This study numerically examines the heat transfer and pressure drop performance of finned tube heat exchangers with staggered and inline tube layout for a range of tube pitch. The first part of the thesis considers the case where the heat exchanger is placed in fully ducted airflow. The simulations indicate that the performance reduced considerably for the staggered tube layout with an increase in the tube pitch, but a minimal difference for the inline tube arrangement. The effects of other geometrical parameters like fin pitch and the number of tube rows are then presented. Finally, a correlation for fin and tube heat exchangers with inline tube layout is proposed based on 280 simulations for 70 different configurations. The proposed heat transfer correlation can describe the database within ±8% discrepancy while the friction factor correlation can correlate the dataset within a ±10% discrepancy. The mean deviations for heat transfer and friction factor correlations are 4.3% and 5.4%. An important factor that influences the performance of flat plate and finned tube heat exchangers is when there is bypass flow around the heat exchanger. The next section of this thesis numerically investigates the partially ducted inline fin and tube heat exchanger with side bypass. The effects of the side clearance and the Reynolds number on the heat transfer and the pressure drop performance of the heat exchanger are presented. The simulations indicate that the heat transfer performance depreciates by more than 25% for infinite side clearance. The study then compares the pressure difference observed for entry, exit and the friction pressure drop with the various correlations available in the literature. Finally, the heat transfer and pressure drop performance for staggered and inline tube layouts are compared. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

No description available.

The energy consumption in the world continues to increase, which makes energy saving measures important. In Sweden, where buildings account for a large part of total energy use, heat exchangers in ventilation are important to reduce energy consumption. However, Sweden's winters are often cold over large parts of the country, causing frost in the heat exchanger and high and uneven heating power requirements for ventilation units. The heating system in the building is required to manage the biggest power demand that may arise. From the ventilation unit, the greatest heating power requirement is arise in the event of frost conditions, as the power requirement from the heating coil increases during defrosting. By installing an accumulator tank together with the ventilation unit, the power requirement can be evened out. Power requirement for three different scenarios where the storage tank is used has been calculated. By using thermodynamic equations and measurements from Swegon counter flow heat exchanger results were accomplished. Optimal defrosting cycle times were evaluated by theory and equations. Other defrosting methods have been calculated to be compared to the solution with the accumulator tank. In a case with 600 litres per seconds supply and exhaust air flow, outdoor temperature at -10 ° C, the power requirement to the unit could be reduced by 67 % using an accumulator tank. An accumulator tank with a volume of 73 litres was required. By using an accumulator tank with the ventilation unit, investment costs could decrease by approximately 18 000 SEK when district heating is used as energy source. However, the solution with the storage tank will not be able to reduce district heating costs more than reduced flow cost for the district heating. If a heat pump I used approximately 95 000 SEK in investment cost could be saved when using an accumulator tank. Electricity cost could also be reduced but not much. Compared to other defrosting methods, the solution with accumulator tank will require the lowest power requirement for the ventilation unit, heat recover  most energy in the heat exchanger and at the same time create an even heat power requirement at frost conditions. / Energianvändningen i världen fortsätter öka vilket gör energisparåtgärder viktiga. I Sverige där byggnader står för en stor del av den totala energianvändningen är värmeväxlare inom ventilation viktiga för att minska energiförbrukningen. Dock är Sveriges vintrar ofta kalla över stora delar av landet vilket orsakar frostproblem i värmeväxlaren och högt och ojämnt värmeeffektbehov till ventilationsaggregat. Byggnadens värmesystem måste dimensioneras efter det största effektbehov som kan uppstå. Från ventilationsaggregatet sker det största värmeeffektbehovet vid frostförhållanden eftersom effektbehovet från värmebatteriet ökar vid avfrostning. Genom att installera en ackumulatortank tillsammans med ventilationsaggregatet skulle effektbehovet kunna jämnas ut. Effektbehov för tre olika scenarion där ackumulatortank används har beräknats. Det skedde genom användande av termodynamiska ekvationer och mätningar från Swegons motströmsvärmeväxlare. Tiden för hur lång avfrostningscykel som är optimal har utvärderas genom teori och ekvationer. Andra avfrostnings metoder har beräknats för att kunna jämföras med lösningen med ackumulatortank. I ett fall med till-och frånluftflöde på 600 l/s och dimensionerande utomhustemperatur på -10 °C kunde effektbehovet fram till aggregatet minskas med 67% genom att använda en ackumulatortank. En ackumulatortank med volymen 73 liter krävdes. Genom att använda en ackumulatortank tillsammans med ventilationsaggregatet kunde investeringskostnaden kunna minskamed cirka 18000 kr när fjärrvärme används som energikälla. Lösningen med ackumulatortank kommer dock inte kunna minska fjärrvärmekostnaden mer än att minska eventuell flödeskostnad för fjärrvärmen. Vid användande av bergvärmepump skulle cirka 95000 kr i investeringskostnad kunna sparas vid användande av ackumulatortank. Eleffektkostnaden kunde även minskas men relativt lite. Jämfört med andra avfrostningsmetoder kommer en lösning med ackumulatortank kräva lägst effektbehov till ventilationsaggregatet, återvinna mest energi i värmeväxlaren och samtidigt skapa ett jämt värmeeffektbehov under frostförhållanden.

