During the construction of the new 3 story, 25,000+ square foot police station, a decision was made to participate in the LEED program to ensure the building had low operating costs, reduced emissions, conserved water and overall energy. The design of the building includes a primary-secondary ground source heat pump (GSHP) loop, a Dedicated Outside Air System (DOAS) with Energy Recovery Ventilation (ERV) wheel, all controlled by CO2 monitoring through Demand Control Ventilation (DCV) to supply heat pumps located in each space; all monitored by a Building Automation System (BAS). The building’s future energy performance was predicted through an energy simulation model (ESM) software. Measurement and verification (M&V) was then performed on the building to determine its actual energy performance. Data was collected through the building’s electrical meters, the building automation system (BAS), and other techniques to determine discrepancies. Installed electrical submetering along with ESM results helped identify faults on a subcomponent level. This bottom up approach helped drive a successful retro-commissioning of the building systems reducing energy consumption. This thesis will detail a methodology for retro-commissioning of underperforming new-construction buildings. Optimization of the building’s systems will be facilitated through utilization of the M&V and ESM data. Discussed will be techniques and strategies to benchmark the building’s systems, providing utility from the retro-commissioning and M&V results, to determine the value of the ESM. Last will be to discuss and demonstrate the future benefits of utilizing this real-time data to help building operators reduce, manage, and sustain their energy consumption profiles.

<p>The heating sector accounts for almost half of total global energy consumption, with only 1/10th of heat produced from renewables. The adoption and technological advancement of heat pumps is key to electrifying heating, introducing more renewable sources, and decreasing energy expenditure. However, a range of complex barriers–including upfront costs, electricity costs, outdoor temperature, and building characteristics–hinder widespread heat pump adoption. High- resolution temporal and geospatial analysis is a powerful tool for understanding the patterns of such barriers, improving discernment of issues specific to certain populations. This project characterizes different heat pump technologies’ effects on residential energy use and expenditure with a high-resolution linear regression model of energy demand. We constructed linear regression efficiency models for two types of market-available heat pumps, characterized by refrigerant type and compressor type. With the thermal comfort energy demand estimates and estimated heat pump efficiency, we calculated the census tract, hourly-level energy demand in a 100% heat pump adoption case. We obtained these energy demand estimates for the states of Colorado and California–chosen due to their diverse climates and demographics–and used these energy demand estimates to calculate heat pump cost, electricity grid emissions, and energy burden. We also performed a case study comparison with actual heat pump energy consumption data for a household in West Lafayette, Indiana. </p> <p><br></p> <p>We found that heat pumps reduce total heating energy consumption and overall energy consumption for nearly all census tracts in both Colorado and California. In addition, for heating and overall energy consumption, our market average R410A heat pump model has the lower total variable cost in all census tracts relative to our R32 heat pump model. For cooling energy consumption, the R32 heat pump operates at a lower total variable cost than the R410A heat pump in most census tracts. Heat pumps tend to decrease average energy burden—percentage of household income dedicated to energy expenditure—in the less population-dense areas of both states. However, heat pump adoption leads to increased energy burden within cities. In comparison to our case study West Lafayette household, we obtained a relative root mean squared error for daily energy consumption of 28%, which is higher than studies using detailed engineering models at a single household-level but lower than studies using building simulation models. </p>

The purpose of this project is to compare the two heating technologies, district heating and heat pumps. This report is written with the ultimate aim of supporting a private customer in the choice between two heating technologies. The report will analyse and compare the different heating technologies to provide heating to an average house in the Stockholm region, with a yearly energy need of 15 000 kWh for space heating. This report is divided into three parts – technology, economics and environment.In the technical part of the report, the efficiency levels of the different heating techniques will be analysed in conjunction with if the heat pump fulfils the house need of heating power. In the economic part of the report, cost estimations for an investment in both heating technologies are calculated, where the district heating system is assumed existing in the area. In the environmental part of the report, two subjects will be analysed: the climate impact and sustainable