Sous-stations et réseaux de chaleur

Un immeuble raccordé à un réseau de chaleur n'a plus de chaudière. Il reçoit de l'eau chaude par deux tuyaux, en garde la chaleur et rend l'eau refroidie. Entre les deux, la sous-station sépare les pressions, compte l'énergie et règle le débit. Ce chapitre la démonte sur un immeuble de 20 logements, puis sur le plateau de bureaux de référence, et montre pourquoi la température de retour compte autant que celle de l'aller.

63.1 Un réseau de chaleur en quelques ordres de grandeur

Un réseau de chaleur comporte trois parties. La centrale produit la chaleur : chaudières, cogénération, incinération, chaleur de récupération, géothermie, solaire thermique (chapitre 62). Le réseau primaire est une paire de conduites enterrées, aller et retour, souvent longues de plusieurs kilomètres. Les sous-stations, enfin, cèdent la chaleur à chaque bâtiment par un échangeur. L'eau du primaire ne se mélange jamais à celle du bâtiment.

Les réseaux ont baissé leur température au fil des générations. Les ordres de grandeur d'aller ci-dessous sont ceux de la littérature (Lund et al., 2014, pour les quatre premières ; Buffa et al., 2019, pour la cinquième), pas des valeurs de norme :

• 1^re génération : vapeur, 150 à 200 °C ;
• 2^e génération : eau surchauffée sous pression, 100 à 180 °C ;
• 3^e génération : eau chaude en conduites préisolées, 70 à 100 °C ;
• 4^e génération : eau chaude basse température, 50 à 70 °C ;
• 5^e génération : eau tempérée, 10 à 25 °C, que des pompes à chaleur relèvent chez l'abonné.

Une eau moins chaude perd moins de chaleur dans le sol et accueille des sources qui ne montent pas haut : récupération, géothermie peu profonde, solaire, pompes à chaleur. Le réseau d'exemple de ce chapitre est de 3^e génération : 95 °C par grand froid, 75 °C en mi-saison.

Le réseau choisit son aller ; son retour, lui, dépend des abonnés, et aucun réglage de la centrale ne le corrige. C'est le fil de ce chapitre.

63.2 La sous-station, pièce par pièce

La figure 63.1 montre la sous-station de l'immeuble d'exemple, montée sur un plateau d'étude. L'aller et le retour du réseau montent du sol à gauche. On rencontre dans l'ordre :

Vannes d'isolement et filtre

Deux vannes à boisseau séparent la sous-station du réseau. Le filtre en Y retient les boues et les oxydes, qui boucheraient en quelques mois les canaux de l'échangeur. On le nettoie quand sa perte de charge monte.

Compteur d'énergie

Il a trois organes : un débitmètre (ici à ultrasons, sur le retour), une paire de sondes aller et retour, et un calculateur qui intègre m · c_p · ΔT. Les sondes sont appairées, étalonnées ensemble : seule leur différence compte (chapitre 74 ; directive 2014/32/UE, annexe VI).

Régulateur de pression différentielle

Sans énergie auxiliaire, une membrane compare l'aller, amené par un capillaire, au retour et ferme le clapet au-delà de la consigne. La vanne de régulation voit ainsi une pression constante, où que soit l'abonné sur le réseau.

Vanne motorisée

Une vanne deux voies, pilotée par le régulateur de la loi d'eau, dose l'eau primaire pour tenir le départ secondaire.

Échangeur à plaques

Un paquet de plaques embouties serré entre une plaque fixe et une plaque de serrage par des tirants. Il porte les quatre piquages, et quatre thermomètres (T₁ à T₄) les entourent.

Secondaire

Une pompe, la sonde de départ de la loi d'eau, un vase d'expansion fermé et le départ vers les radiateurs. Le court-circuit vertical entre départ et retour n'existe pas dans une installation bien faite : c'est le défaut qu'ouvre le deuxième curseur de la figure.

Préparateur d'eau chaude sanitaire

Il est piqué en parallèle de l'échangeur, après le comptage, avec sa propre vanne.

Le régulateur de pression différentielle n'est pas un accessoire. Près de la centrale, un abonné peut disposer par exemple de 150 kPa entre aller et retour ; en bout de réseau, de beaucoup moins. La vanne d'exemple, choisie pour passer 1,25 fois le débit primaire de projet sous 30 kPa, a un kvs de 1,99. Elle passe 0,87 m³/h au projet et 1,09 m³/h grande ouverte. Sans régulateur, sous 150 kPa, le débit grande ouverte serait multiplié par √(150/30) = 2,24 : 2,43 m³/h, soit 2,80 fois le débit de projet (chapitre 24). La vanne perdrait son autorité et, à la relance du matin, l'abonné prendrait l'eau des voisins.

