WO2007057594A1 - Procede de controle du stockage d'energie thermique dans le sol et dispositif associe - Google Patents

Procede de controle du stockage d'energie thermique dans le sol et dispositif associe Download PDF

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WO2007057594A1
WO2007057594A1 PCT/FR2006/051148 FR2006051148W WO2007057594A1 WO 2007057594 A1 WO2007057594 A1 WO 2007057594A1 FR 2006051148 W FR2006051148 W FR 2006051148W WO 2007057594 A1 WO2007057594 A1 WO 2007057594A1
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WO
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loop
heat
exchangers
consumer
source
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PCT/FR2006/051148
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Inventor
Bruno Seguin
Christophe Reiss
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Ventilone
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/0052—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using the ground body or aquifers as heat storage medium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D11/00—Central heating systems using heat accumulated in storage masses
    • F24D11/002—Central heating systems using heat accumulated in storage masses water heating system
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the invention relates to the storage of heat energy in the soil. More particularly, the subject of the invention is that of thermal energy storage for decoupling a heat source and / or a cold consumer, on the one hand, from a heat consumer and / or a cold source, from somewhere else.
  • thermal energy in the form of heat, such as building heating systems or industrial heating processes, or in the form of cold, such as building air conditioning or industrial refrigeration
  • the production of Thermal energy is usually synchronized with its consumption.
  • Another way to improve energy systems economically is to decouple production and consumption using thermal energy storage systems. This decoupling then makes it possible to produce the energy needed not only for the periods of consumption, but at times when energy is available at low cost.
  • thermal energy storage systems are very well adapted to the exploitation of renewable energies, which are often characterized by their intermittency, and whose availability does not always coincide with consumption, especially in the case of energy.
  • solar thermal energy Heat energy storage devices are known that use the sensible heat of a storage material, that is to say the energy stored by this material when it undergoes a variation of temperature, without any change of phase. and without change of chemical composition, and wherein the storage material used is none other than the soil.
  • the term soil must be understood in the broad sense and covers both natural soil such as a volume of soil, a stratum of rock, a developed ground such as the basement of a building or the basement of a parking area, the foundations of a building and their geological environment, elements and assemblies of structural elements of a building (walls, slabs ...), or the equivalent.
  • the soil is not homogeneous and comprises different structures and materials having varied thermodynamic properties. Energy exchanges between the storage material on the one hand, and the sources and consumers of energy on the other hand, are ensured by the circulation of at least one heat transfer fluid inside the pipes.
  • a district heating device for heating a residential area must have a seasonal operating cycle: in summer, the heat energy produced by a heat source such as a solar collector, or cold consumer as an air conditioning device; in winter, this heat energy is released to heat homes as a heat consumer.
  • the volume of storage material required for a given application is an important parameter affecting the cost of the installation. This volume depends directly on the difference between the average temperature of the storage area at the end of the charging cycle, when the storage area is in its "charged” state, and the same temperature at the end of the discharge cycle, when the storage area is in its "unloaded” state. The smaller the difference, the larger the volume needed to store a given amount of energy. The dilemma is then: increasing the temperature variation of the storage area over one cycle reduces the volume needed, thus reducing the cost of construction, but in return increases the difference between the temperature of this storage area and the temperature of the storage area. natural temperature of the soil, thus increasing heat losses.
  • the subject of the invention is a method of controlling a thermal energy storage unit in the ground comprising a plurality of heat exchangers buried in the ground, each of said exchangers permitting an exchange of heat energy between a heat exchanger heat transfer fluid therethrough and the ground, said energy storage unit being disposed at the interface between a source and a consumer of heat energy for storing thermal energy, characterized in that the temperature is measured by different points of the ground by means of buried temperature sensors, the temperatures and flow rate of a heat transfer fluid at the inlet and at the outlet of the source to determine the thermal power supplied by the source, and the temperatures and flow rate of a heat transfer fluid in input and output of the consumer to determine the thermal power to be supplied to the consumer, and in that the thermal energy storage is optimized in said storage unit by selecting active exchangers from said plurality of exchangers based on temperature measurements, flow measurements and thermal power measurements.
  • the heat energy source is defined as one or more elements providing heat to the system via a heat transfer fluid.
  • the consumer of heat energy is defined as one or more elements absorbing heat to the system via a heat transfer fluid.
  • the method comprises the steps of previously determining an optimum map of the temperatures in the soil; determining an instantaneous map of the temperatures in the soil by means of said temperature measurements made at different points of the ground; selecting active exchangers from said set of exchangers as a function of the local temperature differences between said instantaneous card and said optimal card, temperatures and flow rate of the heat transfer fluid at the input and output of the source, and temperatures and flow rate of the coolant in input and output of the consumer.
  • the various steps can be repeated over time as many times as necessary in order to achieve a chronological sequence of optimal states of the storage area tending to maximize the energy efficiency of the process according to the invention, while satisfying the constraints induced by the versatility and asynchronism of the source and the consumer.
  • an exchanger is activated in extraction to locally extract heat energy from the soil or injection to locally inject heat energy into the soil.
  • an exchanger is activated by selecting the direction of flow and the flow of said heat transfer fluid therethrough. According to a mode of operation, when the thermal power supplied by the source is adapted to the thermal power used by the consumer, none of the heat exchangers is activated and the heat transfer fluid is circulated between a loop comprising the source and a loop. involving the consumer.
  • the heat transfer fluid is circulated between a loop comprising the source and a loop comprising injectable exchangers, and the the heat transfer fluid is circulated simultaneously between a loop comprising the consumer and a loop comprising exchangers activated for extraction.
  • heat is moved inside the storage unit by circulating the coolant between a loop comprising at least one extraction-activated exchanger and a loop comprising at least one activated exchanger for injection. .
  • the heat transfer fluid is circulated on the one hand in a loop comprising the source and on the other hand in a loop comprising the consumer and a loop comprising exchangers activated by injection.
  • the thermal power used by the consumer being zero, the thermal power supplied by the source is totally injected into the storage unit.
  • the thermal power supplied by the source being lower than the thermal power used by the consumer
  • the coolant is circulated on the one hand in a loop comprising the consumer and on the other hand in a loop comprising the source and a loop comprising exchangers activated in extraction.
  • the thermal power supplied by the source is zero
  • the thermal power used by the consumer is completely extracted from the storage unit.
