Direct Use of Low Temperature Heat in District Heating Networks with Booster Heat Pumps

Buildings are responsible for over one third of the energy demand in Europe. Thus, reducing their energy consumption, increasing energy efficiency and integrating low carbon energy sources have become primary goals in the transition towards a sustainable society. District heating and cooling (DHC) systems play a key role to achieve these targets, as they allow any available source of heat to be exploited, including waste heat and renewable heat sources such as geothermal or solar heat. Nowadays, state-of-the-art DH networks have sup-ply temperatures of 70°C in winter and 55°C in summer. Due to their top-down structure, today’s networks are not well-suited for decentralized heat supply. The present thesis explores the potential of a new generation of DHC systems, that distribute heat at lower temperature (from 15°C to 45°C) and use booster heat pumps in the customers substations to raise the temperature level according to the needs of the building served. This concept brings several advantages over conventional networks, such as the abatement of thermal losses, the extension of the temperature range of recoverable heat sources and the potential decentralization of heat supply. In a preliminary analysis, the implementation of the system was investigated for a small town in the North-East of Italy with a large amount of available wastewater in a tem-perature range between 45 and 55°C. In this case-study, the DH system with booster heat pumps reduced the primary energy consumption of about 70% compared to a heat supply sce-nario based on individual gas boilers and of 30% compared to a traditional DH system with a central heat pump and an auxiliary gas boiler. Such improvement occurs also because the dis-tributed heat pumps can be adapted to the supplied buildings: this is particularly relevant con-sidering the heterogeneneity of the building stock in the urban environment. The optimal de-sign and management of this kind of networks is a new topic in the scientific literature. There-fore, the first part of the work tries to answer the following general question: “What are the most critical aspects in the system design?” The thesis analyses the effect of some critical design parameters on the cost of heat for the final user, using the payback time for the DH utility as a fixed constraint. It emerges that a higher supply temperature leads to two positive effects: the heat sales increase and the ex-penditure for electrical energy is reduced. The levelized cost of energy of the system drops by 17% when the network supply temperature goes from 40°C to 20°C, provided that the heat can be recovered at the same price. Moreover, the network temperature difference plays an important role in the design phase. Depending on the business model adopted by the DH utili-ty to purchase the heat and on the specific energy consumption of the considered building stock, an optimal temperature difference may arise from the trade-off between low initial in-vestment and low operational costs. The decentralized structure of these networks also intro-duces new challenges in the control strategies. Indeed, if the utility purchases and/or produces the electricity needed by the heat pumps, the control strategy should possibly take into ac-count the price and/or the production cost of electricity. Secondly, the control system of the network manager must be able to react on increasing shares of decentralized heat supply from the prosumers. These issues can be summarized by the following research question: “How can the network manager control its heat supply units in a smart way?” This part of the thesis was developed within the H2020 Project FLEXYNETS. In order to minimize the operational cost for the network manager, an intelligent control method based on MILP optimization was developed and tested via computer simulations. The proposed control system proved capable of self-adapting to the current situation of heat demand, waste heat availability and electricity price, such as to increase the share of electricity self-consumption and the share of low-grade heat recovered from the remote prosumers. During two simulated winter months, the advanced control strategy was able to reduce operational costs by 11% compared to a conventional rule-based control. The receding horizon scheme makes the sys-tem potentially feasible for real-time applications. The novelty of this work consists not only in the aforementioned findings per se, but also in the methodological framework that led to those results. In fact, the developed models allowed to integrate the whole energy system (buildings, substations, district heating network and heat supply stations) into a unique simulation environment.

