Chapitre 4 Conception des réseaux multi-énergie en prenant en compte l’aspect spatial
3. Etape 1 : Positionnement des moyens de production via une optimisation exergétique en
3.3. Synthèse des valeurs de binaires
La synthèse des solutions obtenues permet de regrouper les configurations optimales obtenues à l’étape 1 de la méthodologie proposée.
Dans un premier temps, il est remarqué que quand une seule PAC est placée, les solutions en été et en mi-saison sont équivalentes en termes de configuration du réseau (scénarios a et c). Ceci signifie que la topologie du réseau est la même, mais avec des températures qui peuvent être différentes.
En outre, ajouter une 2ème PAC au niveau des bâtiments (scénario b) ne change pas le réseau obtenu pour le scénario a, ni l’emplacement de la 1ère PAC. C’est sa puissance qui est modifiée, car la nouvelle PAC permet de satisfaire une partie de besoins à plus basse température. La solution pour le scénario b, inclue la solution pour le scénario a. Plus précisément, considérer la configuration obtenue pour le scénario b, en termes de binaires pour les PAC, permet, implicitement de retrouver la solution du scénario a, dans le cas où la 2ème PAC a une puissance nulle.
Les solutions des scénarios c et d prévoient au moins une température aller pour le réseau à 65°C. Il s’agit d’une solution centralisée, car des PAC ne sont pas placées aux pieds de chaque immeuble, mais plutôt au niveau de la serre. Exergétiquement, la solution n’est pas intéressante. Economiquement, ceci pourrait être envisageable, mais enlèverait un degré de flexibilité lié à l’utilisation des PAC décentralisées. La configuration d’un réseau tri-tube, avec une boucle à 40/50°C selon la saison et une boucle à 65°C est intéressante exergétiquement (scénario d) mais serait économiquement plus chère qu’un réseau bitube. Les deux solutions ne sont donc plus étudiées par la suite.
La solution du scénario e est considérée telle quelle. Il s’agit d’une solution avec une PAC centralisée et des PAC décentralisées pour l’ECS.
Deux configurations sont donc retenues pour l’étape 2 de la méthodologie : La 1ère configuration consiste en une boucle d’eau tempérée, qui permet à la fois le refroidissement de la serre et, via des PAC, de fournir le besoin de chaleur des bâtiments (Figure 138). La 2ème configuration consiste en un réseau à basse température, qui permet de chauffer les
bâtiments et, via une PAC, de refroidir la serre (Figure 139). Les deux configurations retenues sont présentées ci-dessous :
Figure 138 Configuration I : Boucle d'eau tempérée
Figure 139 Configuration II : Réseau à basse température
La première étape de l’optimisation a permis alors de définir l’emplacement optimal des PAC. Les binaires permettent d’identifier si les niveaux de température pour chaque élément permettent ou pas les échanges de chaleur, en local ou avec le réseau. Pour chacune de deux configurations, les valeurs de binaires sont extraites. Ces valeurs seront utilisées aux étapes suivantes.
Tableau 42 Config Configuration I - Valeurs de binaires j=1 j=2 j=3 j=1 j=2 j=3 𝑏𝑖,𝑗𝑐,𝑖𝑛 𝑏𝑖,𝑗𝑐,𝑜𝑢𝑡 i=1 1 0 0 1 0 0 i=2 1 0 0 0 0 0 j=1 j=2 j=3 j=4 j=5 j=1 j=2 j=3 j=4 j=5 𝑏𝑖,𝑗𝑓,𝑖𝑛 𝑏𝑖,𝑗𝑓,𝑜𝑢𝑡 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1
Flux chauds Flux froids
Tableau 43 Configuration II- Valeurs de binaires j=1 j=2 j=3 j=1 j=2 j=3 𝑏𝑖,𝑗𝑐,𝑖𝑛 𝑏𝑖,𝑗𝑐,𝑜𝑢𝑡 i=1 0 0 1 0 0 1 i=2 0 0 1 0 0 0 j=1 j=2 j=3 j=4 j=5 j=1 j=2 j=3 j=4 j=5 𝑏𝑖,𝑗𝑓,𝑖𝑛 𝑏𝑖,𝑗𝑓,𝑜𝑢𝑡 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0
Flux chauds Flux froids
Les indices 𝑖 ∈ {1,2} correspondent aux températures possibles pour le réseau et les indices 𝑗 ∈ {1,5} correspondent aux flux. Pour les flux froids, le flux 1 correspond à la demande en ECS entre x et 60°C, le flux 2 à la demande en ECS entre 15°C et x, le flux 3 à la demande de chauffage pour les bâtiments ; le flux 4 à l’évaporateur de la 1ère PAC, et le flux 5 à l’évaporateur de la 2ème PAC. Pour les flux chauds, le flux 1 correspond aux besoins de refroidissement de la serre, le flux 2 au condenseur de la 1ère PAC et le flux 3 au condenseur de la 2ème PAC.
