Akademisk avhandling--Institute of tema research-technology and social change--Linköping, 1992.

Le domaine principal de cette thèse s’intéresse aux conséquences du changement climatique et des actions de rénovation dans le bâtiment sur les réseaux urbains de chaleur, ainsi qu’aux performances environnementales de ces derniers afin d’évaluer leur potentiel dans le futur. Dans ce but, deux modèles complémentaires ont été développés :•Un modèle dynamique de prévision de la demande de chaleur d’un bâtiment. Ce modèle repose sur une analogie thermoélectrique et a comme entrées, non exclusivement, des données climatiques et des scénarii de rénovation. Les résultats de ce modèle ont été comparés avec ceux d’un logiciel de référence (Energie Plus) : les erreurs sont acceptables. Ce modèle est générique et peut être utilisé dans différentes zones géographiques à l’échelle du quartier. Il a été appliqué sur des quartiers à Nantes et Lisbonne;•Un modèle d’évaluation environnementale (reposant sur le concept d’empreinte énergétique, éMergie) de réseau urbain de chauffage a été conçu. Ce modèle est générique et permet de tester différentes technologies de production et de distribution de chaleur. Il a été appliqué sur des applications en Suède et en Serbie;Les résultats des différentes applications indiquent que la nouvelle génération des réseaux urbains de chaleur ayant une infrastructure compacte (utilisant des matériaux à faible impact environnemental) et une production de chaleur à base de ressources renouvelables ou assimilées pourraient être une solution porteuse d’avenir. Cependant, pour maintenir la rentabilité de tels projets, la réduction de la consommation de chaleur des clients, conséquence en direct du changement climatique et en indirect des incitations aux rénovations du bâti, devrait être considérée dès la phase de conception, et intégrée dans de nouveaux business-plan afin de maintenir des prix de vente de la chaleur attractifs. / The main scope of this thesis is to assess the impacts of changed weather conditions and building renovation on district heating systems in the future, as well as the environmental performance of such systems within the urban environment, in order to evaluate the potential of district heating in the future. In order to do so, two models were developed:•A dynamic model for heat demand forecast, based on the thermo-electrical analogy, that takes into account weather and building renovation scenarios. The model had a satisfactory precision, and it can be applied on any location for a given number of buildings, which was proved on the example of multiple case studies;•An environmental assessment model (based onemergy theory) for the assessment of district heating systems environmental performance within the urban environment. The approach can be applied on any type of district heating systems, as well as on competitive urban heating technologies, which was proved by the application on multiple systems within the case studies considered;The results from case studies indicate that the new generation of district heating systems with compact infrastructure (made of non-environmentally intensive materials) and renewable heat production could be a solution for providing sustainable heating services to urban environments. However, in order to maintain the feasibility of these projects, potential heat demand reductions caused by the direct and indirect impacts of climate change should be considered during the design phase, along with the development of new business plans in order to maintain relatively low prices of district heating services. Moreover, the difference between these impacts in different climate types should be considered.