Gli edifici sono responsabili di oltre un terzo della domanda di energia in Europa. Ridurre il consumo di energia, aumentare l’efficienza energetica ed integrare fonti di energia a basso impatto ambientale sono diventati obiettivi fondamentali nella transizione verso un futuro sostenibile. Le reti di teleriscaldamento e teleraffrescamento hanno un ruolo fondamen-tale nel raggiungimento di questi obiettivi, in quanto permettono di recuperare ed utilizzare il calore da qualsiasi fonte sia disponibile a livello locale: dal calore di scarto al calore di fonti rinnovabili come il geotermico e il solare. Oggi le reti di teleriscaldamento più efficienti hanno temperature di mandata pari a circa 70°C in inverno e 55°C d’estate. A causa della loro struttura centralizzata, le reti di oggi non sono predisposte per la generazione distribuita del calore. Questa tesi analizza il potenziale di una nuova generazione di reti, che distribuiscono il calore ad una temperatura più bassa (in generale tra 15°C e 45°C) e usano pompe di calore di rilancio nelle sottostazioni d’utenza per fornire calore alla temperatura desiderata da ogni sin-golo edificio. Questa nuova filosofia progettuale porta diversi benefici rispetto alle reti tradi-zionali, come l’abbattimento delle perdite di calore, la possibilità di integrare fonti a più bassa temperatura e la decentralizzazione del sistema. In una analisi preliminare, l’implementazione del sistema proposto è stata studiata per una cittadina italiana in cui è presente un’ingente quantità di acqua di risulta tra i 45°C e i 55°C. In questo caso studio, la rete di teleriscalda-mento con le pompe di calore distribuite riduce il consumo di energia primaria e le emissioni di anidride carbonica di circa il 70% rispetto allo sceanrio costituito da caldaie autonome e del 30% rispetto ad una rete tradizionale con pompa di calore centralizzata e caldaia a gas di inte-grazione. Questo miglioramento si verifica anche perché ogni pompa di calore viene adattata all’edificio, il che assume notevole importanza in virtù dell’eterogeneità del parco edilizio normalmente presente nel contesto urbano. La progettazione e la gestione di questo tipo di reti è un argomento nuovo nella letteratura scientifica. La prima parte della Tesi cerca perciò di rispondere ad una domanda di carattere generale: “Quali sono gli aspetti più importanti nella progettazione del sistema?” La tesi analizza gli effetti di alcuni parametri di progetto sul costo dell’energia all’utente fina-le, mantenendo fisso il tempo di rientro dell’utility. Ne è emerso che una elevata temperatura di mandata porta a due benefici: (a) aumentano le vendite di calore da parte dell’utility e (b) si riduce il consumo di energia elettrica delle pompe di calore. Come conseguenza, passando da 40°C a 20°C ato dell’energia si abbassa del 17% a parità di costo del calore che alimenta la rete. In più, anche la differenza di temperatura tra mandata e ritorno ha un ruolo importante nella fase di progetto della rete. Il compromesso che nasce per contenere da un lato l’investimento iniziale e dall’altro i costi operativi può portare ad una differenza di temperatu-ra ottimale tra mandata e ritorno. La struttura decentralizzata di queste reti inoltre fa nascere la necessità di studiare nuove strategie di controllo. Infatti, se l’utility compra e/o produce l’energia elettrica di cui le pompe di calore necessitano, la strategia di controllo deve tenere in considerazione anche il prezzo e/o il costo di produzione dell’energia elettrica. Inoltre, il si-stema di controllo del gestore della rete deve essere in grado di far fronte a quantità ingenti di calore fornito dai prosumers. Questi problemi possono essere riassunti nel seguente quesito: “In che modo il gestore di rete può controllare i suoi impianti?” Questa parte della tesi è stata sviluppata nell’ambito del progetto H2020 FLEXYNETS. Al fine di minimizzare il costo operativo per il gestore di rete è stato sviluppato e successivamente testato attraverso simulazioni un metodo di controllo intelligente basato su ottimizzazione MILP. Col metodo proposto il sistema è stato in grado di adattarsi alla situazione di domanda di calore, disponibilità di energia da parte dei prosumers e prezzo dell’elettricità in modo tale da aumentare la quota di autoconsumo e aumentare la quota di energia recuperata dai prosu-mers. Durante i due mesi di simulazione, la strategia di controllo è stata in grado di ridurre i costi operativi dell’11% rispetto ad un sistema di controllo convenzionale. Lo schema “rece-ding horizon” rende il metodo potenzialmente fruibile in applicazioni real-time. Il contributo della tesi non è solamente relativo ai risultati in quanto tali, ma anche alla metodologia utiliz-zata per raggiungerli. Infatti i modelli sviluppati hanno permesso di studiare il sistema energe-tico nel suo insieme.