Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. 142-144. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Titre de l'écran-titre (visionné le 16 octobre 2023) / La technologie de chauffage et de refroidissement urbain est l'une des solutions prometteuses pour réduire la consommation d'énergie afin d'atténuer les effets des changements climatiques. La tendance du développement des systèmes de chauffage et de refroidissement urbains est d'abaisser la température d'alimentation. Ainsi, les réseaux thermiques seraient en mesure de réduire les déperditions de chaleur et d'augmenter sensiblement le nombre de sources de chaleur récupérables. Cependant, la baisse de la température de fonctionnement du quartier peut entraîner divers problèmes. Le premier problème concerne les quartiers avec des bâtiments anciens dont la température pour le chauffage peut être élevés (80°C) alors que la température du réseau de chauffage urbain de 4ème génération est d'environ 50°C (30-70°C pour la 4ème génération). Bien que l'abaissement de la température du réseau puisse augmenter l'efficacité des centrales d'approvisionnement et réduire la perte de chaleur à travers le réseau, les conséquences connexes telles que l'augmentation des frais d'exploitation et l'augmentation des émissions de GES causées par l'augmentation de la consommation d'électricité des pompes à chaleur distribuées devraient être considéré. Par conséquent, la température d'alimentation doit être optimisée. Pour cette raison, la première étape de ce projet s'est concentrée sur la température d'alimentation optimale pour un quartier avec une demande de chauffage à haute température. Ce projet propose un nouveau cadre d'optimisation multi-objectifs pour déterminer la température d'alimentation en temps réel pour le chauffage urbain à basse température avec des pompes à chaleur distribuées. Les résultats montrent que le cadre proposé peut effectivement réduire les coûts et les émissions, mais la viabilité du système dépend fortement du type de combustible (c.-à-d. copeaux de bois ou gaz naturel), du prix de l'électricité, du facteur d'émission de l'électricité, du poids relatif des coûts et des émissions dans la fonction objective. Dans l'étude de cas avec des coûts d'électricité et des émissions typiques pour le Québec (Canada), la température de fonctionnement moyenne pourrait être réduite à 42 et 66°C selon le type de chaudières dans le système. Alors que les émissions étaient toujours plus faibles qu'avec un réseau conventionnel, les coûts d'exploitation pouvaient être plus élevés (avec une chaudière à copeaux de bois) ou plus bas (avec une chaudière au gaz naturel). Ces travaux peuvent contribuer au déploiement de réseaux basse température performants. Le deuxième problème concerne les nouveaux quartiers avec une demande simultanée de chauffage et de refroidissement. Dans ce cas, quelle est la combinaison et la taille optimales des systèmes à basse température compte tenu des facteurs économiques? Le réseau de chauffage et de refroidissement urbains de cinquième génération (5GDHC en anglais) offre une solution efficace pour les quartiers ayant des demandes simultanées de chauffage et de refroidissement. Cependant, la recherche sur les systèmes de chauffage et de refroidissement urbains de 5ème génération en est à ses débuts. Ce deuxième volet proposait un nouveau système de chauffage et de refroidissement urbains de 5ème génération assistés par le solaire hybride photovoltaïque-thermique avec stockage géothermique. Une plateforme décisionnelle de conception et d'exploitation de ce nouveau système est proposée sur la base de l'optimisation. L'optimisation minimise le coût global du cycle de vie en tenant compte des investissements en capital et de remplacement dans l'équipement de district, ainsi que des frais d'exploitation grâce à une conception et une exploitation optimisée du 5GDHC. Une analyse de sensibilité globale est utilisée pour réduire les dimensions de l'optimisation, et les résultats indiquent qu'une optimisation de dimension réduite permet d'obtenir des résultats similaires à une optimisation de dimension complète tout en économisant du temps de calcul. Notre étude montre que même dans les régions où les prix de l'électricité sont bas, comme le Québec, les investissements en capital dans les pompes à chaleur, les forages géothermiques et les systèmes photovoltaïques/thermiques (PVT) peuvent être récupérés à la fin de la durée de vie du projet. L'électricité peut être économisée à plus de 50% pour le nouveau système. Sur la base de l'optimisation, le nouveau système est comparé à un système sans stockage géothermique et 5GDHC avec stockage géothermique mais sans systèmes solaires sur la base d'évaluations économiques du cycle de vie. L'investissement en capital des pompes à chaleur, des forages géothermiques et des systèmes photovoltaïques/thermiques (PVT) peut être remboursé à la fin de la durée de vie du projet. De plus, les systèmes géothermiques peuvent augmenter la récupération de la chaleur résiduelle et de l'énergie solaire. Le 5GDHC à assistance d'hybride photovoltaïque-thermique solaire avec stockage géothermique a surpassé les systèmes sans système solaire ou les systèmes sans stockage géothermique. Les réseaux 5GDHC modifient les interactions énergétiques entre les individus du quartier tout en permettant l'interaction énergétique entre les prosommateurs afin que l'ensemble du quartier puisse bénéficier de l'amélioration de l'efficacité énergétique. La coordination des interactions énergétiques dans un tel système est un problème complexe, généralement résolu par une optimisation centralisée. En plus des problèmes de confidentialité pour les prosommateurs, l'optimisation centralisée peut s'avérer trop difficile à résoudre pour les grands systèmes 5GDHC et ne peut pas établir une répartition des bénéfices entre les prosommateurs. Ceci introduit le troisième problème : pour les individus, comment le bénéfice tiré de l'ensemble du quartier est-il réparti entre les prosommateurs ? En d'autres termes, à quoi ressemble le marché de l'énergie pour ce nouveau système énergétique de quartier ? Ce volet développe un cadre communautaire de marché transactionnel de l'énergie basé sur l'optimisation distribuée de 5GDHC. L'optimisation est basée sur la méthode des multiplicateurs à direction alternée proximale de Jacobi. L'approche repose sur des interactions itératives entre le coordinateur de réseau et les prosommateurs, les premiers ajustant le prix interne de l'énergie thermique et les seconds adaptant leur demande de chauffage et de refroidissement. La méthode proposée a permis d'ajuster dynamiquement le prix interne de l'énergie thermique et la demande des prosommateurs tout en tenant compte de leur insatisfaction thermique. En facilitant le fonctionnement du 5GDHC, ce travail pourrait contribuer à leur mise en œuvre pratique dans le futur. En résumé, ce projet a atteint les trois sous-objectifs suivants : 1) Ce projet a proposé une méthode d'optimisation et d'abaissement de la température du réseau thermique pour un quartier demandant une température élevée pour le chauffage à l'aide de pompes à chaleur distribuées. 