Les réseaux de chauffage urbain (DHN) sont un moyen efficace de fournir de l'énergie thermique aux consommateurs. L'état actuel de la technique montre que les DHN évoluent vers des réseaux thermiques intelligents dans des systèmes énergétiques intégrés alors que leur conception est basée sur les principes de durabilité. Sur cette base, cette thèse couvre deux domaines de recherche principaux : Fonctionnement et conception des systèmes de chauffage urbain. Dans la partie A de cette thèse, des méthodes avancées pour le fonctionnement de la DHN sont développées à l'aide d'analyses exergétiques et thermoéconomiques. Cela inclut la formulation de bilans de coûts exergétiques pour les modèles de réseau basés sur des graphiques. La partie intrinsèque est le déploiement d'une matrice algébrique, qui détermine les coûts exergétiques pour la modélisation dynamique du système. Une étude de cas d'un réseau réel prouve que la méthodologie proposée offre de nouvelles perspectives sur l'allocation individuelle des coûts, ce qui aide à évaluer la faisabilité de l'intégration par des tiers et l'intégration des sources d'énergie distribuées. Dans la partie B de cette thèse, un nouvel indicateur appelé «load deviation index (LDI)» est proposé pour lier les mesures de la demande (DSM) à la conception durable des systèmes DHN. Pour cela, un cadre de conception axé sur les affaires est proposé, qui prend en compte les influences critiques dans le DHN tout en évitant un trop grand détail. Le comportement du DSM est analysé du point de vue du système et son impact sur la conception du DHN est étudié dans deux études de cas. Alors que l'un se concentre sur les benchmarks pour différentes options de conception en utilisant une métrique de durabilité multicritères, un autre donne des indications détaillées sur l'utilité du cadre proposé pour la conception en évaluant l'impact de DSM sur les améliorations de conception possibles. / District heating networks (DHN) arean efficient way of providing thermal energy to consumers. Current state of the art shows that DHNs are developing towards smart thermal networks in integrated energy systems while their design is based upon the principles of sustainability. Based on that, this thesis covers two main research areas: Operation and design of district heating systems. In part A of this thesis, advanced methods for DHN operation are developed with the help of exergetic and thermoeconomic analysis. This includes the formulation of exergetic cost balances for graph-based network models. Intrinsic part is the deployment of an algebraic matrix, which determines the exergetic costs for dynamic system modeling. A case study of areal-existing network provides evidence that the proposed methodology offers new insights into individual allocation of costs which helps to assess the feasibility of third-party integration and the integration of distributed energy sources. In part B of this thesis, a new indicator called “load deviation index (LDI)” is proposed to link demand side measures (DSM) with the sustainable design of DHN systems. For that, abusiness-focused design frameworks proposed which takes the critical influences of DHN into account while avoiding a too high detail. DSM behavior is analyzed from a system perspective and its impact on DHN design is studied in two case studies. While one focuses on benchmarks for different design options using a multi-criteria sustainability metric, another gives detailed insights into the usefulness of the proposed framework for design purposes through assessing the impact of DSM on possible design improvements using a multi-objective optimization approach.

L’utilisation d'énergie en milieu urbain est essentielle pour le bon fonctionnement de notre société, en particulier pour les besoins de chauffage qui est un élément central de notre système énergétique souvent considéré comme allant de soi. Dans ce cadre, les systèmes énergétiques urbains et en particulier les réseaux de chaleur urbains ont besoin d’évoluer pour s'adapter à la transition à venir vers un système énergétique durable. Ce travail de recherche a pour objectif de présenter, de discuter et d’évaluer, du point de vue technico-économique, le concept de micro-réseaux de chaleur urbains basse température comme réseaux secondaires de distribution de chaleur actifs. Dans cette thèse, une approche méthodologique mixte basée sur la simulation analytique pour l'évaluation des alternatives est développée et discutée pour étudier une combinaison de technologies associées aux sous-stations basse température. Les principaux résultats de ce travail couvrent : le développement d’un modèle amélioré de charges thermiques agrégées ; la comparaison des performances des réseaux basse température ; l’analyse des avantages et des inconvénients des sous-stations actives couplées à des sources de chaleur ou du stockage distribuées ; et les effets d’une température de retour du réseau primaire plus basse. Les conclusions révèlent que la conception et le fonctionnement intégrés du micro-réseau de chaleur urbain actif ont le potentiel d'améliorer les performances de l'ensemble du système, afin de relever ses défis d'une manière efficace et rentable. Ce travail fait progresser les connaissances actuelles sur le chauffage urbain en identifiant les synergies et les enjeux associés, en vue de que ces technologies jouent un rôle clé dans le futur système énergétique intelligent et durable. / Energy use in the urban environment is vital for the proper functioning of our society, and in particular, comfort heating –and cooling– is a central element of our energy system that is often taken for granted. Within this context, district energy systems and especially, district heating (DH) systems must evolve to adapt to the upcoming decades-long transition towards a sustainable energy system. This dissertation seeks to introduce, discuss, and asses from a techno-economic perspective, the concept of low-temperature based thermal micro-grids (subnets) as active distribution thermal networks. For this purpose, a mixed methodological approach based on analytical simulation for the assessment of alternatives is developed and discussed to evaluate a set of technologies. Key findings of this research include: an updated and improved model of aggregated heat loads; the identification of differences in load and temperature patterns for certain LT subnets; the analysis of benefits and drawbacks of active substations with distributed heat sources and/or storage; and the impact of the reduction of the primary network return temperature, which leads to lower generation & operating costs. These outcomes reveal that the integrated design and operation of the active thermal micro-grid have the potential to improve the performance of the entire system, to address the matter of providing comfort heating in an effective and cost-efficient manner. This work advances the current DH knowledge by identifying synergies and challenges that arise with these new developments, in order for DH to play a key role in the future smart and sustainable energy system.

