A systematic thermal pinch-based approach for optimum integration of intermittent sources of renewable and waste energy in buildings

Abstract

Le secteur du bâtiment consomme une grande partie de l'énergie produite dans un pays et, par conséquent, il est responsable d'une grande quantité correspondante d'émissions de gaz à effet de serre dans l'atmosphère et du problème du réchauffement climatique. Au cours des dernières décennies, des efforts ont été déployés pour remplacer en partie l'énergie nécessaire au les charges de chauffage/refroidissement/eau chaude sanitaire dans les bâtiments par des sources d'énergie renouvelables, des sources de déchets disponibles et des pompes à chaleur. Cependant, une approche systématique capable de satisfaire toutes les charges mentionnées et d'assurer la récupération de chaleur interne maximale fait toujours défaut. De plus, il n'y a pas d'approche systématique pour le dimensionnement des équipements tels que la surface des panneaux solaires, la capacité d'une pompe à chaleur, la charge et la taille/configuration des échangeurs de chaleur au sol (GHE), etc. pour les bâtiments. L'analyse par pincement est une technique d'intégration de chaleur bien connue qui a été utilisée pour la récupération de chaleur dans de grandes installations industrielles, principalement pour des processus en régime permanent. De plus, cette approche a été adoptée pour couvrir les processus batch, lorsque les flux chaud/froid avec des charges constantes représentent un comportement marche/arrêt pendant le temps batch. Néanmoins, les charges (c'est-à-dire les flux chauds/froids, y compris les sources renouvelables et les déchets) dans un bâtiment sont très dynamiques et dépendent du temps et les modèles de moyenne temporelle ou de tranches de temps actuellement disponibles ne peuvent pas gérer le dynamisme de charge mentionné. De plus, l'inadéquation temporelle entre les sources disponibles et les demandes nécessite l'intégration d'un ou plusieurs stockages d'énergie (par exemple, stockage d'énergie thermique/électrique). L'objectif de cette thèse est de développer un modèle basé sur le pincement thermique pour inclure systématiquement la nature intermittente des sources d'énergie renouvelables et résiduelles dans les bâtiments. Par conséquent, dans cette thèse, une approche de pincement systématique est développée qui peut inclure toutes les charges dynamiques du bâtiment dans la récupération de chaleur et convertir le problème de dimensionnement des équipements en adéquation entre les flux chaud/froid. Dans ce contexte et au début, le modèle de tranche de temps disponible, qui a été essentiellement développé pour l'intégration thermique des processus industriels par lots, est adapté pour inclure les charges dynamiques d'un bâtiment via la chaleur directe et indirecte (via un stockage d'énergie thermique (TES)). récupération. Dans l'étape suivante, l'approche de pincement dynamique est proposée sur la base de l'approche de pincement originale. Le modèle de tranche de temps adapté et l'approche de pincement dynamique sont appliqués à un bâtiment d'essai multifamilial à Granby, au Québec. Comme la récupération maximale de chaleur est garantie en appliquant les approches basées sur le pincement, le réseau extrait d'échangeurs de chaleur + TES + énergies renouvelables + pompe à chaleur + etc. passe la première couche d'une conception optimale à chaque jour parmi 365 jours dans une année. Cependant, un bâtiment n'a besoin que d'un réseau de travail de l'équipement mentionné. Par conséquent, l'analyse économique basée sur le coût annuel total (TAC) de chaque conception optimale quotidienne ouvre la voie à la deuxième couche d'optimisation. La conception avec le TAC minimum (c'est-à-dire en tant que fonction objectif) est sélectionnée comme réseau optimal final. Il convient de mentionner que l'approche par pincement est une méthode basée sur la thermodynamique. Par conséquent, elle ne peut pas voir les pertes d'énergie liées au transfert de chaleur dans les réservoirs de stockage d'énergie thermique stratifiés. En outre, l'approche de pincement proposée peut définir la charge minimale pour les GHE verticaux, cependant, elle ne peut pas aider à trouver la profondeur/configuration des GHE verticaux. Ainsi, la méthode de dynamique des fluides computationnelle est utilisée pour analyser avec précision les performances thermiques des réservoirs TES à eau stratifiée et des GHE verticaux. Les résultats de l'étude révèlent que le potentiel d'économie d'énergie pour la conception optimale du bâtiment d'essai peut réduire l'utilité chaude requise jusqu'à 70 %. De plus, la profondeur optimale des GHE est de 200 m avec la conception optimale quotidienne de mars et le coût moyen de l'électricité au Canada.

Abstract : Building sector consumes a large portion of produced energy in a country and, consequently, it is responsible for a corresponding large amount of greenhouse gas emissions into the atmosphere and the global warming issue. There have been efforts to partly replace the required energy for heating/cooling/domestic hot water loads in buildings by renewable sources of energy, available waste sources, and heat pumping in recent decades. However, a systematic approach that can satisfy all the mentioned loads and ensure the maximum internal heat recovery is still missing. Additionally, there is no systematic approach for sizing the equipment such as area of solar panels, the capacity of a heat pump, the load and size/configuration of ground heat exchangers (GHEs), etc. for buildings. Pinch analysis is a well-known heat integration technique which has been utilized for heat recovery in large industrial plants, mostly for steady state processes. Furthermore, this approach has been adopted to cover the batch processes, when hot/cold streams with constant loads represent an on/off behavior during the batch time. Nonetheless, the loads (i.e., hot/cold streams, including renewable and waste sources) in a building are highly dynamic and time dependent and the current available time average or time-slice models cannot handle the mentioned load dynamism. Furthermore, the time mismatch among the available sources and the demands requires integration of one or several energy storages (e.g., thermal/electrical energy storage). The objective of this thesis is to develop a thermal pinch-based model to systematically include the intermittent nature of renewable and waste energy sources in buildings. Therefore, in this thesis, a systematic pinch approach is developed that can include all building’s dynamic loads in the heat recovery and convert the problem of equipment sizing into the matching between hot/cold streams. In this context and in the beginning, the available time slice model, which were basically developed for industrial batch processes heat integration, is adapted to include the dynamic loads of a building via direct and indirect (through a thermal energy storage (TES)) heat recovery. In the next step, the dynamic pinch approach is proposed based on the original pinch approach. Both adapted time slice model and dynamic pinch approach are applied to a multifamily test building in Granby, Quebec. As the maximum heat recovery is guaranteed by applying the pinch-based approaches, the extracted network of heat exchangers + TESs + renewable energies + heat pump + etc. is passed the first layer of an optimum design at each day among 365 days in a year. However, one building just needs one working network of the mentioned equipment. Therefore, the economic analysis based on the total annual cost (TAC) of each daily optimum design paves the way for the second layer of optimization. The design with the minimum TAC (i.e., as the objective function) is selected as the final optimum network. It worth mentioning that the pinch approach is a thermodynamic based method. Therefore, it cannot see the heat transfer related energy losses in stratified thermal energy storage tanks. Also, the proposed pinch approach can set the minimum load for vertical GHEs, however, it cannot help on finding the depth/configuration of the vertical GHEs. Thus, computational fluid dynamic method is utilized to accurately analyse the thermal performance of the stratified water TES tanks and the vertical GHEs. The results of the study reveal that the energy saving potential for the optimum design for the test building can reduce the required hot utility up to 70 percent. Additionally, the optimum depth of GHEs is 200 m with the daily optimum design of March and the Canadian average electricity cost.