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Ce module calcule le débit et les coûts de transmission de la chaleur des sources potentielles de chaleur excédentaire situées en dehors des zones potentielles de chauffage urbain vers la zone de chauffage urbain. Les données d'entrée sont les profils de charge horaire du flux de chaleur excédentaire et de la demande de chauffage urbain, l'emplacement de la source de chaleur excédentaire et du système potentiel de chauffage urbain, les coûts d'investissement dans les échangeurs de chaleur et les lignes de transport et les valeurs seuils pour la distance et les coûts de transport.
Le module de calcul «Potentiel de transport de chaleur excédentaire» aidera l'utilisateur à identifier les potentiels d'intégration pour l'excès de chaleur dans les réseaux de chauffage urbain. Les potentiels sont basés sur le CM - Potentiel de chauffage urbain . Ce CM identifie les zones présentant des conditions favorables pour les réseaux de chauffage urbain et montre la quantité de chaleur qui pourrait potentiellement être couverte par l'excès de chaleur industrielle dans ces zones. Cependant, cela ne signifie pas qu'un réseau de chauffage urbain existe déjà dans cette région.
Les données et méthodes suivantes sont combinées pour la tâche précédente.
Les données:
Besoins en chauffage pour les zones voisines avec des conditions favorables pour les réseaux de chauffage urbain, qui sont dissous toutes les heures (à partir du CM - Potentiel de chauffage urbain ).
Données sur les quantités de chaleur excessive des entreprises industrielles de la région, qui sont également résolues toutes les heures (à partir de la base de données industrielle de l'ensemble de données).
Hypothèses sur les coûts des échangeurs de chaleur, des pompes et des pipelines ainsi que sur les pertes de chaleur pour les pipelines de chauffage urbain.
Méthode (simplifiée):
Le but de la méthode est de représenter le plus grand flux de chaleur excédentaire possible avec des canalisations pas trop nombreuses et donc trop longues vers les utilisateurs potentiels du chauffage urbain en générant des réseaux avec des débits maximaux. Cependant, les lignes de transport particulièrement inefficaces (avec de faibles flux de chaleur et donc des coûts de transport de chaleur spécifiques élevés) ne sont pas prises en compte dans le réseau final. Le seuil d'efficacité économique des lignes de transport individuelles peut être spécifié par l'utilisateur (cf. Seuil de la ligne de transport).
Le contexte de base de l'approche est le suivant: s'il n'y a que quelques sources de chaleur excédentaire, une seule canalisation par source pourrait toujours être prise en compte pour transporter la chaleur vers une zone voisine présentant des conditions favorables au chauffage urbain. Cependant, s'il y a plusieurs sources de chaleur en excès qui doivent s'écouler dans la même zone, il serait logique de collecter la chaleur et de la transporter vers la zone dans un pipeline commun plus grand. L'approche avec un tuyau par source a tendance à surestimer l'effort pour les pipelines.
Pour contrer ce qui précède, le problème de la planification des pipelines a été approché en supposant un problème d'écoulement du réseau. Une méthode heuristique est utilisée pour résoudre le problème, dans laquelle l'excès de chaleur peut être regroupé et transporté vers les utilisateurs potentiels. La conception méthodique concrète de la solution avec l'approche de l'arbre de portée minimale est décrite dans la partie méthodique correspondante. La conception du pipeline déterminée dans le contexte précédent ne représente donc pas une planification détaillée ou un guidage d'itinéraire réel, mais n'est utilisée que pour l'approximation des coûts de distribution des quantités de chaleur excédentaires dans les zones voisines avec des conditions favorables pour les réseaux de chauffage urbain. (voir CM - Potentiel de chauffage urbain , mot-clé zones cohérentes). Cette approximation des coûts se réfère donc à l'ensemble du réseau.
Les résultats doivent alors d'abord être interprétés comme suit: si les quantités de chaleur excédentaires enregistrées devaient être transportées ensemble vers les zones voisines indiquées, alors les coûts de distribution de chaleur pourraient être de l'ordre de grandeur indiqué par l'outil (cf. Coût nivelé de l'apport de chaleur). En règle générale, les valeurs pour l'ensemble du réseau sont également un bon indicateur de départ pour les pipelines individuels. Le but des résultats est donc de fournir à un développeur ou à un planificateur de projet un ordre de grandeur des éventuels coûts de distribution.
Surfaces de chauffage urbain (pour l'instant directement fournies par le potentiel de chauffage urbain CM)
Base de données industrielle (fournie par défaut par la boîte à outils)
Profils de charge pour l'industrie
Profils de charge pour le chauffage résidentiel et l'eau chaude sanitaire
Min. demande de chaleur par hectare
Min. demande de chaleur dans une zone DH
Durée de vie de l'équipement en années
Les coûts actualisés de la chaleur font référence à cette période.
