世界がより持続可能な未来に向かって競争する中、効率的で環境に優しい暖房ソリューションの必要性がかつてないほど高まっている。地域暖房（DH）システムは、二酸化炭素排出量を削減し、効率的に熱を供給する有望な選択肢として浮上してきた。このブログでは、第4・5世代地域暖房システムの自動設計・開発に関する私の博士号取得の主な成果を要約する。
地域暖房システムを理解する
地域暖房システムは、都市内のパイプ・ネットワークを通じて建物に集中暖房を提供する。従来、これらのシステムは化石燃料を燃料とするものが主流で、その結果、温室効果ガスが大量に排出されていた。しかし、再生可能エネルギーの登場と技術革新により、より持続可能な暖房ソリューションへの道が開かれた。
図1：オランダ、ナイメーヘンのヘングストダール地区のケーススタディ
将来の熱需要がネットワーク展開コストに与える影響を評価するため、いくつかのシナリオが実行された。 Comsof Heat.将来、暖房需要が50％減少した場合、ネットワーク展開コストは、家庭用温水需要を考慮した場合と考慮しない場合で、それぞれ9％と16％削減される。このことは、熱需要を削減しながら採算性を維持することが、将来の地域暖房ネットワークにとっていかに困難であるかを示しており、それを達成するためには、より高密度な地域が必要であることを論じている。さらに、DHネットワークの全体的な展開コストにおいて、溝掘りのコストが支配的な要因であることが示された。トレンチ工事費を削減するためには、下水、ガス、道路などの他のインフラサービスと建設工事を組み合わせることが推奨される。
熱エネルギー貯蔵の最適化
熱エネルギー貯蔵は第4世代地域暖房システムに不可欠な要素であり、需給ギャップを埋めるために極めて重要である。集中型および分散型の熱エネルギー貯蔵モデルを開発し、Comsof Heat と統合した。集中型および分散型貯蔵がDHネットワークの総ネットワークコストに与える影響を、ケーススタディを用いながらComsof Heat 。その結果、集中型ネットワークの場合、総ネットワークコストは最大4%削減でき、分散型ストレージの場合、最大7%削減できることがわかった。
その結果、最適なストレージサイズは、ストレージの分散配置とコスト構成によって異なることが明らかになった。本研究では、ストレージを7カ所と10カ所に分散した場合、ネットワークコストの最大削減率は上昇するが、分散が進むにつれて低下する。これは、ストレージを分配するのに最適な場所が存在することを示している。それ以降の分散はもはや採算が合わない。このケーススタディにおける理想的なストレージ分配は、7箇所から10箇所の間である。この研究は、コスト削減を最大化するために、ストレージの理想的な場所とサイズを見つけることの重要性を強調している。
Comsof Heat Comsof Heat 。設計者は、さまざまなストレージ・シナリオがネットワーク全体のコストとパフォーマンスに与える影響を分析し、リソースの効率的な利用を確保することができます。
図2：集中型と分散型ストレージを備えたコルトレイク市中心部のケーススタディ
複数電源の統合の重要性
再生可能エネルギー源はほとんどが分散型であるため、複数のソースを統合することが脱炭素化の鍵となる。複数ソースを分岐した DH ネットワークを構築するための自動設計手法を開発し、Comsof Heat と統合した。また、必要以上のソースがある場合に、与えられた基準に基づいてソースを選択するソース選択アルゴリズムも実装されている。この開発されたアルゴリズムを用いて、様々なエネルギー源の選択が投資コスト、エネルギー生産コスト、炭素コスト、排出量に与える影響を調査するためのケーススタディが開発された。その結果、ヒートポンプのような低炭素エネルギー源は、炭素コストが大幅に増加しない限り、コスト最適化によって好まれないことが示された。この研究は、DHネットワークにおける低炭素電源の使用を促進するためには、炭素コストを高くする必要があることを強調している。
図3：複数のエネルギー源を持つコルトレイク市中心部のケーススタディ
ネットワーク・トポロジー：リング型と分岐型
