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Modello dati di reti e fonti di calore

La rete termica è il lato offerta dello studio: le tubazioni che distribuiscono il fluido termovettore, le sottostazioni che collegano gli edifici alla rete e le centrali energetiche e le fonti di calore che producono il calore. Questa pagina descrive come sono organizzati questi elementi — quali decisioni progettuali si prendono a ogni livello e come il modello le rappresenta.

Per il contenitore progetto/scenario, vedere Organizzare uno studio. 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 viene prodotto il calore) e di archi (le tubazioni che trasportano il fluido tra di essi), insieme ai parametri ingegneristici che regolano fluido, impiego e finanza.

flowchart LR
    D["🗺️ Quartiere"] --> TN["🔥 Rete termica"]

    TN --> NODES["Nodi<br/>━━━━━━━━<br/>⚙️ Centrali energetiche<br/>🔌 Sottostazioni degli edifici<br/>● Giunzioni delle tubazioni"]
    TN --> EDGES["Archi<br/>━━━━━━━━<br/>━━ Tubazioni di dorsale<br/>━ Allacciamenti degli edifici<br/>━ Allacciamenti delle centrali energetiche"]

    TN --> FL["💧 Fluido termovettore<br/>━━━━━━━━<br/>Tipo (acqua / miscela glicolica)<br/>Temperature di mandata / ritorno"]
    TN --> MD["Modalità<br/>━━━━━━━━<br/>Riscaldamento, raffrescamento o entrambi"]
    TN --> FIN["💰 Costi della rete<br/>e tariffe"]
    TN --> DC["📈 Curva di fabbisogno<br/>aggregata"]

    classDef district fill:#a5d6a7,stroke:#1b5e20,stroke-width:2px,color:#1b5e20
    classDef network fill:#ffab91,stroke:#bf360c,stroke-width:2px,color:#bf360c
    classDef thermal fill:#fff3e0,stroke:#ED6000,stroke-width:1.5px,color:#bf360c
    classDef finance fill:#fffde7,stroke:#f9a825,stroke-width:1.5px,color:#f57f17
    classDef fluid fill:#bbdefb,stroke:#0d47a1,stroke-width:1.5px,color:#0d47a1

    class D district
    class TN network
    class NODES,EDGES,MD,DC thermal
    class FIN finance
    class FL fluid

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

La modalità. Riscaldamento, raffrescamento o riscaldamento e raffrescamento combinati. Determina quali fabbisogni le fonti di calore devono coprire e quali percorsi di simulazione si applicano.
Le temperature di mandata e di ritorno. Insieme al fluido termovettore definiscono la "generazione" della rete — a 4 tubi ad alta temperatura, a 4 tubi a bassa temperatura, anergia / 5G — e vincolano quali tipi di fonte e di sottostazione sono sensati. Vedere Generazioni di reti.
Il fluido termovettore. Acqua per la maggior parte delle reti calde; una miscela glicolica per le reti fredde in cui serve la protezione dal gelo. Il modello usa 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 fabbisogno aggregata è il fabbisogno termico orario che la rete deve servire, sommato dalle sottostazioni degli edifici collegati. Il dispatcher la usa per decidere quali fonti funzionano 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.

flowchart TD
    EC["⚙️ Centrale energetica<br/>dove si produce il calore"]
    BS["🔌 Sottostazione dell'edificio<br/>dove si consegna il calore"]
    CP["● Giunzione delle tubazioni<br/>dove le tubazioni si diramano"]

    EC -.immette calore in.- TN
    BS -.preleva calore da.- TN
    CP -.instrada il flusso in.- TN