This research describes the development and application of a numerical modelling method for angled borehole heat exchangers in ground-source heat pump systems. Inclining the boreholes relative to the vertical axis presents an opportunity to reduce the ground level footprint of the borehole field thus allowing for the installation of geothermal systems in retrofit applications or under buildings with small footprints. The commercial code COMSOL was used to develop the computational model. A series of validation and verification studies were performed to ensure the accuracy of the modelling approach. Simulations were conducted under constant and transient heat injection, where the effect of energy load imbalance is analyzed. Additionally, the effect of discontinuous loading with natural and forced recovery cycles is investigated. When exposed to a constant heat injection rate, configurations of angled borehole heat exchangers initially perform the same as vertical borehole heat exchangers. Then, there is a relatively short period where the angled configurations have slightly decreased performance due to increased thermal interaction in the near surface. At longer times, however, there is a significant benefit in using angled borehole heat exchangers as a result of the increased ground volume in the lower portion of the field. Under transient loading conditions, the conclusions were the same as constant heat injection, although the differences were smaller when the energy loading was balanced. However, when the loading was cooling dominated, by year 10 there was a significantly better performance observed for the angled boreholes. This indicates that the configurations of angled borehole heat exchangers can withstand a higher intensity of imbalanced energy loads compared to vertical configurations. Discontinuous loading was investigated by varying the length of time heat injection would occur on a daily basis. These daily perturbations led to small performance losses in the angled boreholes due to the increased thermal interaction in the near surface. Furthermore, imposing a forced recovery on the system by circulating fluid while heat injection was off did not significantly affect the fluid temperature or ground temperature. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

<p>Rapporten handlar om ett examensarbete omfattande 20 p som är utfört för Thermia AB i Arvika. Uppdragsgivaren ville få fram förslag på möjliga åtgärder som kan minska ljudnivån från en luftvärmeväxlare. För bra helhetsbild av projektet, läs även kapitel: 6.</p><p>Värmeväxlaren ingår som en komponent i ett värmepumpssystem, Thermia Aer 5, som använder uteluften som värmekälla. Huvudmålet med projektet blev alltså att undersöka och utvärdera ljudbildningen från värmeväxlaren samt att komma fram till olika förslag på möjliga åtgärder som har potential att sänka ljudnivån. Värmeväxlarens förmåga att uppta energi fick ej heller försämras.</p><p>I projektets slutskede tillverkades det också en enkel prototyp på ett av designförslagen där den störande ljudnivån blev lägre. Läs mer om detta längre ner.</p><p>Ett delmål som vi själva formulerade, var också att undersöka olika möjligheter att öka värmepumpssystemets totala kapacitet för energiupptagning genom att kombinera systemet med någon form av solfångare. Kombinationen solfångare och luftvärmeväxlare innebär också en lägre ljudnivå eftersom fläkten i värmeväxlaren mer sällan behöver gå på full effekt. I viss mån har även estetiska aspekter på formgivningen beaktats.</p><p>Nedan presenteras fyra olika förslag på idéer för att öka luftvärmeväxlarens prestanda:</p><p>Av det första förslaget tillverkades en prototyp där luftvärmeväxlarens utblås är riktat uppåt, istället för som nu åt sidan, vilket minskar risken att omgivningen nås av högfrekvent ljud. Högfrekvent ljud sprids nämligen inte så mycket i sidled.</p><p>Batteridelen på värmeväxlaren har fått en större area, vilket möjliggör ett minskat volymflöde av luft, utan att den tappar i effekt, jämfört med nuvarande värmeväxlare.</p><p>Dessa två åtgärder reducerar det avgivna ljudet med ca10 dB.</p><p>En större batteriarea är även positivt ur energisynpunkt då värmefaktorn (COP) ökar på grund av ett minskat antal nödvändiga avfrostningar.</p><p>Förslag nummer två inbegriper en solfångarlösning som, tack vare avsaknaden av direktförångning, även går att direktkoppla till köldbäraren (brinen) eller direkt mot värmepumpens ackumulatortank.</p><p>Solfångaren täcker hela effektbehovet på sommaren och ger ett tillskott resten av året.</p><p>Det tredje förslaget är en s.k. väggplacerad luftsolfångare som förvärmer insugsluften till värmeväxlaren. Den uppenbara fördelen med detta alternativ är den synnerligen enkla konstruktionen vilket gör att kostnaden kan hållas nere, se bild 4.4.4-2.</p><p>Det fjärde förslaget, är att låta hela husets tak fungera som en solfångare som bilderna 6-1 visar. Inströmmande luft till värmeväxlaren förvärms av de soluppvärmda takpannorna som kan vara av tegel, betong eller ännu hellre av glas. Dessutom tillvaratas förlustvärme från hustak och ventilation. Detta förslag ger ett mycket gott energiutbyte.</p><p>Ytterligare ett intressant sätt att sänka ljudbildningen är att driva fram luften genom värmeväxlaren, helt eller delvis, med hjälp av en hög elektrisk spänning, se kapitel: 6.6.