ECHANGEUR AÉROTHERMIQUE À ENTRAÎNEMENT D'AIR INTÉGRÉ POUR OUVRAGES SOUTERRAINS

Abstract

 La valorisation de l'énergie fatale de processus technologiques (datacenters) et industriels (machines-outils) ou d'énergie (batteries) représente un défi et une opportunité dans un contexte d'économie d'énergie et d'efficacité énergétique. En espaces souterrains (tunnels, puits et cavernes) l'intégration de tubes échangeurs dans les éléments constructifs des ouvrages représente une manière peu encombrante d'échanger la chaleur de l'air ambiant vers un fluide caloporteur. Dans ce contexte, la mise en place d'un élément de parement préfabriqué faisant office d'échangeur et dissocié du soutènement de l'ouvrage permet (I) de faciliter la mise en œuvre quelle que soit la méthode constructive du tunnel ou de la caverne, (2) de capter majoritairement la chaleur fatale aérothermique indépendamment d'une éventuelle opération géothermique et (3) d'entrainer un flux d'air naturel (i.e. non forcé) dans l'espace intermédiaire afin de maximiser le captage au niveau du parement et de minimiser ainsi les besoins de ventilation mécanique à l'échelle de l'ouvrage.

Description

1 Introduction

1.1 Problème technique

[0001] La valorisation de l'énergie fatale de processus technologiques (datacenters) et industriels (machinesoutils) ou d'énergie (batteries) représente un défi et une opportunité dans un contexte d'économie d'énergie et d'efficacité énergétique. En espaces souterrains (tunnels, puits et cavernes) l'intégration de tubes échangeurs dans les éléments constructifs des ouvrages représente une manière peu encombrante d'échanger la chaleur de l'air ambiant vers un fluide caloporteur. Toutefois, cette intégration souffre de plusieurs inconvénients. D'une part, d'un point de vue constructif, la mise en place de ces tubes est problématique quelle que soit la méthode de creusement :

∘ dans le cas d'une excavation conventionnelle, le temps important et les difficultés de mise en œuvre d'une solution de captage d'énergie fatale péjorent fortement les coûts et les délais. En outre l'intégrité du tube est mise en danger lors des différentes phases d'exécution ;

∘ dans le cas d'une excavation mécanisée (tunnelier), la mise en œuvre d'un échangeur de chaleur requière de prévoir des voussoirs, même dans les cas où ceci ne serait pas nécessaire d'un point de vue structurel.

[0002] D'autre part, d'un point de vue énergétique, en l'absence d'un échange convectif important (assuré par les trains, respectivement les véhicules dans les tunnels de métros, ferroviaires ou routiers), la pose de tubes échangeurs directement en contact avec le terrain ne permet pas de capter efficacement la chaleur fatale car l'échange thermique aura lieu majoritairement avec le terrain dont la conductivité est bien supérieure à celle de l'air (facteur I00).

[0003] Enfin, le dimensionnement de la ventilation est systématiquement dissocié du dimensionnement thermique, ce qui ne prend pas en compte les flux convectifs naturels induits par ces systèmes d'échangeurs de chaleur. Ce manquement entraîne une surconsommation d'énergie pour assurer la ventilation mécanique.

1.2 Solution

[0004] Pour pallier à ces limitations, la mise en place d'un élément de parement préfabriqué faisant office d'échangeur et dissocié du soutènement de l'ouvrage permet (I) de faciliter la mise en œuvre quelle que soit la méthode constructive du tunnel ou de la caverne, (2) de capter majoritairement la chaleur fatale aérothermique indépendamment d'une éventuelle opération géothermique et (3) d'entrainer un flux d'air naturel (i.e. non forcé) dans l'espace intermédiaire afin de maximiser le captage au niveau du parement et de minimiser ainsi les besoins de ventilation mécanique à l'échelle de l'ouvrage.

2 Description de l'invention

[0005] D'un point de vue constructif, la dimension du parement préfabriqué est adaptée au gabarit de l'ouvrage souterrain. Le parement comporte des renforts pour assurer une rigidité lors du transport et faciliter la pose contre l'intrados du revêtement.

[0006] En outre, d'un point de vue énergétique, la mise en place d'un élément de parement préfabriqué et la création d'un espace d'air entre le parement et le revêtement permettent de prendre en compte les caractéristiques thermiques fortement différenciées entre l'air et la roche, et ainsi de capter essentiellement la chaleur fatale aérothermique, indépendamment d'une éventuelle opération géothermique.