development. The climate impact will be analysed with a focus on the processing of fuel in a Combined Heat and Power system. The sustainable development analysis will focus on 20-20- 20-goals from the European Union. At the end of the report, the results are presented, together with a sensitivity analysis, a discussion, and a suggestion for future work.The results show that the selected heat pump model NIBE F2030-9 has a yearly energy need of 3800 kWh electrical energy, and a SCOP-factor of 3.69. The district heat system has a yearly energy need of 15 200 kWh district heating and 200 kWh electrical energy to the district heating central. The average yearly efficiency of the district heat central is 0.99 and the total efficiency amounts to 0.82. A yearly cost for heat pumps is 13 300 SEK, and for district heating 23 100 SEK. The yearly emission of carbon dioxide from heat pumps is calculated to vary between 100 kg and 1 300 kg depending on the selection of electricity supplier. For district heating the yearly emission of carbon dioxide is calculated to be 1 000 kg. / Denna rapport har som syfte att studera, jämföra och syna argumenten för två uppvärmningstekniker; fjärrvärme och värmepumpar. Detta för att kunna understödja och råda en privatkund vid valet. Jämförelsen och analysen kommer att ske för en medelstor villa i Stockholmsområdet, med ett årligt energibehov för uppvärmning på 15 000 kWh. Rapporten är uppdelad i tre delar - teknik, ekonomi och miljö.I den tekniska delen beräknas de olika uppvärmningsteknikernas energibehov, verkningsgrader och om värmepumpen uppfyller bostadens effektbehov. I den ekonomiska delen görs en kostnadskalkyl för nyinvestering av respektive uppvärmningsteknik, med ett fjärrvärmenät som antas vara redan utbyggt. I miljödelen behandlas två miljöfaktorer - klimatpåverkan och hållbar utveckling. Den första faktorn, klimatpåverkan, analyseras med fokus på bearbetningen av ett antal bränslen till el- och värmeproduktionssystemet. Den andra faktorn, hållbar utveckling, analyseras med fokus på hur aktörerna av fjärrvärme och värmepumpar jobbar för att uppnå EU:s 20-20-20-mål. I slutet av rapporten finns resultat inklusive känslighetsanalys, diskussion och förslag på framtida arbete.Resultatet visar att den utvalda värmepumpen NIBE F2030-9 har ett årligt energibehov på 3800 kWh i form av elenergi och en årsvärmefaktor, även kallad SCOP-faktor på 3,69. Fjärrvärmesystemet har i sin tur ett årligt energibehov på 15 200 kWh fjärrvärme för uppvärmning och 200 kWh elenergi till fjärrvärmecentralen. Den årliga medelverkningsgraden för fjärrvärmecentralen uppgår till 0,99 samtidigt som totalverkningsgraden uppgår till 0,82. En total årlig kostnad är för värmepump 13 300 SEK och för fjärrvärme 23 100 SEK. Det årliga utsläppet av koldioxid för värmepumpar beräknas variera mellan 100 kg och 1 300 kg beroende av val av elavtal, och för fjärrvärme beräknas det till 1000 kg.

No description available.

The building sector is responsible for excessive amounts of energy consumption and energy related emissions. The need to implement sustainable technology is crucial, such as heat pumps. However, faults within the system puts a strain on energy consumption. Studies have revealed that digital monitoring has the possibility to enhance energy-efficiency. Specifically, Machine Learning techniques has proven to be successful in the field of system optimization and fault detection which can help reduce energy consumption and additional costs. The aim of this thesis is to investigate how data analysis and Machine Learning techniques can be used to make performance predictions of heat pump systems.This thesis focuses on developing regression models for heat pump performance predictions using data from real-time field measurements from two ground-source heat pumps connected to a large facility. The predicted performance metrics are the Coefficient of Performance (COP) and Carnot efficiency. The research methodology includes a literature review, data pre-processing, feature selection and model development. The data was pre-processed to remove unsatisfactory information, and relevant input features were identified during feature selection. Regression models were developed ranging from simple linear to non-linear regression with up to four input features and third-degree polynomial. The models were evaluated using three different model evaluation metrics.The results of this thesis revealed that the best performing models for predicting COP were non-linear, including three to four input features with a third-degree polynomial. These models were able to achieve over 90% accuracy. However, models predicting Carnot efficiency showed deviations for one of the heat pumps. These results revealed the importance of the feature selection process when developing regression models. The significant features to consider were revealed to be the discharge refrigerant (the temperature of the refrigerant at compressor outlet) and the compressor voltage signal. The data analysis process and regression models revealed assumed measurement error or faults in one of the heat pump systems.In conclusion, this study emphasizes the effectiveness of Machine Learning techniques for heat pump performance predictions, specifically highlighting the role of feature selection.