    TN["🔥 Rete"]

    classDef ec fill:#ffccbc,stroke:#bf360c,stroke-width:2px,color:#bf360c
    classDef bs fill:#ffe0b2,stroke:#e65100,stroke-width:2px,color:#bf360c
    classDef cp fill:#ffffff,stroke:#bf360c,stroke-width:1.5px,color:#bf360c
    classDef network fill:#ffab91,stroke:#bf360c,stroke-width:2px,color:#bf360c

    class EC ec
    class BS bs
    class CP cp
    class TN network

Le centrali energetiche sono il luogo in cui si installano una o più fonti di calore — caldaie, pompe di calore, impianti a biomassa, pompe di calore geotermiche che usano 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 punta altrove sulla linea principale.
Le sottostazioni degli edifici sono l'interfaccia tra un edificio (o un piccolo gruppo di edifici che condividono un allacciamento) e la rete. Il tipo di sottostazione — diretta, con scambiatore di calore o con pompa di calore di rilancio — determina come il calore viene trasferito a questa interfaccia.
Le giunzioni delle tubazioni sono puri nodi di instradamento. Lì non si aggiunge né si toglie calore. Compaiono ovunque la topologia si ramifichi.

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 dipende dalla temperatura di mandata della rete rispetto a quanto richiede l'edificio.

flowchart LR
    DI["Diretta<br/>━━━━━━━━<br/>L'acqua della rete<br/>circola nell'impianto<br/>dell'edificio"]
    HX["Scambiatore di calore<br/>━━━━━━━━<br/>Separazione idraulica<br/>tra rete<br/>ed edificio"]
    BHP["Pompa di calore di rilancio<br/>━━━━━━━━<br/>La rete è fredda;<br/>la PdC presso l'edificio<br/>alza la temperatura"]

    classDef direct fill:#ffe0b2,stroke:#e65100,stroke-width:1.5px,color:#bf360c
    classDef hx fill:#ffe0b2,stroke:#e65100,stroke-width:1.5px,color:#bf360c
    classDef bhp fill:#ffe0b2,stroke:#e65100,stroke-width:1.5px,color:#bf360c

    class DI direct
    class HX hx
    class BHP bhp

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

Archi: tubazioni e allacciamenti

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

flowchart LR
    EC["⚙️ Centrale<br/>energetica"]
    J1["●"]
    J2["●"]
    BS1["🔌 Sottostazione"]
    BS2["🔌 Sottostazione"]

    EC ===|"━━ allacciamento CE"| J1
    J1 ===|"━━ tubazione di dorsale"| J2
    J1 ===|"━ allacciamento dell'edificio"| BS1
    J2 ===|"━ allacciamento dell'edificio"| BS2

    classDef ec fill:#ffccbc,stroke:#bf360c,stroke-width:2px,color:#bf360c
    classDef bs fill:#ffe0b2,stroke:#e65100,stroke-width:2px,color:#bf360c
    classDef cp fill:#ffffff,stroke:#bf360c,stroke-width:1.5px,color:#bf360c

    class EC ec
    class BS1,BS2 bs
    class J1,J2 cp

Le tubazioni di dorsale formano la topologia a linea principale e diramazioni (oppure ad anello) tra le giunzioni.
Gli allacciamenti degli edifici sono le brevi tubazioni che vanno da una giunzione sulla dorsale a una sottostazione dell'edificio. Hanno un parametro in più — 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.
Gli allacciamenti delle centrali energetiche sono le analoghe brevi tubazioni da una centrale energetica a una giunzione.

Cosa viene memorizzato su ogni tubazione:

flowchart LR
    P["━━ Tubazione"]

    GEO["Geometria<br/>━━━━━━━━<br/>Lunghezza<br/>Differenza di quota"]
    DIM["Dimensioni<br/>━━━━━━━━<br/>Diametro nominale<br/>Diametro interno"]
    FLOW["Flusso<br/>━━━━━━━━<br/>Portata massica<br/>Portata volumetrica<br/>Velocità"]
    HYD["Idraulica<br/>━━━━━━━━<br/>Perdita di pressione (Darcy-Weisbach)<br/>Perdita di pressione"]
    EN["Energia<br/>━━━━━━━━<br/>Calore trasportato<br/>Perdite di calore<br/>Potenza"]
    LIFE["Costo &amp; vita utile<br/>━━━━━━━━<br/>Costo di investimento<br/>Anno di costruzione"]