  • the invention also relates to a hydronic control system of a thermal energy storage unit in the soil comprising a plurality of heat exchangers buried in the ground, each of said exchangers allowing a heat energy exchange between a heat transfer fluid therethrough and the ground, said hydronic system being intended to be disposed between a source of heat energy, a consumer of thermal energy and said storage unit, characterized in that it comprises: a plurality of temperature sensors buried in the ground; temperature and flow rate sensors for measuring the thermal power supplied by the source and the thermal power used by the consumer; grouping means for grouping said exchangers into a plurality of elementary exchange units, an exchange unit comprising at least one exchanger; and, activation means for selectively activating said elementary exchange units.
  • an exchanger comprising a hot end and a cold end
  • the grouping means can form groups of exchangers as exchange unit, the different hot ends of said exchangers of the same group being connected to a hot collector and the cold ends of these same exchangers being connected to a cold collector, the different exchangers of said group being in parallel with each other.
  • said grouping means make it possible to form series of exchangers as exchange unit, a series of exchangers comprising a number of groups of exchangers, the cold collector of one of said groups of one series being connected to the hot collector of the next group of said series, so that said groups of the same series of exchangers are arranged in series between an initial group and a final group.
  • said grouping means comprise first and second switches, each switch having a main line and secondary lines, the hot collector of a group of heat exchangers being connected to the first switch via a secondary line of this one. equipped with a shut-off valve, and the cold collector of the exchanger group being connected to the second switch via a secondary pipe thereof provided with a shut-off valve, so that the grouping means make it possible to arbitrarily selecting, at a given time and depending on the position of the valves of the first and second switches, a first group of exchangers and a last group of exchangers, to form between them a branch of exchangers used as a exchange unit.
  • the activation means comprise injection activation means capable of forming a hydraulic injection loop comprising at least one exchange unit for the injection of energy, and suitable extraction activation means. forming a hydraulic extraction loop having at least one exchange unit for energy extraction.
  • said injection activation means comprise an inlet injection branch and an outlet injection branch, each exchange unit being connected by its hot end to said inlet injection branch and by its cold end at said output injection connection to form a connection between the input and output injection connections, the different exchange units then being in parallel with each other between said input injection connections and output, each link thus defined being provided with flow control means in injection, so that the flow rate in said connection considered can be arbitrarily fixed during an injection.
  • the extraction activation means comprise an input extraction branch and an outlet extraction branch, the exchange units being respectively connected by their cold end to said extraction branch. and at their hot end to said outlet extraction connection, to form a connection between the inlet and outlet extraction connections, the different exchange units then being in parallel with one another between said connections.
  • extraction of inlet and outlet, each link thus defined being provided with extraction rate control means, so that the flow rate in said connection considered can be arbitrarily set during an extraction.
  • the regulating means can apply a zero flow rate to the exchange unit, thus allowing the arbitrary exclusion of the exchange unit during injection or extraction.
  • a differential pressure sensor is connected between said input and output connections, the feed pipe of the inlet connection comprises a differential pressure controlled pump according to the measurement made by said sensor, so that the flow in any of the parallel connections between the input and output connections can be individually controlled.
  • the system is provided with pumping means comprising pumps capable of circulating the coolant in a loop comprising the energy source and / or in a loop comprising the energy consumer.
  • pumping means comprising pumps capable of circulating the coolant in a loop comprising the energy source and / or in a loop comprising the energy consumer.
  • the system is provided with pumping means comprising pumps able to circulate the heat transfer fluid in an injection loop comprising at least one exchange unit operating in energy injection and in an extraction loop comprising at least one exchange unit operating in energy extraction, and connection means allowing at least one connection among the connection of the circulation loop in the source with the injection loop; the connection of the loop of circulation in the consumer with the extraction loop; connecting the circulation loop in the source with the injection loop, and simultaneously, connecting the circulation loop in the consumer with the extraction loop; the connection of the extraction loop with the injection loop; the connection of the circulation loop in the source with the circulation loop in the consumer; the connection of the extraction loop with the injection loop, and simultaneously the connection of the circulation loop in the source with the circulation loop in the consumer.
  • connection means also allow the connection of the circulation loop in the consumer with the extraction loop and the circulation loop in the source; and, connecting the circulation loop in the source with the injection loop and the circulation loop in the consumer.
  • the connection means comprise a first pressure-reducing bottle, connected to an expansion vessel forming the neutral point of said hydraulic system, said first pressure-reducing bottle being connected to said extraction loop of a part and to said circulation loop in the consumer on the other hand; a first pair of shutoff valves, the state of which enables said circulation loop in the hot source to be connected to said first pressure bottle; a second pair of stop valves whose state allows the injection loop to be connected to said first pressure bottle.
  • connection means comprise a second pressure-reducing bottle connected to said expansion vessel forming the neutral point of said hydraulic system; a third pair of shut-off valves whose state allows, in relation to the state of said first pair of valves, to connect said circulation loop in the source to said second pressure-reducing bottle, the loop in extraction being connected to said first pressure bottle; a fourth pair of shut-off valves, the state of which, in relation to the state of the second pair of valves, enables said injection loop to be connected to said second pressure-reducing bottle; circulation in the consumer being connected to said first pressure bottle.
  • the activation, connection and pumping means being automatically operable, the system comprises a calculation unit able to receive measurement signals emitted by the various sensors and to transmit a control signal to said activation means, connection, and pumping.
  • the computing unit executes the instructions of a program stored in storage means of said calculation unit to implement the preceded according to the invention.
  • the subject of the invention is also a system for storing heat energy in the soil comprising a hydronic system according to the invention and an energy storage unit.
  • the plurality of exchangers of the energy storage unit comprises at least ten heat exchangers.
  • the possibility of actively controlling, throughout the charge / discharge cycle, the temperature distribution inside the storage area makes it possible to optimize the necessary volume of storage material.
  • the volume of the required storage area depends only on the temperature level at two given instants of the cycle, whereas the thermal losses depend on the integral over the entire heat flow cycle at the limits of the storage area. .
  • By continually monitoring the temperature distribution in the storage area it is possible to maximize the average temperature difference over the volume between the "loaded” final state and the "discharged" initial state, while maintaining an optimal distribution of temperatures close to the limits of this zone, thus limiting the heat flux to the limits during all the intermediate states of the cycle.
  • the natural phenomenon of thermal diffusion is amplified by the uncontrolled circulation of the coolant throughout the storage area.
  • a "lukewarm" fluid having a temperature Tf through successively a "hot” zone, having a temperature higher than Tf, then a "cold” zone, having a temperature below Tf, will tend to homogenize the temperature of the two zones, thus accelerating the natural phenomenon of thermal diffusion inside the storage area.
