Guide du Simulateur de Chaufferies 2024

À propos du Simulateur

Domaines d'Application : Cet outil s'adresse aux immeubles existants ou nouveaux, maisons individuelles et quartiers nécessitant une optimisation de leur système de chauffage et production d'eau chaude sanitaire. Il permet d'analyser et de planifier la transition vers des systèmes plus écologiques et économiques.

Le Simulateur de Chaufferies 2024 est un outil avancé de modélisation énergétique développé par CogenEnergies SA (Ettore Conti et Marco Bernardo). Il permet d'analyser et d'optimiser les systèmes de production de chaleur pour le chauffage et l'eau chaude sanitaire en intégrant des calculs thermodynamiques précis conformes aux normes SIA, notamment la SIA 380/1 (Besoins de chaleur pour le chauffage).

La simulation s'appuie sur une approche détaillée utilisant des données horaires pour une année entière (8760 heures) afin de capturer le comportement dynamique du système. Chaque équipement est modélisé selon ses caractéristiques spécifiques, et les résultats du bilan énergétique offrent une vue approfondie de la contribution de chaque composant au système global de génération de chaleur.

Analyse Détaillée

Simulation heure par heure sur 8760 heures annuelles avec calculs thermodynamiques précis pour chaque équipement.

Modélisation Avancée

Intégration de multiples sources d'énergie : solaire, géothermie, pompes à chaleur, chaudières, récupération de chaleur.

Stockage Thermique

Modélisation dynamique des citernes de stockage avec calcul des pertes thermiques et stratification.

COP Dynamique

Calcul du coefficient de performance des pompes à chaleur par interpolation linéaire selon la température de la source froide.

Contexte et Genèse du Projet

L'histoire de cet outil de simulation énergétique remonte à 2004 lorsque, proposé par Ettore Conti, Marco Bernardo a entrepris la création de sa première version dans le cadre de son projet de diplôme avec le CMEFE à l'HEPIA Genève. En 2014, en tant qu'ingénieur chez "Conti & Associés Ingénieurs SA", il a consolidé la version MATLAB et Excel en une version exclusive Excel.

En 2024, Ettore Conti (CogenEnergies SA), mandaté par l'Office Cantonal de l'Énergie (OCEN), a proposé à Marco Bernardo de créer cette nouvelle version de l'outil de simulation.

Mission : Permettre aux municipalités et bureaux d'ingénieurs de migrer leurs chaufferies actuelles vers des systèmes plus écologiques et économiques, en assurant une transition progressive vers une production de chaleur moins carbonée dans les décennies à venir.

Conformité aux Normes SIA

Le simulateur respecte et applique les normes SIA (Société suisse des Ingénieurs et des Architectes) pour garantir des calculs précis et conformes aux standards suisses :

SIA 380/1

Besoins de chaleur pour le chauffage

Calcul des besoins thermiques en fonction des températures extérieures et de consigne, avec prise en compte des profils de consommation horaires.

Thermodynamique

Lois fondamentales

Application de l'équation E = m × cp × ΔT pour tous les calculs de transfert thermique et de stockage d'énergie.

COP Variable

Performance dynamique

Calcul du coefficient de performance des pompes à chaleur par interpolation linéaire selon la température de la source froide.

Émissions

Gaz à effet de serre

Calcul des émissions CO₂, NOx et SO₂ selon les facteurs d'émission normalisés pour chaque type de combustible.

Capacités du Simulateur

Producteurs de Chaleur

4 Chaudières (Mazout, Gaz, Bois)
4 Pompes à Chaleur
3 Installations Solaires
4 Récupérateurs de Chaleur

Sources d'Énergie

Sondes Géothermiques
Nappe Phréatique
Air Extérieur
Énergie Solaire (PV-T)

Stockage

4 Citernes Principales
1 Citerne de Mélange
4 Aérorefroidisseurs
Recharge des Sondes

Analyses

Bilan Énergétique Complet
Émissions CO₂, NOx, SO₂
Coûts Énergétiques
Optimisation du Mix

Fonctionnement du Simulateur

Le simulateur est organisé en sections thématiques permettant de renseigner et consulter les différentes données du système. Chaque section contient des variables d'entrée configurables par l'utilisateur et des résultats calculés automatiquement selon les lois de la thermodynamique.

Approche Détaillée : Le fichier de calcul utilise des données horaires pour une année entière (8760 heures) afin de capturer le comportement dynamique du système. Les résultats du bilan énergétique offrent une vue approfondie de la contribution de chaque composant au système global de génération de chaleur.