    P --- GEO
    P --- DIM
    P --- FLOW
    P --- HYD
    P --- EN
    P --- LIFE

    classDef pipe fill:#ffab91,stroke:#bf360c,stroke-width:2px,color:#bf360c
    classDef field fill:#fff3e0,stroke:#ED6000,stroke-width:1.5px,color:#bf360c

    class P pipe
    class GEO,DIM,FLOW,HYD,EN,LIFE field

Una rete che è stata tracciata ma non ancora dimensionata ha geometria e topologia popolate; le dimensioni vengono compilate dal passaggio di dimensionamento delle tubazioni; i campi di flusso, idraulica ed energia vengono popolati dalla simulazione. Per questo una rete appena tracciata mostra perdita di pressione e perdita di calore pari a zero finché non si eseguono il dimensionamento e la simulazione.

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

Fonti di calore in una centrale energetica

Una singola centrale energetica ha di solito più di una fonte di calore — un'unità per il carico di base più un'unità di punta, oppure un'unità primaria più una di riserva. TESSA modella ciascuna come oggetto separato, in modo 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.

flowchart TD
    EC["⚙️ Centrale energetica"]
    EC --> TS1["🔥 Fonte 1<br/>ad es. pompa di calore<br/>(carico di base)"]
    EC --> TS2["🔥 Fonte 2<br/>ad es. caldaia a gas<br/>(punta)"]
    EC --> TS3["🔥 Fonte 3<br/>ad es. solare termico<br/>(integrazione stagionale)"]

    classDef ec fill:#ffccbc,stroke:#bf360c,stroke-width:2px,color:#bf360c
    classDef src fill:#fff3e0,stroke:#ED6000,stroke-width:2px,color:#bf360c

    class EC ec
    class TS1,TS2,TS3 src

Cosa porta con sé ciascuna fonte di calore:

flowchart LR
    TS["🔥 Fonte di calore"]

    OP["Funzionamento<br/>━━━━━━━━<br/>Modalità (riscaldamento / raffrescamento / entrambi)<br/>Rendimento / COP / SPF<br/>Ordine nell'impiego"]
    PWR["Dimensionamento<br/>━━━━━━━━<br/>Potenza nominale utile<br/>Potenza nominale finale<br/>Energia annua utile / finale"]
    FU["Combustibile<br/>━━━━━━━━<br/>Prezzo (valuta / kWh)<br/>Intensità di CO₂ (kg / kWh)"]
    SC["Risultato<br/>━━━━━━━━<br/>Curva oraria di fornitura<br/>Ore a pieno carico"]
    FIN["Costi<br/>━━━━━━━━<br/>Investimento per kW<br/>O&amp;M fissa &amp; variabile<br/>Vita utile"]
    EM["Emissioni<br/>━━━━━━━━<br/>CO₂eq, NOx, CO,<br/>SOx, PM10, PM2.5"]

    TS --- OP
    TS --- PWR
    TS --- FU
    TS --- SC
    TS --- FIN
    TS --- EM

    classDef src fill:#fff3e0,stroke:#ED6000,stroke-width:2px,color:#bf360c
    classDef field fill:#ffe0b2,stroke:#e65100,stroke-width:1.5px,color:#bf360c
    classDef finance fill:#fffde7,stroke:#f9a825,stroke-width:1.5px,color:#f57f17

    class TS src
    class OP,PWR,SC,EM field
    class FU,FIN finance

Vale la pena comprendere bene due coppie di grandezze:

Potenza ed energia utili vs finali. Utile è ciò che viene consegnato alla rete; finale è ciò che viene consumato come combustibile o elettricità. Il rapporto è il rendimento o COP della fonte. I report usano entrambe — l'utile per dimensionamento e impiego, il finale per costi ed emissioni.
Costo marginale e CO₂ marginale. Calcolati automaticamente come (1 / efficiency) × fuel_price e (1 / efficiency) × fuel_CO₂. Guidano l'impiego in ordine di merito quando più fonti possono coprire il fabbisogno.