  • the system according to the invention is capable of restricting the circulation of fluid to the only physical zones in adequacy with the desired mode of operation, in particular with the required temperature values of the fluid entering and leaving the storage area.
  • the sources and the consumers being heterogeneous, when at a given moment the source produces a thermal energy unusable by the consumer, in particular because of an inadequate heat transfer fluid temperature, whereas in the prior art it was not not directly stored in the diffusive system but in an additional device for storing the heat transfer fluid itself, this energy is now directly stored for later use.
  • the system according to the invention is capable of injecting this energy produced by the source into the storage unit while simultaneously withdrawing energy from this same storage unit to supply the consumer. Since the fluid temperature levels corresponding to the energy injected and the energy drawn off are different, the system selects, as a function of the temperature distribution in the storage zone, the regions that are suitable for injection and the regions that are suitable for racking.
  • Figure 1 shows, schematically, a heat exchanger of a power storage unit
  • FIG. 2 is a general schematic view of the hydronic system according to the invention at the interface between a source, a consumer and an energy storage unit;
  • Figure 3 schematically shows a particular embodiment of the pumping subsystem portion of the hydronic system of Figure 2;
  • FIG. 4A schematically represents the pumping subsystem operating in energy recycling mode
  • FIG. 4B schematically represents the pumping subsystem operating in simultaneous injection and extraction mode
  • FIG. 4C schematically represents the pumping subsystem operating in partial energy extraction mode
  • FIG. 4D schematically represents the pumping subsystem operating in partial energy injection mode
  • FIG. 5 schematically represents the flow control subsystem and the connection subsystem of the hydronic system according to the invention
  • Fig. 6A shows the flow control subsystem in the energy injection mode
  • Fig. 6B shows the flow control subsystem in the energy extraction mode
  • FIG. 7 is a schematic representation of an alternative embodiment of the hydronic system connection subsystem according to the invention.
  • Figures 8A, B, C and D show successive optimal maps for a heat storage area.
  • FIG. 1 diagrammatically shows a simple example of a heat exchanger 5 buried vertically in the ground 2.
  • the pipe 51 is a U-shaped pipe 51 having a "hot" end 53 and a "cold” end 54.
  • the pipe 51 is inserted into a sheath 55 facilitating the exchange of heat between the ground 2 and the coolant circulating in the pipe 51.
  • the exchanger 5 is placed in a well drilled in the ground that can have several tens of depth meters (typically 50 m) and the material constituting the sheath 55 is cast as filler material.
  • the heat transfer fluid is able to flow in the pipe 51 with an adjustable flow, in one direction or in another, ie from the cold end 54 towards the hot end 53 (as indicated by the arrows 56 in FIG. 1), or, conversely, from the hot end to the cold end.
  • a sheath 55 could accommodate several pipes 51.
  • the exchanger 5 is activated so that the heat transfer fluid at temperature T5L is injected at the cold end 54.
  • T5L is chosen so as to be less than the ground temperature T2 in the vicinity of the exchanger. There is then a transfer of heat from the ground to the fluid and this all along the pipe 51. This is what was represented by the black arrows 57 in FIG. 1.
  • the heat transfer fluid exits at the level of the hot end 53 with a temperature T5H greater than the temperature T5L, but less than or equal to the temperature T2.
  • the exchanger 5 In a reverse mode of operation, consisting of locally injecting heat into the ground 2, the exchanger 5 is activated so that the coolant, having a temperature T5H greater than the local temperature of the ground T2, is injected by hot end 53. A heat exchange is then heat transfer fluid to the storage material and this along the pipe 51. The temperature of the coolant at the cold end 54 reaches a T5L lower temperature T5H but greater than or equal to T2.
  • the heat exchanger is defined as a device consisting of an arbitrary number of pipes buried in the ground, each pipe being defined by a geometry and a clean material, these pipes being connected arbitrarily but of such that the piping system thus formed has two ends, a "hot" end 53 and a “cold” end 54 (the same borehole can accommodate several heat exchangers).
  • an energy storage unit is made up of more than 10 such heat exchangers 5.
  • the different exchangers of the energy storage unit can be arranged at different locations. different depths relative to each other and have or not 55 sheaths in common.
  • the hydronic system 100 has been shown diagrammatically in FIG. 2.
  • the hydronic system 100 is at the interface between any type of energy storage unit 30, any type of heat source or consumer of cold 10, defined as one or more elements providing heat to the system via a coolant, and any type of cold source or heat consumer 20, defined as one or more heat-absorbing elements to the system via a heat transfer fluid.
  • the source of heat or cold consumer 10 is called “hot source” or simply “source”
  • the consumer of heat or cold source 20 is called “cold source” or simply “consumer”.
  • the hydronic system 100 makes it possible to decouple the production by the hot source 10 of a heat energy, positively counted for the hydronic system 100, of the consumption by a cold heat energy source 20, negatively counted for the hydronic system 100, in storing, by means of the energy storage unit 30, thermal energy (heat or cold) in a storage area 31 defined in the ground.
  • thermal energy heat or cold
  • soil must be understood in the broad sense and covers both natural soil such as a volume of soil, a stratum of rock, developed soil such as the basement of a building or the subsoil ground of a parking area, the foundations of a building and their geological environment, elements and assemblies of structural elements of a building (walls, slabs ...), or the equivalent.
  • the storage zone 31 corresponds to the zone heated or cooled by all the heat exchangers. It should be noted that, in the case where the energy is stored in a continuous medium, for example earth, the storage area is not physically delimited. We can then try to define it geometrically by considering that it is a volume of earth included in an envelope located at a characteristic length L of the heat exchangers 5 disposed the most outside the field of heat exchangers. heat.
  • the length L can by For example, a characteristic length of the thermal diffusion phenomenon in the storage material.
  • the storage area may be a heat storage area, in this case characterized by an average temperature above the natural temperature of the soil.
  • the storage area can also be a cold thermal energy storage area, called cryo-energy. It is then characterized by an average temperature lower than the natural temperature of the soil.
  • the same storage area can be used successively in the heat storage domain and in the cryogenic energy storage domain.
  • it is characterized by a temperature level evolving during a complete cycle of charge / discharge between two extreme values, one higher than the natural temperature of the soil, the other lower than this same soil temperature. .
  • the storage area may be subdivided into one or more heat storage areas juxtaposed with one or more cryo-energy storage domains, each domain being defined by its own envelope.
  • the hydronic system 100 controls the circulation of at least one coolant for heat exchange.
  • a heat transfer fluid set in motion by the pump 15 with a flow rate Q10, leaves the hydronic system 100 at the point 207 (direction of the white flow arrow) at a low temperature T10L.
