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Yes / The performance of Ground Source Heat Pump (GSHP) systems for domestic use is an increasing area of study in the UK. This paper examines the thermal performance of three bespoke shallow horizontal GSHP systems installed in newly built residential houses in the North of England against a control house which was fitted with a standard gas boiler. A total of 350 metres of High Density Polyethylene pipe with an external diameter of 40 mm was used for each house as a heat pump loop. The study investigated (i) the performance of a single loop horizontal Ground Heat Exchanger (GHE) against a double loop GHE and (ii) rainfall effects on heat extraction by comparing a system with an infiltration trench connected to roof drainage against a system without an infiltration trench above the ground loops. Parameters monitored for a full year from October 2013 to September 2014. Using the double GHE has shown an enhanced performance of up to 20% compared with single GHE. The infiltration trench is found to improve performance of the heat pumps; the double loop GHE system with an infiltration trench had a COP 5% higher than that of the double loop GHE system without a trench.

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) constituent une famille de polluants cancérigènes, classés comme prioritaires tant en environnement qu’en milieu professionnel avec près de 1,6 millions de travailleurs exposés en France. L’évaluation des risques sanitaires (ERS) est primordiale mais reste difficile à mettre en place car ces composés sont toujours émis sous forme de mélanges complexes de gaz et de particules dont la composition varie en fonction des sources d’émission.Les objectifs de ce travail sont de caractériser, dans les différents secteurs industriels français, les expositions professionnelles (niveaux de concentration et composition chimique des mélanges) afin d’estimer les risques de cancer liés à ces expositions. Ce travail est réalisé à partir de la base Exporisq-HAP (E-HAP) qui comprend plus de 1700 données d’exposition atmosphérique ainsi que 40 variables explicatives collectées dans 130 entreprises avec la même méthodologie et codées par le même toxicologue depuis près de 20 ans.Pour conduire l’ERS, les données ont été structurées selon deux dimensions (homogénéité et précision de description), permettant de construire des groupes homogènes d’exposition (GHE) et une analyse descriptive du paysage industriel français. En prenant le benzo[a]pyrène (BaP, HAP le plus dangereux) comme indicateur, près de 40% des activités professionnelles (niveau de codage le plus fin de la base) correspondaient à des GHE (écart-type géométrique ≤ 3) mais l’ajout d’un niveau de description supplémentaire a permis d’augmenter ce pourcentage à 87%. Des variabilités importantes des niveaux de concentration, des compositions chimiques des mélanges et des risques encourus (facteur 2 pour les bitumes à 500 pour les fonderies) lors d’une mono-exposition aux HAP (e.g., BaP, naphtalène…) existaient entre et au sein des industries, soulignant l’importance de recueillir le détail des activités effectuées par le salarié pour caractériser précisément les expositions. Dans la seconde étape, les multi-expositions aux HAP ont été analysées en termes de groupes de fonction d’exposition similaire (GFES basés sur plusieurs HAP). Ces fonctions (distributions des concentrations d’HAP) ont été utilisées pour décrire le paysage industriel français aux mélanges d’HAP, construire des marqueurs de la multi-exposition atmosphérique et réaliser l’estimation préliminaire des risques de survenue de cancers. En plus du BaP, le benzo[k]fluoranthène et le benzo[ghi]pérylène sont apparus comme des indicateurs intéressants de la multi-exposition aux HAP cancérigènes, ce qui n’était pas le cas du pyrène (gazeux ou particulaire), du naphtalène ni du phénanthrène. Les GFES étaient constitués de groupes dont l’origine des sources était la même –produits dérivés de pétrole (GFESP) ou de houille (GFESH). Les GFESH (production d’aluminium, de silicium, de produits carbonés, cokeries, fonderies) avaient des niveaux de concentration élevés et un risque important de cancer du poumon (compris entre 1/100 000 à 1/1 000 de risque d’observer un cas additionnel de cancer du poumon) ; ce qui n’était pas le cas des GFESP (émissions moteurs, huiles, combustion, bitume) pour lesquels les risques de cancers sont compris entre 1/100 000 et un sur 1 million de sujets exposés. Les mesures de prévention et de protection sont encore à améliorer dans les GFESH afin de réduire les risques de survenue de cancers. / Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are a family of organic carcinogens substances, ranked second amongst priority targeted pollutants in the environment as well as in occupational settings where around 1.6 million workers are exposed in France. Sanitary risks assessment (SRA) is paramount but remains difficult to set up considering that PAHs are always emitted in complex mixtures of gas and particles whose composition depends on emission sources.The goals of this PhD were to characterize exposures within industries (levels and chemical composition of PAHs mixtures) in order to assess the cancer risk from occupational exposure to PAHs mixtures. This work was performed using the Exporisq-HAP database (E-HAP) that gathers more than 1,700 airborne exposure data as well as 40 independent variables collected in 130 companies with the same methodology and coded by the same toxicologist for 20 years.To conduct the SRA, data were structured following two dimensions (homogeneity and description accuracy), enabling the construction of similar exposure groups (SEGs) and the descriptive analysis of the French industrial landscape. Using the benzo[a]pyrene as indicator (BaP, the most dangerous PAH), about 40% of the occupational activities (most accurate description level in E-HAP) could be considered as SEGs (geometric standard deviation ≤ 3). Adding a new description level increased this percentage to 87%. High variabilities existed between and within industries in terms of concentrations levels, chemical mixtures composition and risk (between 2 for bitumen to 500 times within foundries) caused by mono-exposure to PAHs (e.g., BaP, naphthalene…). This underlines the importance of collecting detailed information on occupational activities performed by workers to accurately describe and characterize exposures. In the second step, multi-exposures to PAHs were analyzed in terms of similar exposure function groups (SEFG based on several PAHs). Exposure functions (PAHs concentrations distributions) were used to describe the French PAHs industrial landscape, to construct markers of the multi-exposures to airborne PAHs and to perform the preliminary assessment of the cancer risk caused by these mixtures. Besides BaP, benzo[k]fluoranthene and benzo[ghi]perylene were found to be indicators of the multi-exposures to airborne carcinogenic PAHs, which was not the case for pyrene (gaseous and particulate forms), naphthalene and phenanthrene. SEFGs were made up of groups with the same source origin –either from products derived from coal (SEFGH) or petroleum (SEGFP). SEFGH (aluminum, silicon, carbon product, coke production, and foundry) had high concentration levels and high risk of lung cancer (between 100,000 to 1 risk to 1,000 to 1 risk to observe one additional case of lung cancer). It was different for SEGFP (engine emissions, lubricating oil, combustion, bitumen) that had between 100,000 to 1 risk to a million to 1 risk of additional lung cancer. To reduce cancer risks, risk management measures still need improvements in all SEFGH.

