The study looks at heat recovery of a refrigeration system in a supermarket where the heat was supplied to apartments in the same building. Such a system requires cooperation between the supermarket owner and the property owner, with both having different motives. By gaining understanding of each other's needs and obligations, cooperation can become easier to achieve, with a result that is more optimal for both actors. Heat recovery for use within the supermarkets has existed for a long time, though supplying the heat to other actors is not as common. Using CO2 as refrigerant is becoming more popular in supermarket refrigeration systems, which allows for achieving higher temperatures in recovered heat, enabling use in radiator systems or for preheating domestic hot water. In lack of other cooling solutions, the supermarket studied in the project had previously used municipal water for cooling of the condenser in the refrigeration system, which is a costly solution that does not utilize the heat. The amount of heat that can be recovered was estimated and compared to the varied amount of heat demand in the supermarket and the rest of the property over a year. Findings show that heat recovery from the refrigeration system create considerable cost savings for both the supermarket owner and the property owner, despite still requiring cooling with municipal water during summer. Financial compensation for delivered heat is difficult to argue for at moment, though it may become relevant if new solutions for cooling of the refrigeration system are proved to be feasible. / Se filen

No description available.

No description available.

No description available.

Several CO2 transcritical booster systems in supermarkets use the potential of integrating geothermal storage, enabling subcooling during warm climate conditions as well as being a heat source during cold climate conditions. First of all, field measurements of one of these systems located in Sweden were analysed with particular focus on the heat-recovery performance. The best theoretical operational strategy was compared to the one really implemented and the differences in the annual energy usage were assessed through modelling. The results show that an alternative to the best theoretical operational strategy exists; heat can be extracted from the ground while low-temperature heat is rejected by the gas cooler. Such an alternative strategy has important technical advantages with a negligible increment of the energy usage. In the second part of this work, the benefits of geothermal subcooling were evaluated. Applying the BIN hours method, it was demonstrated that this system is expected to save on average roughly 5% of the total power consumption, in Stockholm’s climate. The models utilized for the winter and summer season were combined to find the relationship between geothermal storage size and annual energy savings. In this way, it was possible to calculate the present value of the operational savings for the study case. Furthermore, a general methodology for assessing the economic feasibility of this system solution is presented. Finally, several scenarios were investigated to produce parametric curves and to perform a sensitivity analysis. Comparing the results with the typical Swedish prices for boreholes, the cases where this system solution is economically justified were identified. These are supermarkets with a Heat Recovery Ratio (HRR) higher than the average. For examples, supermarkets supplying heat to the neighbouring buildings (considering the Stockholm’s climate, systems with an annual average HRR of at least 70%). Relying only on savings from subcooling was found to be not enough to justify a geothermal storage, a not-negligible amount of heat must be extracted in winter. Finally, some interesting concepts and alternatives to a geothermal integration are presented to point out relevant future work.

Idag är energieffektivitet en viktig fråga, nya bostäder har höga krav på energieffektivitet och miljömedvetenhet, kraven är betydligt högre än för 40 år sedan. Många av de äldre flerbostadshusen bygger på en annan princip av ventilation än den som används i nya bostadsprojekt idag, denna typ kallas självdrag och systemet är inte energieffektivt. I nya flerbostadshus är däremot ventilationssystemet ofta av typen FTX och det är ett system som är mycket energieffektivt. Rapporten är en undersökning till hur modern ventilationsteknik kan användas i äldre typer av flerbostadshus, skapar ny teknik en reducerad kostnad i längden och kan den upplevda komforten förbättras med moderna system?Resultatet av ett ventilationsbyte från självdrag till FTX kommer att innebära en energibesparing i fastigheten om den optimeras efter FTX-systemet. Med filtrerade system blir även luftkvaliteten betydligt bättre än tidigare / Energy efficiency is an important question today. New buildings have high demands of energy efficiency and environmental awareness, the demands are signinficantly higher today than 40 years ago. Many older apartment complexes have another kind of ventilation than the kind that is used in new apartment complexes today, this old kind is called natural ventilation and the system is not energy efficient. The type of ventilation that is used in the new apartment complexes is often mechanical ventilation with heat recovery, which is energy efficient.This study is an investigation in how modern ventilation technology can be used in older apartment complexes, will new technology reduce the cost in the long-run, and can the experienced comfort be improved with modern systems?The result of a change in ventilation from natural ventilation to mechanical ventilation with heat recovery will result in energy savings if the building is optimized for the new system. The air quality in the building will improve with a filtered ventilation system.

