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Este módulo calcula o fluxo e os custos de transmissão de calor de potenciais fontes de calor em excesso localizadas fora das áreas potenciais de aquecimento urbano para a área de aquecimento urbano. As entradas são perfis de carga horária do fluxo de calor excedente e da demanda de aquecimento urbano, a localização da fonte de calor excedente e o sistema de aquecimento urbano potencial, custos de investimento em trocadores de calor e linhas de transmissão e valores limites para custos de distância e transmissão.
O Módulo de Cálculo "Potencial de transporte de calor excessivo" ajudará o usuário a identificar os potenciais de integração para o calor excessivo em redes de aquecimento urbano. Os potenciais são baseados no CM - Potencial de aquecimento urbano . Este CM identifica áreas com condições favoráveis para redes de aquecimento urbano e mostra quanto calor poderia ser potencialmente coberto pelo excesso de calor industrial nessas áreas. No entanto, isso não significa que já exista uma rede de aquecimento urbano nesta região.
Os seguintes dados e métodos são combinados para a tarefa anterior.
Dados:
Requisitos de aquecimento para áreas próximas com condições favoráveis para redes de aquecimento urbano, que são dissolvidas de hora em hora (do CM - Potencial de aquecimento urbano).
Dados sobre as quantidades de calor em excesso das empresas industriais na área, que também são resolvidos de hora em hora (a partir do banco de dados industrial do conjunto de dados).
Suposições sobre custos de trocadores de calor, bombas e oleodutos, bem como perdas de calor para oleodutos de aquecimento urbano.
Método (simplificado):
O objetivo do método é representar o maior fluxo de calor excedente possível com não muitos e, portanto, tubulações muito longas para os possíveis usuários de aquecimento urbano, gerando redes com fluxos máximos. No entanto, linhas de transporte particularmente ineficientes (com baixos fluxos de calor e, portanto, altos custos de transporte de calor específico) não são consideradas na rede final. O limite para a eficiência econômica de linhas de transporte individuais pode ser especificado pelo usuário (cf. Limiar da linha de transmissão).
O pano de fundo básico da abordagem é o seguinte: se houver apenas algumas fontes de calor em excesso, uma única tubulação por fonte pode sempre ser considerada para transportar o calor para uma área próxima com condições favoráveis para aquecimento urbano. No entanto, se houver várias fontes de calor excedente fluindo para a mesma área, faria sentido coletar o calor e transportá-lo para a área em um duto comum maior. A abordagem com um tubo por fonte tende a superestimar o esforço dos pipelines.
Para neutralizar o acima, o problema de planejamento de dutos foi aproximado assumindo um problema de fluxo de rede. Um método heurístico é usado para resolver o problema, no qual o excesso de calor pode ser empacotado e transportado para os possíveis usuários. O projeto metódico concreto da solução com a abordagem da árvore de vão mínimo é descrito na parte metódica correspondente. O projeto da tubulação determinado no contexto anterior não representa, portanto, um planejamento detalhado ou uma orientação de rota real, mas é usado apenas para a aproximação dos custos para a distribuição das quantidades de calor excedentes nas áreas próximas com condições favoráveis para redes de aquecimento urbano (consulte CM - Potencial de aquecimento urbano , áreas coerentes com palavras-chave). Essa aproximação de custos, portanto, se refere a toda a rede.
Os resultados devem então ser interpretados da seguinte forma: se as quantidades de calor excedentes registradas fossem transportadas juntas para as áreas próximas indicadas, então os custos para distribuição de calor poderiam ser da ordem de magnitude indicada pela ferramenta (cf. Custo nivelado de fornecimento de calor). Como regra, os valores de toda a rede também são um bom indicador inicial para pipelines individuais. O objetivo dos resultados é, portanto, fornecer a um desenvolvedor ou planejador de projeto uma ordem de magnitude para possíveis custos de distribuição.
Áreas de aquecimento urbano (por enquanto fornecidas diretamente pelo CM potencial de aquecimento urbano)
Banco de dados industrial (por padrão fornecido pela caixa de ferramentas)
Perfis de carga para a indústria
Perfis de carga para aquecimento residencial e água quente sanitária
Min. demanda de calor por hectare
Consulte CM - Potencial de aquecimento urbano .
Min. demanda de calor em uma área DH
Consulte CM - Potencial de aquecimento urbano .