  • receives heat from the source 10 at, for example, a heat exchanger 14 (direction of the black arrow) then returns to the hydronic system 100 at the point 208, at a high temperature T10H.
  • a heat transfer fluid set in motion by the pump 25 with a flow rate Q20, leaves the hydronic system 100 at the point 209, at a high temperature T20H, loses heat while circulating in the consumer 20 at for example, a heat exchanger 24 (direction of the black arrow), then enters the hydronic system 100 at point 210, at a low temperature T20L.
  • the hot source 10 is characterized by a fluid flow Q10 measured by the flow sensor 18, and two "low" temperature levels T10L and "high” T10H measured by the temperature sensors 17, and the cold source 20 is characterized by a fluid flow Q20 measured by the flow sensor 28, and two "low” temperature levels T20L and "high” T20H measured by the temperature sensors 27.
  • the hydronic system 100 according to the presently preferred embodiment comprises an upper part called the pumping subsystem 200, an intermediate part said flow control subsystem 300 and a lower part called connection subsystem 400.
  • the hydronic system also includes a control system 500.
  • the pumping subsystem 200 makes it possible to control the heat transfer fluid flow rates associated with the heat exchanges at the hot source 10, the cold source 20 and the energy storage unit 30.
  • the pumping subsystem 200 allows the following modes of operation:
  • the pumping subsystem 200 comprises two circulation pumps 201 and 202 respectively provided with a variable-speed electrical drive, eight shut-off valves controlled in all or nothing 221, 222, 223, 224, 231, 232, 233 and 234, and two bottles (or balloons) 220 and 230, both connected to the same expansion tank 240, thus forming the neutral point of the hydraulic circuit.
  • the pressure bottles are not necessarily employed for their ability to store a fluid buffer volume.
  • the pressure-reducing bottles are used for their two following properties: on the one hand, the bottles have the advantage of allowing the transfer of heat energy between two hydraulic loops whose flow rates can be different, without the fluid undergoes a change in temperature at the passage between the two loops, as would be the case with the use of heat exchangers; and, on the other hand, the bottles constitute, between their inlet and outlet ducts, a virtually zero hydraulic resistance which allows the paralleling, between these ducts, of several hydraulic loops each having its own pumping means.
  • the coolant is able to circulate in a loop comprising the hot source 10 and / or in a loop of the storage unit 30 for the extraction of energy.
  • the bottle 220 When the stop valves 221 and 222 are in the open position, the bottle 220 is connected to the inlet and outlet points 208 and 208 to form a fluid circulation loop in the hot source 10.
  • the heat transfer fluid put in motion thanks to the pump 15, leaves the balloon 220 at a temperature T10L. It flows to the node A, then to the node B through the open valve 222, to the point 207. The fluid then flows into the hot source 10 where it receives heat. It returns with a temperature T10H in the pumping subsystem 200 at the inlet 208, then flows to the node C, then to the node D through the valve 221 open, and finally returns to the balloon 220.
  • the coolant is also able to circulate in a loop for extracting heat accumulated in the storage material.
  • the pump 201 for circulating the fluid exits the bottle 220 at a temperature T5L-A to the node A, is oriented towards the outlet point 203 of the pumping subsystem 200.
  • the fluid is able to flow in parallel through one or more elementary loops respectively comprising a heat exchanger 5 or a group of heat exchangers Gi or a series of heat exchanger groups Si, where it receives heat from the storage material.
  • the fluid again enters the pumping subsystem 200 at the point of entry 204 at a higher temperature T5H-A.
  • the fluid finally returns to the balloon 220 via the node of the circuit D.
  • the coolant is able to circulate in a loop comprising the consumer 20 and / or in a loop of the unit storage 30 for energy injection.
  • the bottle 220 is connected to the outlet 209 and inlet 210 points to form a fluid circulation loop in the consumer 20.
  • the fluid leaving the balloon 220 is set in motion by the pump 25, circulates to the node E then to the exit point 209 with a temperature T20H. Outside the pumping subsystem 200, the fluid flows into the consumer 20 where it gives up heat. It enters the pumping subsystem 200 again at the point of entry 210 with a low temperature T20L. It circulates to the node G then to the balloon 220.
  • the fluid When the stop valves 223 and 224 are in the open position, the fluid is also able to flow from the balloon 220, in a loop for accumulating heat in the storage material.
  • the fluid In heat storage mode, the fluid is set in motion by the pump 202. It exits the balloon 220 at a temperature T5H-B to the node of the circuit E.
  • the stop valve 223 being in this case open , the fluid flows to the node F, then to the exit point 205. As will be described hereinafter with reference to FIGS.
  • the fluid is able to flow in parallel in one or more elementary loops respectively comprising a heat exchanger 5 or a group of heat exchangers Gi or a series of groups of heat exchangers Si, where it transfers heat to the storage material.
  • the fluid rises to the point of entry 206 with a lower temperature T5L-B, then flows to the node H.
  • the stop valve 224 is in this case open, the fluid flows to the node G, then returns to the balloon 220.
  • the pumping subsystem 200 includes a second balloon 230, which is then used as a means of hydraulic connection between the fluid circulation loop in the source 10 and the loop for accumulating heat in the storage material.
  • the first balloon 220 retains in this case its function as a hydraulic connection means between the loop for extracting heat accumulated in the storage material and the circulation loop of the fluid in the consumer 20.
  • the stop valves 222, 221, 223, 224 are kept closed, while the valves 232, 231, 233, 234 are open.
  • the bottle 230 is then connected to the nodes B and C to form the fluid circulation loop in the source 10.
  • the heat transfer fluid set in motion by the pump 15, leaves the balloon 230 at a temperature T10L, and flows to the connection node B, then to the point 207.
  • the fluid then flows into the source 10 where it receives heat. It returns with a temperature T10H in the pumping subsystem 200 at the inlet 208.
  • the fluid is able to return to the balloon 230 from the node of the network C through the valve 231, the latter being open .
  • the bottle 230 is then connected to the nodes F and H to form a loop enabling to accumulate heat in the storage material.
  • the heat transfer fluid set in motion by the pump 202, leaves the balloon 230 at a temperature T5H-B, flows to the node of the circuit F, then to the exit point 205. heat transfer fluid can then be conveyed to the storage material where it gives up heat.
  • the fluid rises to the point of entry 206 with a lower temperature T5L-B, flows to the node H, and finally returns to the balloon 230 through the valve 234, the latter being open.