Il modo in cui le fonti vengono scelte a ogni ora — ordine di merito rigoroso, must-run, ripartizione della capacità — è regolato dalla strategia di allocazione impostata sulla centrale energetica. Vedere Allocazione di più fonti.

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

Campi di sonde

Un campo di sonde geotermiche è un tipo particolare di fonte di calore — uno scambiatore accoppiato al terreno che una pompa di calore usa come fonte fredda. Poiché un campo può essere referenziato da una centrale energetica (una pompa di calore geotermica centrale) oppure da più sottostazioni degli edifici (una rete di PdC di rilancio che condividono un circuito comune), esiste a livello di scenario anziché all'interno di una singola sottostazione.

flowchart TD
    SC["📄 Scenario"] --> BF["🌍 Campo di sonde geotermiche"]
    EC["⚙️ Centrale energetica"] -.usa come fonte geotermica.-> BF
    BS["🔌 Sottostazione dell'edificio"] -.usa come fonte geotermica.-> BF

    BF --> CFG["Configurazione<br/>━━━━━━━━<br/>Numero e disposizione<br/>delle sonde<br/>Spaziatura"]
    BF --> DSGN["Progetto della sonda<br/>━━━━━━━━<br/>Tubo a U singolo o doppio<br/>Raggi dei tubi<br/>Lunghezza, profondità<br/>Boiacca"]
    BF --> GR["Terreno<br/>━━━━━━━━<br/>Conducibilità termica<br/>Capacità termica volumetrica<br/>Temperatura indisturbata"]
    BF --> FL["Fluido termovettore<br/>━━━━━━━━<br/>Acqua o miscela glicolica"]
    BF --> RG["Fonti di rigenerazione<br/>━━━━━━━━<br/>Solare termico, dry cooler,<br/>calore residuo, …"]
    BF --> OP["Risultato<br/>━━━━━━━━<br/>Temperature orarie del fluido<br/>Calore orario estratto / immesso<br/>Rapporto di bilancio termico"]

    classDef scenario fill:#c5cae9,stroke:#000072,stroke-width:2px,color:#000072
    classDef bf fill:#d7ccc8,stroke:#3e2723,stroke-width:2px,color:#3e2723
    classDef ec fill:#ffccbc,stroke:#bf360c,stroke-width:2px,color:#bf360c
    classDef bs fill:#ffe0b2,stroke:#e65100,stroke-width:2px,color:#bf360c
    classDef field fill:#efebe9,stroke:#5d4037,stroke-width:1.5px,color:#3e2723

    class SC scenario
    class BF bf
    class EC ec
    class BS bs
    class CFG,DSGN,GR,FL,RG,OP field

Gli elementi rilevanti per la progettazione:

Configurazione e progetto. Numero, spaziatura e profondità delle sonde; se sono a tubo a U singolo o doppio. Tutte le sonde di un singolo campo condividono lo stesso progetto.
Terreno. Conducibilità termica, capacità termica volumetrica e temperatura indisturbata del terreno della geologia locale. Derivano da un Test de Réponse Thermique (TRT) quando disponibile, oppure da valori regionali tipici.
Fonti di rigenerazione. Fonti di calore il cui compito è immettere 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 scende. Il rapporto di bilancio termico (immissione annua ÷ estrazione annua) è il numero chiave da osservare — in genere lo si vuole vicino a 1 per un campo di lunga durata.
Il fluido termovettore. Spesso una miscela glicolica, perché i circuiti delle sonde possono funzionare sotto 0 °C, anche quando il resto della rete è ad acqua.

I campi di sonde 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.

