Soutenance mémoire
Le réseau de chauffage
Les types de réseaux
Réseau à basse température
L’énergie est produite de manière décentralisée par plusieurs unités d’un réseau interconnecté.
L’eau est transportée à basse température (8 à 15°C). Cette solution est généralement mise en œuvre lorsqu’il y a une grande distance entre le lieu de captage de l’énergie (conduite des eaux usées, station d’épuration) et les consommateurs. La figure 8 montre ce dispositif.
Ses avantages sont les suivants :
– Réduction des pertes de chaleur,
– Possibilité d’employer des conduites en matériaux synthétiques non isolées, donc meilleur marché,
– Utilisation possible sur des distances de plus de 1 km,
– Prise en compte de différentes conditions de température en fonction des besoins des consommateurs,
– Possibilité de réalisation par étapes.
• Réseau haute température
La chaleur est produite à un seul endroit puis transportée à des températures élevées (65 à 80°C) jusqu’aux différents consommateurs. Les canalisations doivent être isolées, ce qui implique des investissements importants. Ce système s’applique principalement lorsque les consommateurs sont proches les uns des autres. La figure 8 décrit ce dispositif.
Les avantages sont les suivants :
– Maintenance et entretien centralisés et simplifiés,
– Conditions de contracting plus simples,
– Investissements spécifique moins élevés pour une seule grande chaufferie que pour plusieurs petites,
– Espace nécessaire réduit pour les installations techniques dans les bâtiments raccordés.
Choix des sites
Méthode du choix des sites
Les sites ont été choisis en fonction de leurs capacités pour garantir le bon fonctionnement des échangeurs.
– Les sites sont proches de sites de mesures(vitesse,débitmètre)
– Les bâtiments à chauffer doivent être des bâtiments municipaux et chacuns ont un fonctionnement spécifique ( piscine Hébert et école Clichy )
– Les égouts (Clichy et la Chapelle) ont de bonne capacités hydrauliques ( hauteur d’eau, débit,vitesse).
Description des ouvrages et des bâtiments
Le collecteur de Clichy alimentera en chaleur l’école de Clichy. Le collecteur de la Chapelle chauffera la piscine Hébert.
Collecteur de Clichy
Les plans et les coupes (figure 9) ont été recueillis au sein de la Division des Grands Travaux (DGT) auprès des dessinateurs. La cunette du collecteur est de forme quasi-rectangulaire :
– hauteur de 2 m
– largeur de 3,1 m
Fonctionnement du chauffage
On étudie la consommation de chauffage de chaque bâtiment (Ecole de Clichy et Piscine Hébert). Les formules proviennent d’un rapport réalisé par deux ingénieurs de la ville de Paris intitulé « Rapport sur le déploiement du « Degré bleu » dans le périmètre parisien » d’Emmanuel Tomi et d’Arnaud Heinrich et d’autres formules utilisées par un agent de la Ville de Paris de la direction de la Jeunesse et des Sports. L’objectif est de trouver une puissance appelée pour dimensionner l’échangeur à chaleur et la pompe à chaleur. On commencera par l’école de Clichy et ensuite par la piscine Hébert.
Pour l’école de Clichy, les calculs concernent que le chauffage et pour la piscine Hébert, les calculs seront sur l’eau chaude sanitaire et le réchauffement de la piscine. La méthode est expliquée et détaillée au fur et à mesure du cheminement.
L’école de Clichy
Détail des formules et hypothèses
Calcul du volume
Nous avons mesuré le volume pour chaque niveau et les surfaces sont calculées sur les plans délivrés par la SLA du 9 ème arrondissement.
Calcul du nombre de DJU
Le nombre de DJU est pris sur l’année 2012 parce que les données sont complètes.
Les températures sont prises au maximum et au minimum pour chaque jour de l’année 2012 (annexe). Ces données ont été récoltées sur le site internet de Météociel. Après la moyenne arithmétique a été calculée pour chaque température maximale et minimale pour chaque journée et ensuite, une autre moyenne a été réalisée pour chaque mois pour avoir la température moyenne mensualisée.
Pour avoir le nombre DJU pour chaque mois (équation 4), la température moyenne à la journée a été utilisée en la soustrayant à la température de chauffage du bâtiment. C’est-à-dire 25°C.
