Modelling Neighborhood-Scale Energy Scenarios

Ce mémoire porte sur les approches de modélisation pour évaluer le potentiel des réseaux de partage de chaleur de 4ème et 5ème génération. Pour cela, plusieurs outils et techniques de modélisation sont utilisés. La modélisation de bâtiments typiques (i.e. archétypes) est d'abord étudiée, pour ensuite être capable de réaliser des modèles énergétiques de quartier (UBEM, pour Urban Building Energy Model, en anglais), et finalement pouvoir modéliser un réseau de partage d'énergie pour définir l'impact énergétique et environnemental de l'utilisation d'une telle technologie. Différents archétypes (entre 4 et 5 par bâtiment) ont été utilisés (ou créés) pour 4 bâtiments montréalais (3 résidentiels et 1 commercial) dans différents logiciels de simulation énergétique (UMI, EnergyPlus, TRNSYS et SIMEB) avec différents niveaux de détail (jusqu'à un modèle calibré) et différents niveaux d'effort pour sélectionner les paramètres de ces archétypes. Les résultats de simulation ont ensuite été comparés avec des données mesurées, permettant d'effectuer des « coups de sonde » au sein du quartier étudié. Les résultats de cette étude montrent que le niveau d'effort pour définir les paramètres des archétypes n'est pas toujours garant d'une meilleure précision. De plus, il s'est avéré que transférer des paramètres de modèles calibrés (effectués dans TRNSYS ou SIMEB) dans un autre logiciel (ici UMI) se traduit par des résultats de simulation montrant jusqu'à 70 % de différence pour la consommation totale d'énergie, indiquant que les simplifications et approximations conduisent probablement à des erreurs de simulation qui s'annulent entre elles. Après comparaison des résultats des différents archétypes pour un même bâtiment, les archétypes développés par NRCan basés sur les Prototype Buildings développés aux USA et adaptés au code national énergétique canadien des bâtiment 2011 ont été sélectionnés pour la suite du travail. Deux modèles énergétiques urbains ont été développés pour un quartier de l'arrondissement de Ville-Marie à Montréal, suivant 2 approches : une dépendante du contexte (context-dependent), dans UMI et une indépendante de celui-ci (context-free) avec EnergyPlus. La comparaison des résultats de ces UBEMs montrent que les consommations énergétiques et pointes annuelles entre les 2 modèles sont du même ordre de grandeur. Cependant, la dynamique des modèles est très différente. Des doutes sur certains aspects des résultats d'UMI ont conduit à choisir les résultats du context-free UBEM pour la suite de l'étude sur les réseaux de chaleur urbains. D'après les résultats de simulation du UBEM sélectionné, des modèles quasi-statique et dynamique de réseau de chaleur ont été réalisés. Le modèle quasi-statique consiste en des bilans énergétiques régis par des pertes et COP constants, et ses paramètres ont été sélectionnés par l'équipe de projet de l'étude de cas réelle sans connaissance des résultats du modèle détaillé. Le modèle dynamique est un modèle de réseau de chaleur réalisé dans TRNSYS et fait appel à des composants existants ainsi qu'à un nouveau composant développé pour modéliser les pompes à chaleurs centralisées et leurs différents modes d'opération. Au premier abord, les 2 méthodes confirment que l'implémentation d'un réseau de chaleur dans un quartier est bénéfique d'un point de vue énergétique, avec au minimum une diminution de 20 % de la consommation énergétique, et de l'environnement grâce à l'élimination des rejets thermiques dans l'atmosphère et la réduction des émissions de GES d'au moins 90 %. Les deux modèles montrent un excellent accord, ce qui témoigne de la grande expérience de l'équipe de projet qui avait sélectionné les hypothèses du modèle simplifié. La comparaison entre les réseaux de 4ème et 5ème génération montre des différences assez faibles entre les deux, avec un léger avantage pour le réseau de 4ème génération lié en partie aux hypothèses faites sur la disponibilité d'une source / puits de chaleur (les égouts dans notre cas). Les différents modèles développés permettraient de raffiner la conception des réseaux et d'analyser différentes stratégies de contrôle.

Abstract

This thesis focuses on modelling approaches to assess the potential of 4th and 5th generation energy sharing networks. For this purpose, several modelling tools and techniques are used. First, the modelling of typical buildings (i.e. archetypes) is studied, then UBEM (Urban Building Energy Model) approaches, and finally modelling an energy sharing network to define the energy and environmental impact of such a technology. Different archetypes (between 4 and 5 per building) were used (or created) for 4 Montreal buildings (3 residential and 1 commercial) in different energy simulation software (UMI, EnergyPlus, TRNSYS and SIMEB) with different levels of detail (up to a calibrated model) and different levels of effort to select the parameters of these archetypes. The simulation results were then compared with measured data. The results of this study show that more refined archetype's parameters does not always guarantee better accuracy. Moreover, it turned out that transferring parameters from calibrated models (carried out in TRNSYS or SIMEB) to another software (here UMI) results in simulation results showing up to 70% difference in total energy consumption, hinting that simplifications and approximations probably lead to cancelling errors. After comparing the results of the different archetypes for the same building, the archetypes developed by NRCan based on the Prototype Buildings developed in the USA and adapted to the Canadian National Energy Building Code 2011 were selected for further work. Two urban energy models were developed for a neighborhood in the borough of Ville-Marie in Montreal, following two approaches: one context-dependent, in UMI, and one context-free with EnergyPlus. Comparison of the results of these UBEMs shows that the energy consumption and annual peaks between the two models are of the same order of magnitude. However, the dynamics of the models are very different. Doubts on some aspects of the UMI results led to the choice of the UBEM context-free results for the continuation of the study on energy sharing networks. Based on the simulation results of the selected UBEM, we created simple pseudo steady-state and detailed dynamic models of district energy sharing networks. The pseudo steady-state model consists of energy balances governed by constant losses and COP, and its parameters were selected by the project team of the real case study without knowledge of the results of the detailed model. The dynamic model is built in TRNSYS and uses existing components as well as a new component developed to model centralized heat pumps and their different modes of operation. Both methods confirm that the implementation of a district heating network in a district is beneficial from an energy point of view, with at least a 20 % reduction in energy consumption, and from an environmental point of view, eliminating waste heat rejection to the ambient air and reducing GHG emissions by at least 90 %. The two models show excellent agreement, reflecting the extensive experience of the project team that selected the assumptions of the simplified model. The comparison between the 4th and 5th generation networks shows fairly small differences between the two, with a slight advantage for the 4th generation network linked in part to the assumptions made on the availability of a heat source/sink (sewers in our case). The different models developed would allow to refine the design of the networks and to analyse different control strategies.