Die verlässliche Vorhersage der Wärmeentzugsleistungen als auch der Soletemperaturen in den Sonden sind wichtig für deren Auslegung und Betriebsoptimierung. Es ist ebenso wichtig für die Auslegung und Optimierung der Anlagen im versorgten Gebäude. In der vorliegenden Dissertation wurde versucht, durch eine mathematische Weiterentwicklung von Greenschen Funktionen (g-Funktionen) eine präzisere Lösung für Temperaturverteilung im Erdreich infolge des von einer oder mehreren Sonden verursachten Wärmeentzuges mit verschiedenen Randbedingungen im geologischen Untergrund zu erreichen. Hierzu wurden sechs „neue“ g-Funktionen entwickelt, die vertikal variable Wärmeentzüge einzelner Sonden und Sondenfelder, eine Asymmetrie des Wärmeentzuges der Sonde, den Einfluss einer zusätzlichen Grundwasserströmung und den realen, geschichteten Untergrund berücksichtigen. Die mathematischen Modelle des Erdreichs wurden mit Modellen für die Soleströmung und Wärmeübergabe in der Hinterfüllung der Sonde gekoppelt und anschließend auf ein praktisches Betriebsbeispiel angewendet. Die Arbeit enthält ebenfalls umfangreiche Sichtung existierender Modelle sowie deren Anwendung und vergleichende Bewertung der teilweise komplexen Modellansätze.:Formelzeichen und Abkürzungen 1 Einführung 2 Energiequellen und Aufbau der Erdwärmeübertrager 2.1 Quellen der geothermalen Energie 2.2 Aufbau der Erdwärmeübertrager 2.3 Betriebsverhalten von Erdwärmesonden 2.4 Auslegung der Sonden 3 Vorhandene Modelle 3.1 Soleströmung 3.2 Wärmeübergang in den Rohren der Sonde 3.3 Wärmeleitung in der Hinterfüllung 3.4 Erdreichmodellierung – numerisch 3.5 Erdreichmodellierung mit g-Funktionen 4 Weiterentwicklung der analytischen Modelle 5 Anwendungsbeispiele 185 5.1 Ein praktisches Beispiel 5.2 Auswirkung auf die Jahresarbeitszahl 6 Zusammenfassung Literatur A Ableitung der Bohrlochwiderstände B Ableitung der Funktionen für Randbedingungen C Eidesstattliche Erklärung / The design of the ground heat exchangers (GHE) systems demands the precise prediction of their heat output and the brine temperature. The same information is needed for design and optimization of the HVAC systems coupled to GHEs. In the thesis at hand the Green’s functions (g-Functions) have been used to develop the more accurate solutions for the temperature distribution in soil resulting from the heat extraction from one GHE or a field of GHEs. These solutions consist of six novel g-functions that take account of the vertical variation of the extracted heat flux in one GHE or field of GHEs, of the horizontal ground water flow and of the horizontal variation of the soil properties. The models for prediction of the soil temperature have been coupled with models for brine flow and heat transfer in the GHE’s grout and eventually applied to the simulation of the real world object. Additionally, the thesis contains broad review of the known models and their applications as well as the comparative analysis of the complex modelling assumptions.:Formelzeichen und Abkürzungen 1 Einführung 2 Energiequellen und Aufbau der Erdwärmeübertrager 2.1 Quellen der geothermalen Energie 2.2 Aufbau der Erdwärmeübertrager 2.3 Betriebsverhalten von Erdwärmesonden 2.4 Auslegung der Sonden 3 Vorhandene Modelle 3.1 Soleströmung 3.2 Wärmeübergang in den Rohren der Sonde 3.3 Wärmeleitung in der Hinterfüllung 3.4 Erdreichmodellierung – numerisch 3.5 Erdreichmodellierung mit g-Funktionen 4 Weiterentwicklung der analytischen Modelle 5 Anwendungsbeispiele 185 5.1 Ein praktisches Beispiel 5.2 Auswirkung auf die Jahresarbeitszahl 6 Zusammenfassung Literatur A Ableitung der Bohrlochwiderstände B Ableitung der Funktionen für Randbedingungen C Eidesstattliche Erklärung