  • FIGS. 4A to D show four examples of use of the pumping subsystem 200.
  • Fig. 4A shows the pumping subsystem 200 in an operating mode for both the extraction of heat from the soil and the heat accumulation in the soil. Such use redistributes heat within the storage area.
  • this mode is selected, the valves 221, 222 are closed, the valves 223 and 224 are open.
  • the valves 231 to 234 are all closed, thus isolating the balloon 230 from the circuit.
  • the pressure balloon 220 forms a hydraulic connection between the heat extraction loop incorporating the pump 201, and the heat accumulation loop incorporating the pump 202.
  • FIG. 4B shows the pumping subsystem 200 in an operating mode simultaneously allowing the injection of heat from the hot source 10 and the extraction of heat towards the consumer 20.
  • the valves 221 to 224 are closed, while valves 231 to 234 are open.
  • the pressure-reducing balloon 220 hydraulically connects the heat extracting loop integrating the pump 201 and the fluid circulation loop to the consumer 20 comprising the pump 25.
  • the balloon As for the baffle 230, it is possible to hydraulically connect the fluid circulation loop in the source 10 comprising the pump 15 and the heat accumulation loop incorporating the pump 202.
  • FIG. 4C shows the pumping subsystem 200 in an operating mode simultaneously allowing the partial extraction of heat and the circulation in the loop comprising the hot source
  • valves 221, 222 are open and the valves 223 and 224 are closed.
  • the valves 231 to 234 are also closed, thus isolating the balloon 230 from the circuit.
  • the pressure-retaining balloon 220 then has the function of connecting on the one hand the circulation loop of the fluid in the hot source 10 comprising the pump 15 and the loop allowing the extraction of heat comprising the pump 201, and, on the other hand on the other hand, the loop allowing the circulation of heat in the cold source 20 comprising the pump 25.
  • the absence of heat production by the hot source 10 constitutes a particular case of this mode of operation. In this case, the heat delivered to the cold source 20 is completely extracted from the storage unit 30 by the extraction loop comprising the pump 201.
  • 4D represents the pumping subsystem 200 in a mode of operation. simultaneously allowing the partial accumulation of the heat produced by the hot source 10 in the storage volume 30 and the transfer of the remaining portion of this heat to supply the cold source 20.
  • the valves 221 to 224 are open.
  • the valves 231 to 234 are closed, thus isolating the balloon 230 from the circuit.
  • the pressure-reducing balloon 220 makes it possible to connect on the one hand the circulation loop of the fluid in the hot source 10 comprising the pump 15, and on the other hand the loop allowing the accumulation of heat comprising the pump 202 and the loop allowing the circulation of heat in the cold source 20 comprising the pump 25.
  • the absence of heat consumption at the cold source 20 is a particular case of this mode of operation. In this case, the heat produced by the hot source 10 is integrally injected into the storage unit 30 for storage. Referring to FIG. 5, the flow control subsystem
  • the connection subsystem 400 is an interface for connecting a set of heat exchangers 5, buried in the ground, to the flow control subsystem 300.
  • An exchange unit comprising at least one exchanger, then constitutes the finest unit that can be individually controlled.
  • the storage device 30 of FIG. 5 is organized so as to comprise for example M groups of exchangers Gi (the index i varying between 1 and M).
  • the elementary exchange unit of the storage unit 30 is then constituted, no longer by a single exchanger 5, but by a group of exchangers G. This is particularly advantageous for the large installations covered by the invention.
  • the hot collector Ui, 1 is connected to the flow control subsystem 300 via a hot pipe 37i.
  • the cold collector Ui, 2 is connected to the flow control subsystem 300 via a cold pipe 38i.
  • the flow control subsystem 300 may be divided into one part for the heat injection 300B (right part of Fig. 5) and part for the heat extraction referenced by the number 300A (left part of the Figure 5). It is assumed that the storage unit 30 comprises M hydraulic heat exchange loops, each of these loops consisting of a group of exchangers Gi (i varying from 1 to M).
  • the injection part 300B is connected with the pumping subsystem 200 at the point 205 and the point 206. From the point of view of the physical system constituted by the injection part 300B, the point 205 allows the entry of the heat transfer fluid "hot” and point 206 allows the output of the heat transfer fluid "cold".
  • the input 205 is hydraulically connected to a branch 301 -B.
  • Each of the downward channels 31 i-B is respectively connected downstream, via a node Ki, and then the pipe 37i, to the hot collector Ui, 1 of the associated group Gi.
  • the connection 302- B is connected to the output 206.
  • Connections 301-B and 302-B are equipped with a differential pressure sensor 303-B.
  • the two valves 33i-B and 34i-B are arranged in series and that the stop valve 34i-B effectively blocks any circulation in the pipe that it equips, a control valve, such as the valve 33i-B, never being completely sealed.
  • Each riser 35i-B is provided with an all-or-nothing shutoff valve 36i-B.
  • the "cold" fluid is injected into the flow control subsystem 300 through the entry point 203.
  • This inlet 203 is connected to a branch 301-A.
  • This connection 302-A is itself connected to the outlet point 204.
  • connection 302-A allows a return of the heat transfer fluid "hot" to the pumping subsystem 200, via the exit point 204.
  • M hydraulic heat extraction loops are arranged in parallel with each other, each enabling the heat transfer fluid supply the associated heat exchanger group Gi.
  • Connections 301-A and 302-A are equipped with a differential pressure sensor 303-A.
  • Each riser 35i-A is provided with an all-or-nothing shutoff valve 36i-A.
  • the descending pipes 31 iA and the risers 35i-B connected to the same cold collector Ui, 2 have advantageously a common section 38i, in this case the cold collector Ui, 2 at the node Li.
  • this loop is then hydraulically isolated from the circuit.
  • the flow measurement associated with this regulation is ensured by the flow sensor 32i-B.
  • the flow adjustment in any of the activated loops for the injection must have no influence on the flow in the other loops also activated in injection.
  • connection 302-B is hydraulically connected to the neutral point of the circuit only through a shut-off valve in the open position, representing a very low pressure drop.
  • the pressure at this connection 302-B can be considered independent of the total fluid flow, which gives a great stability to the differential pressure regulation between the connections 301 -B and 302-B.
  • the flow measurement associated with this regulation is ensured by the flow sensor 32i-A.
  • connection 302-A the fluid flows directly to the balloon 220.
  • the connection 302-A is thus hydraulically connected to the neutral point of the circuit, so that the pressure at this connection is independent of the total flow of fluid, which gives a great stability to the differential pressure regulation between the connections 301 -A and 302-A.
