Pertes de chaleur et simulation
L'outil Simuler le fonctionnement du réseau est la principale étape de calcul d'une étude TESSA. Il prend un réseau entièrement dimensionné, un quartier renseigné avec ses courbes de charge et un ensemble de sources de chaleur, et produit le bilan horaire de l'offre et de la demande, à partir duquel les coûts, les émissions de CO₂ et les heures de pleine charge sont dérivés.
Cette page explique ce que la simulation calcule et pourquoi chaque étape est ordonnée de cette manière. Pour l'étape de dimensionnement qui doit être exécutée en premier, voir Dimensionnement du réseau et hydraulique. Pour la manière dont les sources sont réparties lorsqu'il y en a plusieurs, voir Sources multiples et allocation.
Prérequis
Avant de lancer la simulation, trois éléments doivent être en place :
- Le quartier doit disposer d'une courbe de charge horaire (générée par l'outil « Simuler les courbes de charge des bâtiments » — 8760 valeurs horaires).
- Tous les diamètres de conduites doivent être définis (exécutez d'abord « Dimensionner les tuyaux »).
- Le réseau doit comporter au moins une centrale d'énergie, une conduite et une sous-station de bâtiment connectée.
Lancer la simulation sans que ces éléments soient en place produira des résultats manquants ou nuls pour les champs qui en dépendent.
Les trois étapes séquentielles
La simulation exécute trois étapes dans l'ordre :
Chaque étape alimente la suivante : la distribution de chaleur produit les débits massiques nécessaires à la résolution hydraulique ; l'étape d'altitude ajoute la contribution de la hauteur statique avant le dimensionnement des pompes.
Étape 1 : Distribution de la chaleur
Entrées
L'étape de distribution de la chaleur s'appuie sur :
- La courbe de charge horaire agrégée du quartier (8760 h, kW par heure)
- Les températures de départ et de retour du fluide caloporteur du réseau
- Le type de sous-station à chaque raccordement de bâtiment
- Les diamètres de conduites issus de l'étape de dimensionnement
Modèles de sous-station
Chaque sous-station de bâtiment transfère la chaleur du réseau vers le bâtiment selon son type.
Les sous-stations directes et les sous-stations à échangeur de chaleur sont traitées de façon identique dans le modèle de distribution :
- Chaleur délivrée = demande annuelle du bâtiment ×
hx_efficiency(le rendement de l'échangeur de chaleur ; 1.0 pour les raccordements directs) - Puissance de pointe à la sous-station = puissance de pointe du bâtiment
Les sous-stations à pompe à chaleur de reprise (BHP) fonctionnent différemment. Le réseau transporte un fluide froid ; la BHP située au bâtiment extrait la chaleur de cette boucle et la relève à la température requise par le bâtiment :
- Le COP de la BHP est calculé à partir de la température de départ du réseau (T_source) et de la température de fourniture requise par le bâtiment (T_delivery) :
$\(\text{COP} = \eta_\text{Carnot} \cdot \frac{T_\text{delivery}}{T_\text{delivery} - T_\text{source}}\)$
où η_Carnot est le rendement de la pompe à chaleur par rapport au cycle de Carnot (généralement 0.4–0.5).
- La consommation d'électricité de la BHP est suivie séparément et ajoutée aux coûts d'exploitation et aux émissions de CO₂ du bâtiment.
- La boucle froide ne voit que la chaleur extraite côté sol, et non la demande totale du bâtiment — c'est ce que le réseau et ses conduites doivent transporter.
Répartition entre les sources
Une fois les demandes des bâtiments connues à chaque heure, la simulation appelle le répartiteur par ordre de mérite pour allouer la charge aux sources de chaque centrale d'énergie. Le processus est décrit en détail dans Sources multiples et allocation ; en résumé :
- Les sources sont sollicitées par ordre croissant à chaque pas de temps horaire jusqu'à ce que la demande nette de cette centrale d'énergie soit satisfaite.
- Si la capacité installée totale est insuffisante pour couvrir la demande de pointe, TESSA ajoute automatiquement une « Residual Load Source » virtuelle à la première centrale d'énergie afin de suivre le déficit. C'est un signal indiquant à l'utilisateur qu'une capacité supplémentaire doit être ajoutée ; la source résiduelle doit être remplacée par un équipement réel avant la finalisation de l'étude.
La production horaire de chaque source est enregistrée ; champs de résultats écrits par source :
| Champ | Description |
|---|---|
rated_power_useful |
Capacité installée délivrant de la chaleur au réseau (kW) |
rated_power_final |
Consommation d'énergie finale correspondante (kW, après rendement) |
annual_energy_useful |
Chaleur annuelle délivrée au réseau (kWh) |
annual_energy_final |
Combustible ou électricité annuel consommé (kWh) |
full_load_hours |
Heures équivalentes de pleine charge = annual_energy_useful / rated_power_useful |
Modèle de pertes de chaleur
Les conduites du réseau perdent de la chaleur au profit du sol environnant. TESSA utilise par défaut un modèle proportionnel simple :
où l_loss_km est la fraction de perte par km (par défaut 0.04, soit 4 % par km), P_transported est la puissance thermique circulant dans le segment, et L_km est la longueur du segment en km. Cette valeur est dérivée de la littérature publiée pour les conduites de chauffage à distance pré-isolées.