A l'heure actuelle, l'industrie représente environ le tiers de la consommation énergétique et des émissions de CO2. Des opportunités substantielles existent pour faire face aux enjeux environnementaux et économiques, passant par l'efficacité énergétique en général et l'utilisation de l'énergie, en particulier dans les parcs industriels. Les Systèmes à Energie Distribuée (SED) correspondent en ce sens à une solution courante et prometteuse. Nous avons donc entrepris une démarche d'approche globale de site, incluant l'agrégation de l'ensemble des variables énergétiques, économiques, environnementales et managériales influentes dans une installation de ce type. Une mise en application sur une installation pilote et sa validation ont permis d'identifier les verrous scientifiques et techniques et de mesurer pertinence et efficacité des éléments et modes opératoires des systèmes en mode stationnaire. Cette étude offre une méthode d'utilisation coopérative des indicateurs des domaines impactés et ouvre également des perspectives sur des développements en mode dynamique à des fins d'aide à la conduite optimale. / Nowadays, industry accounts for about one third of energy consumption and CO2 emissions. Substantial opportunities exist to address environmental and economic challenges, including energy efficiency in general and the use of energy, especially in industrial parks. Distributed Energy Systems (DES) correspond in this sense to a common and promising solution. We have therefore undertaken a global site approach, including the aggregation of all influential energy, economic, environmental and managerial variables in an installation of this type. Implementation on a pilot plant and its validation have made it possible to identify the scientific and technical locks and to measure the relevance and efficiency of the elements and stationary operating modes of the systems. This study offers a method of cooperative use of the indicators of impacted domains and also opens perspectives on developments in dynamic mode for the purposes of optimum driving assistance.

Cette thèse s'intéresse à la modélisation et à la commande optimale de réseaux de distribution d'eau chaude avec pertes de chaleur.<br/><br/>Développement de logiciels d'aide à la compréhension du comportement dynamique du réseau, à sa gestion optimale face à des variations de données extérieures (consommations, tarifs énergétiques,...). Modélisation et optimisation du fonctionnement hydraulique et thermique du réseau, par rapport à la somme du coût de production de l'eau chaude, et du coût de fonctionnement des pompes. Exemples de simulation et d'optimisation réalisées sur des petits réseaux

In a global context of climate change and energy transition, Quebec seems to be privileged, producing a large amount of cheap hydroelectricity. But aside from the established popular belief that Quebec’s energy is abundant, clean and inexpensive, Quebec’s energy future is still precarious. Within a few decades, Quebec will have to import a significant amount of electricity at a higher price than it actually produces it; the cheap exploitable hydro resources will not only get scarcer if not nonexistent; and the national hydroelectric ``cultural`` heritage even seems to quell the development of alternative energies, letting few space for local innovation coming from municipalities. While in many countries, municipalities are recognised as key figures in the energy sector, here, in Quebec, their role in the national energy system seems marginal. As main actors responsible for territorial planning, it seams that municipalities could play a more important role on Quebec’s energy scene. So they can densify their territory, develop active and collective solutions to transportation issues, they can adopt exemplary energetic habits, they can produce their own energy with wind, solar or even district heating systems. District heating and heat networks being less well know and documented in Quebec, the present study aims at explaining their low penetration level in the Quebec energy landscape. The study also attempts to understand