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Utilisation de la chaleur excédentaire pour le chauffage urbain.
L'élément clé du module de chaleur excédentaire est le modèle de puits source utilisé. Il construit un réseau de transmission de longueur minimale et calcule le débit pour chaque heure de l'année en fonction de profils de charge de chauffage résidentielle avec résolution Nuts2 et de profils de charge industrielle avec résolution Nuts0. Sur la base des débits de pointe moyens tout au long de l’année, il est possible de calculer les coûts de chaque ligne de transport et échangeur de chaleur côté source et puits.
Sur la base de l'ID Nuts0 et du secteur industriel, un profil de charge résolu sur une année est attribué à chaque source.
Sur la base du module de calcul du potentiel de chauffage urbain de manière équidistante, des points d'entrée sont créés dans les zones cohérentes. En fonction de l'ID Nuts2 des points d'entrée, un profil de charge est attribué.
Dans un rayon défini, il est vérifié quelles sources sont à la portée les unes des autres, quels puits sont à la portée les uns des autres et quels puits sont à la portée des sources. Cela peut être représenté par un graphique avec des sources et des éviers formant les sommets et les sommets de la plage étant reliés par une arête.
Un arbre couvrant minimal est calculé avec la distance des arêtes comme poids. Il en résulte qu'un graphique conserve sa connectivité tout en ayant une longueur totale minimale des arêtes. Notez que les points d’entrée des zones cohérentes sont connectés gratuitement en interne car ils forment leur propre réseau de distribution.
Le débit maximal des sources aux éviers est calculé pour chaque heure de l'année.
Le débit de pointe annuel moyen sur 3 heures détermine la capacité requise pour les lignes de transport et les échangeurs de chaleur. Les coûts des lignes de transmission dépendent de la longueur et de la capacité, tandis que les coûts des échangeurs de chaleur ne sont influencés que par la capacité. Un échangeur de chaleur air / liquide avec pompe intégrée pour la ligne de transmission et un évier sont utilisés côté source.
Le coût et le débit de chaque ligne de transport étant connus, les lignes présentant le rapport coût / flux le plus élevé peuvent être supprimées et le flux recalculé jusqu'à obtention du coût souhaité par flux.
Pour le calcul de la distance entre deux points, une approximation à petit angle de la longueur du loxodrome est utilisée. Bien qu'il existe également une mise en œuvre précise de la distance orthodrome, la précision accrue ne présente aucun avantage réel en raison des faibles 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 se trouvent dans la plage du rayon, ils sont stockés 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.
Basé sur la bibliothèque igraph, une classe NetworkGraph est implémentée avec toutes les fonctionnalités nécessaires au module de calcul. Bien que igraph soit peu documenté, il offre de bien meilleures performances que les modules python purs tels que NetworkX et une plate-forme plus large que celle de Linux, contrairement à graph-tool. La classe NetworkGraph décrit un seul réseau sur la surface, mais contient 3 graphes 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 connectant en interne les puits de la même zone cohérente et le graphe de flux maximum utilisé pour le calcul du flux maximum.
Contient uniquement les sources réelles et les puits sous forme de sommets.
Chaque évier a besoin d'un identifiant de correspondance, qui indique s'il est connecté en interne par un réseau déjà existant, comme dans les zones cohérentes. Les éviers avec le même identifiant de correspondance sont connectés à un nouveau sommet avec des arêtes de poids zéro. Ceci est crucial pour le calcul d'un arbre recouvrant minimum et la raison pour laquelle le graphe de correspondance est utilisé. Cette fonctionnalité est également implémentée pour les sources mais n'est pas utilisée.
Comme igraph ne prend pas en charge plusieurs sources et que sa fonction de débit maximum est absorbée, un graphe auxiliaire est nécessaire. Il introduit une source infinie et un sommet évier. 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.
Sur la base du graphique de correspondance, l'arbre de recouvrement minimal est calculé. Les arêtes reliant les éviers cohérents ont toujours le poids 0, elles resteront donc toujours incluses dans l'arbre couvrant minimal.
