Perdite di calore e simulazione
Lo strumento Simulate network operation è il principale passo di calcolo in uno studio TESSA. Prende una rete completamente dimensionata, un quartiere popolato con curve di carico e un insieme di sorgenti di calore, e produce il quadro orario di offerta e domanda da cui si ricavano costi, CO₂ e ore a pieno carico.
Questa pagina spiega cosa calcola la simulazione e perché ogni passo è ordinato nel modo in cui lo è. Per il passo di dimensionamento che deve essere eseguito per primo, vedere Dimensionamento della rete e idraulica. Per come le sorgenti vengono dispacciate quando ce ne sono più di una, vedere Sorgenti multiple e allocazione.
Prerequisiti
Prima di eseguire la simulazione, devono essere presenti tre elementi:
- Il quartiere deve avere una curva di carico oraria (generata dallo strumento "Generate building demands" — 8760 valori orari).
- Tutti i diametri delle tubazioni devono essere impostati (eseguire prima "Dimension pipes").
- La rete deve avere almeno una centrale energetica, una tubazione e una sottostazione di edificio collegata.
Eseguire la simulazione senza questi elementi produrrà risultati mancanti o nulli per i campi che ne dipendono.
I tre passi sequenziali
La simulazione esegue tre passi in ordine:
Ogni passo alimenta il successivo: la distribuzione del calore produce le portate massiche necessarie per la risoluzione idraulica; il passo dell'altitudine aggiunge il contributo della prevalenza statica prima che le pompe vengano dimensionate.
Step 1: Distribuzione del calore
Input
Il passo di distribuzione del calore lavora a partire da:
- La curva di carico oraria aggregata del quartiere (8760 h, kW per ora)
- Le temperature di mandata e ritorno del fluido di lavoro della rete
- Il tipo di sottostazione presso ogni collegamento di edificio
- I diametri delle tubazioni derivanti dal passo di dimensionamento
Modelli di sottostazione
Ogni sottostazione di edificio trasferisce calore dalla rete all'edificio in base al suo tipo.
Le sottostazioni dirette e le sottostazioni con scambiatore di calore sono trattate in modo identico nel modello di distribuzione:
- Calore erogato = fabbisogno annuo dell'edificio ×
hx_efficiency(l'efficienza dello scambiatore di calore; 1.0 per i collegamenti diretti) - Potenza di picco presso la sottostazione = potenza di picco dell'edificio
Le sottostazioni con pompa di calore booster (BHP) operano diversamente. La rete trasporta un fluido freddo; la BHP presso l'edificio estrae calore da quel circuito e lo innalza fino alla temperatura richiesta dall'edificio:
- Il COP della BHP è calcolato a partire dalla temperatura di mandata della rete (T_source) e dalla temperatura di erogazione richiesta dall'edificio (T_delivery):
$\(\text{COP} = \eta_\text{Carnot} \cdot \frac{T_\text{delivery}}{T_\text{delivery} - T_\text{source}}\)$
dove η_Carnot è l'efficienza della pompa di calore rispetto al ciclo di Carnot (tipicamente 0,4–0,5).
- Il consumo di elettricità della BHP è tracciato separatamente e aggiunto ai costi di esercizio e alle emissioni di CO₂ dell'edificio.
- Il circuito freddo vede solo il calore estratto dal lato terreno, non l'intero fabbisogno dell'edificio — è questo ciò che la rete e le sue tubazioni devono trasportare.
Dispacciamento delle sorgenti
Una volta noti i fabbisogni degli edifici a ogni ora, la simulazione richiama il dispacciatore a ordine di merito per allocare il carico alle sorgenti presso ogni centrale energetica. Il processo è descritto integralmente in Sorgenti multiple e allocazione; in breve:
- Le sorgenti sono dispacciate in ordine crescente di numero a ogni passo temporale orario finché non è soddisfatta la domanda netta presso quella centrale energetica.
- Se la capacità installata totale è insufficiente a soddisfare la domanda di picco, TESSA aggiunge automaticamente una "Residual Load Source" virtuale alla prima centrale energetica per tracciare il deficit. Questo è un segnale per l'utente che occorre aggiungere capacità; la sorgente residua dovrebbe essere sostituita con apparecchiature reali prima che lo studio venga finalizzato.
La produzione oraria di ogni sorgente viene registrata; campi di risultato scritti per sorgente:
| Campo | Descrizione |
|---|---|
rated_power_useful |
Capacità installata che eroga calore alla rete (kW) |
rated_power_final |
Corrispondente consumo di energia finale (kW, dopo l'efficienza) |
annual_energy_useful |
Calore annuo erogato alla rete (kWh) |
annual_energy_final |
Combustibile o elettricità annui consumati (kWh) |
full_load_hours |
Ore equivalenti a pieno carico = annual_energy_useful / rated_power_useful |
Modello delle perdite di calore
Le tubazioni della rete disperdono calore verso il terreno circostante. TESSA utilizza per impostazione predefinita un semplice modello proporzionale:
dove l_loss_km è la frazione di perdita per km (predefinita 0.04, ossia 4% per km), P_transported è la potenza termica che fluisce attraverso il segmento e L_km è la lunghezza del segmento in km. Questo valore è derivato dalla letteratura pubblicata per tubazioni preisolate coibentate di teleriscaldamento.
