Increasing the efficiency of district heating systems through analysis, development and integration of innovative low temperature heat recovery methods

The thesis describes the design, development, testing and performance assessment of a prototype substation for 5th generation district heating and cooling networks. 5th generation substation is more complex than a substation in a conventional district heating network, mainly because water at low temperature flow through the network. For this reason, the “district heating zero” (TLR0) project was carried out. Aim of TLR0 project is to build a prototype substation for 5th generation district heating networks, installed in a pilot network and capable of covering the heating and cooling demand of a real building. One of the characteristics of 5th generation district heating networks is that they can be used to cover both the heating and cooling demand of connected buildings, even at the same time, bringing the end consumer to be both consumer and heat producer. The TLR0 project was carried out in cooperation between A2A Calore e Servizi and the University of Brescia. The thesis extensively describes the project with a presentation of the case study selected for the installation of the prototype. It also details the choices made during the design of the prototype in order to obtain a compact substation, easily replicable and characterised by a simple switching from heating to cooling configuration. Together with the thermo-mechanic and process design, the design of the automation system was carried out, to define the operation logic of the substation and to set up the data acquisition system. The prototype was equipped with measuring instruments and test have been conducted both in heating configuration, in winter 2023-2024, and in cooling configuration, in summer 2024, so that the performance and energy consumption of the substation could be analysed. Two types of tests have been performed: tests under design conditions and tests to evaluate substation performance during off-design conditions. From the data, the distribution of energy consumption between the substation components: heat pump, bi-directional pumping system and auxiliaries was reconstructed. For the heat pump, in addition to the energy consumption, COP and EER values were defined for chiller operation under the different operating conditions tested, while for the bi-directional pumping system, the processed flow rates, one of the most critical points in 5th generation district heating networks, were analysed. The data obtained can be used as input data in techno-economic models for feasibility studies of new 5th generation district heating networks, and the prototype can also be used as a model to be replicated in new substations. Data and analysis are also useful for a comparison with conventional district heating networks in order to fully understand the differences between the two types of networks. In fact, the 5th generation should not be considered as a replacement for conventional district heating networks; it can be used in particular contexts where low-temperature heat is available, housing densities are not too high, renewable electricity is available and heating and cooling demand, even at the same time, is high, in order to decarbonise heating and cooling consumption. Finally, the appendix contains the description of two more projects on thermal storage for district heating networks, which are essential in modern district heating networks to integrate renewable energy sources and waste heat.

La tesi descrive la progettazione, realizzazione, la raccolta e l’analisi dei dati di funzionamento di un prototipo di sottostazione per reti di teleriscaldamento e teleraffrescamento di 5° generazione. Una sottostazione di 5° generazione è molto più complessa rispetto ad una sottostazione di una rete di teleriscaldamento tradizionale principalmente perché il calore è trasportato dalla rete a basse temperature. Per questa ragione è stato sviluppato il progetto teleriscaldamento zero (TLR0) in collaborazione tra A2A Calore e Servizi e l’Università degli Studi di Brescia. Obiettivo del progetto TLR0 è la realizzazione e l’analisi delle prestazioni di una sottostazione prototipo per reti di teleriscaldamento di 5° generazione, servita da una rete pilota ed in grado di coprire il fabbisogno di riscaldamento e raffrescamento di un edificio reale. Una delle caratteristiche delle reti di teleriscaldamento di 5° generazione, infatti, risiede nella possibilità di poter essere impiegate per coprire, anche contemporaneamente, sia la domanda di riscaldamento che quella di raffrescamento degli edifici connessi ad essa, portando il consumatore finale ad essere sia consumatore che produttore termico. Nella tesi è ampiamente descritto il progetto con una presentazione del caso studio selezionato per l'installazione del prototipo, inoltre, vengono illustrate nel dettaglio le scelte progettuali fatte al fine di ottenere una sottostazione compatta, facilmente replicabile e caratterizzata dalla semplicità di passaggio dalla configurazione di riscaldamento a quella di raffrescamento. Insieme alla progettazione termo-meccanica e di processo, è stata realizzata la progettazione del sistema di automazione, per definire le logiche di funzionamento della sottostazione e definire il sistema di acquisizione dati per la raccolta dei segnali provenienti dagli strumenti di misura installati in campo. Una volta installato il sistema di acquisizione dati sono stati condotti test sia in configurazione di riscaldamento, nell’inverno 2023-2024, che di raffrescamento, nell’estate 2024, in modo da poter analizzare le prestazioni ed i consumi energetici della sottostazione. Sono stati eseguiti due tipi di test: test in condizioni di progetto e test per valutare le prestazioni della sottostazione su più ampi intervalli di funzionamento. Tramite questi test sono state analizzate le prestazioni della sottostazione prototipo, utilizzando i dati raccolti durante la stagione termica invernale e di raffrescamento estiva. Dai dati è stata ricostruita la ripartizione dei consumi energetici tra i componenti della sottostazione: pompa di calore, sistema di pompaggio bidirezionale ed ausiliari. Per la pompa di calore, oltre al consumo energetico, sono stati definiti i valori di COP ed EER, per il funzionamento da chiller, nelle diverse condizioni di lavoro provate, mentre per il sistema di pompaggio bidirezionale sono stati analizzati i valori delle portate elaborate, uno dei punti più critici nelle reti di teleriscaldamento di 5° generazione. I dati ottenuti possono essere impiegati come dati di input in modelli tecno-economici per studi di fattibilità di nuove reti di teleriscaldamento di 5° generazione. I dati e l'analisi risultano utili anche per un confronto con reti di teleriscaldamento convenzionali, per comprendere appieno le differenze tra le due tipologie di reti. Infatti, la 5° generazione non deve essere intesa in sostituzione delle reti di teleriscaldamento tradizionali, ma trova applicazione in particolari contesti in cui si ha a disposizione calore a bassa temperatura, densità abitative non troppo elevate, disponibilità di energia elettrica rinnovabile ed una domanda di riscaldamento e raffrescamento, anche contemporanee. Infine, nell’appendice vengono riportati altri due progetti inerenti accumuli termici per reti di teleriscaldamento.