Academic literature on the topic 'Rete teleriscaldamento'

L’esigenza via via più stringente di mitigare il cambiamento climatico e di trovare fonti di energia alternative all’uso dei combustibili fossili ha determinato negli ultimi anni una sempre più ampia diffusione delle cosiddette smart cities. Le reti di teleriscaldamento si inseriscono pienamente in questo quadro come un sistema di trasporto intelligente dell’energia termica, che soddisfa gli obiettivi indicati di riduzione dei consumi energetici e di abbattimento delle emissioni di inquinanti. La sfida richiesta per la diffusione di questa tecnologia riguarda per lo più lo sviluppo dei sistemi di controllo e di analisi degli elementi di cui si compone. Risulta pertanto determinante l’attività di modellazione numerica delle reti mediante l’utilizzo di strumenti caratterizzati da un alto livello di interdisciplinarità. A tal proposito, il presente lavoro di tesi si inserisce in un’attività di ricerca che vede la modellazione di reti di teleriscaldamento mediante l’ausilio di softwares quali “OpenModelica” e “Dymola”, con lo scopo di fornire nuove metodologie di analisi finalizzate allo studio e all’ottimizzazione della gestione delle stesse. Nello specifico, attraverso una serie di step di modellazione, è stato realizzato per la rete denominata “Nuova Sud” a servizio del Campus Universitario di Parma un modello numerico dinamico che consente di effettuare alcune valutazioni energetiche dirette ad ottimizzare la logica di controllo dell’impianto. Grazie alla descrizione dettagliata dei metodi adottati è possibile utilizzare i risultati ottenuti come punto di partenza per ulteriori sviluppi della rete in esame e, allo stesso tempo, riprodurre i medesimi in attività di analisi dinamica di altre reti.

La seguente tesi di laurea ha come obiettivo l'analisi dinamica di una rete di teleriscaldamento reale, sita nel quartiere di Corticella a Bologna. L'implementazione della suddetta rete è stata fatta in un ambiente di modellazione basato sul linguaggio di programmazione Modelica. La tesi è stata svolta con la collaborazione dell'Enea, sono state condotte delle simulazioni dinamiche con l'obiettivo di valutare il comportamento della centrale termica facente parte del sistema di teleriscaldamento.

La presente tesi si prefigge il compito di valutare la trasformazione della rete di teleriscaldamento esistente del Campus di Parma in rete di teleriscaldamento smart. Inizialmente viene spiegato in cosa consiste il teleriscaldamento e la sua diffusione in Italia e nel mondo. In seguito, si introduce il software IHENA 3.0 con cui poter simulare il funzionamento della rete di teleriscaldamento esistente. Sulla base dei risultati ottenuti si scelgono due possibili approcci per rendere le utenze attive: il solare termico e la cogenerazione. Si effettuano quindi le simulazioni con il software IHENA per la reti smart ipotizzate. Per ultimo si analizzano dal punto di vista ambientale ed economico i benefici del passaggio dalla rete di teleriscaldamento esistente alle reti smart introdotte.

Questo elaborato di tesi è finalizzato allo studio di soluzioni progettuali, strategie di controllo e ottimizzazione di una rete di teleriscaldamento in ambito trigenerativo. L’area di studio considerata è il quartiere di Corticella,in cui è presente una centrale termica composta da un motore cogenerativo più caldaie ausiliarie ed è progettata per soddisfare il bisogno di energia termica per il riscaldamento durante il periodo invernale e la produzione di acqua calda sanitaria attraverso una rete di teleriscaldamento. Lo scopo di questo studio è quindi quello di individuare una configurazione per la rete che sia in grado di fornire l’energia termica necessaria per il raffrescamento degli ambienti e la produzione di acqua calda sanitaria nel periodo estivo. E' quindi necessario individuare delle strategie di controllo e ottimizzazione capaci di rendere la rete di teleriscaldamento una rete smart, riducendo i consumi di carburante e quindi l’impatto sull’ambiente. Le attività sono state condotte con i software IHENA ed EGO sviluppati dal Dipartimento di Ingegneria Industriale (DIN) dell’Università di Bologna. Per prima cosa viene descritto lo scenario energetico italiano in modo da comprendere in maniera migliore le potenzialità della co/trigenerazione. Poi viene presentata la rete di teleriscaldamento oggetto di studio. Successivamente sono stati calcolati i fabbisogni di energia frigorifera e termica per ACS richiesta per ognuna delle utenze connesse alla rete di teleriscaldamento. Nell’ultima parte, con l’ausilio dei software, si è proceduto alla simulazione di diverse configurazioni e scenari di produzione per la rete di teleriscaldamento e per la centrale: sono stati inseriti gruppi frigoriferi ad assorbimento e pompe di calore, e sistemi di produzione da fonti rinnovabili e valutato il funzionamento off-grid. Infine vengono analizzati e discussi i risultati dando anche uno sguardo all’aspetto economico e all’impatto ambientale dei sistemi energetici proposti.

