Equation de bilan
L'équation générale d'un tel bilan peut s'écrire sous forme d'un bilan en puissance, où la chaleur fournie par les différentes sources est égale à la chaleur utilisée, pour un pas de temps :
On suppose la présence d'un stock de chaleur qui peut, à chaque instant, soit être chargé, si on a un excès de chaleur disponible, ou être déchargé, si on a un déficit.
Stockage de chaleur et inertie thermique du réseau.Remarque
Les réseaux de chaleur dépassent généralement plusieurs kilomètres de longueur. La masse d'eau contenue dans les canalisations donne une inertie thermique au réseau et constitue de facto un stock de chaleur.
Dans de nombreux bâtiments, le chauffage est ralenti la nuit et les locaux ont besoin d'être remis en température le matin. La puissance demandée peut alors parfois excéder la puissance installée en chaufferie. Avant cette relance matinale, l'opérateur surchauffe le réseau de quelques degrés pour faire face à cette augmentation temporaire de la puissance demandée.
Des dispositifs de stockage spécifiques (ballon tampon d'eau chaude par ex.) sont parfois installés mais restent peu répandus et correspondent à une capacité modeste. Le stockage de la chaleur à grande échelle reste encore une question mal résolue sur le plan technologique.
Rappel
Les sources de chaleur peuvent être modulables (capables de s'adapter à la demande) ou non :
Une chaudière est modulable (l'opérateur du réseau en commande le fonctionnement en permanence, automatiquement ou manuellement)
Certaines sources sont non modulables comme la chaleur fatale d'une usine d'incinération d'ordures ménagères ou d'une cogénération. Dans ce cas, si la chaleur disponible devient excédentaire (en l'absence d'un autre usage possible de cette chaleur), il faut l'évacuer, par exemple avec des batteries d'aéroréfrigérants.
Equation générale du bilan thermique
La puissance utilisée par les usagers est une contrainte à satisfaire par l'opérateur.
Néanmoins, cette contrainte ne comporte pas les mêmes impératifs que pour un réseau électrique où elle doit être vérifiée à l'échelle de la minute. L'inertie des usages apportée par l'inertie thermique des bâtiments ou le stockage de l'eau chaude sanitaire donne une certaine souplesse et le bilan doit être équilibré à l'échelle de l'heure environ. En outre, il n'existe pas de dispositif du type « disjoncteur » : si la demande excède la production, les usagers sont servis partiellement, mais ce n'est pas une logique tout ou rien. Le réseau ne risque pas de s'écrouler par défaut d'équilibrage comme un réseau électrique, même si évidemment la fourniture est susceptible d'être interrompue pour d'autres raisons (rupture d'une canalisation, panne de pompe...).
Le rôle de l'opérateur du réseau consiste donc à gérer la fourniture de chaleur par les différentes sources et installations de production au fil du temps pour satisfaire la demande, en garantissant la sécurité des installations et en minimisant les coûts de fonctionnement et les émissions polluantes.
L'équation générale du bilan thermique d'une canalisation en régime permanent permet de mieux comprendre ce levier :
Dans une canalisation où circule un débit massique ṁ d'eau [kg/s], entre un point A et un point B (où les températures sont respectivement TA et TB [°C] ), la puissance échangée entre A et B (reçue ou fournie par le fluide) est égale à :
Le terme Cp est la capacité calorifique de l'eau [kJ.kg-1.°C-1]
En particulier, aux bornes de la chaufferie, le point B correspond au départ du réseau et le point A au retour, le débit ṁ correspondant au débit en tête de réseau (le débit diminue au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la chaufferie et qu'une partie des usagers sont desservis)
Pour transporter la puissance thermique de la chaufferie jusqu'aux usagers et l'adapter aux besoins, on peut donc agir sur le débit du réseau et/ou la température de départ TD (sortie chaufferie).
Remarque
Comme nous l'avons vu à la page précédente (Bilan énergétique : Données et modèles), les installations énergétiques, comme la plupart des systèmes physiques, sont des systèmes dynamiques : elles fonctionnent en régime dynamique (ou variable), c'est à dire que certaines de leurs caractéristiques varient en fonction du temps (températures, pressions, débits, ... et donc puissances).
Par opposition au régime dynamique, il existe un régime de fonctionnement -le régime permanent (ou statique)- où ces caractéristiques de fonctionnement ne changent pas en fonction du temps et sont donc constantes. Même si ce régime permanent n'est pas toujours observé fréquemment, c'est néanmoins un régime très intéressant du point de vue théorique, car beaucoup plus simple à modéliser. Il permet d'identifier les caractéristiques de fonctionnement les plus importantes, comme c'est le cas avec l'équation ci-dessus du bilan thermique d'un réseau de chaleur.