  • the fluid at temperature T5H-B is introduced through the inlet 205 at the connection 301 -B .
  • the stop valve 34i-B corresponding to the group Gi is actuated to be in the open state and the stop valve 36i-A is simultaneously actuated to be in the closed state, the pressurized fluid is conveyed via the pipes 31 iB and 37i to the hot manifold Ui, 1 where it is distributed between the various heat exchangers 5 of the group Gi.
  • the temperature of the coolant T5H-B is higher than the average temperature of the medium T2. As a result, the heat of the coolant is transferred to the storage material.
  • the coolant is collected by the manifold Ui, 2, then routed via the pipes 38i and 35i-B to the connection 302-B, the shutoff valve 36i-B being actuated to be in position. the open state and the stop valve 34i-A being simultaneously actuated to be in the closed state. Finally, the heat transfer fluid, having a temperature T5L-B, is conveyed to the outlet point 206. The flow rate of the fluid in the loop which has just been described is controlled by the valve 33i-B.
  • a loop is activated which includes the downcomer 31 iA, the common line 38i the group of exchangers Gi provided with its two cold manifolds Ui, 2 and hot Ui, 1, the common pipe 37i, and the riser pipe 35i-A.
  • the system has means for configuring, at any time, a position branch and variable length as a sub-series of a maximum series SiMax consisting of all groups of exchangers Gi connected in series.
  • FIG. 7 is a diagrammatic representation in injection mode of heat, part of the flow control subsystem 300 'and the connection subsystem 400' when the activated loop no longer has a single group of exchangers but a branch of the series Si.
  • the sub-system of connection 400 organizes the storage unit 30 so that the cold inputs of the exchangers of a group of heat exchangers Gi j and the hot inputs of the heat exchangers of the next group Gij + 1 are connected to the same collector UiJ, with the exception of the first collector Ui, 1 which is connected only to the hot inputs of the first group Gi, 1 of the series Si, and the last collector Ui, Mi + 1 which is connected only to the cold inputs of the last group Gi 1 Mi of the series Si. There are thus Mi + 1 collectors.
  • a flow switch is a bidirectional device hydraulically connecting a primary line to an arbitrary number of secondary lines each provided with an all-or-nothing bidirectional valve. By opening a valve while keeping all the others closed, the flow switch connects the primary line to a single secondary line, thus opening a path and a single path for the coolant.
  • valve of index p (noted 31 ft) of the flow switch 31Oi, associated with the secondary pipe connected to the collector Ui, p, as well as the valve of index q + 1 (denoted 32 (q + 1) i) of the flow switch 32Oi, associated with the secondary pipe connected to the collector Ui, q + 1, are both actuated to be in the open state.
  • the coolant from the connection 301 -B to the temperature T5H-B, is then oriented by the flow switch 31Oi to the collector Ui, p.
  • connection system can be seen as a fixed assembly for grouping exchangers 5 in parallel or in series.
  • the connection system can be brought to undergo the addition (and more rarely the withdrawal) of certain groups of exchangers, in order to adapt the total power of injection and / or extraction of heat to the needs of the application. Apart from these exceptional operations, the connection system is fixed and undergoes no structural variation.
  • connection system is more specific to each application insofar as the overall architecture of the storage unit 30, in particular the number and location of the exchangers 5, their association in groups and the possible connection of certain groups in series, will be the result of a case-by-case study for each application, and will depend on various parameters such as the amount of energy to be stored, the characteristics of the source and the consumer, the necessary injection / extraction power , the thermal characteristics of the storage material, or the coefficients of infiltration or underground circulation of water through the storage unit 30.
  • the flow control subsystem makes it possible to select with the finest particle size possible, the area of the storage area suitable for extracting or injecting heat energy.
  • the activation of an exchanger, a group of exchangers or all or part of a series of exchanger groups makes it possible to control the thermal power injected or extracted in the corresponding domain of the storage area.
  • the hydronic system 100 comprises a control loop for the automatic actuation of the different valves to activate one or more exchangers according to the selected operating mode.
  • the hydronic system 100 and the storage unit 30 are equipped with a set of temperature sensors. These are temperature sensors 6 disposed in the ground or in the sheath 55 of the heat exchanger, and possibly temperature sensors 17 and 27 arranged at different points of the hydronic system to determine the temperature of the coolant.
  • the sensors 6, 17 and 27 allow a local measurement of the temperature.
  • Other types of sensors can be used. In the description of Figure 5, reference was made to 32i-A and 32i-B sensors that provide flow information.
  • the source-side loop and the consumer-side loop can also be equipped with flow sensors 18 and 28 to know at any time the thermal power (flow product by the difference of the temperatures of the coolant in the inlet and outlet piping )
  • the hydronic system 100 and the storage unit 30 may include a plurality of sensors and actuator for physically acting on the programmable controllers for deporting the input / output operations, performing remote operation successions and generating operating state variables.
  • the output signals of the hydronic system 100 and the storage unit 30 thus include all signals from the sensors, actuators and controllers.
  • the input signals of hydronic system 100 and storage unit 30 include all signals to actuators and controllers.
  • the output signals of the hydronic system 100 and the storage unit 30 are conveyed as electrical signals to a computing unit 500.
  • the calculation unit 500 comprises storage means and calculation means.
  • the instructions of a program are stored in the storage means and are executed by the calculation means.
  • the calculation unit 500 comprises an input-output interface adapted to receive the output signals of the hydronic system 100 and the storage unit 30 as input and to output the input signals of the hydronic system 100 and the output signal.
  • storage unit 30 for actuating the various controlled valves and control commands of the pump subsystem 200 and / or the flow control subsystem 300.
  • the computing unit 500 is able to determine the composition of the loops of the storage unit that must be configured and activated by the hydronic system 100.
  • the calculation unit 500 determines, for each active loop, whether the activation of the loop must be done by injection or heat extraction.
  • the computing unit 500 also defines the topology of the branch of this series Si which will be crossed by the heat transfer fluid by defining the value of the indices p and q. Corresponding groups Gi, p and Gi, q will be activated using the associated flow switches 31Oi and 32Oi.
  • Each of the optimal states thus defined can be represented by a three-dimensional map giving the temperature at any point of the storage area at a given date.
  • successive optimal maps can be determined for all summer months with the criterion of maintaining a low temperature gradient at level of the envelope of the storage area, ie maintains a flow of low heat energy through this envelope; then, at the end of the charging cycle, the optimal cards can be determined with another criterion of the maximum filling of the storage volume.
  • optimal states can be determined with other criteria by the user.
