Modélisation des réseaux de chaleur
Cette page décrit la manière dont sont modélisés les réseaux de chaleur dans les modèles du coeur de calcul de PowerDIS, DiMoSim, et la manière dont ils sont représentés dans PowerDIS. Dans la version actuelle, seuls les réseaux de chaleur 2 tubes sont disponibles dans le logiciel.
Tracé optimal du réseau
Les réseaux de chaleur sont tracés dans PowerDIS à partir d’une proposition de chemins possibles indiqués par l’utilisateur. Ces chemins possibles peuvent par exemple être des routes existantes, mais il peut également s’agir de n’importe quel passage indiqué par l’utilisateur (par exemple la traversée d’un espace public).
PowerDIS propose ensuite un tracé optimal du réseau de chaleur en fonction de la position :
de la chaufferie du réseau de chaleur ;
des bâtiments pourvus de sous-stations de réseau de chaleur ;
des chemins possibles proposés par l’utilisateur.
Des matrices de longueur de réseau et de débit sont créées à partir de ces éléments, et le tracé du réseau est réalisé en suivant une méthode du spanning tree qui se compose des étapes suivantes (cf. figure ci-dessous) :
Les routes, bâtiments et centrales de production sont définies géométriquement à partir des informations renseignées par l’utilisateur.
Le réseau initial de route est discrétisé afin de créer des nœuds intermédiaires de raccordement des bâtiments. Les connexions entre les sous-stations des bâtiments et le réseau principal sont créés en prenant les points les plus proches du graphe de réseau.
Les nœuds situés entre deux branches du graphique de réseau sont supprimés afin de réduire le nombre de sections du réseau au minimum nécessaire pour simplifier la visualisation. Cependant, toutes les longueurs des tubes sont conservées pour la simulation.
Une méthode de minimum spanning tree est appliquée sur le réseau résultant afin de conserver uniquement le réseau raccordant toutes les sous-stations et la chaufferie du réseau avec une longueur totale minimale.
Etapes de l’optimisation du tracé de réseau de chaleur dans PowerDIS. Source : CSTB.
Dimensionnement et simulation du réseau de distribution
Avant toute simulation, les tuyaux sont dimensionnés à partir d’équations de transfert thermique et hydraulique en prenant les demandes de chauffage nominales des bâtiments connectés ainsi qu’une vitesse maximale dans les tuyaux. Le dimensionnement s’effectue par la génération de 4 matrices : matrice des débits nominaux, des diamètres des tuyaux, des facteurs de pertes UA et des masses thermiques.
La matrice des débits est calculée à partir des débits nominaux de chaque sous-station de bâtiment raccordé au réseau de chaleur, de la sous-station la plus éloignée jusqu’à la chaufferie du réseau.
Les diamètres et sections sont calculés à partir du débit nominal et de la vitesse maximale du fluide autorisée dans le réseau (0,67 m/s par défaut). Une épaisseur d’isolant égale à la moitié du diamètre + 1 cm est utilisée pour les canalisations. La matrice des masses thermiques est calculée à partir des diamètres et de la longueur des tuyaux selon l’équation suivante :
Avec D la matrice des diamètres et L_matrix la matrice des longueurs de tuyau.
Les coefficients de pertes thermiques sont calculés pour chacune des portions du réseau afin d’évaluer la matrice des pertes thermiques. Ces coefficients doivent prendre en compte plusieurs phénomènes, notamment la résistance liée au sol, celle à l’isolation des tuyaux, à la rugosité des tuyaux et aux matériaux de ceux-ci.
Pour le dimensionnement en pression, une perte de charge linéique maximale de 50 Pa/m est considérée, et est associée à un coefficient de pertes de charge singulière de 0,75. PowerDIS recherche alors le diamètre le plus faible pour chaque branche du réseau permettant de rester en dessous de la contrainte de 50 Pa/m. Le matériau utilisé par défaut est de l’acier.
Fonctionnement des sous-stations
Les sous-stations sont modélisées par un échangeur idéal : elles transfèrent la température du réseau au bâtiment dans la limite de la température maximale pouvant être reçue par les émetteurs du bâtiment. La température de retour des sous-stations dans le réseau est ensuite calculée à partir de la température l’eau au retour dans le bâtiment.
Fonctionnement de la chaufferie
La chaufferie peut être dimensionnée de deux manières par les utilisateurs de PowerDIS :
En absolu : l’utilisateur renseigne la puissance nominale de chaque moyen de production de la chaufferie ;
En relatif : l’utilisateur renseigne un pourcentage de la puissance maximale appelée par les bâtiments (en chauffage, ECS ou chauffage + ECS selon les usages des bâtiments raccordés au réseau).
Le fonctionnement de la chaufferie est ensuite simulée au pas horaire, avec la contrainte de répondre aux besoins des bâtiments raccordés en tenant compte des pertes thermiques du réseau. Les consommations électriques des pompes auxiliaires sont également calculées et indiquées à l’utilisateur dans les résultats. La température de retour du réseau est calculée en fonction de la quantité d’énergie fournie à chacun des bâtiments et les pertes thermiques le long du réseau de distribution.
Sources
[1] : GARREAU, Enora. « Développement d’une méthodologie d’analyse de la parcimonie pour la simulation énergétique urbaine », thèse de doctorat en Energétique et Génie des procédés, sous la direction de Dominique MARCHIO, Paris, Université PSL, 2021, 380 p.
[2] : P. Riederer, V. Partenay, N. Perez, C. Nocito, R. Trigance, T. Guiot, Development Of A Simulation Platform For The Evaluation Of District Energy System Performances, in: Proceedings of BS2015: 14th Conference of International Building Performance Simulation Association, Hyderabad, India, 2015, pp. 2499-2506.