Paramètres de Configuration (entrées utilisateur)

Caractéristiques (propriétés des équipements)

Résultats Calculés (sorties automatiques)

Structure des Sections

Profil de Consommation

Configuration des besoins énergétiques pour le chauffage et l'eau chaude sanitaire (ECS).

Conditions Climatiques

Données météorologiques horaires : température, humidité, irradiance solaire, température du sol.

Équipements

Configuration de tous les équipements de production et stockage d'énergie thermique.

Bilan Énergétique

Résultats horaires et annuels de production, consommation et stockage d'énergie.

Émissions

Calcul des émissions de gaz à effet de serre (CO₂, NOx, SO₂) par équipement et totales.

Coûts Énergétiques

Analyse économique : consommation de carburants, électricité, coûts totaux et coût du kWh produit.

Configuration du Système

Cette section regroupe toutes les variables d'entrée configurables par l'utilisateur, organisées par catégories thématiques.

Profil de Consommation

Besoins Énergétiques

Consommation annuelle d'énergie consommés par an pour le chauffage et l'ECS kWh

Part des besoins de chaleur pour l'eau chaude sanitaire 0-1

Part des besoins de chaleur pour le chauffage 0-1

Températures de Consigne

Température de consigne chauffage °C

Température de consigne climatisation °C

Profil Journalier ECS

Profil journalier de consommation d'ECS heure par heure 0-1

Définit comment la consommation d'ECS est répartie sur les 24 heures de la journée (pics matin/soir).

Calcul des Besoins : Les besoins de chauffage sont calculés en fonction de l'écart entre la température extérieure et la température de consigne. Les besoins d'ECS suivent le profil journalier défini.

Figure 1 : Profil de consommation énergétique annuel (chauffage et ECS)

Conditions Climatiques

Saison de Chauffage

Date de début de la saison de chauffage Date

Date de fin de la saison de chauffage Date

Température Nappe

Température de la nappe phréatique °C

Utilisée pour les pompes à chaleur eau/eau sur nappe phréatique.

Données Requises (8760 valeurs horaires)

Température et Humidité

Température extérieure de l'air °C

Humidité relative de l'air %

Énergie Solaire

Irradiance solaire pour un plan fixe incliné W/m²

Puissance solaire disponible par watt crête W/kWc

Température du Sol

Température du sol à 60 cm de profond °C

Format des Données : Les données climatiques doivent être fournies sous forme de 8760 valeurs horaires (365 jours × 24 heures) pour une année complète. Source recommandée : PVGIS 5.2/5.3 (Europe).

Figure 2 : Données climatiques horaires (température, humidité, irradiance)

Figure 3 : Évolution de la température du sol à 60 cm de profondeur

Équipements - Panneaux Solaires (3 installations)

Configuration Solaire

Type d'installation -

Types : Thermiques, Photovoltaïques, PV-T (hybrides)

Nombre de modules -

Surface par module m²

Puissance thermique/module kWc

Puissance électrique/module kWc

Figure 4 : Production d'énergie solaire (thermique et photovoltaïque)

Figure 5 : Répartition entre production thermique et photovoltaïque

Pompes à Chaleur (4 unités)

Configuration PAC

Type de source froide du convertisseur de chaleur -

Types : Air/eau, Sondes/eau, Nappe phréatique/eau, Citerne de mélange/eau

Puissance du convertisseur de chaleur kW

Température de sortie °C

Calcul du COP Dynamique

Température de la source minimale pour calcul du COP °C

COP pour la température de sortie définie et une température source minimal pour calcul -

Température de la source maximale pour calcul du COP °C

COP pour la température de sortie définie et une température source Maximale pour calcul -

Le COP est calculé par interpolation linéaire selon la température de la source froide.

Températures Source

Température minimale d'entrée de l'échangeur source °C

Température de sortie maximale de l'échangeur source °C

Chaudières (4 unités)

Configuration Chaudières

Nom du producteur de chaleur Texte

Puissance du producteur de chaleur kW

Carburant utilisé pour la production de chaleur -

Combustibles : Mazout, Gaz naturel, Bois (Pellets)

Rendement énergétique de la machine 0-1

Caractéristiques Combustibles

Nom du mazout utilisé Texte

Pouvoir calorifique : 10,4 kWh/L | Émissions CO₂ : 2,75 kgCO₂/L

Prix du gaz au kWh en cts/kWh cts/kWh

Pouvoir calorifique : 10,12 kWh/m³ | Émissions CO₂ : 0,198 kgCO₂/kWh

Désignation du type de bois utilisé Texte

Pouvoir calorifique : 4,8 kWh/kg | Émissions CO₂ : 46,7 gCO₂/kWh

Sondes Géothermiques

Configuration Sondes

Nom du groupe de sondes Texte

Etat du groupe de sondes -

Nombre de sondes -

Longueur unitaire de sonde m

Diamètre des sondes mm

Paramètres Thermiques

Coefficient de transmission de U des sondes W/m²·K

Chaleur spécifique du liquide dans les sondes Wh/K·kg

Recharge des Sondes : Le simulateur calcule automatiquement la recharge des sondes par injection de chaleur excédentaire provenant du solaire thermique, des aérorefroidisseurs et de la récupération sur fumées.