Oggetto di questa tesi è lo studio di una rete di teleriscaldamento (TLR) preesistente, la rete di Corticella (Bo) ipotizzando la presenza di sottostazioni di scambio termico attive. Inizialmente sono state presentate le sottostazioni di scambio termico sia tradizionali che attive. Nelle tradizionali ci si è soffermato sul tipo di regolazione che può avvenire. Per quanto riguarda le sottostazioni di scambio termico attive son stati esaminati i 4 layout che permettono uno scambio termico bidirezionale di energia termica. E’ stato presentato il software IHENA (intelligent Heat Energy Network Analysis) creato dal dipartimento di ingegneria industriale, che ha permesso di effettuare le simulazioni sulla rete analizzata. Viene mostrato l’algoritmo di Todini-Pilati generalizzato dall’utilizzo delle equazioni di Darcy-Weisbach su cui si basa il motore di calcolo. Inoltre vengono presentati i vari input che è necessario inserire per ottenere il calcolo della rete. Dopo nozioni di base relative al teleriscaldamento attivo e la presentazione del software utilizzato si è passati alla vera e propria analisi della rete di teleriscaldamento. Sono state effettuate varie simulazioni per vedere l’andamento della rete di Corticella sia considerandola passiva (come nella realtà) che ipotizzandola attiva tramite l’inserimento di sottostazioni di scambio termico ative. Le analisi condotte riguardano i seguenti punti. a) E’ stata presentata la rete di Corticella cosi come è andando a studiare quindi il caso base. b) Sono state svolte delle analisi per vedere come si comportava la rete nel caso in cui venivano variati dei parametri operativi come i carichi termici richiesti dalle utenze. c) Sono stati valutati i percorsi più critici. d) Si è condotta un analisi sulla regolazione al variare delle temperature esterne. Dopo l'analisi del caso base sono state introdotte delle sottostazioni di scambio termico attive, prima solo una, e poi varie lungo determinati percorsi. Le valutazioni effettuate mettevano in primo piano gli andamenti della temperatura nei percorsi, la potenza termica generata dalla sorgente, la temperatura di ritorno in centrale e se si verificano delle problematiche sugli scambiatori di calore. In queste simulazioni sono stati valutati tutti e quattro gli schemi utilizzabili. Infine è stata effettuata un analisi comparativa tra le varie soluzioni studiate per poter mettere a confronto i casi. In particolare anche qui si sono voluti confrontare i valori di potenza spesa per il pompaggio, temperatura di ritorno in centrale e potenza termica offerta dalla sorgente.

Obiettivo principale della tesi è l’individuazione di strategie e soluzioni che permettano un miglioramento dell’efficienza energetica degli edifici del complesso PEEP di Corticella, anche attraverso l’utilizzo di simulazioni in regime dinamico con il software Design Builder e lo sviluppo di scenari per una riqualificazione energetica dell’intero distretto urbano gestito dalla rete di teleriscaldamento. A partire dai risultati sui consumi degli edifici del complesso PEEP di Corticella ottenuti nella tesi “Diagnosi energetica del complesso PEEP di Corticella tramite simulazioni in regime dinamico: analisi e sviluppo di indicatori energetici”, sono stati ipotizzati, in primo luogo, interventi migliorativi a livello di edificio. In particolare, è stata valutata, tramite l’utilizzo di simulazioni in regime dinamico, l’incidenza sui consumi energetici del fabbricato di interventi quali la sostituzione di serramenti datati e la realizzazione di un cappotto termico esterno. Successivamente si è valutata la possibilità di installazione di pannelli fotovoltaici in copertura dei singoli fabbricati, in modo da ridurre la richiesta di energia elettrica dalla rete. Infine, si è proceduto allo sviluppo di scenari e strategie per una riqualificazione energetica dell’intero distretto che coinvolgessero la rete di teleriscaldamento che serve il quartiere. Dalle simulazioni effettuate sui singoli edifici e dalle riflessioni sviluppate a livello di distretto, è stato possibile osservare che, per raggiungere risultati ottimali in termini di efficienza energetica, sarebbe opportuno intervenire sia a livello di edificio che, soprattutto, sulla rete di teleriscaldamento.