</p> / <p>This report is a candidate degree and the assignment is done in the interest of Thermia AB in Arvika, Sweden. The company wanted proposals of preventive measures aiming to reduce sound emission from a heat exchanger. For a good general impression of the project, see chapter 6. The heat exchanger forms a part of a component in a heat pump system, called Thermia Aer 5, which uses air from outside as a heat source.</p><p>The main target of the project was to examine and evaluate sound emission from the heat exchanger and to get different proposals on possible preventive measures in order to lower sound emission. It was not allowed to reduce the heat exchangers ability to collect energy.</p><p>In the end of the project a simple prototype was built which took advantage of some of the design proposals. The sound emission from the prototype was reduced.</p><p>Another target, formulated by ourselves, was to examine different possibilities to increase the capacity of the heat pump system by combining it with solar collectors. The heat pump system combined with solar collectors also produces reduced sound emission.</p><p>Even some aesthetic aspects have been taken into consideration.</p><p>Below, four different proposals of ideas are introduced that can increase the performance of the heat exchanger:</p><p>The first solution was to direct the air exhaust upwards instead of the tangential exhaust on the present heat exchanger. This makes it more improbable that a high frequency sound wave should reach the surrounding area. Sound with high frequency doesn’t spread so much in a sideways direction. An increase of the battery area makes it possible to lower the air volume flow, because of the increased potential for energy output. These two measures reduced the sound level with a proximal amount of about 10 dB. In addition, an increased exchange battery area increases the heat factor (COP) due to the frost distribution on the battery.</p><p>Solution number two include a solar panel that, due to the lack of direct vaporization in the heat pump system, is possible to serial connect direct on the brine or indirectly to the water accumulation tank. The solar panel gives hot water in the summer and an additional energy output the rest of the year.</p><p>The third solution is a wall mounted air solar panel which gives the air a higher input temperature to the air heat exchanger. This is a very simple and cost effective solution.</p><p>The fourth solution is to let the whole roof of the house act as a solar collector as the pictures 6-1 describes. The sun heats the roofing tile which, in turn, heats streaming air that reaches the heat exchanger. The tile can been made of tiling, concrete - or preferably - transparent glass. Furthermore heat loss from the roof and ventilation is prevented.</p><p>Another interesting solution that reduces sound emission is to force air through the exchanger with a high electric voltage field. Further information chapter: 6.6.</p>

Cette thèse de doctorat a pour objet l'étude d'échangeurs géothermiques hélicoïdaux implantés dans le proche sous-sol. Ces objets font partie de la famille des échangeurs géothermiques compacts, et sont une alternative aux sondes verticales et aux nappes horizontales plus couramment utilisées pour chauffer et rafraîchir des bâtiments (géothermie sèche, très basse enthalpie). L'étude à la fois théorique et expérimentale de ces échangeurs mène à différents modèles, numériques comme analytiques, permettant de prévoir le comportement en température du sous-sol comme du fluide caloporteur. Des résultats de simulation intégrant le couplage aux bâtiments sont présentés, et des outils logiciels ont été créés pour aider au dimensionnement d'installations. De surcroît, un "test de réponse thermique" adapté à ces échangeurs a été développé, afin de permettre d'estimer les propriétés thermiques moyennes du sous-sol et la résistance thermique liée à l'installation de l'échangeur. Enfin, des conseils pratiques sont donnés, dont le but est d'obtenir les températures d'utilisation les mieux adaptées aux pompes à chaleur, et en conséquence d'améliorer les coefficients de performance du système. / This thesis consists in a study of geothermal helical heat exchangers buried in the close underground. These objects belong to the compact exchangers kind and may be used instead of borehole heat exchanger or geothermal horizontal exchangers to cope with the needs in heating and cooling buildings with a heat pump. A theoretical and experimental study of these exchangers leads to numerical and analytical models which can be used to estimate the temperatures in the underground and in the exchanger over years. Results of simulations including a building are given, and softwares were developed to help with the sizing of installations. Moreover, a specific "thermal response test" for helical heat exchangers was developed, in order to estimate the mean thermal properties of the underground and the thermal resistance between the heat transfer fluid and the underground. At least, practical advices are given, which goal is to get more valuable temperatures at the heat pump and as a consequence better coefficients of performance of the geothermal system.