Pompe e circuito idraulico

Le pompe si trovano nelle sottostazioni — nelle centrali energetiche e nelle sottostazioni degli edifici — e fanno parte del calcolo del circuito idraulico anziché dell'impiego delle fonti di calore.

flowchart LR
    SS["⚙️ / 🔌 Sottostazione"] --> PM["💧 Pompa"]
    PM --- RP["Potenza nominale"]
    PM --- EFF["Rendimento"]
    PM --- FL["Portata di progetto"]
    PM --- HD["Prevalenza"]
    PM --- LIFE["Costo &amp; vita utile"]

    classDef ss fill:#ffccbc,stroke:#bf360c,stroke-width:2px,color:#bf360c
    classDef pump fill:#bbdefb,stroke:#0d47a1,stroke-width:2px,color:#0d47a1
    classDef field fill:#e3f2fd,stroke:#1565c0,stroke-width:1.5px,color:#0d47a1

    class SS ss
    class PM pump
    class RP,EFF,FL,HD,LIFE field

Il simulatore risolve le perdite di pressione della rete per determinare la prevalenza che la pompa deve vincere, quindi dimensiona la potenza nominale della pompa a partire da portata di progetto, prevalenza e rendimento ipotizzato. Il consumo elettrico delle pompe compare nei costi operativi 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 fonte geotermica per la pompa di calore.

flowchart TD
    EC["⚙️ Centrale energetica<br/>PdC + caldaia"]
    EC --> ECC["━━ allacciamento CE"]
    ECC --> J1["● Giunzione 1"]
    J1 ===|"━━ dorsale"| J2["● Giunzione 2"]
    J1 -->|"━ allacciamento"| BS1["🔌 Sottostazione A<br/>diretta"]
    J2 -->|"━ allacciamento"| BS2["🔌 Sottostazione B<br/>scambiatore di calore"]
    J2 -->|"━ allacciamento"| BS3["🔌 Sottostazione C<br/>PdC di rilancio"]

    BS1 -.serve.-> B1["🏠 Edificio"]
    BS2 -.serve.-> B2["🏠 Edifici"]
    BS3 -.serve.-> B3["🏠 Edificio"]

    EC -.- HS1["🔥 Pompa di calore"]
    EC -.- HS2["🔥 Caldaia a gas"]
    HS1 -.fonte fredda.-> BF["🌍 Campo di sonde geotermiche"]

    classDef ec fill:#ffccbc,stroke:#bf360c,stroke-width:2px,color:#bf360c
    classDef bs fill:#ffe0b2,stroke:#e65100,stroke-width:2px,color:#bf360c
    classDef cp fill:#ffffff,stroke:#bf360c,stroke-width:1.5px,color:#bf360c
    classDef pipe fill:#ffab91,stroke:#bf360c,stroke-width:1.5px,color:#bf360c
    classDef src fill:#fff3e0,stroke:#ED6000,stroke-width:1.5px,color:#bf360c
    classDef bldg fill:#a5d6a7,stroke:#1b5e20,stroke-width:1.5px,color:#1b5e20
    classDef bf fill:#d7ccc8,stroke:#3e2723,stroke-width:2px,color:#3e2723

    class EC ec
    class BS1,BS2,BS3 bs
    class J1,J2 cp
    class ECC pipe
    class HS1,HS2 src
    class B1,B2,B3 bldg
    class BF bf

Gli elementi qui presenti sono tutto ciò che serve per una progettazione di prima approssimazione:

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 parco edifici misto.
Un portafoglio di fonti 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 qualsiasi rigenerazione si preveda.

Per proseguire

Generazioni di reti — come le temperature di mandata/ritorno determinano la scelta di sottostazione e fonte.
Dimensionamento e idraulica della rete — come le tubazioni vengono dimensionate a partire dalla portata di picco.
Simulazione della rete — ciò che la simulazione a passi temporali calcola effettivamente.
Allocazione di più fonti — come il calore viene impiegato tra le fonti di una centrale energetica.
Campi di sonde — dimensionamento, rigenerazione e modello del terreno.
Modello finanziario — come i costi a livello di fonte e di rete si combinano nel report finanziario.

Modello dati di quartieri ed edifici

Il lato del fabbisogno di uno studio TESSA di teleriscaldamento e teleraffrescamento: come sono strutturati e popolati i quartieri, gli edifici al loro interno, il clima e i livelli GIS sovrapposti.

Modello di dati degli edifici

Utilizzare questi modelli Excel come punto di partenza per preparare una tabella di dati degli edifici da caricare in TESSA.