Den nuvarande EU-strategin för hållbar utveckling har som övergripande syfte att fastställa och utveckla åtgärder så att livskvaliteten ständigt kan förbättras, både för nuvarande och kommande generationer. En del i strategin är klimatmål som i första skedet sträcker sig till år 2020, dess medlemsstater ska då bland annat ha reducerat både sin energianvändning och sina utsläpp av växthusgaser med 20 %. I Sverige står bostad- och servicesektorn för 40 % av landets energianvändning, de har själva satt målet till 25 % besparing. Nya strategier och höjd energieffektivitet ska leda till att målet nås. Ett viktigt utvecklingsområde är uppvärmning av byggnader som står för 60 % av sektorns energianvändning. En stor del av bostadsbeståndet anses ha en energisparpotential på 20-50 %. Vid sidan av förbättringsåtgärder på bostäders klimatskal är val av värmesystem av stor vikt. Bland flerbostadshus står fjärrvärme för över 90 % av levererad värmeenergi. Genom att komplettera fjärrvärme med frånluftsvärmepump kan byggnadens energieffektivitet höjas och fastighetsägare kan göra en ekonomisk vinst i minskad mängd köpt energi. Fjärrvärmeleverantörer har svarat mot denna utveckling genom att förändra sina abonnemang så att värmesystemet blir överdimensionerat en stor del av året, därigenom blir värmepumpen överflödig. I denna fallstudie undersöks ett flerbostadshus i orten Grums, där frånluftsvärmepump redan installerats innan fjärrvärmeabonnemanget förändrades. Det nya abonnemanget innebär att fastighetsägare måste välja vilken maximal baseffekt de kan få levererad under året. En utredning är nödvändig för att säkerställa vilket val som ger en stabil och låg kostnad vid olika temperaturvariationer. Ur fastighetsägares perspektiv är problemet av ekonomisk karaktär, men denna studie undersöker även kombinationen fjärrvärme med värmepump med hänsyn till energianvändning och hållbarhetsmässig aspekt. Drivs värmesystemet på bästa sätt idag eller går det att hitta alternativa driftsätt som fungerar bättre? Målsättningen är primärt att reducera bränsleanvändning med 25 %, sekundärt minska koldioxidalstring och samtidigt sänka livscykelkostnaden för värmepumpen samt att i tredje hand reducera mängd köpt energi. Målen ska nås vid årsmedeltemperatur 5-7 ºC. För närvarande används frånluftsvärmepump som basvärme till radiatorkrets och varmvatten medan fjärrvärme täcker underskott av husets värmebehov. Nuvarande driftsätt jämförs med två alternativ. Alternativ 1 innebär byte till värmepump med mer effekt samt att fjärrvärme värmer tappvarmvatten, i övrigt körs värmesystem på samma sätt som förut. I Alternativ 2 ändras driftsätt så att fjärrvärmes baseffekt utnyttjas maximalt och värmepump körs då vald baseffekt inte täcker värmebehov. Frånsett att värmepump byts i ena fallet är inga ominstallationer nödvändiga. I studien används Microsoft Excel och varaktighetsdiagram för att utföra beräkningar. Resultaten visar att ingen av alternativen når fullständig måluppfyllelse, dock når alternativ 1 högre måluppfyllelse i och med att det primära målet (resursbesparing) i vart fall nås delvis. Studien visar att flerbostadshus, liknande referensobjektet, kan anpassa både drift av befintligt värmesystem och val av baseffekt (fjärrvärme) för att nå ekonomisk vinst. Ökad användning av fjärrvärme minskar indirekt koldioxidalstring men ökar resursanvändning. Byte av frånluftsvärmepump reducerar köpt energi vilket leder till minskad resursanvändning och bättre ekonomi, dock ökar elanvändning vilket ger marginellt tillskott av koldioxidalstring. / The overall aim of the current EU strategy Sustainable Development is to identify and develop measures to ensure that quality of life can be constantly improved, both for present and future generations. A part of the strategy is the climate targets which in the first phase extend to 2020. Its Member States shall then have reduced both their energy use and greenhouse gas emissions by 20 %. In Sweden the residential and service sector stands for 40 % of the country's energy use, they have themselves set the target to 25 % savings. New policies and improved energy efficiency will lead to completion. An important area of development is the heating of buildings, which accounts for 60 % of the sector's energy use. A large part of the housing stock is considered to have an energy savings potential of 20-50 %. Next to the improvement of the building envelope, the selection of heating system is of great importance. More than 90 % of delivered heat energy to the apartment blocks in Sweden comes from district heating. By supplementing district heating with exhaust air heat pumps, the building's energy efficiency can be increased and building owners can make a financial gain in the reduced amount of purchased energy. District heating distributers have responded to this development by changing their subscriptions, making the heating system oversized much of the year, thereby the heat pump becomes more or less redundant. In this case