Affectation des lieux de consommation à un lieu de production

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Détermination des charges de production

Pour évaluer la quantité de chaleur dégagée par les équipements de restauration, la première étape consiste à créer un modèle qui permet de calculer cette valeur à partir de différents paramètres. On sait que la quantité de chaleur dégagée par ces équipements n’est pas la même à tous les moments de la journée : on aura donc un résultat final qui dépend du temps t. On pose l’hypothèse que la production est la même tous les jours au cours de l’année. Notre variable et résultat final qu’on appellera Ojt représentera donc l’offre de l’ensemble des équipements de restaurations j au cours du temps t sur une journée type. On essaye ensuite de déterminer la charge thermique des boulangeries avant de rajouter celle des restaurants.

Charge thermique des boulangeries

On pose l’hypothèse que chacune de nos boulangeries produit la même quantité de chaleur. La variable Ojt dépend donc :
• de l’offre d’une seule boulangerie au cours du temps : Obt.
• du nombre de boulangeries : nb.
Telle que Ojt = nb*Obt.
Le nombre de boulangeries est une donnée physique qui ne dépend d’aucun autre paramètre. En revanche on peut chercher à savoir de quoi dépend Obt. La principale source de chaleur de la boulangerie est bien entendu le four. Pour déterminer l’offre d’une boulangerie Obt on cherche donc à connaitre les éléments suivants :
• le nombre de fours moyen dans une boulangerie.
• la courbe de charge d’un four au cours d’une journée type : four_b.
Dans un premier temps le nombre de fours moyens dans une boulangerie a été arbitrairement fixé à 2, et donc ainsi : Obt = 2*four_b. La courbe de charges four_b d’un four de boulangerie est réalisée selon l’hypothèse qu’un four fonctionne de 4h à 10h le matin à une puissance constante de 38kW. C’est la puissance moyenne d’un four électrique selon la Chambre des Métiers et de l’Artisanat en région Rhône-Alpes [5]. Le four électrique est utilisé par la majorité des boulangeries et possède aussi la puissance la plus basse (73kW pour un four à gaz et 81kW pour un four à fioul). Les données de la courbe sont rentrées sous la forme d’une matrice four_b de 1×96 valeurs, soit une valeur de puissance toutes les 15min sur une journée type.
Après avoir réalisé les premiers calculs avec ces données, on choisit de vérifier les données de base de notre système en effectuant une étude rapide auprès des boulangeries de la ville de Tours. Le but est de savoir si le nombre de fours choisi est réaliste tout comme la durée sur laquelle ces fours fonctionnent et leur puissance de performance. Après avoir contacté plusieurs boulangeries, on finit par obtenir deux rendez-vous.
Pour la première boulangerie, on note la présence de deux fours. Le premier est un grand four à pain de 2m x 3m à une seule bouche et le second un peu plus grand et sur trois étages (six bouches). Le boulanger nous confirme que ces deux fours tournent en permanence entre 4h le matin et 12h, une plage horaire un peu plus large que celle imaginée à la base. Aucune information précise n’a pu être déterminée concernant la puissance des fours. La seconde boulangerie est également équipée de deux fours. Le premier est un four à pain de 36kW et le second un four électrique à pâtisserie sur 2 niveaux dont on ne connaît pas la puissance. En comparant ces caractéristiques à ceux que l’on retrouve auprès des vendeurs de matériel (CHR-restauration), on peut estimer sa puissance à environ 12kW. Concernant la durée de fonctionnement des fours, ils tournent cette fouis en continu sur une plage horaire de 5h à 10h. Les informations complémentaires que l’on a pu retirer de ces entretiens sont que les boulangeries que l’on a pu visiter sont assez petites, typiques des centres-villes, et que certaines boulangeries où les personnes rencontrées ont travaillé précédemment sont parfois plus équipées.
En prenant en compte les différentes informations obtenues, on choisit de produire une courbe de charges à partir des éléments suivants :
• 2 fours par boulangerie.
• 38Kw de moyenne pour les fours électriques comme précédemment.
• Sur une plage horaire entre 4h30 à 11h.

Charge thermique des restaurants

Pour les restaurants on procède exactement de la même manière afin de compléter notre calcul de Ojt. Ainsi on peut rajouter par simple addition.
• l’offre d’un seul restaurant : Ort.
• le nombre de restaurants : nr.
de telle manière que Ojt = nb*Obt + nr*Ort.
Concernant les restaurants, il est plus délicat de savoir quel matériel dégage le plus de chaleur, quelle est la quantité moyenne de ce matériel par restaurant et à quelle fréquence il est utilisé. Pour définir un matériel type on a donc choisi les éléments qualifiés de typiques d’une cuisine de restaurant selon l’Agence de l’Environnement et de la Maitrise de l’Energie (ADEME) et dont la courbe de charge est fournie [6]. Le matériel type d’un restaurant choisi est donc le suivant :
• 2 fours de restaurants : four_r.
• 2 tables de travail.
• 1 grill.
• 1 friteuse.
Ainsi on a Ort = 2*four_r + 2*tabletravail + friteuse + grill.
Les courbes de charges four_r, friteuse, grill et tabletravail sont obtenues à partir des données de l’ADEME. Le format des données de la courbe est le même que pour la boulangerie (1×96).
Le nombre de restaurants est obtenu à parti de la base de données d’Open Street Map (OSM) et on en compte nr = 747 à Lyon.

