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.

Le développement des véhicules électriques est actuellement en plein essor. Par contre, l’utilisation de ces véhicules est encore limitée en grande partie dû aux problèmes associés à la batterie : coût élevé, faible autonomie, long temps de recharge et durée de vie incertaine. L’influence de la température d’opération sur ces aspects de la batterie est grande et doit être considérée dès les phases initiales de conception de ce type de véhicule. Ce projet présente donc un modèle transitoire du système de gestion thermique d’un véhicule récréatif rechargeable. L’objectif de ce modèle est d’évaluer différentes options et configurations du système de refroidissement afin de minimiser l’impact de la température sur les performances du véhicule.

Dans le présent travail, un modèle de « hub énergétique » a été utilisé pour concevoir des réseaux combinés de chauffage et de refroidissement afin de bénéficier des synergies potentielles. Les réseaux de chauffage et de refroidissement font partie intégrante de divers bâtiments, campus ou villes. Le concept de réseau thermique intelligent et de « hub énergétique » plaide en faveur de l'intégration thermique pour bénéficier des synergies potentielles et faciliter l'utilisation des sources d'énergie renouvelables. Dans ce système intégré, les pompes à chaleur peuvent être utilisées pour récupérer la chaleur de la boucle de refroidissement et la fournir à la boucle de chauffage. La récupération de la chaleur résiduelle peut aider à réduire les coûts d'exploitation et les émissions de gaz à effet de serre. Les charges de chauffage et de refroidissement du réseau peuvent être satisfaites par des chaudières au gaz naturel, des radiateurs électriques, des refroidisseurs et des pompes à chaleur. La conception du système et son fonctionnement ont été optimisés en termes de coût et d'émissions de gaz à effet de serre sous différentes combinaisons de charges de chauffage et de refroidissement. Les configurations de hub optimisées pour les scénarios avec et sans récupération de chaleur perdue ont été comparées, montrant que les pompes à chaleur étaient bénéfiques dans tous les scénarios. La capacité optimale des pompes à chaleur pour minimiser le coût total s'est avérée être d'environ 80% de la valeur maximale possible à partir d'une analyse thermodynamique des charges. La minimisation simultanée des coûts et des émissions a révélé une transition relativement nette du chauffage au gaz au chauffage électrique, car l'accent est davantage mis sur les émissions que sur les coûts, mais dans tous les cas, la récupération de la chaleur perdue avec des pompes à chaleur a été largement utilisée pour satisfaire les charges de chauffage et de refroidissement. Ensuite, en gardant le même cadre conçu ci-dessus, une méthode a été développée pour indiquer comment les unités de stockage d'énergie thermique (SET) peuvent contribuer à réduire le coût total d'un réseau thermique. Nous avons développé une méthode montrant comment les unités SET, couplées à des pompes à chaleur, peuvent contribuer à réduire le coût total d'un réseau thermique. Un modèle d'optimisation est introduit, basé sur un modèle de hub énergétique comprenant des chaudières au gaz naturel, des radiateurs électriques et des refroidisseurs. Pour différents profils de charge, les réseaux thermiques intégrant des pompes à chaleur seules, SET seules ou une combinaison des deux sont comparés à un hub de référence sans intégration thermique. Il a été constaté que l'inclusion à la fois du SET et des pompes à chaleur génère plus de bénéfices que lorsqu'elles sont utilisées séparément, étendant l'utilisation synergique des pompes à chaleur pour satisfaire à la fois les charges de chauffage et de refroidissement. De plus, l'intérêt du SET lorsque les composants du système(refroidisseur ou chaudière) sont sous-dimensionnés est évalué. Il a été observé que dans ces cas, le SET contribue à satisfaire les demandes thermiques. Cependant, en raison de la configuration du système, il existe une limite de sous-dimensionnement du refroidisseur que les unités SET peuvent compenser. Ensuite, l'influence du fonctionnement à charge partielle des dispositifs du hub énergétique a été étudiée pour le même hub énergétique. Dans la pratique, l'efficacité à charge partielle des équipements tels que les refroidisseurs, les chaudières et les pompes à chaleur doit être prise en compte dans la conception et le contrôle des réseaux de chauffage et de refroidissement car elle peut fortement affecter leurs performances globales. Cependant, les modèles d'optimisation tels que les hubs énergétiques considèrent généralement des efficacités constantes en raison du défi de mettre en œuvre l'efficacité à charge partielle dans de tels modèles. Par conséquent, l'impact des courbes d'efficacité à charge partielle sur les résultats d'optimisation des hubs énergétiques n'est souvent pas clair, en particulier lorsque plusieurs appareils sont inclus. Dans ce travail, le coût total sur la vie d'un système de réseaux combinés de chauffage et de refroidissement a été optimisé sur la base d'un hub énergétique dans lequel des dispositifs d'efficacité à charge partielle (chaudières à gaz naturel, radiateurs électriques, refroidisseurs électriques