Le chauffage et l'eau chaude sanitaire avec un réseau de chaleur

Un réseau de chaleur n'est rien de plus qu'un réseau de conduites qui transporte la chaleur, émanant d'un ou plusieurs producteurs de chaleur, vers le(s) client(s). On utilise la vapeur ou l'eau comme fluide caloporteur. Un réseau de chaleur répond à la demande d'eau chaude sanitaire et de chauffage.

Possibilités

L'eau dans les conduites est amenée à une certaine température et pression, selon les besoins de l'utilisateur de chaleur. Aujourd'hui, les réseaux de chaleur de la troisième génération sont utilisés le plus souvent. Les réseaux de chaleur de quatrième génération font l'objet de nombreuses recherches.

1e generation

Ce sont les réseaux de vapeur, connus à New York. Un réseau de vapeur a toujours une pression de service et une température élevées, jusqu'à 300 °C. Les principaux avantages d'un réseau de vapeur sont les petits diamètres de conduite et les régimes de température élevée qui rendent intéressant le raccordement pour davantage d'utilisateurs. Les principaux désavantages sont les grandes pertes thermiques en raison des hautes températures et le nombre limité de producteurs de chaleur. La chaleur provient couramment d'une centrale électrique, d'un incinérateur, etc., et est surtout destinée aux grandes villes et consommateurs industriels.

2e generation

Les réseaux d'eau chaude ont des tempé­ratures de départ de 130 à 160 °C. Pour éviter que l'eau bout et forme de la vapeur, le réseau est mis sous haute pression. Les avantages sont e.a. les petits diamètres de tube et les petits échangeurs de chaleur. Le tamponnage de la chaleur est possible et en été, les réseaux de chaleur à eau chaude sont rentables pour le refroidissement par absorption. Les inconvénients sont les pertes de chaleur et le nombre limité de producteurs de chaleur en raison des hautes températures. La chaleur des réseaux d'eau chaude est produite par des centrales électriques, incinérateurs, etc. et destinée aux villes et sites (p.ex. hôpitaux).

3e generation

Réseaux de chaleur à haute température. Ces réseaux de chaleur avec températures de départ entre 80 et 110 °C conviennent fort bien au chauffage domestique et à la production d'eau chaude sanitaire. Les inconvénients sont les diamètres de tube relativement grands (jusqu'à 60 cm, isolation comprise) et le coût plus élevé de la pose. La chaleur est générale-ment produite par des chaudières classiques sur combustibles fossiles ou par la cogénération et livrée à des bâtiments à proximité comme des blocs d'habitation ou un campus scolaire. Dans le bâtiment, des systèmes d'énergie renouvelable peuvent apporter un complément de chaleur (p.ex. 40% de l'eau chaude sanitaire est chauffée par des collecteurs solaires, 60% par le réseau de chaleur).

4e generation

 les réseaux de chaleur à basse température, à savoir avec des températures de départ entre 20 et 50 °C, recourent à des producteurs de chaleur durable, p.ex. des pompes à chaleur raccordées à une source ouverte géothermique. Travailler à basse température est un grand avantage. Cela permet de brancher plus de sources de chaleur sur le réseau (il n'est pas toujours évident de trouver une chaleur résiduelle à haute température de p.ex. 130 °C). On perd moins de chaleur (plus la température du fluide est basse, moins il y a de pertes dans le réseau) et les basses températures offrent des possibilités de chauf­fage et de refroidissement avec le même réseau (p.ex. on peut re­froidir et chauffer à 20 à 25 °C). Si l'on refroidit et chauffe avec le même réseau, on ne parle plus de réseau de chaleur, mais de réseau d'énergie. Les désavan­tages des réseaux de chaleur à basse température sont les échan­geurs relativement grands tant chez les producteurs que chez les consommateurs, les grands dia­mètres de conduite et la nécessité de prévoir un système de chauffage local complémen­taire pour la production d'eau chaude sanitaire (afin de prévenir la légionelle, l'eau chaude sanitaire doit atteindre 60 °C). Les réseaux de chaleur à basse température prouvent surtout leur utilité dans les projets à basse énergie (p.ex. maisons passives).