Mise en œuvre
Dans ce chapitre, la mise en œuvre des travaux commencera d’abord par le dimensionnement des échangeurs à chaleur, ensuite par la mise à sec des collecteurs, puis l’exécution des travaux pour leur mise en place dans les collecteurs.
Dimensionnement des échangeurs à chaleur
Principe de dimensionnement des échangeurs à plaque
Pour ce paragraphe, les formules proviennent d’un rapport celui d’Emmanuel TOMI et Arnaud HEINRICH, de deux cours de Jacques PADET (« chapitre 3 : Méthode générale de calcul pour les échangeurs et chapitre 4 : Détermination des coefficients d’échanges dans les échangeurs à fluides séparés ») et d’une notice commerciale pour connaître les caractéristiques de la pompe à chaleur ( « Carrier ») présente en annexe 1.
Etape1 : Evaluation du coefficient de convection
Le coefficient d’échange par convection est une propriété de l’écoulement, sa détermination passe donc par le calcul de grandeurs caractéristiques de l’écoulement, à savoir le rayon hydraulique et le nombre de Reynolds.
A partir de la mesure de la hauteur d’eau et connaissant la géométrie de la cunette, il faut d’abord déterminer le périmètre mouillé et la section mouillée. On obtient alors le rayon hydraulique par application de la formule suivante (équation 20).
Etape 5 : Détermination du nombre de module
Dans un premier temps, le projeteur calcule le facteur de refroidissement (équation 30) qui est le produit de l’efficacité de l’échangeur par le rapport de déséquilibre. Ce terme caractérise le refroidissement des effluents, et donc le comportement des modules d’échange successifs.
Équation 30
Dans un second temps, le projeteur évalue l’offre en énergie des effluents et la compare aux besoins du bâtiment. Pour ce faire, le projeteur relève dans le catalogue du constructeur la puissance calorifique échangée dans l’évaporateur de la pompe à chaleur choisie. Il s’agit de la puissance à extraire de la source froide. Il calcule ensuite la puissance limite (équation 31) pouvant être extraite des effluents au moyen de la formule suivante.
Mise à sec des collecteurs
Dans cette section, la mise à sec des collecteurs signifie que les eaux ne circulent plus sur un tronçon donné pendant une période donnée à l’intérieur de la cunette tout en assurant un fonctionnement satisfaisant du collecteur. La méthode et les calculs sont développés tout au long de cette partie.
Etude de mise à sec du collecteur de Clichy
Cette étude provient d’un rapport de l’entreprise de SEGIC intitulée « Mise à sec du Clichy AMONT à Paris (1 er , 2 ème et 9 ème arrondissement) ». Elle a été réalisée pour la réhabilitation du collecteur. Lamise à sec concerne le tronçon entre le collecteur de la Victoire et Place de Clichy.
Consigne de travaux
Les consignes de travaux sur le collecteur sont les suivantes :
– absence de rejet dans le milieu naturel (rejets en Seine) par temps sec, période de retour de protection du chantier : en temps de pluie ; le dispositif de mise à sec d’un collecteur devra assurer une protection du chantier pour des pluies d’occurrence de 1 mois. Au-delà de cette occurrence, le chantier sera susceptible d’être inondé, surcharge acceptable le long des ouvrages : la montée de laligne d’eau générée par la mise en place d’un barrage devra causer un minimum de désagrément(refoulement) au niveau des branchements particuliers.
– dimension des busages : le diamètre intérieur sera de 800mm (voir 1000 mm) maximum pour des contraintes de mise en oeuvre et de réalisation des travaux,
– durée des travaux : les travaux se dérouleront en dehors des périodes d’orages, soit sur 7 mois del’année d’octobre à avril.
La démarche suivante a été appliquée pour la réalisation de l’étude de mise à sec :
– détermination des bassins versants drainés par le collecteur Clichy,
– détermination de la pluie de retour 1 mois et des débits associés à prendre en compte,
– détermination des apports directs au collecteur par temps sec,
– détermination des apports directs au collecteur par temps de pluie,
– étude et analyse des mises à sec faites antérieurement sur les collecteurs
Sébastopol Nord et Sud,
– étude des principes généraux de déviation,
– définition des principes de busage et dimensionnement.