et pompes à chaleur) ont été modélisés. Le modèle a été linéarisé et étudié sous différentes combinaisons de charges thermiques. Une méthode itérative a été développée pour optimiser la conception et l'exploitation du pôle énergétique dans ce contexte. Pour déterminer l'impact des efficacités à charge partielle, chaque appareil a été examiné individuellement tandis que l'efficacité des autres appareils est restée constante. L'erreur résultant de l'hypothèse d'un rendement constant a ensuite été calculée sur la base d'un hub de référence avec des rendements constants. Les résultats ont indiqué une erreur maximale sur le coût total de 1,85 %, 0,6 % et 0,16 % en supposant un rendement constant pour les chaudières, les refroidisseurs et les pompes à chaleur respectivement. Les charges pour lesquelles ces erreurs maximales se produisent ont ensuite été choisies pour optimiser le hub avec tous les appareils modélisés avec une courbe d'efficacité à charge partielle. Les erreurs ont augmenté à 1,9 %, 0,71 % et 1.49 %, respectivement. Enfin, le potentiel de récupération de chaleur perdue (WHR) d'un atelier de fabrication a été évalué. Dans un premier temps, les sources de chaleur résiduelle ont été identifiées et évaluées, ce qui a conduit à la préparation d'une carte de chaleur résiduelle pour l'entreprise. Par la suite, trois principales méthodes de récupération de la chaleur ont été choisies et analysées pour l'usine. Pour les étés, la possibilité de remplacer les refroidisseurs actuels de bureaux par un refroidisseur à absorption simple effet de 52 kW a été étudiée, ce qui coûterait 8,000 CAD de plus que les refroidisseurs actuels sur 20 ans. Pour les hivers, le flux de chaleur résiduelle conditionné peut être utilisé à des fins de chauffage local au lieu d'utiliser les systèmes de chauffage électrique actuellement utilisés, ce qui permettrait d'économiser environ 110,000 CAD sur 20 ans. Pour le reste de l'année, la consommation interne d'eau chaude de l'entreprise peut être fournie en utilisant un chauffe-eau hybride (WHR+ électricité), ce qui permettrait d'économiser environ 2,000 CAD sur la même période. / In the present work, an "energy hub" template was employed to design combined heating and cooling networks to benefit from potential synergies. Heating and cooling networks are integral components of various buildings, campuses, or cities. The concept of smart thermal grid and "energy hub" argue in favor of thermal integration to benefit from potential synergies and facilitate the use of renewable energy sources. In this integrated system, heat pumps can be used to recover heat from the cooling loop and supply it to the heating loop. Waste heat recovery can help reducing operation costs and greenhouse gas emissions. Heating and cooling loads of the network can be satisfied by natural gas boilers, electric heaters, chillers, and heat pumps. The design of the system and its operation were optimized with respect to cost and greenhouse gas emissions under different combinations of heating and cooling loads. The optimized hub configurations for scenarios with and without waste heat recovery were compared, showing that heat pumps were beneficial in all scenarios. The optimal capacity of heat pumps to minimize total cost was found to be ~80% of the maximal possible value from a thermodynamic analysis of the loads. The simultaneous minimization of cost and emissions revealed a relatively sharp transition from gas to electric heating as more emphasis is put on emissions than cost, but in all cases, waste heat recovery with heat pumps was heavily used to satisfy the heating and cooling loads. Next, keeping the same framework designed above, a method was developed to indicate how thermal energy storage (TES) units can contribute to reduce the total cost of a thermal grid. We developed a method showing how TES units, coupled with heat pumps, can contribute to reducing the total cost of a thermal grid. An optimization model is introduced, based on an energy hub model including natural gas boilers, electric heaters, and chillers. For different load profiles, thermal grids integrating heat pumps alone, TES alone, or a combination of both are compared to a reference hub with no thermal integration. It was found that the inclusion of both TES and heat pumps together results in more profits than when they are used separately, extending the synergic use of the heat pumps to satisfy both heating and cooling loads. Furthermore, the benefit of TES when components of the system (chiller or boiler) are under-sized is assessed. It was observed that in these cases, TES contributes to satisfying the thermal demands. However, due to the configuration of the system, there is a limit of chiller under-sizing that TES units can compensate. Then, the influence of part-load operation of energy hub devices was studied for the same energy hub. In practice, part-load efficiency of equipment such as chillers, boilers, and heat pumps need to be taken into account in the design and control of heating and cooling networks as it can strongly affect their overall performance. However, optimization models such as energy hubs usually consider constant efficiencies due to the challenge of implementing part-load efficiency in such models. Therefore, the impact of part-load