Questo lavoro di tesi riguarda lo studio di modalità atte a convertire reti di teleriscaldamento già esistenti in Smart District Heating Network (SDHN) ovvero reti di teleriscaldamento che operano ponendosi gli stessi obiettivi delle Smart Grid: ridurre gli sprechi, sfruttare il più possibile le fonti rinnovabili, ridurre le emissioni di CO2. La struttura della tesi prevede una panoramica dell’attuale situazione energetica mondiale, delle risorse utilizzate per soddisfare il fabbisogno energetico, degli sviluppi e dei limiti delle fonti rinnovabili; viene poi introdotto il concetto di smart grid dal punto di vista elettrico per poi analizzare la sua evoluzione che coinvolge anche le altre forme di energia, in particolare energia termica e frigorifera. Segue una breve descrizione del funzionamento dei software utilizzati, EGO e HIENA nella versione 2.0. L’obiettivo delle strategie di conversione è quello di ottenere una gestione smart del quartiere dal punto di vista elettrico e/o termico utilizzando dei generatori solari fotovoltaici e termici installati sui tetti delle utenze. Si conclude che, sebbene l’indipendenza totale della rete dalla centrale termica di produzione e dalla rete elettrica nazionale non sia possibile, almeno non in tutti i periodi dell’anno, è possibile gestirla in maniera più smart installando i pannelli sulla superficie minore possibile così da minimizzare gli sprechi e senza attuare alcuna modifica alla rete esistente.

La tesi è il risultato di uno studio condotto sulle reti distribuzione dell’energia termica, elettrica e frigorifera; queste reti possono essere sviluppate per aumentare la diffusione della microgenerazione e generazione diffusa con l’obiettivo di renderle autonome elettricamente, termicamente e in alcuni casi indipendenti dal punto di vista del combustibile sfruttando possibilmente cogeneratori integrati e sistemi a fonte rinnovabile. In particolare la tesi si sofferma sull’analisi di criteri di gestione di una rete di teleriscaldamento esistente in modo da ridurne al minimo le dispersioni di energia termica in ambiente e gli scambi di energia elettrica con la rete nazionale. Lo sviluppo della tesi è stato suddiviso sostanzialmente in tre parti: la prima riguarda la caratterizzazione del comportamento di una rete di teleriscaldamento reale nel comprensorio urbano di Corticella a Bologna con determinati sistemi di produzione dell’energia elettrica e termica in centrale; nella seconda parte vengono analizzati nuovi sistemi in centrale di produzione e presso le utenze; infine la terza parte riguarda l’analisi economica ed energetica di tutte le soluzioni di gestione esaminate. Quindi ogni configurazione, data da nuovi sistemi di produzione delle fonti energetiche richieste e di gestione della rete, viene prima analizzata in riferimento a tre tipologie di scambio termico presso le utenze e poi valutata in termini di consumo di combustibile e di scambi di energia elettrica con la rete nazionale attraverso il costo di acquisto del gas naturale, il costo d’acquisto dell’energia elettrica dalla rete e il prezzo di vendita dell’energia elettrica alla rete. Sebbene le utenze vengano considerate sempre in assetto passivo all’interno di alcune configurazioni viene sfruttata la delocalizzazione della produzione di energia termica e la gestione della rete a bassa temperatura per ridurre il più possibile l’impatto ambientale della centrale e della rete di teleriscaldamento.

La commissione europea introduce i traguardi in ambito energetico da raggiungere entro il 2030, in particolare stabilisce la riduzione delle emissioni inquinanti, l’aumento della quota per le energie rinnovabili e il miglioramento dell'efficienza energetica. Inoltre, considerando che gli edifici rappresentano il più grande consumatore di energia in Europa, soprattutto per il riscaldamento degli ambienti e la produzione di ACS, si trovano a svolgere un ruolo determinante, in questo contesto energetico, le reti di teleriscaldamento. A tal proposito, è stato sviluppato, con l’ausilio del software Dymola, il modello dinamico di una sottostazione di scambio termico bidirezionale per reti di teleriscaldamento attive. I punti chiave per la realizzazione del modello sono: la bidirezionalità dei flussi termici, l’interazione tra gli scambiatori di calore e la gestione dei sistemi di controllo che regolano le logiche di funzionamento della sottostazione. La prima validazione del modello è stata eseguita con 7 simulazioni in regime stazionario che si distinguono per i livelli energetici di richiesta e produzione. Successivamente sono state svolte 8 prove in regime dinamico che rappresentano la transizione tra differenti scenari al variare nel tempo delle condizioni al contorno. Per ogni simulazione verrà riportato un confronto tra i risultati numerici e i dati sperimentali ottenuti dai test condotti da Eurac Research sul prototipo della sottostazione.