Débit de temps sec
Détermination des débits de temps sec
Le débit amont du collecteur de Clichy est constitué des apports du collecteur Sébastopol Nord, du collecteur Sébastopol Sud, du collecteur Rivoli Est et du collecteur des Quais. Le débit amont est considéré égal à la somme des débits des points P213 + P220 et du débit du collecteur Rivoli Est. Le débit aval est celui du point de mesures P219 situé juste en amont de l’arrivée du collecteur des coteaux. Les débits maximum de temps sec du collecteur Rivoli Est et des antennes adjacentes au collecteur Sébastopol Sud entre le point 213 et le collecteur de Clichy ont été estimés à partir des bassins versants drainés, de la densité de la population dans le centre de paris et la consommation d’eau sur Paris. Ces débits sont présentés dans le tableau 22 ci-après.
L’ensemble des mesures a été validé, notamment en supprimant les données aberrantes (valeurs extrêmes isolées).
Les courbes de temps sec peuvent évoluer en fonction des configurations des réseaux en amont, mais le débit d’apport sur le collecteur de Clichy reste stable.
Le débit de temps sec propre au collecteur Clichy amont (sans les débits amont) est de l’ordre de 1 m 3 /s. Ce débit est cohérent avec les 1,08 m3/s du calcul théorique effectué à partir de la surface de bassin versant drainé par le collecteur de Clichy (3,08 km²).
Le débit d’apport de temps sec propre au collecteur Clichy amont a ensuite été réparti sur les collecteurs d’apport adjacents au prorata de leurs surfaces de bassins versants respectifs (par rapport à la surface totale de 3,08 km²).
Débit de temps pluie
Pluie projet
Les débits de temps de pluie ont été calculés pour une période de retour 1 mois, période usuellement fixée pour la mise à sec des collecteurs. La pluie retenue pour le dimensionnement sera d’une durée de 30 minutes, valeur moyenne du temps de concentration des bassins versants étudiés.
La SAP réalise dans le cadre de ses bilans annuels une analyse des périodes de retour des pluies. La période de 1 mois est traitée mais sur des durées variant de 1 heure à 24 heures.
La valeur d’intensité moyenne sur 30 minutes a été appréhendée suivant 2 approches :
– l’application des ratios donnés par l’instruction technique de 77 : Méthode 1,
Soit i(t,F) l’intensité maximale de la pluie de durée t et de fréquence de dépassement F. i(t,F) = a(F) × t b(F) avec i(t,F) en mm/minute et t en minutes.
Le secteur étudié correspond à deux zones servant de base de données disposant chacune de valeurs distinctes pour a (10ans) et b (10ans).
Sélection des pluies
Les données pluviométriques utilisées sont issues de 5 pluviomètres de la SAP (PL03, PL04, PL09, PL11, PL13) sur la période de septembre à mai des années 2007 à 2010. Les données pluviométriques ont été analysées avec une moyenne glissante.
Les pluies sélectionnées présentent un cumul entre 2,4 et 3,6 mm sur 30 minutes, correspondant à une intensité pluviométrique entre 4,8 à 7,2 mm/h.
Les pluies retenues correspondent aux pluies de période de retour d’un mois environ, classées préférentiellement par les pluviomètres en amont des bassins versants, dont les mesures des 3points de mesures de débits sont disponibles, ainsi que les pluviomètres.
Mise en place des déviations amonts
L’analyse des mises à sec faites sur les collecteurs Sébastopol Nord et Sud ont conduit au principe de déviation suivant à l’amont du collecteur Clichy:
1) Mise en place d’un barrage n°1 dans le collecteur des Quais à l’aval du siphon Cuvier et fonctionnement du Siphon Cuvier en sens inverse. Tous les effluents arrivant en amont du siphon Cuvier y sont envoyés via l’usine Mazas.
– 2) Mise en place :
– d’un barrage n°2 dans le collecteur Sébastopol nord à l’aval du collecteur Centre,
– d’une station de pompage de 350l/s (temps sec dans le collecteur Centre au niveau de l’intersection avec Sébastopol) La station de pompage renvoie les effluents de temps sec vers le Collecteur des Petits Champs.
Les effluents de temps de pluie 1 mois s’écoulent vers Sébastopol Nord et le collecteur des Coteaux (passage d’un point au niveau de la rue Notre Dame de Nazareth) – 3) Mise en place :
– d’un barrage n°3 dans le collecteur Sébastopol sud à l’aval de l’intersection avec le collecteur Rivoli Est,
– d’un barrage n°4 dans le collecteur Quai de la Mégisserie au niveau du point haut,
– d’une station de pompage de 1225l/s dans Sébastopol sud au niveau de l’intersection avec le collecteur Rivoli Est et en amont du barrage n°3.
