Model development to analyze Lombardy heating sector scenarios

In this document, we tried to establish a set of simple correlations to permit a preliminary assessment of heating and cooling energy needs for different building types. Data employed to build the correlations come from detailed numerical calculations performed in regards of ISO standards. We also identified specific locations for different Italian climatic zones. The hourly calculation method in ISO 52016-1 is more advanced than the simplified hourly method given in ISO 13790:2008. The main difference is that the building elements are not aggregated to a few lumped parameters but kept separate in the new model proposed in the standard. The purpose of this thesis is to implement the different components that are present in the Lombardy heating sector in a python-based model to investigate the future scenarios, however the first step in the first section of this thesis is analyzing the hourly energy needs profiles for different building types. We observe that the simply hourly method results similar energy needs for heating as the full dynamical approach applied by the IESVE model. Based on the comparison, we show that the more simplified tools tend to over-estimate the energy needs for cooling, especially for commercial buildings. Moreover, the heating needs has its highest values in the hospitals and educational while the cooling needs highest values take place for the commercial buildings. In the next section of this thesis, after analyzation of the energy needs, we analyzed the optimum scenarios that we should consider for Italian Energy Systems in the heating and cooling sector in the year 2030. We used a toolbox named OEMOF in which energy systems optimization can be done with a specific accuracy. The scenarios are in line with the vision of decarbonization of the energy sector; the efforts have been done to make sure that integration of renewable energy sources will reach the targets that indicated in the relevant codes such as national energy strategies (SEN). The results will show the size and percentage of each technology and commodity sources in the production of energy as well as the installed capacity. We also analyzed the CO2 emission reduction that is happening over the optimum scenario in which by intended penetration of the renewable energy resources in the systems could reach an almost -40% compared to the amount of the current year.

In questo documento, abbiamo cercato di stabilire una serie di semplici correlazioni per consentire una valutazione preliminare del fabbisogno energetico per il riscaldamento e il raffrescamento delle diverse tipologie di edifici. I dati utilizzati per costruire le correlazioni provengono da calcoli numerici dettagliati eseguiti in relazione alle norme ISO. Abbiamo inoltre individuato localizzazioni specifiche per le diverse zone climatiche italiane. Il metodo di calcolo orario in ISO 52016-1 è più avanzato del metodo orario semplificato in ISO 13790:2008. La differenza principale è che gli elementi costruttivi non sono aggregati ad alcuni parametri forfettari ma mantenuti separati nel nuovo modello proposto nella norma. Lo scopo di questa tesi è quello di implementare le diverse componenti presenti nel settore del riscaldamento lombardo in un modello a base di pitone per indagare gli scenari futuri, tuttavia il primo passo nella prima sezione di questa tesi è l'analisi dei profili di fabbisogno energetico orario per le diverse tipologie di edifici. Osserviamo che il metodo semplicemente orario determina fabbisogni energetici per il riscaldamento simili all'approccio completamente dinamico applicato dal modello IESVE. Sulla base del confronto, dimostriamo che gli strumenti più semplificati tendono a sovrastimare il fabbisogno energetico per il raffrescamento, soprattutto per gli edifici commerciali. Inoltre, il fabbisogno di riscaldamento ha i suoi valori più alti negli ospedali e nell'ambito educativo, mentre il fabbisogno di raffreddamento ha i valori più alti per gli edifici commerciali. Nella sezione successiva di questa tesi, dopo aver analizzato i fabbisogni energetici, abbiamo analizzato gli scenari ottimali che dovremmo considerare per i Sistemi Energetici Italiani nel settore del riscaldamento e raffrescamento nell'anno 2030. Abbiamo utilizzato un toolbox denominato OEMOF in cui l'ottimizzazione dei sistemi energetici può essere effettuata con una precisione specifica. Gli scenari sono in linea con la visione di decarbonizzazione del settore energetico; gli sforzi sono stati fatti per assicurare che l'integrazione delle fonti energetiche rinnovabili raggiunga gli obiettivi indicati nei relativi codici come le strategie energetiche nazionali (SEN). I risultati mostreranno le dimensioni e la percentuale di ciascuna tecnologia e delle fonti di materie prime nella produzione di energia e la capacità installata. Abbiamo anche analizzato la riduzione delle emissioni di CO2 che si sta verificando nello scenario ottimale in cui per la prevista penetrazione delle risorse energetiche rinnovabili negli impianti potrebbe raggiungere quasi il -40% rispetto all'ammontare dell'anno in corso.