study, the heating system of an apartment building in the town of Grums (Sweden) is of interest. The exhaust air heat pump was already installed before the district heating subscription was changed. The new district heating subscription implicates that property owners have to choose which maximum base effect they can get delivered all year round. An investigation is necessary to ensure that the selected option provides a stable and low cost at different temperature. From the property owner's perspective, the problem is of economic nature. This study however, concentrates on the combination of district heating with heat pumps seen from the energy use and sustainability aspect. Is the heating system working in the best way today, or it is possible to find alternative modes that work better? The target with this study is to find an operational mode that primarily will reduce fuel use by 25%, secondary will lower carbon dioxide generation and cut life-cycle cost of the heat pump and thirdly will reduce the amount of purchased energy. These targets must be achieved within the annual outside temperature of 5-7 ºC. Currently the exhaust air heat pump is used as basic heat, warming up radiators and domestic hot water while district heating covers the deficit of the house's heating demand. Current operating mode is compared with two alternatives. Option 1 involves a change of the heat pump, to one with more power, district heating will heat the domestic hot water and will continuously work as a backup for the heat pump. In Option 2, the operation mode is altered to optimize use of the district heating base effect, the heat pump runs only when the selected base effect does not cover the heating demand. Apart from that the heat pump is replaced in the first case, no reinstallation is required for these options. Study calculations are made by using Microsoft Excel and duration diagrams. The results shows that none of the options reach the targets completely, however, Option 1 is closer considering that the primary goal (saving resources) is reached in part. The study shows that heating systems in apartment buildings, similar to the reference object, can be adjusted as well as the choice of base effect (district heating) in order to successfully reduce environmental effects and/or achieve financial gain. Increased use of district heating indirectly reduces carbon dioxide generation but increases resource use. Replacement of exhaust air heat pump reduces purchased energy which leads to reduced use of resources and better economy, however, will increase electricity consumption, which gives a marginal addition contribution of carbon dioxide generation.

Legally binding targets set by the UK government to reduce carbon emissions by 2050 mean it is imperative that the efficiency of the UK housing stock is improved. Housing currently contributes over 30% of the UK s total carbon emissions and a large proportion of the current stock will still exist in 2050. There is therefore a need to retrofit this existing stock with energy saving measures, as the savings from new builds will not be adequate to meet the stringent carbon reduction targets. Whilst technologies to facilitate energy saving retrofit are available, there has been a low uptake from householders in the UK, in part due to the lack of consideration of user requirements within the design of these technologies. To investigate this issue further, this thesis considers two main questions: How can the design of energy saving measures and the process of retrofit of the existing UK housing stock be improved through the use of user centred design (UCD) and How can UCD methods be applied to the research and development process for energy saving measures in order to improve the outcome? Through the research, it became clear that in order to answer these questions, it would be necessary to work across disciplines and therefore a third Research Question was posed; How can UCD facilitate working across disciplines in the context of an energy research project? The results provide evidence of how UCD can effectively improve the design and development process of energy saving technologies, the process of retrofit and the practice of cross-disciplinary working within a research environment. The research is novel in several ways: firstly, the UCD process has been applied in the area of domestic retrofit, giving new insights into the barriers and opportunities to retrofit; secondly, home improvement has been investigated by viewing the home as a complete, interacting system, using novel methods; thirdly, a set of UCD specifications have been created to inform the design of heat pumps, a specific domestic energy saving technology, and finally, enhancements to the UCD process are made for use within an energy technology project, together with the development of six principles for effective cross-disciplinary working and conceptualisation of the bridge building role which the UCD practitioner fulfills.

