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Questo modulo calcola il flusso ei costi della trasmissione del calore da potenziali fonti di calore in eccesso situate al di fuori delle potenziali aree di teleriscaldamento all'area di teleriscaldamento. Gli input sono i profili di carico orario del flusso di calore in eccesso e della domanda di teleriscaldamento, l'ubicazione della fonte di calore in eccesso e del potenziale sistema di teleriscaldamento, i costi di investimento in scambiatori di calore e linee di trasmissione e valori di soglia per i costi di distanza e trasmissione.
Il modulo di calcolo "Potenziale di trasporto del calore in eccesso" aiuterà l'utente a identificare i potenziali di integrazione per il calore in eccesso nelle reti di teleriscaldamento. Le potenzialità si basano sul CM - Potenziale di teleriscaldamento . Questo CM identifica le aree con condizioni favorevoli per le reti di teleriscaldamento e mostra quanto calore potrebbe essere potenzialmente coperto dal calore in eccesso industriale in queste aree. Tuttavia, ciò non significa che in questa regione esista già una rete di teleriscaldamento.
I seguenti dati e metodi vengono combinati per l'attività precedente.
Dati:
Fabbisogno termico per zone limitrofe con condizioni favorevoli per reti di teleriscaldamento, che vengono sciolti ogni ora (dal CM - Potenziale Teleriscaldamento ).
Dati sui quantitativi di calore in eccesso delle aziende industriali della zona, anch'essi risolti con cadenza oraria (dal data set del database industriale).
Ipotesi sui costi di scambiatori di calore, pompe e condutture, nonché sulle perdite di calore per le condotte di teleriscaldamento.
Metodo (semplificato):
Lo scopo del metodo è quello di rappresentare il maggior flusso di calore in eccesso possibile con condotte non troppe e quindi troppo lunghe verso le eventuali utenze di teleriscaldamento generando reti con portate massime. Tuttavia, linee di trasporto particolarmente inefficienti (con bassi flussi di calore e quindi elevati costi di trasporto di calore specifico) non sono considerate nella rete finale. La soglia per l'efficienza economica delle singole linee di trasporto può essere specificata dall'utente (cfr. Soglia della linea di trasmissione).
Il background di base dell'approccio è il seguente: se ci sono solo poche fonti di calore in eccesso, si potrebbe sempre prendere in considerazione un unico gasdotto per fonte per trasportare il calore in un'area vicina con condizioni favorevoli per il teleriscaldamento. Tuttavia, se ci sono diverse fonti di calore in eccesso che devono fluire nella stessa area, avrebbe senso raccogliere il calore e trasportarlo nell'area in una condotta comune più grande. L'approccio con un tubo per sorgente tende a sovrastimare lo sforzo per le condutture.
Per contrastare quanto sopra, il problema della pianificazione del gasdotto è stato approssimato assumendo un problema di flusso di rete. Per risolvere il problema viene utilizzato un metodo euristico, in cui il calore in eccesso può essere impacchettato e trasportato ai possibili utenti. Il progetto metodico concreto della soluzione con l'approccio dell'albero della campata minima è descritto nella parte metodica corrispondente. Il progetto del gasdotto determinato nel contesto precedente non rappresenta, quindi, una pianificazione dettagliata o una reale guida del percorso, ma viene utilizzato solo per l'approssimazione dei costi per la distribuzione delle quantità di calore in eccesso nelle zone limitrofe con condizioni favorevoli per le reti di teleriscaldamento (vedi CM - Potenziale di teleriscaldamento , parola chiave aree coerenti). Questa approssimazione dei costi si riferisce quindi all'intera rete.
I risultati dovrebbero quindi essere prima interpretati come segue: se le quantità di calore in eccesso registrate dovessero essere trasportate insieme alle aree vicine indicate, i costi per la distribuzione del calore potrebbero essere nell'ordine di grandezza indicato dallo strumento (cfr. Costo livellato di fornitura di calore). Di norma, i valori per l'intera rete sono anche un buon indicatore di partenza per le singole condutture. Lo scopo dei risultati è, quindi, fornire a uno sviluppatore o pianificatore di progetto un ordine di grandezza per eventuali costi di distribuzione.
