasinée vers l'extérieur de la zone de stockage, provoquant ainsi
des pertes d'énergie thermique conséquentes. Ces flux transversaux
réduisent ainsi l'efficacité de l'unité de stockage, quand ils n'empêchent
pas tout simplement sa réalisation.
Par ailleurs, le volume de matériau de stockage nécessaire pour
une application donnée est un paramètre important affectant le coût de
l'installation. Ce volume dépend directement de la différence entre la
température moyenne de la zone de stockage à la fin du cycle de charge,
lorsque la zone de stockage est dans son état chargé , et cette même
température à la fin du cycle de décharge, lorsque la zone de stockage
est dans son état déchargé . Plus cette différence est faible, et plus le
volume nécessaire pour stocker une quantité donnée d'énergie est
important.
Le dilemme est alors le suivant : augmenter la variation de
température de la zone de stockage sur un cycle permet de réduire le
volume nécessaire, réduisant ainsi le coût de construction, mais
augmente en contrepartie la différence entre la température de cette
zone de stockage et la température naturelle du sol, augmentant ainsi les
pertes thermiques. Inversement, faire évoluer la température moyenne
de la zone de stockage sur un cycle entre deux niveaux de températures
proches l'un de l'autre (et proches de la température naturelle du sol)
diminuera les pertes aux limites, mais nécessitera un volume, et donc un
coût de construction plus important.
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 4 PCT/FR2006/051148
L'invention a donc pour but de résoudre les problèmes mentionnés
ci-dessus.
Pour cela l'invention a pour objet un procédé de contrôle d'une
unité de stockage d'énergie thermique dans le sol comportant une
pluralité d'échangeurs de chaleur enterrés dans le sol, chacun desdits
échangeurs permettant un échange d'énergie calorifique entre un fluide
caloporteur le traversant et le sol, ladite unité de stockage d'énergie étant
disposée à l'interface entre une source et un consommateur d'énergie
calorifique pour stocker de l'énergie thermique, caractérisé en ce que l'on
mesure la température en différents points du sol au moyen de capteurs
de température enterrés, les températures et débit d'un fluide caloporteur
en entrée et en sortie de la source pour déterminer la puissance
thermique fournie par la source, et les températures et débit d'un fluide
caloporteur en entrée et en sortie du consommateur pour déterminer la
puissance thermique à fournir au consommateur, et en ce que l'on
optimise le stockage d'énergie thermique dans ladite unité de stockage
en sélectionnant des échangeurs actifs parmi ladite pluralité
d'échangeurs en fonction des mesures de température, des mesures de
débit et des mesures de puissance thermique.
La source d'énergie calorifique est définie comme un ou plusieurs
éléments fournissant de la chaleur au système par l'intermédiaire d'un
fluide caloporteur. Le consommateur d'énergie calorifique est défini
comme un ou plusieurs éléments absorbant de la chaleur au système par
l'intermédiaire d'un fluide caloporteur.
De préférence, le procédé comporte les étapes consistant à
déterminer préalablement une carte optimale des températures dans le
sol ; déterminer une carte instantanée des températures dans le sol au
moyen desdites mesures de température effectuées en différents points
du sol ; sélectionner des échangeurs actifs parmi ledit ensemble
d'échangeurs en fonction des écarts locaux de température entre ladite
carte instantanée et ladite carte optimale, des températures et débit du
fluide caloporteur en entrée et sortie de la source, et des températures et
débit du fluide caloporteur en entrée et sortie du consommateur.
Ainsi, l'on peut faire converger l'état de la zone de stockage dans
l'état courant vers l'état optimal en tenant compte des contraintes liées à
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 5 PCT/FR2006/051148
l'apport de la source et les besoins du consommateur. Les différentes
étapes peuvent être réitérées dans le temps autant de fois que
nécessaire afin de réaliser une succession chronologique d'états
optimaux de la zone de stockage tendant à maximiser le rendement
énergétique du procédé selon l'invention, tout en satisfaisant aux
contraintes induites par la versatilité et l'asynchronisme de la source et
du consommateur.
De préférence, un échangeur est activé en extraction pour extraire
localement de l'énergie calorifique du sol ou en injection pour injecter
localement de l'énergie calorifique dans le sol.
De préférence encore, l'on active un échangeur en sélectionnant
le sens d'écoulement et le débit dudit fluide caloporteur le traversant.
Selon un mode de fonctionnement, lorsque la puissance thermique
fournie par la source est adaptée à la puissance thermique utilisée par le
consommateur, aucun des échangeurs n'est activé et l'on fait circuler le
fluide caloporteur entre une boucle comportant la source et une boucle
comportant le consommateur.
Dans un autre mode de fonctionnement, lorsque la puissance
thermique fournie par la source n'est pas utilisable par le consommateur,
l'on fait circuler le fluide caloporteur entre une boucle comportant la
source et une boucle comportant des échangeurs activés en injection, et
l'on fait simultanément circuler le fluide caloporteur entre une boucle
comportant le consommateur et une boucle comportant des échangeurs
activés en extraction.
Selon un mode de fonctionnement, l'on déplace de la chaleur à
l'intérieur de l'unité de stockage par circulation du fluide caloporteur entre
une boucle comportant au moins un échangeur activé en extraction et
une boucle comportant au moins un échangeur activé en injection.
Selon un mode de fonctionnement, lorsque la puissance thermique
fournie par la source est supérieure à la puissance thermique utilisée par
le consommateur, l'on fait circuler le fluide caloporteur d'une part dans
une boucle comportant la source et d'autre part dans une boucle
comportant le consommateur et une boucle comportant des échangeurs
activés en injection.
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 6 PCT/FR2006/051148
Selon un mode de fonctionnement, la puissance thermique utilisée
par le consommateur étant nulle, la puissance thermique fournie par la
source est totalement injectée dans l'unité de stockage.
Selon un mode de fonctionnement, la puissance thermique fournie
par la source étant inférieure à la puissance thermique utilisée par le
consommateur, l'on fait circuler le fluide caloporteur d'une part dans une
boucle comportant le consommateur et d'autre part dans une boucle
comportant la source et une boucle comportant des échangeurs activés
en extraction.
Selon encore un autre mode de fonctionnement, lorsque la
puissance thermique fournie par la source est nulle, la puissance
thermique utilisée par le consommateur est intégralement extraite de
l'unité de stockage.
L'invention a également pour objet un système hydronique de
contrôle d'une unité de stockage d'énergie thermique dans le sol
comportant une pluralité d'échangeurs de chaleur enterrés dans le sol,
chacun desdits échangeurs permettant un échange d'énergie calorifique
entre un fluide caloporteur le traversant et le sol, ledit système
hydronique étant destiné à être disposé entre une source d'énergie
calorifique, un consommateur d'énergie thermique et ladite unité de
stockage, caractérisé en ce qu'il comporte : une pluralité de capteurs de
température enterrés dans le sol ; des capteurs de température et de
débit pour mesurer la puissance thermique fournie par la source et la
puissance thermique utilisée par le consommateur ; des moyens de
regroupement pour regrouper lesdits échangeurs en une pluralité d'unités
d'échange élémentaires, une unité d'échange comportant au moins un
échangeur ; et, des moyens d'activation pour activer sélectivement
lesdites unités d'échange élémentaires.
De préférence, un échangeur comportant une extrémité chaude et
une extrémité froide, les moyens de regroupement permettent de former
des groupes d'échangeurs en tant qu'unité d'échange, les différentes
extrémités chaudes desdits échangeurs d'un même groupe étant
connectées à un collecteur chaud et les extrémités froides de ces mêmes
échangeurs étant connectées à un collecteur froid, les différents
échangeurs dudit groupe étant en parallèle les uns des autres.
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 7 PCT/FR2006/051148
De préférence encore, lesdits moyens de regroupement
permettent de former des séries d'échangeurs en tant qu'unité
d'échange, une série d'échangeurs comportant un nombre de groupes
d'échangeurs, le collecteur froid d'un desdits groupes d'une série étant
connecté au collecteur chaud du groupe suivant de ladite série, de sorte
que lesdits groupes d'une même série d'échangeurs sont disposés en
série entre un groupe initial et un groupe final.
Dans un mode de réalisation, lesdits moyens de regroupement
comportent des premier et deuxième commutateurs, chaque
commutateur ayant une canalisation principale et des canalisations
secondaires, le collecteur chaud d'un groupe d'échangeurs étant
connecté au premier commutateur via une canalisation secondaire de
celui-ci munie d'une vanne d'arrêt, et le collecteur froid du groupe
d'échangeur étant connecté au deuxième commutateur via une
canalisation secondaire de celui-ci munie d'une vanne d'arrêt, de sorte
que les moyens de regroupement permettent de sélectionner
arbitrairement, à un instant donné et en fonction de la position des
vannes des premier et deuxième commutateurs, un premier groupe
d'échangeurs et un dernier groupe d'échangeur, pour former entre ces
derniers une branche d'échangeurs utilisée en tant qu'unité d'échange.
De préférence, les moyens d'activation comportent des moyens
d'activation en injection aptes à former une boucle hydraulique d'injection
comportant au moins une unité d'échange pour l'injection d'énergie, et
des moyens d'activation en extraction aptes à former une boucle
hydraulique d'extraction comportant au moins une unité d'échange pour
l'extraction d'énergie.
De préférence encore, lesdits moyens d'activation en injection
comportent un branchement d'injection d'entrée et un branchement
d'injection de sortie, chaque unité d'échange étant connectées par son
extrémité chaude audit branchement d'injection d'entrée et par son
extrémité froide audit branchement d'injection de sortie pour former une
liaison entre les branchements d'injection d'entrée et de sortie, les
différentes unités d'échange étant alors en parallèle les unes des autres
entre lesdits branchements d'injection d'entrée et de sortie, chaque
liaison ainsi définie étant munie de moyens de régulation de débit en
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 8 PCT/FR2006/051148
injection, de sorte que le débit circulant dans ladite liaison considérée
puisse être arbitrairement fixé lors d'une injection.
Dans le mode de réalisation actuellement préféré, les moyens
d'activation en extraction comportent un branchement d'extraction
d'entrée et un branchement d'extraction de sortie, les unités d'échange
étant respectivement connectées par leur extrémité froide audit
branchement d'extraction d'entrée et par leur extrémité chaude audit
branchement d'extraction de sortie, pour former une liaison entre les
branchements d'extraction d'entrée et de sortie, les différentes unités
d'échange étant alors en parallèle les unes des autres entre lesdits
branchements d'extraction d'entrée et de sortie, chaque liaison ainsi
définie étant munie de moyens de régulation de débit en extraction, de
sorte que le débit circulant dans ladite liaison considérée puisse être
arbitrairement fixé lors d'une extraction.
