FR2475702A1 - Thermal utilisation for underground reservoir - employs heat pump and solar collectors for heat storage during winter - Google Patents

Abstract

The underground reservoir (4) has a constant temperature of 15 deg.C and it is tapped at two points (2,3). In winter, water is drawn-off and passed through a heat pump where the upgraded heat is transferred to a heating circuit operating at 35/40 degrees C. The cooled reservoir water at 5 degrees C is returned to the reservoir where the bulk temperature gradually falls through the season. During summer, the flow is reversed and low temperature reservoir water is pumped through solar collectors and heated to between 10 and 25 degrees C to regenerate the reservoir. The spacing of the tappings is such that the boundary layer (9) does not reach the draw-off point.

Description

L'invention concerne un procédé d'exploitation saisonnière de la chaleur sensible naturelle d'une nappe aquifère au sein de laquelle on établit deux forages écartés, constituant un doublet, par l'un desquels, pris comme ressource de chaleur, on prélève pendant la saison d'exploitation l'eau de la nappe, dont on exploite alors la chaleur sensible, et par l'autre desquels on réinjecte simultanément l'eau thermiquement dégradée, procédé dans lequel on inverse hors de la saison d'exploitation le sens de prélévement et de réinjectior simultanée de l'eau de la nappe tout en la régénérant thermiquement. The invention relates to a process for the seasonal exploitation of the natural sensible heat of an aquifer within which two spaced boreholes are established, constituting a doublet, one of which, taken as a heat resource, is taken during the operating season groundwater, of which sensible heat is then exploited, and by the other of which the thermally degraded water is reinjected simultaneously, a process in which the direction of withdrawal is reversed outside of the operating season and simultaneous reinjection of the water from the aquifer while regenerating it thermally.

Dans ce qui suit la chaleur sensible exploitée concernera aussi bien le prélèvement de calories, c'est-à-dire un chauffage, que le prélèvement de frigories, c'est-à-dire la réfrigération. De cette façon on simplifiera l'exposé, dans lequel o supposera généralement qu'il est question de chauffage en hiver par utilisation de l'eau de la nappe à laquelle on prélèvera des calories et qu'il est question de régénération thermique de l'eau de la nappe en été. Bajs il va de soi que l'invention s'appliquerait tout aussi bien à la réfrigération par échauffement de l'eau de la nappe en e te et régénération thermique par refroidis- sement de l'eau en hiver. In what follows, the sensible heat used will concern both the removal of calories, that is to say heating, as well as the removal of frigories, that is to say refrigeration. In this way we will simplify the presentation, in which o will generally assume that it is a question of heating in winter by using water from the water from which calories will be taken and that it is a question of thermal regeneration of the groundwater in summer. Bajs it goes without saying that the invention would apply equally well to refrigeration by heating the water of the water table and thermal regeneration by cooling the water in winter.

On connais bien maintenant l'exploita- tion de scur@es géothermique par un doublet constitué par deux forages écartés. On sait également qu'un tel doublet n'a qu'une durée de vie limitée, qu'on s'efforce de régler par un espacement suffisant des forages et qui dans les réalisations ccnnues est de l'ordre de 30 ans. We now know well the exploitation of geothermal scur @ es by a doublet constituted by two spaced wells. It is also known that such a doublet has only a limited lifespan, which we strive to adjust by sufficient spacing of the boreholes and which in the embodiments is of the order of 30 years.

On a déjà proposé, par le brevet fran çais publié sous le N 2 241 047, d'utiliser une nappe aquifère pour y stocker en été de l'eau chaude réutilisable en hiver. Cette méthode permet c'utiliser une eau plus chaude que celle de la nappe dans son état naturel, mais certains inconvénients existent qui la rendent encore difficilement adaptable. It has already been proposed, by the French patent published under N 2 241 047, to use an aquifer to store there hot summer water reusable in winter. This method makes it possible to use water that is warmer than that of the water table in its natural state, but certain disadvantages exist which make it still difficult to adapt.

