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Modèle de données des réseaux et des sources de chaleur

Le réseau thermique est le côté production de l'étude : les conduites qui distribuent le fluide caloporteur, les sous-stations qui y raccordent les bâtiments, et les centrales d'énergie et sources de chaleur qui produisent la chaleur. Cette page décrit comment ces éléments sont organisés — quelles décisions de conception vous prenez à chaque niveau, et comment le modèle les représente.

Pour le conteneur projet/scénario, voir Projets, scénarios et modèle de données. Pour le quartier et les bâtiments que le réseau dessert, voir Modèle de données des quartiers et des bâtiments.

Le réseau en un coup d'œil

Un réseau thermique est un graphe de nœuds (les points où les conduites se rejoignent, où les bâtiments se raccordent, où la chaleur est produite) et d'arêtes (les conduites qui transportent le fluide entre eux), avec les paramètres techniques qui régissent le fluide, la répartition et les finances.

flowchart LR D["🗺️ Quartier"] --> TN["🔥 Réseau thermique"] TN --> NODES["Nœuds<br/>━━━━━━━━<br/>⚙️ Centrales d'énergie<br/>🔌 Sous-stations de bâtiment<br/>● Jonctions de conduite"] TN --> EDGES["Arêtes<br/>━━━━━━━━<br/>━━ Conduites principales<br/>━ Connecteurs de bâtiment<br/>━ Connecteurs de centrale d'énergie"] TN --> FL["💧 Fluide caloporteur<br/>━━━━━━━━<br/>Type (eau / mélange glycol)<br/>Températures départ / retour"] TN --> MD["Mode<br/>━━━━━━━━<br/>Chauffage, refroidissement, ou les deux"] TN --> FIN["💰 Coûts et tarifs<br/>du réseau"] TN --> DC["📈 Courbe de demande<br/>agrégée"] classDef district fill:#a5d6a7,stroke:#1b5e20,stroke-width:2px,color:#1b5e20 classDef network fill:#ffab91,stroke:#bf360c,stroke-width:2px,color:#bf360c classDef thermal fill:#fff3e0,stroke:#ED6000,stroke-width:1.5px,color:#bf360c classDef finance fill:#fffde7,stroke:#f9a825,stroke-width:1.5px,color:#f57f17 classDef fluid fill:#bbdefb,stroke:#0d47a1,stroke-width:1.5px,color:#0d47a1 class D district class TN network class NODES,EDGES,MD,DC thermal class FIN finance class FL fluid

Trois décisions techniques prises au niveau du réseau conditionnent presque tout ce qui suit :

  • Le mode. Chauffage, refroidissement, ou chauffage-et-refroidissement combiné. Il détermine quelles demandes les sources de chaleur doivent satisfaire et quels chemins de simulation s'appliquent.
  • Les températures de départ et de retour. Avec le fluide caloporteur, elles définissent la « génération » du réseau — 4 conduites haute température, 4 conduites basse température, anergie / 5G — et contraignent les types de source et de sous-station qui ont du sens. Voir Générations de réseau.
  • Le fluide caloporteur. De l'eau pour la plupart des réseaux chauds ; un mélange à base de glycol pour les réseaux froids où une protection contre le gel est nécessaire. Le modèle utilise les propriétés du fluide pour calculer la masse volumique, la viscosité et la capacité thermique, qui alimentent les calculs de dimensionnement des conduites et de pompage.

La courbe de demande agrégée est la demande thermique horaire que le réseau doit satisfaire, sommée à partir des sous-stations de bâtiment raccordées. Le dispatcheur l'utilise pour décider quelles sources fonctionnent et quand.

Types de nœuds : jonctions, sous-stations, centrales d'énergie

Les trois types de nœuds jouent des rôles techniques distincts même s'ils partagent une position dans le graphe.