最適なネットワーク・トポロジーの構成を設計することも、地域暖房システムにおける課題である。リング構成は、冗長性、柔軟性、プロシューマーとの統合といった利点がある一方で、分岐トポロジーに比べ、ネットワークの総展開コストが高くなる。博士課程の一環として、リング型トポロジーのDHネットワークを設計するための自動化手法を開発した。この方法を用いてケーススタディが行われ、リング型トポロジーの総ネットワーク展開コストは、分岐型ネットワークよりも約10％高いことがわかった。トランスポート層（リングが存在する層：図4参照）を比較すると、リング・トポロジーの総ネットワーク展開コストは、分岐ネットワークのそれよりも75％高い。
その結果は、ネットワーク設計、指定されたコストパラメータ、パイプサイズによって異なる可能性がある。しかし、開発された設計ツールは、リング構成や分岐構成などのさまざまなネットワーク・トポロジーと、それらに関連するコストと利点に関する洞察を提供するために簡単に使用することができます。Comsof Heat 、さまざまな構成の分析を容易にし、設計者はコスト、冗長性、柔軟性などの要因に基づいて情報に基づいた決定を行うことができます。
図4：複数のエネルギー源を持つトランスポート層のリングトポロジーネットワーク
地域エネルギー・ネットワークの設計成熟度の3つのレベルについて学び、エンジニアリング会社やコンサルタント会社の設計者が、最適な結果を得るために実現可能性調査にどのように取り組めばよいかを探る。
第五世代地域暖房システム：経済的比較
第五世代地域暖房システム（5GDH）は、エネルギー効率が非常に高く、必要温度が非常に低いため、より多くの再生可能熱源や廃熱源をネットワークに統合できる可能性がある。博士課程では、5GDHネットワークを設計する自動化手法を開発し、他のモデルと同様にComsof Heat 。5GDHネットワークはピーク時の熱需要を削減できる一方で、建物側ヒートポンプの存在により、建物レベルでの電力需要が高くなる。5GDHネットワークの熱損失（151kW）は第3世代（3GDH）ネットワーク（1983kW）よりかなり小さいが、5GDHネットワークの総コスト（投資および運用コスト）は3GDHネットワークに比べて高い。5GDHネットワークが経済的に魅力的なのは、無料で利用できる低温廃熱（少なくとも12～15℃）がある場合のみである。そうでなければ、本研究で使用したコスト・パラメーターと電力価格では、従来のDHネットワークが経済的に魅力的である。
課題と考察
第4世代および第5世代の地域暖房システムは有望な解決策を提供するが、いくつかの課題に対処する必要がある：
- 設計と計画： 持続可能性、コスト、将来の拡張性など、考慮すべきシナリオやオプションが異なるためだ。
- 貯蔵と柔軟性：貯蔵は、熱の供給と需要の変動のバランスをとる上で重要な役割を果たす。コスト削減を最大化し、システムの柔軟性を確保するためには、最適な貯蔵サイズと分布を特定することが不可欠です。
- 経済性：先進的なDHシステムの導入には高い初期費用がかかるため、長期的な経済性と費用対効果の高い低炭素熱源の利用可能性を考慮することが不可欠である。
- 環境への影響： DHシステムは一般的にエネルギー効率の向上と排出量の削減を実現するが、熱源の抽出と利用、廃熱の処理に伴う環境への影響を考慮することが不可欠である。
エネルギー効率の高い地域暖房システム
持続可能なエネルギーの未来に向けた移行を目指す中で、第4世代および第5世代の地域暖房システムは、効率的で環境に優しい熱配給のための重要なソリューションとして浮上してきた。しかし、これらのシステムは複雑であるため、ネットワーク設計、貯蔵ソリューション、および構成を最適化するために、自動設計ツールを使用する必要があります。
Comsof Heat先進的な自動設計ツールであるCFDは、この取り組みにおいて強力な味方となる。Comsof Heat 、設計者は十分な情報を得た上で意思決定を行うことができ、最終的にコスト効率が高く、エネルギー効率の高い地域暖房システムを実現することができます。
スコットランドの農村における持続可能なエネルギーの変革Comsof Heat
この記事では 、スコットランドの地方における地域熱ネットワーク（DHN）の実現可能性に焦点を当てたグラスゴー大学の研究プロジェクトから得られた洞察を紹介します。Comsof Heat の高度な機能を活用することで、事実上どのような地域社会でも、より環境に優しく持続可能なエネルギー・ソリューションの構築が可能であることを実証している。
前へ