Le flux à travers les bords reliant les sources ou puits réels à la source ou au puits infini est respectivement limité à la capacité réelle de chaque source ou puits. Pour des raisons numériques, les capacités sont normalisées de manière à ce que la capacité la plus grande soit égale à 1. Le flux à travers le sous-ensemble des arêtes contenues dans le graphe de correspondance est limité à 1 000, ce qui devrait, pour toutes les utilisations intenses et offrant un flux sans restriction. Ensuite, le flux maximal de la source infinie au puits infini est calculé et le flux redimensionné à sa taille d'origine. Comme les puits cohérents ne sont pas directement connectés au sommet de puits infini, leur flux est limité à la somme de tous les puits cohérents.
L'implémentation de la fonction igraph maximum flow utilise l'algorithme Push-relabel. Ce type d'algorithme n'est pas sensible aux coûts 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 la performance serait probablement trop faible pour pouvoir résoudre un flux basé sur une heure tout au long de l'année. Mais du fait de la réduction préalable à un arbre de recouvrement minimal, 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 possibles. L'implémentation de igraph semble être déterministe dans l'ordre d'allocation du flux si les graphes sont au moins des automorphismes, ce qui est important pour le calcul du flux horaire, car aucune 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 chaleur excédentaire, de Nuts0 ID et du secteur industriel, un profil de charge couvrant chaque heure 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 en tant que points d'entrée. Selon l'ID Nuts2 sélectionné, un profil de chauffage domestique est attribué aux éviers. L'ajout personnalisé de points d'entrée et de puits est prévu.
Les profils de charge mentionnés se composent de 8760 points représentant la charge pour chaque heure des 365 jours. Vous trouverez plus d'informations sur les profils de charge ici.
Étant donné que les systèmes de chauffage à distance ont une grande capacité calorifique, un pic de débit ne signifie pas que les lignes de transport doivent fournir instantanément cette courte pointe de chaleur. Par conséquent, les capacités requises des lignes de transmission et des échangeurs de chaleur sont déterminées par la charge de pointe moyenne. Spécifiquement, 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 transmission 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 côté source, qui est supposé sous forme d’air-liquide, sont calculés avec
C SourceH (P) = P pic * 15 000 € / MW.
Les coûts de l’échangeur de chaleur liquide à liquide côté évier sont déterminés avec
C HSink (P) = P pic * 265 000 € / MW si P pic <1 MW ou
C HSink (P) = P pic * 100 000 € / MW sinon.
Les coûts de la pompe suivent
C Pompe (P) = P pic * 240 000 € / MW si P pic <1 MW ou
C Pompe (P) = P pic * 90 000 € / MW sinon.
Avec un seuil de coût de flux pour les lignes de transmission, elles peuvent être supprimées si elles sont dépassées pour améliorer le rapport flux / coût. Après la suppression des arêtes, le flux doit être recalculé car la continuité du flux dans le graphique n'est plus garantie. Le rapport coût / flux peut également augmenter pour les autres bords, ce processus est répété jusqu'à ce que la somme de tous les flux ne change plus.
D'abord, les sources de chaleur et les éviers sont chargés avec leurs profils de charge. Ensuite, la recherche de rayon fixe est effectuée et le réseau initialisé. Ensuite, le réseau est réduit au minimum et le débit maximal est calculé pour chaque heure de l'année. Sur la base du débit, les coûts de chaque échangeur de chaleur, pompe et ligne de transport sont calculés. Si un rapport coût / débit minimal est défini, la procédure de suppression de la ligne de transmission est exécutée. En fin de compte, le coût total et le flux total du réseau et la structure du réseau sont renvoyés.
Échantillon exécuté à Aalborg.
Échantillon exécuté à Aalborg. Les zones bleues représentent le chauffage urbain. Le point orange indique la source de chaleur et le jaune les points d'entrée du réseau de chauffage urbain. Les coûts totaux s'élèvent à 13,7 M € et le débit annuel total à 185 GWh, soit 0,74 € / kWh pour une période d'investissement de 10 ans.
Cette page est écrite par Ali Aydemir * et David Schilling *
* Fraunhofer ISI Fraunhofer ISI, Breslauer Str. 48, 76139 Karlsruhe
Droits d'auteur © 2016-2018: Ali Aydemir, David Schilling
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Licence-Text: https://spdx.org/licenses/CC-BY-4.0.html
Nous souhaitons exprimer notre profonde gratitude au projet Horizon 2020 Hotmaps (accord de subvention n ° 723677), qui a fourni le financement nécessaire à la réalisation de la présente enquête.
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