Vida útil do equipamento em anos
Os custos nivelados do calor referem-se a este período de tempo.
Taxa de desconto em%
Taxa de juros do crédito necessária para construir a rede.
Fator de custo
Fator para adaptar os custos da rede caso os valores padrão não representem com precisão os custos. Os investimentos necessários para a rede se multiplicam com esse fator. Os custos padrão podem ser encontrados na seção Cálculo de custos .
Custos operacionais em%
Custos operacionais de rede por ano. Em por cento dos investimentos necessários para a rede.
Valor limite para linhas de transmissão em ct / kWh
O custo máximo nivelado de calor de cada linha de transmissão individual. Este parâmetro pode ser usado para controlar o custo nivelado do calor para toda a rede. Um valor mais baixo é igual a custo nivelado mais baixo do calor, mas também uma redução no excesso de calor usado e vice-versa.
Resolução de tempo
Define o intervalo entre os cálculos do fluxo da rede durante todo o ano. Pode ser um destes valores: (hora, dia, semana, mês, ano)
Linhas de transmissão
Shapefile mostrando as linhas de transmissão sugeridas com sua temperatura, fluxo de calor anual e custo. detalhes podem ser encontrados aqui.
Excesso de calor total na área selecionada em GWh
Excesso de calor total disponível de plantas industriais na área selecionada e nas proximidades.
Excesso de calor conectado em GWh
Excesso de calor total disponível nas plantas industriais conectadas a uma rede.
Excesso de calor usado em GWh
Excesso de calor real usado para DH.
Investimentos necessários para a rede em €
Investimento necessário para construir a rede.
Custos anuais da rede em € / ano
Custos causados pela anuidade e custos operacionais da rede por ano.
Custos nivelados de fornecimento de calor em ct / kWh
custo nivelado de aquecimento da rede completa.
Potencial DH e excesso de calor
Gráfico mostrando o potencial DH, excesso de calor total, excesso de calor conectado e excesso de calor usado. Os detalhes podem ser encontrados aqui .
Excesso de calor usado e investimento necessário
Gráfico mostrando o excesso de calor anual entregue ao investimento necessário para a rede. Os detalhes podem ser encontrados aqui .
Curvas de carga
Gráfico mostrando a demanda e o excesso de calor mensal. Os detalhes podem ser encontrados aqui .
Curvas de carga
Gráfico mostrando a demanda e o excesso de calor médio diário. Os detalhes podem ser encontrados aqui .
Ao clicar na linha de transmissão, informações adicionais serão exibidas.
Este gráfico compara o potencial DH, excesso de calor total, excesso de calor conectado e excesso de calor usado.
Mais informações sobre a demanda anual de calor e o potencial de DH podem ser encontradas aqui . O excesso de calor conectado ao excesso de calor e o excesso de calor usado são os mesmos que seus indicadores igualmente nomeados, na seção de entrada e saída .
Este gráfico mostra o fluxo total da rede ao longo do ano. O gráfico inferior representa o dia médio.
O eixo x representa o tempo e a potência do eixo y. As curvas azuis representam a demanda de calor das áreas DH e as vermelhas o excesso de calor disponível. A interseção de ambas as curvas representa o fluxo total real de calor. O gráfico superior mostra o fluxo ao longo do ano e o inferior mostra o fluxo médio do dia. Observe que a resolução de tempo precisa ser definida pelo menos como "mês" para o gráfico superior e "hora" para o gráfico inferior ser representativo.
O elemento chave do módulo de excesso de calor é o modelo fonte-dissipador usado. Ele constrói uma rede de transmissão de comprimento mínimo e calcula o fluxo para cada hora do ano com base em perfis de carga de aquecimento residencial com resolução NUTS 2 e perfis de carga da indústria com resolução NUTS 0. Com base na média dos fluxos de pico ao longo do ano, os custos de cada linha de transmissão e trocador de calor no lado da fonte e do dissipador podem ser calculados.
Com base na ID NUTS 0 e no setor industrial, um perfil de carga resolvido por hora de um ano é atribuído a cada fonte.
Com base no módulo de cálculo do potencial de aquecimento urbano, pontos de entrada equidistantes são criados nas áreas coerentes. Dependendo da ID NUTS 2 dos pontos de entrada, um perfil de carga é atribuído.