Il est à noter que le moyen de régulation peut appliquer un débit
nul à l'unité d'échange, permettant ainsi l'exclusion arbitraire de l'unité
d'échange lors de l'injection ou de l'extraction.
De préférence encore, un capteur de pression différentielle est
connecté entre lesdits branchements d'entrée et de sortie, la canalisation
d'alimentation du branchement d'entrée comporte une pompe régulée en
pression différentielle selon la mesure effectuée par ledit capteur, de
sorte que le débit dans n'importe laquelle des liaisons en parallèle entre
les branchements d'entrée et de sortie peut être régulé individuellement.
De préférence, le système est muni de moyens de pompage
comportant des pompes aptes à faire circuler le fluide caloporteur dans
une boucle comportant la source d'énergie et/ou dans une boucle
comportant le consommateur d'énergie.
De préférence encore, le système est muni de moyens de
pompage comportant des pompes aptes à faire circuler le fluide
caloporteur dans une boucle d'injection comportant au moins une unité
d'échange fonctionnant en injection d'énergie et dans une boucle
d'extraction comportant au moins une unité d'échange fonctionnant en
extraction d'énergie, et des moyens de connexion permettant au moins
une connexion parmi la connexion de la boucle de circulation dans la
source avec la boucle d'injection ; la connexion de la boucle de
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 9 PCT/FR2006/051148
circulation dans le consommateur avec la boucle d'extraction ; la
connexion de la boucle de circulation dans la source avec la boucle
d'injection, et simultanément, la connexion de la boucle de circulation
dans le consommateur avec la boucle d'extraction ; la connexion de la
boucle d'extraction avec la boucle d'injection ; la connexion de la boucle
de circulation dans la source avec la boucle de circulation dans le
consommateur ; la connexion de la boucle d'extraction avec la boucle
d'injection, et simultanément, la connexion de la boucle de circulation
dans la source avec la boucle de circulation dans le consommateur.
De préférence, les moyens de connexion permettent également la
connexion de la boucle de circulation dans le consommateur avec la
boucle d'extraction et la boucle de circulation dans la source ; et, la
connexion de la boucle de circulation dans la source avec la boucle
d'injection et la boucle de circulation dans le consommateur.
Dans le mode de réalisation envisagé, les moyens de connexion
comportent une première bouteille casse-pression, connectée à un vase
d'expansion formant le point neutre dudit système hydraulique, ladite
première bouteille casse-pression étant connectée à ladite boucle
d'extraction d'une part et à ladite boucle de circulation dans le
consommateur d'autre part ; une première paire de vannes d'arrêt dont
l'état permet de connecter ladite boucle de circulation dans la source
chaude à ladite première bouteille casse-pression ; une deuxième paire
de vannes d'arrêt dont l'état permet de connecter la boucle d'injection à
ladite première bouteille casse-pression.
De préférence encore, les moyens de connexion comportent une
deuxième bouteille casse-pression connectée audit vase d'expansion
formant le point neutre dudit système hydraulique ; une troisième paire
de vannes d'arrêt dont l'état permet, en relation avec l'état de ladite
première paire de vannes, de connecter ladite boucle de circulation dans
la source à ladite deuxième bouteille casse-pression, la boucle en
d'extraction étant connectée à ladite première bouteille casse-pression ;
une quatrième paire de vannes d'arrêt dont l'état permet, en relation avec
l'état de la deuxième paire de vannes, de connecter ladite boucle
d'injection à ladite deuxième bouteille casse-pression, la boucle de
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 10 PCT/FR2006/051148
circulation dans le consommateur étant connectée à ladite première
bouteille casse-pression.
Les moyens d'activation, de connexion, et de pompage étant
actionnables automatiquement, le système comporte une unité de calcul
apte à recevoir des signaux de mesure émis par les différents capteurs et
à émettre un signal de commande vers lesdits moyens d'activation, de
connexion, et de pompage.
Dans le mode de réalisation envisagé, l'unité de calcul exécute les
instructions d'un programme stocké dans des moyens de mémorisation
de ladite unité de calcul pour mettre en oeuvre le précédé selon
l'invention.
L'invention a également pour objet un système de stockage
d'énergie calorifique dans le sol comportant un système hydronique selon
l'invention et une unité de stockage d'énergie.
De préférence, la pluralité d'échangeurs de l'unité de stockage
d'énergie comporte au moins dix échangeurs de chaleur.
Avantageusement, la possibilité de contrôler de manière active,
tout au long du cycle de charge/décharge, la distribution de température
à l'intérieur de la zone de stockage permet d'optimiser le volume
nécessaire de matériau de stockage. En effet, le volume de la zone de
stockage nécessaire ne dépend que du niveau de température à deux
instants donnés du cycle, alors que les pertes thermiques dépendent de
l'intégrale sur tout le cycle du flux de chaleur aux limites de la zone de
stockage. En contrôlant continuellement la distribution de température
dans la zone de stockage, il est possible de maximiser la différence de
température moyenne sur le volume entre l'état final chargé et l'état
initial déchargé , tout en conservant une distribution optimale des
températures à proximité des limites de cette zone, limitant ainsi le flux
de chaleur aux limites, et ce pendant tous les états intermédiaires du
cycle.
Le phénomène naturel de diffusion thermique est amplifié par la
circulation non contrôlée du fluide caloporteur dans l'ensemble de la zone
de stockage. Par exemple lors du cycle de charge d'une unité de
stockage de chaleur à partir d'une source variable comme peut l'être un
capteur solaire, la circulation d'un fluide tiède possédant une
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 1 1 PCT/FR2006/051148
température Tf à travers successivement une zone chaude ,
possédant une température supérieure à Tf, puis une zone froide ,
possédant une température inférieure à Tf, va tendre à homogénéiser la
température des deux zones, accélérant ainsi le phénomène naturel de
diffusion thermique à l'intérieur de la zone de stockage. Le système selon
l'invention est capable de restreindre la circulation de fluide aux seules
zones physiques en adéquation avec le mode de fonctionnement
recherché, notamment avec les valeurs requises de température du
fluide entrant et sortant de la zone de stockage.
Avantageusement, les sources et les consommateurs étant
hétérogènes, lorsqu'à un instant donné la source produit une énergie
thermique inexploitable par le consommateur, notamment à cause d'une
température du fluide caloporteur inadéquate, alors que dans l'art
antérieur elle n'était pas directement stockée dans le système diffusif
mais dans un dispositif supplémentaire de stockage du fluide calorifique
lui-même, cette énergie est maintenant directement stockée pour une
utilisation ultérieure. En effet, le système selon l'invention est capable
d'injecter cette l'énergie produite par la source dans l'unité de stockage,
tout en soutirant simultanément de l'énergie de cette même unité de
stockage pour alimenter le consommateur. Les niveaux de température
du fluide correspondants à l'énergie injectée et à l'énergie soutirée étant
différents, le système sélectionne, en fonction de la distribution de
température dans la zone de stockage, les régions adéquates pour
l'injection et les régions adéquates pour le soutirage.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails,
caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au
cours de la description donnée uniquement à titre illustratif et non limitatif
en référence aux dessins annexés.
La figure 1 représente, de manière schématique, un échangeur de
chaleur d'une unité de stockage d'énergie ;
La figure 2 est une vue schématique générale du système
hydronique selon l'invention à l'interface entre une source, un
consommateur et une unité de stockage d'énergie ;
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 12 PCT/FR2006/051148
La figure 3 représente de manière schématique un mode de
réalisation particulier de la partie sous-système de pompage du système
hydronique de la figure 2;
La figure 4A représente schématiquement le sous-système de
pompage fonctionnant en mode de recyclage d'énergie ;
La figure 4B représente schématiquement le sous-système de
pompage fonctionnant en mode d'injection et d'extraction simultanées ;
La figure 4C représente schématiquement le sous-système de
pompage fonctionnant en mode d'extraction partielle d'énergie ;
La figure 4D représente schématiquement le sous-système de
pompage fonctionnant en mode d'injection partielle d'énergie ;
La figure 5 représente, de manière schématique, le sous système
de contrôle de flux et le sous-système de raccordement du système
hydronique selon l'invention ;
La figure 6A représente le sous système de contrôle de flux en
mode d'injection d'énergie ;
La figure 6B représente le sous-système de contrôle de flux en
mode d'extraction d'énergie ;
La figure 7 est une représentation schématique d'une variante de
réalisation du sous-système de raccordement du système hydronique
selon l'invention ; et,
Les figures 8A, B, C et D présentent des cartes optimales
successives pour une zone de stockage de chaleur.
De manière générale, un système physique étant délimité par une
surface fermée, l'énergie calorifique sera comptée positivement
lorsqu'elle correspond à un flux de chaleur entrant dans le système et
sera comptée négativement lorsqu'elle correspond à un flux de chaleur
sortant du système.
Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un exemple
simple d'un échangeur de chaleur 5 enterré verticalement dans le sol 2.
Selon cet exemple, il s'agit d'un tuyau 51 en forme de U ayant une
extrémité chaude 53 et une extrémité froide 54. Le tuyau 51 est
inséré dans une gaine 55 facilitant les échanges de chaleur entre le sol 2
et le fluide caloporteur circulant dans le tuyau 51. L'échangeur 5 est
placé dans un puits foré dans le sol pouvant avoir plusieurs dizaines de
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 13 PCT/FR2006/051148
mètres de profondeur (typiquement 50 m) et le matériau constituant la
gaine 55 est coulé en tant que matériau de remplissage. Le fluide
caloporteur est apte à circuler dans le tuyau 51 avec un débit ajustable,
dans un sens ou dans un autre, i.e. de l'extrémité froide 54 vers
l'extrémité chaude 53 (comme indiqué par les flèches 56 sur la figure 1),
ou, réciproquement, de l'extrémité chaude vers l'extrémité froide. En
variante une gaine 55 pourrait accueillir plusieurs tuyau 51.
Dans un mode de fonctionnement permettant l'extraction de la
chaleur du matériau de stockage, l'échangeur 5 est activé de sorte que le
fluide caloporteur à température T5L soit injecté au niveau de l'extrémité
froide 54. T5L est choisie de manière à être inférieure à la température
du sol T2 au voisinage de l'échangeur. Il y a alors un transfert de chaleur
depuis le sol vers le fluide et ceci tout le long du tuyau 51. C'est ce qui a
été représenté par les flèches noires 57 sur la figure 1. Le fluide
caloporteur sort au niveau de l'extrémité chaude 53 avec une
température T5H supérieure à la température T5L, mais inférieure ou
égale à la température T2.