what are the main hurdles to the implementation of district heating in Quebec’s particular energetic context. Finally, the research tries to open a discussion on the motives that could incite municipalities to adopt district heating as an energy alternative. Based on some twenty interviews with key actors of the energy and municipal sectors, the findings give some indications that the low penetration level of district heating in the Quebec municipalities could explain itself in part by : the low priced hydroelectricity, the presence of a comfortable, sufficient and pervasive Hydro-Quebec(er) culture, and also by organizational dynamic and a certain political inertia which limit the appropriation of an energy competence by local governments. In turn, the study shows that district heating solutions are more likely to develop in contexts in which : there are minimum urban or energy density levels; the development of district heating coincides with the local or regional economic structure; and where exist a mobilising local leader or local visions from a community in favor of the implementation of alternative energy systems. / Dans un contexte de changements climatiques et de transition énergétique, le Québec semble jouir d’une situation privilégiée, produisant une importante quantité d'hydroélectricité à bon prix. Or, malgré la croyance populaire avérée voulant que l'énergie québécoise soit abondante, propre et peu coûteuse, l'avenir énergétique du Québec est pourtant précaire. D’ici quelques décennies, le Québec devra importer une quantité appréciable d'électricité à un prix plus élevé; les grands gisements hydroélectriques à faibles prix sont tous exploités; et la culture Hydro-Québec(oise) semble freiner le développement d'alternatives énergétiques, laissant peu de place à l'innovation locale qui pourrait notamment provenir des municipalités. Alors que dans plusieurs pays les municipalités sont reconnues comme étant des acteurs de premier plan dans le secteur énergétique, ici, au Québec, leur rôle dans le système énergétique national demeure somme toute marginal. En tant que principal acteur responsable de l'aménagement du territoire, il semble que les municipalités québécoises peuvent jouer un rôle de premier plan sur la scène énergétique. Ainsi peuvent-elles densifier leur territoire, développer les transports collectifs et actifs, adopter des pratiques énergétiques exemplaires, comme elles peuvent produire leur propre énergie à partir d'éoliennes, d’énergie solaire ou encore de systèmes de chauffage urbain. Le chauffage urbain et les réseaux thermiques étant moins bien connus et documentés au Québec, la présente étude tente d'expliquer le faible niveau de pénétration des réseaux thermiques dans le paysage énergétique québécois. L'étude tente également de comprendre quels ont été et quels sont les obstacles à son implantation dans le contexte énergétique fort particulier du Québec. Finalement, l'étude cherche à ouvrir la discussion sur les motifs qui pourraient pousser les municipalités québécoises à s'intéresser à ce type de développement énergétique. En se basant sur une vingtaine d'entrevues réalisées auprès d'acteurs-clés du secteur énergétique et municipal québécois, il ressort que le faible niveau de pénétration des réseaux thermiques dans les municipalités québécoises s'explique en partie par : la faiblesse des prix de l'hydroélectricité; par la prégnance d'une culture Hydro-Québec(oise) confortable et suffisante; ainsi que par des dynamiques organisationnelles et une certaine inertie politique qui limitent l’appropriation de la compétence énergétique au sein des municipalités québécoises. En contrepartie, il ressort de l'étude que les projets d'implantation de réseaux thermiques ont davantage de chance de se développer dans des contextes où : l'on assiste à des seuils minimaux de densité urbaine ou énergétique; le potentiel de développement d'une filière énergétique coïncide avec le développement de l'économie locale ou régionale; l'on constate la présence d'une vision concertée de la collectivité ou d'un agent mobilisateur dans la communauté locale.