Evaluating techno economic scenarios for low temperature district heating and cooling networks and conventional solutions

Neutral temperature district heating and cooling (NT-DHC) is a relatively new concept in the district heating (DH) sector. A missing aspect in current literature is the ability to model the performance of NT-DHC systems and draw master plans (even for traditional DH systems). Experimental data are scarce, preventing the development of validated models. The energy modeling for systems of this kind is also more complex than for conventional systems due to the multiple energy sources and the higher complexity of decentralized heat pumps (HPs) compared to heat exchanger substations. A tool is developed for the analysis of techno-economic scenarios in DHC systems. In Ospitaletto, Italy, the monitoring data from a NT-DHC network is employed to improve the model’s reliability. A knapsack algorithm is used to find transition pathways for the network expansion. The model can be applied to any city if the necessary heat density data is available. However, the approach was applied to the case study mentioned previously for simplicity. It goes beyond the State of the Art in that it models decentralized HPs’ substations, accounts for economic aspects that DH physical models do not possess and incorporates optimization for selecting the best system extension. A sensitivity analysis is also conducted to find out to what extent, under which energy price conditions and subsidies, the NT-DHC concept is competitive over individual heating and cooling (H&C) solutions. The model’s results are in alignment with qualitative expectations. The optimization algorithm determines which combination of potential extensions maximizes the overall economic value. The NT-DHC solution is more convenient for dense urban zones, while air-to-water heat pumps (A/W HPs) are better suited to zones with low-heat density. By selecting waste heat sources at temperatures between 30-40°C, the SCOP of the NT-DHC solution can be enhanced compared to reversible A/W HPs. In the case of Ospitaletto, despite having low building heat density compared to larger cities, it is still possible to identify feasible scenarios. This opens the opportunity to many other cases. This tool has the potential impact in the DHC sector of reducing the energy demand risks, providing more certainty as to which zones a network can expand to be competitive. It is targeted at energy planners, utilities, energy engineers, and DHC specialists since they require decision-making support and recommendations for replicating a new type of DHC system. This tool will enable pre-feasibility studies and preliminary designs to determine the opportunities and limitations of a system of this kind from an economic and technological perspective.

Il teleriscaldamento e teleraffreddamento a temperatura neutra (NT-DHC) è un concetto relativamente nuovo nel settore del teleriscaldamento (DH). Un aspetto mancante nella letteratura attuale è la capacità di modellare le prestazioni dei sistemi NT-DHC e di definire piani generali (anche per i sistemi DH tradizionali). I dati sperimentali sono scarsi e ciò impedisce lo sviluppo di modelli convalidati. La modellazione energetica per sistemi di questo tipo è inoltre più complessa rispetto ai sistemi convenzionali. Questo è dovuto alle molteplici fonti di energia e alla maggiore complessità delle pompe di calore decentralizzate (HP) rispetto alle sottostazioni di scambio termico. È stato sviluppato uno strumento per l'analisi degli scenari tecno-economici dei sistemi DHC. I dati di monitoraggio di una rete NT-DHC di Ospitaletto, in Italia, sono utilizzati per migliorare l'affidabilità del modello. Viene utilizzato un algoritmo knapsack per trovare percorsi di transizione per l'espansione della rete. Il modello può essere applicato a qualsiasi città se sono disponibili i dati necessari sulla densità di calore. Tuttavia, l'approccio è stato applicato al caso di studio citato in precedenza per semplicità. Il modello va oltre lo stato dell'arte in quanto modella le sottostazioni di HP decentralizzate, tiene conto di aspetti economici che i modelli fisici DH non possiedono e prevede l'ottimizzazione per identificare lo sviluppo migliore del sistema. È stata inoltre condotta un'analisi di sensibilità per scoprire in che misura, a quali condizioni di prezzo dell'energia e con quali sussidi, il concetto di NT-DHC è competitivo rispetto alle soluzioni individuali di riscaldamento e raffreddamento (H&C). I risultati del modello sono in linea con quanto qualitativamente atteso. L'algoritmo di ottimizzazione determina quale combinazione di potenziali sviluppi massimizza il valore economico complessivo. La soluzione NT-DHC è più conveniente per le zone urbane dense, mentre le pompe di calore aria-acqua (A/W HP) sono più adatte alle zone a bassa densità termica. Selezionando fonti di calore di scarto a temperature comprese tra 30 e 40°C, lo SCOP della soluzione NT-DHC può essere migliorato rispetto alle pompe di calore aria/acqua reversibili. Nel caso di Ospitaletto, nonostante la bassa densità termica degli edifici rispetto a città più grandi, è ancora possibile identificare scenari fattibili. Questo apre l'opportunità a molti altri casi. Il potenziale di questo strumento nel settore DHC consiste nel ridurre i rischi legati alla domanda di energia, fornendo maggiori certezze su quali zone una rete può espandersi per essere competitiva. Si rivolge a pianificatori energetici, utility, ingegneri energetici e specialisti di DHC, che necessitano di un supporto decisionale e di raccomandazioni per replicare un nuovo tipo di sistema di DHC. Questo strumento consentirà di realizzare studi di prefattibilità e progetti preliminari per determinare le opportunità e i limiti di un sistema di questo tipo da un punto di vista economico e tecnologico.