Aree di teleriscaldamento (per ora fornite direttamente dal potenziale teleriscaldamento CM)
Database industriale (fornito per impostazione predefinita dalla casella degli strumenti)
Profili di carico per l'industria
Profili di carico per riscaldamento residenziale e acqua calda sanitaria
Min. richiesta di calore per ettaro
Vedere CM - Potenziale di teleriscaldamento .
Min. richiesta di calore in una zona DH
Vedere CM - Potenziale di teleriscaldamento .
Durata dell'attrezzatura in anni
I costi livellati del riscaldamento si riferiscono a questo periodo di tempo.
Tasso di sconto in%
Tasso di interesse per il credito richiesto per costruire la rete.
Fattore di costo
Fattore per adattare i costi di rete nel caso in cui i valori predefiniti non rappresentino accuratamente i costi. Gli investimenti necessari per la rete si moltiplicano con questo fattore. I costi predefiniti sono disponibili nella sezione Calcolo dei costi .
Costi operativi in%
Costi operativi di rete all'anno. In percentuale degli investimenti necessari per la rete.
Valore di soglia per le linee di trasmissione in ct / kWh
Il costo massimo livellato del calore di ogni singola linea di trasmissione. Questo parametro può essere utilizzato per controllare il costo livellato del calore per l'intera rete. Un valore inferiore equivale a un costo del calore livellato inferiore ma anche a una riduzione del calore in eccesso utilizzato e viceversa.
Risoluzione temporale
Imposta l'intervallo tra i calcoli del flusso di rete durante l'intero anno. Può essere uno di questi valori: (ora, giorno, settimana, mese, anno)
Linee di trasmissione
Shapefile che mostra le linee di trasmissione suggerite con la loro temperatura, flusso di calore annuale e costo. I dettagli possono essere trovati qui.
Calore totale in eccesso nell'area selezionata in GWh
Calore totale in eccesso disponibile degli impianti industriali in zona e prossimità selezionate.
Calore in eccesso collegato in GWh
Calore totale in eccesso disponibile degli impianti industriali collegati a una rete.
Calore in eccesso utilizzato in GWh
Calore in eccesso effettivo utilizzato per DH.
Investimenti necessari per la rete in €
Investimenti necessari per costruire la rete.
Costi annuali della rete in € / anno
Costi causati dalla rendita e dai costi operativi della rete all'anno.
Costi livellati della fornitura di calore in ct / kWh
costo del calore livellato dell'intera rete.
Potenziale DH e calore in eccesso
Grafico che mostra il potenziale DH, il calore in eccesso totale, il calore in eccesso collegato e il calore in eccesso utilizzato. I dettagli possono essere trovati qui .
Calore in eccesso utilizzato e investimento necessario
Grafico che mostra il calore in eccesso fornito annualmente per l'investimento necessario per la rete. I dettagli possono essere trovati qui .
Curve di carico
Grafico che mostra la richiesta di calore mensile e l'eccesso. I dettagli possono essere trovati qui .
Curve di carico
Grafico che mostra la richiesta di calore media giornaliera e l'eccesso. I dettagli possono essere trovati qui .
Cliccando sulla linea di trasmissione appariranno ulteriori informazioni.
Questo grafico confronta il potenziale DH, il calore in eccesso totale, il calore in eccesso collegato e il calore in eccesso utilizzato.
Ulteriori informazioni sulla domanda annuale di calore e sul potenziale DH sono disponibili qui . Il calore in eccesso collegato al calore in eccesso e il calore in eccesso utilizzato sono gli stessi degli indicatori ugualmente denominati, nella sezione Ingresso e uscita .
Questo grafico mostra il flusso totale attraverso la rete durante tutto l'anno. Il grafico inferiore rappresenta il giorno medio.
