Integration and Adaptation of Open-Source Thermal Energy System Models for Food Processing Applications

Abstract

Industrial pasteurisation is a heat-intensive process with significant potential for decarbonisation. This study investigates how open-source Modelica libraries can be adapted for industry, especially for food industry, and integrated to replace fossil-based thermal systems.

Investigations are done to evaluate models of heat pumps, thermal energy storage, specifically the stratified tank, and solar thermal collectors. The work assesses both the suitability of existing libraries and their ability to support the preliminary design of an integrated dairy pasteurisation system. Results show that libraries such as Buildings provide strong capabilities for modelling stratified tanks and heat pumps, although limitations remain for detailed heat pump modelling, requiring the complementary library the DLR Thermofluid Stream Library. For parabolic trough collectors, ThermoSysPro was a great fit.

Simulation results indicate that combining stratified tanks with high-temperature heat pumps improves heat recovery and reduces reliance on fossil-based energy sources while maintaining operational flexibility. A preliminary block flow design for a small-scale pasteurisation system is established, demonstrating feasible system integration pathways.

Solar thermal integration is further evaluated using climate data from Lund (July 2024), showing that 14-27 collectors and 23-46 collectors are required to cover 50 %-100 % of a 4 hour production energy demand for high temperature short time pasteurisation processes with a production flow of 20,000 L/h and 35,000 L/h respectively.

With the promising results from the identified libraries, it can be concluded that existing open-source Modelica libraries can directly or after suitable adaptations, support preliminary modelling and early-stage analysis of thermal energy integration in food-processing applications aimed at industrial decarbonisation. However, further validation against real plant data is required before the models can be used for accurate real plant predictions.

The adapted models and integrated system can be found on GitHub, in the package ThermalEnergySys.

Popular Abstract (Swedish)

Vägen mot fossilfri industri: värmepumpar, solenergi och värmelagring i samspel

För att nå klimatmålen behöver vi minska användningen av fossila bränslen. Vi har undersökt hur tekniker som värmepumpar, solfångare och värmelagring samverkar och bidrar till en hållbar energianvändning. Studien har genomförts med hjälp av datorsimuleringar, vilket gör det möjligt att testa lösningarna innan de byggs i verkligheten.

En stor utmaning för att nå klimatmålen är industrins värmebehov. Många industriprocesser kräver höga temperaturer och en stor del av denna värme produceras i värmepannor, där värmen kan komma både från fossila bränslen och el. Elektrifiering i all ära, men om elen inte kommer från förnybara bränslen, så bidrar även den till utsläpp av växthusgaser.

Det finns flera tekniker som kan bidra till övergången till ett fossilfritt samhälle. En sådan teknik är värmepumpar, som kan använda spillvärme från exempelvis industrier för att leverera både kyla och värme. En annan teknik är solfångare, som använder förnybar energi från solen för att producera värme. Eftersom produktion av grön energi och efterfrågan på energin inte alltid sammanfaller behövs lösningar som kan jämna ut skillnaderna. Värmelagring, så kallad termisk energilagring (TES), kan därför vara en sådan lösning. Den kan kopplas till exempelvis värmepumpar och solfångare för att lagra energi över tid.

För att avgöra hur dessa tekniker bör dimensioneras och kombineras, så krävs det att vi förstår hur de fungerar både var och en för sig och i system där de samverkar. Detta kan testas genom att bygga fysiska prototyper, men då detta både är tidskrävande och kostsamt, så kan teknikerna istället testas i datorprogram. I det här arbetet har programmeringsspråket Modelica använts, vilket även används på flera universitet och inom industrisektorn världen över. Flera kodpaket, så kallade bibliotek, har utvecklats inom Modelica för att simulera tekniker hos fordon, byggnader och storskaliga industriella processer.

Syftet med det här arbetet var att undersöka om det går att använda befintliga modeller från dessa bibliotek med öppen programvara (open source), för att koppla samman värmepumpar, solfångare och värmelagring inom processindustrin. Genom att systematiskt gå igenom och jämföra Modelica-bibliotek utifrån bl.a. hur väldokumenterade de är och hur väl de fungerar med varandra, så kunde vi identifiera flera användbara bibliotek. Genom att kombinera modellerna i Modelica kunde vi sedan testa flera processer och olika typer av värmepumpar, solfångare och värmelagring enkelt och tidseffektivt, samt simulera energisystemens beteende över tid.

Vår slutsats är att open source-bibliotek redan idag kan fungera som en stabil grund för att skapa mer hållbara energisystem. För att uppnå modellernas fulla potential behöver de dock anpassas, integreras och utvärderas i relevanta industriprocesser. På så vis kan modellering och simulering fungera som viktiga verktyg för att påskynda utvecklingen av nya lösningar, minska behovet av dyra prototyper och stödja industrins omställning mot minskade utsläpp av växthusgaser.

• author: Andersson, Herman and Karlsson, Ida
• supervisor: Marcus Thern; Hamid Ghanbari
• organization: Department of Energy Sciences
• course: MVKM01 20261
• year: 2026
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Heat Pumps, Thermal Energy Storage, Stratified Tank, Solar Thermal Collectors, Parabolic Trough Collectors, pasteurisation, Modelica, Open-source, Industrial decarbonisation
• report number: ISRN: LUTMDN/TMHP-26/5677-SE
• ISSN: 0282-1990
• language: English
• id: 9233316
• date added to LUP: 2026-06-11 11:47:33
• date last changed: 2026-06-11 13:06:27