• شماره ركورد
    26205
  • شماره راهنما
    CIV3 34
  • عنوان

    همبست آب-انرژي در بهره برداري شبكه توزيع آب شهري با رويكرد مدلسازي كمي-كيفي

  • مقطع تحصيلي
    دكتري
  • رشته تحصيلي
    مهندسي عمران- مهندسي و مديريت منابع آب
  • دانشكده
    مهندسي عمران و حمل و نقل
  • تاريخ دفاع
    1405/06/25
  • صفحه شمار
    297 ص.
  • استاد راهنما
    رامتين معيني , علي دهنوي
  • لينك پروفايل استاد راهنما
    https://ris.ui.ac.ir/fa/profile/Ramtin-Moeini
  • كليدواژه فارسي
    همبست آب-انرژي , شبكه توزيع آب شهري , پمپ‌هاي معكوس (PAT) , شيرهاي فشارشكن (PRV) , كنترل فشار , سن آب
  • چكيده فارسي
    همبست آب-انرژي در شبكه‌هاي توزيع آب شهري، چارچوبي براي تحليل همزمان رابطه ميان مصرف آب، مديريت فشار، كيفيت بهره‌برداري و بازيابي انرژي در سيستم توزيع فراهم مي‌كند. اين رويكرد به‌ويژه در شرايط محدوديت منابع آب، رشد تقاضاي شهري و ضرورت كاهش تلفات انرژي، اهميت ويژه‌اي در بهره‌برداري پايدار شبكه‌ها دارد. با افزايش جمعيت و تشديد بحران كم‌آبي، مديريت كارآمد شبكه‌هاي توزيع آب شهري به يكي از چالش‌هاي اساسي تبديل شده است. در اين شبكه‌ها، كنترل فشار براي كاهش نشت و تركيدگي لوله‌ها حياتي است، اما استفاده از شيرهاي فشارشكن (PRV) بدين منظور منجر به اتلاف انرژي قابل توجهي مي‌شود. از سوي ديگر، هرگونه تغيير در شرايط جريان در شبكه مي‌تواند بر كيفيت آب، به ويژه پارامتر سن آب، تأثير منفي بگذارد. پژوهش حاضر با هدف بررسي همبست آب-انرژي در بهره‌برداري شبكه‌هاي توزيع آب شهري با رويكرد مدلسازي كمي-كيفي انجام گرديده است. بدين منظور، يك مدل شبيه‌سازي-بهينه‌سازي با اتصال نرم‌افزارهاي ايپانت و متلب توسعه داده شد. در مرحله شبيه‌سازي، سناريوهاي مختلف شامل وضعيت بدون نصب شير، نصب PRVها، و جايگزيني پمپ‌هاي معكوس (PATs) به جاي PRVها بررسي گرديد. براي شبيه‌سازي شبكه، علاوه بر روش مرسوم مبتني بر تقاضا (DDA)، روش واقعي‌تر مبتني بر فشار (PDA) در تحليل دوره گسترده (EPS) 24 ساعته مورد استفاده قرار گرفت. در مرحله بهينه‌سازي، توابع هدف شامل كاهش فشار گره-اي، كاهش ميانگين وزني سن آب و افزايش توليد انرژي با جايگزيني PAT به جاي PRV است. از الگوريتم‌هاي GA براي بهينه‌سازي تك‌هدفه و NSGA-II براي بهينه‌سازي چندهدفه، به منظور تعيين جانمايي، تعداد و تنظيمات بهينه شيرها استفاده شد. در مسائل چندهدفه، مجموعه جواب‌هاي نامغلوب در قالب جبهه پارتو استخراج شد و براي انتخاب جواب نهايي از روش تصميم‌گيري تاپسيس استفاده گرديد. همچنين، براي مقايسه عملكرد سناريوهاي مختلف، شاخص‌هاي عملكردي تركيبي محاسبه شدند تا اثر همزمان فشار، سن آب و انرژي در يك معيار قابل مقايسه ارزيابي شود. از جنبه نوآوري، در اين پژوهش مديريت فشار از يك مسئله صرفاً هيدروليكي به يك مسئله تلفيقي كمي–كيفي–بازتوليد انرژي تبديل شده است؛ به‌گونه‌اي كه كاهش فشار، كاهش سن آب و افزايش انرژي بازيابي‌شده توسط PAT به صورت همزمان در فرآيند بهينه‌سازي و تصميم‌گيري لحاظ شده و عملكرد روش‌هاي DDA و PDA نيز در اين چارچوب مورد مقايسه قرار گرفته است. دو شبكه شامل نمونه ژوييت و شبكه واقعي بهارستان واقع در شهر اصفهان به عنوان مطالعه موردي انتخاب گرديد. نتايج حاصل از شبيه‌سازي شبكه ژوييت نشان داد كه نصب PRVها بيشترين كاهش فشار را به همراه دارد اما منجر به افزايش سن آب و اتلاف انرژي مي‌شود. در مقابل، جايگزيني PATها ضمن كنترل فشار مطلوب، سن آب كمتري ايجاد كرده و در روش پيشنهادي منجر به توليد 22/62 كيلووات انرژي طي 24 ساعت (در حالتPDA) گرديد. در همين راستا، در شبيه¬سازي شبكه بهارستان نيز نتايج PDA نشان داد كه نصب PATها با روش پيشنهادي، در هر دو فصل تابستان و زمستان، ضمن كنترل فشار همراه با بازيابي انرژي و ايجاد سن آب كمتر نسبت به PRV، منتهي به توليد 59/88 كيلووات انرژي در تابستان و 59/93 كيلووات انرژي در زمستان طي 24 ساعت گرديد. ارزيابي شاخص عملكردي تركيبي نشان داد كه بهينه‌سازي چندهدفه در هر دو شبكه نسبت به شبيه‌سازي، عملكرد شبكه را به طور محسوسي بهبود داده است؛ به‌گونه‌اي كه اين شاخص در شبكه ژوييت از ميزان 086/0 در سناريو شبيه¬سازي PAT به ميزان 0.594 در سناريو بهينه¬سازي با وزن¬دهي مساوي افزايش يافت. در شبكه بهارستان، بيشترين بهبود در فصل تابستان مشاهده شد و شاخص عملكردي از ميزان 165/0 در سناريو شبيه¬سازي PAT به ميزان 0.597 در سناريو بهينه¬سازي با وزن¬دهي40-30-30 رسيد. همچنين، در فصل زمستان نيز شاخص از ميزان 153/0 در سناريو شبيه-سازي PAT به ميزان 0.574 در سناريو بهينه¬سازي با وزن¬دهي40-30-30 افزايش يافت. در نهايت، تحليل همبست آب-انرژي در هر دو شبكه به‌وضوح نشان داد كه PRVها با حداكثر كنترل فشار، هزينه كيفي (افزايش سن آب) و انرژي (اتلاف انرژي) را به همراه دارند، در حالي كه PATها با عملكردي متعادل¬تر، ضمن مديريت فشار و سن آب، بخش قابل توجهي از انرژي را بازيابي كرده و به پايداري بيشتر سيستم كمك مي‌كنند. همچنين، سناريوهاي بهينه‌سازي‌شدهPAT ، علاوه بر بازيابي انرژي، كاهش نشت و در شبكه بهارستان كاهش نرخ شكست ساليانه لوله‌ها را نيز فراهم كردند.
