Modelling and Development of an Optimal Methodology for Design A Multi-Sources System in Plus Energy Buildings

Abstract

In recent years, net zero or plus energy building is gaining increased attention worldwide due to its high potential to address the increase of energy consumption and CO2 emission, fossil fuels depletion risks and global warming issues. In fact, plus energy target can be achieved by increasing the energy performance of the building, then using renewable energy sources to provide at least the required demand of the building. However, the non-continuity of renewable sources and their high cost of investment lead researchers to combine two or more energy sources including renewable sources, conventional sources and/or energy storage units to form a hybrid or multi sources energy system (HES). The objective of this thesis is to develop a methodology to carry out design studies of plus energy buildings in Algeria. In this thesis, our contribution focused on the optimal design of multi-sources energy system taking into account the improvement of energy performance and thermal comfort of buildings as well as reducing the costs and CO2 emissions in the environment. The design process of HES includes the selection of components, energy planning and spatial analysis, optimal sizing and energy management. To achieve all these goals, many tools software and optimization techniques and algorithms were used including geographical information system, multi-criteria decision-making, CAD software and optimization software and algorithms. The proposed optimization method was applied to optimal design of HES for different off-grid and grid-connected buildings located in different regions of our country chosen for their climate diversity. In this work, we seek to study the potential of available renewable energies mainly solar and wind energy to achieve sustainable and green buildings in wide areas of the country. In addition, to contribute to successful transit toward low dependent buildings on fossil fuels by promoting renewable energy usage in the country. The findings of this thesis are promising and helpful for policy makers to make best decisions on the deployment of renewable energy based-systems in the building sector in Algeria and other countries..

في السنوات الأخيرة، اكتسب بناء الطاقة الصفرية أو الزائدة اهتمامًا متزايدًا في جميع أنحاء العالم نظرًا لقدرته العالية على معالجة زيادة استهلاك الطاقة وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون ومخاطر استنزاف الوقود الأحفوري وقضايا الاحتباس الحراري. في الواقع، يمكن تحقيق بيوت الطاقة ا الزائدة من خلال زيادة أداء الطاقة في المبنى، ثم استخدام مصادر الطاقة المتجددة لتوفير ما لا يقل عن الطلب السنوي للمبنى. ومع ذلك، فان عدم استمرارية الإنتاج من المصادر المتجددة وتكلفتها العالية يجعل الباحثين يؤولون إلى الجمع بين اثنين أو أكثر من مصادر الطاقة بما في ذلك المصادر المتجددة، والمصادر التقليدية و / أو وحدات تخزين الطاقة لتشكيل نظام طاقة هجين أو متعدد المصادر (Hybrid Energy System (HES)). تهدف هذه الأطروحة الى تطوير منهجية لإجراء دراسات التصميم لمباني الطاقة ال الزائدة في الجزائر. في هذه الأطروحة، ركزت مساهمتنا على التصميم الأمثل لنظام الطاقة متعدد المصادر مع مراعاة تحسين أداء الطاقة والراحة الحرارية للمباني وكذلك تقليل التكاليف وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون في البيئة. تتضمن عملية تصميم HES اختيار المكونات، تخطيط الطاقة والتحليل المكاني، التحجيم الأمثل وإدارة الطاقة. لتحقيق جميع هذه الأهداف، تم استخدام العديد من أدوات البرمجيات وتقنيات التحسين والخوارزميات بما في ذلك نظم المعلومات الجغرافية، واتخاذ القرارات متعددة المعايير، وبرمجيات CAD وبرامج التحسين والخوارزميات. تم تطبيق طريقة التحسين المقترحة على التصميم الأمثل لـ HES لعدة مباني سواء المباني خارج الشبكة أو المرتبطة بالشبكة والتي تتواجد في مناطق مختلفة إقليميا ومناخيا من البلاد. في هذا العمل، نسعى إلى دراسة إمكانات الطاقات المتجددة المتاحة بشكل رئيسي منها الطاقة الشمسية وطاقة الرياح لتحقيق المباني المستدامة والخضراء في مناطق واسعة من البلاد. بالإضافة إلى ذلك، المساهمة في النقل الناجح نحو المباني منخفضة الاعتماد على الوقود الأحفوري من خلال تشجيع استخدام الطاقة المتجددة في البلاد. النتائج التي توصلنا إليها في هذه الأطروحة جد مهمة ومفيدة لواضعي السياسات لاتخاذ أفضل القرارات بشأن نشر الأنظمة القائمة على الطاقة المتجددة في قطاع البناء في الجزائر وفي دول أخرى