Taux d'actualisation en%
Taux d'intérêt du crédit requis pour construire le réseau.
Facteur de coût
Facteur pour adapter les coûts du réseau au cas où les valeurs par défaut ne représentent pas exactement les coûts. Les investissements nécessaires au réseau sont multipliés par ce facteur. Les coûts par défaut peuvent être trouvés dans la section Calcul des coûts .
Coûts opérationnels en%
Coûts de fonctionnement du réseau par an. En pourcentage des investissements nécessaires au réseau.
Valeur seuil pour les lignes de transport en ct / kWh
Le coût actualisé maximal de la chaleur de chaque ligne de transmission individuelle. Ce paramètre peut être utilisé pour contrôler le coût actualisé de la chaleur pour l'ensemble du réseau. Une valeur inférieure équivaut à un coût nivelé inférieur de la chaleur, mais également à une réduction de la chaleur excédentaire utilisée et vice versa.
Résolution temporelle
Définit l'intervalle entre les calculs de flux réseau sur toute l'année. Il peut s'agir de l'une de ces valeurs: (heure, jour, semaine, mois, année)
Lignes de transmission
Shapefile montrant les lignes de transport suggérées avec leur température, leur flux de chaleur annuel et leur coût. Les détails peuvent être trouvés ici.
Surchauffe totale de la zone sélectionnée en GWh
Surchauffe totale disponible des installations industrielles dans la zone sélectionnée et à proximité.
Excès de chaleur connecté en GWh
Surchauffe totale disponible des installations industrielles connectées à un réseau.
Excès de chaleur utilisé en GWh
Surchauffe réelle utilisée pour la DH.
Investissements nécessaires au réseau en €
Investissement nécessaire pour construire le réseau.
Coûts annuels du réseau en € / an
Les coûts engendrés par la rente et les coûts d'exploitation du réseau par an.
Coûts actualisés de la fourniture de chaleur en ct / kWh
coût nivelé de la chaleur du réseau complet.
Potentiel DH et chaleur excessive
Graphique montrant le potentiel DH, l'excès de chaleur total, l'excès de chaleur connecté et l'excès de chaleur utilisé. Les détails peuvent être trouvés ici .
Excès de chaleur utilisé et investissement nécessaire
Graphique montrant l'excédent de chaleur annuel fourni à l'investissement nécessaire au réseau. Les détails peuvent être trouvés ici .
Courbes de charge
Graphique montrant la demande de chaleur mensuelle et l'excédent. Les détails peuvent être trouvés ici .
Courbes de charge
Graphique montrant la demande de chaleur quotidienne moyenne et l'excédent. Les détails peuvent être trouvés ici .
En cliquant sur la ligne de transmission, des informations supplémentaires apparaîtront.
Ce graphique compare le potentiel DH, l'excès de chaleur total, l'excès de chaleur connecté et l'excès de chaleur utilisé.
Pour plus d'informations sur la demande annuelle de chaleur et le potentiel DH, cliquez ici . L'excès de chaleur relié à l'excès de chaleur et à l'excès de chaleur utilisé sont les mêmes que leurs indicateurs également nommés, dans la section Entrée et Sortie .
Ce graphique montre le flux total à travers le réseau tout au long de l'année. Le graphique inférieur représente la journée moyenne.
L'axe des x représente le temps et la puissance de l'axe des y. Les courbes bleues représentent la demande de chaleur des zones DH et le rouge l'excès de chaleur disponible. L'intersection des deux courbes représente le flux total réel de chaleur. Le graphique du haut montre le débit sur l'année et celui du bas le débit de la journée moyenne. Notez que la résolution temporelle doit être réglée au moins sur «mois» pour le haut et «heure» pour que le graphique inférieur soit représentatif.
L'élément clé du module de chaleur excédentaire est le modèle source-puits utilisé. Il construit un réseau de transport de longueur minimale et calcule le débit pour chaque heure de l'année en fonction des profils de charge de chauffage résidentiel avec une résolution NUTS 2 et des profils de charge de l'industrie avec une résolution NUTS 0. Sur la base des débits de pointe moyens tout au long de l'année, les coûts de chaque ligne de transmission et échangeur de chaleur du côté source et du côté puits peuvent être calculés.
Sur la base de l'ID NUTS 0 et du secteur industriel, un profil de charge horaire résolu sur une année est attribué à chaque source.
