Modelling, control and simulation of a 5th generation heating and cooling network for a net-zero emission District in Milan

Achieving the EU climate targets for 2030 and 2050 requires a complete transformation of the energy system. One of the main challenges is the decarbonization of the heating and cooling sector, which accounts for approximately 50% of the final energy demand in the EU and is mainly relying on fossil fuels. In this context, modern low temperature District Heating and Cooling (DHC) networks are expected to play a key role, by enabling high levels of RESs integration, sector coupling and enhancing energy efficiency. Specifically, 5GDHC systems emerge as a particularly attractive technology thanks to their potential of recovering urban excess heat and cold. However, due to bidirectionality features and consequent decentralized pumping system, controlling 5GDHC networks can pose a significant challenge, especially from the hydraulic perspective. This research aims to investigate new control strategies to address potential hydraulic issues in 5GDHC networks. To this end, three different solutions based on PID control have been investigated. A numerical model was built in MATLAB® to simulate and test these control mechanisms. The model utilizes the Todini-Pilati algorithm to compute the hydraulic calculations, while the thermal problem is spatially discretized with a lumped capacity approach and solved using the implicit Euler method. As a simulation case study, a net-zero emission district in Milan composed of 14 buildings has been considered.

Raggiungere gli obiettivi climatici dell'UE per il 2030 e il 2050 richiede una completa trasformazione del sistema energetico. Una delle sfide principali è la decarbonizzazione del settore del riscaldamento e del raffreddamento, che rappresenta circa il 50% della domanda finale di energia nell'UE ed è tuttora basato principalmente sui combustibili fossili. In questo contesto, si prevede che le moderne reti di teleriscaldamento e teleraffreddamento a bassa temperatura possano svolgere un ruolo chiave, consentendo un elevato livello di integrazione delle fonti rinnovabili, sector coupling ed efficienza energetica. In particolare, i sistemi 5GDHC rappresentano una tecnologia molto attraente grazie alla loro possibilità di recuperare calore e freddo di scarto a livello urbano. Tuttavia, a causa delle caratteristiche di bidirezionalità e del conseguente sistema di pompaggio decentralizzato, il controllo delle reti 5GDHC può rappresentare una sfida significativa, specialmente dal punto di vista idraulico. La presente ricerca mira quindi a investigare possibili strategie di controllo per affrontare i problemi idraulici delle reti 5GDHC. A tal fine, sono state esaminate tre diverse soluzioni basate sul controllo PID. Per simulare e testare questi meccanismi di controllo è stato creato un modello numerico in MATLAB®. Il modello utilizza l'algoritmo Todini-Pilati per risolvere il problema idraulico, mentre il problema termico è discretizzato nello spazio con un approccio a parametri concentrati e risolto utilizzando il metodo di Eulero implicito. Come caso di studio, si è considerato un distretto a emissioni zero a Milano composto da 14 edifici.