Domaine technique

La présente invention concerne un réseau de distribution d'énergie thermique pour alimenter un site urbain et/ou industriel, ce réseau comprenant au moins un circuit principal qui véhicule un premier fluide caloporteur et ayant :

au moins un conduit, placé dans une zone de stockage et/ou de déstockage d'énergie thermique à proximité dudit site urbain et/ou industriel, et dans lequel circule ledit premier fluide caloporteur ; ledit conduit ayant :

- un point d'entrée agencé pour prélever de l'énergie thermique dans ladite zone de stockage et/ou de déstockage ;

un point de sortie agencé pour rejeter de l'énergie thermique, dans ladite zone de stockage et/ou de déstockage (130), distinct dudit point d'entrée;

une pluralité de circuits secondaires affectés respectivement à des utilisateurs d'énergie thermique, localisés sur ledit site urbain et/ou industriel ; et chacun desdits circuits secondaires comportant une boucle de conduits raccordés respectivement audit conduit dudit au moins un circuit principal, pour véhiculer un second fluide caloporteur,

ledit conduit du circuit principal est réalisé en un matériau thermiquement conducteur, et est déposé directement en contact avec ladite zone de stockage et/ou de déstockage d'énergie thermique à proximité dudit site urbain et/ou industriel ;

chacune desdites boucles de conduits desdits circuits secondaires est réalisée en un matériau thermiquement conducteur, et est déposée directement en contact avec une zone de stockage et/ou de déstockage d'énergie thermique à proximité d'un desdits utilisateurs ;

chacune desdites boucles de conduits desdits circuits secondaires, est connectée à l'un desdits au moins un circuit principal, dans lequel,

un échangeur de chaleur est agencé pour coupler thermiquement une boucle de conduits desdits circuits secondaires avec le conduit du circuit principal, sans contact direct entre lesdits premier et second fluides caloporteurs. Technique antérieure

Les réseaux de chauffage à distance, appelés couramment chauffages urbains, comportent habituellement au moins une paire de conduits, dont le premier, appelé « tube aller » est connecté entre une source chaude et au moins un dispositif consommateur d'énergie thermique, par l'intermédiaire d'un point de soutirage, et dont le second, appelé « tube retour » est connecté entre le point de soutirage et la source chaude pour ramener le fluide caloporteur refroidi dans le réseau. L'objectif de ces réseaux est d'alimenter un ensemble d'utilisateurs/consommateurs, qui peuvent, par exemple, être une maison, un local utilitaire ou similaire, en calories positives ou négatives également appelées frigories, prélevées dans le fluide caloporteur. Généralement, les conduits sont distincts, disposés parallèlement l'un par rapport à l'autre et bien isolés pour limiter les déperditions. Ces installations utilisent habituellement comme source chaude, soit un générateur d'eau chaude, soit un générateur de vapeur d'eau et le fluide caloporteur est, selon le cas, de l'eau chaude, éventuellement mélangée à du glycol pour éviter le gel en cas de refroidissement intempestif, ou de la vapeur surchauffée, portée à une température élevée. La déperdition de chaleur dans les conduits qui véhiculent le fluide caloporteur, est en principe proportionnelle à la différence entre la température du fluide caloporteur et l'environnement des conduits qui le véhiculent, de sorte que, les installations connues sont, soit les isolations sont très performantes, et par conséquent très coûteuses, soit des installations moins efficaces enregistrant des pertes en énergie élevées. Dans les deux cas, le bilan énergétique est médiocre et les coûts des installations ainsi que les coûts d'exploitation sont très élevés.

Par ailleurs, on a développé des installations de distribution d'énergie thermique en réseau, qui couplent une structure, parfois existante, de distribution d'énergie en réseau travaillant à haute température avec une structure de distribution d'énergie en réseau travaillant à basse température appelé réseau anergie, ayant comme avantages essentiels, des coûts d'installation plus réduits et des frais d'exploitation plus avantageux que ceux des réseaux fonctionnant uniquement à haute température. Dans ce cas, les réseaux, qui peuvent parfois travailler avec des fluides caloporteurs différents, sont hydrauliquement séparés tout en étant thermtquement couplés.

