Solar energy in low temperature district heating : monitoring and simulation of an innovative district in Milan

The purpose of this thesis-work is the analysis of a district heating network in the new district of Merezzate, a newly built district of the city of Milan, which feeds into several multi-dwelling units composed by high-energy class buildings. The system is innovative of its kind as the apartments do not have heat exchangers for space heating nor storage for the production of domestic hot water, thanks to the innovative flat stations of the apartments which directly receive mains water at 65 °C. The main purpose of this thesis work is the creation of an energy model in a dynamic regime capable of simulating the entire district of Merezzate in order to evaluate the integration of solar energy distributed among buildings and network. The model takes into account all the significant quantities from supply and return temperatures, to mass flow rates and energies, reflecting them in all the network components and simulating their trend over time, depending on external conditions. The configuration of the network model is then validated using the real monitoring data provided by the system operator, A2A Calore & Servizi. The validated results deviate from the real data with an average error about 2%. Finally, an innovative solar thermal integration is evaluated. The new model is integrated with a decentralised solar thermal system which uses the district heating network as storage tank for the multi-dwelling units. The solar district heating system is studied with today's configuration at high temperatures (network supply temperature 100 °C) and subsequently with the future implementation of 4th generation district heating at low temperatures (supply temperature equal to 65 °C). The obtained results are evaluated from an energetic, environmental and economic point of view. The results proof that the decentralised solar system can save the 8 % of primary energy in high temperature configuration and 12 % with the future low temperature configuration.

L’obbiettivo di questo lavoro è l'analisi di una rete teleriscaldamento nel nuovo distretto di Merezzate, un quartiere di nuova costruzione della città di Milano, che alimenta diverse unità di condominio, composte da edifici di elevata classe energetica. L’impianto è innovativo nel suo genere in quanto gli appartamenti non possiedono scambiatori di calore per il riscaldamento né accumuli per la produzione di acqua calda sanitaria, grazie alle innovative stazioni satellite degli appartamenti che ricevono direttamente l'acqua di rete a 65 °C. Lo scopo principale di questo lavoro di tesi è la creazione di un modello energetico in regime dinamico in grado di simulare l’intero distretto di Merezzate al fine di valutare l’integrazione di energia solare distribuita sugli edifici e sulla rete. Il modello permette di analizzare tutte le grandezze significative di rete quali temperature di mandata e ritorno, portate ed energie utilizzate, in tutti i componenti della rete, simulandone l'andamento nel tempo, a seconda delle condizioni esterne imposte. La configurazione del modello del sistema di rete viene quindi validata utilizzando i dati reali di monitoraggio forniti dal gestore della rete, A2A Calore & Servizi. I risultati validati discostano dai dati reali con un errore medio del 2 %. Infine, viene valutata una soluzione innovativa di integrazione di energia solare termica. Il nuovo modello è integrato con un impianto solare termico decentralizzato che usa la rete di teleriscaldamento come accumulo per le unità di condominio. Il sistema di teleriscaldamento solare viene studiato con la configurazione odierna ad alte temperature (temperatura di mandata rete 100 °C) e successivamente con la futura implementazione a teleriscaldamento di IV generazione a basse temperature (temperatura di mandata pari a 65 °C). I risultati ottenuti sono poi valutati da un punto di vista energetico, ambientale ed economico. I risultati mostrano che il sistema solare decentralizzato permette un risparmio dell’8 % di energia primaria annuale con la configurazione ad alte temperature e del 12 % con la futura configurazione a basse temperature.