2) Ce projet a proposé une nouvelle plate-forme décisionnelle basée sur l'optimisation de la conception et de l'exploitation des nouveaux systèmes de chauffage et de refroidissement urbains hybrides photovoltaïques-thermiques de 5e génération à assistance solaire. 3) Un concept de marché de l'énergie pour ordonnancer la demande thermique des prosommateurs distribués pour le 5GDHC. / District heating and cooling technology is one of the most promising solutions for reducing energy consumption and thus fight climate change. The trend of developing district heating and cooling systems is to lower the supply temperature. As such, thermal networks would be able to abate heat losses and substantially increase the number of recoverable heat sources. However, lowering down the operational temperature of the district may case the several problems. The first problem is for district with old buildings whose temperature requirement for space heating may be high (75°C) while the temperature of the network of 4ᵗʰ generation district heating is around 50°C (30-65°C for 4th generation). Although lowering the temperature of network can increase the efficiency of the supply plants and reduce the heat loss through the network, the related consequence such as increasing operational fees, and increasing GHG emissions caused by the increasing electricity consumption of the distributed heat pumps should be considered. Therefore, the supply temperature should be optimized. Therefore, the first step of this project focused on the optimal supply temperature for district with high temperature heating demand. This project proposes a new multi-objective optimization framework to determine the real-time supply temperature for low-temperature district heating with booster heat pumps. Results show that the proposed framework can indeed reduce costs and emissions, but the viability of the system depends strongly on the fuel type (i.e., wood chips or natural gas), price of electricity, emission factor of electricity, relative weight of costs and emissions in the objective function. In the case-study with typical electricity costs and emissions for Quebec (Canada), the average operating temperature could be reduced to 42 and 66°C depending on the type of boilers in the system. While emissions were always smaller than with a conventional network, operating costs could be higher (with wood chip boiler) or lower (with natural gas boiler). This work can contribute to the deployment of efficient low temperature networks. The second problem is for new district with simultaneous heating and cooling demand. What is the optimal combination and size for the new district with low temperature when considering economic factors? The Fifth Generation District Heating and Cooling (5GDHC) network offers an efficient solution for districts with simultaneous heating and cooling demands. However, research of the 5ᵗʰ generation district heating and cooling systems is in its early stage. This project proposed a novel hybrid photovoltaic-thermal solar-assisted 5ᵗʰ generation district heating and cooling systems with geothermal storage. A decision-making platform for design and operation for this new system is proposed based on optimization. The optimization minimizes the overall lifecycle cost by considering capital and replacement investments in district equipment, and operational fees through optimized design and operation of 5GDHC. A global sensitivity analysis is used to reduce the dimension of optimization, and the results indicate that a reduced-dimension optimization can achieve similar results as a full-dimension optimization while saving computational time. Our study shows that even in regions with low electricity prices, such as Quebec, the capital investments in heat pumps, geothermal boreholes, and photovoltaic/thermal (PVT) systems can be recovered by the end of the project's lifetime. The electricity can be saved up to 50% for the new system. Based on the optimization, the new system is compared with hybrid photovoltaic-thermal solar-assisted 5ᵗʰ generation district heating and cooling system without geothermal storage and 5GDHC with geothermal storage but without solar systems based on economic life cycle assessments. The capital investment of the heat pumps, geothermal boreholes and photovoltaic/thermal (PVT) systems can be paid back at the end of the lifetime of the project. Additionally, geothermal systems can increase the recovery of the waste heat and solar energy. The hybrid photovoltaic-thermal solar-assisted 5GDHC with geothermal storage outperformed for systems without solar system or systems without geothermal storage. 5GDHC has changed the energy interactions between individuals in the district while allowing the energy interactions between prosumers so that the whole district can benefit from improved energy efficiency. Coordinating the energy interactions in such a system is a complex problem, typically solved through centralized optimization. In addition to privacy issues for prosumers, centralized optimization can prove too hard to solve for large 5GDHC systems and cannot establish a profit distribution between prosumers. This introduces the third problem: For individuals, how the benefit gained from optimizing the whole district be allocated between the prosumers? In other words, what is the energy market looks like for this new district energy system? This project develops a community-based transactive energy market framework based on distributed optimization of 5GDHC. The optimization is based on the Jacobi-proximal alternating direction method of multipliers. The approach relies on iterative interactions between the network coordinator and the prosumers, the former adjusting the internal price of thermal energy and the latter adapting their heating and cooling demand. The proposed method allowed to dynamically adjust the internal price of thermal energy and the prosumers' demand while considering their thermal dissatisfaction. By facilitating 5GDHC operation, this work could help their practical implementation in the future. To summarize, this project has achieved the following three sub-objectives: 1) This project proposed a method for optimizing and lowering the temperature of the thermal network for district with high temperature demand with help of distributed heat pumps. 2) This project proposed a new decision-making platform based on optimization for design and operation of the new hybrid photovoltaic-thermal solar-assisted 5ᵗʰ generation district heating and cooling systems. 3) A concept of energy market to schedule the thermal demand of distributed prosumers for 5GDHC.