Plus les températures de départ dans les conduites du réseau de chaleur sont basses, moins il y a de pertes de chaleur et plus les producteurs de chaleur peuvent être nombreux, mais plus les diamètres de tube doivent être grands et plus l'infrastruc­ture du réseau sera onéreuse. Le choix d'un régime de température est bien réfléchi.

Injecter la chaleur
dans le réseau

• Un réseau de chaleur peut comporter une, deux, trois ou quatre conduites. Un réseau de distribution à deux conduites (boucles d'arrivée et de retour) est le système le plus utilisé et peut servir pour la vapeur comme pour l'eau chaude. Un ou plusieurs producteurs peuvent injecter de la chaleur dans le réseau de chaleur. Injecter la chaleur dans le réseau se fait via des échangeurs à chaleur. L'échangeur à chaleur peut se trouver p.ex. dans une cheminée qui évacue les gaz de fumée brûlants de la combustion des déchets. Les gaz de fumée échauffent l'eau dans l'échangeur et l'eau de la conduite d'arrivée est portée à température. L'eau dans la conduite d'arrivée est amenée aux consommateurs de chaleur par des pompes de circulation. Les sources de chaleur possibles pour chauffer l'eau dans la boucle d'arrivée sont:
• chaleur résiduelle (incinérateurs, industrie intensive en énergie);
• sources renouvelables locales comme: biomasse, géothermie, énergie héliothermique, ...;
• combustible fossiles;
• cogénération (gaz, biomasse, charbon, électricité).

Utiliser la chaleur du réseau

Le réseau interne (pour eau chaude sanitaire et CC) des utilisateurs est désaccouplé du réseau de chaleur afin que des problèmes dans le réseau des utilisateurs n'influencent pas le bon fonctionnement du réseau de chaleur. Une partie de l'eau chaude provenant de la conduite d'arrivée est dérivée vers le bâtiment demandeur de chaleur. L'eau refroidie est évacuée du bâtiment vers la conduite retour du réseau de chaleur.

• Pour chauffage central: l'eau chaude du réseau de chaleur amenée s'écoule directement vers les corps CC dans une habitation. Via une vanne à deux ou trois voies, l'eau retour peut être mélangée. Parfois, on utilise un échangeur. L'eau CC refroidie est dérivée vers la conduite retour du réseau de chaleur.
• Pour eau chaude sanitaire: l'eau chaude sanitaire est produite dans chaque habitation (système à deux tubes avec stations d'étage dans chaque habitation) ou à un emplacement central dans le bâtiment (systèmes à quatre tubes). La production d'eau chaude sanitaire s'effectue par l'échauffement de l'eau de ville froide via un échangeur de chaleur, l'eau chaude s'écoule hors du réseau de chaleur.

Forces du réseau de chaleur

Les forces principales des réseaux de chaleur sont:

• l'utilisation possible de la chaleur résiduelle issue des processus industriels de la production électrique, du traitement des déchets;
• l'utilisation possible des sources d'énergie renouvelable;
• moindre dépendance aux combustibles fossiles;
• réduction de l'émission de gaz à effet de serre;
• flexibilité pour ajouter des producteurs de chaleur au réseau;
• une gestion et un entretien centralisés permettent une économie de coûts et de moyens;
• diminution du transport de combustibles.

Faiblesses du réseau de chaleur

Les principales faiblesses des réseaux de chaleur sont:

• la perception du passé;
• leur dépendance au lieu;
• coût d'investissement élevé;
• engagement à long terme entre fournisseurs et consommateurs;
• nécessité d'un prélèvement de chaleur suffisant pour récupérer l'investissement.