Optimising energy generation of an ultra-low temperature district heating and cooling network in Milan

Given the significant share of buildings in global energy consumption, this study examines the role of energy districts in enhancing the sustainability of thermal energy demand. A 5th Generation District Heating and Cooling (5GDHC) system is modelled for an energy district in Milan, Italy, comprising eight mixed-use buildings. The focus is optimizing the energy generation system, specifically the substations' and energy centre's configurations and parameters. The system is modelled using the Mixed Integer Linear Programming (MILP) method to optimize both the local substation's operation and the global network, leveraging the Gurobi solver in MATLAB. To isolate the impact of optimization, energy demand and network configuration remain untouched throughout the study. Two systems' configurations are analyzed: Case 1, where substations utilize heat pumps for space heating and chiller heat pumps for space cooling and domestic hot water (DHW), while the energy centre employs a heat pump for heating and a heat exchanger for cooling via groundwater well; and Case 2, where substations integrate space heating and DHW in heat pumps, alongside heat exchangers for space cooling, with the energy centre utilizing a chiller heat pump for both heating and cooling. Both configurations operate within an ultra-low temperature bidirectional network connected to a balancing unit. The optimization aims to minimize electricity consumption, simplify system design, and ensure smooth operation. Results indicate that Case 2 achieves a significantly simpler configuration with nearly half the installed capacity of Case 1 while maintaining a comparable electricity consumption trend, with a slight 7% decrease in the yearly consumption.

Dato il ruolo significativo degli edifici nel consumo energetico globale, questo studio analizza il contributo dei distretti energetici nel migliorare la sostenibilità della domanda di energia termica. A tal fine, viene modellato un sistema di 5th Generation District Heating and Cooling (5GDHC) per un distretto energetico situato a Milano, Italia, composto da otto edifici a destinazione mista. L’attenzione è rivolta all’ottimizzazione del sistema di generazione energetica, con particolare focus sulla configurazione e i parametri delle sottostazioni e del centro energetico. Il sistema è modellato attraverso la Programmazione Lineare Intera Mista (MILP) per ottimizzare sia il funzionamento locale delle sottostazioni sia l’intera rete, sfruttando il solver Gurobi in MATLAB. Per isolare l’effetto dell’ottimizzazione, la domanda energetica e la configurazione della rete rimangono costanti per tutta la durata dello studio. Vengono analizzate due configurazioni di sistema: Caso 1, in cui le sottostazioni utilizzano pompe di calore per il riscaldamento degli ambienti e una pompa di calore a compressione per la climatizzazione estiva e la produzione di acqua calda sanitaria (ACS), mentre il centro energetico impiega una pompa di calore per il riscaldamento e uno scambiatore di calore per il raffrescamento, collegato a una falda acquifera; e Caso 2, in cui le sottostazioni integrano un’unica pompa di calore per il riscaldamento degli ambienti e la produzione di ACS, insieme a uno scambiatore di calore per la climatizzazione estiva, mentre il centro energetico utilizza una pompa di calore a compressione per entrambi i servizi di riscaldamento e raffrescamento. Entrambe le configurazioni operano all’interno di una rete bidirezionale a temperatura ultra-bassa, connessa a un’unità di bilanciamento. Dato il ruolo significativo degli edifici nel consumo energetico globale, questo studio analizza il contributo dei distretti energetici nel migliorare la sostenibilità della domanda di energia termica. A tal fine, viene modellato un sistema di 5th Generation District Heating and Cooling (5GDHC) per un distretto energetico situato a Milano, Italia, composto da otto edifici a destinazione mista. L’attenzione è rivolta all’ottimizzazione del sistema di generazione energetica, con particolare focus sulla configurazione e i parametri delle sottostazioni e del centro energetico. Il sistema è modellato attraverso la Programmazione Lineare Intera Mista (MILP) per ottimizzare sia il funzionamento locale delle sottostazioni sia l’intera rete, sfruttando il solver Gurobi in MATLAB. Per isolare l’effetto dell’ottimizzazione, la domanda energetica e la configurazione della rete rimangono costanti per tutta la durata dello studio. Vengono analizzate due configurazioni di sistema: Caso 1, in cui le sottostazioni utilizzano pompe di calore per il riscaldamento degli ambienti e una pompa di calore a compressione per la climatizzazione estiva e la produzione di acqua calda sanitaria (ACS), mentre il centro energetico impiega una pompa di calore per il riscaldamento e uno scambiatore di calore per il raffrescamento, collegato a una falda acquifera; e Caso 2, in cui le sottostazioni integrano un’unica pompa di calore per il riscaldamento degli ambienti e la produzione di ACS, insieme a uno scambiatore di calore per la climatizzazione estiva, mentre il centro energetico utilizza una pompa di calore a compressione per entrambi i servizi di riscaldamento e raffrescamento. Entrambe le configurazioni operano all’interno di una rete bidirezionale a temperatura ultra-bassa, connessa a un’unità di bilanciamento. L’ottimizzazione è finalizzata a minimizzare il consumo di elettricità, semplificare la progettazione del sistema e garantire un funzionamento stabile. I risultati mostrano che il Caso 2 consente una configurazione significativamente più semplice, con una capacità installata pari a circa la metà di quella del Caso 1, mantenendo un andamento dei consumi elettrici comparabile, con una leggera diminuzione del 7% del consumo annuo.