Yes / This paper describes a new heat transfer parameterisation between wastewater and insewer air based on understanding the physical phenomena observed in free surface wastewater and in-sewer air. Long-term wastewater and in-sewer air temperature data were collected and studied to indicate the importance of considering the heat exchange with in-sewer air and the relevant seasonal changes. The new parameterisation was based on the physical flow condition variations. Accurate modelling of wastewater temperature in linked combined sewers is needed to assess the feasibility of in-sewer heat recovery. Historically, the heat transfer coefficient between wastewater and in-sewer air has been estimated using simple empirical relationships. The newly developed parameterisation was implemented and validated using independent long-term flow and temperature datasets. Predictive accuracy of wastewater temperatures was investigated using a Taylor diagram, where absolute errors and correlations between modelled and observed values were plotted for different site sizes and seasons. The newly developed coefficient improved wastewater temperature modelling accuracy, compared with the older empirical approaches, which resulted in predicting more potential for heat recovery from large sewer networks. For individual locations, the RMSE between observed and predicted temperatures ranged between 0.15 and 0.5 °C with an overall average of 0.27 °C. Previous studies showed higher RMSE ranges, e.g., between 0.12 and 7.8 °C, with overall averages of 0.35, 0.42 and 2 °C. The new coefficient has also provided stable values at various seasons and minimised the number of required model inputs.

Low-grade heat, either in the form of waste heat or natural heat, represents an extremely promising source of renewable energy. A cost-effective method for recovering the low-grade heat will have a transformative impact on the overall energy scenario. Efficiency of heat engines deteriorates with decrease in hot-side temperature, making low-grade heat recovery complex and economically unviable using the current state-of-the-art technologies, such as Organic Rankine cycle, Kalina cycle and Stirling engine. In this thesis, a fundamental breakthrough is achieved in low-grade thermal energy harvesting using thermomagnetic and thermoelectric effects. This thesis systematically investigates two different mechanisms: thermomagnetic effect and thermoelectric effect to generate electricity from the low-grade heat sources available near ambient temperature to 200°C. Using thermomagnetic effect, we demonstrate a novel ultra-low thermal gradient energy recovery mechanism, termed as PoWER (Power from Waste Energy Recovery), with ambient acting as the heat sink. PoWER devices do not require an external heat sink, bulky fins or thermal fluid circulation and generate electricity on the order of 100s μW/cm3 from heat sources at temperatures as low as 24°C (i.e. just 2°C above the ambient) to 50°C. For the high temperature range of 50-200°C, we developed the unique low fill fraction thermoelectric generators that exhibit a much better performance than the commercial modules when operated under realistic conditions such as constant heat flux boundary condition and high thermally resistive environment. These advancements in thermal energy harvesting and waste heat recovery technology will have a transformative impact on renewable energy generation and in reducing global warming. / PHD / Energy is essential to life. While most living organisms utilize natural resources directly to meet their energy requirements, humans need electricity. Unarguably, electricity has made our lives easy; however, it is an expensive form of energy. Every year, a tremendous amount of fossil fuels is burnt to meet the ever-growing energy demand. While we are concerned due to the escalating energy prices, depleting fossil resources, and negative environmental impact, it is devastating to know that more than half of the useable energy generated from various renewable and non-renewable sources are ultimately discarded to atmosphere as byproduct, mostly in form of wasted heat. Utilizing waste heat, particularly when it occurs at low temperature, is usually complex and cost-ineffective. A cost-effective method for recovering the low-grade heat will have a transformative impact on the overall energy scenario. In this thesis, a fundamental breakthrough is achieved in developing the new/improved thermal energy harvesting methods to generate electricity from low-grade heat.

