Planning and Integrated Design of Urban Heat-Sharing Networks

Ces dernières années, les villes ont dû renforcer leurs obligations en matière de réduction de leur impact sur l'environnement. Heureusement, les villes relèvent ce défi et sont déterminées à trouver des solutions. La consommation d'énergie des bâtiments est l'un des principaux obstacles au développement durable. Les villes sont construites pour fournir des espaces confortables et habitables à leurs habitants, ainsi que pour assurer un environnement résistant aux événements météorologiques et climatiques. Cependant, fournir ce confort nécessite de grandes quantités d'énergie, ce qui participe aux changements climatiques. Les besoins en énergie des bâtiments étant en grande partie le résultat de décisions en matière de conception, les constructeurs des villes de demain ont un contrôle sur les différentes solutions proposées dans le domaine de l'environnement bâti. Des solutions technologiques existent, mais la bonne solution doit être mise en œuvre dans le bon contexte. Cette thèse porte sur une solution technique clé : l'utilisation de réseaux urbains d'énergie pour répartir — ou partager — la chaleur entre les bâtiments et équilibrer les charges de chauffage et de refroidissement restantes avec des sources de chaleur ou des puits hautement efficaces et à faible émission de carbone. Cette thèse est également motivée par les relations interdisciplinaires complexes entre les concepteurs participant à l'urbanisme, à l'architecture et à l'ingénierie de l'environnement bâti. Elle plaide en faveur d'un processus de conception intégrée piloté par les données et propose des méthodologies et des outils pour informer et activer ce processus de conception. Un indicateur de performance, l'indice de diversité thermique, est proposée pour localiser et évaluer la compatibilité thermique entre des bâtiments présentant différents niveaux de filtrage spatio-temporel. La thèse apporte ensuite des contributions aux différentes étapes nécessaires à la conception et à l'évaluation de réseaux de partage de chaleur, faisant souvent partie de la 5e génération de systèmes de chauffage et de refroidissement urbains : évaluer la demande thermique des bâtiments à l'échelle de la ville en optimisant la topologie des réseaux urbains d'énergie et l'intégration de sources d'énergie efficaces et à faibles émissions de carbone. Les archétypes, ou représentations typiques des bâtiments sont les fondements de nombreux outils de modélisation énergétique des bâtiments urbains (UBEM). Une méthodologie est proposée pour générer automatiquement des modèles d'archétype adaptés aux méthodes de modélisation contextuelles telles que celle implémentée dans UMI, l'un des principaux outils UBEM. La thèse aborde ensuite la complexité de la combinaison de sources de données partiellement complètes et parfois contradictoires pour obtenir une carte dynamique de la demande de chaleur pour une ville telle que Montréal. La méthodologie proposée comprend l'utilisation d'empreintes de bâtiment virtuelles basées sur des données ALS (Airborne Laser Scanning) (également appelées données LiDAR) pour estimer les empreintes au sol et les hauteurs de bâtiment. Elle est appliquée pour obtenir une carte dynamique de la demande de chaleur de bâtiments résidentiels, commerciaux et institutionnels pour l'ensemble de la ville de Montréal. Pour compléter le processus de conception des réseaux de partage de chaleur, cette thèse propose une méthodologie qui étend la capacité des algorithmes d'optimisation de la littérature utilisés pour les réseaux de chauffage et de refroidissement urbains : elle permet des flux de puissance bidirectionnels inhérents au partage de chaleur et optimise la compétitivité à long terme de l'approvisionnement en chaleur en équilibrant les coûts totaux d'exploitation et les coûts totaux d'investissement des différentes unités d'alimentation en chaleur. L'algorithme proposé, avec les autres contributions de la thèse, ouvre la porte à un cadre d'optimisation visant à peser l'impact des choix de conception inhérents à la sélection de la densité de construction, de la forme du bâtiment et de ses performances. Cette thèse affirme que l'intégration de cette optimisation des réseaux de partage de chaleur dans la phase de planification peut avoir une incidence nouvelle et imprévue sur la performance environnementale des futurs quartiers. Conformément à cet objectif à long terme, les contributions méthodologiques ont été mises en œuvre dans des outils contribuant à l'expansion rapide du corpus de logiciels en code ouvert. Avec les contributions à la littérature et aux pratiques de planification des réseaux urbains d'énergie, ces outils offrent une solution à la planification et à la conception intégrée de réseaux de partage de chaleur en milieu urbain.

Abstract

In recent years, cities have had to step up their obligations to reducing their impact on the environment. Fortunately, cities are rising to this challenge and are determined to find solutions. One piece of the larger sustainability problem is the energy use of buildings. Cities are built to provide comfortable and livable spaces to their inhabitants as well as ensure a resilient environment towards meteorological and climatic events. However, providing this comfort requires large amounts of energy, which exacerbates climate change. Since the energy requirements of buildings are in large part the result of design decisions, the builders of cities have an innate control over the various solutions in the built environment problem space. Technological solutions exist, but the right solution must be implemented in the right context. This thesis focuses on one key technical solution: the use of district energy systems to distribute—or share—heat between buildings and balance the remaining heating and cooling loads with highly efficient, low-carbon heat sources or sinks. This thesis is also motivated by the complex interdisciplinary relationships between designers participating in the urban planning, the architecture and the engineering of the built environment. It makes the case for a data-driven Integrated Design process and proposes methodologies and tools to inform and enable this design process. An urban planning metric, the thermal diversity index, is proposed to locate and assess the thermal compatibility between buildings with various levels of spatial and temporal filtering. The thesis then makes contributions to the different steps required in designing and assessing heat-sharing networks, often part of the 5th generation district heating and cooling (5GDHC): assessing the thermal demand of buildings at the city scale, optimizing the topology of district systems, and integrating efficient and low-carbon energy sources within an overall optimization process. Archetypes, or typical representations of buildings, are the foundation stones of many Urban Building Energy Modelling (UBEM) tools. A methodology is proposed to automatically generate archetype templates adapted to context-aware modelling methods such as the one implemented in UMI, one of the prominent UBEM tools. The thesis then addresses the complexity of combining partially complete and sometimes contradictory data sources to obtain a dynamic heat demand map for a city such as Montréal,Canada. The proposed methodology includes the use of virtual building footprints based on Airborne Laser Scanning (ALS) data (also known as LiDAR data) to estimate building footprint areas and building heights. It is applied to obtain a dynamic heat demand map of residential, commercial and institutional buildings for the whole city of Montréal. To complete the design process of heat-sharing networks, this dissertation proposes a methodology that expands the capability of state-of-the-art optimization algorithms used for district heating and cooling networks: it allows bidirectional power flows that are inherent to heat-sharing networks and optimizes the long-term competitiveness of heat supply by balancing the total operating costs and the total investment costs of different heat supply units. The proposed algorithm, with the other contributions of the thesis, opens the door to an optimization framework aiming to weigh in the impact of design choices inherent to the selection of built density, building form and building systems performance. This thesis proclaims that bringing this optimization of heat-sharing networks inside the planning phase can impact the environmental performance of future districts in new and unforeseen ways. In line with this long-term goal, the methodological contributions were implemented in tools contributing to the rapidly expanding body of open source software. Together with the contributions to the literature and the district energy planning practice, these tools offer one solution to the planning and integrated design of urban heat-sharing networks.