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CES 01 - Développement de méthodes de conception de nouvelles architectures de réseaux de chaleur et de froid

CES 01 - Développement de méthodes de conception de nouvelles architectures de réseaux de chaleur et de froid

Development of design methods of new Heating & cooling district networks

Proposition de thèse

Spécialité

Energétique et Procédés

Ecole doctorale

SMI - Sciences des Métiers de l'Ingénieur

Directeur de thèse

STABAT Pascal

Co-directeur de thèse

TRAN Cong-Doan

Unité de recherche

Energétique et Procédés

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Site Web
Mots-clés

Performance énergétique des quartiers, modélisation de réseaux thermiques, dimensionnement, Optimisation

District energy performance, thermal network modeling, Sizing, Optimization

Résumé

Proposition d'une méthodologie de sélection et de dimensionnement d'architectures de réseaux de chaleur et de froid les plus appropriées en fonction des usages thermiques dans les quartiers pour les concepteurs de réseaux

Proposal of a methodology of selection and sizing of the most appropriate architectures of heat and cold networks according to the thermal uses in district areas for designers of networks

Contexte

Les systèmes de chauffage urbain ont été utilisés pour le chauffage des locaux et la préparation d'eau chaude sanitaire depuis les années 1880. Depuis cette période, l'efficacité de ces systèmes a été améliorée en continu et aujourd'hui quatre générations de systèmes de chauffage urbain peuvent être distinguées. Celles-ci peuvent être différenciées par le vecteur énergétique, les niveaux de température, les moyens de production, les systèmes de circulation et les sous-stations.
Les réseaux de chaleur et de froid avec des architectures et des couplages énergétiques/technologiques nouveaux, apparaissent comme une solution appropriée pour les projets d'éco-quartiers d'aujourd'hui En effet, les technologies sont efficaces et les réseaux offrent une grande opportunité pour valoriser les énergies renouvelables et de récupération ainsi que de fortes capacités de couplage avec d'autres infrastructures énergétiques (électrique et gaz).
Dans des projets de nouveaux réseaux associés à des quartiers neufs, ou de conversion de réseaux anciens à haute température, ou d'extension de réseaux existants, des questions se posent sur le choix de l'architecture des réseaux thermiques pour la meilleure performance énergétique.

Encadrement

Réunions de suivi mensuel EFFICACITY/MINES, suivi régulier EFFICACITY, MINES entre les réunion bipartites

Domaine(s)

« Energétique thermique combustion' 'Génie électrique' 'Mécanique énergétique génie des procédés génie civil'

Profil candidat

Profil type pour une thèse à MINES ParisTech: Ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais. Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité. Motivation pour l'activité de recherche. Projet professionnel cohérent.
Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) Formation en énergétique/ (bâtiment et systèmes). maîtrise d'outils de modélisation et simulation (Dymola/ Modelica), maîtrise d'outils d'analyse de données et programmation (Python).

Standard profile for a Mines ParisTech thesis: Engineer and/or Master's degree preparing to be a researcher - Good level of general and scientific knowledge. Good level of practice of French and English. Good capacities of analysis, synthesis, innovation and communication. Qualities of adaptability and creativity. Motivation for the activity of research. Coherent professional project.
Prerequisite: Training(Formation) in energy / (building and systems). Control of modelling tools and simulation (Dymola /Modelica), control of tools of analysis of data and programming (Python)

Résultat attendu

• Développer une plateforme de modélisation des réseaux thermiques flexible pour étudier différentes architectures de réseaux et typologies de quartiers
• Identifier les meilleures solutions en fonction des types de quartiers
• Proposer une méthode de sélection et de dimensionnement des réseaux de chaleur et de froid pour les concepteurs de réseaux
Ces travaux pourront servir de base de travail pour définir et évaluer des mécanismes d'échanges énergétiques (quel dispositif de transaction ?) entre les bâtiments/producteurs au niveau du quartier et pour évaluer les apports de ces nouveaux réseaux de chaleur et de froid dans la transition énergétique et environnementale de la Ville.

Objectif

Les objectifs de la thèse sont :
• d'apporter des connaissances pour répondre aux questions suivantes :
- Quelles sont les configurations de réseaux les plus adaptées (niveau de température, réseaux bi-tubes/tri-tubes, architecture de sous-station…) par rapport à un contexte donné, c-a-d en fonction de la typologie du quartier (résidentiel, tertiaire, mixte), du projet (quartier neuf ou à rénover), des sources d'énergie disponibles dont les énergies renouvelables et récupérables, ainsi que des contraintes et opportunités locales
- Quelles sont les mix-énergétiques pour la production d'énergie (cogénération, les PAC, solaire, biomasse, géothermie, énergie de récupération…) les plus appropriés ? Que peuvent apporter des stockages d'énergie ? Quelle serait la taille idéale des systèmes et stockages (quels sont les éléments qui « décident » cette taille) et comment pourraient-ils être couplés aux réseaux ?
- Quel est le type ou la combinaison de bâtiments (tertiaire, résidentiel, commerce …) idéale pour que ces réseaux soient efficaces ? Quel lien entre intensité (minimum de la réglementation, basse consommation …) et type d'usage (chauffage, froid, ECS …) et meilleure performance de ces réseaux ?
- Quels indicateurs techniques, environnementaux et économiques retenir pour comparer ces configurations entres elles ?
• de proposer des méthodes de dimensionnement multicritères de ces nouveaux réseaux de chaleur et de froid intégrant les capacités d'extension futures et l'évolution des coûts et impacts environnementaux des énergies

Références

IMPACTS OF DIFFERENT COMBINATIONS OF HEATING LOAD PROFILES OF A BUILDING ISLAND ON A SMALL DISTRICT HEATING SYSTEM O. Greslou, P. Stabat, B. Duplessis and J. Adnot Proceedings of SEEP2013, 20-23 August 2013, Maribor, Slovenia
Optimization of primary temperature supply control on district heating system. Fabre Antoine, Thomas Romain, Tran Cong-Toan, Duplessis Brun, Stabat Pascal, DHC+ 2018
4th Generation District Heating (4GDH)
Integrating smart thermal grids into future sustainable energy systems,. Henrik Lund, Sven Werner , Robin Wiltshire , Svend Svendsen, Jan Eric Thorsen ,Frede Hvelplund , Brian Vad Mathiesen. Energy(68) 2014
These Mines Paristech, Damien Casetta 2017

Type financement

Financement par une entreprise

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