L'asse x rappresenta il tempo e la potenza dell'asse y. Le curve blu rappresentano la richiesta di calore delle zone DH e le rosse il calore in eccesso disponibile. L'intersezione di entrambe le curve rappresenta l'effettivo flusso totale di calore. Il grafico in alto mostra il flusso nel corso dell'anno e quello in basso il flusso del giorno medio. Si noti che la risoluzione temporale deve essere impostata almeno su "mese" per la parte superiore e "ora" per la grafica inferiore per essere rappresentativa.
L'elemento chiave del modulo termico in eccesso è il modello sorgente-dissipatore utilizzato. Costruisce una rete di trasmissione di lunghezza minima e calcola il flusso per ogni ora dell'anno sulla base dei profili di carico del riscaldamento residenziale con risoluzione NUTS 2 e dei profili di carico industriale con risoluzione NUTS 0. Sulla base dei flussi di picco medi durante tutto l'anno è possibile calcolare i costi per ogni linea di trasmissione e scambiatore di calore sul lato sorgente e dissipatore.
In base all'ID NUTS 0 e al settore industriale, a ogni sorgente viene assegnato un profilo di carico risolto ogni ora.
Sulla base del modulo di calcolo del potenziale di teleriscaldamento vengono creati equidistanti punti di ingresso nelle aree coerenti. A seconda dell'ID NUTS 2 dei punti di ingresso viene assegnato un profilo di carico.
All'interno di un raggio preimpostato, viene controllato quali sorgenti si trovano nel range l'una dell'altro, quali sink sono nel range l'uno dell'altro e quali sink sono nel range per le sorgenti. Questo può essere rappresentato da un grafico con sorgenti e sink che formano i vertici e i vertici nell'intervallo essendo collegati da un bordo.
Uno spanning tree minimo viene calcolato con la distanza dei bordi come pesi. Ciò si traduce in un grafico che mantiene la sua connettività pur avendo una lunghezza totale minima dei bordi. Si noti che i punti di ingresso delle aree coerenti sono collegati internamente gratuitamente poiché formano una propria rete di distribuzione.
La portata massima dalle sorgenti ai pozzi viene calcolata per ogni ora dell'anno.
Il flusso di picco dell'anno, mediato su 3 ore, determina la capacità richiesta per le linee di trasmissione e gli scambiatori di calore. I costi delle linee di trasmissione dipendono dalla lunghezza e dalla capacità, mentre i costi degli scambiatori di calore sono influenzati solo dalla capacità. Sul lato sorgente si ipotizza uno scambiatore di calore aria-liquido con pompa integrata per la linea di trasmissione e sul lato dissipatore uno scambiatore di calore liquido-liquido.
Poiché il costo e il flusso di ogni linea di trasmissione sono noti, le linee con il rapporto costo / flusso più elevato possono essere rimosse e il flusso ricalcolato fino a ottenere il costo per flusso desiderato.
Per il calcolo della distanza tra due punti, viene utilizzata una piccola approssimazione angolare della lunghezza del loxodrome. Sebbene vi sia anche un'accurata implementazione della distanza ortodromica, la maggiore precisione non ha alcun vantaggio reale a causa delle piccole distanze per lo più inferiori a 20 km e dell'incertezza della lunghezza della linea di trasmissione reale a causa di molti fattori come la topologia. Se due punti si trovano nell'intervallo del raggio, vengono memorizzati in un elenco di adiacenza. La creazione di tali elenchi di adiacenza viene eseguita tra sorgenti e sorgenti, pozzi e pozzi e sorgenti e pozzi. Il motivo della separazione risiede nella flessibilità di aggiungere determinati requisiti di temperatura per sorgenti o lavandini.