Le comptage, lui, devient fragile quand l'écart de température baisse. Un décalage de 0,1 K entre les deux sondes fausse l'énergie de 0,25 % sous 40 K d'écart, de 0,50 % sous 20 K et de 1,00 % sous 10 K. Sous 3 K, l'erreur atteint 3,33 %. Un abonné qui rend un retour chaud est donc aussi un abonné mal compté.

63.3 L'échangeur à plaques

L'échangeur se calcule par la méthode ε-NTU du chapitre 8. Les deux eaux y circulent à contre-courant :

Ici T₁ est l'entrée primaire et T₄ l'entrée secondaire, C le produit débit × c_p de chaque eau. Le coefficient UA varie avec les débits : chaque côté garde une résistance de convection en débit^−0,7 (ordre de grandeur des corrélations de plaques), et l'encrassement ajoute la sienne, R_f, rapportée à la surface :

Le dimensionnement se joue sur le pincement, l'écart au bout froid entre le retour primaire et le retour secondaire. Un pincement de 5 K, valeur usuelle, rend le primaire à 55 °C quand les radiateurs reviennent à 50 °C. L'exemple suivant le calcule.

1. Immeuble : 20 logements de 65 m², 1 300 m² habitables. La déperdition totale vaut H = 1 535,9 W/K (transmission 983,4 W/K, ventilation 552,5 W/K), soit 39,93 kW à −7 °C pour 19 °C intérieurs : 30,7 W/m², 2,00 kW par logement.
2. Secondaire 70/50 °C, avec c_p = 4 186 J/(kg·K) : ṁ_s = 39 933 / (4 186 × 20) = 0,477 kg/s.
3. Primaire 95 °C, retour 50 + 5 = 55 °C : ṁ_p = 39 933 / (4 186 × 40) = 0,238 kg/s, soit 0,87 m³/h.
4. Écarts aux bouts : 95 − 70 = 25 K et 55 − 50 = 5 K ; ΔT_lm = 20 / ln 5 = 12,43 K.
5. UA = Φ / ΔT_lm = 3 214 W/K. Avec un coefficient global propre de 5 000 W/(m²·K), ordre de grandeur des échangeurs à plaques eau-eau, il faut 0,64 m² : 20 plaques de 0,032 m².
6. Contrôle par ε-NTU : C_min est côté primaire, C_r = 0,50, NTU = 3,22, ε = 0,889, et Φ = ε · C_min · (95 − 50) = 39,93 kW. Les deux méthodes concordent.

Le pincement est un arbitrage. À 2 K, le retour primaire descend à 52 °C et le débit primaire à 0,93 fois celui de projet, mais il faut 1,36 fois plus de surface. À 10 K, la surface tombe à 0,76 fois, le retour remonte à 60 °C et il faut 1,14 fois plus d'eau primaire. Le surcoût de l'échangeur est payé une fois ; un retour chaud se paie chaque hiver.

Le curseur d'encrassement de la figure va de 0 à 0,2 m²·K/kW, un ordre de grandeur et non une valeur de norme. Au maximum, la résistance ajoutée égale celle de l'échangeur propre : le coefficient global est divisé par deux.

63.4 Loi d'eau et régulation

Le secondaire de l'immeuble tourne à débit constant, 0,477 kg/s, soit 1,75 m³/h. Sa température de départ suit une loi d'eau (chapitres 57 et 65), calculée pour que les radiateurs rendent la puissance demandée. L'émission suit la loi des radiateurs, avec n = 1,3 :

À débit fixe, la loi d'eau a une forme fermée. La première ligne donne l'écart logarithmique qui rend Φ ; la seconde en tire θ₁, l'écart entre le départ et l'air du local à 19 °C. Le réseau, lui, impose son aller, 95 °C sous −7 °C et 75 °C au-dessus de +10 °C, linéaire entre les deux. Le tableau donne la charge, le départ et le retour secondaires, puis l'aller primaire.

La vanne primaire suit. Sous −7 °C, elle passe 80 % de son débit maximal et rend 55,0 °C au réseau. À 0 °C, elle n'est plus qu'à 53 %, avec 0,158 kg/s et un retour primaire de 44,8 °C. À +5 °C, elle tombe à 36 % et le retour à 37,9 °C. À +10 °C, elle passe 0,056 kg/s à 19 % et rend 30,9 °C. En mi-saison, l'échangeur est grand pour la charge : l'eau primaire, peu abondante, ressort presque au retour secondaire. Une bonne sous-station rend d'autant plus froid qu'il fait doux. Une loi d'eau trop haute, réglée « pour être tranquille », détruit cet avantage.