Si on stocke dans la nappe naturelle ment à 150C, par exemple, de l'eau à 60 C, la température va progressivement baisser au cours de la saison froide, au fur et à mesure du soutirage de Liteau. Cette température pourra varier par exemple de 550C à 30 O, température aux alentours de laquelle la chaleur sera difficilement exploitable à moins de rivoir des échangeurs ou pompes à chaleur dimensionnés en conséquence et donc inadaptés en début de dé stockage. If we store in the aquifer naturally at 150C, for example, water at 60 C, the temperature will gradually drop during the cold season, as and when Liteau is drawn off. This temperature may vary, for example, from 550 ° C. to 30 ° C., a temperature around which the heat will be difficult to exploit unless there are heat exchangers or heat pumps sized accordingly and therefore unsuitable at the start of storage.

Un autre inconvénient tient à ce ou'il faudra plusieurs cycles annuels de stockage et déstockage de chaleur pour mettre les terrains encaissants à température, et obtenir un régime thermique stabilisé, avec toutefois la décroissance de température ainsi qu'il vient d'etre dit. Another drawback is that it will take several annual cycles of heat storage and destocking to bring the surrounding land to temperature, and obtain a stabilized thermal regime, with however the decrease in temperature as has just been said.

Un tel dispositif nécessite en outre des conditions hydrogéologiques de profondeur, de vitesse d'écoulement de lteau de la nappe particulières sans lesquelles les taux de récupération de chaleur sont très bas, moins de 20% dans un essai de la demanderesse. Such a device also requires hydrogeological conditions of depth, of speed of flow of the water from the particular sheet without which the heat recovery rates are very low, less than 20% in a test by the applicant.

L'utilisation thermique des aquifères est plus aisée lorsqu'il s'agit, non plus de stockage, mais de l'exploitation de la chaleur sensible qu'ils contiennent naturellement. A ce -sujet, on connaît bien maintenant le procédé d'exploitation de ressources géothermiques par un doublet constitué de deux forages écartés. The thermal use of aquifers is easier when it is no longer a question of storage, but of the exploitation of the sensible heat which they naturally contain. On this subject, we now know well the process of exploiting geothermal resources by a doublet made up of two spaced boreholes.

Dans le cas d'une nappe où l'écoulement régional est faible, le doublet n'a qu'une durée de vie limitée ; l'écartement des puits est en général calculé de façon à ce que l'eau froide de réinjection n'atteigne le puits de production qu'au bout d'une période d'en général trente ans, après laquelle la puissance thermique du puits de production décroît.  In the case of an aquifer where regional flow is weak, the doublet has only a limited lifespan; the spacing of the wells is generally calculated so that the cold reinjection water does not reach the production well until after a period of generally thirty years, after which the thermal power of the well of production decreases.

Dans le cas d'une nappe à fort gradient d'écoulement, une judicieuse disposition des deux puits permet d'éviter tout retour des eaux froides au puits de production, mais il se développe toutefois une zone froide susceptible d'interdire une utilisation de meme nature à l'aval de l'écoulement. In the case of a tablecloth with a strong flow gradient, a judicious arrangement of the two wells makes it possible to avoid any return of cold water to the production well, but a cold zone develops, however, liable to prohibit the use of the same. nature downstream of the flow.

L'invention a pour but de pallier ces inconvénients, d'assurer la pérennité d'exploitation de la ressource aquifère, de limiter l'espacement entre les puits dans un rapport d'un à cinq environ par rapport aux doublets classiques et d'éviter la dégradation thermique du milieu aquifère. Il devra permettre d'exploiter une source de chaleur à température constante ou sensiblement constante, ce qui simplifiera les problèmes de régulation et permettra d'utiliser une source de régénération de type solaire à très basse température, inférieure à l'ambiante, sans pertes par échanges thermiques au sein du milieu poreux aquifère. The invention aims to overcome these drawbacks, to ensure the sustainability of the aquifer resource, to limit the spacing between wells in a ratio of about one to five compared to conventional doublets and to avoid thermal degradation of the aquifer. It should make it possible to exploit a heat source at constant or substantially constant temperature, which will simplify the regulation problems and will make it possible to use a regeneration source of the solar type at very low temperature, below ambient, without losses by heat exchanges within the porous aquifer.