La perdita di calore è impostata a zero per:
- Reti di raffrescamento — le temperature del fluido sono prossime alla temperatura del terreno, quindi lo scambio termico netto è trascurabile.
- Reti combinate di riscaldamento e raffrescamento — per la stessa ragione; il calore immesso in modalità raffrescamento compensa all'incirca la perdita in modalità riscaldamento a questi livelli di temperatura.
Distribuzione stagionale delle perdite
La perdita di calore annua è distribuita sulle 8760 ore utilizzando un modello orario stagionale di perdita. Il modello è basato sul ritorno di esperienza della rete di teleriscaldamento CADSIG-CADIOM di Ginevra e riflette il pattern per cui le perdite sono maggiori in inverno (quando la differenza di temperatura tubazione-terreno è massima) e minori in estate. La curva di perdita risultante ora per ora è aggiunta alla curva di domanda del quartiere prima che le sorgenti vengano dispacciate.
La curva di domanda della rete
Dopo aver considerato le perdite, la curva di domanda della rete viene assemblata per ogni ora:
I fabbisogni di raffrescamento sono sottratti perché rappresentano calore estratto dal lato ritorno della rete — riducono il calore netto che le sorgenti devono fornire. Il risultato è la serie temporale p_with_loss_kw (8760 valori) memorizzata sulla rete.
Livellamento giornaliero del carico a livello di rete
Quando il report traccia la curva di durata del carico per dimensionare la capacità di generazione, TESSA sostituisce prima la domanda di ogni ora con la domanda media di quel giorno. L'ipotesi è che gli edifici abbiano una massa termica significativa (muri, solai, serbatoi di acqua calda) che consente di spostare il loro fabbisogno di calore nell'arco di una giornata senza compromettere il comfort. La rete sperimenta quindi il carico medio giornaliero anziché brevi picchi orari, il che abbassa il picco di progetto che le sorgenti devono soddisfare.
Questa è una delle ragioni per cui la potenza di picco mostrata nei grafici della rete è inferiore al picco della curva di domanda grezza degli edifici. La spiegazione completa — compreso l'effetto della scalatura ai soli edifici collegati e le diverse risoluzioni temporali usate da ciascun grafico — è in Panoramica dei report → Comprendere le curve di carico.
Modello dettagliato di resistenza termica
Un modello più dettagliato delle perdite di calore che implementa la Sezione 7.1.3 del manuale del teleriscaldamento è disponibile nel codice di TESSA. Calcola la perdita di calore specifica per grado di differenza di temperatura a partire dalla geometria della tubazione: raggio della tubazione, raggio della guaina, conducibilità termica dell'isolante, conducibilità termica del terreno, profondità di copertura e interasse tra le tubazioni. Questo modello non è ancora collegato al flusso di lavoro della simulazione; per tutti gli studi attuali si usa il semplice modello al 4% per km.
Step 2: Altitudine
Prima della risoluzione idraulica, TESSA recupera l'elevazione del terreno (metri sul livello del mare) per ogni nodo della rete da un modello digitale di elevazione. Le differenze di elevazione tra i nodi creano una componente di prevalenza statica che deve essere aggiunta alle perdite di pressione dinamiche in fase di dimensionamento della pompa:
Questo passo viene saltato se i dati del terreno non sono disponibili; nelle reti pianeggianti l'effetto è piccolo.
Step 3: Idraulica e pompaggio
Il terzo passo esegue la risoluzione completa della pressione secondo Darcy-Weisbach e dimensiona le pompe di circolazione. È descritto in dettaglio in Dimensionamento della rete e idraulica. Nel contesto della simulazione:
- Le portate massiche e le velocità sono calcolate a partire dai risultati della distribuzione del calore del passo 1.
- Le perdite di pressione sono risolte utilizzando la correlazione del fattore di attrito di Colebrook.
- Le prevalenze delle pompe sono calcolate lungo il percorso idraulico critico presso ogni centrale energetica.
- Il consumo di elettricità delle pompe è registrato ora per ora e aggiunto ai costi di esercizio della rete e alla CO₂.
Cosa produce la simulazione
La tabella seguente riassume dove finiscono i risultati dopo un'esecuzione riuscita della simulazione.
Prossimi passi
- Dimensionamento della rete e idraulica — l'algoritmo di dimensionamento delle tubazioni e la risoluzione completa della pressione secondo Darcy-Weisbach.
- Sorgenti multiple e allocazione — come funziona il dispacciamento a ordine di merito tra più sorgenti e centrali energetiche.
- Campi di sonde geotermiche — la simulazione del campo di sonde e come imposta la temperatura della sorgente della pompa di calore.
- Modello dati di reti e sorgenti di calore — l'insieme completo dei campi che la simulazione popola.