Sulla base della libreria igraph è implementata una classe NetworkGraph con tutte le funzionalità necessarie per il modulo di calcolo. Sebbene igraph sia scarsamente documentato, offre prestazioni molto migliori rispetto ai moduli Python puri come NetworkX e un supporto più ampio della piattaforma oltre a Linux, a differenza dello strumento grafico. La classe NetworkGraph descrive solo una rete in superficie ma contiene 3 grafici diversi. In primo luogo, il grafico che descrive la rete così come è definita dalle tre liste di adiacenza. In secondo luogo, il grafico di corrispondenza collega internamente i pozzi della stessa area coerente e l'ultimo grafico di flusso massimo utilizzato per il calcolo del flusso massimo.
Contiene solo sorgenti e sink reali come vertici.
Ogni sink necessita di un id di corrispondenza, che indica se è connesso internamente da una rete già esistente come nelle aree coerenti. I sink con lo stesso id di corrispondenza sono collegati a un nuovo vertice con spigoli con pesi zero. Questo è cruciale per il calcolo di uno spanning tree minimo e il motivo per cui viene utilizzato il grafo di corrispondenza. Questa funzione è implementata anche per i sorgenti ma non viene utilizzata.
Esempio di un grafico di corrispondenza. I vertici rossi rappresentano le sorgenti e quelli blu i sink. I tre pozzi a destra sono coerenti collegati da un ulteriore vertice più grande
Poiché igraph non supporta più sorgenti e sink nella sua funzione di flusso massimo, è necessario un grafico ausiliario. Introduce una sorgente infinita e un vertice sink. Ogni sorgente reale è collegata alla sorgente infinita e ogni pozzo reale è collegato al pozzo infinito da un bordo. Nota che se un sink è connesso a un vertice di corrispondenza, questo vertice sarà connesso anziché il sink stesso.
Esempio di un grafico di flusso massimo.
Sulla base del grafico di corrispondenza viene calcolato lo spanning tree minimo. I bordi che collegano i pozzi coerenti hanno sempre il peso 0 quindi rimarranno sempre parte dello spanning tree minimo.
Esempio di un grafico di corrispondenza con i pesi di ogni bordo e il suo albero di copertura minimo.
Il flusso attraverso i bordi che collegano le sorgenti o i pozzi reali alla sorgente o al pozzo infinito rispettivamente è limitato alla capacità reale di ciascuna sorgente o pozzo. Per ragioni numeriche le capacità sono normalizzate in modo che la capacità massima sia 1. Il flusso attraverso il sottoinsieme di bordi contenuto nel grafico di corrispondenza è limitato a 1000 che dovrebbe, per tutti gli scopi intensi e offrire flusso illimitato. Quindi viene calcolato il flusso massimo dalla sorgente infinita al sink infinito e il flusso viene ridimensionato alla sua dimensione originale. Poiché i pozzi coerenti non sono direttamente collegati al vertice del pozzo infinito ma dal vertice di corrispondenza, il flusso attraverso di essi è limitato alla somma di tutti i pozzi coerenti.
Esempio di un grafico di flusso massimo e le capacità di ciascuna sorgente e pozzo. Il grafico a destra mostra il flusso massimo consentito attraverso ciascun bordo dopo la normalizzazione. Si noti che il flusso massimo consentito attraverso i bordi con il simbolo dell'infinito è effettivamente limitato a 1000 nell'implementazione.
L'implementazione della funzione di flusso massimo igraph utilizza l'algoritmo Push-relabel. Questo tipo di algoritmo non è sensibile ai costi e potrebbe non trovare sempre il modo più breve per instradare il flusso. Un algoritmo sensibile ai costi non è disponibile in igraph e le prestazioni sarebbero probabilmente basse per poter risolvere un flusso su base oraria durante tutto l'anno. Ma a causa della precedente riduzione a un albero di copertura minimo, i casi in cui viene scelta una soluzione non ideale sono molto limitati e improbabili. L'algoritmo Push-relabel ha anche la tendenza a instradare il flusso attraverso il minor numero di bordi. L'implementazione dell'igraph sembra essere deterministica nell'ordine di allocazione del flusso se i grafici sono almeno automorfismi, il che è importante per il calcolo del flusso su base oraria poiché qualsiasi oscillazione di flusso introdotta artificialmente tra i bordi è indesiderabile.