Fjärrvärme täcker i dagsläget cirka 56 procent av energibehovet för uppvärmning och varmvatten i svenska bostadssektorn. Denna siffra förväntas minska i och med ökade energieffektiviseringsåtgärder och installationer av alternativa värmekällor. Det har blivit allt vanligare att både fastighetssektorn och olika miljöklassningssystem fokuserar på att minska mängden inköpt energi och ett sätt att göra detta på är att installera frånluftsvärmepumpar som ett komplement till fastighetens primära uppvärmningssystem. Det kommunalägda bostadsbolaget AB Stångåstaden planerar att utföra detta i flerbostadshus där FTX-system av flera anledningar inte är möjligt att installera. Installationen är aktuell i fastigheter som i dagsläget har frånluftsventilation och självdrag samt är högre än tre våningar.Installationen kommer att påverka den lokala fjärrvärmeleverantören Tekniska verken AB och då även de är kommunalägda finns det ett intresse i att utreda de effekter som frånluftsvärmepumparna kommer att ha på de båda företagen samt på kommunen i stort. Därför ämnar denna rapport till att påvisa effekterna av installationen av frånluftsvärmepumpar som komplement till fjärrvärme ur ett ekonomiskt, miljö- och resursmässigt perspektiv. I den här rapporten syftar resurs till den primärenergianvändning som sker till följd av förändrad fjärrvärme- och elanvändning vid installation av frånluftsvärmepumpar.Detta har gjorts genom att undersöka två befintliga fastigheter där frånluftsvärmepumpar nyligen installerats och modellera dem i programmet BV2. Där undersöks hur värmeanvändningen förändras då frånluftsvärmepumpen tillåts att drivas utifrån följande sex driftfall; 1. Frånluftsvärmepumpen går året runt 2. Frånluftsvärmepumpen går mellan december och februari 3. Frånluftsvärmepumpen går mellan oktober och april 4. Frånluftsvärmepumpen startar då utetemperaturen understiger -4˚C 5. Frånluftsvärmepumpen startar då utetemperaturen understiger +1˚C 6. Frånluftsvärmepumpen startar då utetemperaturen understiger +5˚C Dessa är framtagna med avseende på Tekniska verkens säsongsbaserade fjärrvärmepris samt på ungefärliga utetemperaturer då marginalproduktionen för fjärrvärmen skiftar bränsle. Dessa kommer även att jämföras med ett referensfall då enbart fjärrvärme täcker fastigheternas värmebehov.Förändringen i fastigheternas fjärrvärmebehov simulerades sedan i Tekniska verkens energiplaneringssystem för att se hur värme- och elproduktionen påverkades. Genom detta erhölls underlag för att kunna ta fram de ekonomiska, miljö- och primärenergimässiga effekterna som uppkommer i och med frånluftsvärmepumpens drift.Utifrån detta kan det konstateras att frånluftsvärmepumpar inte är en lönsam energieffektiviseringsåtgärd för Tekniska verken, Stångåstaden eller Linköpings kommun. Prisbilden och bränslesammansättningen för fjärrvärme i Linköping ger inte frånluftsvärmepumparna potential till att vara lönsam utifrån något av de tre kriterierna ekonomi, miljö och resurs. De mest fördelaktiga driftfallen fås för alla parter då frånluftsvärmepumpen får starta mellan en och minus fyra grader. Detta ger som bäst kommunen en ekonomisk förlust på cirka 1,6 Mkr för Fastighet A och 2,8 Mkr för Fastighet B över en tidsperiod på tjugo år, vilket bedöms vara värmepumpens ekonomiska livslängd. Förlusten beror till störst del på de höga investeringskostnaderna som frånluftsvärmepumparna medför, men också på den prisbild som är satt för fjärrvärme i Linköping.Genom att temperaturstyra frånluftsvärmepumpen ges också störst potential till att minska utsläppsintensiv marginalproduktion av fjärrvärme och genom det också ge minskade globala växthusgasutsläpp i jämförelse med att enbart använda fjärrvärme. Merparten av driftfallen ger dock ökade utsläpp i jämförelse med referensen. Anledningen är till stor del den höga andel avfallsbränsle som finns i Tekniska verkens produktionsmix. Minskad fjärrvärmeproduktion minskar även Tekniska verkens elproduktion vilken antas täckas upp av en mer utsläppsintensiv europeisk marginalproduktion.iiDet finns inget av de valda driftfallen som minskar användningen av den primärenergi som krävs vid värmeproduktionen och anledningen är återigen att den ökade elanvändningen värderas med en högre faktor än vad avfallsbaserad fjärrvärme gör.Frånluftsvärmepumparna är på båda fastigheterna installerade på fastighetens radiatorretur och trots den bevisat förhöjda returtemperaturen som sker på fjärrvärmenätet så bedöms detta inkopplingsalternativ som det mest effektiva sätt att utföra installationen på för att erhålla bäst värmefaktor, driftkostnad och grundinvestering.Trots att inget av de analyserade driftfallen gav en entydig förbättring ur kriterierna ekonomi, miljö och resurs i jämförelse med referensfallet lyckades ändå mängden inköpt energi minskas i samtliga fall. Detta kan ses som en indikation på att de mål om minskad inköpt energi som sätts inom branschen kan behöva revideras, då exempelvis en av de primära anledningarna till dessa mål är att minska koldioxidutsläppen.

