Modélisation pour l'aide à la conception de nouvelles architectures de réseaux de chaleur et de froid

Modelling to support design of new heating & cooling district networks

• Auteur / Autrice : Rémi Patureau
• Direction : Pascal Stabat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et génie des procédés
• Date : Soutenance le 24/01/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Efficacité Énergétique des Systèmes. Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Lacarrière
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Stabat, Pierre Dewallef, Jean-Michel Reneaume, Sihem Guernouti, Eric Peirano, Valentin Gavan, Cong-Toan Tran
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pierre Dewallef, Jean-Michel Reneaume

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert d'énergie sans fil

Énergie -- Stockage

Mots clés libres

Performance énergétique

Modélisation

Réseau thermiques de 4ème et 5ème génération

Boucle tempérée

Dimensionnement

Typologie de quartiers

Energy performance

Modelling

4th and 5th generation district thermal networks

Ambient loop district networks

Sizing

Typology of districts

Résumé

Dans un contexte de fort développement des réseaux de chaleur et de froid, la question du choix des architectures se pose. Les réseaux sont depuis quelques années en pleine mutation avec la multiplication des sources d’énergies mobilisables liée à la diminution des températures à fournir, la décentralisation des moyens de production, la possibilité de stockage… Parmi les différentes architectures de réseaux récemment développées, il est aujourd’hui difficile d’affirmer laquelle est la plus adaptée pour un quartier donné. Dans cette thèse, tout d’abord une typologie de quartiers orientée réseaux de chaleur et de froid est proposée afin de différencier les profils de besoins auxquels les réseaux doivent répondre. Une étude du potentiel de développement des réseaux thermiques en France en découle.Ensuite, la simulation dynamique des réseaux est présentée comme solution pour comparer les performances énergétiques des architectures. Les hypothèses de modélisation et choix de modèles sont discutés. Une comparaison est réalisée entre deux architectures de réseaux de chaleur et de froid de nouvelle génération, inspirées de cas réels, l’une avec une production d’énergie centralisée, l’autre avec une production décentralisée à proximité d’îlots de bâtiments. Différentes configurations de systèmes de distribution dans les bâtiments sont étudiées montrant leur impact sur la performance énergétique des architectures. Enfin, les avantages et les limites de modélisation pour l'aide à la conception des réseaux sont discutées.

In a context of rapid growth in district heating and cooling networks, the choice of architectures is an important issue. The networks have been evolving over the last few years with the multiplication of the energy sources that can be supplied due to the decrease of the temperatures to be delivered, the decentralization of the means of production, the storage possibility... Out of the various network architectures that have been developed recently, it is nowadays quite challenging to assert which one is the most adapted for a given district. In this thesis, firstly, a typology of districts geared towards heating and cooling networks is defined in order to differentiate the profiles of needs that the networks must meet. A study of the potential for the development of thermal networks in France results from this typology. Then, the dynamic simulation of networks is presented as a solution to compare the energy performance of the architectures. Modelling assumptions and model choices are discussed. A comparison is performed between two architectures of new generation district heating and cooling networks, derived from real cases, one with a centralized energy production, the other one with a decentralized production located near blocks of buildings. Different configurations of distribution systems in buildings are considered, demonstrating their impact on the energy performance of the architectures. Finally, the advantages and limitations of modelling for network design support are discussed.