Thermodynamic modelling and component sizing of wastewater source heat pump for district line including on - off design analysis and CO2 reduction assessment

The decarbonisation of urban heating systems represents one of the most critical chal lenges of the energy transition, particularly in dense metropolitan areas where concen trated thermal demand coincides with an extensive and continuously available wastewater network. In this context, the exploitation of urban wastewater as a low grade thermal resource offers a structurally integrated solution to enhance the performance and the decarbonisation of district heating networks. The objective of this thesis is to develop a thermodynamic model of a wastewater source heat pump supplying a district heating network, including on design sizing and off design operation, and to employ this framework to identify the district heating load configuration that maximises CO2 emission reductions compared to a natural gas based heating scenario. First, a detailed thermodynamic model of a double vapour compression heat pump cycle is formulated, including full characterisation of all state points and component level sizing of compressors and heat exchangers. This stage defines the reference operating conditions and geometric parameters of the system. Second, an off design model is developed to describe adaptive cycle operation under variable wastewater temperature, mass flow rate, and district heating demand. Finally, the off design model is embedded within an annual simulation framework based on hourly time series datasets to reproduce realistic source and sink dynamics. The system operates as a hybrid configuration in which the wastewater source heat pump is operated up to its technical limits, while the remaining demand is covered by an auxiliary electric boiler. For fixed wastewater availability conditions, the model is used to determine the district heating load sizing that maximises CO2 emission reductions relative to a con ventional natural gas based scenario. The resulting framework constitutes a quantitative decision support tool for the optimal integration of wastewater-source heat pumps into urban district heating networks.

La decarbonizzazione dei sistemi di riscaldamento urbano rappresenta una delle princi pali sfide della transizione energetica, soprattutto nelle aree metropolitane dense, dove una domanda termica concentrata coincide con una rete fognaria estesa e continuamente disponibile. In questo contesto, lo sfruttamento delle acque reflue urbane come risorsa ter mica a bassa temperatura, costituisce una soluzione integrata per migliorare le prestazioni e favorire la decarbonizzazione delle reti di teleriscaldamento. L’obiettivo della tesi è sviluppare un modello termodinamico di una pompa di calore al imentata da acque reflue a servizio di una rete di teleriscaldamento, facendone l’analisi in condizioni di progetto (on design), la quale include anche il dimensionamento dei com ponenti e l’analisi fuori progetto (off design), al fine di individuare la configurazione di carico lato teleriscaldamento che massimizza la riduzione delle emissioni di CO2 rispetto a uno scenario basato su gas naturale. Viene quindi formulato il modello di un ciclo a doppia compressione di vapore, che carat terizza tutti i punti del ciclo e dimensiona i principali componenti, quali compressori e scambiatori di calore, al fine di definire le condizioni operative di riferimento. Successiva mente, il modello di off-design descrive il funzionamento adattivo del ciclo al variare della temperatura, della portata dei reflui e della domanda termica della rete. Il modello di off-design è integrato in una simulazione annuale con risoluzione oraria per riprodurre dinamiche realistiche della sorgente e del pozzo termico. Il sistema opera in configurazione ibrida: la pompa di calore è esercita fino ai propri limiti tecnici, mentre il carico residuo è coperto da una caldaia elettrica ausiliaria. A parità di disponibilità dei reflui, il modello consente di determinare il dimensionamento lato teleriscaldamento che massimizza la riduzione delle emissioni di CO2 rispetto a uno scenario convenzionale a gas naturale. Il framework sviluppato costituisce uno strumento quantitativo di supporto decisionale per l’integrazione ottimale di pompe di calore alimentate da acque reflue nelle reti urbane di teleriscaldamento.