Rapporten handlar om ett examensarbete omfattande 20 p som är utfört för Thermia AB i Arvika. Uppdragsgivaren ville få fram förslag på möjliga åtgärder som kan minska ljudnivån från en luftvärmeväxlare. För bra helhetsbild av projektet, läs även kapitel: 6. Värmeväxlaren ingår som en komponent i ett värmepumpssystem, Thermia Aer 5, som använder uteluften som värmekälla. Huvudmålet med projektet blev alltså att undersöka och utvärdera ljudbildningen från värmeväxlaren samt att komma fram till olika förslag på möjliga åtgärder som har potential att sänka ljudnivån. Värmeväxlarens förmåga att uppta energi fick ej heller försämras. I projektets slutskede tillverkades det också en enkel prototyp på ett av designförslagen där den störande ljudnivån blev lägre. Läs mer om detta längre ner. Ett delmål som vi själva formulerade, var också att undersöka olika möjligheter att öka värmepumpssystemets totala kapacitet för energiupptagning genom att kombinera systemet med någon form av solfångare. Kombinationen solfångare och luftvärmeväxlare innebär också en lägre ljudnivå eftersom fläkten i värmeväxlaren mer sällan behöver gå på full effekt. I viss mån har även estetiska aspekter på formgivningen beaktats. Nedan presenteras fyra olika förslag på idéer för att öka luftvärmeväxlarens prestanda: Av det första förslaget tillverkades en prototyp där luftvärmeväxlarens utblås är riktat uppåt, istället för som nu åt sidan, vilket minskar risken att omgivningen nås av högfrekvent ljud. Högfrekvent ljud sprids nämligen inte så mycket i sidled. Batteridelen på värmeväxlaren har fått en större area, vilket möjliggör ett minskat volymflöde av luft, utan att den tappar i effekt, jämfört med nuvarande värmeväxlare. Dessa två åtgärder reducerar det avgivna ljudet med ca10 dB. En större batteriarea är även positivt ur energisynpunkt då värmefaktorn (COP) ökar på grund av ett minskat antal nödvändiga avfrostningar. Förslag nummer två inbegriper en solfångarlösning som, tack vare avsaknaden av direktförångning, även går att direktkoppla till köldbäraren (brinen) eller direkt mot värmepumpens ackumulatortank. Solfångaren täcker hela effektbehovet på sommaren och ger ett tillskott resten av året. Det tredje förslaget är en s.k. väggplacerad luftsolfångare som förvärmer insugsluften till värmeväxlaren. Den uppenbara fördelen med detta alternativ är den synnerligen enkla konstruktionen vilket gör att kostnaden kan hållas nere, se bild 4.4.4-2. Det fjärde förslaget, är att låta hela husets tak fungera som en solfångare som bilderna 6-1 visar. Inströmmande luft till värmeväxlaren förvärms av de soluppvärmda takpannorna som kan vara av tegel, betong eller ännu hellre av glas. Dessutom tillvaratas förlustvärme från hustak och ventilation. Detta förslag ger ett mycket gott energiutbyte. Ytterligare ett intressant sätt att sänka ljudbildningen är att driva fram luften genom värmeväxlaren, helt eller delvis, med hjälp av en hög elektrisk spänning, se kapitel: 6.6. / This report is a candidate degree and the assignment is done in the interest of Thermia AB in Arvika, Sweden. The company wanted proposals of preventive measures aiming to reduce sound emission from a heat exchanger. For a good general impression of the project, see chapter 6. The heat exchanger forms a part of a component in a heat pump system, called Thermia Aer 5, which uses air from outside as a heat source. The main target of the project was to examine and evaluate sound emission from the heat exchanger and to get different proposals on possible preventive measures in order to lower sound emission. It was not allowed to reduce the heat exchangers ability to collect energy. In the end of the project a simple prototype was built which took advantage of some of the design proposals. The sound emission from the prototype was reduced. Another target, formulated by ourselves, was to examine different possibilities to increase the capacity of the heat pump system by combining it with solar collectors. The heat pump system combined with solar collectors also produces reduced sound emission. Even some aesthetic aspects have been taken into consideration. Below, four different proposals of ideas are introduced that can increase the performance of the heat exchanger: The first solution was to direct the air exhaust upwards instead of the tangential exhaust on the present heat exchanger. This makes it more improbable that a high frequency sound wave should reach the surrounding area. Sound with high frequency doesn’t spread so much in a sideways direction. An increase of the battery area makes it possible to lower the air volume flow, because of the increased potential for energy output. These two measures reduced the sound level with a proximal amount of about 10 dB. In addition, an increased exchange battery area increases the heat factor (COP) due to the frost distribution on the battery. Solution number two include a solar panel that, due to the lack of direct vaporization in the heat pump system, is possible to serial connect direct on the brine or indirectly to the water accumulation tank. The solar panel gives hot water in the summer and an additional energy output the rest of the year. The third solution is a wall mounted air solar panel which gives the air a higher input temperature to the air heat exchanger. This is a very simple and cost effective solution. The fourth solution is to let the whole roof of the house act as a solar collector as the pictures 6-1 describes. The sun heats the roofing tile which, in turn, heats streaming air that reaches the heat exchanger. The tile can been made of tiling, concrete - or preferably - transparent glass. Furthermore heat loss from the roof and ventilation is prevented. Another interesting solution that reduces sound emission is to force air through the exchanger with a high electric voltage field. Further information chapter: 6.6.