Sur la base du module de calcul du potentiel de chauffage urbain, des points d'entrée équidistants sont créés dans les zones cohérentes. En fonction de l'ID NUTS 2 des points d'entrée, un profil de charge est attribué.
Dans un rayon prédéfini, il est vérifié quelles sources sont à portée l'une de l'autre, quels puits sont à portée l'un de l'autre et quels puits sont à portée des sources. Cela peut être représenté par un graphe avec des sources et des puits formant les sommets et les sommets de la plage reliés par une arête.
Un arbre couvrant minimum est calculé avec la distance des arêtes comme poids. Il en résulte un graphe conservant sa connectivité tout en ayant une longueur totale minimale d'arêtes. A noter que les points d'entrée des espaces cohérents sont connectés en interne gratuitement puisqu'ils forment leur propre réseau de distribution.
Le débit maximal des sources aux puits est calculé pour chaque heure de l'année.
Le débit de pointe de l'année en moyenne sur 3 heures détermine la capacité requise pour les lignes de transport et les échangeurs de chaleur. Les coûts des lignes de transport dépendent de la longueur et de la capacité, tandis que les coûts des échangeurs de chaleur ne sont influencés que par la capacité. Du côté de la source, un échangeur de chaleur air-liquide avec pompe intégrée pour la ligne de transmission et du côté de l'évier un échangeur de chaleur liquide-liquide sont supposés.
Etant donné que le coût et le débit de chaque ligne de transmission sont connus, les lignes avec le rapport coût / débit le plus élevé peuvent être supprimées et le débit recalculé jusqu'à ce que le coût par flux souhaité soit atteint.
Pour le calcul de la distance entre deux points, une petite approximation angulaire de la longueur du loxodrome est utilisée. Bien qu'il existe également une implémentation précise de la distance orthodrome, la précision accrue n'a aucun avantage réel en raison des petites distances généralement inférieures à 20 km et de l'incertitude de la longueur réelle de la ligne de transmission en raison de nombreux facteurs tels que la topologie. Si deux points sont dans la plage du rayon, il est stocké dans une liste de contiguïté. La création de telles listes de contiguïté est effectuée entre les sources et les sources, les puits et les puits, et les sources et les puits. La raison de la séparation réside dans la flexibilité d'ajouter certaines exigences de température pour les sources ou les puits.
Sur la base de la bibliothèque igraph, une classe NetworkGraph est implémentée avec toutes les fonctionnalités nécessaires au module de calcul. Bien que igraph soit mal documenté, il offre de bien meilleures performances que les modules python purs comme NetworkX et un support de plate-forme plus large au-delà de Linux, contrairement à graph-tool. La classe NetworkGraph décrit un seul réseau sur la surface mais contient 3 graphiques différents. Tout d'abord, le graphe décrivant le réseau tel qu'il est défini par les trois listes de contiguïté. Deuxièmement, le graphe de correspondance reliant en interne les puits de la même zone cohérente et le dernier graphe de débit maximal utilisé pour le calcul du débit maximal.
Ne contient que les sources et les puits réels en tant que sommets.
Chaque puits a besoin d'un identifiant de correspondance, qui indique s'il est connecté en interne par un réseau déjà existant comme dans des zones cohérentes. Les puits avec le même id de correspondance sont connectés à un nouveau sommet avec des arêtes de poids nul. Ceci est crucial pour le calcul d'un arbre couvrant minimum et la raison pour laquelle le graphe de correspondance est utilisé pour cela. Cette fonctionnalité est également implémentée pour les sources mais n'est pas utilisée.
Exemple de graphique de correspondance. Les sommets rouges représentent les sources et les bleus coule. Les trois puits sur la droite sont cohérents reliés par un sommet supplémentaire plus grand
Comme igraph ne prend pas en charge plusieurs sources et puits dans sa fonction de débit maximum, un graphique auxiliaire est nécessaire. Il introduit une source infinie et un sommet de puits. Chaque source réelle est connectée à la source infinie et chaque puits réel est connecté au puits infini par un bord. Notez que si un puits est connecté à un sommet de correspondance, ce sommet sera connecté plutôt que le puits lui-même.
Exemple de graphique de débit maximum.
Sur la base du graphe de correspondance, l'arbre couvrant minimum est calculé. Les arêtes reliant les puits cohérents ont toujours le poids 0, elles resteront donc toujours une partie de l'arbre couvrant minimum.
Exemple de graphe de correspondance avec les poids de chaque arête et son arbre couvrant minimum.