  • تاريخ نمايه سازي
    1405/07/19
  • نام نمايه ساز
    همدم نوروزي
  • كليدواژه لاتين
    Water-Energy Nexus , Urban Water Distribution Network , Pumps as Turbines (PAT) , Pressure Reducing Valves (PRV) , Pressure Control , Water Age
  • عنوان لاتين
    Water-energy NEXUS in the operation of the water distribution network with the quantitative-qualitative modeling approach
  • گروه آموزشي
    مهندسي عمران
  • چكيده لاتين
    The water–energy nexus in urban water distribution networks (WDNs) provides a framework for the simultaneous analysis of the relationships among water consumption, pressure management, operational performance, an‎d energy recovery within distribution systems. This approach is particularly important for the sustainable operation of water networks under conditions of limited water resources, growing urban deman‎d, an‎d the need to reduce energy losses. With population growth an‎d the intensification of water scarcity, efficient management of urban water distribution networks has become a major challenge. In such networks, pressure control is essential for reducing leakage an‎d pipe bursts; however, the use of pressure-reducing valves (PRVs) for this purpose results in considerable energy dissipation. Moreover, any alteration in network flow conditions may adversely affect water quality, particularly water age. This study investigated the water–energy nexus in the operation of urban water distribution networks using a hydraulic an‎d water-quality modeling approach. To this end, a simulation–optimization model was developed by coupling EPANET an‎d MATLAB. During the simulation phase, different scenarios were eva‎luated, including the no-valve condition, PRV installation, an‎d replacement of PRVs with pumps as turbines (PATs). In addition to the conventional deman‎d-driven analysis (DDA), the more realistic pressure-driven analysis (PDA) was employed in a 24-hour extended-period simulation (EPS). In the optimization phase, the objective functions included minimizing nodal pressure, minimizing deman‎d-weighted water age as a water-quality indicator, an‎d maximizing energy generation through the replacement of PRVs with PATs. The genetic algorithm (GA) was used for single-objective optimization, whereas NSGA-II was applied for multi-objective optimization to determine the optimal location, number, an‎d settings of the valves. For the multi-objective problems, non-dominated solutions were obtained in the form of Pareto fronts, an‎d the TOPSIS decision-making method was used to selec‎t the final solution. In addition, composite performance indices were calculated to compare different scenarios an‎d eva‎luate the simultaneous effects of pressure, water age, an‎d energy using a common metric. From an innovation perspective, this study develops an integrated framework that extends pressure management in WDNs from a purely hydraulic problem to a combined hydraulic water quality-energy optimization problem. In this framework, pressure reduction, water-age reduction, an‎d energy recovery through PATs are simultaneously considered in the optimization an‎d decision-making process, while the effects of both deman‎d-driven an‎d pressure-driven analysis approaches are eva‎luated. Two case studies, namely the Jowitt benchmark network an‎d the real Baharestan network located in Isfahan, Iran, were selec‎ted. Simulation results for the Jowitt network showed that PRV installation achieved the greatest pressure reduction but increased water age an‎d dissipated energy. In contrast, replacing PRVs with PATs provided satisfactory pressure control, resulted in lower water age, an‎d, using the proposed method, generated 62.22 kWh of energy over 24 hours under PDA conditions. Similarly, PDA results for the Baharestan network showed that PAT installation using the proposed method, in both summer an‎d winter, enabled pressure control an‎d energy recovery while producing lower water age than PRVs. The corresponding recovered energy was 88.59 kWh in summer an‎d 93.59 kWh in winter over a 24-hour period. .
  • تعداد فصل ها
    6
  • استاد مشاور خارج از دانشگاه
    سيد محي الدين باطني
  • فهرست مطالب pdf
    171486
  • نويسنده

    اسكندري پور، مهرتاش

    • لينک به اين مدرک
    https://lib.ui.ac.ir/dl/search/default.aspx?Term=26205&Field=0&DTC=3