Abstract :
[fr] La première partie de cette thèse de doctorat est composée de 6 chapitres. Celle-ci décrit
une méthodologie originale afin d’estimer les performances économiques, énergétiques et
environnementales des installations d’un réseau de chaleur.
Le chapitre 1 résume les différents contextes dans lesquels s’inscrit le travail de recherche. Le
contexte énergétique mondial de la consommation d’énergie primaire liée au chauffage et à
la climatisation des bâtiments est tout d’abord détaillé. En effet, ce travail se concentre sur
l’alimentation de bâtiments par le biais des réseaux de chaleur qui sont, à leur tour, détaillés.
Pour alimenter ceux-ci, l’usage de la biomasse et des unités de cogénération sont également
abordés au sein de ce premier chapitre.
Le chapitre 2 détaille le cas d’étude qui est utilisé pour éprouver la méthodologie développée
dans le travail de recherche. À l’aide de ses spécificités et des notions introduites dans le
chapitre 1, des objectifs généraux sont définis.
Le chapitre 3 délimite les objectifs du présent travail de recherche sur base de ceux établis
dans le chapitre 2. Pour y parvenir, les différentes méthodes utilisées sont à leur tour détaillées
et référencées au travers des articles scientifiques constituant la partie 2 de ce manuscrit.
Finalement, les outils informatiques utilisés pour réaliser ces objectifs sont également abordés.
Le chapitre 4 détaille les résultats des articles scientifiques 3, 4 et 8 de la partie 2 de ce
manuscrit concernant la modélisation du transport de l’énergie thermique. L’article 3, sur
base des limitations observées pour une méthode de modélisation couramment utilisée
(volumes finis) pour la simulation du transport de l’énergie thermique, détaille uneméthode
alternative de simulation du transport de l’énergie thermique dans le langage du logiciel
Matlab. Cette méthode considère non seulement les pertes à l’ambiance de la canalisation,
mais également l’inertie thermique de celle-ci dont l’influence sur le transport d’énergie
est démontrée. L’article 4 valide cette approche expérimentalement sur une installation de
laboratoire et sur une portion d’une canalisation du réseau de chaleur du cas d’étude. L’article
8 établit un état de l’art des différentes méthodes de modélisation du transport d’énergie
thermique qui conclut sur la nécessité d’utiliser une méthode alternative pour l’estimation
dynamique des pertes à l’ambiance et du transport de l’énergie thermique d’une canalisation.
Cet article propose d’utiliser la méthode envisagée de l’article 3 en l’adaptant au langageModelica. Par ailleurs, cette méthode alternative est à son tour validée sur l’installation de
laboratoire utilisée dans la validation expérimentale de l’article 4 ainsi que sur une portion
d’un réseau de chaleur existant constituée de plusieurs consommateurs.
Le chapitre 5 présente les résultats obtenus pour l’analyse d’un réseau de chaleur qui sont
résumés dans les articles scientifiques numérotés 1, 2, 5, 6, 7 et 9 de la partie 2 de ce
manuscrit et des compléments sont également abordés le cas échéant. L’article 1 présente
une modélisation détaillée de la combustion de la biomasse et du gaz naturel afin d’estimer
les émissions de plusieurs polluants tout en s’attardant sur la formation des oxydes d’azote et
de soufre. L’article 2 présente une méthodologie permettant d’estimer le coût de la chaleur et
le bilan des émissions de dioxyde de carbone d’un réseau de chaleur et compare ce système
de chauffage à d’autres alternatives. Pour arriver à cet objectif, plusieurs modèles sont
détaillés et validés expérimentalement afin d’estimer les performances des différentes
installations constituant un réseau de chaleur (chaudière, unité de cogénération, réseau de
chaleur). Finalement, plusieurs scénarios visant à améliorer le réseau de chaleur et l’unité de
cogénération sont envisagés et comparés à l’aide de la méthodologie développée. L’article 6 et
l’article 7 envisagent, quant à eux, des scénarios alternatifs permettant de diminuer le coût de
la chaleur du réseau de chaleur sur base des modèles développés dans l’article 2. L’article 6
envisage l’ajout d’un stockage d’énergie thermique afin de maximiser l’usage d’une unité de
cogénération alimentant le réseau de chaleur pour diminuer les coûts et l’impact
environnemental du réseau de chaleur. Le stockage d’énergie est considéré sous deux formes:
un ballon tampon d’eau chaude placé à proximité du réseau ainsi qu’une régulation adaptée
permettant d’utiliser l’inertie thermique propre du réseau de chaleur. De plus, un stockage
d’énergie à court terme et saisonnier sont envisagés afin de vérifier leur pertinence avec le
contexte du réseau de chaleur étudié. Sur base des résultats obtenus, la politique des subsides
liée à l’utilisation de l’unité de cogénération est analysée afin de pointer son adéquation avec
le contexte du réseau de chaleur étudié. L’article 7, quant à lui, envisage l’ajout d’une pompe à
chaleur haute température à un endroit stratégique du réseau de chaleur qui nécessite une
haute température d’alimentation en eau chaude pour générer de la vapeur. Ce scénario est
basé sur l’hypothèse qu’en réduisant la températuremoyenne du réseau grâce à cette pompe
à chaleur, il serait possible de limiter les pertes à l’ambiance de celui-ci et donc de
potentiellement réduire les coûts associés et l’empreinte environnementale. L’article 5
complète l’analyse des réseaux de chaleur en détaillant une méthodologie afin d’estimer les
performances énergétiques, exergétiques et environnementales de différents systèmes de
chauffage, dont les réseaux de chaleur, afin de comparer ces solutions dans leur globalité.