Sur divers sites d'implantation de réseaux de ce type, lorsque la dénivellation de certaines zones et d'autres est importante, la pression du fluide caloporteur circulant dans les conduits du réseau peut devenir élevée, ce qui impose des précautions importantes lors de l'installation, notamment la mise en place de conduits à parois plus résistantes, donc plus lourds et plus coûteux. Ces précautions s'imposent sur tout le réseau, y compris les circuits domestiques sur le lieu de l'utilisation et de la consommation de l'énergie distribuée. L'ensemble de l'installation avec tous ses composants, y compris les vannes de raccordement, les échangeurs de chaleur, les pompes à chaleurs, doit être adaptée à cette contrainte de surpression. En outre, la sécurité de l'installation est plus difficile à assurer et les risques, en cas de défectuosité de l'un des composants, notamment lors d'une rupture d'un conduit ou d'une vanne, sont beaucoup plus élevés, notamment si la pression devient très élevée dans les conduits en raison des dénivellations du site.

Exposé de l'invention

La présente invention se propose de pallier les inconvénients ci-dessus en fournissant les moyens pour confiner la pression dans des limites de valeurs acceptables, quelles que soient les dénivellations entre diverses zones du réseau sur le site concerné. En outre, étant donné que l'on travaille avec un réseau dit réseau anergie à basse température, avec un fluide caloporteur dont la température moyenne n'a que quelques degrés de différence avec la température moyenne du sol dans la zone de travail où le réseau est implanté, les surcoûts générés par une pression excessive auraient pour conséquence de réduire à néant les avantages économiques du réseau anergie qui permet de supprimer les gros frais d'isolation thermiques des réseaux de chauffage urbains classiques. Ce but est atteint par le réseau de distribution d'énergie thermique, tel que défini en préambule, et caractérisé en ce que :

au moins un desdits circuits secondaires est décomposé en au moins un premier sous-circuit complémentaire, et au moins un deuxième sous-circuit complémentaire, ledit premier et ledit deuxième sous-circuits complémentaires étant hydrauliquement indépendants.

Selon un mode de réalisation préféré, ledit couplage thermique entre ledit premier sous-circuit complémentaire et ledit deuxième sous-circuit complémentaire, est réalisé par un échangeur de chaleur.

Ledit échangeur de chaleur monté entre ledit premier sous-circuit complémentaire et ledit deuxième sous-circuit complémentaire est de préférence un échangeur à plaques pourvu de deux circuits internes indépendants, un premier circuit interne connecté audit premier sous-circuit complémentaire de distribution d'énergie thermique anergie, et un second circuit interne connecté audit deuxième sous-circuit complémentaire de distribution d'énergie thermique. De préférence, ledit échangeur de chaleur comporte d'une part une première entrée de fluide caioporteur et une première sortie de fluide caioporteur, lesdites première entrée et première sortie dudit fluide caioporteur étant raccordées audit premier sous-circuit complémentaire de distribution d'énergie thermique, et d'autre part une seconde entrée de fluide caioporteur et une seconde sortie de fluide caioporteur, lesdites seconde entrée et seconde sortie étant raccordées audit deuxième sous-circuit complémentaire de distribution d'énergie thermique anergie.

Lesdites plaques dudit échangeur de chaleur sont avantageusement des plaques parallèles et espacées entre elles pour définir deux réseaux indépendants d'espaces parallèles, constituant lesdits premier et second circuits internes. Ladite entrée et ladite sortie dudit fluide caloporteur sont de préférence équipées d'une vanne à au moins deux voies ainsi que ladite entrée et ladite sortie dudit fluide caloporteur, sont toutes équipées d'une vanne à au moins deux voies, pour permettre la mise en court-circuit dudit échangeur de chaleur.

Selon un mode de réalisation préféré, la température du fluide caloporteur dans ledit premier sous-circuit complémentaire et ledit deuxième sous-circuit complémentaire est comprise entre 2 et 20°C, et de préférence comprise entre 2 et 15°C, et en particulier avantageusement égale à 9°C.

Selon une forme de réalisation particulièrement avantageuse,

au moins un desdits circuits secondaires de distribution d'énergie thermique, du type appelé circuit anergie, est décomposé en n sous-circuits complémentaires montés en série ;

- le premier sous-circuit complémentaire est couplé thermiquement audit deuxième sous-circuit complémentaire, sans connexion hydraulique entre eux, par un premier échangeur de chaleur ;

le deuxième sous-circuit complémentaire est couplé thermiquement audit troisième sous-circuit complémentaire, sans connexion hydraulique entre eux, par un deuxième échangeur de chaleur ;

le troisième sous-circuit complémentaire est couplé thermiquement audit quatrième sous-circuit complémentaire, sans connexion hydraulique entre eux, par un troisième échangeur de chaleur, et ;

ainsi de suite, le (n-Pnième sous-circuit complémentaire étant couplé thermiquement audit (nième) sous-circuit complémentaire, sans connexion hydraulique entre eux, par un (n-Pnième échangeur de chaleur.