L’engagement de l’Europe sur les énergies renouvelables amène à l’accélération du développement du biométhane comme énergie renouvelable. Les travaux de cette thèse portent sur une partie du procédé Cryo Pur qui est un procédé essentiellement frigorifique qui va permettre en refroidissant le biogaz de la température ambiante à -120 °C, de séparer successivement l’eau, le CO2 et des polluants pour obtenir du méthane et du CO2 liquides de hautes puretés. Les objectifs poursuivis sont méthodologiques et expérimentaux. La méthode est celle de l’intégration énergétique associée à une analyse exergétique du procédé. L’analyse intègre la production frigorifique et la production de chaleur par les groupes frigorifiques pour son utilisation dans le procédé de méthanisation. L’optimisation énergétique part de l’analyse exergétique et identifie les pertes des différentes étapes du procédé et intègre à la fois les productions frigorifiques aux différents niveaux de température et la production de chaleur utilisée dans le digesteur. Le besoin en chaleur du digesteur se situe autour de 50 à 55 °C pour les bactéries thermophiles. Pour l’épuration du biogaz et la liquéfaction du biométhane, les besoins frigorifiques se situent de la température ambiante jusqu’à-120 °C. Dans le procédé Cryo Pur, la production frigorifique s’effectue à 4 niveaux de températures : 2°C, -40 °C, -78 °C et -120 °C. La pompe à chaleur est couplée aux différents systèmes frigorifiques en refroidissant un frigoporteur à une température qui fait l’objet de l’optimisation globale du système de thermo-frigo-pompe. En effet la pompe à chaleur refroidit les condenseurs des 4 systèmes frigorifiques et la chaleur récupérée des groupes froids est valorisée à 55 °C par la pompe à chaleur.Complémentairement à cette optimisation énergétique globale, la thèse se focalise sur le givrage et dégivrage de l’eau contenue dans le biogaz. Cette opération consomme beaucoup d’énergie et un travail d’optimisation énergétique est mené pour minimiser la consommation d’énergie pour la déshumidification du biogaz de la température ambiante à -78 °C. La représentation des cycles associés au givrage et dégivrage de la glace hydrique et des pertes associées aux montées et descentes en température des masses métalliques des échangeurs requière une modélisation dynamique de ces phénomènes. Du point de vue expérimental les cycles de givrage et dégivrage de l’eau font l’objet d’une optimisation quant à leur gestion.Les travaux de la modélisation donneront lieu à dimensionner les échangeurs des cycles de givrage et de dégivrage. Le but finalement étant l’obtention d’un rendement exergétique le plus élevé possible. Les essais ont permis de valider les modèles d’échangeurs et des systèmes frigorifiques. L’optimisation intègre également le choix des mélanges des fluides frigorigènes. / Europe's commitment to renewable energy leads to accelerate the biomethane development as a renewable energy. The work of this thesis is based on the Cryo Pur process which is essentially a cooling process that will allow the biogas cooling from ambient temperature to -120 °C. While cooling the biogas, water vapor, CO2 and pollutants must be separated to obtain liquefied biomethane and bio CO2. The objectives pursued are methodological and experimental. The method used is the energy integration associated with an exergy analysis of the process. The analysis integrates the cooling production and the heat production by the refrigeration units for the use in the methanisation process. The energy optimization starts from the exergy analysis and identifies the losses of the various stages of the process and integrates both the cooling production at different temperature levels and the heat production used in the digester. The heat requirement of the digester is around 50 to 55 °C for the thermophilic bacteria. For the biogas upgrading and the liquefaction of biomethane, the cooling requirements are from ambient temperature to -120 °C. In the Cryo Pur process, refrigeration is carried out at 4 different temperature levels: 2 °C, -40 °C, -78 °C and -120 °C. The heat pump is coupled to the various refrigeration systems by cooling a refrigerant at a temperature which is the objective of the overall optimization of the heat pump system. The heat pump cools the condensers of the 4 refrigeration systems and the heat recovered from the refrigeration systems is upgraded to 55 °C by the heat pump.In addition to this overall energy optimization, the thesis focuses on the frosting and defrosting of the water contained in the biogas. This operation consumes a lot of energy. An energy optimization work is carried out to minimize the energy consumption for the dehumidification of biogas from ambient temperature to -78 ° C. The representation of the frosting and defrosting cycles and the losses associated with the temperature of the metallic mass of the heat exchangers requires a dynamic modeling. The dynamic modeling will lead to design the heat exchangers. The ultimate aim is to achieve the highest possible exergy efficiency. Tests made it possible to validate the models of the heat exchangers and refrigeration systems. The optimization also integrates the choice of refrigerant mixtures.