Dentro de um raio predefinido, é verificado quais fontes estão no alcance uma da outra, quais sumidouros estão no alcance um do outro e quais sumidouros estão no alcance das fontes. Isso pode ser representado por um gráfico com fontes e sumidouros formando os vértices e os vértices no intervalo sendo conectados por uma aresta.
Uma árvore geradora mínima é calculada com a distância das arestas como pesos. Isso resulta em um gráfico retendo sua conectividade, embora tenha um comprimento total mínimo de arestas. Observe que os pontos de entrada das áreas coerentes são conectados internamente gratuitamente, uma vez que formam sua própria rede de distribuição.
O fluxo máximo das fontes aos sumidouros é calculado para cada hora do ano.
O pico de fluxo do ano em média superior a 3 horas determina a capacidade necessária para as linhas de transmissão e trocadores de calor. Os custos das linhas de transmissão dependem do comprimento e da capacidade, enquanto os custos dos trocadores de calor são influenciados apenas pela capacidade. No lado da fonte, um trocador de calor ar-líquido com bomba integrada para a linha de transmissão e no lado da pia um trocador de calor líquido-líquido.
Uma vez que o custo e o fluxo de cada linha de transmissão são conhecidos, as linhas com maior relação custo-fluxo podem ser removidas e o fluxo recalculado até que o custo por fluxo desejado seja alcançado.
Para o cálculo da distância entre dois pontos, um pequeno ângulo de aproximação do comprimento do loxódromo é usado. Embora também haja uma implementação precisa da distância do ortódromo, o aumento da precisão não traz nenhum benefício real por causa das pequenas distâncias, principalmente abaixo de 20 km, e a incerteza do comprimento real da linha de transmissão por causa de muitos fatores como a topologia. Se dois pontos estiverem na faixa do raio, eles serão armazenados em uma lista de adjacências. A criação de tais listas de adjacência é realizada entre fontes e fontes, sinks e sinks, e sources e sinks. A razão para a separação está na flexibilidade de adicionar certos requisitos de temperatura para fontes ou dissipadores.
Com base na biblioteca igraph, uma classe NetworkGraph é implementada com todas as funcionalidades necessárias para o módulo de cálculo. Embora o igraph seja mal documentado, ele oferece um desempenho muito melhor do que os módulos Python puros, como NetworkX, e um suporte de plataforma mais amplo além do Linux, ao contrário da ferramenta gráfica. A classe NetworkGraph descreve apenas uma rede na superfície, mas contém 3 gráficos diferentes. Em primeiro lugar, o grafo que descreve a rede tal como é definida pelas três listas de adjacências. Em segundo lugar, o gráfico de correspondência conectando internamente sumidouros da mesma área coerente e por último o gráfico de fluxo máximo usado para o cálculo de fluxo máximo.
Contém apenas as fontes reais e coletores como vértices.
Cada coletor precisa de um id de correspondência, que indica se ele está conectado internamente por uma rede já existente, como em áreas coerentes. Pias com o mesmo id de correspondência são conectadas a um novo vértice com arestas com peso zero. Isso é crucial para o cálculo de uma árvore geradora mínima e a razão pela qual o gráfico de correspondência é usado para isso. Este recurso também é implementado para fontes, mas não é usado.
Exemplo de gráfico de correspondência. Os vértices vermelhos representam as fontes e os azuis diminuem. Os três sumidouros à direita são conectados de forma coerente por um vértice maior adicional
Como o igraph não suporta múltiplas fontes e sumidouros em sua função de fluxo máximo, é necessário um gráfico auxiliar. Ele apresenta um vértice infinito de fonte e dreno. Cada fonte real está conectada à fonte infinita e cada coletor real está conectado ao coletor infinito por uma borda. Observe que se um coletor estiver conectado a um vértice de correspondência, esse vértice será conectado em vez do coletor em si.
Exemplo de gráfico de fluxo máximo.
Com base no gráfico de correspondência, a árvore de abrangência mínima é calculada. As arestas que conectam os dissipadores coerentes sempre têm o peso 0, portanto, sempre farão parte da árvore geradora mínima.
Exemplo de um gráfico de correspondência com os pesos de cada aresta e sua árvore geradora mínima.