Dans un mode de fonctionnement inverse, consistant à injecter
localement de la chaleur dans le sol 2, l'échangeur 5 est activé de
manière à ce que le fluide caloporteur, ayant une température T5H
supérieure à la température locale du sol T2, soit injecté par l'extrémité
chaude 53. Un échange de chaleur se fait alors du fluide caloporteur vers
le matériau de stockage et ceci tout le long du tuyau 51. La température
du fluide caloporteur au niveau de l'extrémité froide 54 atteint une
température T5L inférieure à T5H mais supérieure ou égale à T2.
D'une façon plus générale, l'échangeur thermique est défini
comme un dispositif constitué d'un nombre arbitraire de tuyaux enfouis
dans le sol, chaque tuyau étant défini par une géométrie et un matériau
propre, ces tuyaux étant connectés de façon arbitraire mais de telle sorte
que le système de tuyauterie ainsi constitué présente deux extrémités,
une extrémité chaude 53 et une extrémité froide 54 (un même
forage dans le sol pouvant accueillir plusieurs échangeurs thermiques).
Dans les applications envisagées, une unité de stockage d'énergie
est constituée de plus de 10 tels échangeurs de chaleur 5. Les différents
échangeurs de l'unité de stockage d'énergie peuvent être disposés à des
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 14 PCT/FR2006/051148
profondeurs différentes les uns par rapport aux autres et avoir ou non
des gaines 55 en commun.
Le système hydronique 100 selon l'invention a été représenté de
manière schématique sur la figure 2. Le système hydronique 100 est à
l'interface entre tout type d'unité de stockage d'énergie 30, tout type de
source de chaleur ou consommateur de froid 10, définie comme un ou
plusieurs éléments fournissant de la chaleur au système par
l'intermédiaire d'un fluide caloporteur, et tout type de source de froid ou
consommateur de chaleur 20, défini comme un ou plusieurs éléments
absorbant de la chaleur au système par l'intermédiaire d'un fluide
caloporteur. Dans ce qui suit, la source de chaleur ou consommateur de
froid 10 est appelée source chaude ou simplement source , le
consommateur de chaleur ou source de froid 20 est appelé source
froide ou simplement consommateur .
Le système hydronique 100 permet de découpler la production par
la source chaude 10 d'une énergie calorifique, comptée positivement
pour le système hydronique 100, de la consommation par une source
froide 20 d'énergie calorifique, comptée négativement pour le système
hydronique 100, en stockant, au moyen de l'unité de stockage d'énergie
30, de l'énergie thermique (chaleur ou froid) dans une zone de stockage
31 définie dans le sol. On rappelle que le terme de sol doit être compris
au sens large et couvre aussi bien un sol naturel tel qu'un volume de
terre, une strate de roche, un sol aménagé tel que le sous-sol d'un édifice
ou le sous-sol d'une aire de stationnement, les fondations d'un bâtiment
et leur environnement géologique, des éléments et assemblages
d'éléments de structure d'un bâtiment (murs, dalles...), ou l'équivalent.
La zone de stockage 31 correspond à la zone chauffée ou refroidie par
l'ensemble des échangeurs de chaleur. Il est à noter que, dans le cas où
l'on stocke l'énergie dans un milieu continu, de la terre par exemple, la
zone de stockage n'est pas physiquement délimitée. On peut alors
essayer de la définir géométriquement en considérant qu'il s'agit d'un
volume de terre compris dans une enveloppe située à une longueur
caractéristique L des échangeurs de chaleur 5 disposés les plus à
l'extérieur du champ d'échangeurs de chaleur. La longueur L peut par
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 15 PCT/FR2006/051148
exemple être une longueur caractéristique du phénomène de diffusion
thermique dans le matériau de stockage.
La zone de stockage peut être une zone de stockage de chaleur,
elle est dans ce cas caractérisée par une température moyenne
supérieure à la température naturelle du sol. La zone de stockage peut
également être une zone de stockage d'énergie thermique froide,
appelée cryo-énergie. Elle est alors caractérisée par une température
moyenne inférieure à la température naturelle du sol.
En variante, une même zone de stockage peut être utilisée
successivement en domaine de stockage de chaleur et en domaine de
stockage de cryo-énergie. Dans ce cas, elle est caractérisée par un
niveau de température évoluant au cours d'un cycle complet de
charge/décharge entre deux valeurs extrêmes, l'une supérieure à la
température naturelle du sol, l'autre inférieure à cette même température
du sol.
Dans encore une autre variante, la zone de stockage peut être
subdivisée en un ou plusieurs domaines de stockage de chaleur
juxtaposés à un ou plusieurs domaines de stockage de cryo-énergie,
chaque domaine pouvant être défini par sa propre enveloppe.
Le système hydronique 100 contrôle la circulation d'au moins un
fluide caloporteur pour réaliser les échanges de chaleur. Du côté de la
source chaude 10, un fluide caloporteur, mis en mouvement par la
pompe 15 avec un débit Q10, sort du système hydronique 100 au niveau
du point 207 (sens de la flèche blanche d'écoulement) à une température
basse T10L, reçoit de la chaleur de la part de la source 10 au niveau par
exemple d'un échangeur de chaleur 14 (sens de la flèche noire), puis
retourne dans le système hydronique 100 au niveau du point 208, à une
température haute T10H.
Du côté du consommateur 20, un fluide caloporteur, mis en
mouvement par la pompe 25 avec un débit Q20, sort du système
hydronique 100 au niveau du point 209, à une température haute T20H,
perd de la chaleur en circulant dans le consommateur 20 au niveau par
exemple d'un échangeur de chaleur 24 (sens de la flèche noire), puis
entre dans le système hydronique 100 au niveau du point 210, à une
température basse T20L.
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 16 PCT/FR2006/051148
A chaque instant, la source chaude 10 est caractérisée par un
débit de fluide Q10 mesuré par le capteur de débit 18, et deux niveaux de
température bas T10L et haut T10H mesurés par les capteurs de
température 17, et la source froide 20 est caractérisé par un débit de
fluide Q20 mesuré par le capteur de débit 28, et deux niveaux de
température bas T20L et haut T20H mesurés par les capteurs de
température 27.
Le système hydronique 100 selon le mode de réalisation
actuellement préféré comporte une partie supérieure dite sous-système
de pompage 200, une partie intermédiaire dite sous-système de contrôle
de flux 300 et une partie inférieure dite sous-système de raccordement
400. Le système hydronique comporte également un système de contrôle
500.
Le sous-système de pompage 200 permet de contrôler les débits
de fluide caloporteur associés aux échanges thermiques au niveau de la
source chaude 10, de la source froide 20 et de l'unité de stockage
d'énergie 30. Le sous-système de pompage 200 autorise les modes de
fonctionnement suivant :
- Injection de l'intégralité de la chaleur produite par la source
chaude 10 dans l'unité de stockage 30 ;
- Injection d'une partie de la chaleur produite par la source chaude
10 dans l'unité de stockage 30 et transfert direct de l'autre partie de la
chaleur produite par la source chaude 10 au consommateur 20 ;
- Alimentation du consommateur 20 par extraction de l'intégralité de
la chaleur à fournir depuis l'unité de stockage 30 ;
- Alimentation du consommateur 20 en partie par transfert direct de
la chaleur produite par la source chaude 10 et en partie par extraction de
chaleur nécessaire depuis l'unité de stockage 30.
- Injection de chaleur produite par la source chaude 10 dans
certaines zones de l'unité de stockage 30 et, simultanément, alimentation
du consommateur 20 par extraction de chaleur d'autres zones de cette
même unité de stockage 30.
- Déplacement interne de chaleur par extraction de chaleur de
certaines zones de l'unité de stockage 30 et réinjection de cette chaleur
dans d'autres zones de l'unité de stockage 30.
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 17 PCT/FR2006/051148
En se référant à la figure 3, le sous-système de pompage 200
comporte deux pompes de circulation 201 et 202 munies respectivement
d'un entraînement électrique à vitesse variable, huit vannes d'arrêt
commandées en tout ou rien 221, 222, 223, 224, 231, 232, 233 et 234, et
deux bouteilles (ou ballons) casse-pression 220 et 230, toutes deux
connectées à un même vase d'expansion 240, formant ainsi le point
neutre du circuit hydraulique.
On notera que dans cette invention, les bouteilles casse-pression
ne sont pas nécessairement employées pour leur aptitude à stocker un
volume tampon de fluide. Dans le sous-système de pompage 200, les
bouteilles casse-pression sont utilisées pour leurs deux propriétés
suivantes : d'une part, les bouteilles présentent l'avantage de permettre
le transfert d'énergie calorifique entre deux boucles hydrauliques dont les
débits peuvent être différents, sans que le fluide ne subisse de variation
de température au passage entre les deux boucles, comme cela serait le
cas avec l'emploi d'échangeurs thermiques ; et, d'autre part, les
bouteilles constituent, entre leurs canalisations d'entrée et de sortie une
résistance hydraulique quasi-nulle qui autorise la mise en parallèle, entre
ces canalisations, de plusieurs boucles hydrauliques possédant chacune
ses propres moyens de pompages.
Sur la partie gauche de la figure 3, le fluide caloporteur est apte à
circuler dans une boucle comportant la source chaude 10 et/ou dans une
boucle de l'unité de stockage 30 pour l'extraction de l'énergie.
Lorsque les vannes d'arrêt 221 et 222 sont en position ouverte, la
bouteille 220 est connectée aux points d'entrée 208 et de sortie 207 pour
former une boucle de circulation de fluide dans la source chaude 10. Le
fluide caloporteur, mis en mouvement grâce à la pompe 15, sort du
ballon 220 à une température T10L. Il circule jusqu'au noeud A, puis au
noeud B à travers la vanne 222 ouverte, vers le point 207. Le fluide
circule ensuite dans la source chaude 10 où il reçoit de la chaleur. Il
rentre avec une température T10H dans le sous-système de pompage
200 au niveau de l'entrée 208, puis circule jusqu'au noeud C, puis au
noeud D à travers la vanne 221 ouverte, et enfin revient dans le ballon
220.