Dans le cadre du programme CEA R&D pour développer un prototype industriel de Réacteur à Neutrons Rapides refroidi au Sodium (RNR-Na), cette thèse vise à proposer une technologie d'échangeur de chaleur compact innovant. Afin d'augmenter la compacité globale du composant la conception est réalisée d’un canal: il peut être considéré comme le résultat de la superposition de deux canaux ondulés en opposition de phase. Afin de fournir un modèle numérique physiquement cohérent, un nouveau modèle de turbulence à viscosité turbulente non linéaire nommé modèle ASST a été développé et implémenté dans le solveur ANSYS FLUENT ®. Il a été démontré que le modèle ASST peut fournir une alternative intéressante aux modèles plus complexes. Pour valider le modèle ASST, deux montages expérimentaux ont été réalisés, dont un utilisant la Vélocimétrie Laser à franges et l'autre la Vélocimétrie Laser par images de particules. Pour la validation thermique, l'installation "VHEGAS" a été construite. Une fois le modèle ASST validé, les performances pour différentes géométries peuvent être étudiées. Enfin, il a été montré que la géométrie innovante est la plus compacte parmi les autres technologies d'échangeurs de chaleur compacts type PCHE. / In the framework of CEA R&D program to develop an industrial prototype of Sodiumcooled Fast Reactor, the present thesis aimed to propose an innovative compact heat exchanger technology. In order to increase the global compactness the basic idea of this work is to design a channel were the fluid flow is as much three-dimensional as possible. In particular the channel can be thought as the result of the superposition of two undulated channels in phase opposition. To numerically provide a physically-consistent model, a new non-linear eddy viscosity named Anisotropic Shear Stress Transport (ASST) model has been developed and implemented into the available solver ANSYS FLUENT. To validate the numerical model, two experimental sections have been used to acquire an extensive aerodynamic database, whereas, to validate the thermal modeling approach, the VHEGAS facility has been built. Once having validated the ASST model, correlations for friction factor and Nusselt number for various geometries could be obtained. Finally, it has been shown that the innovative channel is the most compact one among the most important existing industrial compact heat exchanger technologies.

