Etude du potentiel énergétique d'un réseau d'adduction d'eau

Study of a water supply system energy potential

• Auteur / Autrice : Gautier Hypolite
• Direction : Jean-Henry Ferrasse, Olivier Boutin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'environnement. Génie des procédés
• Date : Soutenance le 15/12/2021
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences de l'environnement (Aix-en-Provence)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique, Modélisation et Procédés Propres (M2P2) (Marseille, Aix-en-Provence)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Société du Canal de Provence
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Mazet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Serra, Sandrine Del Sole, Jean-François Cloarec
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Clausse, François Lanzetta

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chauffage géothermique

Pompes géothermiques

Énergie géothermique

Thermique

Mots clés libres

Énergie

Température des réseaux d’eau

Source de chaleur

Minimisation de la génération d’entropie

Optimisation des échangeurs de chaleur

Energy

Water network temperature

Heat source

Entropy generation minimization

Heat exchanger optimization

Résumé

Dans le but de réduire la consommation de combustibles fossiles pour la production de chaleur et de froid, différentes sources de chaleur peuvent être envisagées. Étant donné la quantité d’eau qu’ils transportent, les réseaux d’adduction d’eau peuvent jouer ce rôle et semblent avoir un potentiel thermique élevé. A ce jour, cette source n’a pas été utilisée car l’optimisation des équipements en fonction de la variabilité temporelle s’avère complexe. Un premier travail est d’évaluer l’énergie thermique disponible. Pour cela, un modèle permettant de déterminer l’évolution annuelle de la température et du débit dans le réseau a été développé. L’influence sur la température de l’eau de l’ajout de plusieurs échanges de chaleur sur le réseau est ensuite évaluée avec ce modèle. Une méthode a été développée pour optimiser le dimensionnement et l’emplacement des systèmes d’échange en régime dynamique. Cette méthode est basée sur la minimisation de la création d’entropie dans l’échangeur entre les conduites et les utilisateurs. Le comportement dynamique de l’échangeur est modélisé et la valeur de la création d’entropie, due à la différence de température et aux pertes de charge dans l’échangeur, est obtenue en fonctionnement transitoire. Cette valeur est utilisée comme fonction objectif pour l’optimisation. Les résultats basés sur le refroidissement d’un datacenter montrent que le gain d’entropie est important lorsque la taille optimale de l’échangeur de chaleur est choisie. L’utilisation du réseau d’eau brute connecté à une pompe à chaleur réversible a également été étudiée et permet d’obtenir un gain élevé par rapport à une pompe à chaleur à air

In order to reduce fossil fuels consumption for heating and cooling, different heat sources can be considered. Given the amount of water they carry, water supply systems can play this role and appear to have a high thermal potential. To date, this source has not been used: the main problem is to optimize the sizing of the equipment according to the temporal variability. A first task is to evaluate the available thermal energy. For this purpose, a model to determine the annual evolution of the temperature and the flow in the system has been developed. The impact on the water temperature of adding several heat exchanges to the network is then evaluated with this model. A method has been developed to optimize the sizing and location of the exchange systems. This method is based on minimizing the entropy generation in the heat exchanger between the water pipes and the users. The dynamic behavior of a simple heat exchanger between the network and the user is modeled. The value of entropy generation due to temperature difference and pressure drop in the exchanger is obtained in transient operation, this value is used as an objective function for the optimization. The results based on the cooling of a data center show that the entropy gain is significant when the optimal size of the heat exchanger is chosen. The use of the raw water network connected to a reversible heat pump for heating and cooling a building has also been studied and results in a high gain compared to an air source heat pump