flowchart TD EC["⚙️ Centrale d'énergie<br/>où la chaleur est produite"] BS["🔌 Sous-station de bâtiment<br/>où la chaleur est délivrée"] CP["● Jonction de conduite<br/>où les conduites se ramifient"] EC -.injecte de la chaleur dans.- TN BS -.extrait de la chaleur de.- TN CP -.achemine le flux dans.- TN TN["🔥 Réseau"] classDef ec fill:#ffccbc,stroke:#bf360c,stroke-width:2px,color:#bf360c classDef bs fill:#ffe0b2,stroke:#e65100,stroke-width:2px,color:#bf360c classDef cp fill:#ffffff,stroke:#bf360c,stroke-width:1.5px,color:#bf360c classDef network fill:#ffab91,stroke:#bf360c,stroke-width:2px,color:#bf360c class EC ec class BS bs class CP cp class TN network
  • Les centrales d'énergie sont l'endroit où vous installez une ou plusieurs sources de chaleur — chaudières, pompes à chaleur, installations à biomasse, pompes à chaleur géothermiques utilisant un champ de sondes géothermiques. Un petit réseau en compte généralement une ; un réseau plus grand peut avoir une centrale d'énergie en base plus une unité de pointe ailleurs sur l'artère principale.
  • Les sous-stations de bâtiment sont l'interface entre un bâtiment (ou un petit groupe de bâtiments partageant un même raccordement) et le réseau. Le type de sous-station — directe, échangeur de chaleur, ou pompe à chaleur booster — détermine comment la chaleur est transférée à cette interface.
  • Les jonctions de conduite sont des nœuds de routage purs. Aucune chaleur n'y est ajoutée ni retirée. Elles apparaissent partout où la topologie se ramifie.

Les centrales d'énergie comme les sous-stations de bâtiment peuvent héberger une ou plusieurs pompes de circulation.

Types de sous-stations de bâtiment

Le type de raccordement à une sous-station de bâtiment dépend de la température de départ du réseau par rapport à ce dont le bâtiment a besoin.

flowchart LR DI["Direct<br/>━━━━━━━━<br/>L'eau du réseau<br/>circule dans le<br/>système du bâtiment"] HX["Échangeur de chaleur<br/>━━━━━━━━<br/>Séparation hydraulique<br/>entre le réseau<br/>et le bâtiment"] BHP["Pompe à chaleur booster<br/>━━━━━━━━<br/>Le réseau est froid ;<br/>la PAC au bâtiment<br/>élève la température"] classDef direct fill:#ffe0b2,stroke:#e65100,stroke-width:1.5px,color:#bf360c classDef hx fill:#ffe0b2,stroke:#e65100,stroke-width:1.5px,color:#bf360c classDef bhp fill:#ffe0b2,stroke:#e65100,stroke-width:1.5px,color:#bf360c class DI direct class HX hx class BHP bhp

Ce choix a des répercussions : une sous-station à pompe à chaleur booster nécessite une alimentation électrique et contribue avec son propre rendement et ses propres émissions au tableau de répartition. Un échangeur de chaleur introduit une chute de température qui doit être prise en compte dans la température de départ du réseau.

Arêtes : conduites et connecteurs

Il existe trois types d'arêtes dans le graphe. Elles partagent l'essentiel de leurs données — géométrie, dimensions, débit, hydraulique — mais elles relient différents types de nœuds.

flowchart LR EC["⚙️ Centrale<br/>d'énergie"] J1["●"] J2["●"] BS1["🔌 Sous-station"] BS2["🔌 Sous-station"] EC ===|"━━ connecteur de centrale"| J1 J1 ===|"━━ conduite principale"| J2 J1 ===|"━ connecteur de bâtiment"| BS1 J2 ===|"━ connecteur de bâtiment"| BS2 classDef ec fill:#ffccbc,stroke:#bf360c,stroke-width:2px,color:#bf360c classDef bs fill:#ffe0b2,stroke:#e65100,stroke-width:2px,color:#bf360c classDef cp fill:#ffffff,stroke:#bf360c,stroke-width:1.5px,color:#bf360c class EC ec class BS1,BS2 bs class J1,J2 cp
  • Les conduites principales forment la topologie en arbre (ou bouclée) entre les jonctions.
  • Les connecteurs de bâtiment sont les courtes conduites reliant une jonction sur l'artère principale à une sous-station de bâtiment. Ils ont un paramètre supplémentaire — une fraction active comprise entre 0 et 1 — qui permet de désactiver partiellement ou totalement le raccordement d'un bâtiment sans le retirer de la topologie, utile lorsque vous modélisez des raccordements par phases.
  • Les connecteurs de centrale d'énergie sont les courtes conduites analogues reliant une centrale d'énergie à une jonction.