Sous −7 °C, l'échangeur propre ne suit plus tout à fait : à −10 °C, il rend 44,2 kW pour 45,1 kW demandés, avec un départ de 74,5 °C au lieu de 75,4 °C. C'est la conséquence normale d'un dimensionnement à la température de base.

63.5 Eau chaude sanitaire : instantanée ou accumulée

L'immeuble et son eau chaude sont ceux du chapitre 62 : 46 occupants, à 50 L à 40 °C par personne et par jour (chapitre 30). Il puise 2 300 L/j, soit 1 393 L d'eau à 60 °C et 79,6 kWh/j. Le bouclage, 60 m d'aller et 60 m de retour, perd 710 W en permanence, soit 17,0 kWh/j : 18 % de l'énergie de l'eau chaude. Sur l'année, l'eau chaude demande 35,3 MWh, dont 29,1 MWh de puisages.

La production instantanée chauffe l'eau au passage dans un échangeur. Il lui faut la puissance des puisages simultanés : avec la loi binomiale du chapitre 30, 5 douches sur 20 couvrent 99,53 % des cas, soit 103,8 kW. Si les 20 douches coulaient en même temps, il en faudrait 415,3 kW. La production accumulée chauffe un ballon pendant les creux. Ici, 1 000 L à 60 °C, dont 90 % utiles, stockent 51,4 kWh, 2,58 fois la pointe horaire d'exemple de 19,9 kWh. Une recharge de 20 kW les reconstitue en 2,57 h.

Sur un réseau de chaleur, le choix pèse sur la puissance souscrite (section 63.8) et sur le retour. Un stockage de 400 L ou plus doit sortir à 55 °C au moins, sauf élévation quotidienne de sa température selon l'arrêté du 30 novembre 2005, et la boucle doit rester à 50 °C au moins (arrêté du 23 juin 1978, art. 36). Le bouclage du chapitre 62 revient à 55 °C : il garde 5 K de marge.

Avec un pincement de 5 K, la recharge rend le primaire à 15 °C quand elle réchauffe l'eau froide, à 60 °C quand elle compense la boucle. Retour de boucle piqué en partie haute, le retour moyen de l'eau chaude vaut 22,9 °C. Si le retour de boucle arrive en bas du ballon, tout le volume se mélange autour de 55 °C : la recharge rend alors 60 °C en permanence.

63.6 La température de retour

À puissance égale, le débit du réseau varie comme l'inverse de l'écart aller-retour. Le pompage varie comme le cube du débit, à réseau inchangé (chapitre 9). Les pertes du réseau suivent la température moyenne des deux conduites au-dessus du sol. Si la centrale condense (chapitre 28), son rendement suit le retour. L'exemple chiffre 10 K de retour en moins, pour tous les abonnés ensemble, avec des pertes d'exemple égales à 12 % de la chaleur livrée :

Le gain sur les pertes vaut 1,15 % de la chaleur livrée sur le premier régime, 1,06 % sur le second. Une chaudière à condensation de centrale, modélisée comme celle du chapitre 28, gagne à mi-charge de 89,0 à 93,2 % sur PCS quand son retour passe de 46 à 36 °C, et de 87,2 à 89,5 % de 55 à 45 °C. Ces chiffres sont des ordres de grandeur, pas les données d'un réseau réel. Leur sens est sûr : le retour froid est la ressource la moins chère d'un réseau, et c'est l'abonné qui la produit.

Sur l'année normale de Paris (classes de 1 K du chapitre 58), l'immeuble consomme 72,2 MWh de chauffage, soit 56 kWh/m², en 5 625 h de chauffe ; avec l'eau chaude, 107,5 MWh, dont 33 % d'eau chaude. Son retour moyen, pondéré par l'énergie, vaut 31,8 °C bien réglé. Mal réglé, avec un court-circuit secondaire de 60 % et le retour de boucle en bas du ballon, il monte à 45,9 °C. L'écart est de 14,1 K, plus que les 10 K du tableau.

C'est pourquoi beaucoup de contrats intéressent l'abonné à son retour (section 63.10) : l'eau rendue chaude est de l'eau transportée pour rien.

63.7 Pourquoi le retour remonte, et comment le corriger

Trois défauts dominent. Le premier est un court-circuit au secondaire : une partie du débit passe du départ au retour sans émetteur, par un by-pass ouvert, une vanne trois voies, une pompe trop grosse ou des émetteurs proches en surdébit (chapitre 22). Le deuxième est un échangeur encrassé, le troisième un retour de boucle mal piqué.

