Soutenance de thèse de Gautier HYPOLITE

Dans le but de réduire la consommation de combustibles fossiles pour la production de chaleur et de froid, différentes sources de chaleur peuvent être envisagées. Étant donné la quantité d’eau qu’ils transportent, les réseaux d’adduction d’eau peuvent jouer ce rôle et semblent avoir un potentiel thermique élevé. A ce jour, cette source n’a pas été utilisée : le problème principal étant d’optimiser le dimensionnement des équipements en fonction de la variabilité temporelle du débit d’eau, de la température d’eau, et de la demande de chaleur (ou de froid). Un premier travail est d’évaluer l’énergie thermique disponible. Pour cela, un modèle basé sur un nombre minimal demesure a été développé. Il permet de déterminer l’évolution annuelle de la température et du débit en chaque point du réseau. Les variations temporelles de la demande en eau et de la température de surface sont prises en compte. la température de surface est obtenue par des mesures satellites. Des mesures de débit d’eau, de température de sol et de température d’eau dans le réseau sont effectuées pour valider les modèles et les propriétés thermiques du sol. Une simulation du comportement hydraulique et thermique est réalisée pour l’année 2018 et est comparée à ces mesures. L’influence sur la température de l’eau de l’ajout de plusieurs échanges de chaleur sur le réseau est ensuite évaluée avec ce modèle. Dans cette étude, le potentiel d’un système d’eau brute (composé de 5000 km de canalisation, et transportant 200 millions demètres cube d’eau par an dans le sud de la France) est étudié. Comme la température, le débit et la demande de chaleur sont fortement dépendants du temps, une méthode a été développée pour optimiser le dimensionnement et l’emplacement des systèmes d’échange. Cette méthode est basée sur la minimisation de la création d’entropie dans l’échangeur de chaleur entre les conduites et les utilisateurs. Le comportement dynamique de l’échangeur de chaleur simple (tube concentrique) entre le réseau et l’utilisateur estmodélisé (calcul du profil de pression et de la température des fluides et de la paroi). La valeur de la création d’entropie, due à la différence de température et aux pertes de charge dans l’échangeur, est obtenue en fonctionnement transitoire. Cette valeur est utilisée comme fonction objectif pour l’optimisation. Les résultats basés sur le refroidissement d’un datacenter montrent que le gain d’entropie est important lorsque la taille optimale de l’échangeur de chaleur est choisie. L’utilisation du réseau d’eau brute connecté à une pompe à chaleur réversible pour le chauffage et le refroidissement d’un bâtiment a également été étudiée et permet d’obtenir un gain élevé par rapport à une pompe à chaleur à air.

In order to reduce fossil fuels consumption for heating and cooling, different heat sources can be considered. Given theamount ofwater they carry, water supply systems can play this role and appear to have a high thermal potential. To date, this source has not been used: the main problem is to optimize the sizing of the equipment according to the temporal variability of water flow, water temperature, and the heat (or cold) demand. A first task is to evaluate the available thermal energy. For this purpose, a model based on a minimum number of measurements has been developed. It allows to determine the annual evolution of the temperature and the flow at each point of the network. Temporal variations of water demand and soil surface temperature are taken into account. The ground surface temperature is obtained by satellite measurements. Water flow, soil temperature and water temperature measurements in the network are performed to validate the models and the soil thermal properties. A simulation of the water system hydraulic and thermal behavior is performed for the year 2018 and compared to these measurements. The impact on the water temperature of adding several heat exchanges to the network is then evaluated with this model. In this study, the potential of a raw water system (composed of 5000 km of pipes, and transporting 200 million cubic meters of water per year in the south of France) is studied. As the temperature, the flow rate and heat demand are highly time dependent, a method has been developed to optimize the sizing and location of the exchange systems. This method is based on minimizing the entropy generation in the heat exchanger between the water pipes and the users. The dynamic behavior of a simple heat exchanger (concentric tube) between the network and the user is modeled (pressure profile and fluids and wall temperature calculation). The value of entropy generation due to temperature difference and pressure drop in the exchanger is obtained in transient operation, this value is used as an objective function for the optimization. The results based on the cooling of a data center show that the entropy gain is significant when the optimal size of the heat exchanger is chosen. The use of the raw water network connected to a reversible heat pump for heating and cooling a building has also been studied and results in a high gain compared to an air source heat pump.