Aérorefroidisseurs (4 unités)

Configuration Aéros

Nom et modèle de l'Aérorefroidisseurs Texte

Puissance thermique kW

Puissance absorbée kW

Température minimale de l'air à l'entrée de l'Aérorefroidisseurs °C

Température entrée du circuit d'eau de l'Aero refroidisseur °C

Citernes de Stockage (4 citernes + 1 citerne de mélange)

Configuration Citernes

Désignation de la citerne Texte

Diamètre de la citerne m

Hauteur de la citerne m

Coefficient de transmission de la parodie de la citerne W/m²·K

Citerne de Mélange Spéciale

Diamètre m

Hauteur m

Coefficient de transmission de la paroi W/m²·K

Surface extérieure m²

Sert de source froide pour les PAC et pour la recharge des sondes.

Récupérateurs de Chaleur (4 unités à 2 étages)

Configuration Économiseurs

Nom du Economiseur de chaleur Texte

Producteur de chaleur lié à l'économiseur de chaleur Texte

Puissance relative à l'étage 1 %

Delta T pour le dimensionnement à l'étage 1 °C

Puissance relative à l'étage 2 %

Delta T pour le dimensionnement à l'étage 2 °C

Principe : Les économiseurs récupèrent la chaleur des fumées de combustion en deux étages successifs. L'énergie récupérée peut être utilisée pour le préchauffage de l'eau de retour, l'alimentation de la citerne de mélange ou la recharge des sondes géothermiques.

Rapport de Simulation

Le rapport regroupe tous les résultats de la simulation : bilan énergétique, indicateurs de performance, émissions de gaz à effet de serre et analyse des coûts.

Bilan Énergétique

Le bilan énergétique présente les résultats heure par heure et en cumul annuel. Il permet d'analyser la production, la consommation et le stockage d'énergie pour chaque équipement.

Types de Données du Bilan

Production de Chaleur

Chaudières : Énergie fournie par chaque chaudière (kWh/h)
Pompes à Chaleur : Énergie thermique produite (kWh/h)
Solaire Thermique : Production solaire thermique (kWh/h)
Économiseurs : Chaleur récupérée sur fumées (kWh/h)
Total Production : Somme de toutes les sources (kWh/h)

Consommation Électrique

Pompes à Chaleur : Consommation électrique (kWh/h)
Aérorefroidisseurs : Consommation électrique (kWh/h)
Pompes de relevage sondes : Consommation (kWh/h)
Total Consommation Électrique (kWh/h)

Consommation Combustibles

Mazout : Consommation horaire et annuelle (L, kWh)
Gaz naturel : Consommation horaire et annuelle (m³, kWh)
Bois (Pellets) : Consommation horaire et annuelle (kg, kWh)
Total Combustibles : Énergie consommée (kWh)

Stockage Thermique

Citernes 1-4 : Température et énergie stockée (°C, kWh)
Citerne de mélange : Température et flux (°C, kWh)
Sondes géothermiques : Température sol et flux (°C, kWh)
Pertes thermiques : Pertes dans l'environnement (kWh)

Analyse Temporelle : Le bilan énergétique est calculé heure par heure sur 8760 heures, permettant d'identifier les périodes de pointe, les périodes de surplus et d'optimiser la stratégie de fonctionnement des équipements.

Figure 6 : Évolution temporelle du mix énergétique

Indicateurs de Performance

Les indicateurs de performance permettent d'évaluer l'efficacité globale du système de chauffage et d'identifier les axes d'optimisation.

Rendement Global

Définition : Rapport entre l'énergie thermique utile produite et l'énergie primaire totale consommée (combustibles + électricité).

Formule :

η_global = Énergie_thermique_produite / (Énergie_combustibles + Énergie_électrique)

Un rendement élevé (>80%) indique une utilisation efficace de l'énergie primaire.

COP Système

Définition : Coefficient de performance global du système incluant toutes les pompes à chaleur et aérorefroidisseurs.

