Gestione ottimale delle reti di teleriscaldamento utilizzando diverse fonti di flessibilità

District heating networks (DHNs) are a key infrastructure to decarbonize the heating sector, allowing cogeneration plants, renewable plants, and waste heat integration. However, there are some problems related to these integrations. Regarding the cogeneration plants, electricity production can be cost-effective at different times than the thermal energy demand, while about the renewable plants and the waste heat, there may be a mismatch between the heating demand and the heat provided by these sources. A solution can be the sources of energy flexibility in DHNs system, which can increase the efficiency of DHNs from both economic and environmental standpoints. Usually, district heating operators use centralized storage tanks to decouple the supply from the demand of the substations, but space constraints can undermine this possibility. As a result, it can be useful to exploit the sources of flexibility that are inherently part of the system and don't need to be added. In a first step, the research aimed to assess the flexibility potential provided by the thermal inertia of the heat carrier fluid in the network pipelines and the building structures. The case study under consideration was the district heating network of Verona Centro Città (Italy), which supplies residential, tertiary and industrial customers, operating at constant supply temperature and variable flow rate. Computer simulations were carried out to calculate the network's thermal response to circulating mass flow rate variations. The latter were designed to cause an early or late shift in the daily peak thermal load. The simulations were conducted using a detailed district heating network model, Nemo, based on a finite difference method. They showed that the pre-charge process achieves significant peak shaving and load shifting results. To produce the desired change in the mass flow rate, the district heating operator would need to install one or more bypass pipes. The effects of the different flow distributions on the network's dynamic behaviour, obtained with different numbers of bypasses, were investigated. About the thermal inertia of the building structure, two representative buildings (an apartment building and a school) connected to the Verona district heating network were analyzed. Considering the related detailed Energy Plus models, modifying the setpoint and anticipating the switch on of the heating system, the heat demand pattern modification and its impact on the thermal comfort were evaluated. Furthermore, the influence of the building envelope type, the user behaviour and the weather conditions were analyzed. Energy flexibility was assessed using mainly two indicators: the available thermal storage capacity and the Active Demand Response event efficiency. As a second step, the objective of the research work was to exploit these sources of flexibility with two different types of control. These are the supply station control (SSC), which considers centralized thermal storage and the thermal inertia of the water in the network pipelines, and the demand side control (DSC), which exploits the building thermal inertia. The SSC is based on a MILP optimization problem to schedule the heat supply units of the district heating network of Verona based on heat demand, waste heat availability and electricity price forecasts. Coupling the optimization problem to the model NeMo, allowed to repeat the scheduling with a rolling horizon scheme. About the demand side control, the concept was to consider the substations as virtual storage tanks. From the ADR simulation results obtained in the first step, it was possible to define the virtual storage tanks' volume and heat transfer coefficient. Then, considering the thermal energy price and the external temperature forecasts, the optimization was performed at the district level, determining the optimized energy demand and the average indoor temperature of some substations connected to Verona DHN.

Le reti di teleriscaldamento sono un'infrastruttura chiave per decarbonizzare il settore del riscaldamento urbano, permettendo l'integrazione di impianti cogenerativi, impianti rinnovabili e calore di scarto. Tuttavia, ci sono alcuni problemi. Per gli impianti cogenerativi, la produzione di elettricità può essere conveniente in momenti diversi rispetto alla domanda di energia termica, mentre per gli impianti rinnovabili e il calore di scarto, ci può essere uno scostamento tra la domanda di riscaldamento e il calore fornito da queste fonti. Una soluzione è rappresentata dalle fonti di flessibilità energetica nel sistema rete di teleriscaldamento, che possono aumentare l'efficienza dal punto di vista economico e ambientale. I gestori di rete usano serbatoi di accumulo centralizzati per disaccoppiare l'offerta dalla domanda delle sottostazioni, ma i vincoli di spazio possono minare questa possibilità. Quindi può essere utile sfruttare le fonti di flessibilità che sono intrinsecamente parte del sistema. In una prima fase, la ricerca ha avuto lo scopo di valutare il potenziale di flessibilità fornito dalla capacità termica del fluido termovettore nelle tubazioni della rete e nelle strutture degli edifici connessi. Il caso studio preso in considerazione è stata la rete di teleriscaldamento di Verona Centro Città, che fornisce calore ad utenze residenziali, terziarie e industriali, operando a temperatura costante e portata variabile. Sono state effettuate simulazioni al computer per calcolare la risposta termica della rete alle variazioni della portata circolante, per causare un spostamento del carico termico in anticipato o ritardato rispetto al picco giornaliero. Le simulazioni sono state eseguite utilizzando un modello dettagliato della rete di teleriscaldamento, Nemo. Tali simulazioni hanno mostrato che il processo di precarica raggiunge risultati significativi nella riduzione dei picchi e nello spostamento del carico. Per produrre la variazione desiderata della portata, il gestore di rete dovrebbe installare uno o più tubi di bypass. Sono stati studiati gli effetti delle diverse distribuzioni e del diverso numero di bypass sul comportamento dinamico della rete. Per quanto riguarda invece la capacità termica dell’involucro degli edifici, sono stati analizzati due edifici rappresentativi (un condominio e una scuola) collegati alla rete di Verona. Considerando i relativi modelli dettagliati, modificando il setpoint e anticipando l'accensione dell'impianto di riscaldamento, è stata valutata la variazione della domanda di calore e il suo impatto sul comfort termico con simulazioni di Active Demand Response (ADR). In una seconda fase, l'obiettivo del lavoro di ricerca è stato quello di sfruttare queste fonti di flessibilità con due diversi tipi di controllo. Questi sono il controllo della centrale termica (SSC), che considera l’accumulo termico di serbatoi centralizzati e la capacità termica dell'acqua nelle tubazioni della rete, e il controllo delle sottostazioni (DSC), che sfrutta la capacità termica dell'edificio. L'SSC si basa su un problema di ottimizzazione MILP per programmare lo scheduling degli impianti di generazione del calore in base alla domanda di calore delle sottostazioni, alla disponibilità di calore di scarto e alle previsioni del prezzo dell'elettricità. L'accoppiamento del problema di ottimizzazione al modello NeMo, ha permesso di eseguire simulazioni settimanali della rete di teleriscaldamento. Per quanto riguarda il controllo delle sottostazioni, il concetto è stato quello di considerarle come serbatoi virtuali di accumulo termico. Dai risultati delle simulazioni ADR ottenuti nella prima fase, è stato possibile definire il volume dei serbatoi di accumulo virtuali e il loro coefficiente di scambio termico. Poi, considerando il prezzo dell'energia termica e le previsioni di temperatura esterna, l'ottimizzazione è stata eseguita a livello di distretto.