Costruzione di un modello numerico per reti di teleriscaldamento efficienti

This thesis work aim is creating a numerical model able to simulate district heating network’s operations and calculate temperatures, pressures and flows in every element of the grid. The goal is obtaining a base model for real time optimization but also an instrument that can support the investment analysis to integrate the grid with new components. The simulator is able to model also the insertion of thermal storages and solar panels, because district heating needs to evolve in a more sustainable configuration to be competitive and efficient also in the future. The mathematical model that rules the functioning of the district heating network is analyzed. Afterwards, a process to obtain a model that can be solved numerically by a computer is implemented. In order to have fast simulation time, a lot of different algorithms to solve the hydraulic and thermal configuration of the grid are analyzed, implemented and evaluated. The definitive model written in Fortran 90 is able to simulate several hours of operations of a complex grid in a few seconds. Moreover, the model of the heat exchange between users and grid is validated, comparing the results with experimental data from the district heating network in Lodi. Using the same case study the accuracy in the calculation of the flow and return temperature in the power plant are evaluated. In conclusion, the approximation in the results are discussed and possible follow-ups of the work are proposed.

Lo scopo di questo lavoro è elaborare un codice di calcolo in grado di simulare il comportamento di una rete di teleriscaldamento e di valutare portate, pressioni e temperature in ogni componente della rete. Gli sviluppi futuri del teleriscaldamento sono nella direzione di reti con regolazione sempre più complessa e che prevedono integrazione di accumuli termici e generazione di calore da fonti rinnovabili, sia centralizzata che distribuita. Per queste ragioni, l’obbiettivo è ottenere un modello che possa fungere sia da supporto per l’ottimizzazione in tempo reale, sia da strumento per valutare l’integrazione di nuovi componenti nella rete, poiché il teleriscaldamento necessita di continua evoluzione per confermarsi efficiente e competitivo anche in futuro. Sono state affrontate le basi matematiche che governano il funzionamento della rete, per poi sviluppare il modello, le ipotesi e il procedimento che rendono il problema risolvibile numericamente. Per ottenere un simulatore con tempi di risoluzione contenuti si sono analizzati e perfezionati diversi algoritmi per risolvere la situazione idraulica e termica della rete al variare della richiesta termica delle utenze, valutandone precisione e velocità. Gli algoritmi implementati consentono di simulare ore di funzionamento di reti complesse in pochi secondi, utilizzando un codice implementato in linguaggio Fortran 90. In seguito si sono validati diversi aspetti del modello creato, come discretizzazione spaziale adottata e scambio con le utenze, confrontando i modelli con dati sperimentali provenienti dalla rete di Lodi. Infine si sono comparati i risultati simulati di portata in centrale e di temperatura di ritorno con misurazioni effettuate sul campo, valutando l’entità delle approssimazioni nei risultati e i possibili sviluppi futuri del modello implementato.