Development and numerical analysis of two different advanced control strategies for a cold district heating network

Abstract

[ES] En los últimos años, la concienciación mundial sobre los problemas medioambientales y la contaminación ha ido en aumento, hasta el punto de desarrollar nuevas técnicas de desarrollo sostenible y ahorro energético para reducir el impacto de los gases de efecto invernadero y la huella de CO2. Una de estas técnicas son las redes de calefacción por frío, en particular la 5ª generación, que es el último desarrollo. Algunas de las principales mejoras de esta tecnología es poder utilizar el calor residual de diferentes edificios e industrias de la misma zona para calentar o enfriar el suministro de agua de diferentes edificios o utilizar redes de baja temperatura para tener la menor demanda de calor en el proceso de transporte de agua. Este sistema, al ser más complejo que los desarrollados anteriormente, como el de 4ª generación. Requiere sistemas de control avanzados para que todo el sistema funcione eficientemente satisfaciendo la demanda energética de cada edificio. Este proyecto se basa en determinar los sistemas de control avanzados más adecuados para instalar en un barrio residencial en construcción. En primer lugar, se ha realizado una revisión bibliográfica sobre la 5ª generación de calefacción y refrigeración urbana, donde se han determinado las diferentes estrategias de control posibles para controlar las diferentes variables que intervienen en la red, como la temperatura, la presión y el caudal másico, y también se han comparado con la 4ª generación de calefacción urbana. En segundo lugar, se han establecido posibles configuraciones de estrategias de control avanzadas basadas en la revisión bibliográfica. De estas configuraciones, se han identificado dos estrategias de control diferentes, que son las más adecuadas para el distrito en cuestión. Estas configuraciones integran elementos disponibles comercialmente, incluidos sensores, con una determinación clara de sus mediciones previstas y su colocación estratégica. Se han realizado dos simulaciones termohidráulicas diferentes en Modelica para la fase de construcción uno del distrito. Incluye cuatro edificios plurifamiliares y una central de abastecimiento. En tercer y último lugar, se han analizado estas dos configuraciones seleccionadas basándose en los resultados de las simulaciones. Se han realizado análisis detallados basados en los parámetros clave derivados de las simulaciones termohidráulicas y se han extraído conclusiones sobre el funcionamiento del sistema, su robustez y diseño. El objetivo principal de esta tesis no es la optimización del sistema de control implementado, sino extraer conclusiones sobre la relación de los bloques de control implementados y las variables a controlar, así como identificar posibles oportunidades de mejora para futuros diseños.

[EN] Over the last few years, the world s awareness of environmental issues and pollution has been increasing, to the point of developing new sustainable development and energy saving techniques to reduce the impact of greenhouse gases and CO2 footprint. One of these techniques is the cold heating networks, particularly the 5th generation, which is the latest development. Some of the main improvements of this technology is to be able to use waste heat from different buildings and industries in the same area to heat or cool the water supply of different buildings or to use low temperature networks to have the lowest heat demand in the water transport process. This system, being more complex than those previously developed, such as the 4th generation. It requires advanced control systems in order to make the whole system works efficiently by meeting energy demand of each building. This project is based on determining advanced control systems that are best suitable to install in a residential neighbourhood under construction. First of all a literature review has been carried out on 5th generation district heating and cooling, where different possible control strategies to control the different variables involved in the network, such as temperature, pressure and mass flow have been determined and also compared with the 4th generation district heating. Secondly, possible configurations of advanced control strategies based on the literature review have been established. Out of these configurations two different control strategies, that are best suited for the given district, have been identified. These configurations integrate commercially available elements, including sensors, with a clear determination of their intended measurements and strategic placement. Two different thermo hydraulic simulations have been carried out in Modelica for the construction phase one of the district. It includes four multifamily buildings and a centralized supply station. Thirdly and finally these two selected configurations have been analysed based on the simulations results. Detailed analysis based on the key parameters derived from the thermo hydraulic simulations have been carried out and conclusions regarding the operation of the system, its robustness and design have been drawn. The main objective of this thesis is not the optimization of the implemented control system but rather to draw conclusions about the relationship of the implemented control blocks and the variables to be controlled, as well as to identify possible improvement opportunities for future designs.