Försmutsning av plattvärmeväxlare i fjärrvärmecentraler minskar avkylningen av det cirkulerande vattnet i fjärrvärmenätet. Detta ökar behovet av värmeproduktion i fjärrvärmeverket vilket medför ökade utsläpp av växthusgaser. Mängden försmutsning beror på vattnets kvalitet och material i systemet. I denna studie undersöks prestandaförändring av värmeväxlare i fjärrvärmecentraler för småhus före och efter rengöring samt för en ny värmeväxlare. Prestandan mäts i laboratorium genom att mäta temperaturer på in- och utlopp på värmeväxlaren vid bestämda flöden. Utvärderingen inkluderar prestandaförändring för UA-värdet, Temperaturverkningsgrad, Effektivitet NTU och möjlig påverkan på växthusgasutsläpp från Borlänge Energis fjärrvärmesystem. En osäkerhetsanalys genomfördes för att bestämma de teoretiska osäkerheterna.Resultaten från studien visar att rengöring av småhusvärmeväxlare med CIP-metoden har en viss effekt på både tappvattenvärmeväxlaren och värmeväxlaren. För värmeväxlaren är förändringen liten där ökningen på UA-värdet ligger mellan 10–202 W/˚C jämfört med tappvattenvärmeväxlaren där det ligger mellan 205–870 W/˚C. Störst effekt har rengöringen på tappvattenvärmeväxlaren vid högre flöde. Värmeöverföringen är likvärdig för en ny värmeväxlare och den rengjorda.En sänkt returtemperatur från fjärrvärmecentraler leder till en förbättrad verkningsgrad på fjärrvärmeverket som bidrar till en minskning av mängden växthusgasutsläpp. Enligt de resultat och beräkningar utförda i studien kan genom rengöring returtemperaturen minskas med 2,3 ˚C ±0,4 % från fjärrvärmecentralerna i småhus till Borlänge Energis fjärrvärmenät.Rengöring av tappvattenvärmeväxlare kan vara ett alternativ till att byta ut mot en ny för småhusägaren, med förutsättning att priset för rengöring är lägre än att köpa en ny och att fjärrvärmesystemet har flödesavgift. Detta gäller dock inte värmeväxlaren för värme där skillnaden i värmeöverföring mellan en smutsig och ny eller rengjord är marginell. / Fouling of plate heat exchangers in district heating substations reduces the cooling of circulating water in the district heating network. This increases energy production at the district heating plant, which results in increased greenhouse gas emissions. The amount of fouling depends on the quality of the water and material in the system. This study evaluates the performance change of heat exchangers in district heating substations for residential housing before and after cleaning, and new heat exchangers. Performance is measured in the laboratory by measuring temperatures before and after cleaning at specified flows. The evaluation includes performance change of UA-value, Temperature efficiency, Effectiveness NTU and possible impact on greenhouse gas emissions from Borlänge Energi's district heating system.The results of the study show that cleaning of residential heat exchangers with the CIP method has a certain effect on both the tap water heat exchanger and the heat exchanger. For the heat exchanger, the improvement in performance is small where the UA-value increases between 10-202 W/˚C compared to the tap water heat exchanger where it is between 205-870 W/˚C. The highest effect is the cleaning on the tap water heat exchanger at higher flow. The heat transfer is equivalent for a new heat exchanger and the cleaned one.Reduced return temperature from the district heating network leads to an improved efficiency at the district heating plant, which contributes to a reduction in the amount of greenhouse gas emissions. According to the results and calculations performed in the study, by cleaning the return temperature can be reduced by 2,3 ˚C ± 0.4% from the district heating substations in residential houses to Borlänge Energy's district heating network.Cleaning of tap water heat exchangers can be an alternative to switching to a new one for the homeowner, provided that the price for cleaning is lower than buying a new one and that the district heating system has flow rate tariff. However, this does not apply to the heat exchanger where the difference in heat transfer between one with fouling and a new or cleaned is marginal.

[ES] La energía geotérmica de baja entalpía es una alternativa eficiente y renovable a los sistemas convencionales para proporcionar calefacción, refrigeración y producir agua caliente sanitaria (ACS) de forma sostenible. El proyecto GEOTeCH plantea el desarrollo de sistemas con bomba de calor geotérmica más eficientes y con un coste menor en comparación con el mercado. Para ello, se ha desarrollado un nuevo tipo de intercambiador enterrado coaxial con flujo helicoidal en el tubo externo que presenta una mayor eficiencia y permite reducir la longitud de intercambiador a instalar, así como una bomba de calor dual con compresor de velocidad variable, capaz de trabajar con el terreno o el aire como fuente/sumidero, seleccionando la que proporcione un mejor rendimiento del sistema. El principal objetivo es desarrollar un sistema eficiente y replicable para proporcionar calefacción, refrigeración y producir ACS en el sector de mercado de pequeños edificios con un tamaño menor en el campo de intercambiadores enterrados y un aumento de la eficiencia. Para demostrar la aplicabilidad de estos sistemas, se han construido tres instalaciones demostración en tres países europeos. En esta tesis doctoral se ha desarrollado un modelo dinámico completo del sistema en el software TRNSYS, capaz de reproducir el comportamiento de los diferentes componentes y del sistema en general. Este modelo constituye una herramienta útil para el desarrollo y análisis de diferentes