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Réseau de chauffage urbain : définition et fonctionnement

Réseau de chauffage urbain : définition et fonctionnement

Le réseau de chauffage urbain est un système de transport à distance de la chaleur destiné au chauffage, au refroidissement et à la production d’eau chaude sanitaire

Le chauffage urbain représente une solution innovante et en constante évolution pour le chauffage des bâtiments qui vise à la préservation de l’environnement grâce à la production centralisée d’énergie thermique provenant également de sources renouvelables.

Cette approche réduit les impacts environnementaux et favorise l’efficacité énergétique à grande échelle. Il s’agit d’un système de transport à distance de la chaleur qui peut être utilisé pour le chauffage, le refroidissement et la production d’eau chaude sanitaire.

Lors de l’évaluation de l’opportunité d’adopter le chauffage urbain, il est essentiel de prendre en compte certains aspects techniques de l’installation avant de procéder au raccordement. Il est important de noter que le chauffage urbain peut être utilisé dans tous types de bâtiments, qu’ils soient neufs ou existants, qu’ils soient équipés de systèmes centralisés ou autonomes, même intégrés à d’autres sources thermiques renouvelables, telles que le solaire thermique.

Un élément fondamental est par exemple l’échangeur de chaleur, qui facilite l’échange d’énergie thermique entre deux fluides : le premier est représenté par l’eau chaude produite par la chaudière centralisée, tandis que le second est le liquide utilisé dans le système de chauffage domestique. Les dimensions de ce dispositif sont déterminées en fonction de la puissance thermique requise.

Chauffage urbain : qu’est-ce que c’est

Le terme chauffage urbain désigne une technologie qui permet de transporter la chaleur du lieu de production au lieu d’utilisation.

Il s’agit d’un système simple, moins polluant, économique et sûr pour climatiser les bâtiments, en particulier les résidentiels, qui peut être utilisé pour le chauffage, le refroidissement et la production d’eau chaude sanitaire.

Composition d’une installation de chauffage urbain

Une installation de chauffage urbain est principalement composée de trois éléments : 

  • centrale thermique chargée de la production de chaleur, généralement en cogénération avec l’électricité ;
  • réseau de distribution de départ, qui transporte la chaleur jusqu’au consommateur final ;
  • système de tuyauterie de retour, qui ramène le fluide froid à la centrale.

Réseau de chauffage urbain : comment ça marche

Lorsqu’on parle de chauffage à distance, on comprend immédiatement que la chaleur n’est pas générée au même endroit où elle est utilisée.

En effet, elle est produite dans une ou plusieurs centrales thermiques et de là, à travers un réseau de distribution, elle est envoyée aux utilisateurs qui y sont connectés. Ces centrales produisent de l’eau chaude ou surchauffée, généralement à des températures de 90° et 120°C.

Le fonctionnement du chauffage urbain repose sur les centrales de cogénération où la chaleur est produite puis injectée dans le réseau de distribution et, de là, aux unités d’habitation individuelles.

Pour comprendre les possibilités du chauffage urbain, il est nécessaire d’approfondir son fonctionnement qui peut être schématisé comme suit : 

  • dans les centrales de cogénération, un liquide est produit et distribué, généralement de l’eau, à une température de 80°C-90°C ou de 120°C-130°C en cas de surchauffe. La chaleur peut être produite par des centrales à chaudière (à combustible fossile, biomasse ou par valorisation énergétique des déchets), des systèmes de pompe à chaleur (exploitant par exemple l’énergie géothermique) ou solaire thermique ;
  • le liquide est transporté à travers un réseau de tuyauteries (réseau de distribution primaire) jusqu’aux bâtiments connectés au système de chauffage urbain ;
  • une fois arrivé à destination, le liquide cède la chaleur au système de chauffage de l’habitation qui peut l’utiliser pour chauffer les pièces et l’eau domestique ;
  • le liquide caloporteur, refroidi après avoir cédé la chaleur aux habitations, retourne à la centrale pour être ramené à la température maximale et recommencer le cycle.

Sources de chaleur de la centrale de chauffage urbain

Il existe différentes sources de chaleur utilisées dans les systèmes de réseau chauffage urbain : 

  • pompes à chaleur eau-eau : ce système transfère la chaleur présente dans l’eau souterraine à l’eau utilisée dans le chauffage urbain en utilisant l’énergie électrique ;
  • cogénération : il s’agit de la production combinée d’électricité et de chaleur à partir d’une seule source d’énergie par combustion ;
  • valorisation énergétique des déchets solides urbains : cette technologie convertit la chaleur générée par la combustion des déchets solides urbains en énergie thermique ;
  • récupération de chaleur des processus industriels : consiste à utiliser la chaleur résiduelle à basse température produite par les processus industriels ;
  • source géothermique : exploite la chaleur provenant du sous-sol à différentes températures (basse, moyenne et élevée) ;
  • sources d’énergie renouvelables : parmi celles-ci, on trouve le solaire thermique, la biomasse, le biogaz produit par les décharges ou les déchets de transformation et d’autres sources similaires.