Le flux à travers les bords reliant respectivement les sources ou puits réels à la source ou au puits infini est plafonné à la capacité réelle de chaque source ou puits. Pour des raisons numériques, les capacités sont normalisées de manière à ce que la plus grande capacité soit de 1. Le flux à travers le sous-ensemble d'arêtes contenu dans le graphique de correspondance est limité à 1000, ce qui devrait, à toutes fins intenses et à toutes fins, offrir un débit illimité. Ensuite, le flux maximum de la source infinie vers le puits infini est calculé et le flux est redimensionné à sa taille d'origine. Puisque les puits cohérents ne sont pas directement connectés au sommet de puits infini mais par le sommet de correspondance, le flux à travers celui-ci est limité à la somme de tous les puits cohérents.
Exemple de graphique de débit maximum et les capacités de chaque source et puits. Le graphique de droite montre le débit maximum autorisé à travers chaque arête après la normalisation. Notez que le débit maximum autorisé à travers les arêtes avec le symbole de l'infini est en fait plafonné à 1000 dans l'implémentation.
L'implémentation de la fonction de débit maximum igraph utilise l'algorithme Push-relabel. Ce type d'algorithme n'est pas sensible au coût et peut ne pas toujours trouver le moyen le plus court d'acheminer le flux. Un algorithme sensible au coût n'est pas disponible dans igraph et les performances seraient probablement faibles pour pouvoir résoudre un flux horaire tout au long de l'année. Mais en raison de la réduction préalable à un arbre couvrant minimum, les cas dans lesquels une solution non idéale est choisie sont très limités et peu probables. L'algorithme Push-relabel a également tendance à acheminer le flux à travers le moins d'arêtes. L'implémentation de l'igraphe semble être déterministe dans l'ordre d'allocation du flux si les graphiques sont au moins des automorphismes, ce qui est important pour le calcul du flux horaire puisque toute oscillation de flux introduite artificiellement entre les arêtes est indésirable.
Les sources de chaleur sont extraites de la base de données industrielle. Sur la base de leur excès de chaleur, Nuts0 ID et le secteur industriel un profil de charge couvrant toutes les heures de l'année est créé pour chaque site. L'ajout personnalisé de sites est prévu.
Les dissipateurs thermiques sont basés sur des zones cohérentes avec une demande de chaleur connue. Les zones cohérentes forment un masque pour une grille sur laquelle des points équidistants sont placés comme points d'entrée. En fonction de l'ID NUTS 2 sélectionné, un profil de chauffage résidentiel est attribué aux éviers. L'ajout personnalisé de points d'entrée et d'éviers est prévu.
Les profils de charge mentionnés se composent de 8760 points qui représentent la charge pour chaque heure des 365 jours. Vous trouverez ici de plus amples informations sur les profils de charge.
Étant donné que les systèmes de chauffage urbain ont une grande capacité thermique, un pic de débit ne signifie pas que les lignes de transport doivent fournir ce court pic de chaleur instantanément. Par conséquent, les capacités requises des lignes de transmission et des échangeurs de chaleur sont déterminées par la charge de pointe moyenne. Plus précisément, la fonction de convolution numpy est utilisée pour faire la moyenne du débit au cours des trois dernières heures en convoluant avec une fonction constante. En fonction de cette valeur, une ligne de transmission du tableau suivant est choisie.
Coûts spécifiques des lignes de transport utilisées
| Puissance en MW | Coûts en € / m | Température en ° C | | ------------- |: -------------: | -----: | | 0,2 | 195 | <150 | | 0,3 | 206 | <150 | | 0,6 | 220 | <150 | | 1,2 | 240 | <150 | | 1,9 | 261 | <150 | | 3,6 | 288 | <150 | | 6.1 | 323 | <150 | | 9,8 | 357 | <150 | | 20 | 426 | <150 | | 45 | 564 | <150 | | 75 | 701 | <150 | | 125 | 839 | <150 | | 190 | 976 | <150 | | > 190 | 976 | <150 |
Les coûts de l'échangeur de chaleur du côté source qui est supposé comme air-liquide sont calculés avec
C HSource (en-P) = P pic * 15000 € / MW.
Les coûts de l'échangeur de chaleur liquide-liquide côté évier sont déterminés avec
C HSink (en-P) = P crête * 265000 € / MW si P crête <1 MW ou
C HSink (en-P) = P pic * 100 000 € / MW autre.
Avec un seuil de coût / débit pour les lignes de transport, elles peuvent être supprimées si elles le dépassent pour améliorer le rapport débit / coût. Après la suppression des arêtes, le flux doit être recalculé car la continuité du flux dans le graphe n'est plus garantie. Le rapport coût / débit pourrait également augmenter pour d'autres bords maintenant, de sorte que ce processus est répété jusqu'à ce que la somme de tous les flux ne change plus.