Le modèle chiffre les deux premiers à −7 °C. Un court-circuit de 30 % du débit de projet relève le retour primaire de 55,0 à 58,2 °C ; à 60 %, à 60,3 °C, et il faut 15 % d'eau primaire en plus pour la même chaleur. L'encrassement coûte plus : à 0,1 m²·K/kW, le retour monte à 62,2 °C, le débit de 22 % et la vanne s'ouvre à 98 %. À 0,2 m²·K/kW, la vanne grande ouverte ne passe que 36,94 kW sur 39,93, le départ secondaire n'est plus tenu et le retour primaire atteint 65,4 °C. Sur l'année, le court-circuit de 60 % porte le retour moyen du chauffage de 36,1 à 39,0 °C et l'eau primaire de 1 432 à 1 540 m³ (+7,5 %) ; l'encrassement maximal, à 39,1 °C et 1 555 m³ (+8,5 %).

Les quatre thermomètres de l'échangeur suffisent souvent au diagnostic. L'exemple suivant le suit pas à pas.

1. Relevé par −7 °C : T₁ = 95,0 °C, T₂ = 60,3 °C au primaire ; T₃ = 70,0 °C, T₄ = 57,5 °C au secondaire. Le départ est tenu, le retour primaire dépasse de 5,3 K la valeur de projet.
2. Écart au bout froid : T₂ − T₄ = 2,8 K. L'échangeur n'est pas en cause ; il échange même mieux qu'au projet, grâce au débit secondaire accru.
3. Écart secondaire : T₃ − T₄ = 12,5 K au lieu de 20 K. À puissance égale, le débit secondaire vaut donc 20 / 12,5 = 1,60 fois celui de projet : 0,763 kg/s au lieu de 0,477.
4. Les radiateurs rendent 50 °C à leur débit de projet ; le surplus, 60 % de ce débit, revient à 70 °C par un chemin court. On cherche un by-pass, une trois voies ou une pompe trop haute.
5. Après correction, T₄ revient à 50,0 °C, T₂ à 55,0 °C et le débit primaire de 0,275 à 0,238 kg/s.
6. Contre-épreuve : si T₂ − T₄ avait grandi, avec un écart secondaire normal, c'est l'échangeur qu'il aurait fallu nettoyer. À 0,1 m²·K/kW, T₄ reste à 50,0 °C, T₂ monte à 62,2 °C et l'écart au bout froid passe de 5 à 12,2 K.

L'équilibrage du secondaire (chapitre 22), des pompes à vitesse variable réglées sur leur besoin (chapitre 23) et des vannes deux voies (chapitre 24) sont les règles de l'art. Un échangeur se nettoie selon l'évolution de cet écart, et non au calendrier.

63.8 Dimensionner le raccordement

L'abonné souscrit une puissance, que le réseau lui garantit et sur laquelle il dimensionne ses conduites. La somme brute vaut 39,93 kW de chauffage et 20 kW de recharge d'eau chaude : 59,93 kW. Les deux pointes ne coïncident pas tout à fait, ce qu'on traduit par un foisonnement. Avec un coefficient d'exemple de 0,85, on obtient 50,94 kW, arrondis à 55 kW souscrits.

Avec une production d'eau chaude instantanée, il faudrait 39,93 + 103,8 = 143,8 kW. C'est le prix de l'absence de stockage : une puissance appelée par à-coups, 2,61 fois la puissance souscrite avec ballon. Pour un réseau, le ballon est presque toujours le meilleur choix, à condition d'en soigner le retour : c'est une règle de l'art, pas une obligation.

63.9 Le plateau de bureaux raccordé

Raccordons maintenant le plateau de bureaux de référence au lieu de sa chaufferie. Ses besoins restent : 47,61 kW de pointe avec la relance du matin, 41,29 kW sans elle. Son secondaire est déjà conçu pour une chaudière à condensation : 45 °C de départ, retour à 35,0 °C pour 0,986 kg/s par −7 °C.

1. Point de projet sans relance, 41,29 kW ; pincement de 5 K : le primaire revient à 40 °C. Débit : 41 286 / (4 186 × 55) = 0,179 kg/s.
2. Échangeur : UA = 2 113 W/K, 0,42 m² au même coefficient global.
3. Pointe avec relance, 47,61 kW : 0,207 kg/s à 55 K d'écart.
4. À 0 °C, 28,30 kW : le primaire passe de 86,8 à 36,9 °C avec 0,136 kg/s. À +10 °C, 9,73 kW : le retour secondaire est à 22,2 °C, le primaire rend 30,3 °C avec 0,052 kg/s.
5. Chaleur annuelle : 77,5 MWh, celle que comptait déjà la chaufferie.