Ce mémoire porte sur l'optimisation des systèmes de distribution de fluides incompressibles. Le programme proposé est basé sur un algorithme génétique modifié incluant la méthode d'optimisation des réseaux qui consiste à ajouter des points d'embranchement non consommateurs, ainsi que les techniques de recherche locale et de mutation ciblées. Dans un premier temps, nous définissons un modèle d'optimisation qui consiste à minimiser la puissance de pompage lorsque le volume total du réseau est contraint. Les topologies optimales contiennent donc implicitement les diamètres optimums des conduits. Deux cas complexes de distribution de fluides sont étudiés avec notre programme en prenant ce modèle d'optimisation : la topologie optimale reliant la source placée au centre d'un disque et les consommateurs situés sur la périphérie de ce dernier (2D) et la topologie optimale reliant la source placée au centre d'une sphère et les consommateurs situés sur la surface de cette dernière (3D). Les résultats montrent que les structures optimales qui minimisent le coût de pompage ont des formes de dendrite et d'arbre. Nous démontrons aussi que les meilleures solutions en termes de performance et de robustesse sont obtenues lorsque l'optimisation est libre, sans contraintes géométriques ou structurales imposées. Par la suite, nous nous intéressons à l'optimisation d'un réseau de chauffage urbain, application réelle du problème d'optimisation des systèmes de distribution de fluides. Cette fois-ci le volume n'est plus contraint et la solution optimale recherchée est celle qui minimise plusieurs coûts à la fois : des coûts de fonctionnement, caractérisés par le coût de pompage et le coût de chauffage et des coûts d'achat et d'installation, amortis sur plusieurs années, caractérisés par le volume total du réseau, l'isolant utilisé et les échangeurs thermiques installés dans chaque nœud consommateur. Un nouveau modèle est ainsi défini et nous étudions plusieurs scénarios, basés sur les coûts économiques des projets. Nos résultats montrent l'efficacité et la pertinence de notre programme pour résoudre ce type de problèmes, qualifiées de NP-difficiles. De plus, nous démontrons que pour les cas étudiés, le coût thermique prédomine sur le coût de pompage, ce qui mène à des topologies optimales qui se rapprochent du réseau le plus court. / Fluid distribution networks are present in many engineering applications like water, oil or gas pipelines, district heating or cooling systems (DHS or DCS) and electronics cooling devices or heat exchangers. In order to meet modern engineering needs, such systems must be optimized to achieve better performance. In this paper we take a fresh look at the design of minimal cost fluid distribution networks under global constraints by introducing a program based on a modified genetic algorithm (MGA) including Gilbert-Steiner optimization points approach, local search and targeted mutation procedures. This work is divided as follows: first, pumping power is regarded as the cost function and volume and continuity constraints are added to the mathematical model. This led us to the study of 2D and 3D complex fluid distribution systems: discshaped and sphere-shaped networks. Large dimension problems are analyzed with our program and results show that dendrites combined with tree-shaped structures are those who perform the best in order to meet minimum pumping power needs. Moreover, our study in chapter VI demonstrates that "free optimization", i.e. no geometric structure assumption, leads to higher performance and more robust designs. Next, we take a look at the optimization of DHS, for which energy equation is added to the mathematical formulation of the problem and volume constraint is relaxed. Cost function is enlarged to network construction and operational costs. A new model is defined, so that this problem can be regarded as a multi-criteria minimum spanning tree network, for which GA have proven to be highly efficient. Different scenarios, based on economic analysis for industrial projects, are analysed with our program. Our results show that in such systems, thermal needs are higher than pumping power needs, leading to shortest trees.