Ce qui est stocké sur chaque conduite :

flowchart LR P["━━ Conduite"] GEO["Géométrie<br/>━━━━━━━━<br/>Longueur<br/>Différence d'altitude"] DIM["Dimensions<br/>━━━━━━━━<br/>Diamètre nominal<br/>Diamètre intérieur"] FLOW["Débit<br/>━━━━━━━━<br/>Débit massique<br/>Débit volumique<br/>Vitesse"] HYD["Hydraulique<br/>━━━━━━━━<br/>Perte de charge (Darcy-Weisbach)<br/>Perte de pression"] EN["Énergie<br/>━━━━━━━━<br/>Chaleur transportée<br/>Pertes de chaleur<br/>Puissance"] LIFE["Coût et durée de vie<br/>━━━━━━━━<br/>Coût d'investissement<br/>Année de construction"] P --- GEO P --- DIM P --- FLOW P --- HYD P --- EN P --- LIFE classDef pipe fill:#ffab91,stroke:#bf360c,stroke-width:2px,color:#bf360c classDef field fill:#fff3e0,stroke:#ED6000,stroke-width:1.5px,color:#bf360c class P pipe class GEO,DIM,FLOW,HYD,EN,LIFE field

Un réseau dont le tracé a été défini mais qui n'a pas encore été dimensionné a sa géométrie et sa topologie renseignées ; les dimensions sont remplies par l'étape de dimensionnement des conduites ; les champs de débit, d'hydraulique et d'énergie sont renseignés par la simulation. C'est pourquoi un réseau fraîchement tracé affiche une perte de charge nulle et une perte de chaleur nulle jusqu'à ce que vous lanciez le dimensionnement et la simulation.

Voir Dimensionnement et hydraulique du réseau pour la méthode de dimensionnement et Pertes de chaleur et simulation pour ce que le simulateur calcule.

Sources de chaleur dans une centrale d'énergie

Une même centrale d'énergie compte généralement plus d'une source de chaleur — une unité en base plus une unité de pointe, ou une unité principale plus une unité de secours. TESSA modélise chacune comme un objet distinct afin que le dispatcheur puisse choisir entre elles, que le moteur de coûts puisse sommer correctement le CAPEX et l'OPEX, et que le rapport puisse attribuer l'énergie et les émissions à chaque combustible.

flowchart TD EC["⚙️ Centrale d'énergie"] EC --> TS1["🔥 Source 1<br/>p. ex. pompe à chaleur<br/>(charge de base)"] EC --> TS2["🔥 Source 2<br/>p. ex. chaudière à gaz<br/>(pointe)"] EC --> TS3["🔥 Source 3<br/>p. ex. solaire thermique<br/>(appoint saisonnier)"] classDef ec fill:#ffccbc,stroke:#bf360c,stroke-width:2px,color:#bf360c classDef src fill:#fff3e0,stroke:#ED6000,stroke-width:2px,color:#bf360c class EC ec class TS1,TS2,TS3 src

Ce que porte chaque source de chaleur :

flowchart LR TS["🔥 Source de chaleur"] OP["Fonctionnement<br/>━━━━━━━━<br/>Mode (chauffage / refroidissement / les deux)<br/>Rendement / COP / SPF<br/>Ordre de répartition"] PWR["Dimensionnement<br/>━━━━━━━━<br/>Puissance nominale utile<br/>Puissance nominale finale<br/>Énergie annuelle utile / finale"] FU["Combustible<br/>━━━━━━━━<br/>Prix (devise / kWh)<br/>Intensité CO₂ (kg / kWh)"] SC["Résultat<br/>━━━━━━━━<br/>Courbe de production horaire<br/>Heures à pleine charge"] FIN["Coûts<br/>━━━━━━━━<br/>Investissement par kW<br/>O&amp;M fixe et variable<br/>Durée de vie"] EM["Émissions<br/>━━━━━━━━<br/>CO₂eq, NOx, CO,<br/>SOx, PM10, PM2.5"] TS --- OP TS --- PWR TS --- FU TS --- SC TS --- FIN TS --- EM classDef src fill:#fff3e0,stroke:#ED6000,stroke-width:2px,color:#bf360c classDef field fill:#ffe0b2,stroke:#e65100,stroke-width:1.5px,color:#bf360c classDef finance fill:#fffde7,stroke:#f9a825,stroke-width:1.5px,color:#f57f17 class TS src class OP,PWR,SC,EM field class FU,FIN finance

Deux couples de valeurs méritent d'être bien compris :

  • Puissance et énergie utiles vs finales. La valeur utile est ce qui est délivré au réseau ; la valeur finale est ce qui est consommé sous forme de combustible ou d'électricité. Le rapport entre les deux est le rendement ou le COP de la source. Les rapports utilisent les deux — l'utile pour le dimensionnement et la répartition, le final pour les coûts et les émissions.
  • Coût marginal et CO₂ marginal. Calculés automatiquement selon (1 / efficiency) × fuel_price et (1 / efficiency) × fuel_CO₂. Ils déterminent la répartition par ordre de mérite lorsque plusieurs sources peuvent satisfaire la demande.