Le plateau est l'abonné idéal : 55 K d'écart primaire au projet, contre 40 K pour l'immeuble. Pour la même puissance, il demande 0,727 fois l'eau de l'immeuble, soit 27 % de moins. Un secondaire pensé pour la condensation est aussi un secondaire pensé pour un réseau de chaleur.

63.10 Contrats, classement et raccordement obligatoire

Le prix de la chaleur d'un réseau comporte en principe deux termes. Le terme fixe, ou abonnement, suit la puissance souscrite et paie les investissements et l'entretien. Le terme proportionnel suit l'énergie comptée et paie le combustible et l'électricité. S'y ajoutent selon les cas le droit de raccordement, les indexations et des clauses sur le retour : bonus ou malus sur l'écart de température, terme lié au volume d'eau primaire, plafond de retour au règlement de service. L'exploitation de la sous-station, du côté de l'abonné, relève de son propre contrat (chapitre 75).

En France, un réseau public alimenté surtout par des énergies renouvelables ou de récupération, compté et équilibré financièrement, est en principe classé, sauf délibération contraire motivée de la collectivité compétente. Dans le périmètre fixé, les bâtiments neufs, et ceux dont le chauffage est remplacé, doivent alors s'y raccorder au-delà d'un seuil de puissance, sauf dérogation. Ces règles relèvent du code de l'énergie et ont changé plusieurs fois : ce chapitre ne cite ni seuil ni date, à vérifier dans le texte en vigueur.

63.11 Erreurs fréquentes

• Laisser un by-pass ou une vanne trois voies au secondaire : le retour primaire remonte de plusieurs kelvins.
• Omettre le régulateur de pression différentielle : la vanne perd son autorité et l'abonné prend le débit de ses voisins.
• Piquer le retour de boucle en bas du ballon : la recharge rend 60 °C toute l'année.
• Régler la loi d'eau « au plus chaud » : le secondaire revient chaud en mi-saison.
• Négliger le filtre : l'échangeur s'encrasse.
• Souscrire la puissance de l'ancienne chaudière, souvent surdimensionnée, au lieu de repartir d'un bilan (chapitre 58) : la puissance souscrite se paie chaque année.

À retenir

• La sous-station sépare, compte et règle : filtre, compteur à sondes appairées, régulateur de pression différentielle, vanne, échangeur.
• Le régulateur de pression différentielle donne à la vanne son autorité. Sans lui, 150 kPa au lieu de 30 multiplient le débit maximal par 2,24.
• Dimensionner l'échangeur au pincement de 5 K : 3 214 W/K et un retour primaire de 55 °C pour l'immeuble en 70/50 °C.
• Le retour primaire est l'affaire de l'abonné : un court-circuit de 60 % le relève de 5,3 K, un encrassement de 0,1 m²·K/kW de 7,2 K.
• Sur un réseau en 78/46 °C, 10 K de retour en moins réduisent le débit à 0,762 fois et le pompage à 0,442 fois, à réseau égal.
• Avec un ballon, l'immeuble souscrit 55 kW ; en eau chaude instantanée, il lui faudrait 143,8 kW. Le ballon doit garder un retour froid.
• Un secondaire basse température, comme le 45/35 °C du plateau, fait un abonné idéal.

Sources publiques : S. Frederiksen et S. Werner, District Heating and Cooling, Studentlitteratur, 2013 ; H. Gadd et S. Werner, « Achieving low return temperatures from district heating substations », Applied Energy 136, 2014 ; H. Lund et al., « 4th Generation District Heating (4GDH) », Energy 68, 2014 ; S. Buffa et al., « 5th generation district heating and cooling systems: A review of existing cases in Europe », Renewable and Sustainable Energy Reviews 104, 2019 ; ASHRAE Handbook, HVAC Systems and Equipment, chapitre sur le chauffage et le refroidissement urbains ; manuels généraux de transfert thermique pour la méthode ε-NTU (chapitre 8) ; arrêté du 23 juin 1978, art. 36, dans sa rédaction issue de l'arrêté du 30 novembre 2005 (températures de l'eau chaude sanitaire) ; directive 2014/32/UE, annexe VI (compteurs d'énergie thermique) ; Météo-France, normales 1991-2020 de Paris-Montsouris (chapitre 58). Nombres : le modèle du cours, qui importe le modèle commun du cours, le modèle du cours.