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Modèle de données des réseaux et sources de chaleur

Le réseau thermique est le côté offre de l'étude : les conduites qui distribuent le fluide caloporteur, les sous-stations qui y raccordent les bâtiments, et les centres énergétiques 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 Organiser une étude. Pour le quartier et les bâtiments que le réseau dessert, voir Modèle de données des quartiers et 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), accompagné des paramètres d'ingénierie qui régissent le fluide, l'appel des sources et les finances.

flowchart LR
    D["🗺️ Quartier"] --> TN["🔥 Réseau thermique"]

    TN --> NODES["Nœuds<br/>━━━━━━━━<br/>⚙️ Centres énergétiques<br/>🔌 Sous-stations de bâtiments<br/>● Jonctions de conduites"]
    TN --> EDGES["Arêtes<br/>━━━━━━━━<br/>━━ Conduites principales<br/>━ Raccords de bâtiments<br/>━ Raccords de centres énergétiques"]

    TN --> FL["💧 Fluide caloporteur<br/>━━━━━━━━<br/>Type (eau / mélange glycolé)<br/>Températures de départ / retour"]
    TN --> MD["Mode<br/>━━━━━━━━<br/>Chauffage, refroidissement ou les deux"]
    TN --> FIN["💰 Coûts du réseau<br/>et tarifs"]
    TN --> DC["📈 Courbe de demande<br/>agrégée"]

    classDef quartier 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 quartier
    class TN network
    class NODES,EDGES,MD,DC thermal
    class FIN finance
    class FL fluid

Trois décisions d'ingénierie prises au niveau du réseau déterminent presque tout ce qui suit :

  • Le mode. Chauffage, refroidissement, ou chauffage et refroidissement combinés. Il détermine quelles demandes les sources de chaleur doivent couvrir 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 limitent les types de sources et de sous-stations pertinents. Voir Générations de réseaux.
  • Le fluide caloporteur. De l'eau pour la plupart des réseaux chauds ; un mélange glycolé 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, additionnée sur les sous-stations de bâtiments connectées. Le répartiteur l'utilise pour décider quelles sources fonctionnent et quand.

Types de nœuds : jonctions, sous-stations, centres énergétiques

Les trois types de nœuds jouent des rôles d'ingénierie distincts bien qu'ils partagent une place dans le graphe.

flowchart TD
    EC["⚙️ Centre énergétique<br/>où la chaleur est produite"]
    BS["🔌 Sous-station de bâtiment<br/>où la chaleur est livrée"]
    CP["● Jonction de conduites<br/>où les conduites se ramifient"]

    EC -.injecte de la chaleur dans.- TN
    BS -.soutire 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 centres énergétiques sont les endroits où vous installez une ou plusieurs sources de chaleur — chaudières, pompes à chaleur, centrales à biomasse, pompes à chaleur géothermiques utilisant un champ de sondes. Un petit réseau en a généralement un ; un réseau plus grand peut avoir un centre énergétique de base plus une unité de pointe ailleurs sur le tronc.
  • Les sous-stations de bâtiments sont l'interface entre un bâtiment (ou un petit groupe de bâtiments partageant un raccordement) et le réseau. Le type de sous-station — directe, échangeur de chaleur ou pompe à chaleur d'appoint — détermine comment la chaleur est transférée à cette interface.
  • Les jonctions de conduites sont de purs nœuds d'acheminement. Aucune chaleur n'y est ajoutée ni retirée. Elles apparaissent partout où la topologie se ramifie.

Les centres énergétiques comme les sous-stations de bâtiments peuvent contenir une ou plusieurs pompes de circulation.

Types de sous-stations de bâtiments

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["Directe<br/>━━━━━━━━<br/>L'eau du réseau<br/>circule dans<br/>l'installation du bâtiment"]
    HX["Échangeur de chaleur<br/>━━━━━━━━<br/>Séparation hydraulique<br/>entre le réseau<br/>et le bâtiment"]
    BHP["Pompe à chaleur d'appoint<br/>━━━━━━━━<br/>Le réseau est froid ;<br/>la PAC du bâtiment<br/>relève 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

Le choix a des conséquences en cascade : une sous-station à pompe à chaleur d'appoint nécessite une alimentation électrique et apporte son propre rendement et ses propres émissions au tableau de l'appel des sources. Un échangeur de chaleur introduit une chute de température dont il faut tenir compte dans la température de départ du réseau.

Arêtes : conduites et raccords

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

flowchart LR
    EC["⚙️ Centre<br/>d'énergie"]
    J1["●"]
    J2["●"]
    BS1["🔌 Sous-station"]
    BS2["🔌 Sous-station"]

    EC ===|"━━ raccord de CE"| J1
    J1 ===|"━━ conduite principale"| J2
    J1 ===|"━ raccord de bâtiment"| BS1
    J2 ===|"━ raccord 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 tronc et branches (ou en boucle) entre les jonctions.
  • Les raccords de bâtiments sont les courtes conduites reliant une jonction de la conduite principale à une sous-station de bâtiment. Ils ont un paramètre supplémentaire — une fraction active entre 0 et 1 — qui permet de désactiver partiellement ou totalement le raccordement d'un bâtiment sans le retirer de la topologie, utile pour modéliser des raccordements échelonnés.
  • Les raccords de centres énergétiques sont les courtes conduites analogues allant d'un centre énergétique 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 &amp; 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 la configuration a été tracée 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 configuré affiche une perte de charge nulle et une perte de chaleur nulle jusqu'à ce que vous exécutiez le dimensionnement et la simulation.

