Modular Simulation Methodology for the Economical and Environmental Optimization of District Heating/Cooling Systems to Achieve Net Zero
Authors:   , Roncal Casano Juan José 
Published: December 2024

Under the need to reduce CO2 emissions, district heating has been identified as a viable alternative to implement renewable technologies to supply the climatization demand.

Although software is available for simulating district heating networks, it is challenging for inexperienced users to use. Additionally, these tools lack flexibility in generating new combinations of technologies for district heating and cooling networks.

This thesis presents the development of a methodology for simulating district heating and cooling networks. This methodology, called Modular Simulation Methodology (or MSM) aims to make this technology available to anyone in the position to make such a decision about future installations for heating, ventilation, and air conditioning (HVAC) on a big scale, as to migrate to a reduced more environmentally friendly option. This methodology was originally focused on the technologies developed within the Wedistrict project, but it is scalable and designed to expand its library of technologies.

The methodology consists in reducing and simplifying the amount of information to be added by the user at an early stage, by correlating all possible information. It involves making standard nomenclature for the different variables to identify complex systems in a more orderly manner. And simplifying the results displayed at the end of the process to be able to compare with other available technologies.

The MSM also allows for the production of parametric results for a series of cases, being able to use it to obtain optimum design values for equipment in district networks. By storing these parametric analyses, databases have been generated.

One result of the methodology is simulating Demonstration Sites before their construction. These sites, three different locations chosen to test various technologies developed within the Wedistrict project. Once the methodology was proven, it was replicated in a series of Demonstration Followers, which were new sites which desired to install district heating networks, or existing networks which want to test, by simulation, other technological combinations to reduce their environmental impact.

The production of parametric results was also presented in different academic papers, to find optimum sizes for proposed systems or evaluate different technological combinations.

At the end of the work, a web-based tool was developed using results databases generated using the MSM. This tool is accessible to all and has been developed as part of the H2020 Wedistrict project. Future works could expand the locations in which this tool can obtain results as the combination of technologies available.

This methodology is particularly flexible for future networks because it allows the combination of technologies from different energy sources, making it especially strong as energy sources vary by location.

RESUMEN

Ante la necesidad de reducir las emisiones de CO2, la climatización distrital se ha identificado como una alternativa viable para implantar tecnologías renovables que abastezcan la demanda de climatización.

Existe software para la simulación de redes de climatización, pero son difíciles de manejar para los usuarios inexpertos. Además, estas herramientas carecen de la flexibilidad necesaria para generar nuevas combinaciones de tecnologías para las redes distritales de calor y frio.

Esta tesis ilustra la generación de una metodología para la simulación de redes distritales de calefacción y refrigeración. Esta metodología, denominada Metodología de Simulación Modular (o MSM) pretende poner esta tecnología a disposición de cualquiera que esté en posición de tomar una decisión sobre futuras instalaciones de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) a gran escala, como migrar a una opción reducida más respetuosa con el medio ambiente. Esta metodología se centró originalmente en las tecnologías desarrolladas dentro del proyecto Wedistrict, pero es escalable y está diseñada para ampliar su biblioteca de tecnologías.

La metodología consiste en reducir y simplificar la cantidad de información que debe añadir el usuario en una fase temprana, correlacionando toda la información posible. Hacer una nomenclatura estándar de las distintas variables para poder identificar sistemas complejos de forma más ordenada. Y en simplificar los resultados mostrados al final del proceso para poder compararlos con otras tecnologías disponibles.

La MSM también permite obtener resultados paramétricos para una serie de casos, pudiéndose utilizar para obtener valores óptimos de diseño de equipos en redes de distrito. Mediante el almacenamiento de estos análisis paramétricos se han generado bases de datos.

Uno de los resultados de la metodología es la simulación de Demo Sites antes de su construcción. Se trata de tres emplazamientos diferentes elegidos para probar diversas tecnologías desarrolladas en el marco del proyecto Wedistrict. Una vez probada la metodología, se replicó en una serie de Demonstration Followers, que eran nuevos emplazamientos que deseaban instalar redes de climatización distrital, o redes existentes que querían probar, mediante simulación, otras combinaciones tecnológicas para reducir su impacto ambiental.

La producción de resultados paramétricos también se plasmó en diferentes artículos académicos, para encontrar tamaños óptimos para los sistemas propuestos, o evaluar diferentes combinaciones tecnológicas.

Al final del trabajo, se desarrolló una herramienta web utilizando estas bases de datos. Es accesible al público y es el resultado del proyecto H2020 Wedistrict. Trabajos futuros podrían ampliar las localizaciones en las que esta herramienta puede obtener resultados, asi como la combinación de tecnologías disponibles.

Esta metodología es especialmente flexible para las redes del futuro porque permite combinar tecnologías de distintas fuentes de energía, lo que la hace especialmente sólida ya que las fuentes de energía varían según la localización.