La perte de chaleur est fixée à zéro pour :
- Les réseaux de refroidissement — les températures du fluide sont proches de la température du sol, de sorte que l'échange net de chaleur est négligeable.
- Les réseaux combinés de chauffage et de refroidissement — pour la même raison ; la chaleur injectée en mode refroidissement compense approximativement la perte du mode chauffage à ces niveaux de température.
Répartition saisonnière des pertes
La perte de chaleur annuelle est répartie sur les 8760 heures à l'aide d'un modèle horaire saisonnier de pertes. Ce modèle s'appuie sur le retour d'expérience du réseau de chauffage à distance genevois CADSIG-CADIOM et reflète le fait que les pertes sont plus élevées en hiver (lorsque la différence de température entre la conduite et le sol est la plus grande) et plus faibles en été. La courbe de pertes horaire qui en résulte est ajoutée à la courbe de demande du quartier avant la répartition entre les sources.
La courbe de demande du réseau
Une fois les pertes prises en compte, la courbe de demande du réseau est assemblée pour chaque heure :
Les demandes de refroidissement sont soustraites car elles représentent de la chaleur extraite du côté retour du réseau — elles réduisent la chaleur nette que les sources doivent fournir. Le résultat est la série temporelle p_with_loss_kw (8760 valeurs) stockée sur le réseau.
Lissage journalier de la charge au niveau du réseau
Lorsque le rapport trace la courbe monotone de charge pour dimensionner la capacité de production, TESSA remplace d'abord la demande de chaque heure par la demande moyenne de cette journée. L'hypothèse est que les bâtiments ont une inertie thermique importante (murs, planchers, ballons d'eau chaude) qui permet de décaler leur demande de chaleur au cours d'une journée sans affecter le confort. Le réseau subit donc la charge moyenne journalière plutôt que de brèves pointes horaires, ce qui abaisse la pointe de dimensionnement que les sources doivent couvrir.
C'est l'une des raisons pour lesquelles la puissance de pointe indiquée sur les graphiques du réseau est inférieure à la pointe de la courbe brute de demande des bâtiments. L'explication complète — incluant l'effet de la mise à l'échelle sur les seuls bâtiments connectés et les différentes résolutions temporelles utilisées par chaque graphique — figure dans Vue d'ensemble du rapport → Comprendre les courbes de charge.
Modèle détaillé de résistance thermique
Un modèle de pertes de chaleur plus détaillé, mettant en œuvre la section 7.1.3 du manuel de chauffage à distance, est disponible dans le code TESSA. Il calcule la perte de chaleur spécifique par degré d'écart de température à partir de la géométrie de la conduite : rayon de la conduite, rayon de la gaine, conductivité thermique de l'isolant, conductivité thermique du sol, profondeur de couverture et espacement des conduites. Ce modèle n'est pas encore connecté au flux de simulation ; le modèle simple à 4 % par km est utilisé pour toutes les études actuelles.
Étape 2 : Altitude
Avant la résolution hydraulique, TESSA récupère l'altitude du terrain (mètres au-dessus du niveau de la mer) pour chaque nœud du réseau à partir d'un modèle numérique de terrain. Les différences d'altitude entre les nœuds créent une composante de hauteur statique qui doit être ajoutée aux pertes de charge dynamiques lors du dimensionnement de la pompe :
Cette étape est ignorée si les données de terrain sont indisponibles ; dans les réseaux plats, l'effet est faible.
Étape 3 : Hydraulique et pompage
La troisième étape exécute la résolution complète de pression de Darcy-Weisbach et dimensionne les pompes de circulation. Elle est décrite en détail dans Dimensionnement du réseau et hydraulique. Dans le contexte de la simulation :
- Les débits massiques et les vitesses sont calculés à partir des résultats de distribution de chaleur de l'étape 1.
- Les pertes de charge sont résolues à l'aide de la corrélation du facteur de friction de Colebrook.
- Les hauteurs de pompe sont calculées le long du chemin hydraulique critique à chaque centrale d'énergie.
- La consommation d'électricité des pompes est enregistrée toutes les heures et ajoutée aux coûts d'exploitation et aux émissions de CO₂ du réseau.
Ce que produit la simulation
Le tableau ci-dessous résume où aboutissent les résultats après une exécution réussie de la simulation.
Prochaines étapes
- Dimensionnement du réseau et hydraulique — l'algorithme de dimensionnement des conduites et la résolution complète de pression de Darcy-Weisbach.
- Sources multiples et allocation — comment fonctionne la répartition par ordre de mérite entre plusieurs sources et centrales d'énergie.
- Champs de sondes géothermiques — la simulation du champ de sondes et comment elle fixe la température de source de la pompe à chaleur.
- Modèle de données des réseaux et sources de chaleur — l'ensemble complet des champs que la simulation renseigne.