Il est rappelé que, selon la formulation mathématique proposée, les binaires définissent la possibilité d’échange et non pas l’échange lui-même. A titre indicatif, pour la lecture du Tableau 42, la valeur 1 du binaire 𝑏1,4𝑓,𝑖𝑛 et du binaire 𝑏2,4𝑓,𝑜𝑢𝑡 doit être interprétée de la façon suivante : dans le cas d’un échange entre l’évaporateur et le réseau entre les températures 𝑇1𝑛𝑒𝑡 et 𝑇2𝑛𝑒𝑡 , la température du réseau doit être supérieure à celle du flux. Il est également noté que les flux froids 1, 2 et 3, qui représentent les besoins de chauffage et ECS des bâtiments n’échangent pas avec le réseau, mais localement avec les bâtiments. Donc tous les binaires correspondants à l’échange avec le réseau sont nuls.
De façon équivalente, pour la lecture du Tableau 43, les binaires 𝑏3,2𝑐,𝑖𝑛 et 𝑏3,2𝑐,𝑜𝑢𝑡étant égaux à 1 ; le condenseur peut chauffer le réseau à température 𝑇2𝑛𝑒𝑡. Il est également noté que les flux chauds 1 et 2, qui représentent les besoins de refroidissement de la serre et l’évaporateur de sa PAC, n’échangent pas avec le réseau, donc tous les binaires leurs correspondant sont nuls. Pour les échanges en local, les variables binaires suivantes sont considérées.
Tableau 44 Valeurs de binaires pour les échanges en local Configuration I Configuration II 𝑏1,2𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙= 1 𝑏2,2𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙= 1 𝑏2,3𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙= 1 𝑏3,3𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙= 1 𝑏1,2𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙= 1 𝑏2,2𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙= 1 𝑏5,1𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙= 1
Pour la 1ère configuration (notée I), les 2 premiers binaires indiquent que la 1ère PAC peut satisfaire les besoins d’ECS. Les 2 autres binaires, indiquent que la 2ème PAC peut satisfaire les besoins en chauffage et une partie des besoins en ECS.
Pour la 2ème configuration (notée II), les 2 premiers binaires indiquent que la 1ère PAC peut satisfaire les besoins d’ECS. Le 3ème binaire indique que la serre est refroidie par l’évaporateur de la 2ème PAC.
Il est rappelé que l’optimisation est effectuée à cette étape que sur une seule période afin d’identifier des configurations optimales. Seules les valeurs de binaires sont retenues dans cette étape. Ainsi les puissances des moyens de productions sont susceptibles de changer car le profil de la demande considérée va également être modifié à chaque période. Les résultats du dimensionnent des PAC et des utilités ne sont donc pas extraits de cette étape d’optimisation.
A titre indicatif, les résultats complets pour la période 11 pour les scénarios a, b et e sont présentés dans le Tableau 45.
Tableau 45 Résultats de la 1ère étape de la méthodologie pour les scénarios a, b et e pour la période 11 Scénario a Scénario b Scénario e
Exergie totale consommée (kW) 1.12 0.96 1.02
Puissance du groupe froid (kW) 6.2 6.0 6.1
Puissance totale aux condenseurs des PAC (kW) 2.7 2.7 3.4 Puissance totale aux compresseurs des PAC (kW) 0.9 0.7 0.8
Pour les scénarios a et b, il est observé que les PAC fournissent la même puissance, qui correspond aux besoins de chauffage et de refroidissement. Le scénario b est meilleur exergétiquement, car l’utilisation de deux PAC permet d’avoir un meilleur COP pour chacune des PAC, et donc de réduire la puissance aux compresseurs. Pour le scénario e, la puissance fournie par les condenseurs est supérieure par rapport aux cas précédent. En effet, la source froide pour la PAC placée aux bâtiments est le réseau, et donc, une partie de la chaleur transportée par le réseau, et donc fournie par la PAC au niveau de la serre, ne couvre pas les besoins mais constitue la source froide pour la 2ème PAC.