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 18 PCT/FR2006/051148
Le fluide caloporteur est également apte à circuler dans une
boucle permettant d'extraire de la chaleur accumulée dans le matériau de
stockage. La pompe 201 permettant la mise en circulation du fluide, ce
dernier sort de la bouteille 220 à une température T5L-A jusqu'au noeud
A, est orienté vers le point de sortie 203 du sous-système de pompage
200. Comme cela sera décrit ci-après en relation avec les figures 5, 6 et
7, entre les points 203 et 204, le fluide est apte à circuler en parallèle à
travers une ou plusieurs boucles élémentaires comportant
respectivement un échangeur thermique 5 ou un groupe d'échangeurs
thermiques Gi ou une série de groupes d'échangeurs thermiques Si, où il
reçoit de la chaleur de la part du matériau de stockage. Le fluide entre à
nouveau dans le sous-système de pompage 200 au niveau du point
d'entrée 204 à une température supérieure T5H-A. Le fluide revient enfin
dans le ballon 220 en passant par le noeud du circuit D.
Sur la partie droite de la figure 3, le fluide caloporteur est apte à
circuler dans une boucle comportant le consommateur 20 et/ou dans une
boucle de l'unité de stockage 30 pour l'injection d'énergie.
La bouteille 220 est connectée aux points de sortie 209 et d'entrée
210 pour former une boucle de circulation de fluide dans le
consommateur 20. Le fluide, sortant du ballon 220 est mis en mouvement
par la pompe 25, circule jusqu'au noeud E puis jusqu'au point de sortie
209 avec une température T20H. A l'extérieur du sous-système de
pompage 200, le fluide circule dans le consommateur 20 où il cède de la
chaleur. Il rentre à nouveau dans le sous-système de pompage 200 au
niveau du point d'entrée 210 avec une température basse T20L. Il circule
jusqu'au noeud G puis jusqu'au ballon 220.
Lorsque les vannes d'arrêt 223 et 224 sont en position ouverte, le
fluide est également apte à circuler depuis le ballon 220, dans une boucle
permettant d'accumuler de la chaleur dans le matériau de stockage. En
mode de stockage de chaleur, le fluide est mis en mouvement au moyen
de la pompe 202. Il sort du ballon 220 à une température T5H-B jusqu'au
noeud du circuit E. La vanne d'arrêt 223 étant dans ce cas ouverte, le
fluide circule vers le noeud F, puis vers le point de sortie 205. Comme
cela sera décrit ci-après en relation avec les figure 5, 6 et 7, à l'extérieur
du sous-système de pompage 200, entre les points 205 et 206, le fluide
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 19 PCT/FR2006/051148
est apte à circuler en parallèle dans une ou plusieurs boucles
élémentaires comportant respectivement un échangeur de chaleur 5 ou
un groupe d'échangeurs de chaleur Gi ou une série de groupes
d'échangeurs Si, où il cède de la chaleur au matériau de stockage. Le
fluide remonte au niveau du point d'entrée 206 avec une température
inférieure T5L-B, puis circule jusqu'au noeud H. La vanne d'arrêt 224
étant dans ce cas ouverte, le fluide s'écoule vers le noeud G, puis revient
dans le ballon 220.
Pour permettre l'utilisation simultanée du sous-système de
pompage 200 de manière à accumuler la chaleur provenant de la source
chaude 10 et à soutirer de l'énergie du sol pour l'amener vers le
consommateur 20, les boucles décrites ci-dessus sont légèrement
modifiées de la manière indiquée ci-après.
Le sous-système de pompage 200 comporte un deuxième ballon
230, qui est alors employé comme moyen de connexion hydraulique
entre la boucle de circulation du fluide dans la source 10 et la boucle
permettant d'accumuler de la chaleur dans le matériau de stockage. Le
premier ballon 220 conserve dans ce cas sa fonction de moyen de
connexion hydraulique entre la boucle permettant d'extraire de la chaleur
accumulée dans le matériau de stockage et la boucle de circulation du
fluide dans le consommateur 20. Dans ce mode de fonctionnement, les
vannes d'arrêt 222, 221, 223, 224 sont maintenues fermées, alors que
les vannes 232, 231, 233, 234 sont ouvertes.
Du côté gauche de la figure 3, la bouteille 230 est alors connectée
aux noeuds B et C pour former la boucle de circulation de fluide dans la
source 10. Lorsque la vanne 232 est ouverte, le fluide caloporteur, mis en
mouvement grâce à la pompe 15, quitte ballon 230 à une température
T10L, et s'écoule jusqu'au noeud de connexion B, puis vers le point 207.
Le fluide circule ensuite dans la source 10 où il reçoit de la chaleur. Il
rentre avec une température T10H dans le sous-système de pompage
200 au niveau de l'entrée 208. Le fluide est apte à retourner vers le
ballon 230 à partir du noeud du réseau C à travers la vanne 231, celle-ci
étant ouverte.
Sur la partie droite de la figure 3, la bouteille 230 est alors
connectée aux noeuds F et H pour former une boucle permettant
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 20 PCT/FR2006/051148
d'accumuler de la chaleur dans le matériau de stockage. Lorsque la
vanne 233 est ouverte, le fluide caloporteur, mis en mouvement au
moyen de la pompe 202, sort du ballon 230 à une température T5H-B,
circule jusqu'au noeud du circuit F, puis vers le point de sortie 205. Le
fluide caloporteur peut alors être acheminé vers le matériau de stockage
où il cède de la chaleur. Le fluide remonte au niveau du point d'entrée
206 avec une température inférieure T5L-B, circule jusqu'au noeud H, et
revient enfin dans le ballon 230 à travers la vanne 234, celle-ci étant
ouverte.
Sur les figures 4 A à D, on a représenté quatre exemples
d'utilisation du sous-système de pompage 200. Les canalisations dans
lesquelles le fluide caloporteur est en mouvement sont indiquées par des
traits pleins, les vannes d'arrêt en position ouvertes sont indiquées en
noir, et le sens d'écoulement du fluide dans ces canalisations est indiqué
par des flèches. En revanche, les vannes d'arrêt en position fermée, sont
indiquées en blanc et les canalisations dans lesquelles le fluide ne circule
pas sont indiquées en pointillés.
La figure 4A représente le sous-système de pompage 200 dans un
mode de fonctionnement permettant à la fois l'extraction de chaleur du
sol et l'accumulation de chaleur dans le sol. Une telle utilisation permet
de redistribuer la chaleur au sein de la zone de stockage. Lorsque ce
mode est sélectionné, les vannes 221, 222 sont fermées, les vannes 223
et 224 sont ouvertes. Les vannes 231 à 234 sont toutes fermées, isolant
ainsi le ballon 230 du circuit. Le ballon casse-pression 220 forme une
connexion hydraulique entre la boucle permettant l'extraction de chaleur
intégrant la pompe 201, et la boucle permettant l'accumulation de chaleur
intégrant la pompe 202.
La figure 4B représente le sous-système de pompage 200 dans un
mode de fonctionnement permettant simultanément l'injection de chaleur
en provenance de la source chaude 10 et l'extraction de chaleur en
direction du consommateur 20. Dans cet état, les vannes 221 à 224 sont
fermées, tandis que les vannes 231 à 234 sont ouvertes. Le ballon
casse-pression 220 connecte hydrauliquement la boucle permettant
l'extraction de chaleur intégrant la pompe 201 et la boucle de circulation
du fluide vers le consommateur 20 comportant la pompe 25. Le ballon
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 21 PCT/FR2006/051148
casse-pression 230 permet quant à lui de connecter hydrauliquement la
boucle de circulation du fluide dans la source 10 comportant la pompe 15
et la boucle permettant l'accumulation de chaleur intégrant la pompe 202.
La figure 4C représente le sous-système de pompage 200 dans un
mode de fonctionnement permettant simultanément l'extraction partielle
de chaleur et la circulation dans la boucle comportant la source chaude
10, pour produire l'ensemble de la chaleur délivrée à la source froide 20.
Dans ce mode d'utilisation, les vannes 221, 222 sont ouvertes et les
vannes 223 et 224 sont fermées. Les vannes 231 à 234 sont également
fermées, isolant ainsi le ballon 230 du circuit. Le ballon casse-pression
220 a alors pour fonction de relier d'une part la boucle de circulation du
fluide dans la source chaude 10 comprenant la pompe 15 et la boucle
permettant l'extraction de chaleur comprenant la pompe 201, et, d'autre
part, la boucle permettant la circulation de chaleur dans la source froide
20 comportant la pompe 25. L'absence de production de chaleur par la
source chaude 10 constitue un cas particulier de ce mode de
fonctionnement. Dans ce cas, la chaleur délivrée à la source froide 20 est
intégralement extraite depuis l'unité de stockage 30 par la boucle
d'extraction comportant la pompe 201.
Enfin la figure 4D représente le sous-système de pompage 200
dans un mode de fonctionnement permettant simultanément
l'accumulation partielle de la chaleur produite par la source chaude 10
dans le volume de stockage 30 et le transfert de la partie restante de
cette chaleur pour alimenter la source froide 20. Dans ce mode
d'utilisation, les vannes 221 à 224 sont ouvertes. Les vannes 231 à 234
sont fermées, isolant ainsi le ballon 230 du circuit. Le ballon casse-
pression 220 permet de connecter d'une part la boucle de circulation du
fluide dans la source chaude 10 comportant la pompe 15, et d'autre part
la boucle permettant l'accumulation de chaleur comprenant la pompe 202
et la boucle permettant la circulation de chaleur dans la source froide 20
comportant la pompe 25. L'absence de consommation de chaleur au
niveau de la source froide 20 constitue un cas particulier de ce mode de
fonctionnement. Dans ce cas, la chaleur produite par la source chaude
10 est intégralement injectée dans l'unité de stockage 30 pour y être
stockée.
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 22 PCT/FR2006/051148
En se référant à la figure 5, le sous-système de contrôle de flux
300, permettant la circulation sélective du fluide caloporteur entre le sous
système de pompage 200 et l'unité de stockage 30, et le sous-système
de connexion 400, permettant de conférer une architecture particulière à
l'unité de stockage 30, vont maintenant être décrits en détail.
Le sous-système de connexion 400 constitue une interface
permettant de relier un ensemble d'échangeurs d'énergie calorifique 5,
enterrés dans le sol, au sous-système de contrôle de flux 300. Bien que
l'invention pourrait permettre de contrôler individuellement chaque
échangeur de chaleur 5, il est avantageux, pour des raisons de coût et de
facilité de réalisation, d'associer un certain nombre d'échangeurs de
chaleur 5 au sein d'une unité d'échange. Une unité d'échange,
comportant au moins un échangeur, constitue alors l'unité la plus fine que
l'on peut contrôler individuellement. Ainsi, par exemple, le dispositif de
stockage 30 de la figure 5 est organisé de manière à comporter par
exemple M groupes d'échangeurs Gi (l'indice i variant entre 1 et M).
