Modello dati di reti e sorgenti di calore

La rete termica è il lato dell'offerta dello studio: le tubazioni che distribuiscono il fluido di lavoro, le sottostazioni che collegano gli edifici ad essa e le centrali energetiche e le sorgenti di calore che producono il calore. Questa pagina descrive come questi elementi sono organizzati: quali decisioni progettuali si prendono a ciascun livello e come il modello li rappresenta.

Per il contenitore progetto/scenario, vedere Progetti, scenari e il modello dati. Per il quartiere e gli edifici serviti dalla rete, vedere Modello dati di quartieri ed edifici.

La rete in sintesi

Una rete termica è un grafo di nodi (i punti in cui le tubazioni si incontrano, in cui gli edifici si allacciano, in cui il calore viene prodotto) e di archi (le tubazioni che trasportano il fluido tra di essi), insieme ai parametri ingegneristici che governano fluido, dispacciamento e finanza.

Tre decisioni ingegneristiche prese a livello di rete determinano quasi tutto ciò che segue:

• La modalità. Riscaldamento, raffrescamento o riscaldamento-e-raffrescamento combinato. Questa determina quali fabbisogni le sorgenti di calore devono soddisfare e quali percorsi di simulazione si applicano.
• Le temperature di mandata e di ritorno. Insieme al fluido di lavoro, definiscono la "generazione" della rete — ad alta temperatura a 4 tubi, a bassa temperatura a 4 tubi, anergia / 5G — e vincolano quali tipi di sorgente e di sottostazione siano sensati. Vedere Generazioni di rete.
• Il fluido di lavoro. Acqua per la maggior parte delle reti calde; una miscela di glicole per le reti fredde in cui è necessaria la protezione antigelo. Il modello utilizza le proprietà del fluido per calcolare densità, viscosità e capacità termica, che alimentano i calcoli di dimensionamento delle tubazioni e di pompaggio.

La curva di domanda aggregata è il fabbisogno termico orario che la rete deve servire, sommato dalle sottostazioni degli edifici collegate. Il dispatcher la utilizza per decidere quali sorgenti far funzionare e quando.

Tipi di nodo: giunzioni, sottostazioni, centrali energetiche

I tre tipi di nodo svolgono ruoli ingegneristici distinti anche se condividono una posizione nel grafo.

• Le centrali energetiche sono i punti in cui si installano una o più sorgenti di calore — caldaie, pompe di calore, impianti a biomassa, pompe di calore geotermiche che utilizzano un campo di sonde geotermiche. Una rete piccola ne ha di solito una; una rete più grande può avere una centrale energetica per il carico di base più un'unità di picco altrove lungo la dorsale.
• Le sottostazioni degli edifici sono l'interfaccia tra un edificio (o un piccolo gruppo di edifici che condividono un unico allacciamento) e la rete. Il tipo di sottostazione — diretta, a scambiatore di calore o a pompa di calore booster — determina come il calore viene trasferito a quell'interfaccia.
• Le giunzioni delle tubazioni sono nodi di puro instradamento. Lì non viene aggiunto né rimosso calore. Compaiono ovunque la topologia si dirama.

Sia le centrali energetiche sia le sottostazioni degli edifici possono contenere una o più pompe di circolazione.

Tipi di sottostazione degli edifici

Il tipo di allacciamento a una sottostazione di edificio dipende dalla temperatura di mandata della rete rispetto a ciò di cui l'edificio ha bisogno.

La scelta ha effetti a catena: una sottostazione a pompa di calore booster richiede un'alimentazione elettrica e contribuisce con il proprio rendimento e le proprie emissioni al quadro del dispacciamento. Uno scambiatore di calore introduce una caduta di temperatura di cui bisogna tenere conto nella temperatura di mandata della rete.

Archi: tubazioni e connettori

Nel grafo esistono tre tipi di arco. Condividono la maggior parte dei dati — geometria, dimensioni, flusso, idraulica — ma collegano tipi di nodo diversi.

• Le tubazioni dorsali formano la topologia a tronco-e-ramo (o ad anello) tra le giunzioni.
• I connettori degli edifici sono le brevi tubazioni da una giunzione sulla dorsale a una sottostazione di edificio. Hanno un parametro aggiuntivo — una frazione attiva tra 0 e 1 — che consente di disattivare parzialmente o completamente l'allacciamento di un edificio senza rimuoverlo dalla topologia, utile quando si modellano allacciamenti a fasi.
• I connettori delle centrali energetiche sono le analoghe brevi tubazioni da una centrale energetica a una giunzione.

Cosa viene memorizzato su ciascuna tubazione:

Una rete di cui è stato definito il tracciato ma che non è ancora stata dimensionata ha la geometria e la topologia popolate; le dimensioni vengono compilate dalla fase di dimensionamento delle tubazioni; i campi di flusso, idraulica ed energia vengono popolati dalla simulazione. È per questo che una rete appena tracciata mostra una perdita di carico e una perdita di calore pari a zero finché non si esegue il dimensionamento e la simulazione.

Vedere Dimensionamento e idraulica della rete per il metodo di dimensionamento e Perdita di calore e simulazione per ciò che il simulatore calcola.

Sorgenti di calore in una centrale energetica

Una singola centrale energetica ha di solito più di una sorgente di calore — un'unità per il carico di base più un'unità di picco, oppure un'unità primaria più una di riserva. TESSA modella ciascuna come un oggetto separato, così che il dispatcher possa scegliere tra di esse, il motore dei costi possa sommare correttamente CAPEX e OPEX e il report possa attribuire energia ed emissioni a ciascun combustibile.