Avantageusement les (n-1 ) échangeurs de chaleur sont des échangeurs à plaques.

De préférence, les fluides caloporteurs circulant dans tous les n sous-circuits complémentaires sont identiques et sont avantageusement constitués essentiellement d'eau sans glycol. Selon un mode de réalisation préféré, le réseau comporte une unité de gestion des températures dans les conduits qui constituent ledit circuit complémentaire de distribution d'énergie thermique appelé circuit anergie, cette unité comportant des moyens de contrôle et de commande pour assurer le maintien du liquide caloporteur à une température constamment supérieure à la température de congélation.

Avantageusement, ledit au moins un conduit, dans lequel circule ledit premier fluide caloporteur , comporte une première branche dudit conduit, raccordée audit point d'entrée, agencé pour prélever de l'énergie thermique à une température de prélèvement Ti dans une unité de production d'énergie thermique et une seconde branche dudit conduit raccordée audit point de sortie, agencé pour rejeter de l'énergie thermique, à une température de rejet T2, dans ladite unité de production d'énergie thermique.

Description sommaire des dessins

La présente invention et ses principaux avantages apparaîtront mieux dans la description d'un mode de réalisation préféré, en référence aux dessins annexés dans lesquels:

- la figure 1 est une vue schématique d'une forme de réalisation d'un réseau d'échange thermique selon l'invention, avec un seul conduit constituant le circuit principal, - la figure 2 est une variante de la figure 1 , qui représente une vue schématique du réseau d'échange thermique avec des sous-circuits complémentaires et un circuit principal sous forme de boucle de conduits, la figure 3 est une vue schématique d'un échangeur de chaleur à plaques pour interconnecter les sous-circuits complémentaires du réseau d'échange thermique selon l'invention, - la figure 4 illustre une vue schématique d'une unité de gestion des températures dans les conduits qui constituent les sous-circuits complémentaires, et - la figure 5 est une vue schématique partielle illustrant une forme de réalisation généralisée du réseau d'échange thermique selon l'invention. eilleure(s) manière(s) de réaliser l'invention

En référence à la figure 1 , le réseau d'échange d'énergie thermique 100 comporte au moins un circuit principal 110, qui véhicule un premier fluide caloporteur Ci. Le circuit principal 110 comporte, dans l'exemple représenté, un conduit unique 11 1 qui s'étend d'un point d'entrée 112 jusqu'à un point de sortie 1 13. Le circuit principal 110 est disposé dans une zone de stockage et/ou de déstockage d'énergie thermique 130 qui est constituée par la zone environnant le conduit 111 et qui est en mesure d'emmagasiner puis de restituer de l'énergie thermique, tant froide que chaude, véhiculée par le fluide caloporteur Ci circulant dans le conduit unique 111.

Dans ce but, et en vue de faciliter le stockage et/ou le déstockage d'énergie thermique, le conduit 1 1 1 est réalisé en un matériau thermiquement conducteur et peut être déposé directement en contact avec les matériaux dans une tranchée ou un canal ménagé dans le sol et comblé avec des matériaux de stockage thermique. En outre, le fluide caloporteur est porté à une température proche de la température moyenne du sol dans la zone de stockage et/ou de déstockage d'énergie thermique 130, afin que des échanges entre le fluide caloporteur Ci et le sol puissent s'effectuer rapidement et efficacement.

Selon la figure 1 , le circuit principal 1 10, composé par exemple du conduit 111 disposé entre le point d'entrée 1 12 et le point de sortie 1 13 qui sont localisés en des emplacements distincts d'une source ou réserve d'eau 140. notamment un cours d'eau ou un plan d'eau ou similaire. On notera que les points d'entrée 1 12 et de sortie 1 13 peuvent être couplés en direct avec la réserve d'eau 140 ou par l'intermédiaire d'échangeurs de chaleur, de telle sorte que le couplage entre la réserve d'eau 140 et le fluide caloporteur du conduit unique 1 1 1 est un couplage thermique sans échange hydraulique.