Réseau de distribution de la chaleur

Le système de distribution de chaleur peut être : 

  • direct : un seul circuit hydraulique relie la centrale de production aux unités terminales, c’est-à-dire les corps de chauffe (radiateurs, panneaux radiants, etc.) de l’utilisateur ;
  • indirect : deux circuits séparés sont présents, en contact l’un avec l’autre à travers un échangeur de chaleur situé près de l’utilisateur.

Configurations des réseaux de chauffage urbain

En fonction de la disposition des tuyauteries et de la forme que prend le réseau, on peut distinguer 3 types de réseaux : 

  • ramifié : composé d’une conduite principale à partir de laquelle se ramifient d’autres lignes secondaires transportant directement le fluide caloporteur aux utilisateurs ;
  • en boucle : le fluide caloporteur chauffé est envoyé par la centrale, atteint l’utilisateur puis retourne à la centrale. Cette configuration permet l’alimentation du réseau dans les deux sens, le rendant flexible et facilement extensible pour accueillir d’autres utilisateurs à l’avenir ;
  • en mailles : constitué de conduites formant une série de circuits fermés interconnectés. Il s’agit de la configuration idéale en termes de régulation et de distribution de chaleur, mais elle entraîne des coûts d’installation plus élevés que les deux autres types.

Conception d’un réseau de chauffage urbain

La conception d’un réseau de chauffage urbain nécessite plusieurs phases bien définies : 

  • identification de la zone ;
  • analyse des utilisateurs et estimation de la demande thermique pouvant être chauffée à distance ;
  • dimensionnement du cogénérateur ;
  • sélection de l’emplacement pour la centrale de production ;
  • tracé et dimensionnement du réseau ;
  • choix du type d’installation ;
  • simulation du fonctionnement ;
  • bilan énergétique et environnemental ;
  • analyse économique.
Conception d'un réseau de chauffage urbain

Conception d’un réseau de chauffage urbain

Identification de la zone

Les caractéristiques que la zone à desservir en chauffage urbain doit posséder pour que le projet soit réussi sont les suivantes : 

  • bonne densité de construction, avec des bâtiments à plusieurs étages d’un volume supérieur à 2-3 000 m3 ;
  • présence d’installations de chauffage centralisées.

Les zones de nouvelle construction ou de rénovation urbaine représentent en elles-mêmes une zone optimale pour la mise en place d’un réseau de chauffage urbain. Lors de l’urbanisation de nouvelles zones, la pose des conduites est facilitée et le calendrier des raccordements est moins sujet à des incertitudes car l’acquisition des utilisateurs peut être définie de manière agrégée avec les entreprises de construction.

Analyse des utilisateurs

Une fois la zone identifiée, on procède à la collecte des données sur les bâtiments : 

  • âge, type de construction, volume et usage (résidentiel, tertiaire, etc.) des bâtiments ;
  • nombre d’installations de chauffage existantes, réparties par type (centralisé ou autonome) et combustible ;
  • consommation de combustible pour au moins les trois années précédentes ;
  • régime de propriété.

Ensuite, on procède à l’estimation de la demande thermique dans la zone, qui peut être réalisée de deux manières : 

  • déduite sur la base des données de consommation de combustible ;
  • reconstruite sur la base des caractéristiques du bâtiment (rapport surface de déperdition / volume, surface vitrée, type d’isolation, etc.), type d’utilisation et conditions climatiques du lieu (degrés-jours), normes réglementaires (classe énergétique du bâtiment).

Les usages spécifiques tels que les hôpitaux, les grands bâtiments publics, les centres sportifs, les centres commerciaux ou les industries nécessitant de la chaleur de processus nécessitent une étude spécifique plus approfondie.

On passe ensuite à l’estimation de la pénétration du chauffage urbain, en scindant la demande thermique en fonction des caractéristiques suivantes des utilisateurs : 

  • régime de propriété (privé ou public) ;
  • âge des installations existantes ;
  • type d’installation ;
  • combustible utilisé.

Dimensionnement du cogénérateur

Le dimensionnement du cogénérateur dans un système de chauffage urbain constitue une phase délicate, car il implique une série de considérations techniques, économiques et financières, y compris la vente de l’électricité aux meilleures conditions.

Un aspect important est la stratégie à adopter pour le fonctionnement, qui prend en compte les variations de la charge thermique et les plages tarifaires établies par l’Autorité de Régulation de l’Énergie en fonction de l’heure de la journée et de la semaine.