estrategias de control sin la necesidad de implementarlas en instalaciones reales, así como analizar el comportamiento del sistema funcionando bajo condiciones diferentes. Para este propósito, es necesario desarrollar modelos detallados de los nuevos componentes desarrollados en el proyecto: el intercambiador enterrado coaxial helicoidal y la bomba de calor dual; para poder acoplarlos al resto de componentes en el modelo completo del sistema. Por ello, se ha desarrollado un modelo dinámico del nuevo intercambiador, capaz de reproducir con precisión el comportamiento a corto plazo del intercambiador, enfocado a la evolución de la temperatura del fluido, y se ha validado con datos experimentales en diferentes condiciones de operación. Para poder reproducir no solo el comportamiento dinámico del intercambiador enterrado, sino también la respuesta a largo plazo del terreno y la interacción entre intercambiadores en un campo, se ha desarrollado otro modelo en TRNSYS que realiza esta función. De esta manera, al acoplar ambos modelos es posible reproducir el comportamiento a corto plazo del intercambiador enterrado a la vez que la respuesta a largo plazo del terreno. Por otro lado, se ha implementado en TRNSYS un modelo de la bomba de calor dual desarrollado. Con este modelo es posible calcular la capacidad de la bomba de calor dependiendo del modo de operación en que esté funcionando, de la frecuencia del compresor y otras variables y condiciones de operación. El modelo del sistema dual en TRNSYS se ha utilizado para hacer un análisis de su comportamiento funcionando en diferentes climas, para ello se han seleccionado tres ciudades en España y en Europa con diferentes climas y se han realizado simulaciones del sistema funcionando en cada ciudad. Por otro lado, también se ha modelado en TRNSYS una de las instalaciones demostración del proyecto GEOTeCH, incluyendo el edificio climatizado y el acoplamiento con los fan coils. Con este modelo se estudia una nueva estrategia para controlar la frecuencia del compresor en base a la temperatura de las habitaciones, en lugar de controlarla en base a la temperatura de suministro, con el objetivo de reducir el consumo del compresor cuando ya se haya conseguido el confort. Además, otras estrategias de optimización se han analizado con el modelo.Por tanto, los modelos desarrollados constituyen herramientas útiles para ayudar en el diseño del sistema y los diferentes componentes, el análisis de su comportamiento y el d / [CA] L'energia geotèrmica de baixa entalpia es planteja com una alternativa eficient i renovable als sistemes convencionals per proporcionar calefacció, refrigeració i produir aigua calenta sanitària (ACS) de forma sostenible. El projecte GEOTeCH planteja el desenvolupament de sistemes amb bomba de calor geotèrmica més eficients i amb un cost menor en comparació amb el mercat. Per a això, s'ha desenvolupat un nou tipus d'intercanviador enterrat coaxial amb flux helicoïdal en el tub extern que presenta una major eficiència i permet reduir la longitud a instal·lar, així com una bomba de calor dual amb compressor de velocitat variable, capaç de treballar amb el terreny o l'aire com a font, seleccionant la que proporcione un millor rendiment. Aquests components s'utilitzen en el nou sistema amb bomba de calor dual. El principal objectiu és desenvolupar un sistema eficient i replicable per proporcionar calefacció, refrigeració i produir ACS en edificis xicotets amb una grandària menor d'intercanviadors soterrats i un augment de l'eficiència. Per demostrar l'aplicabilitat d'aquests sistemes, s'han construït tres instal·lacions demostració en Itàlia, Països Baixos i Regne Unit. En aquesta tesi s'ha desenvolupat un model dinàmic complet del sistema en TRNSYS, capaç de reproduir el comportament dels components i del sistema en general. Aquest model constitueix una eina útil per al desenvolupament i anàlisi de diferents estratègies de control sense la necessitat d'implementar-les en instal·lacions reals, així com analitzar el comportament del sistema funcionant en condicions diferents. Per a això, cal desenvolupar models detallats dels nous components desenvolupats en el projecte: l'intercanviador enterrat i la bomba de calor dual; per poder acoblar-los a la resta de components. Per això, s'ha desenvolupat un model dinàmic del nou intercanviador enterrat, capaç de reproduir amb precisió el comportament a curt termini de l'intercanviador, enfocat a l'evolució de la temperatura del fluid, i s'ha validat amb dades experimentals en diferents condicions d'operació. Per a poder reproduir no només el comportament dinàmic de l'intercanviador soterrat, sinó també la resposta a llarg termini del terreny i la interacció entre intercanviadors en un camp, s'ha desenvolupat un altre model en TRNSYS que realitza aquesta funció. D'aquesta manera, en acoblar els dos models és possible reproduir el comportament a curt termini de l'intercanviador enterrat, al mateix temps que la resposta a llarg termini del terreny. D'altra banda, s'ha implementat en TRNSYS un model de la bomba de calor. Amb aquest model és possible calcular la capacitat de la bomba de calor depenent del mode d'operació en què estiga funcionant, de la freqüència del compressor i altres variables i condicions d'operació. El model del sistema dual en TRNSYS s'ha utilitzat per a fer una anàlisi del seu comportament funcionant en diferents climes, per a això s'han seleccionat tres ciutats a Espanya i tres a Europa amb diferents climes i s'han realitzat simulacions del sistema funcionant en cada ciutat durant un any. S'ha analitzat l'eficiència