L'unité d'échange élémentaire du l'unité de stockage 30 est alors
constituée, non plus par un unique échangeur 5, mais par un groupe
d'échangeurs G. Ceci est particulièrement intéressant pour les grandes
installations visées par l'invention.
C'est au niveau du sous-système de connexion 400 qu'est
organisée l'architecture en différents groupes Gi (1<=i<=M) de
l'ensemble des échangeurs de chaleur. Comme cela est représenté sur
la figure 5, les extrémités chaudes 53 de chacun des échangeurs de
chaleur 5 d'un même groupe Gi (1<=i<=M) sont reliées entre elles au
niveau d'un collecteur chaud Ui,1 du groupe Gi, et les extrémités
froides 54 de chacun des échangeurs 5 du groupe Gi sont connectées
ensemble au niveau du collecteur froid Ui,2 du groupe Gi. Ainsi, dans
ce mode de réalisation, entre le collecteur chaud Ui,1 et le collecteur froid
Ui,2, les différents échangeurs de chaleur 5 du groupe Gi étant montés
en parallèle les uns des autres. Le collecteur chaud Ui,1 est connecté au
sous-système de contrôle de flux 300 via une canalisation chaude 37i. Le
collecteur froid Ui,2 est connecté au sous-système de contrôle de flux
300 via une canalisation froide 38i.
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 23 PCT/FR2006/051148
Le sous-système de contrôle de flux 300 peut être divisé en une
partie pour l'injection de chaleur 300B (partie droite de la figure 5) et une
partie destinée à l'extraction de chaleur référencée par le chiffre 300A
(partie gauche de la figure 5).
On suppose que l'unité de stockage 30 comprend M boucles
hydrauliques d'échange de chaleur, chacune de ces boucles étant
constituée d'un groupe d'échangeurs Gi (i variant de 1 à M).
La partie d'injection 300B est connectée avec le sous-système de
pompage 200 au niveau du point 205 et du point 206. Du point de vue du
système physique que constitue la partie d'injection 300B, le point 205
permet l'entrée du fluide caloporteur chaud et le point 206 permet la
sortie du fluide caloporteur froid .
L'entrée 205 est connectée hydrauliquement à un branchement
301-B. Le branchement 301-B comporte M canalisations descendantes
31 i-B (1<=i<=M).
Chacune des canalisations descendantes 31 i-B est
respectivement connectée en aval, via un noeud Ki, puis la canalisation
37i, au collecteur chaud Ui,1 du groupe Gi associé.
Le collecteur froid Ui,2 du groupe Gi (1 <=i<=M) est connecté à un
branchement 302-B, via la canalisation 38i, puis une canalisation
ascendante 35i-B dédiée passant par le noeud Li. Le raccordement 302-B
est connecté à la sortie 206.
On voit ainsi qu'entre l'entrée 205 et la sortie 206, M boucles
hydrauliques d'extraction de chaleur, comportant chacune un groupe
d'échangeur Gi (1 <=i<=M), sont disposées en parallèles.
Les branchements 301-B et 302-B sont équipés d'un capteur de
pression différentielle 303-B. Les canalisations descendantes 31 i-B
(1<=i<=M) sont respectivement équipées d'un capteur de débit 32i-B,
d'une vanne de régulation 33i-B, permettant de régler le débit dans la
boucle correspondante, et d'une vanne d'arrêt tout ou rien 34i-B. Il
est à noter que les deux vannes 33i-B et 34i-B sont disposées en série et
que la vanne d'arrêt 34i-B permet de bloquer effectivement toute
circulation dans la canalisation qu'elle équipe, une vanne de régulation,
telle que la vanne 33i-B, n'étant jamais tout à fait étanche.
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 24 PCT/FR2006/051148
Chaque canalisation ascendante 35i-B est munie d'une vanne
d'arrêt commandée en tout ou rien 36i-B.
De manière similaire, dans la partie extraction de chaleur 300A, le
fluide froid est injecté dans le sous-système de contrôle de flux 300
par le point d'entrée 203. Cette entrée 203 est connectée à un
branchement 301-A. Du branchement 301-A, M canalisations
descendantes 31 i-A (1<=i<=M) sont respectivement connectées au
collecteur froid Ui,2 du groupe d'échangeurs Gi via le noeud Li. Le
collecteur chaud Ui,1 de chacun des groupes Gi (1<=i<=M) est connecté
à un raccordement 302-A, via une canalisation ascendante 35i-A dédiée
passant par le noeud Ki. Ce raccordement 302-A est lui-même connecté
au point de sortie 204. Le raccordement 302-A permet un retour du fluide
caloporteur chaud vers le sous-système de pompage 200, via le point
de sortie 204.
Ainsi, entre les branchements 301-A et 302-A, M boucles
hydrauliques d'extraction de chaleur sont disposées en parallèle les unes
des autres, chacune permettant l'alimentation en fluide caloporteur le
groupe d'échangeur Gi associé.
Les branchements 301-A et 302-A sont équipés d'un capteur de pression
différentielle 303-A. Les canalisations descendantes 31 i-A (1<=i<=M)
sont respectivement équipées d'un capteur de débit 32i-A, d'une vanne
de régulation 33i-A permettant de régler le débit dans la boucle
correspondante et d'une vanne d'arrêt 34i-A permettant de stopper
complètement la circulation du fluide caloporteur dans la boucle
associée.
Chaque canalisation ascendante 35i-A est munie d'une vanne
d'arrêt commandée en tout ou rien 36i-A.
On notera que pour des raisons d'économie et de facilité de
montage et de maintenance, les canalisations descendantes 31 i-B
(1<=i<=M) et les canalisations ascendantes 35i-A qui mènent toutes les
deux au même collecteur chaud Ui,1 ont avantageusement une section
commune 37i, du collecteur chaude Ui,1 au noeud Ki. De la même
manière, les canalisations descendantes 31 i-A et les canalisations
ascendantes 35i-B reliées au même collecteur froid Ui,2 ont
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 25 PCT/FR2006/051148
avantageusement une section commune 38i, en l'occurrence du
collecteur froid Ui,2 au noeud Li.
Une boucle comprenant un groupe d'échangeurs Gi (1<=i<=M) se
trouve alors soit activée en injection de chaleur, cette boucle étant alors
reliée aux branchements 301-B et 302-B, soit activée en extraction de
chaleur, cette boucle étant alors reliée aux branchements 301-A et 302-
A, soit inactive, cette boucle étant alors isolée hydrauliquement du circuit.
Le débit dans chacune des boucles activées en injection de
chaleur est régulé à sa valeur individuelle par l'ajustement de la perte de
charge crée par la vanne de régulation correspondante 33i-B (1<=i<=M).
La mesure de débit associée à cette régulation est assurée par le capteur
de débit 32i-B. Pour que les différents régulateurs de débit fonctionnent
ensemble, l'ajustement du débit dans l'une quelconque des boucles
activées pour l'injection ne doit avoir aucune influence sur le débit dans
les autres boucles également activées en injection. Autrement dit, les M
débits dans les canalisations descendantes 31 i-B (1<=i<=M) doivent être
indépendants les uns des autres. Cela est réalisé par le maintient d'une
différence de pression hydraulique constante et indépendante du débit
total de fluide, entre le branchement 301-B et le branchement 302-B.
Pour cela, la pompe de circulation 202 du sous-système de pompage
200 est entraînée par un moteur électrique muni d'un dispositif de
commande à vitesse variable, fonctionnant en mode régulation de
pression différentielle : la vitesse de la pompe 202 est régulée pour
maintenir la pression différentielle entre les deux branchements 301-B et
302-B à une valeur de consigne prédéfinie, la boucle de mesure de cette
régulation étant assurée par le capteur de pression différentielle 303-B.
La différence de pression entre les branchements 301-B et 302-B étant
maintenue constante, chacun des M débits dans les canalisations 31 i-B
(1 <=i<=M) peut être régulé de manière indépendante.
On notera que du coté du raccordement 302-B, le fluide s'écoule
jusqu'à la bouteille 220 à travers la vanne d'arrêt 224, ou jusqu'à la
bouteille 230 à travers la vanne d'arrêt 234, selon le mode de
fonctionnement sélectionné. Dans les deux cas, le raccordement 302-B
se trouve connecté hydrauliquement au point neutre du circuit seulement
par le biais d'une vanne d'arrêt en position ouverte, représentant une
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 26 PCT/FR2006/051148
perte de charge très faible. La pression au niveau de ce raccordement
302-B peut être considérée comme indépendante du débit total de fluide,
ce qui confère une grande stabilité à la régulation de pression
différentielle entre les branchements 301-B et 302-B.
De la même façon, le débit dans chacune des boucles activées en
l'extraction de chaleur est régulé à sa valeur individuelle par l'ajustement
de la perte de charge crée par la vanne de régulation 33i-A (1<=i<=M).
La mesure de débit associée à cette régulation est assurée par le capteur
de débit 32i-A. Les M débits dans les canalisations descendantes 31 i-A
(1<=i<=M) doivent être indépendants les uns des autres. Cela est réalisé
par le maintient d'une différence de pression hydraulique constante et
indépendante du débit total de fluide, entre les branchements 301-A et
302-A. Pour cela, la pompe de circulation 201 du sous-système de
pompage 200 est également entraînée par moteur électrique muni d'un
dispositif de commande à vitesse variable, fonctionnant en mode
régulation de pression différentielle : la vitesse de la pompe 201 est
régulée pour maintenir la pression différentielle entre les deux
branchements 301-A et 302-A à une valeur de consigne prédéfinie, la
boucle de mesure de cette régulation étant assurée par le capteur de
pression différentielle 303-A. La différence de pression entre les
branchements 301-A et 302-A étant maintenue constante, chacun des M
débits dans les canalisations 31 i-A (1<=i<=M) peut être régulé de
manière indépendante.
On notera que du coté du raccordement 302-A, le fluide s'écoule
directement jusqu'au ballon 220. Le raccordement 302-A se trouve ainsi
connecté hydrauliquement au point neutre du circuit, de sorte que la
pression au niveau de ce raccordement est indépendante du débit total
de fluide, ce qui confère une grande stabilité à la régulation de pression
différentielle entre les branchements 301-A et 302-A.