La zone de stockage et/ou de déstockage d'énergie thermique 130 contient au moins le circuit principal 1 10 avec son conduit 111. Il est configuré pour prélever de l'énergie thermique à son point d'entrée 1 12 et de libérer une partie de l'énergie thermique non utilisée, prélevée ou collectée dans sa zone de stockage et/ou de déstockage d'énergie thermique 130, à son point de sortie 1 13. L'énergie thermique véhiculée peut être emmagasinée directement par l'eau de la source d'eau 140 qui constitue alors un fluide caloporteur initial, appelé fluide caloporteur source Co dont la température peut évoluer en fonction de l'environnement, de sorte que le fluide caloporteur initial ou fluide source a des caractéristiques thermiques modifiées et devient le fluide caloporteur C1 , qui sert à approvisionner le réseau.

Selon un autre mode de réalisation, l'énergie thermique véhiculée peut être emmagasinée par un autre fluide caloporteur, notamment ledit premier fluide caloporteur Ci, contenu dans le conduit 1 11. Dans ce deuxième cas, illustré par la figure 2 le conduit 11 1 est remplacé par une boucle 1 1 1 ', avec un conduit aller 1 11 'a et un conduit de retour 11 1 'b, les points d'entrée 1 12 et de sortie 1 13 pourraient être équipés respectivement d'un échangeur de chaleur 112a et 113a, et le fluide caloporteur circulant dans la boucle 1 11 ', appelé C'1 , pourrait être différent du fluide caloporteur C1. Les autres composants du réseau 110 restent inchangés.

Une pluralité de circuits secondaires 150, affectés respectivement à au moins un, mais de préférence plusieurs utilisateurs 160 d'énergie thermique, sont greffés sur le circuit principal 1 10 par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur 170 qui a notamment pour fonction de séparer au moins tes flux des fluides caloporteurs respectifs Ci et C2 dans ledit circuit principal 1 10 et dans lesdits circuits secondaires 150 et d'interconnecter thermiquement les deux types de circuits.

En raison des pentes du terrain dans lequel sont posés tout ou partie des circuits secondaires 150, certains d'entre eux comportent, lorsque la pression finale dans le circuit est excessive, au moins deux sous-circuits 150a et 50b. Ceci est avantageusement le cas, lorsque la dénivellation du terrain sur lequel le circuit secondaire 150 est implanté est relativement importante, car l'effet consiste à limiter la pression du fluide caloporteur à l'intérieur des conduits des sous-circuits 150a et 150b. Le but qui est finalement recherché, est de réduire l'épaisseur des parois des conduits, leur poids et leur coût tout en réduisant les risques en cas de rupture des conduits. Dans ce cas, le sous- circuit 150a est couplé thermiquement avec le circuit principal 110 par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur 70 pour assurer un couplage thermique, sans aucun couplage hydraulique. De façon similaire, le sous- circuit 150b est couplé thermiquement avec le sous-circuit 150a par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur 170 pour assurer un couplage thermique, sans aucun couplage hydraulique. La pression totale dans chaque sous-circuit est effectivement celle qui règne dans le sous-circuit concerné et non la pression cumulée de plusieurs ou de la totalité des sous-circuits additionnés.

Les utilisateurs 160 sont avantageusement connectés individuellement aux circuits secondaires correspondants 150a, 150b, par l'intermédiaire d'une pompe à chaleur 161. La connexion de tous les utilisateurs 160 ou seulement de certains utilisateurs 160 au circuit secondaire correspondant 150 pourrait être effectuée par un échangeur de chaleur commun 170. De même, certaines pompes à chaleur 161 pourraient être communes à plusieurs utilisateurs. Une variante de réalisation est représentée schématiquement et partiellement par la figure 5 qui illustre, un réseau d'échange d'énergie thermique 100 qui comporte, comme précédemment, au moins un circuit principal 110 partant d'un générateur 400 d'énergie thermique, et comprenant au moins une boucle fermée 111' dans laquelle circule un fluide caloporteur Ci pour assurer le transport et la distribution d'énergie thermique. Ladite boucle fermée 111 ' est composée d'un conduit aller 411 ayant son entrée qui correspond à une sortie 400a du générateur 400 d'énergie thermique et qui véhicule le premier fluide caloporteur Ci, et un conduit de retour 412 ayant sa sortie qui correspond à une entrée 400b du générateur 400 d'énergie thermique et qui véhicule ledit premier fluide caloporteur Ci. Cette première partie du réseau d'échange thermique 100 peut être existante, sur un site équipé antérieurement, ou nouvelle, selon les modalités d'implantation ou en fonction de ressources disponibles à proximité des sites.