[0007] L'élément de parement intègre des ouvertures en partie basse et haute afin d'assurer l'amenée et l'évacuation d'air de l'espace intermédiaire. L'air chaud émis dans la caverne entre dans l'espace intermédiaire via les ouvertures en partie haute puis circule le long de l'élément en se refroidissant au contact de ce dernier, avant d'alimenter de nouveau la caverne par les ouvertures en partie basse. L'extraction de l'énergie dans l'air s'effectue des deux côtés du parement.

[0008] La pose d'un parement appuyé contre le revêtement et la création d'un espace d'air intermédiaire permettent de créer des cheminées inclinées et d'induire une ventilation naturelle dans l'ouvrage, afin de diminuer (voire de supprimer) le recours à la ventilation mécanique nécessaire au renouvellement de l'air. Cette inclination des cheminées est réalisée à l'aide des renforts dans la partie extrados du parement, lesquels donnent un cheminement hélicoïdal à la couche d'air pour induire un mouvement d'air transversal et longitudinal dans l'espace souterrain (effet d'hélice, illustré à la Figure 2).

[0009] Le système de fixation par tige de butée permet d'ajuster la distance du parement au soutènement de l'ouvrage et garantit la tolérance de pose. Par ailleurs un rebord d'appuis permet d'assurer une mise en place facilitée.

[0010] Afin d'assurer l'étanchéité d'air entre les cheminées ainsi que la maîtrise de la conductivité thermique entre le revêtement et le parement (pontage thermique), un élément gonflable de très faible conductivité thermique est intégré aux renforts lors de la fabrication. Cet élément permet d'épouser la forme du revêtement de l'ouvrage, irrégulière, sans créer un pontage thermique entre le parement et le revêtement de l'ouvrage. Les caractéristiques thermiques et de mise sous pression de cet élément sont déterminées en fonction des conditions d'exploitation de chaque ouvrage souterrain. Une fois gonflé cet élément permet aussi le report de charge (poids propre) sur le revêtement.

[0011] L'utilisation de matériaux à forte conductivité pour la réalisation du parement assure l'efficacité de l'échange thermique. La disposition (diamètre, espacement) des tubes échangeurs du parement est adaptée à l'usage de l'ouvrage souterrain et aux dégagements de chaleur associés. Chaque élément de parement est raccordé à une conduite principale froide (aller) et chaude (retour). Ce système d'échangeurs peut être raccordé à un réseau de chaleur en surface pour l'alimentation, ainsi qu'à un réseau de stockage géothermique dans le terrain autour de l'ouvrage.

[0012] Ce système peut également être connecté aux équipements de ventilation mécanique grâce à l'intégration de capteurs de chaleur (câbles à fibres optiques) intégrés au parement lors de sa fabrication.

Revendications

1. Dispositif d'échange aérothermique pour ouvrages souterrains, comportant un parement préfabriqué non structurel placé en avant du soutènement de l'ouvrage, (un tunnel ou une caverne).

2. Dispositif d'échange selon la revendication I, caractérisé en ce que le matériau du parement a un coefficient de conductivité thermique supérieur à I W/(mK).

3. Dispositif d'échange selon la revendication I, caractérisé en ce que le parement intègre des tubes échangeurs en serpentin dont le matériau et la disposition (diamètre, espacement) est adaptée à la puissance de rafraichissement nécessaire.

4. Dispositif d'échange selon la revendication I, caractérisé par la création d'un espace d'air intermédiaire entre le parement et le soutènement.

5. Dispositif d'échange selon la revendication I, caractérisé en ce que le parement intègre des ouvertures en parties haute et basse.

6. Dispositif d'échange selon la revendication I, caractérisé par l'utilisation des renforts (excroissances sur l'extrados du parement) comme mur de compartimentage de l'air afin de créer des cheminées.

7. Dispositif d'échange selon la revendication I, caractérisé par l'inclinaison des cheminées entre 10° et 45° de la verticale et le recouvrement entre renfort de chaque panneau de parement pour assurer la continuité entre cheminées.

8. Dispositif d'échange selon la revendication I, caractérisé en ce que le parement intègre des capteurs de chaleur en fibre optique couplés entre parements.

9. Dispositif d'échange selon la revendication I, caractérisé en ce qu'un système de branchement d'échangeur géothermique (extraction, stockage dans le terrain) est possible.

Dessins