Numerical model for new generation district heating systems with distributed renewable heat sources

The aim of this PhD thesis is to build a fast and accurate district heating simulation tool to support the implementation of successful integrations of renewable energy sources along district heating networks. New generation district heating systems are going to face new challenges related to new heat sources and new customers: the increase of renewable energies integrations, especially in a distributed form, and the connection of energy performing buildings will lead to a different operational behaviour. Overall district heating network will be characterized by a great variety of low temperature highly variables energy profiles in the network. Therefore, traditional modelling tools are no more suitable to analyse these systems: these reasons lead to the need of building new tools. A specific thermo-hydraulic simulation model has been built to simulate the entire network and its components. The model combines accuracy and rapidity. Concerning the problem of heat transmission in pipes, the modelling approach is an updated version of the node method and it includes the turbulent flow characteristics. The model accuracy is investigated by applying it to a real DH network, located in the municipality of Lodi (Italy). The model of the entire network is validated with one-year monitoring data. The same network has been used also as a case study to showcase how to use the developed model in real projects: the case study analyses the feasibility of distributed solar thermal plants along the network. A methodology to choose the best location for solar thermal plants and to assess their environmental and economic benefits has been elaborated and applied to the case study network. The thermo-hydraulic model has been finally used to verify the performances of the distributed solar thermal plants and their impact on the network. The model results’ comparison with monitoring data revealed a very good correspondence making it usable for the foreseen purpose. The application of both the planning methodology and of the simulation model have shown that distributed renewable energies integration can have important benefits on the existing network from both environmental and economic points of view. The analysis of the case study with the thermohydraulic model allows the identification of detailed control strategy improvements and optimisation opportunities.

Lo scopo di questa ricerca è quello di costruire uno strumento di simulazione di reti di teleriscaldamento veloce e accurato al fine di supportare l'implementazione di integrazioni di fonti di energia rinnovabile nelle reti. I sistemi di teleriscaldamento di nuova generazione affronteranno sfide via via crescenti legate all’integrazione di nuove fonti di calore e nuove tipologie di clienti: l'aumento delle integrazioni di energie rinnovabili, soprattutto in forma distribuita, e la connessione di edifici ad alto rendimento energetico porterà a diverso logiche operative. L'intera rete di teleriscaldamento sarà caratterizzata da una grande varietà di profili energetici a bassa temperatura altamente variabili lungo la rete. Pertanto, gli strumenti di modellazione tradizionali non saranno più adatti ad analizzare questi sistemi: da qui, la necessità di costruire nuovi modelli. Per simulare l'intera rete e i suoi componenti è stato realizzato uno specifico modello termoidraulico di simulazione. Il modello combina precisione e rapidità. Per quanto riguarda il problema della trasmissione del calore nelle tubazioni, l'approccio modellistico è una versione aggiornata del cosiddetto metodo dei nodi e include le caratteristiche del flusso turbolento. L'accuratezza del modello viene investigata applicandolo ad una rete di teleriscaldamento reale, situata nel comune di Lodi (Italia). Il modello dell'intera rete è validato tramite dati di monitoraggio annuale. La stessa rete è stata utilizzata anche come c per mostrare come utilizzare il modello sviluppato in progetti reali: il caso analizza la fattibilità di impianti solari termici distribuiti lungo la rete. È stata poi elaborata e applicata alla rete analizzata una metodologia per scegliere la migliore localizzazione degli impianti solari termici e per valutarne i benefici ambientali ed economici. Il modello termoidraulico è stato infine utilizzato per verificare le prestazioni degli impianti solari termici distribuiti e il loro impatto sulla rete. Il confronto dei risultati del modello con i dati di monitoraggio ha rivelato un'ottima corrispondenza che lo rende utilizzabile per lo scopo previsto. L'applicazione sia della metodologia di pianificazione che del modello di simulazione hanno dimostrato che l'integrazione delle energie rinnovabili distribuite può avere importanti benefici sulla rete esistente sia dal punto di vista ambientale che economico. L'analisi del caso studio con il modello termoidraulico permette di identificare nel dettaglio le strategie di controllo, i miglioramenti e le opportunità di ottimizzazione.