Le fonti di calore sono prese dal database industriale. In base al loro eccesso di calore, Nuts0 ID e settore industriale viene creato un profilo di carico che copre ogni ora dell'anno per ogni sito. È prevista l'aggiunta personalizzata di siti.
I dissipatori di calore si basano su aree coerenti con richiesta di calore nota. Le aree coerenti formano una maschera per una griglia su cui vengono posizionati punti equidistanti come punti di ingresso. A seconda dell'ID NUTS 2 selezionato, ai lavelli viene assegnato un profilo di riscaldamento residenziale. È prevista l'aggiunta personalizzata di punti di ingresso e lavandini.
I profili di carico citati sono costituiti da 8760 punti che rappresentano il carico per ogni ora dei 365 giorni. Ulteriori informazioni sui profili di carico sono disponibili qui.
Poiché i sistemi di teleriscaldamento hanno una grande capacità termica, un picco nel flusso non significa che le linee di trasmissione debbano fornire quel breve picco di calore istantaneamente. Pertanto, le capacità richieste delle linee di trasmissione e degli scambiatori di calore sono determinate dal carico di picco medio. In particolare, la funzione di convoluzione numpy viene utilizzata per calcolare la media del flusso nelle ultime tre ore mediante convoluzione con una funzione costante. A seconda di questo valore viene scelta una linea di trasmissione dalla seguente tabella.
Costi specifici delle linee di trasmissione utilizzate
| Potenza in MW | Costi in € / m | Temperatura in ° C | | ------------- |: -------------: | -----: | | 0.2 | 195 | <150 | | 0,3 | 206 | <150 | | 0.6 | 220 | <150 | | 1.2 | 240 | <150 | | 1.9 | 261 | <150 | | 3.6 | 288 | <150 | | 6.1 | 323 | <150 | | 9.8 | 357 | <150 | | 20 | 426 | <150 | | 45 | 564 | <150 | | 75 | 701 | <150 | | 125 | 839 | <150 | | 190 | 976 | <150 | | > 190 | 976 | <150 |
Vengono calcolati i costi dello scambiatore di calore sul lato sorgente che si assume come aria al liquido
C HSource (en-P) = P picco * 15.000 € / MW.
Il costo dello scambiatore di calore da liquido a liquido sul lato del lavello viene determinato con
C HSink (en-P) = P picco * 265.000 € / MW se P picco <1 MW o
C HSink (en-P) = P picco * 100.000 € / MW altro.
Con una soglia di costo per flusso per le linee di trasmissione, possono essere rimosse se la si supera per migliorare il rapporto flusso / costo. Dopo la rimozione degli spigoli, il flusso deve essere ricalcolato poiché la continuità di flusso nel grafico non è più garantita. Il rapporto costo / flusso potrebbe aumentare anche per altri bordi ora, quindi questo processo viene ripetuto fino a quando la somma di tutti i flussi non cambia più.
Innanzitutto, le fonti di calore e i dissipatori vengono caricati con i rispettivi profili di carico. Quindi viene eseguita la ricerca a raggio fisso e la rete viene inizializzata. Successivamente, la rete viene ridotta al suo albero di copertura minimo e il flusso massimo viene calcolato per ogni ora dell'anno. In base al flusso vengono calcolati i costi per ogni scambiatore di calore, pompa e linea di trasmissione. Se viene definito un rapporto tra costo soglia e flusso, viene eseguita la procedura di rimozione della linea di trasmissione. Alla fine, viene restituito il costo totale e il flusso totale della rete e il layout della rete.
Qui ottieni lo sviluppo all'avanguardia per questo modulo di calcolo.