Les buts de l'invention sont atteints par un procédé du type décrit au début, grâce au fait qu'on règle la température de régénération thermique de l'eau à une valeur ne s'écartant pas de la température naturelle de la pappe de plus de +10 à -2 C, de préférence +5 à -0 C, pour une ressource de chauffage et de -10 à +20C, de préJé- rence -5 à +0 C pour une ressource de réfrigération. The objects of the invention are achieved by a method of the type described at the start, by virtue of the fact that the temperature of thermal regeneration of the water is adjusted to a value which does not deviate from the natural temperature of the pappe more from +10 to -2 C, preferably +5 to -0 C, for a heating resource and from -10 to + 20C, preferably -5 to +0 C for a cooling resource.

Si l'aquifère utilisé est la nappe phréatique, il sera donc généralement à une température de 10 à 1500 ce qui nécessitera que le prélèvement de chaleur soit fait au moyen d'une pompe à chaleur, comme il est con- nu en soi, laquelle aura l'avantage de marcher à source froide à température constante. If the aquifer used is the water table, it will therefore generally be at a temperature of 10 to 1500 which will require that the heat extraction be done by means of a heat pump, as it is known per se, which will have the advantage of walking at a cold source at constant temperature.

Dans tous les cas, il est préférable, selon l'invention, que la régénération de l'eau soit obtenue par un capteur solaire du type à très basse température, c'est-à-dire à celle de régénération de l'eau à réinjecter dans l'aquifère. On pourra donc utiliser des capteurs très bon marché sans vitrage et à haut rendement puisque, même par soleil voilé, ils produiront des calories du fait qu'ils sont alimentés par de l'eau froide à une température inférieure à l'ambiante. Finalement on pourra capter l'énergie solaire à très basse puissance. In all cases, it is preferable, according to the invention, that the regeneration of the water is obtained by a solar collector of the very low temperature type, that is to say that of the regeneration of the water at reinject into the aquifer. We can therefore use very cheap sensors without glazing and high efficiency since, even in hazy sun, they will produce calories because they are supplied with cold water at a temperature below ambient. Finally we will be able to capture solar energy at very low power.

D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui sera donnée ci-après uniquement à titre d'exemple d'un mode de réalisation de l'invention. On se reportera à cet effet au dessin annexé dans lequel :
- la figure 1 représente schématiquement un doublet avec son schéma de fonctionnement en hiver pour le chauffage de locaux,
- la figure 2 représente schématiquement le même doublet avec son schéma de fonctionnement en été pour la régénération de la ressource par énergie so laire. Other characteristics and advantages will emerge from the description which will be given below solely by way of example of an embodiment of the invention. For this purpose, reference is made to the appended drawing in which:
FIG. 1 schematically represents a doublet with its operating diagram in winter for space heating,
- Figure 2 shows schematically the same doublet with its operating scheme in summer for the regeneration of the resource by solar energy.

Sous le niveau 1 du sol, on fore deux sondages 2 et 3 verticaux espacés et débouchant tous deux dans une mêfne nappe aquifère 4 située à 30 m de profondeur ayant une épaisseur de 10 m et dont la température naturelle est de 150C. En hiver, le forage 2 est pris comme ressource de chaleur à sa température de 15 C. l'eau en est prélevée par une pompe 5 et est envoyée à la source froide d'une pompe à chaleur d'un ensemble thermique 6 comportant une pompe à chaleur et un échangeur pour un circuit 7 d'eau de chauffage arrivant à 350C et en repartant à 40 C. Pans la pompe à chaleur on a abaissé la température de l'eau prélevée dans la nappe à 50C. C'est à cette température qu'elle est injectée dans le forage 3 où elle crée une zone 8 d'eau thermiquement dégradée, ou "poche" dont le front 9 s'étend durant l'hiver. Une distance de 150 m entre les deux forages convient pour un prélèvement annuel de 120 000 m3 nécessaires. à 200 logements environ en région parisienne et réglementairement isolés pour éviter la dégradation thermique de l'eau prélevée au forage 2. Cette distance pourra être modifiée en fonction des conditions locales et de la quantité d'énergie thermique à prélever chaque année. Below level 1 of the ground, two vertical boreholes 2 and 3 are drilled, spaced out and both emerging in a same aquifer 4 located 30 m deep with a thickness of 10 m and whose natural temperature is 150C. In winter, borehole 2 is taken as a heat resource at its temperature of 15 C. the water is removed by a pump 5 and is sent to the cold source of a heat pump of a thermal assembly 6 comprising a heat pump and an exchanger for a circuit 7 of heating water arriving at 350C and leaving at 40 C. In the heat pump, the temperature of the water taken from the water table was lowered to 50C. It is at this temperature that it is injected into the borehole 3 where it creates a zone 8 of thermally degraded water, or "pocket" whose front 9 extends during the winter. A distance of 150 m between the two boreholes is suitable for an annual withdrawal of 120,000 m3 required. to around 200 homes in the Paris region and legally isolated to avoid thermal degradation of the water taken from borehole 2. This distance may be modified depending on local conditions and the amount of thermal energy to be taken each year.