Formule :

COP_système = Énergie_thermique_PAC / Énergie_électrique_PAC

Un COP élevé (>3) indique une bonne performance des pompes à chaleur.

Taux d'Énergies Renouvelables

Définition : Part des énergies renouvelables (solaire thermique, géothermie, bois) dans le mix énergétique total.

Formule :

Taux_ENR = (E_solaire + E_géothermie + E_bois) / Énergie_totale × 100%

Objectif : maximiser ce taux pour réduire l'empreinte carbone.

Facteur de Charge

Définition : Rapport entre la puissance moyenne utilisée et la puissance installée pour chaque équipement.

Formule :

FC = Puissance_moyenne / Puissance_installée × 100%

Un facteur de charge élevé (>60%) indique une bonne utilisation des équipements installés.

Optimisation : Ces indicateurs permettent d'identifier les équipements sous-utilisés, de dimensionner correctement les installations et d'optimiser la stratégie de fonctionnement pour maximiser l'efficacité énergétique et minimiser les coûts.

Figure 8 : Part des énergies renouvelables dans le mix énergétique

Émissions de Gaz à Effet de Serre

Le simulateur calcule les émissions de gaz produites par la combustion dans les chaudières. Trois types de gaz sont suivis : le dioxyde de carbone (CO₂), les oxydes d'azote (NOx) et le dioxyde de soufre (SO₂).

Types d'Émissions Calculées

CO₂ - Dioxyde de Carbone

Principal gaz à effet de serre responsable du réchauffement climatique.

Mazout : 2,75 kgCO₂/L
Gaz naturel : 0,198 kgCO₂/kWh
Bois (Pellets) : 46,7 gCO₂/kWh (équivalent)

Calcul : Émissions = (Puissance fournie / Rendement) × Facteur d'émission

NOx - Oxydes d'Azote

Polluants atmosphériques contribuant à la formation de smog et de pluies acides.

Les émissions de NOx dépendent du type de combustible et de la technologie de combustion (brûleur bas-NOx, etc.).

SO₂ - Dioxyde de Soufre

Polluant atmosphérique responsable des pluies acides et de problèmes respiratoires.

Les émissions de SO₂ sont principalement liées à la teneur en soufre du combustible (plus élevée pour le mazout).

Résultats d'Émissions

Par Équipement

Chaudière 1-4 : Émissions CO₂, NOx, SO₂ par heure (kg, g)
Par type de combustible : Total Mazout, Gaz, Bois
Cumul annuel : Total des émissions sur l'année

Totaux et Statistiques

Total CO₂ : Somme de toutes les chaudières (kg/h et kg/an)
Total NOx : Somme de toutes les chaudières (g/h et kg/an)
Total SO₂ : Somme de toutes les chaudières (g/h et kg/an)
Émissions spécifiques : Par kWh de chaleur produite

Note sur le Bois : Les émissions de CO₂ du bois sont considérées comme neutres dans le bilan carbone (cycle court du carbone), mais le simulateur les comptabilise pour une analyse complète. Les émissions équivalentes incluent la production, le transport et la transformation des pellets.

Consommations et Coûts

L'analyse économique calcule les coûts de consommation d'énergie pour la production de chaleur. Elle prend en compte les combustibles (mazout, gaz, bois) et l'électricité consommée par les équipements.

Paramètres de Configuration

Coûts Spécifiques

Prix du mazout cts/kWh

Valeur indicative : ~10,40 cts/kWh

Prix du gaz au kWh en cts/kWh cts/kWh

Valeur indicative : ~13,64 cts/kWh

Prix du bois (pellets) cts/kWh

Valeur indicative : ~10,80 cts/kWh

Prix de l'électricité cts/kWh

Valeur indicative : ~18,70 cts/kWh

Consommations et Coûts Calculés

Combustibles

Mazout : Consommation en litres et kWh
Gaz naturel : Consommation en m³ et kWh
Bois (Pellets) : Consommation en kg et kWh
Total combustibles : Énergie totale consommée (kWh)

Électricité

Pompes à chaleur : Consommation électrique (kWh)
Aérorefroidisseurs : Consommation électrique (kWh)
Pompes de relevage sondes : Consommation (kWh)
Total électricité : Consommation totale (kWh)

Totaux et Indicateurs

Coût total annuel : Somme de tous les coûts énergétiques (CHF)
Coût moyen du kWh consommé : Toutes énergies confondues (cts/kWh)
Coût de production du kWh de chaleur : Coût total / Production totale (CHF/kWh)

Optimisation : L'analyse économique permet d'identifier les sources d'énergie les plus coûteuses et d'optimiser le mix énergétique pour réduire les coûts tout en maintenant la performance du système.

