Modélisation de réseaux thermiques avec intégration de récupération de chaleur et stockage thermique

L’objectif de carboneutralité d’ici 2050 impose une réduction massive des émissions de gaz à effet de serre (GES) dans tous les secteurs d’activité au Québec, y compris celui du bâtiment. L’électrification constitue une stratégie clé pour y parvenir. Cependant, elle fait face à un deuxième enjeu de taille pour le Québec : le problème de l’appel de pointe de puissance électrique sur le réseau, notamment en période de forte demande hivernale. Décarboner le secteur des bâtiments tout en limitant la pression sur le réseau nécessite donc de repenser les approches énergétiques urbaines. Dans ce contexte, les réseaux thermiques de quatrième et cinquième génération représentent une solution particulièrement intéressante à considérer. En effet, ces réseaux permettent la récupération de chaleur entre les besoins en chauffage et refroidissement, mais aussi l’intégration des énergies renouvelables, la valorisation des rejets thermiques et l’utilisation du stockage thermique. Ces réseaux de partage de chaleur et de froid reposent souvent sur des pompes à chaleur (PAC), une technologie clé grâce à son coefficient de performance élevé. Néanmoins, la conception de tels systèmes intégrant de nombreux acteurs requiert des outils de modélisation adaptés, dynamiques et complexes, tout en assurant un compromis entre des modèles fiables et des temps de calcul raisonnables. Ce mémoire propose un modèle de PAC développé dans le logiciel de simulation TRNSYS. Ce modèle est capable de répondre simultanément à deux consignes de température (évaporateur et condenseur) afin de couvrir à la fois des besoins de chauffage et de climatisation. Il intègre un mécanisme de récupération de chaleur, permettant d’exploiter la chaleur extraite en refroidissement pour répondre partiellement ou totalement aux besoins de chauffage. Afin de satisfaire l’intégralité des besoins, le modèle intègre la gestion d’une source externe lorsque la récupération est insuffisante. Une nouvelle approche pour modéliser la performance des PAC est d’abord proposée. Cette dernière repose sur une carte de performance tridimensionnelle, qui détermine la puissance thermique fournie à l’évaporateur et au condenseur en fonction des températures de sortie et d’une nouvelle variable : l’index d’opération du compresseur (Compressor Sequence Number, CSN), représentant l’intensité de fonctionnement du compresseur.

Abstract

Achieving carbon neutrality by 2050 requires a major reduction in greenhouse gas (GHG) emissions in all sectors, including buildings. Since the electricity grid in Québec is more than 99 % low-carbon, electrifying buildings is a key decarbonization strategy. However, this approach puts additional pressure on the electrical grid, particularly during winter peak periods, when buildings already represent half of the peak load. Therefore, decarbonizing buildings without significantly increasing peak electricity demand is crucial. Urban district heating and cooling networks of the fourth and fifth generation offer promising pathways by enabling heat sharing, waste heat recovery, integration of renewables, and thermal storage. Heat pumps, known for their high efficiency, play a key role in these systems. However, designing and evaluating these systems requires detailed and dynamic modeling tools that remain simple to use and computationally efficient. This thesis presents a novel heat pump model developed in TRNSYS, capable of simultaneously handling heating and cooling demands through dual temperature setpoints at the evaporator and condenser. The model integrates heat recovery between cooling and heating loads to meet simultaneous demands. When recovery is not sufficient, the system connects to an external thermal source to meet the remaining demand. A new method for modeling heat pump performance is introduced. It is based on a three-dimensional performance map that calculates thermal outputs at the evaporator and condenser according to the outlet temperatures and a new variable: the Compressor Sequence Number (CSN), which reflects compressor operation intensity. This variable enables the multi-mode operation of the heat pump including simultaneous heating and cooling. The model also includes integrated thermal storage management. The objective is to reduce energy consumption, limit electricity peaks, and improve system resilience by prioritizing recovery and limiting reliance on the external source. To demonstrate the performance of the model and assess the potential of heat sharing networks, a case study is conducted on the Namur-Hippodrome neighborhood in Montreal.