  • the summer map defines several sectors corresponding to storage at different temperature levels in summer: thus the storage area may include a sector dedicated to the heat accumulation produced by solar panels for heat production. winter and a storage area dedicated to a summer air conditioning application. The goal here is to allow the system to accumulate heat for the next winter, while promoting a suitable area for an air conditioning application, so as to increase energy efficiency.
  • the autumn map can then be defined so as to eliminate, in the storage unit 30, this sector dedicated to the air conditioning to store there now heat from the solar panels, and this so that the unit of Storage 30 has a storage temperature spectrum that allows winter heat generation to operate at optimum energy efficiency.
  • a card designates any means making it possible to obtain information on the overall state of the storage unit 30 at a given date; the global state of the storage unit being characterized by the knowledge, possibly approximate, of the temperature at each point of the storage unit 30.
  • one of the optimal cards is loaded into the memory means of the computing unit 500.
  • This optimal card is then considered as a goal to be achieved over time. For example, in the case of a heat storage unit powered by solar collectors, the user will load the optimal card at the end of the cycle if he wants the storage area to contain a maximum of heat energy for example in the month October, just before entering the winter months which are months of high energy consumption during which it is known that the heat source will produce little energy.
  • the calculation unit 500 allows at any time, according to the temperature measurements recorded by the various sensors 6, to make a three-dimensional instantaneous map of the temperature in the storage area. This map gives the instantaneous state of the storage area.
  • the computing unit 500 emits actuating signals for qua at every moment the mode of operation of the hydronic system 100 meets the needs of the consumer and the source, but also the final objective to be achieved. For example, the computing unit 500 locally evaluates the differences between the temperature given by the optimal card and the temperature given by the flash card. If the thermal power produced by the source is greater than that demanded by the consumer, the unit 500 selects the mode of partial energy injection operation and activates the heat exchangers located in a cold part of the heating zone. storage which has temperature levels adapted to the inputs of the source and which has a temperature deficit with respect to the objective board.
  • the unit 500 selects the mode of partial energy extraction operation and activates in heat extraction the heat exchangers located in a hot part of the zone. storage which has temperature levels adapted to the needs of the consumer and which has a temperature overrun compared to the objective board. In this way the temperature distribution inside the zone converges in time towards the optimal state.
  • the computing unit 500 may have a user interface allowing an operator to define completely, at each instant, the configuration of the hydronic system 100: in this case, it is the operator himself who positions the input signals. of the hydronic system 100 and the storage unit 30 to control the evolution of the storage unit 30.
  • the computing unit 500 may comprise a predictive control or control method for calculating the input signals of the hydronic system 100 and the storage unit 30 in order to control the evolution of the storage unit 30: in this case, the computing unit 500 relies on an optimization method to determine the input signals of the hydronic system 100 and the storage unit 30 to satisfy the goal of transition between the state current of the storage unit 30 corresponding to the flash card, and a desired state corresponding to an optimum card.
  • the optimization method can take into account a set of constraints represented by a cost function (optimization under constraints), so that the constraints are satisfied when the cost function is optimum.
  • the constraint optimization method aims to determine the input signals of the hydronic system 100 and the storage unit 30 to satisfy the transition goal between the current state of the unit of storage corresponding to the instant map, and a desired state corresponding to an optimum map, the transition taking an optimum path at the cost function, thus satisfying the constraints.
  • the conduct of the evolution of the storage unit can be carried out taking into account constraints related to the overall efficiency of an energy system using the invention.
  • the constraints can be strongly linked to the level of energy efficiency and / or the cost of exploitation of the sources and / or consumers.
  • Constraints derived from weather forecasts can also be taken into account, in order to better adapt to the future needs of consumers, and / or the future production of producers, especially if they use energy renewable.
  • FIGS. 8A to 8D show a simple example of optimal maps associated with a given depth of a heat storage unit.
  • FIGS. 8B, 8C and 8D represent the desired temperature distribution for three different and successive instants during a heat injection cycle in the storage zone. The temperature of each isothermal curve is indicated on it in degrees Celsius.
  • S1 to S14 defined according to (without taking into account the direction of circulation fluid):
  • 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.
  • the storage area further comprises temperature sensors not shown in Figure 8A.
  • the temperature of the storage zone is equal to the outside temperature of the soil, ie approximately 15 ° C. It is then desired to inject heat so that one can, at any time of the loading cycle, have the largest possible amount of directly exploitable thermal energy, that is to say a temperature of about 40 to 50 ° C.
  • the procedure consists in forming and then enlarging a central zone having a temperature of 45 to 50 ° C. so that, at the end of the injection, the envelope of the storage zone is as close as possible to the topology of the storage unit to maximize energy recovery during the extraction phase.
  • the storage area has a single domain defined by a temperature of 45 to 50 ° C, but the storage area could have different domains each having a particular temperature range.
  • the system configures
  • the computing unit 500 provides optimum control of the temperature distribution in the storage area 30 throughout the charge / discharge cycle.
  • the hydronic system 100 makes it possible: to control the thermal storage unit 30 according to three modes of operation: heat injection, heat extraction, simultaneous injection and extraction, actively control throughout the charge / discharge cycle the temperature distribution inside the storage area in order to minimize the amount of energy lost at the limits during a complete cycle, while optimizing the volume of storage material used, - to ensure optimal control of the injection and heat extraction processes in the thermal storage device 30, in order to limit the diffusion phenomena in the storage material at the origin thermal losses, in particular by restricting the circulation of fluid to the only zones that have been selected for the injection or the extraction, in adequacy with the desired operation, in particular with the values required temperature of the fluid entering and leaving the storage area.
  • thermal storage device 30 in order to partition the thermal storage device 30 into one or more different heat zones in order to present the producers and temperature ranges and amounts of heat adapted to their applications, in particular by restricting the circulation of fluid to the only zones that have been selected for injection or extraction, in adequacy with the desired operation, in particular with the required values temperature of the fluid entering and leaving the storage area.

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Abstract

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.

Description

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. II 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 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. 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 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. 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. 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 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. II 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 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 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 œuvre 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 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 ; 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 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 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 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. 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. 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 nœud A, puis au nœud 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 nœud C, puis au nœud D à travers la vanne 221 ouverte, et enfin revient dans le ballon 220. 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 nœud 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 nœud 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 nœud 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 nœud 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 nœud du circuit E. La vanne d'arrêt 223 étant dans ce cas ouverte, le fluide circule vers le nœud 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 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 nœud H. La vanne d'arrêt 224 étant dans ce cas ouverte, le fluide s'écoule vers le nœud 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 nœuds 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 nœud 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 nœud 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 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 nœud 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 nœud 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 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. 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. 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 31i-B (K=K=M).