La manière dont les sources sont choisies à chaque heure — ordre de mérite strict, fonctionnement obligatoire, part de capacité — est régie par la stratégie d'allocation définie sur la centrale d'énergie. Voir Allocation entre plusieurs sources.

Le même objet source de chaleur est aussi utilisé aux sous-stations de bâtiment lorsque le type de sous-station est « pompe à chaleur booster » — la PAC booster est une source de chaleur rattachée à la sous-station plutôt qu'à une centrale d'énergie.

Champs de sondes géothermiques

Un champ de sondes géothermiques est un type particulier de source de chaleur — un échangeur couplé au sol qu'une pompe à chaleur utilise comme source froide. Comme un même champ peut être référencé soit par une centrale d'énergie (une pompe à chaleur géothermique centralisée), soit par plusieurs sous-stations de bâtiment (un réseau de PAC booster partageant une boucle commune), il se situe au niveau du scénario plutôt qu'à l'intérieur d'une sous-station donnée.

flowchart TD SC["📄 Scénario"] --> BF["🌍 Champ de sondes géothermiques"] EC["⚙️ Centrale d'énergie"] -.utilise comme source géothermique.-> BF BS["🔌 Sous-station de bâtiment"] -.utilise comme source géothermique.-> BF BF --> CFG["Configuration<br/>━━━━━━━━<br/>Nombre et disposition<br/>des sondes<br/>Espacement"] BF --> DSGN["Conception des sondes<br/>━━━━━━━━<br/>U-tube simple ou double<br/>Rayons des tubes<br/>Longueur, profondeur<br/>Coulis"] BF --> GR["Sol<br/>━━━━━━━━<br/>Conductivité thermique<br/>Capacité thermique volumique<br/>Température non perturbée"] BF --> FL["Fluide caloporteur<br/>━━━━━━━━<br/>Eau ou mélange glycol"] BF --> RG["Sources de régénération<br/>━━━━━━━━<br/>Solaire thermique, aéroréfrigérant,<br/>chaleur résiduelle, …"] BF --> OP["Résultat<br/>━━━━━━━━<br/>Températures horaires du fluide<br/>Extraction / injection horaire<br/>Ratio d'équilibre thermique"] classDef scenario fill:#c5cae9,stroke:#000072,stroke-width:2px,color:#000072 classDef bf fill:#d7ccc8,stroke:#3e2723,stroke-width:2px,color:#3e2723 classDef ec fill:#ffccbc,stroke:#bf360c,stroke-width:2px,color:#bf360c classDef bs fill:#ffe0b2,stroke:#e65100,stroke-width:2px,color:#bf360c classDef field fill:#efebe9,stroke:#5d4037,stroke-width:1.5px,color:#3e2723 class SC scenario class BF bf class EC ec class BS bs class CFG,DSGN,GR,FL,RG,OP field

Les éléments importants pour la conception :

  • Configuration et conception. Le nombre, l'espacement et la profondeur des sondes ; qu'elles soient à simple ou double U-tube. Toutes les sondes d'un même champ partagent la même conception.
  • Sol. La conductivité thermique, la capacité thermique volumique et la température non perturbée du sol de la géologie locale. Elles proviennent d'un Test de Réponse Thermique (TRT) lorsqu'il est disponible, ou de valeurs régionales typiques.
  • Sources de régénération. Sources de chaleur dont le rôle est d'injecter de la chaleur dans le sol en été pour équilibrer l'extraction hivernale. Sans régénération, un champ à dominante chauffage refroidit le sol au fil des ans et le COP de la pompe à chaleur dérive à la baisse. Le ratio d'équilibre thermique (injection annuelle ÷ extraction annuelle) est le chiffre clé à surveiller — vous le voulez généralement proche de 1 pour un champ à longue durée de vie.
  • Le fluide caloporteur. Souvent un mélange à base de glycol car les boucles de sondes peuvent fonctionner en dessous de 0 °C, même lorsque le reste du réseau est à l'eau.

