Building on Existing District Energy Infrastructure to Decarbonize a Growing Urban Neighborhood

Les gouvernements et les villes ont déclaré l'urgence climatique et ont adopté des objectifs ambitieux pour réduire leurs émissions de gaz à effet de serre (GES). Étant donné que le secteur des bâtiments est responsable de plus d'un tiers des émissions de GES dans le monde, la décarbonation de l'environnement bâti est cruciale pour atteindre les objectifs fixés pour les prochaines décennies. L'électrification est au centre des stratégies de décarbonation des bâtiments, et les réseaux énergétiques de quartiers (REQ) offrent des avantages significatifs pour la transition des combustibles fossiles et l'intégration d'une part plus importante d'énergies renouvelables. Ce mémoire évalue des scénarios pour décarboniser l'un des plus anciens et plus grands réseaux énergétiques du Canada tout en l'étendant à un quartier qui fait l'objet d'un redéveloppement majeur, ajoutant 1,2 million de mètres carrés de surface de plancher. Les scénarios sont basés sur des hypothèses réalistes – mais non confirmées – de phases de construction et aucune évaluation économique n'est effectuée. L'objectif est d'évaluer le potentiel technique de la conversion et de l'expansion de l'infrastructure REQ existante pour participer aux efforts de décarbonation de la ville. Le système énergétique existant dans le centre-ville de Montréal, au Québec, est constitué de trois réseaux : vapeur, eau chaude et eau froide. Les 20 grands bâtiments connectés aux réseaux sont modélisés dans EnergyPlus à l'aide d'archétypes de bâtiments, qui sont calibrés à l'aide de données de consommation d'énergie mesurées fournies par la société qui exploite les réseaux. Ainsi, un profil dynamique de demande de chaleur et de froid a été obtenu pour chaque bâtiment. Les modèles EnergyPlus pour les nouveaux bâtiments sont tirés d'une étude précédente [1], et tous les bâtiments sont simulés avec le même fichier météo typique. Ensuite, chaque réseau thermique est modélisé séparément dans TRNSYS, et sa performance énergétique actuelle est évaluée. Trois scénarios futurs sont définis : le scénario du Business As Usual, le scénario de l'Électrification et le scénario de la Transition Énergétique du Secteur. Le premier sert de base à la comparaison des deux autres scénarios. Dans le scénario Business As Usual, aucune modification n'est effectuée sur les REQ existants, et les nouveaux bâtiments sont supposés être équipés de systèmes de chauffage et de refroidissement typiques des nouveaux bâtiments respectant le code de l'énergie mais sans objectif de décarbonation.

Abstract

Governments and cities have declared a climate emergency and have adopted ambitious targets to reduce their greenhouse gas (GHG) emissions. As the building sector is responsible for more than a third of the GHG emissions globally, decarbonizing the built environment is crucial to meet the goals set for the next decades. Electrification is at the center of strategies to decarbonize buildings, and district energy systems (DES) offer significant advantages to transition from fossil fuels and integrate higher shares of renewables. This thesis assesses scenarios to decarbonize one of Canada's oldest and largest district energy networks while expanding it to a neighborhood undergoing major redevelopment, adding 1.2 million square meters of floor area. The scenarios are based on realistic – but unconfirmed – construction phasing assumptions and no economic assessment is performed. The focus is to assess the technical potential of converting and expanding existing DES infrastructure to participate in the city's decarbonization efforts. The existing district energy system in the downtown area of Montréal, Québec, consists of three networks: steam, hot water, and cold water. The 20 large buildings connected to the networks are modelled in EnergyPlus using building archetypes. The models are calibrated using measured energy consumption data provided by the company operating the networks. Thus, a dynamic heat and cold demand profile was obtained for each building. EnergyPlus models for the new buildings are taken from a previous study [1], and all buildings are simulated with a consistent typical weather file. Then, each thermal network is modelled separately in TRNSYS, and its current energy performance is assessed. Three future scenarios are defined: the Business as usual scenario, the Electrification scenario, and the District Energy Transition scenario. The first one sets the base for comparing the two other scenarios. In the Business as usual scenario, no modifications are made to the existing DES, and the new buildings are assumed to be equipped with typical heating and cooling systems for new buildings. The Electrification scenario represents a decarbonization plan where electrification solutions are implemented separately for the district network and the new neighborhood. Finally, the District Energy Transition plan applies different decarbonization methods while connecting the new neighborhood to the existing network.