Chacune des canalisations descendantes 31 i-B est respectivement connectée en aval, via un nœud 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 nœud 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. 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 31i-A (1 <=i<=M) sont respectivement connectées au collecteur froid Ui, 2 du groupe d'échangeurs Gi via le nœud 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 nœud 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 31i-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 nœud 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 avantageusement une section commune 38i, en l'occurrence du collecteur froid Ui, 2 au nœud 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 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 31i-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 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. 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 GiJ (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 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 Gij+1 sont connectées au même collecteur UiJ, 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 Gi1Mi de la série Si. Il y a donc Mi+1 collecteurs.
Le principe mis en œuvre 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 31Oi et la canalisation froide 38i est munie d'un commutateur de débit 32Oi.
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 31Oi comporte Mi+1 canalisations secondaires respectivement munies d'une vanne commandée bidirectionnelle 31 ji (1 <=j<=Mi+1) et connectées via le nœud ViJ aux Mi+1 collecteurs UiJ (1 <=j<=Mi+1 ). Le commutateur de débit 32Oi comporte Mi+1 canalisations secondaires respectivement munies d'une vanne commandée bidirectionnelle 32ji (1 <=j<=Mi+1 ) et connectées via le nœud ViJ au collecteur UiJ (1 <=j<=Mi+1 ). 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 31Oi, 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 32Oi, 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 31Oi 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 32Oi. 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 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 connaître 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 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 connaître 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 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 31Oi et 32Oi.
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 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 accroître 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 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 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. 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 500C. 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 500C 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 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 600C 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 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 œuvre, - 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 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.

Claims

REVENDICATIONS
1. 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.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il 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, afin de faire transiter l'unité de stockage de l'état courant correspondant à la carte instantanée vers l'état correspondant à la carte optimum, la transition empruntant un chemin arbitraire ou imposé par un ensemble de contraintes.
3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que, 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.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une étape additionnelle consistant :
Lorsque la puissance thermique fournie par la source est adaptée à la puissance thermique utilisée par le consommateur, à n'activer aucun des échangeurs et à faire circuler le fluide caloporteur entre une boucle comportant la source et une boucle comportant le consommateur ; Lorsque la puissance thermique fournie par la source n'est pas utilisable par le consommateur, à faire circuler le fluide caloporteur entre une boucle comportant la source et une boucle comportant des échangeurs activés en injection, et à faire circuler simultanément le fluide caloporteur entre une boucle comportant le consommateur et une boucle comportant des échangeurs activés en extraction ;
Lorsque la puissance thermique fournie par la source est supérieure à la puissance thermique utilisée par le consommateur, à faire 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 ;
Lorsque la puissance thermique utilisée par le consommateur est nulle, à injecter totalement la puissance thermique fournie par la source dans l'unité de stockage ;
Lorsque la puissance thermique fournie par la source est inférieure à la puissance thermique utilisée par le consommateur, à faire 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 ;
Lorsque la puissance thermique fournie par la source est nulle, à extraire intégralement la puissance thermique utilisée par le consommateur de l'unité de stockage.
5. 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 calorifique 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 une puissance thermique fournie par la source et une 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.
6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que, 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.
7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de regroupement permettent de former des séries d'échangeurs en tant qu'unité d'échange, une série d'échangeurs (S) comportant un nombre (nS) de groupes d'échangeurs (Gi), le collecteur froid d'un desdits groupes (Gi) d'une série étant connecté au collecteur chaud du groupe suivant (Gi+1 ) de ladite série, de sorte que lesdits groupes d'une même série d'échangeurs sont disposés en série entre un groupe initial (G1 ) et un groupe final (Gn).
8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que 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 audit premier commutateur via une canalisation secondaire de celui-ci munie d'une vanne d'arrêt, et le collecteur froid dudit groupe étant connecté audit 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 (Gp) et un dernier groupe d'échangeur (Gq), pour former entre ces derniers une sous-série d'échangeurs (S') utilisée en tant qu'unité d'échange.
9. Système selon la revendication 5 ou la revendication 8, caractérisé en ce que 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 ; en ce que 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 d'injection 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 d'injection ainsi définie étant munie de moyens de régulation de débit en injection, de sorte que le débit circulant dans ladite liaison d'injection considérée puisse être arbitrairement fixé lors d'une injection, et en ce que lesdits moyens d'activation en extraction comportent un branchement d'extraction d'entrée et un branchement d'extraction de sortie, lesdites 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 d'extraction 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 d'extraction ainsi définie étant munie de moyens de régulation de débit en extraction, de sorte que le débit circulant dans ladite liaison d'extraction considérée puisse être arbitrairement fixé lors d'une extraction.
10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'un capteur de pression différentielle est connecté entre lesdits branchements d'entrée et de sortie, qu'une 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.
11. Système selon l'une des revendications 5 à 10, caractérisé en ce qu'il 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 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 d'une boucle de circulation dans la source avec la boucle d'injection ; la connexion de la boucle de 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.
12. Système selon la revendication 11 , caractérisé en ce que lesdits moyens de connexion permettent en outre : la connexion d'une boucle de circulation dans le consommateur avec une boucle d'extraction et la boucle de circulation dans la source ; et, la connexion d'une boucle de circulation dans la source avec une boucle d'injection et la boucle de circulation dans le consommateur.
13. Système selon la revendication 11 ou la revendication 12, caractérisé en ce que lesdits 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 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.
14. Système selon la revendication 13, caractérisé en ce que lesdits moyens de connexion comportent en outre : 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 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 circulation dans le consommateur étant connectée à ladite première bouteille casse-pression.
15. Système selon l'une des revendications 5 à 14, caractérisé en ce que, lesdits moyens d'activation, de connexion, et de pompage étant actionnables automatiquement, le système comporte une unité de calcul apte à recevoir les 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, ladite unité de calcul exécutant les instructions d'un programme stocké dans des moyens de mémorisation de ladite unité de calcul pour mettre en œuvre un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.
16. Système de stockage d'énergie calorifique dans le sol, caractérisé en ce qu'il comporte un système hydronique selon l'une des revendications 5 à 15 et une unité de stockage d'énergie comportant au moins dix échangeurs.
PCT/FR2006/051148 2005-11-10 2006-11-07 Procede de controle du stockage d'energie thermique dans le sol et dispositif associe WO2007057594A1 (fr)

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