O fluxo através das bordas conectando as fontes ou sumidouros reais à fonte ou sumidouro infinito respectivamente é limitado à capacidade real de cada fonte ou sumidouro. Por razões numéricas, as capacidades são normalizadas de forma que a maior capacidade seja 1. O fluxo através do subconjunto de arestas contidas no gráfico de correspondência é limitado a 1000 que deve, para todos os efeitos intensos e propósitos, oferecer fluxo irrestrito. Em seguida, o fluxo máximo da fonte infinita para o depósito infinito é calculado e o fluxo redimensionado para seu tamanho original. Uma vez que sumidouros coerentes não estão diretamente conectados ao vértice sumidouro infinito, mas pelo vértice de correspondência, o fluxo através dele é limitado à soma de todos os sumidouros coerentes.
Exemplo de um gráfico de fluxo máximo e as capacidades de cada fonte e sumidouro. O gráfico à direita mostra o fluxo máximo permitido através de cada aresta após a normalização. Observe que o fluxo máximo permitido pelas bordas com o símbolo do infinito é, na verdade, limitado a 1000 na implementação.
A implementação da função de fluxo máximo do igraph usa o algoritmo Push-relabel. Este tipo de algoritmo não é sensível ao custo e pode nem sempre encontrar o caminho mais curto para rotear o fluxo. Um algoritmo sensível ao custo não está disponível no igraph e o desempenho provavelmente seria baixo para ser capaz de resolver um fluxo baseado em hora ao longo do ano. Mas, devido à redução anterior a uma árvore de abrangência mínima, os casos em que uma solução não ideal é escolhida são muito limitados e improváveis. O algoritmo Push-relabel também tem a tendência de direcionar o fluxo pelo menor número de arestas. A implementação do igrafo parece ser determinística na ordem de alocação do fluxo se os gráficos forem pelo menos automorfismos, o que é importante para o cálculo de fluxo baseado em hora, uma vez que qualquer oscilação de fluxo introduzida artificialmente entre as bordas é indesejável.
As fontes de calor são retiradas do banco de dados industrial. Com base em seu excesso de calor, Nuts0 ID e setor industrial, um perfil de carga cobrindo todas as horas do ano é criado para cada local. A adição personalizada de sites está planejada.
Os dissipadores de calor são baseados em áreas coerentes com demanda de calor conhecida. As áreas coerentes formam uma máscara para uma grade na qual os pontos equidistantes são colocados como pontos de entrada. Dependendo da ID NUTS 2 selecionada, um perfil de aquecimento residencial é atribuído aos dissipadores. A adição personalizada de pontos de entrada e pias está planejada.
Os perfis de carga mencionados consistem em 8.760 pontos que representam a carga para cada hora dos 365 dias. Mais informações sobre os perfis de carga podem ser encontradas aqui.
Uma vez que os sistemas de aquecimento urbano têm uma grande capacidade de calor, um pico no fluxo não significa que as linhas de transmissão precisam fornecer esse curto pico de calor instantaneamente. Portanto, as capacidades necessárias das linhas de transmissão e trocadores de calor são determinadas pela carga de pico média. Especificamente, a função de convolução numpy é usada para calcular a média do fluxo nas últimas três horas por convolução com uma função constante. Dependendo deste valor, uma linha de transmissão da tabela a seguir é escolhida.
Custos específicos das linhas de transmissão utilizadas
| Potência em MW | Custos em € / m | Temperatura em ° 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 |
Os custos do trocador de calor no lado da fonte, que é assumido como ar para líquido, são calculados com
Fonte C HS (en-P) = P pico * 15.000 € / MW.
Os custos do trocador de calor líquido para líquido no lado da pia são determinados com
C HSink (en-P) = P pico * 265.000 € / MW se P pico <1MW ou
C HSink (en-P) = P pico * 100.000 € / MW outro.
Com um limite de custo para fluxo para linhas de transmissão, eles podem ser removidos se excederem para melhorar a relação fluxo para custo. Após a remoção das arestas, o fluxo deve ser recomputado, pois a continuidade do fluxo no gráfico não é mais garantida. A relação custo / fluxo também pode aumentar para outras arestas agora, então esse processo é repetido até que a soma de todos os fluxos não mude mais.