Tout d'abord, les sources de chaleur et les puits sont chargés avec leurs profils de charge. Ensuite, la recherche à rayon fixe est effectuée et le réseau initialisé. Ensuite, le réseau est réduit à son arbre couvrant minimum et le débit maximum est calculé pour chaque heure de l'année. Sur la base du débit, les coûts de chaque échangeur de chaleur, pompe et ligne de transmission sont calculés. Si un rapport coût / débit seuil est défini, la procédure de suppression de la ligne de transmission est exécutée. Au final, le coût total et le débit total du réseau et la configuration du réseau sont retournés.
Ici, vous obtenez le développement de pointe pour ce module de calcul.
Le présent CM - POTENTIEL DE TRANSPORT DE CHALEUR EXCÉDENT est destiné à aider l'utilisateur à identifier les potentiels d'intégration de surchauffe dans les réseaux de chaleur. Bien que de nombreuses fonctions d'analyse soient proposées afin de ne pas restreindre l'utilisateur, il faut préciser explicitement qu'il ne s'agit pas d'une planification technique détaillée. Les potentiels sont basés sur le CM - Potentiel de chauffage urbain . Ce CM identifie les zones présentant des conditions favorables pour les réseaux de chauffage urbain. Ainsi, il montre combien de chaleur pourrait être couverte par l'excès de chaleur industrielle dans ces zones. Cependant, cela ne signifie pas qu'un réseau de chauffage urbain existe déjà dans cette région. Une utilisation orientée application de l'outil pour les praticiens pourrait donc se présenter comme suit:
Si nécessaire, ajoutez vos propres données sur les excès de chaleur en fournissant aux entreprises de la région l’ ajout de l’usine industrielle CM.
Activez l'option "Surchauffe des sites industriels"
Exécutez le CM - POTENTIEL DE TRANSPORT DE CHALEUR EXCÉDENT.
La valeur
Ce graphique montre la quantité de chaleur qui pourrait être couverte par un excès de chaleur dans la zone étudiée.
Ce graphique montre les coûts de production de chaleur spécifiques pour l'ensemble du réseau. Remarque: les coûts affichés ont été estimés selon une approche simplifiée. Ces coûts ne s'appliquent pas aux pipelines individuels. Cependant, les coûts affichés peuvent être utilisés comme hypothèse de départ simplifiée comme coûts de transport pour l'intégration de la chaleur excédentaire dans un réseau de chauffage urbain éventuellement proche.
À partir de ce qui précède, la hiérarchie de travail suivante peut être utilisée:
Vérifiez si un réseau de chauffage urbain existe ou est prévu dans la région considérée.
Les tuyaux affichés contiennent des flux. Vous pouvez y voir la quantité de chaleur excédentaire transportée par les sources respectives. Les entreprises concernées peuvent désormais être contactées. Probablement d'abord les entreprises avec de grandes quantités.
Cochez DH Potential CM pour adapter les entrées afin qu'une zone DH soit créée.
Cochez la couche "sites industriels" dans la sélection des utilisateurs.
Vérifiez l' avertissement .
Sélectionnez une zone plus grande, dans laquelle vous trouverez au moins un site industriel basé sur l'ensemble de données industrielles par défaut disponible dans la boîte à outils Hotmaps.
Augmenter le seuil de la ligne de transmission
Vérifiez le pays et le sous-secteur des sites industriels téléchargés.
CM n'a pas accès aux données de profil de chauffage résidentiel à exécuter dans cette zone.
Échantillon exécuté dans PL22 avec les paramètres par défaut. Il est recommandé d'activer les sites de chaleur excessive dans l'onglet Calques.Échantillon exécuté dans PL22. Les zones roses représentent le chauffage urbain. L'orange encercle la source de chaleur et les lignes orange les lignes de transmission du réseau.
Ali Aydemir et David Schilling, dans Hotmaps Wiki, CM Excess heat transport potential (septembre 2020)
Cette page a été écrite par Ali Aydemir et David Schilling ( Fraunhofer ISI ).
☑ Cette page a été révisée par Tobias Fleiter ( Fraunhofer ISI ).
Copyright © 2016-2020: Ali Aydemir et David Schilling
Licence internationale Creative Commons Attribution 4.0
Ce travail est concédé sous une licence internationale Creative Commons CC BY 4.0.
Identificateur de licence SPDX: CC-BY-4.0
Texte de la licence: https://spdx.org/licenses/CC-BY-4.0.html
Nous tenons à exprimer notre profonde gratitude au projet Horizon 2020 Hotmaps (accord de subvention n ° 723677), qui a fourni le financement pour mener à bien la présente enquête.
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