Variables du Simulateur

Cette section présente toutes les constantes, variables d'entrée et variables calculées du simulateur, organisées par groupes thématiques.

CONSTANTES Valeurs scientifiques et coefficients

INPUT_ Variables d'entrée (configuration utilisateur)

CALC_ Variables calculées (résultats)

Constantes de Calcul

Les constantes suivantes sont utilisées dans les calculs thermodynamiques du simulateur. Ces valeurs sont basées sur des standards scientifiques et peuvent être ajustées si nécessaire.

cp_eau

Désignation : Capacité thermique spécifique de l'eau

Valeur : 1.16 Wh/(kg·K)

Équivalent : 4.18 kJ/(kg·K)

Utilisée dans l'équation fondamentale : E = m × cp × ΔT

rho_eau

Désignation : Masse volumique de l'eau

Valeur : 1000 kg/m³

Permet la conversion entre volume et masse d'eau (1 litre = 1 kg)

Coefficients U (isolation)

Désignation : Coefficients de transmission thermique

Unité : W/(m²·K)

Utilisés pour calculer les pertes thermiques des citernes de stockage et des sondes géothermiques

Facteurs d'émission CO₂

Gaz naturel : 198 g CO₂/kWh

Mazout : 264 g CO₂/kWh

Pellets : 0 g CO₂/kWh

Facteurs d'émission NOx

Gaz naturel : 140 mg NOx/kWh

Mazout : 198 mg NOx/kWh

Pellets : 344 mg NOx/kWh

Facteurs d'émission SO₂

Gaz naturel : 140 mg SO₂/kWh

Mazout : 600 mg SO₂/kWh

Pellets : 344 mg SO₂/kWh

Source des Constantes : Les valeurs sont issues de normes scientifiques (capacité thermique, masse volumique), de la documentation technique des équipements (coefficients U) et des facteurs d'émission normalisés pour la Suisse.

Profil de Consommation

Variables d'Entrée

INPUT_conso_total_an

Désignation : Consommation annuelle d'énergie pour le chauffage et l'ECS

Unité : kWh/an

INPUT_conso_chauf_part

Désignation : Part des besoins de chaleur pour le chauffage

Unité : 0-1

INPUT_conso_ecs_part

Désignation : Part des besoins de chaleur pour l'eau chaude sanitaire

Unité : 0-1

INPUT_temp_consigne_chaud

Désignation : Température de consigne chauffage

Unité : °C

INPUT_temp_consigne_froid

Désignation : Température de consigne climatisation

Unité : °C

INPUT_profil_ecs_jour

Désignation : Profil journalier de consommation d'ECS heure par heure

Unité : 0-1

Variables Calculées

CALC_conso_chauf_an

Désignation : Consommation annuelle pour le chauffage

Unité : kWh

Équation :

CALC_conso_chauf_an = INPUT_conso_total_an × INPUT_conso_chauf_part

CALC_conso_ecs_an

Désignation : Consommation annuelle pour l'ECS

Unité : kWh

Équation :

CALC_conso_ecs_an = INPUT_conso_total_an × INPUT_conso_ecs_part

CALC_besoins_chauf_an

Désignation : Besoins annuels pour le chauffage

Unité : kWh

CALC_besoins_ecs_an

Désignation : Besoins annuels pour l'ECS

Unité : kWh

CALC_besoins_ecs_jour

Désignation : Besoins journaliers en ECS

Unité : kWh

Équation :

CALC_besoins_ecs_jour = CALC_besoins_ecs_an / 365

CALC_besoins_ecs_puissance

Désignation : Puissance nécessaire pour produire l'ECS

Unité : kW

Équation :

CALC_besoins_ecs_puissance = CALC_besoins_ecs_jour / SOMME(INPUT_profil_ecs_jour)

CALC_besoins_puissance_max

Désignation : Puissance maximale pour répondre aux besoins

Unité : kW

CALC_besoins_total_an

Désignation : Besoins annuels totaux

Unité : kWh

Équation :

CALC_besoins_total_an = CALC_besoins_chauf_an + CALC_besoins_ecs_an

CALC_besoins_apres_solaire_an

Désignation : Besoins après apport solaire

Unité : kWh

CALC_besoins_apres_pac_an

Désignation : Besoins après apport PAC

Unité : kWh

CALC_besoins_non_combles_an

Désignation : Besoins non comblés

Unité : kWh

Conditions Climatiques