Le chapitre 6 résume les conclusions du travail de recherche et propose des perspectives à
celui-ci.
La seconde partie de cette thèse de doctorat est composée des 9 articles scientifiques qui ont
été préalablement abordés et d’une section consacrée à corriger une erreur présente dans l’un
des articles scientifiques et à préciser un aspect lié à l’unité de cogénération étudiée, à savoir
l’évolution de sa puissance nominale au cours des études.
[en] The first part of this doctoral thesis is composed of 6 chapters.
Chapter 1 summarizes the different contexts in which the research work takes place.
The global energy context for primary energy consumption related to heating and cooling buildings is firstly detailed. Indeed, this work focuses on the supply of buildings through district heating networks which are then detailed. To feed these district heating networks, the use of biomass and cogeneration units are also discussed in this first chapter.
Chapter 2 presents the case study used to test the methodology developed in the research work. Using its specifications and the concepts introduced in chapter 1, general objectives are defined.
Chapter 3 delineates the objectives of this research work on the basis of those set out in chapter 2.
To achieve this, the different methods used are detailed and referenced through the scientific articles constituting the part 2 of this manuscript. Finally, the computer tools used to achieve these objectives are also briefly discussed.
Chapter 4 presents the results of scientific articles 3, 4 and 8 of the part 2 of this manuscript concerning thermal energy transport modeling.
Article 3, based on the limitations observed for a modeling method (finite volumes) commonly used for thermal energy transport modeling, details an alternative method of thermal energy transport simulation in the Matlab software language. This method considers not only the heat losses to the pipe environment but also the thermal inertia of the pipe whose influence on energy transport is demonstrated. Article 4 validates this approach experimentally in a laboratory test bench and on a portion of a heating network pipe of the case study. Article 8 establishes a state of the art of the different thermal energy transport modelling methods which concludes on the requirement to use an alternative method for the dynamic estimation of heat losses and thermal energy transport of a pipeline. This article proposes to use the method envisaged in article 3 by adapting it to the Modelica language. Furthermore, this alternative method is validated on the laboratory installation used in the experimental validation of article 4 as well as a portion of an existing heating network consisting of several consumers.
Chapter 5 presents the results obtained for the analysis of a heating network, which are summarized in the scientific articles numbered 1, 2, 5, 6, 7 and 9 in part 2 of this manuscript, and supplements are also discussed where required. Article 1 presents a detailed modeling of biomass and natural gas combustion in order to estimate the emissions of several pollutants while focusing on the formation of nitrogen oxides. Article 2 presents a methodology to estimate the cost of heat and the carbon dioxide emissions balance of a heating network and compares this heating system with other alternative technologies. To achieve this objective, several models are detailed and validated experimentally in order to estimate the performances of the various installations constituting a heating network (boilers, cogeneration unit, heating network). Finally, several scenarios to improve the heating network and the cogeneration unit are considered and compared using the methodology developed. Article 6 and Article 7 consider alternative scenarios for reducing the cost of heating the heating network on the basis of the models developed in Article 2. Article 6 investigates the addition of thermal energy storage in order to maximize the use of a cogeneration unit feeding the heating network. Energy storage is considered in two forms: a hot water buffer storage tank placed close to the network and an adapted regulation allowing the use of the thermal inertia of the heating network. In addition, short-term and seasonal energy storage are considered to verify their relevance to the context of the heating network under study. On the basis of the results obtained, the subsidy policy linked to the use of the cogeneration unit is analyzed in order to determine its adequacy in the context of the case study. Article 7, for its part, envisages the addition of a high-temperature heat pump at a strategic point in the heating network that requires a hot water supply temperature to generate steam. This scenario is based on the assumption that by reducing the average temperature of the network thanks to this heat pump, it would be possible to limit the losses to the environment of the network and thus potentially to reduce the associated costs and the environmental footprint. Article 5 complements the analysis of heating networks by detailing a methodology to estimate the energy consumption and the energetic and environmental performances of different heating systems, including heating networks, in order to compare these solutions as a whole.
Chapter 6 summarizes the findings of the research and offers perspectives for research.
The second part of this doctoral thesis is composed of the scientific articles that were previously discussed and a section devoted to correct an error present in one of the scientific articles and to specify an aspect related to the cogeneration unit studied, namely the evolution of its rated power during the studies.