Une méthode efficace pour déterminer les dimensions optimales du cogénérateur est d’élaborer un diagramme illustrant la puissance thermique requise par l’installation au cours de l’année, en fonction du nombre d’heures pendant lesquelles cette puissance est nécessaire, en organisant les données du maximum au minimum.

Dans les situations les plus courantes, il est possible de simplifier la construction du diagramme en faisant des hypothèses de base sur les variations quotidiennes et hebdomadaires, en se concentrant sur une valeur moyenne de puissance pour chaque mois. La taille du cogénérateur peut être définie de manière à garantir un nombre suffisant d’heures de fonctionnement rentable de l’installation, généralement au moins 4 000 heures par an.

Sélection du site pour la centrale de production

La première étape dans le choix du site est la vérification de la faisabilité de raccordement aux centrales déjà existantes, c’est-à-dire la possibilité de récupérer de la chaleur à partir d’industries, d’incinérateurs ou de centrales électriques. Le choix du site pour la centrale de production doit respecter les objectifs suivants : 

  • minimisation de l’impact environnemental (émissions, bruit) pour les résidents ;
  • minimisation de la longueur moyenne du parcours de chaleur transportée à travers le fluide caloporteur de la centrale aux utilisateurs (de préférence en plaçant la centrale au point le plus central de la zone considérée) ;
  • minimisation des coûts d’approvisionnement en énergie (à évaluer notamment dans le cas de sources telles que la biomasse et la géothermie).

Tracé et dimensionnement du réseau

La structure du réseau peut être divisée en : 

  • réseau primaire : le tronc principal, posé dans le domaine public sous la chaussée ;
  • réseau secondaire : les raccordements directs aux utilisateurs individuels et les tronçons traversant des propriétés privées.

Les différentes modalités d’acquisition d’utilisateurs, identifiées lors de la phase d’évaluation de la demande thermique pour le chauffage urbain, influencent l’extension du réseau secondaire (par exemple, l’offre de facilités pour les raccordements peut promouvoir la croissance du réseau secondaire).

Le calcul correct des dimensions du réseau primaire (diamètre des tuyaux) est d’une importance fondamentale car il a un impact significatif sur le coût total de l’installation.

Le dimensionnement du réseau dépend de divers paramètres, tels que : 

  • puissance thermique dérivée de l’évaluation des charges thermiques existantes et des prévisions d’expansion future ;
  • différence de température entre le fluide caloporteur à l’entrée et à la sortie (qui peut être de l’eau chaude, de l’eau surchauffée, de la vapeur ou des liquides caloporteurs).

Choix du type d’installation

Avant de définir la configuration de l’installation, il est nécessaire de faire un choix préliminaire concernant la source d’énergie à utiliser. Une fois la source déterminée, il existe de nombreuses technologies disponibles pour les centrales (pour un aperçu détaillé, reportez-vous à l’annexe I). Le choix le plus courant actuellement est la cogénération au gaz.

Les facteurs qui influent sur le choix sont les suivants : 

  • taille du système de chauffage urbain ;
  • niveau de température requis dans la distribution de chaleur ;
  • degré de priorité économique accordé à la vente d’électricité.

Simulation du fonctionnement

Une fois tous les paramètres nécessaires définis, on procède à la simulation du fonctionnement du système envisagé. La simulation du fonctionnement pour une année type génère les résultats suivants : 

  • consommation de combustible ;
  • production d’électricité ;
  • électricité cédée au réseau ;
  • production de chaleur (de la cogénération et de l’intégration) ;
  • chaleur fournie aux utilisateurs ;
  • émissions.

Bilan énergétique et environnemental

L’objectif du bilan énergétique et environnemental est de quantifier les économies d’énergie réalisables et les émissions réduites grâce à la mise en œuvre du système de chauffage urbain par rapport à la production décentralisée traditionnelle.

Bien qu’il puisse parfois être difficile d’évaluer ces données de manière précise, la première étape consiste à analyser les systèmes conventionnels que le système de chauffage urbain remplacera, tant en termes de consommation de combustibles que d’émissions générées. Ensuite, ces résultats sont comparés à ceux issus de la simulation du fonctionnement de l’installation de chauffage urbain.

Analyse économique

L’analyse économique est la phase de vérification décisive pour la réalisation effective du projet. Les principaux postes de coût d’un projet de chauffage urbain sont les suivants : 

  • réseau de distribution ;
  • centrale de production ;
  • combustible ;
  • entretien et gestion de la centrale ;
  • entretien et gestion du réseau de transmission de chaleur.

Chauffage urbain : avantages et inconvénients

L’utilisation du chauffage urbain présente certains avantages. En particulier : 

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