Détermination des besoins de chauffage

On procède de la même manière que précédemment en concevant d’abord un modèle de calcul qui va nous permettre de déterminer les besoins de chauffage des bâtiments au cours d’une journée type. Ces besoins sont appelés Dit, soit la demande de chacun des bâtiments i au cours du temps t, toujours au cours d’une seule journée. Cette demande Dit dépend des besoins B par jour de chacun des bâtiments et d’une courbe de référence courbebesoins qui permet de répartir les consommations au cours d’une journée. On commencera par déterminer les besoins B avant de lisser notre résultat grâce à la courbe.

Besoins thermiques des bâtiments

On a ainsi Dit = B*courbebesoins. Les besoins B par jour d’un bâtiment dépendent de sa performance énergétique journalière et de sa surface habitable de telle manière que B = P*Surface. Il faut souligner que le système est ici très simplifié en raison du très grand nombre de bâtiments à prendre en compte dans le système (volonté de l’appliquer sur une ville entière, Lyon). On travaillera donc sur une moyenne de la performance énergétique des bâtiments, exprimée en Wh/m²/jour. Il nous reste donc maintenant à obtenir les données nécessaires pour faire tourner notre système (voir ci-contre).

Affectation des lieux de consommation à un lieu de production

Une fois que l’on connait la production de chaleur de nos équipements de restauration et la consommation de nos bâtiments, l’objectif est d’effectuer une représentation spatiale de ce à quoi ressemblerait notre réseau de chaleur urbain et son intégration à la ville de Lyon. La priorité est de savoir quels bâtiments seront affectés à quelle source de chaleur à chaque instant t de notre journée type. En effet, les besoins énergétiques des bâtiments et la production de chaleur variant, un bâtiment peut se retrouver affecter à deux équipements de restauration différents à deux moments de la journée. On utilise un programme (Annexe 1) qui va effectuer les opérations suivantes pour chaque instant t de la journée. Pour chacun des bâtiments i, tour à tour, il recherche l’équipement de restauration j pour lequel le coût Cij est le moins élevé (dans notre cas le coût est une distance).Si l’équipement de restauration en question possède l’énergie thermique Ojt suffisante pour couvrir les besoins Dit du bâtiment, ce dernier est affecté à cet équipement. Sinon, l’algorithme recherche le second équipement pour lequel le coût Cij est le moins élevé et ainsi de suite. Si aucun des équipements ne peut répondre aux besoins du bâtiment alors il est dit « non affecté ».
Pour la ville de Lyon, le résultat attendu ait est donc une matrice d’affectation de format 32190×96 qui indique à quel équipement de restauration j (de 1 à 905) est affecté chacun des 32190 affecter en priorité. Affecter en premier ceux qui ont la plus petite surface habitable semble être une bonne option puisqu’ainsi une source de chaleur pourra être capable d’alimenter plus de bâtiments et donc plus de foyers. La matrice Dit sera donc triée avec les surfaces habitables dans l’ordre croissant. Pour appliquer cette affectation nous avons donc besoin des matrices Ojt, Dit et Cij. La matrice Ojt qui représente l’offre de chaque équipement de restauration j à chaque instant t est la matrice déterminée grâce aux résultats précédents (Détermination des charges de production). La matrice Dit qui représente les besoins de chaque bâtiment à chaque instant t est celle obtenue plus tôt également (Détermination des besoins de chauffage). On considère que nos canalisations du réseau de chaleur urbain suivent le réseau routier existant aujourd’hui sur la ville de Lyon. On choisit donc Cij comme étant la matrice des distances entre le centroïde de chacun des bâtiments i et le centroïde de chacun des équipements de restauration j, en passant par le réseau routier comme cela est fait habituellement. A partir de la Base de Données topologiques 2013, on extrait avec.
ArcGis le réseau routier de Lyon que l’on trie en gardant les voiries qui sont susceptibles de correspondre à notre réseau de chaleur (on enlève les sentiers, chemins, bretelles…). On utilise ensuite l’outil NetWork Analyst pour obtenir notre matrice Origine-Destination (OD) des distances entre nos Origines (bâtiments) et Destinations (équipements de restaurations).
Attention : cette opération n’a pas fonctionné pour la ville de Lyon en raison des (32190×905) = 29 131 950 distances à calculer ! Pour obtenir les distances entre les bâtiments et les équipements de restauration, on a donc effectué les calculs sur un quartier plus petit de Lyon, avec moins de données à traiter. Le résultat de l’affectation est ensuite reporté sur une carte.

Table des matières

Avertissement
Remerciements
1. Introduction
2. Fonctionnement des réseaux de chaleur
3. Détermination des charges de production
3.1 Charge thermique des boulangeries
3.2 Charge thermique des restaurants
4. Détermination des besoins de chauffage
4.1 Besoins thermiques des bâtiments
4.2 Charge thermique des besoins
5. Mise en relation du réseau
5.1 Affectation des lieux de consommation à un lieu de production
5.2 Dimensionnement du réseau de chaleur
6. Conclusion et limites
References

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