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

Sources de chaleur à un centre énergétique

Un centre énergétique a généralement plus d'une source de chaleur — une unité de 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 répartiteur puisse choisir entre elles, que le moteur de coûts puisse additionner correctement CAPEX et OPEX, et que le rapport puisse attribuer l'énergie et les émissions à chaque combustible.

flowchart TD
    EC["⚙️ Centre énergétique"]
    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 d'appel"]
    PWR["Dimensionnement<br/>━━━━━━━━<br/>Puissance nominale utile<br/>Puissance nominale finale<br/>Énergie annuelle utile / finale"]
    FU["Combustible<br/>━━━━━━━━<br/>Prix (monnaie / kWh)<br/>Intensité CO₂ (kg / kWh)"]
    SC["Résultat<br/>━━━━━━━━<br/>Courbe d'alimentation horaire<br/>Heures à pleine charge"]
    FIN["Coûts<br/>━━━━━━━━<br/>Investissement par kW<br/>E&amp;M fixe &amp; 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 paires de grandeurs méritent d'être bien comprises :

  • Puissance et énergie utiles vs finales. Utile est ce qui est livré au réseau ; finale est ce qui est consommé sous forme de combustible ou d'électricité. Le rapport est le rendement ou le COP de la source. Les rapports utilisent les deux — l'utile pour le dimensionnement et l'appel, la finale pour les coûts et les émissions.
  • Coût marginal et CO₂ marginal. Calculés automatiquement comme (1 / rendement) × prix_combustible et (1 / rendement) × CO₂_combustible. Ils pilotent l'appel par ordre de mérite lorsque plusieurs sources peuvent couvrir la demande.

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

Le même objet source de chaleur est aussi utilisé aux sous-stations de bâtiments lorsque le type de sous-station est « pompe à chaleur d'appoint » — la PAC d'appoint est une source de chaleur rattachée à la sous-station plutôt qu'à un centre énergétique.

Champs de sondes géothermiques

Un champ de sondes 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 un centre énergétique (une pompe à chaleur géothermique centrale), soit par plusieurs sous-stations de bâtiments (un réseau de PAC d'appoint 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"]
    EC["⚙️ Centre énergétique"] -.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/>Simple ou double U<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 glycolé"]
    BF --> RG["Sources de régénération<br/>━━━━━━━━<br/>Solaire thermique, aérorefroidisseur,<br/>chaleur résiduelle, …"]
    BF --> OP["Résultat<br/>━━━━━━━━<br/>Températures horaires du fluide<br/>Énergie horaire extraite / injectée<br/>Rapport 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 qui comptent pour la conception :

  • Configuration et conception. Le nombre, l'espacement et la profondeur des sondes ; simple ou double U. 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. Des 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 dominé par le chauffage refroidit le sol au fil des ans et le COP de la pompe à chaleur diminue. Le rapport d'équilibre thermique (injection annuelle ÷ extraction annuelle) est le chiffre clé à surveiller — on le veut généralement proche de 1 pour un champ de longue durée.
  • Le fluide caloporteur. Souvent un mélange glycolé, car les boucles de sondes peuvent descendre sous 0 °C, même lorsque le reste du réseau fonctionne à l'eau.

Les champs de sondes ont 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 trouvent aux sous-stations — aux centres énergétiques et aux sous-stations de bâtiments — et font partie du calcul de la boucle hydraulique plutôt que de l'appel 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 &amp; 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 que la pompe doit vaincre, puis dimensionne la puissance nominale de la pompe à partir du débit de conception, de la hauteur et du rendement supposé. La consommation d'électricité des pompes apparaît dans les coûts d'exploitation du réseau et dans ses chiffres de CO₂.

Vue d'ensemble

Le diagramme ci-dessous montre une image simple mais complète : un centre énergétique avec un portefeuille pompe à chaleur plus chaudière, trois sous-stations de bâtiments sur une courte conduite principale, et un champ de sondes servant de source géothermique à la pompe à chaleur.

flowchart TD
    EC["⚙️ Centre énergétique<br/>PAC + chaudière"]
    EC --> ECC["━━ raccord de CE"]
    ECC --> J1["● Jonction 1"]
    J1 ===|"━━ conduite principale"| J2["● Jonction 2"]
    J1 -->|"━ raccord"| BS1["🔌 Sous-station A<br/>directe"]
    J2 -->|"━ raccord"| BS2["🔌 Sous-station B<br/>échangeur de chaleur"]
    J2 -->|"━ raccord"| BS3["🔌 Sous-station C<br/>PAC d'appoint"]

    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"]

    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 présents ici sont tout ce dont vous avez besoin pour une première conception :

  • Une topologie qui dit où la chaleur entre dans le réseau et en sort.
  • Trois types de sous-stations représentatifs de ce que l'on verrait dans un vrai quartier au parc de bâtiments mixte.
  • Un portefeuille de sources de chaleur qui permet au répartiteur de choisir entre une pompe à chaleur à faible coût marginal (limitée par sa capacité) et une chaudière à coût marginal plus élevé qui couvre les pointes.
  • Un champ de sondes qui lie le COP de la pompe à chaleur à la température du sol et à toute régénération que vous mettez en place.

Pour aller plus loin

Modèle de données des quartiers et bâtiments

Le côté demande d'une étude TESSA de chauffage et de refroidissement à distance : comment les quartiers, les bâtiments qu'ils contiennent, le climat et les couches SIG sont structurés et renseignés.

Modèle de données de bâtiments

Utilisez ces modèles Excel comme point de départ pour préparer un tableau de données de bâtiments à importer dans TESSA.