L'attuale CM - POTENZIALE DI TRASPORTO DEL CALORE IN ECCESSO ha lo scopo di aiutare l'utente a identificare i potenziali di integrazione per il calore in eccesso nelle reti di teleriscaldamento. Sebbene vengano fornite numerose funzioni di analisi per non limitare l'utente, è necessario precisare esplicitamente che questa non è una pianificazione tecnica dettagliata. Le potenzialità si basano sul CM - Potenziale di teleriscaldamento . Questo CM identifica le aree con condizioni favorevoli per le reti di teleriscaldamento. Quindi mostra quanto calore potrebbe essere coperto dal calore in eccesso industriale in queste aree. Tuttavia, ciò non significa che in questa regione esista già una rete di teleriscaldamento. Un uso orientato all'applicazione dello strumento per i professionisti potrebbe quindi essere il seguente:
Se necessario, aggiungi i tuoi dati sul calore in eccesso fornendo alle aziende della regione l' impianto di aggiunta industriale CM.
Attiva "Calore in eccesso nei siti industriali"
Eseguire il CM - POTENZIALE DI TRASPORTO DEL CALORE IN ECCESSO.
Il valore
Questo grafico confronta il potenziale DH, il calore in eccesso totale, il calore in eccesso collegato e il calore in eccesso utilizzato.Questo grafico mostra quanto calore potrebbe essere coperto dal calore in eccesso nell'area investigata.
Indicatori Investimenti necessari, Costi annuali e costo del calore livellatoQuesto grafico mostra i costi specifici di produzione di calore per l'intera rete. Nota: i costi visualizzati sono stati stimati utilizzando un approccio semplificato. Questi costi non si applicano alle singole condutture. Tuttavia, i costi visualizzati possono essere utilizzati come ipotesi iniziale semplificata come costi di trasporto per l'integrazione del calore in eccesso in una rete di teleriscaldamento possibilmente vicina.
Da quanto sopra, potrebbe essere utilizzata la seguente gerarchia di lavoro:
Verificare se esiste o è prevista una rete di teleriscaldamento nella regione in esame.
I tubi visualizzati contengono flussi. Qui puoi vedere quanto calore in eccesso viene trasportato dalle rispettive fonti. Le aziende interessate potrebbero ora essere contattate. Probabilmente prima le aziende con quantità elevate.
Linea di trasmissione e suo flussoSelezionare DH Potenziale CM per adattare gli ingressi in modo che venga creata un'area DH.
Controllare il livello "siti industriali" nella selezione dell'utente.
Controllare l' avviso .
Seleziona un'area più ampia, in cui trovi almeno un sito industriale basato sul set di dati industriali predefinito disponibile nella casella degli strumenti Hotmaps.
Aumentare la soglia della linea di trasmissione
Controllare il paese e il sottosettore dei siti industriali caricati.
CM non ha accesso ai dati del profilo di riscaldamento residenziale da eseguire in quest'area.
Analisi del campione in PL22 con parametri predefiniti. Si consiglia di attivare i siti di calore in eccesso nella scheda dei livelli.
Analisi del campione in PL22. Le zone rosa rappresentano il teleriscaldamento. L'arancio circonda la fonte di calore e l'arancione allinea le linee di trasmissione della rete.
Ali Aydemir e David Schilling, in Hotmaps Wiki, Potenziale di trasporto di calore in eccesso CM (settembre 2020)
Questa pagina è stata scritta da Ali Aydemir e David Schilling ( Fraunhofer ISI ).
☑ Questa pagina è stata recensita da Tobias Fleiter ( Fraunhofer ISI ).
Copyright © 2016-2020: Ali Aydemir e David Schilling
Licenza internazionale Creative Commons Attribution 4.0
Questo lavoro è concesso in licenza con una licenza internazionale Creative Commons CC BY 4.0.
Identificatore licenza SPDX: CC-BY-4.0
Testo della licenza: https://spdx.org/licenses/CC-BY-4.0.html
Vorremmo esprimere il nostro più profondo apprezzamento al progetto Hotmaps di Orizzonte 2020 (contratto di sovvenzione numero 723677), che ha fornito i finanziamenti per svolgere la presente indagine.
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