Topology-oriented automated modelling of district heating networks in Modelica

The scale of District Heating Networks is growing and increasing in complexity due to their role in the decarbonisation of the energy sector, influencing the approaches to be taken in their modelling. In case of large-scale networks, the manual construction of such models is nonetheless cumbersome and error-prone. As such, the necessity for structured and automated methodologies emerges. This thesis proposes a topology-oriented approach for the automated generation of District Heating systems’ models, specifically geared towards dynamic simulation in Modelica. The network structure is abstracted according to a graph viewpoint, which is mirrored in the definition and organisation of models into a dedicated Modelica library, named HeatNetworks. Though the library is not meant to be exhaustive, it provides a consistent basis for the testing of the automated generation framework. Additionally, the District Heating system is treated as twin-pipe network, with a supply and a return line. Components are classified according two distinct axes. The first axis divides their models into Nodes and Branches, resembling the graph representation of the network. The second axis differentiates between single-line and double-line components. These classifications impact the overall library, including the definition of connectors, base classes, and the organisation of models. Furthermore, the automated generation code only engages with two-line models. It will be shown how this choice enhances code reusability and supports future extensions. A secondary contribution enabled by the topology-driven approach is the discussion of different levels of detail, addressing the trade-off between physical accuracy and computational burden. Simplification of the system is achieved by substituting components with their variants of reduced complexity, while preserving the original graph organisation of the network. Finally, the feasibility of the workflow and the scalability potential are demonstrated via simulations.

Le Reti di Teleriscaldamento sono sistemi in crescita per scala e grado di complessità, dato il loro ruolo nella decarbonizzazione del settore energetico; ciò influenza gli approcci alla modellazione. Per reti di larga scala la costruzione manuale di tali modelli è farraginosa e prona a errori. Emerge così la necessità di metodologie strutturate e automatizzate. Questa tesi propone un approccio orientato alla topologia per la generazione automatica di modelli di Sistemi di Teleriscaldamento, rivolti nello specifico alla simulazione dinamica in Modelica. La struttura della rete è astratta secondo una prospettiva a grafo, la quale si riflette nella definizione e nell’organizzazione dei modelli in una libreria Modelica dedicata, chiamata HeatNetworks. Nonostante la libreria non sia pensata per essere esaustiva, fornisce una base consistente per testare la struttura di generazione automatica. In aggiunta, la Rete di Teleriscaldamento è trattata come un sistema a doppia tubazione, con una linea di mandata e una di ritorno. I componenti sono classificati secondo due assi distinti. Il primo asse divide i modelli in Nodi e Rami, richiamando la rappresentazione a grafo della rete. Il secondo asse differenzia i componenti a linea singola da quelli a linea doppia. Queste classificazioni impattano tutta la libreria, tra cui la definizione dei connettori, le classi base e l’organizzazione dei modelli. Il codice di generazione automatica interagisce inoltre solo con i modelli a doppia linea. Si mostrerà come questa scelta migliora la riusabilità del codice e supporta estensioni future. Una contribuzione secondaria, permessa dall’approccio topologico, è la discussione dei diversi livelli di dettaglio, affrontando il compromesso tra accuratezza fisica e costo computazionale. La semplificazione del sistema è ottenuta sostituendo i componenti con le loro varianti di complessità ridotta, preservando l’organizzazione originale del grafo della rete. Infine, la realizzabilità della procedura e il potenziale di scalabilità sono dimostrati tramite simulazioni.