Ce travail a été réalisé en collaboration avec EDF R&D, dans le cadre d’une convention CIFRE-ANRT, l’objectif étant d’améliorer le coefficient de performance de pompes à chaleur thermoélectriques (PACTEs) pour des "Bâtiments Basse Consommation". Les PACTEs présentent de nombreux avantages environnementaux, le désavantage étant leur faible performance. Ainsi l'objectif de ce travail a été d'examiner la possibilité d'améliorer, par nanostructuration les performances des semi-conducteurs utilisés dans les modules thermoélectriques des PACTEs. Nos travaux se sont concentrés sur les solutions solides à base de Sb2-xBixTe3, celles-ci étant, selon l’état-de-l’art, les plus performantes pour l’application visée. La nanostructuration a été réalisée par la technique de trempe sur roue (technique de refroidissement rapide de liquides) de matériaux synthétisés auparavant à l'état liquide dans des tubes en quartz. Les moyens de caractérisation (DRX, MEB, MET, METHR) ont permis de corréler les changements structurels avec la variation des propriétés thermiques et électriques (le pouvoir thermoélectrique, la résistivité électrique, l'effet de Hall, la conductivité thermique) mesurées sur de larges gammes de température (5-460 K). L'influence favorable de la nanostructuration par la diminution de conductivité thermique a été prouvée. Nous avons montré la forte dépendance des propriétés thermoélectriques des matériaux étudiés avec la concentration de défauts et la stœchiométrie. Le dopage avec du Te a été examiné comme une possibilité de contrôler le niveau de la concentration des porteurs de charge. L'idée de créer des niveaux d'impuretés résonantes par un dopage au Sn s’est montrée infructueuse, vraisemblablement en raison de la structure de bande complexe du composé ternaire. Néanmoins, des valeurs du facteur de mérite adimensionel ZT de près de 1,2 ont été obtenues pendant ce travail / This work results from the collaboration between IJL and EDF R&D performed under a CIFRE-ANRT convention, in order to improve the coefficient of performance of thermoelectric heat pumps (THPs). THPs attracted attention of EDF due to its numerous environmental advantages, but the main drawback remains its low performance. The objective of our work was thus to investigate the possibility to enhance the performance of the semiconductors used in the thermoelectric modules of the THPs, by nanostructuration. The research was concentrated on the Sb2-xBixTe3-based solid solutions, the most effective materials for the application sought. The nanostructuration was performed by applying the melt-spinning technique (rapid quenching from a melt on a water-cooled cupper wheel) to the material synthesised beforehand from liquid state in quartz tubes. The means of characterisation (XRD, SEM, TEM, HRTEM) gave the possibility to correlate the structural changes with the variation of the thermal and electrical properties (thermoelectric power, electrical resistivity, Hall effect, thermal conductivity) measured over a wide temperature range (5-460 K). The favourable influence of nanostructuration through the decreasing of thermal conductivity was proved. A high dependence of the thermoelectric efficiency of the studied materials on the concentration of defects and stoichiometry is shown. Doping with Te was investigated as a possibility to control the resulting level of the charge carrier concentration. The idea of creating resonant impurity levels by Sn-doping was shown to be non-conclusive presumably due to the complex band structure of the ternary compounds. Nevertheless, relatively high values of the dimensionless TE figure of merit, close to 1.2, were obtained during this work