On voit bien que, pendanttout l'hiver, la source froide de la pompe à chaleur sera réellement à température constante, soit ici 1500. It is clear that, throughout the winter, the cold source of the heat pump will actually be at constant temperature, here 1500.

En été, on régénèrera la ressource du sondage 2 en inversant le sens de pompage du circuit, c'est- à-dire en soutirant l'eau à 5 C du forage 3 pour la faire passer, par un jeu de vannes, dans des capteurs solaires 10 à tres basse température, où on ne l'échauffera pas de plus de 1000 pour la restituer dans le sondage 4 à sa température naturelle de 15 C ou à une température très voisine, par exemple 13 à 25 C, ou plutôt 15 à 200C, mais au plus près possible de 150C. Lorsqu'on régénère l'eau, le front froid 9' de la "poche" 8 recule comme il est indiqué à la figure 2.  In summer, we will regenerate the borehole resource 2 by reversing the pumping direction of the circuit, that is to say by drawing water at 5 C from borehole 3 to pass it, through a set of valves, through solar collectors 10 at very low temperature, where it will not be heated by more than 1000 to restore it in borehole 4 at its natural temperature of 15 C or at a very similar temperature, for example 13 to 25 C, or rather 15 at 200C, but as close as possible to 150C. When the water is regenerated, the cold front 9 ′ of the “pocket” 8 moves back as shown in FIG. 2.

Claims (3)

REVENDICADIONS 1) Procédé d'exploitation saisonnière de la chaleur sensible naturelle d'une nappe aquifère au sein de laquelle on établit deux forages écartés, constituant un doublet, par l'un desquels, pris comme ressource de chaleur, on prélève pendant la saison d'exploitation l'eau de la nappe, dont on exploite alors la chaleur sensible, et par l'autre desquels on réinjecte simultanément l'eau thermiquement dégradée, procédé dans lequel on inverse hors de la saison d'exploitation le sens de prélèvement et de réinjection simultanée de l'eau de la nappe tout en la régénérant thermiquement, caractérisé en ce qu'on règle la température de régénération thermique de l'eau à une valeur ne s'écartant pas de la température naturelle de la nappe aquifère de plus de +10 à -20C, pour une ressource de chauffage, et de -10 à +20C, pour une ressource de réfrigé ration.  1) Process for the seasonal exploitation of the natural sensible heat of an aquifer within which two separate wells are established, constituting a doublet, one of which, taken as a heat resource, is taken during the season of exploitation of the groundwater, of which the sensible heat is then exploited, and by the other of which the thermally degraded water is reinjected simultaneously, a process in which the direction of withdrawal and reinjection is reversed out of the operating season simultaneous aquifer water while thermally regenerating it, characterized in that the temperature of the thermal regeneration of the water is adjusted to a value which does not deviate from the natural temperature of the aquifer by more than + 10 to -20C, for a heating resource, and from -10 to + 20C, for a refrigeration resource. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on règle la température de régénération thermique de l'eau à une valeur ne s'écartant pas de la température naturelle de la nappe aquifère de plus de +5 à -0 C, pour une ressource de chauffage, et de -5 à iOOC pour une ressource de réfrigération. 2) Method according to claim 1, characterized in that the temperature of thermal regeneration of the water is adjusted to a value not deviating from the natural temperature of the aquifer by more than +5 to -0 C, for a heating resource, and from -5 to iOOC for a refrigeration resource. 3) Procédé selon la revendication 1, dans lequel la régénération de l'eau est-obtenue par le moyen d'un capteur solaire, caractérisé en ce que le capteur est du type à très basse température.  3) Process according to claim 1, wherein the regeneration of the water is obtained by means of a solar collector, characterized in that the collector is of the very low temperature type.