Les champs de sondes géothermiques disposent de leur propre simulation qui produit les températures horaires du fluide et la contribution du champ au COP de la pompe à chaleur. Voir Champs de sondes géothermiques.

Pompes et boucle hydraulique

Les pompes se situent aux sous-stations — aux centrales d'énergie et aux sous-stations de bâtiment — et font partie du calcul de la boucle hydraulique plutôt que de la répartition des sources de chaleur.

flowchart LR SS["⚙️ / 🔌 Sous-station"] --> PM["💧 Pompe"] PM --- RP["Puissance nominale"] PM --- EFF["Rendement"] PM --- FL["Débit de conception"] PM --- HD["Hauteur manométrique"] PM --- LIFE["Coût et durée de vie"] classDef ss fill:#ffccbc,stroke:#bf360c,stroke-width:2px,color:#bf360c classDef pump fill:#bbdefb,stroke:#0d47a1,stroke-width:2px,color:#0d47a1 classDef field fill:#e3f2fd,stroke:#1565c0,stroke-width:1.5px,color:#0d47a1 class SS ss class PM pump class RP,EFF,FL,HD,LIFE field

Le simulateur résout les pertes de charge du réseau pour déterminer la hauteur manométrique que la pompe doit vaincre, puis dimensionne la puissance nominale de la pompe à partir du débit de conception, de la hauteur manométrique et du rendement supposé. La consommation électrique des pompes apparaît dans les coûts d'exploitation du réseau et dans ses chiffres de CO₂.

Assemblage de l'ensemble

Le schéma ci-dessous présente un tableau simple mais complet : une centrale d'énergie avec un portefeuille pompe-à-chaleur-plus-chaudière, trois sous-stations de bâtiment sur une courte artère principale, et un champ de sondes géothermiques servant de source froide pour la pompe à chaleur.

flowchart TD EC["⚙️ Centrale d'énergie<br/>PAC + chaudière"] EC --> ECC["━━ connecteur de centrale"] ECC --> J1["● Jonction 1"] J1 ===|"━━ artère principale"| J2["● Jonction 2"] J1 -->|"━ connecteur"| BS1["🔌 Sous-station A<br/>directe"] J2 -->|"━ connecteur"| BS2["🔌 Sous-station B<br/>échangeur de chaleur"] J2 -->|"━ connecteur"| BS3["🔌 Sous-station C<br/>PAC booster"] BS1 -.dessert.-> B1["🏠 Bâtiment"] BS2 -.dessert.-> B2["🏠 Bâtiments"] BS3 -.dessert.-> B3["🏠 Bâtiment"] EC -.- HS1["🔥 Pompe à chaleur"] EC -.- HS2["🔥 Chaudière à gaz"] HS1 -.source froide.-> BF["🌍 Champ de sondes géothermiques"] classDef ec fill:#ffccbc,stroke:#bf360c,stroke-width:2px,color:#bf360c classDef bs fill:#ffe0b2,stroke:#e65100,stroke-width:2px,color:#bf360c classDef cp fill:#ffffff,stroke:#bf360c,stroke-width:1.5px,color:#bf360c classDef pipe fill:#ffab91,stroke:#bf360c,stroke-width:1.5px,color:#bf360c classDef src fill:#fff3e0,stroke:#ED6000,stroke-width:1.5px,color:#bf360c classDef bldg fill:#a5d6a7,stroke:#1b5e20,stroke-width:1.5px,color:#1b5e20 classDef bf fill:#d7ccc8,stroke:#3e2723,stroke-width:2px,color:#3e2723 class EC ec class BS1,BS2,BS3 bs class J1,J2 cp class ECC pipe class HS1,HS2 src class B1,B2,B3 bldg class BF bf

Les éléments présentés ici sont tout ce dont vous avez besoin pour une conception de première approche :

  • Une topologie qui indique où la chaleur entre et sort du réseau.
  • Trois types de sous-stations représentatifs de ce que vous rencontreriez dans un quartier réel au parc de bâtiments mixte.
  • Un portefeuille de sources de chaleur qui permet au dispatcheur de choisir entre une pompe à chaleur à faible coût marginal (limitée par sa capacité) et une chaudière à coût marginal plus élevé qui prend en charge les pointes.
  • Un champ de sondes géothermiques qui lie le COP de la pompe à chaleur à la température du sol et à la régénération que vous mettez en place.

Pour aller plus loin