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

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.