del sistema en cada ciutat, així com l'ús de cadascuna de les fonts (aire / terreny). D'altra banda, també s'ha modelat en TRNSYS una de les instal·lacions demostració del projecte GEOTeCH, incloent l'edifici d'oficines climatitzat i l'acoblament amb els fan coils. Amb aquest model es pretén estudiar una nova estratègia per a controlar la freqüència del compressor d'acord amb la temperatura de les habitacions, en lloc de controlar-la en base a la temperatura de subministrament, amb l'objectiu de reduir el consum del compressor quan les habitacions ja es troben en condicions de confort. A més, altres estratègies d'optimització s'han analitzat amb el model. Per tant, els models desenvolupats constitueixen eines útils per ajudar en el disseny del sistema i els diferents components, l'anàlisi del / [EN] Low enthalpy geothermal energy is considered as an efficient and renewable alternative to conventional systems to provide heating, cooling and Domestic Hot Water (DHW) production in a sustainable way. In this context, the GEOTeCH project proposes the development of more efficient geothermal heat pump systems with a lower cost compared to the market. To this end, a new type of coaxial Borehole Heat Exchanger (BHE) with helical flow through the outer tube has been developed, which presents a higher efficiency and allows to reduce the length of the heat exchanger to be installed, as well as a Dual Source Heat Pump (DSHP) with variable speed compressor, capable of working with the ground or air as a source / sink, selecting the one that provides the best performance of the system. These components are used in the new DSHP system developed. The main objective is to develop efficient and replicable systems to provide heating, cooling and DHW in the market sector of small buildings with a smaller size of the BHE field and an increase in the efficiency. To demonstrate the applicability of these systems, three demonstration facilities have been installed in Italy, the Netherlands and the UK. In this thesis, a complete dynamic model of the system has been developed in the TRNSYS software, capable of reproducing the behavior of the different components and the system in general. This model is a useful tool for the development and analysis of different control strategies without the need to implement them in real installations, as well as analyses the behavior of the system operating under different conditions. For this purpose, it is necessary to develop detailed models of the new components developed in the project: the BHE and the DSHP; to couple them to the rest of the components of the system. For this reason, a dynamic model of the new BHE was developed, able to accurately reproduce its short-term behavior, focused on the evolution of the fluid temperature, and validated with experimental data in different operating conditions. In order to reproduce not only the dynamic behavior of the BHE, but also the long-term response of the ground and the interaction between BHEs in a field, another model was developed in TRNSYS. In this way, by coupling both models, it is possible to reproduce the short-term behavior of the BHE as well as the long-term response of the ground. On the other hand, a model of the DSHP was implemented in TRNSYS. With this model, it is possible to calculate the capacity of the heat pump depending on the operating mode in which it is operating, the frequency of the compressor and other variables and operating conditions. The model of the hybrid system in TRNSYS has been used to make an analysis of its behavior working in different climatic conditions, for which three cities have been selected in Spain and three in Europe, with different climates. So, different simulations of the system have been carried out in each city for one year. The efficiency of the system in each city has been analyzed, as well as the use of each of the sources (air / ground). On the other hand, one of the demo-sites of the GEOTeCH project, including the conditioned office building and the coupling with the fan coils, has also been modelled in TRNSYS. With this model, it is studied a new strategy to control the frequency of the compressor based on the temperature of the rooms, instead of controlling it based on the supply temperature, with the aim of reducing the consumption of the compressor when the rooms are already in comfort conditions. In addition, other optimization strategies have been analyzed with the model. Therefore, the models developed, both for the BHE and the system, are able to reproduce their operation and can be used as virtual installations, constituting useful tools to help in the design of the system and the different components, the analysis of their behavior and the development of optimization strategies. / I would like to acknowledge the financial support that has made this PhD thesis possible. The present work has been supported by the European Community Horizon 2020 Program for European Research and Technological Development (2014-2020) inside the framework of the project 656889 – GEOTeCH (Geothermal Technology for Economic Cooling and Heating), also by the Generalitat Valenciana inside the program “Ayudas para la contratación de personal investigador en formación de carácter predoctoral (ACIF/2016/131)” and by the Institute for Energy Engineering of the Universitat Politècnica de València. / Cazorla Marín, A. (2019). MODELLING AND EXPERIMENTAL VALIDATION OF AN INNOVATIVE COAXIAL HELICAL BOREHOLE HEAT EXCHANGER FOR A DUAL SOURCE HEAT PUMP SYSTEM [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/125696 / TESIS