Sur la figure 6A, le sous-système de contrôle de flux 300 est
représenté dans un mode de fonctionnement pour l'injection d'énergie
utilisant une boucle d'échange de chaleur comprenant le groupe
d'échangeurs Gi (1<=i<=M). Les canalisations dans lesquelles le fluide
caloporteur est en mouvement sont indiquées par des traits pleins, les
vannes d'arrêt en position ouvertes sont indiquées en noir, et le sens
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 27 PCT/FR2006/051148
d'écoulement du fluide dans ces canalisations est indiqué par des
flèches.
Dans ce mode de fonctionnement, on souhaite injecter de la
chaleur dans le sol, par exemple à partir de la source chaude 10. En
conséquence, le fluide à température T5H-B est introduit par l'entrée 205
au niveau du raccordement 301-B. Lorsque la vanne d'arrêt 34i-B
correspondant au groupe Gi est actionnée pour être dans l'état ouvert et
la vanne d'arrêt 36i-A est simultanément actionnée pour être dans l'état
fermé, le fluide sous pression est acheminé via les canalisations 31 i-B et
37i vers le collecteur chaud Ui,1 où il est répartit entre les différents
échangeurs de chaleur 5 du groupe Gi. La température du fluide
caloporteur T5H-B est supérieure à la température moyenne du milieu
T2. En conséquence, la chaleur du fluide caloporteur est transférée vers
le matériau de stockage. En sortie de chacun des échangeurs 5, le fluide
caloporteur est collecté par le collecteur Ui,2, puis acheminé via les
canalisations 38i et 35i-B vers le raccordement 302-B, la vanne d'arrêt
36i-B étant actionnée pour être dans l'état ouvert et la vanne d'arrêt 34i-A
étant simultanément actionnée pour être dans l'état fermé. Finalement, le
fluide caloporteur, ayant une température T5L-B, est acheminé au point
de sortie 206. Le débit du fluide dans la boucle qui vient d'être décrite est
contrôlé par la vanne 33i-B.
Sur la figure 6B, le sous-système de pompage 300 est représenté
dans un mode de fonctionnement pour l'extraction de chaleur utilisant
une boucle d'échange de chaleur comprenant le groupe d'échangeurs Gi
(1<=i<=M). En ouvrant les vannes 34i-A et 36i-A tout en fermant les
vannes 34i-B et 36i-B, une boucle est activée qui comprend la
canalisation descendante 31 i-A, la canalisation commune 38i le groupe
d'échangeurs Gi muni de ses deux collecteurs froid Ui,2 et chaud Ui,1, la
canalisation commune 37i, et la canalisation ascendante 35i-A.
Une description équivalente à celle faite ci-dessus pour l'injection
pourrait être faite pour le mode de fonctionnement en extraction utilisant
la partie 300A pour décrire comment le fluide caloporteur introduit au
point 203 à la température T5L-A ressort au niveau du point 204 à la
température T5H-A.
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 28 PCT/FR2006/051148
Enfin un mode de fonctionnement du sous système de contrôle de flux
300 dans lequel la boucle comprenant le groupe d'échangeurs Gi
(1<=i<=M) est maintenue inactive est obtenu en fermant les vannes 34i-
A, 36i-A, 36i-B et 34i-B.
En se référant à la figure 7, pour un certain nombre d'applications
visées par l'invention, le fonctionnement en injection et/ou en extraction
requiert un écart de température important entre le fluide entrant et le
fluide sortant de l'unité de stockage. Pour satisfaire ce fonctionnement, il
est souvent nécessaire de connecter en série plusieurs groupes
d'échangeurs.
Dans ce cas, au cours de son passage au travers de l'unité de
stockage 30, le fluide caloporteur ne traverse plus seulement un
échangeur (un groupe d'échangeur étant constitué d'échangeurs en
parallèle), mais plusieurs échangeurs en série (appartenant chacun à l'un
des groupes connectés en série). Ainsi la quantité de chaleur échangée
avec le matériau de stockage et la variation de température subie par le
fluide sont augmentées. Cependant, à cause des variations de débits et
de températures du fluide à l'entrée du système et au besoin de pouvoir
contrôler précisément les zones physiques d'injection et d'extraction de la
chaleur, il est avantageux que des séries d'échangeurs puissent être
configurées pour pouvoir décider du nombre de groupes utilisés dans
une série et de la position de la série résultante.
Afin de limiter les coûts induits par l'aspect combinatoire, il est
proposé le compromis suivant représenté sur la figure 7. Pour une
réalisation particulière de l'invention, il est décidé, préalablement à la
réalisation, de disposer d'un nombre fixe S de séries d'échangeurs Si
(1<=i<=S) à l'intérieur du moyen de stockage 30. Chaque série Si
comporte un nombre Mi fixe de groupes d'échangeurs Gi,j (1<=j<=Mi)
ordonnés de 1 à Mi. Le système dispose de moyens permettant de
configurer, à tout instant, une branche de position et de longueur variable
en tant que sous-série d'une série maximale SiMax constituée de tous
les groupes d'échangeurs Gi raccordés en série.
Plus précisément, c'est au niveau du sous-système de connexion
400' qu'est organisée la mise en série des groupes d'échangeurs. La
figure 7 est une représentation schématique en mode d'injection de
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 29 PCT/FR2006/051148
chaleur, d'une partie du sous-système de contrôle de flux 300' et du
sous-système de connexion 400' lorsque la boucle activée ne comporte
plus un unique groupe d'échangeurs mais une branche de la série Si. Le
sous système de connexion 400' organise l'unité de stockage 30 de sorte
que les entrées froides des échangeurs d'un groupe d'échangeurs de
chaleur Gi,j et les entrées chaudes des échangeurs de chaleur du groupe
suivant Gi,j+1 sont connectées au même collecteur Ui,j, à l'exception du
premier collecteur Ui,1 qui n'est connecté qu'aux entrées chaudes du
premier groupe Gi,1 de la série Si, et du dernier collecteur Ui,Mi+1 qui
n'est connecté qu'aux entrées froides du dernier groupe Gi,Mi de la série
Si. Il y a donc Mi+1 collecteurs.
Le principe mis en oeuvre dans le sous-système de contrôle de
flux 300' pour activer la boucle comprenant une branche de la série Si
(1 <=i<=S) et pour réguler le débit de fluide caloporteur dans cette boucle
est identique à ce qui a été décrit précédemment dans le cas de
l'activation d'un groupe d'échangeurs. La différence réside dans le fait
que, pour toute série de groupes d'échangeur Si (1<=i<=S), la
canalisation chaude 37i du sous-système de contrôle de flux 300' est
munie d'un commutateur de débit 310i et la canalisation froide 38i est
munie d'un commutateur de débit 320i.
Un commutateur de débit est un dispositif bidirectionnel reliant
hydrauliquement une canalisation primaire à un nombre arbitraire de
canalisations secondaires munies chacune d'une vanne bidirectionnelle
commandée en tout ou rien. En ouvrant une vanne tout en gardant
fermées toutes les autres, le commutateur de débit connecte la
canalisation primaire à une seule canalisation secondaire, ouvrant ainsi
un chemin et un seul pour le fluide caloporteur.
Pour toute série Si (1<=i<=S), le commutateur de débit 310i
comporte Mi+1 canalisations secondaires respectivement munies d'une
vanne commandée bidirectionnelle 31 ji (1 <=j<=Mi+1) et connectées via
le noeud Vi,j aux Mi+1 collecteurs Ui,j (1 <=j<=Mi+1). Le commutateur de
débit 320i comporte Mi+1 canalisations secondaires respectivement
munies d'une vanne commandée bidirectionnelle 32ji (1 <=j<=Mi+1) et
connectées via le noeud Vi,j au collecteur Ui,j (1 <=j<=Mi+1).
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 30 PCT/FR2006/051148
Etant donné deux indices p et q (1<=p<=Mi, 1<=q<=Mi), la vanne
d'indice p (notée 31 pi) du commutateur de débit 310i, associée à la
canalisation secondaire connectée au collecteur Ui,p, ainsi que la vanne
d'indice q+1 (notée 32(q+1)i) du commutateur de débit 320i, associée à
la canalisation secondaire connectée au collecteur Ui,q+1, sont toutes
deux actionnées pour être dans l'état ouvert. Le fluide caloporteur, en
provenance du branchement 301-B à la température T5H-B, est alors
orienté par le commutateur de débit 310i vers le collecteur Ui,p. Il entre
dans la série Si par le groupe d'échangeurs Gi,p, circule successivement
dans tous les groupes d'échangeurs de la série Si compris entre Gi,p et
Gi,q inclus, où il échange de la chaleur avec le matériau de stockage. Il
ressort de la série Si par le collecteur Ui,q+1 à une température T5L-B
plus faible que T5H-B. Il est alors dirigé vers le branchement 302-B à
travers le commutateur de débit 320i. Ainsi la circulation du fluide
caloporteur est restreinte à la seule branche de la série Si située entre
les groupes Gi,p et Gi,q. On notera que, lorsque p=q, seul le groupe Gi,p
est traversé. De plus, le système permet d'inverser le sens de circulation
dans la branche par simple permutation des indices p et q.
Une description similaire pourrait être faite en mode d'extraction
d'énergie.
La possibilité de sélectionner, à l'intérieur d'une série Si (1 <=i<=S)
activée en injection ou en extraction, la branche qui sera en adéquation
avec le fonctionnement recherché, notamment avec les valeurs requises
de température du fluide entrant et sortant de la zone de stockage, et de
restreindre la circulation du fluide à cette seule branche, dans un sens
arbitraire, permet ainsi de limiter et de localiser le phénomène de
diffusion thermique dans l'ensemble de la zone de stockage. En outre, la
branche adéquate ayant été sélectionnée et activée, la régulation du
débit de fluide caloporteur circulant dans cette branche permet d'ajuster
la température du fluide à la sortie de la branche et ainsi de l'adapter à la
valeur requise par la source en mode d'injection de chaleur ou par le
consommateur en mode d'extraction de chaleur.
D'une manière plus générale, le système de connexion peut être
vu comme un ensemble fixe permettant de regrouper des échangeurs 5
en parallèle ou en série. Le système de connexion peut être amené à
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 31 PCT/FR2006/051148
subir l'adjonction (et plus rarement le retrait) de certains groupes
d'échangeurs, afin d'adapter la puissance totale d'injection et/ou
d'extraction de chaleur aux besoins de l'application. Hormis ces
opérations exceptionnelles, le système de connexion est figé et ne subit
aucune variation de structure. Le système de connexion est de plus
spécifique à chaque application dans la mesure où l'architecture globale
de l'unité de stockage 30, notamment le nombre et la localisation des
échangeurs 5, leur association en groupes et l'éventuelle connexion de
certains groupes en série, sera le résultat d'une étude menée au cas par
cas pour chaque application, et dépendra de divers paramètres tels que
la quantité d'énergie à stocker, les caractéristiques de la source et du
consommateur, la puissance d'injection/extraction nécessaire, les
caractéristiques thermiques du matériau de stockage, ou bien les
coefficients d'infiltration ou de circulation souterraine d'eau au travers de
l'unité de stockage 30.