La station de pompage renvoie les effluents de temps sec et de temps de pluie 1 mois derrière le barrage n°4 Quai de la Mégisserie.
De plus afin de limiter les apports du Collecteur Centre, il sera envisagé de :
– fermer le siphon Richard Lenoir Sur le collecteur centre (point n°5),
– mettre en place un barrage n°6 dans le collecteur Centre à l’aval de l’intersection avec le collecteur Crussol-Amelot, pour envoyer une partie des effluents du Collecteur Centre et ceux de Crussol-Amelot vers le collecteur des Coteaux.
Après la mise en place de ces systèmes de déviations, les apports subsistants en amont du Collecteur Clichy sont de l’ordre de 300l/s (275l/s : Sébastopol nord entre le collecteur Centre et le collecteur Clichy et 25l/s de Sébastopol sud entre le collecteur Rivoli Est et le collecteur Clichy).
De l’aval de la rue de Londres à la Place de Clichy
– Mise en œuvre des dispositifs de déviation en amont du collecteur Clichy décrits Précédemment
– Mise en place :
– d’un barrage n°13 dans le collecteur Clichy à l’aval du collecteur de la rue de Londres,
– d’un barrage n°14 dans le collecteur des Coteaux à l’aval de l’intercepteur Coteaux Nord Est, qui permet de renvoyer les eaux du collecteur Coteaux vers l’intercepteur Coteaux Nord Est,
– d’un barrage anti retour n°15 dans le collecteur de Clichy au niveau de la Place de Clichy à l’aval du collecteur de Coteaux
– de busages 2∅800 entre les barrages n°13 et n°15 (pour reprendre le surplus de débit à l’amont du barrage 13).
Les flux en amont de la galerie Capucines et les flux entre le barrage n°12 et la galerie Capucines (écoulement gravitaire inversé : écart de radier de 23 cm (24.78 – 24.55)) sont déviés dans la galerie Capucines (autant que possible) qui fonctionnera elle aussi en gravitaire inversé vers le collecteur d’Asnières. Si besoin, il sera mis en place un barrage anti-retour et un pompage de 80 l/s dans le collecteur de Provence (raccordement fil d’eau avec Clichy) vers le collecteur Clichy. Sil’intercepteur de la Galerie Capucines est capable de reprendre également la totalité des flux amont sans mise en place des dispositifs de déviation, ces derniers ne seront pas mis en oeuvre. Il faudra vérifierqu’aucun barrage hydraulique ne se crée au niveau de l’intersection de la galerie Capucine et lecollecteur d’Asnières.
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Table des matières
Remerciements
Résumé
Abstract
Abréviation
Introduction
1 Récupération de chaleur
1.1 Etat des lieux et réglementation
1.1.1 Lieux possibles de récupération thermique
1.1.2 Réglementation
1.2 Principe de fonctionnement
1.2.1 Récupération de chaleur dans les collecteurs
1.2.2 Récupération des calories présentes dans les eaux usées
1.2.3 Transport de l’énergie jusqu’à la chaufferie
1.2.4 La pompe à chaleur (PAC) : le cœur de la récupération de l’énergie des eaux usées
1.2.5 Le réseau de chauffage
2 Choix des sites
2.1 Description des ouvrages et des bâtiments
2.1.1 Collecteur de Clichy
2.1.2 Ecole de Clichy
2.1.3 Les données du collecteur de la Chapelle
2.1.4 Piscine Hébert
2.2 Le fonctionnement hydraulique des collecteurs de Clichy et de la Chapelle
2.2.1 Cas de temps sec
2.2.2 Synthèse des résultats
2.2.3 Cas en temps de pluie (6 mois)
2.2.4 Résultat
2.2.5 Cas du temps sec du collecteur de la Chapelle
2.2.6 Cas en temps pluie (6mois)
2.2.7 Résultat
2.3 Fonctionnement du chauffage
2.3.1 L’école de Clichy