Cosa contiene ciascuna sorgente di calore:

Due coppie di valori vale la pena comprendere chiaramente:

• Potenza ed energia utili vs finali. L'utile è ciò che viene fornito alla rete; il finale è ciò che viene consumato come combustibile o elettricità. Il rapporto è il rendimento o COP della sorgente. I report usano entrambi — l'utile per il dimensionamento e il dispacciamento, il finale per i costi e le emissioni.
• Costo marginale e CO₂ marginale. Calcolati automaticamente come (1 / efficiency) × fuel_price e (1 / efficiency) × fuel_CO₂. Questi guidano il dispacciamento per ordine di merito quando più sorgenti possono soddisfare la domanda.

Il modo in cui le sorgenti vengono scelte a ogni ora — ordine di merito rigoroso, must-run, quota di capacità — è governato dalla strategia di allocazione impostata sulla centrale energetica. Vedere Allocazione di sorgenti multiple.

Lo stesso oggetto sorgente di calore viene utilizzato anche nelle sottostazioni degli edifici quando il tipo di sottostazione è "pompa di calore booster" — la pompa di calore booster è una sorgente di calore collegata alla sottostazione anziché a una centrale energetica.

Campi di sonde geotermiche

Un campo di sonde geotermiche è un tipo speciale di sorgente di calore — uno scambiatore accoppiato al terreno che una pompa di calore utilizza come sorgente fredda. Poiché uno stesso campo può essere referenziato sia da una centrale energetica (una pompa di calore geotermica centralizzata) sia da diverse sottostazioni di edifici (una rete di pompe di calore booster che condividono un anello comune), esso risiede a livello di scenario anziché all'interno di una singola sottostazione.

Gli elementi che contano per la progettazione:

• Configurazione e design. Il numero, la spaziatura e la profondità delle sonde; se sono a singolo o a doppio tubo a U. Tutte le sonde di un singolo campo condividono lo stesso design.
• Terreno. La conducibilità termica, la capacità termica volumetrica e la temperatura indisturbata del terreno della geologia locale. Questi provengono da un Test de Réponse Thermique (TRT) dove disponibile, oppure da valori regionali tipici.
• Sorgenti di rigenerazione. Sorgenti di calore il cui compito è iniettare calore nel terreno in estate per bilanciare l'estrazione invernale. Senza rigenerazione, un campo dominato dal riscaldamento raffredda il terreno nel corso degli anni e il COP della pompa di calore tende a diminuire. Il rapporto di bilancio termico (iniezione annuale ÷ estrazione annuale) è il valore chiave da monitorare — di norma lo si vuole prossimo a 1 per un campo di lunga durata.
• Il fluido di lavoro. Spesso una miscela di glicole, poiché gli anelli delle sonde possono funzionare al di sotto di 0 °C, anche quando il resto della rete è ad acqua.

I campi di sonde geotermiche hanno una propria simulazione che produce le temperature orarie del fluido e il contributo del campo al COP della pompa di calore. Vedere Campi di sonde geotermiche.

Pompe e l'anello idraulico

Le pompe risiedono nelle sottostazioni — nelle centrali energetiche e nelle sottostazioni degli edifici — e fanno parte del calcolo dell'anello idraulico anziché del dispacciamento delle sorgenti di calore.

Il simulatore risolve le perdite di carico della rete per determinare la prevalenza che la pompa deve superare, quindi dimensiona la potenza nominale della pompa a partire dal flusso di progetto, dalla prevalenza e dal rendimento assunto. Il consumo di elettricità della pompa compare nei costi di esercizio della rete e nelle sue cifre di CO₂.

Mettere tutto insieme

Il diagramma seguente mostra un quadro semplice ma completo: una centrale energetica con un portafoglio pompa-di-calore-più-caldaia, tre sottostazioni di edifici su una breve dorsale e un campo di sonde geotermiche che funge da sorgente fredda per la pompa di calore.

Gli elementi qui presenti sono tutto ciò che serve per una progettazione di primo livello:

• Una topologia che indica dove il calore entra ed esce dalla rete.
• Tre tipi di sottostazione rappresentativi di ciò che si vedrebbe in un quartiere reale con un patrimonio edilizio misto.
• Un portafoglio di sorgenti di calore che consente al dispatcher di scegliere tra una pompa di calore a basso costo marginale (limitata dalla capacità) e una caldaia a costo marginale più alto che copre i picchi.
• Un campo di sonde geotermiche che lega il COP della pompa di calore alla temperatura del terreno e a qualunque rigenerazione si metta in atto.

Dove andare dopo

• Generazioni di rete — come le temperature di mandata/ritorno plasmano la scelta della sottostazione e della sorgente.
• Dimensionamento e idraulica della rete — come le tubazioni vengono dimensionate a partire dal flusso di picco.
• Perdita di calore e simulazione — cosa calcola effettivamente la simulazione a passi temporali.
• Allocazione di sorgenti multiple — come il calore viene dispacciato tra le sorgenti in una singola centrale energetica.
• Campi di sonde geotermiche — dimensionamento, rigenerazione e il modello del terreno.
• Modello finanziario — come i costi a livello di sorgente e a livello di rete si combinano nel report finanziario.