Le sous-système de contrôle de flux permet, quant à lui, de
sélectionner avec la granulométrie la plus fine possible, le domaine de la
zone de stockage adéquate pour l'extraction ou l'injection d'énergie
calorifique. L'activation d'un échangeur, d'un groupe d'échangeurs ou de
tout ou partie d'une série de groupes d'échangeurs permet de contrôler la
puissance thermique injectée ou extraite dans le domaine correspondant
de la zone de stockage.
En se référant à nouveau à la figure 2, le système hydronique 100
selon l'invention comporte une boucle de contrôle permettant
l'actionnement automatique des différentes vannes pour activer un ou
plusieurs échangeurs en fonction du mode de fonctionnement
sélectionné.
Pour cela le système hydronique 100 et l'unité de stockage 30
sont équipés d'un ensemble de capteurs de température. Il s'agit de
capteurs de température 6 disposés dans le sol ou dans la gaine 55 de
l'échangeur de chaleur, et éventuellement de capteurs de température 17
et 27 disposés en différents points du système hydronique pour connaitre
la température du fluide caloporteur. Les capteurs 6, 17 et 27 permettent
une mesure locale de la température. D'autres types de capteurs peuvent
être utilisés. Lors de la description de la figure 5, il a été question des
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 32 PCT/FR2006/051148
capteurs 32i-A et 32i-B qui permettent d'obtenir une information de débit.
La boucle côté source et la boucle côté consommateur peuvent
également être équipées de capteurs de débit 18 et 28 afin de connaitre
à tout instant la puissance thermique (produit du débit par la différence
des températures du fluide caloporteur dans les canalisations d'entrée et
de sortie) fournie par la source 10 et la puissance thermique utilisées par
le consommateur 20. Plus généralement, le système hydronique 100 et
l'unité de stockage 30 peuvent comporter une pluralité de capteurs et
d'actionneur permettant d'agir physiquement sur le système, ainsi que
des automates programmables permettant de déporter les opérations
d'entrée / sortie, d'effectuer des successions d'opérations à distance et
de générer des variables d'état de fonctionnement. Les signaux de sortie
du système hydronique 100 et de l'unité de stockage 30 comprennent
ainsi tous les signaux en provenance des capteurs, des actionneurs et
des automates. Les signaux d'entrée du système hydronique 100 et de
l'unité de stockage 30 comprennent tous les signaux à destination des
actionneurs et des automates.
Les signaux de sortie du système hydronique 100 et de l'unité de
stockage 30 sont acheminés sous forme de signaux électriques vers une
unité de calcul 500.
L'unité de calcul 500 comporte des moyens de mémorisation et
des moyens de calcul. Les instructions d'un programme sont mémorisées
dans les moyens de mémorisation et sont exécutées par les moyens de
calcul. L'unité de calcul 500 comporte une interface entrée-sortie apte à
recevoir en entrée les signaux de sortie du système hydronique 100 et de
l'unité de stockage 30 et à émettre en sortie les signaux d'entrée du
système hydronique 100 et de l'unité de stockage 30 permettant
l'actionnement des différentes vannes commandées et commandes de
régulation du sous-système de pompage 200 et/ou du sous-système de
contrôle de flux 300.
En fonction des signaux provenant de la source et du
consommateur, entre autre la puissance thermique instantanée fournie
par la source 10 et la puissance thermique instantanée demandée par le
consommateur 20, ainsi que des signaux de sortie du système
hydronique 100 et de l'unité de stockage 30 définissant l'état actuel et la
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 33 PCT/FR2006/051148
configuration actuelle de la zone, l'unité de calcul 500 est apte à
déterminer la composition des boucles de l'unité de stockage qui doivent
être configurées et activées par le système hydronique 100.
Pour cela l'unité de calcul 500 détermine, pour chaque boucle
active, si l'activation de la boucle doit se faire en injection ou en
extraction de chaleur. En mode d'injection de chaleur, le groupe Gi
(1<=i<=M) (ou série de groupes Si (1 <=i<=S)) sera connecté aux
branchements 301-B et 302-B par l'ouverture des deux vannes d'arrêt
34i-B et 36i-B. En mode d'extraction de chaleur, le groupe Gi (1<=i<=M)
(ou série de groupes Si (1 <=i<=S)) sera connecté aux branchements
301-A et 302-A par l'ouverture des deux vannes d'arrêt 34i-A et 36i-A.
L'unité 500 calcule également le débit du fluide calorifique qui doit
traverser cette boucle. Ce débit circulant dans le groupe Gi (1<=i<=M)
(ou série de groupes Si (1 <=i<=S)) sera alors régulé à la valeur ainsi
calculée à l'aide de la vanne de régulation 33i-B en mode d'injection de
chaleur, et à l'aide de la vanne de régulation 33i-A en mode d'extraction
de chaleur.
Dans la variante de réalisation décrite ci-dessus en relation avec la
figure 7, lors de l'activation d'une série d'échangeurs Si (1<=i<=S), l'unité
de calcul 500 définit aussi la topologie de la branche de cette série Si qui
sera traversée par le fluide caloporteur en définissant la valeur des
indices p et q. Les groupes Gi,p et Gi,q correspondants seront activés à
l'aide des commutateurs de débits associés 310i et 320i.
Un mode de réalisation permettant de désigner les boucles actives
en fonction des signaux de sortie du système hydronique 100 et de l'unité
de stockage 30 va maintenant être décrit en détail.
Des études préalables à l'unité de stockage 30 et de son
implantation en un site géologique particulier permettent, entre autres, de
définir une pluralité d'états optimaux successifs de la zone de stockage.
Chacun des états optimaux ainsi définis peut être représenté par une
carte en trois dimensions donnant la température en tout point de la zone
de stockage à une date donnée. Par exemple, dans le cas d'une unité de
stockage de chaleur alimentée par capteurs solaires, des cartes
optimales successives pourront être déterminées pour tous les mois d'été
avec pour critère le maintient d'un gradient de température faible au
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 34 PCT/FR2006/051148
niveau de l'enveloppe de la zone de stockage, i.e. le maintient d'un flux
d'énergie calorifique faible à travers cette enveloppe ; puis, en fin de
cycle de charge, les cartes optimales pourront être déterminées avec
comme autre critère le remplissage maximum du volume de stockage.
D'autres types d'états optimaux, représentés par leur carte optimale
associée, peuvent être déterminés avec d'autres critères par l'utilisateur.
Par exemple, pour une même unité de stockage 30, on peut vouloir
établir une carte d'été et une carte d'automne. La carte d'été définit
plusieurs secteurs correspondant à des stockages à des niveaux de
température différents en été : ainsi la zone de stockage peut comporter
un secteur dédié à l'accumulation de chaleur produite par des panneaux
solaires en vue d'une production de chaleur hivernale et un secteur de
stockage dédiée à une application de climatisation estivale. L'objectif est
ici de permettre au système d'accumuler de la chaleur pour l'hiver
suivant, tout en favorisant un secteur adapté à une application de
climatisation, de façon à accroitre l'efficacité énergétique. La carte
d'automne peut alors être définie de manière à supprimer, dans l'unité de
stockage 30, ce secteur dédié à la climatisation pour y stocker
maintenant de la chaleur en provenance des panneaux solaires, et ceci
de sorte que l'unité de stockage 30 présente un spectre de températures
de stockage permettant à la production de chaleur hivernale de
fonctionner avec un rendement énergétique optimum.
Plus généralement, une carte désigne tout moyen permettant
d'obtenir des informations sur l'état global de l'unité de stockage 30 à une
date donnée ; l'état global de l'unité de stockage étant caractérisée par la
connaissance, éventuellement approximative, de la température en
chaque point de l'unité de stockage 30.
Au cours de l'utilisation du système de stockage, une des cartes
optimales est chargée dans les moyens de mémorisation de l'unité de
calcul 500. Cette carte optimale est alors considérée comme un objectif à
atteindre au cours du temps. Par exemple, dans le cas d'une unité de
stockage de chaleur alimentée par capteurs solaires, l'utilisateur
chargera la carte optimale en fin de cycle s'il souhaite que la zone de
stockage contienne un maximum d'énergie calorifique par exemple au
mois d'octobre, juste avant l'entrée dans les mois d'hiver qui sont des
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 35 PCT/FR2006/051148
mois de forte consommation d'énergie au cours desquels on sait que la
source de chaleur ne produira que peu d'énergie.
L'unité de calcul 500, permet à chaque instant, en fonction des
mesures de température relevées par les différents capteurs 6, de
réaliser une carte instantanée à trois dimensions de la température dans
la zone de stockage. Cette carte donne l'état instantané de la zone de
stockage.
En fonction de la carte instantanée, de la carte optimale fixant les
objectifs à atteindre et des informations concernant l'état instantané de la
source et du consommateur (débits et températures), l'unité de calcul
500 émet des signaux d'actionnement pour qu'à chaque instant le mode
de fonctionnement du système hydronique 100 réponde aux besoins du
consommateur et de la source, mais également à l'objectif final à
atteindre.
Par exemple, l'unité de calcul 500 évalue localement les écarts
entre la température donnée par la carte optimale et la température
donnée par la carte instantanée. Si la puissance thermique produite par
la source est supérieure à celle demandée par le consommateur, l'unité
500 sélectionne le mode de fonctionnement d'injection partielle d'énergie
et active en injection de chaleur les échangeurs situés dans une partie
froide de la zone de stockage qui présente des niveaux de température
adaptés aux apports de la source et qui présente un déficit en
température par rapport à la carte objectif. Si au contraire la puissance
thermique produite par la source ne suffit pas pour alimenter le
consommateur, l'unité 500 sélectionne le mode de fonctionnement
d'extraction partielle d'énergie et active en extraction de chaleur les
échangeurs situés dans une partie chaude de la zone de stockage qui
présente des niveaux de température adaptés aux besoins du
consommateur et qui présente un dépassement en température par
rapport à la carte objectif. De cette manière la distribution de température
à l'intérieur de la zone converge dans le temps vers l'état optimal.