efficiency curves on energy hub optimization results is often unclear, in particular when multiple devices are included. In this work, the lifetime cost of a combined heating and cooling networks system was optimized based on an energy hub in which part-load efficiency devices (natural gas boilers, electric heaters, electric chillers, and heat pumps) were modeled. The model was linearized and studied under different combinations of thermal loads. An iterative method was developed to optimize the design and operation of the energy hub in this context. To determine the impact of part-load efficiencies, each device was individually examined while the efficiency of other devices remained constant. The error resulting from assuming a constant efficiency was then calculated based on a reference hub with constant efficiencies. The results indicated a maximum error on the total cost of 1.85%, 0.6%, and 0.16% by assuming constant-efficiency for the boilers, chillers, and heat pumps respectively. The loads for which these maximum errors occur were then chosen to optimize the hub with all devices modeled with a part-load efficiency curve. The errors increased to 1.9%, 0.71%, and 1.49%, respectively. Finally, the waste heat recovery (WHR) potential of a manufacturing workshop was assessed. First, the sources of waste heat were identified and evaluated, leading to preparation of a waste heat map for the company. Subsequently, three main WHR methods were chosen and analyzed for the plant. In the summer, the possibility of replacing the current office chillers with a 52 kW single-effect absorption chiller was investigated, which would cost 8,000 CAD more than the present chillers over 20 years. For winters, t waste heat can be used for local heating purposes instead of using the electric heating systems currently used, which would save approximately 110,000 CAD over 20 years. For the rest of the year, the internal hot water consumption for the company can be supplied by using a hybrid (WHR + electricity) water heater, which would save around 2,000 CAD over the same period.

La thèse est une contribution à la réduction de la consommation d'énergie primaire et à une meilleure utilisation des sources d'énergie renouvelables dans le cadre des systèmes de refroidissement utilisés dans le bâtiment. Après un état de l'art sur les systèmes de refroidissement, un modèle dynamique d'un système de rafraîchissement solaire à base de machine à absorption est développé et simulé. Ensuite, un facteur d'efficacité pour comparer la pertinence de ce système dans différentes régions du monde est défini. Dans la troisième partie, la notion des systèmes de refroidissement hybride -une méthode efficace contribuant à la réduction de la consommation d'énergie primaire- est présentée. Puis, les systèmes hybrides de refroidissement sont classés en catégories et sont comparés avec les systèmes de refroidissement individuels. Ensuite, un schéma permettant de sélectionner le meilleur système de refroidissement hybride dans des conditions données est proposé. Dans la dernière partie, une méthode de dimensionnement d’un système hybride à base d’énergies renouvelables est établie. Ainsi, le dimensionnement est réalisé en tenant compte de la région spécifique d’utilisation. Pour ce faire, un système de refroidissement hybride, conçu pour une maison standard, est modélisé puis simulé en utilisant le logiciel Trnsys. Finalement, et pour illustrer la méthode proposée, la problématique de dimensionnement est considérée pour deux régions différentes du globe; à savoir Marseille-France et Beyrouth-Liban. Le but est d’évaluer les performances de la méthode, à travers des données effectives, pour diverses conditions climatiques, prix des composants et tarif d'électricité. / This thesis is a contribution towards the reduction of primary energy consumption and a better use of the renewable energy sources within the cooling system for building use. After a state of the art of the cooling machines for building use, a dynamic model for a solar absorption cooling system is developed and simulated. Then, an effectiveness factor (EF) for the comparison of solar absorption chiller suitability in different locations is defined. In the third chapter, the concept of hybrid cooling system -an efficient method contributing to the reduction of primary energy consumption- is presented. Hybrid cooling systems are categorized and reviewed, with the improvement achieved compared to standalone technologies. Then, a scheme for the selection of the best hybrid cooling system for given conditions is proposed. In the last part, an optimal sizing method that defines, in a specific region, a hybrid cooling energy system, economically feasible with maximum renewable energy share is presented. Thereby, the sizing method is performed taking into account the region where it will be used. For this purpose, a hybrid cooling system, used for a standard residential house, is designed. The system is modeled and simulated using a transient system simulation program, called Trnsys. Finally, the problem of sizing is studied for different case studies; namely Marseilles-France and Beirut-Lebanon. The aim is to assess the proposed method according to diverse climatic conditions, component prices and electricity costs.