2.3.1.1 Détail des formules et hypothèses
2.3.1.2 Calcul du nombre de DJU
2.3.2 Donnée sur la consommation de chauffage
2.3.2.1 Calcul de la puissance appelée
2.3.3 Présentation des graphiques
2.3.3.1 La consommation mensuelle de l’école de Clichy
2.3.3.2 Puissance appelée mensuelle
2.3.4 La piscine Hébert
2.3.4.1 Détail des formules et hypothèses
2.3.4.2 Calcul du nombre de DJU
2.3.4.3 Donnée sur la consommation de chauffage
2.3.4.3.1 Calcul Q ( eau chaude sanitaire)
2.3.4.3.2 Calcul Qréchauffage du bassin
2.3.4.3.3 Calcul Qchauffage
2.3.4.4 Calcul des puissances appelées
2.3.5 Interprétation graphique
3 Mise en œuvre
3.1 Dimensionnement des échangeurs à chaleur
3.1.1 Principe de dimensionnement des échangeurs à plaque
3.1.1.1 Etape1 : Evaluation du coefficient de convection
3.1.1.2 Etape 2 :Choix du module
3.1.1.3 Etape 3 : Evaluation du nombre d’unité de transfert
3.1.1.4 Etape 4 : Evaluation de l’efficacité de l’échangeur
3.1.1.5 Etape 5 : Détermination du nombre de module
3.1.1.6 Etape 6 : Calcul du nombre de passe
3.1.1.7 Etape 7 : Calcul de la puissance cédée par les échangeurs
3.1.2 Dimensionnement d’un échangeur à chaleur coaxial
3.1.2.1 Etape1 :Evaluation du coefficient de convection
3.1.2.2 Etape 2 :Choix du module
3.1.2.3 Etape 3 : Evaluation du nombre d’unité de transfert
3.1.2.4 Etape 4 :Evaluation de l’efficacité de l’échangeur
3.1.2.5 Etape 5 : Détermination du nombre de module
3.1.2.6 Etape 6 : Calcul de la puissance cédée par les échangeurs
3.1.3 Etude de cas de la piscine Hébert et Ecole de Clichy
3.1.4 Résultat
3.1.5 A retenir
3.2 Mise à sec des collecteurs
3.2.1 Etude de mise à sec du collecteur de Clichy
3.2.1.1 Consigne de travaux
3.2.1.2 Caractéristique des bassins versants
3.2.1.3 Méthodologie
3.2.1.4 Débit de temps sec
3.2.1.4.1 Détermination des débits de temps sec
3.2.1.5 Débit de temps pluie
3.2.1.5.1 Pluie projet
3.2.1.5.2 Sélection des pluies
3.2.1.6 Mise en place des déviations amonts
3.2.1.7 Partie du collecteur: entre le collecteur de la Victoire et la Place de Clichy : 1024 m
3.2.1.8 De l’aval de la rue de Londres à la Place de Clichy
3.2.2 Etude de la mise à sec du collecteur la Chapelle
3.2.2.1 Consigne travaux
3.2.2.2 Caractéristique des bassins versants
3.2.2.3 Méthodologie
3.2.2.4 Etude du temps sec pour le collecteur de la Chapelle
3.2.2.4.1 Les hypothèses de calculs
3.2.2.4.2 Résultat
3.2.2.5 Etude du débit de temps de pluie
3.2.2.5.1 Création d’une pluie
3.2.3 Etude de la première solution : barrage vers l’intercepteur du collecteur Coteaux-La Chapelle
3.2.4 Etude de la seconde solution : un barrage vers l’intercepteur du collecteur Coteaux – La chapelle et un barrage vers le boulevard Ordener en faisant un pompage de relevage
3.2.5 A retenir pour la mise à sec
3.3 Mise en place des échangeurs à chaleurs
3.3.1 Prescription générale
3.3.1.1 Prescriptions liées à l’échangeur
3.3.1.2 Mise en œuvre du réseau de transport d’énergie
3.3.1.3 Raccordement du réseau au bâtiment
3.3.1.4 Description de l’installation
3.3.1.4.1 Ecole de Clichy
3.3.1.4.2 Piscine Hébert
3.4 L’exécution des travaux
4 Bilan énergétique et économique
4.1 Le coefficient de performance du système
4.1.1 Calcul de la COP machine
4.2 Le bilan énergétique des deux bâtiments chauffés par la pompe à chaleur
4.3 Le coût des travaux
5 Conclusion
Annexe 1 : Caractéristique de la pompe à chaleur E-WMHW-R410A
Annexe 2 : Création d’un CD-Rom
Annexe 3 : Courbes Hauteurs d’eau et Vitesses