L'unité de calcul 500 peut présenter une interface utilisateur
permettant à un opérateur de définir totalement, à chaque instant, la
configuration du système hydronique 100 : dans ce cas, c'est l'opérateur
lui-même qui positionne les signaux d'entrée du système hydronique 100
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 36 PCT/FR2006/051148
et de l'unité de stockage 30 afin de contrôler l'évolution de l'unité de
stockage 30.
L'unité de calcul 500 peut comporter un procédé de régulation ou
de commande prédictive permettant de calculer les signaux d'entrée du
système hydronique 100 et de l'unité de stockage 30 afin de contrôler
l'évolution de l'unité de stockage 30 : dans ce cas, l'unité de calcul 500
s'appuie sur un méthode d'optimisation afin de déterminer les signaux
d'entrée du système hydronique 100 et de l'unité de stockage 30 pour
satisfaire l'objectif de transition entre l'état courant de l'unité de
stockage
30 correspondant à la carte instantanée, et un état désiré correspondant
à une carte optimum.
Dans le cas immédiatement précédent, la méthode d'optimisation
peut prendre en compte un ensemble de contraintes représenté par une
fonction coût (optimisation sous contraintes), de sorte que les contraintes
soient satisfaites lorsque la fonction coût est optimum. Dans ce cas, la
méthode d'optimisation sous contraintes a pour but de déterminer les
signaux d'entrée du système hydronique 100 et de l'unité de stockage 30
pour satisfaire l'objectif de transition entre l'état courant de l'unité de
stockage 30 correspondant à la carte instantanée, et un état désiré
correspondant à une carte optimum, la transition empruntant un chemin
optimum au niveau de la fonction coût, satisfaisant ainsi au mieux les
contraintes.
Ainsi, de ce qui précède immédiatement, la conduite de l'évolution
de l'unité de stockage peut être effectuée en prenant en compte des
contraintes liées à l'efficacité globale d'un système énergétique utilisant
l'invention. Notamment, les contraintes peuvent être fortement liées au
niveau d'efficacité énergétique et/ou au coût d'exploitation des sources
et/ou des consommateurs. Des contraintes issues de prévisions
météorologiques peuvent également être prise en compte, afin de
s'adapter au mieux avec les besoins à venir des consommateurs, et/ou
avec la production à venir des producteurs, notamment dans le cas où
ceux-ci utilisent des énergies renouvelables.
Enfin, des contraintes liées au calendrier de production de chaleur
par un producteur et/ou de consommation de chaleur par un
consommateur peuvent également être prises en compte.
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 37 PCT/FR2006/051148
Les figures 8A à 8D représentent un exemple simple de cartes
optimales associées à une profondeur donnée d'une unité de stockage
de chaleur. Les figures 8B, 8C et 8D représentent la distribution de
température recherchée pour trois instants différents et successifs au
cours d'un cycle d'injection de chaleur dans la zone de stockage. La
température de chaque courbe isotherme est indiquée sur celle-ci en
degrés Celsius. Dans cet exemple, la zone de stockage considérée
contient 42 échangeurs 5 disposés régulièrement et notés Ei,j (1<=i<=7,
1<=j<=6). Le système représenté s'appuie sur un groupement des
échangeurs en 14 séries de trois échangeurs (chaque série pouvant
donner lieu à des sous-séries conformément à la présente invention),
numéroté S1 à S14, définie selon (sans tenir compte du sens de
circulation du fluide) : S1 = E11, E12, E13 ; S2 = E14, E15, E16 ; S3 =
E21, E22, E23 ; S4 = E24, E25, E26 ; S5 = E31, E32, E33 ; S6 = E34,
E35, E36; S7 = E41, E42, E43; S8 = E44, E45, E46; S9 = E51, E52,
E53 ; S10 = E54, E55, E56 ; S11 = E61, E62, E63 ; S12 = E64, E65,
E66 ; S13 = E71, E72, E73 ; S14 = E74, E75, E76. La zone de stockage
comporte en outre des capteurs de températures non représentés sur la
figure 8A.
Dans l'état initial, la température de la zone de stockage est égale
à la température extérieure du sol soit environ 15 C. On cherche alors à
injecter de la chaleur de sorte que l'on puisse, à tout moment du cycle de
chargement, disposer de la plus grande quantité possible d'énergie
thermique directement exploitable, c'est-à-dire une température d'environ
40 à 50 C. De plus, on cherche à créer des gradients en bordure de zone
de stockage qui permettent de limiter les pertes lors du cycle d'injection.
On décide d'injecter l'énergie thermique selon 3 phases distinctes
du cycle de chargement, phases qui sont respectivement représentées
par figures 8B, 8C et 8D. La manière de procéder consiste à former puis
à agrandir une zone centrale ayant une température de 45 à 50 C de
sorte que, en fin d'injection, l'enveloppe de la zone de stockage soit aussi
proche que possible de la topologie de l'unité de stockage pour
maximiser la récupération d'énergie lors de la phase d'extraction. Dans
cet exemple, la zone de stockage comporte un unique domaine défini par
une température de 45 à 50 C, mais la zone de stockage pourrait
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 38 PCT/FR2006/051148
comporter différents domaines ayant chacun une gamme de température
particulière.
On dispose d'une source chaude débitant de l'eau en tant que
fluide caloporteur à une température de 60 C pour un débit de 10 kg/s.
Dans la première phase, afin de remplir l'objectif présenté sur la figure
8B, les séries S5, S6, S7, S8, S9 et S10 sont sélectionnées, et les
branches S'5 = E33 ; S'6 = E34 ; S'7 = E43 ; S'8 = E44 ; S'9 = E53 ; S'10
= E54 sont configurées. Le fluide est injecté en parallèle dans les
branches S'5 à S'10 jusqu'à ce que la température de la zone de
stockage soit aussi proche que possible que ce qui est représenté de la
figure 8B.
Lorsque cette première phase est atteinte, le système configure
(en tenant compte du sens d'écoulement du fluide) les branches
suivantes : S"3 = E23, E22 ; S"4 = E24, E25; S"5 = E33, E32 ; S"6 =
E34, E35; S"7 = E43, E42; S"8 = E44, E45; S"9 = E53, E52; S"10 =
E54, E55 ; S"11 = E63, E62 ; S"12 = E64, E65. Puis il effectue l'injection
en parallèle dans les branches S"3 à S"12 jusqu'à ce que la température
de la zone de stockage soit aussi proche que possible de ce qui est
représenté sur la figure 8C.
Lorsque cette deuxième phase est atteinte, le système configure
(en tenant compte du sens d'écoulement du fluide) enfin les branches
suivantes : S"'1 = E13, E12, E11 ; S"'2 = E14, E15, E16 ; S"'3 = E23,
E22, E21 ; S"'4 = E24, E25, E26; S"'5 = E33, E32, E31 ; S"'6 = E34,
E35, E36; S"'7 = E43, E42, E41 ; S"'8 = E44, E45, E46; S"'9 = E53,
E52, E51 ; S"'10 = E54, E55, E56; S"'11 = E63, E62, E61 ; S"'12 = E64,
E65, E66; S"'13 = E73, E72, E71 ; S"'14 = E74, E75, E76. L'injection
s'effectue alors en parallèle dans les branches S"'1 à S"'14 jusqu'à
obtenir l'état final de la zone de stockage présenté sur la figure 8D.
En fonction des températures d'entrée et de sortie d'injection
imposées par la source ou d'extraction imposées par le consommateur, il
est possible d'élaborer plusieurs scénarii d'injection ou d'extraction
impliquant des séries ou des groupes d'échangeurs et, éventuellement,
différents domaines de la zone de stockage ayant des températures
moyennes différentes, et d'anticiper l'impact de chaque scénario sur le
rendement global de l'installation. Le système peut alors s'appuyer sur
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 39 PCT/FR2006/051148
des procédés ayant trait à l'optimisation combinatoire afin de conduire le
cycle de charge/décharge tout en optimisant le rendement de l'ensemble.
Ainsi, l'unité de calcul 500 assure le contrôle optimal de la
distribution de température dans la zone de stockage 30 tout au long du
cycle de charge/décharge.
Ainsi, le système hydronique 100 selon l'invention permet :
- de contrôler l'unité de stockage thermique 30 selon trois modes de
fonctionnement : l'injection de chaleur, l'extraction de chaleur, l'injection
et l'extraction simultanées,
- de contrôler activement tout au long du cycle de charge/décharge
la distribution de températures à l'intérieur de la zone de stockage dans
le but de minimiser la quantité d'énergie perdue aux limites au cours d'un
cycle complet, tout en optimisant le volume de matériau de stockage mis
en oeuvre,
- d'assurer le contrôle optimal des procédés d'injection et
d'extraction de chaleur dans le dispositif de stockage thermique 30, afin
de limiter les phénomènes de diffusion dans le matériau de stockage à
l'origine des pertes thermiques, notamment en restreignant la circulation
de fluide aux seules zones qui auront été sélectionnées pour l'injection
ou l'extraction, en adéquation avec le fonctionnement recherché,
notamment avec les valeurs requises de température du fluide entrant et
sortant de la zone de stockage.
- d'assurer le contrôle optimal des procédés d'injection et
d'extraction de chaleur dans le dispositif de stockage thermique 30, afin
de partitionner le dispositif de stockage thermique 30 en une ou plusieurs
zones thermiques différentes dans le but de présenter aux producteurs et
aux consommateurs des gammes de température et des quantités de
chaleur adaptées à leurs applications, notamment en restreignant la
circulation de fluide aux seules zones qui auront été sélectionnées pour
l'injection ou l'extraction, en adéquation avec le fonctionnement
recherché, notamment avec les valeurs requises de température du
fluide entrant et sortant de la zone de stockage.
- d'assurer le contrôle optimal des procédés d'injection et
d'extraction de chaleur dans le dispositif de stockage thermique 30, selon
l'un des fonctionnement précédemment décrit, tout en satisfaisant des
CA 02629234 2008-05-09
WO 2007/057594 40 PCT/FR2006/051148
contraintes arbitraires, notamment celles liées à l'efficacité globale du
système énergétique, incluant les sources et/ou les consommateurs.
- de permettre de lutter contre les effets des infiltrations
hydrogéologique transversales, dans la mesure du possible, en
transférant de la chaleur entre différentes zones du même tampon
thermique 30.
Bien que l'invention ait été décrite en référence à un mode de
réalisation particulier, elle n'est nullement limitée à ce mode de
réalisation. Elle comprend tous les équivalents techniques des moyens
décrits ainsi que leurs combinaisons qui entrent dans le cadre de
l'invention.