Une deuxième partie du réseau d'échange thermique 100 est composée d'un premier circuit secondaire 150a de distribution d'énergie thermique qui forme une boucle fermée 152a avec un conduit aller 153a et un conduit retour 154a. Le circuit secondaire 150a est par exemple agencé pour véhiculer un second fluide caloporteur Bi qui peut être identique ou différent dudit premier fluide caloporteur Ci du circuit principal 1 10'. Avantageusement le fluide caloporteur Bi qui circule dans le circuit seconda ire 150a est de l'eau, en l'occurrence de l'eau pure, sans glycol, pour des raisons de coût, des raisons de sécurité en cas de rupture accidentelle d'un conduit et des raisons écologiques.

D'une manière générale, ledit circuit secondaire 150a est raccordé au circuit principal 110 par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur 170a qui a notamment pour fonction de séparer les flux des fluides caloporteurs respectivement Ci et Bi dans ledit au moins un circuit principal 1 10' et dans ledit au moins un circuit secondaire 150a et d'interconnecter thermiquement ledit circuit principal 110' et le circuit secondaire 50a. Lorsque la dénivellation du terrain sur lequel le circuit secondaire 150a est implanté, est relativement importante, ledit circuit secondaire est décomposé en plusieurs sous-circuits complémentaires, respectivement 150a, 150b, 150c etc.... 150 n-1 , 150n, illustrés schématiquement par leurs zones d'implantation respectives 130a, 130b, 130c, etc.... 130n-1 et 130n. Une telle réalisation a pour effet de limiter la pression du fluide caloporteur à l'intérieur des conduits des circuits 1 11 et 1 13 correspondantes. L'objectif recherché est de réduire l'épaisseur des parois des conduits, leur poids et leur coût tout en réduisant les risques en cas de rupture. Dans ce cas, le sous-circuit 150a est couplé thermiquement avec le circuit principal 1 10' par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur 170a pour assurer un couplage thermique, sans aucun couplage hydraulique. De façon similaire, le sous-circuit 150b est couplé thermiquement avec le sous-circuit 150a par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur 170b pour assurer un couplage thermique, sans aucun couplage hydraulique et ainsi de suite pour les sous-circuits 150c etc....150n-1 , 50n qui sont tous interconnectés par des échangeurs de chaleurs 170c, etc....170n-1 , 170n. Les échangeurs de chaleur 170 sont de préférence des échangeurs à plaques 300, pourvus de deux circuits internes indépendants qui sont connectés sur des entrées et des sorties indépendantes, de préférence au moyen de vannes à deux ou trois voies, pour permettre la mise en court-circuit desdits échangeurs de chaleur 170.

Les utilisateurs consommateurs, sont raccordés sur les sous-circuits complémentaires, qui sont des circuits anergie, par l'intermédiaire d'une pompe à chaleur 161. Les raccordements aux sous-circuits complémentaires 150a ou 150b, etc.... s'effectuent en fonction des implantations des utilisateurs 160 dans les zones correspondant aux sous-circuits 150a, 150b et suivants.

Par ailleurs, on notera que le même réseau est en mesure de distribuer simultanément de l'énergie thermique chaude et de l'énergie thermique froide, prélevées sur le fluide caloporteur à basse température du réseau anergie, au moyen d'une pompe à chaleur. Avantageusement l'énergie thermique froide est destinée au rafraîchissement ou à l'approvisionnement de zones de froid dit positif, comme par exemple des caves à vin ou similaires. Diverses variantes pourraient être imaginées par l'homme de l'art, en ce qui concerne la réalisation et la disposition des conduits qui constituent le réseau, mais elles restent incluses dans les caractéristiques définies par les revendications. Le système décrit est a priori utilisé pour distribuer des calories en vue d'apporter de l'énergie thermique chaude aux consommateurs. Toutefois, en modifiant les paramètres, il serait envisageables de distribuer des calories négatives et de gérer un réseau de réfrigération. En outre, la consommation de chaleur et la consommation de froid peuvent être effectuées par le même réseau à condition de modifier les paramètres en fonction des besoins spécifiques des utilisateurs/consommateurs.