The European Union’s ambitious climate targets necessitate substantial reductions in greenhouse gas emissions, particularly within the heating and cooling sector, which accounts for a significant portion of energy consumption. District Heating and Cooling (DHC) systems emerge as a key solution for decarbonizing this sector by enabling high efficiency heat production and the integration of renewable and carbon-neutral energy sources. Despite the potential inherent in DHC systems, their utilization is limited, partly due to challenges associated with network topology selection.

This master’s thesis addresses the optimization of District Heating Network layout expansion while tackling these challenges. Situated within the framework of an European funded project coordinated by EIFER, the research aims to develop an algorithm for modeling and planning the expansion of DHN networks, considering geographical location of pipes and heat production and consumption nodes. Building upon the Automatic Network Drawing Algorithm (ANDA) tool provided by EIFER, the project seeks to enhance it to generate expansion scenarios incorporating loops, a feature critical for network robustness absent in the current output.

The tool pandapipes is used for fluid system modeling, effectively modelinghydraulics and heat through network elements such as heat producer, substationsand pipes. The algorithm’s core feature is to strategically determine optimallocations along initial tree-like network expansions to incorporate loops. Variousheuristic approaches are tested to identify the most efficient expansion strategies,subsequently adding new lines to minimize total costs, encompassing both capitaland operational expenses. Real-world data from a District Heating Network inMilan validate the algorithm’s capabilities.

Europeiska unionens ambitiösa klimatmål kräver avsevärda minskningar av utsläppen av växthusgaser, särskilt inom värme- och kylsektorn, som står för en betydande del av energiförbrukningen. Fjärrvärme- och fjärrkylasystem (DHC) framstår som en nyckellösning för att minska koldioxidutsläppen i denna sektor genom att möjliggöra högeffektiv värmeproduktion och integrering av förnybara och koldioxidneutrala energikällor. Trots potentialen som finns i DHC-system är deras användning begränsad, delvis på grund av utmaningar i samband med val av nätverkstopologi.

Denna masteruppsats behandlar optimering av utbyggnaden av fjärrvärmenätets layout samtidigt som man tacklar dessa utmaningar. Beläget inom ramen för ett europeiskt finansierat projekt koordinerat av EIFER, syftar forskningen till att utveckla en algoritm för modellering och planering av utbyggnaden av DHN-nät, med hänsyn till den geografiska placeringen av rör och värmeproduktions- och förbrukningsnoder. Med utgångspunkt i verktyget Automatic Network Drawing Algorithm (ANDA) från EIFER, försöker projektet förbättra det för att generera expansionsscenarier med slingor, en funktion som är avgörande för nätverkets robusthet som saknas i den aktuella utgången.

Verktyget pandapipes används för modellering av vätskesystem, effektiv modellering av hydraulik och värme genom nätverkselement som värmeproducent, transformatorstationer och rör. Algoritmens kärnfunktion är att strategiskt bestämma optimala platser längs initiala trädliknande nätverksutbyggnader för att införliva slingor. Olika heuristiska tillvägagångssätt testas för att identifiera de mest effektiva expansionsstrategierna, och sedan läggas till nya linjer för att minimera de totala kostnaderna, som omfattar både kapital- och driftskostnader. Verkliga data från ett fjärrvärmenätverk i Milano validerar algoritmens kapacitet.