Primeiro, as fontes de calor e dissipadores são carregados com seus perfis de carga. Em seguida, a pesquisa de raio fixo é realizada e a rede inicializada. Posteriormente, a rede é reduzida à sua árvore de abrangência mínima e o fluxo máximo é calculado para cada hora do ano. Com base no fluxo, são calculados os custos de cada trocador de calor, bomba e linha de transmissão. Se um custo limite para relação de fluxo for definido, o procedimento de remoção da linha de transmissão é executado. No final, o custo total e o fluxo total da rede e o layout da rede são retornados.
Aqui você obtém o desenvolvimento de ponta para este módulo de cálculo.
O presente CM - POTENCIAL DE TRANSPORTE DE CALOR EXCESSIVO tem como objetivo ajudar o usuário a identificar potenciais de integração para calor excessivo em redes de aquecimento urbano. Embora inúmeras funções de análise sejam fornecidas para não restringir o usuário, deve ser explicitamente indicado que não se trata de um planejamento técnico detalhado. Os potenciais são baseados no CM - Potencial de aquecimento urbano . Este CM identifica áreas com condições favoráveis para redes de aquecimento urbano. Assim, mostra quanto calor poderia ser coberto pelo excesso de calor industrial nessas áreas. No entanto, isso não significa que já exista uma rede de aquecimento urbano nesta região. Um uso da ferramenta orientado para a aplicação por profissionais poderia, portanto, ser o seguinte:
Se necessário, adicione seus próprios dados sobre o excesso de calor que fornece empresas na região com a adição de planta industrial CM.
Ligue a opção "Excesso de calor em instalações industriais"
Execute o CM - POTENCIAL DE TRANSPORTE DE CALOR EXCESSO.
O valor que
Este gráfico compara o potencial DH, excesso de calor total, excesso de calor conectado e excesso de calor usado.Este gráfico mostra quanto calor pode ser coberto pelo excesso de calor na área investigada.
Indicadores Investimentos necessários, custos anuais e custo nivelado do calorEste gráfico mostra os custos de produção de calor específicos para toda a rede. Nota: os custos exibidos foram estimados usando uma abordagem simplificada. Esses custos não se aplicam a pipelines individuais. No entanto, os custos exibidos podem ser usados como uma suposição inicial simplificada como custos de transporte para a integração do excesso de calor em uma rede de aquecimento urbano possivelmente próxima.
Do exposto, a seguinte hierarquia de trabalho pode ser usada:
Verifique se uma rede de aquecimento urbano existe ou está planejada na região em consideração.
Os tubos exibidos contêm fluxos. Lá você pode ver quanto calor em excesso é transportado das respectivas fontes. As empresas afetadas agora podem ser contatadas. Provavelmente primeiro as empresas com grandes quantidades.
Linha de transmissão e seu fluxoVerifique o CM potencial DH para adaptar as entradas de modo que uma área DH seja criada.
Verifique a camada "sites industriais" na seleção do usuário.
Verifique o aviso .
Selecione uma área maior, na qual você encontre pelo menos um local industrial com base no conjunto de dados industriais padrão disponível na caixa de ferramentas Hotmaps.
Aumentar o limite da linha de transmissão
Verifique o país e o subsetor das instalações industriais carregadas.
CM não tem acesso aos dados do perfil de aquecimento residencial a serem executados nesta área.
Amostra executada no PL22 com parâmetros padrão. Recomenda-se ativar os locais de excesso de calor na guia de camadas.
Amostra executada em PL22. As áreas rosa representam o aquecimento urbano. O laranja circunda a fonte de calor e o laranja circunda as linhas de transmissão da rede.
Ali Aydemir e David Schilling, em Hotmaps Wiki, CM Excesso de potencial de transporte de calor (setembro de 2020)
Esta página foi escrita por Ali Aydemir e David Schilling ( Fraunhofer ISI ).
☑ Esta página foi revisada por Tobias Fleiter ( Fraunhofer ISI ).
Copyright © 2016-2020: Ali Aydemir e David Schilling
Licença Creative Commons Atribuição 4.0 Internacional
Este trabalho está licenciado sob uma Licença Internacional Creative Commons CC BY 4.0.
SPDX-License-Identifier: CC-BY-4.0
License-Text: https://spdx.org/licenses/CC-BY-4.0.html
Gostaríamos de transmitir o nosso mais profundo agradecimento ao Projeto Hotmaps Horizonte 2020 (Contrato de Subvenção n.º 723677), que forneceu o financiamento para a realização da presente investigação.
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