Tesis por compendio / [ES] Un porcentaje significativo de la energía se destina a la producción de Agua Caliente Sanitaria (ACS) en el sector comercial y residencial. Además, la mayor parte de la energía que contiene el agua se desperdicia en el ambiente tras su uso. Las bombas de calor han sido identificadas por su capacidad de producir ACS con una alta eficiencia y son una gran alternativa hacia la descarbonización de las ciudades. Además, son capaces de utilizar como fuente de calor, el calor contenido en el agua que actualmente se desperdicia. Sin embargo, la aplicación del uso de bombas de calor para ACS recuperando el calor de las aguas residuales presenta unas características diferentes a las usuales en bombas de calor. Por tanto, es necesario un análisis del problema más profundo y se require mayor investigación al respecto con el fin de lograr un desarrollo eficiente de la misma: 1. Un diseño de bomba de calor capaz de operar con alta eficiencia ante los grandes saltos de temperatura que tienen lugar en esta aplicación (ACS). 2. Un diseño de bomba de calor capaz de operar con alta eficiencia ante saltos de temperatura del fluido secundario variables (recuperación de calor). 3. La integración de esta bomba de calor en un sistema de ACS completo (estrategias de recuperación de calor, componentes, tamaño y estrategia de control). Normalmente, los ciclos transcríticos han sido considerados como una de las mejores soluciones para la producción de ACS (donde se tienen grandes saltos de temperatura en el agua, 10-60°C). Sin embargo, este tipo de ciclo presenta dos desventajas principales, la necesidad de altas presiones en la instalación y la dependencia de la eficiencia con el salto de temperatura del agua en el condensador. Sin embargo, los ciclos subcríticos han demostrado un gran potencial para saltos de temperatura del agua variables si se aplica un control del subenfriamiento adecuado. El objetivo de esta tesis es investigar la bomba de calor agua-agua más eficiente trabajando con un ciclo de refrigerante subcrítico para la producción de ACS utilizando como fuente de calor el calor disponible en las aguas residuales (a baja-media temperatura) para determinar el sistema más eficiente para este tipo de aplicación. El trabajo se divide en dos partes diferenciadas: ¿ Diseño de la bomba de calor El desarrollo de la bomba de calor es una continuación del trabajo realizado en la tesis de M. Pitarch [1]. En dicha tesis, se investigó el papel del subenfriamiento en una bomba de calor subcrítica para la apliación de ACS. Se desarrolló un prototipo de bomba de calor con el diseño de dos configuraciones distintas en función del modo en el que se realizaba el subenfriamiento. Los resultados permitieron concluir que este tipo de bombas de calor (subcríticas) eran capaces de operar con eficiencias similares a las de las bombas de calor basadas en ciclos transcríticos si se opera con un grado de subenfriamiento óptimo. Sin embargo, en ambas configuraciones se requiere un componente más que en las bombas de calor convencionales. En esta tesis, se ha realizado un estudio y análisis teórico de la bomba de calor. Se ha desarrollado e implementado una estrategia de control para el subenfriamiento y se ha construído el prototipo de bomba de calor propuesto en [1]. De todo este trabajo se ha obtenido el diseño de bomba de calor basada en ciclos subcríticos más interesante para este tipo de aplicaciones. ¿ Diseño e integración de la Bomba de Calor y el sistema de ACS La integración del prototipo seleccionado en un sistema para la producción de ACS con recuperación del calor de las aguas residuales ha sido analizada.El sistema más simple y eficiente necesario para este tipo de aplicaciones (producción de ACS con recuperación de calor de las aguas grises) se compone de un intercambiador de calor (recuperador), una bomba de calor con subenfriamiento optimizado y dos depósitos de almacenamiento. / [CA] Un percentatge significatiu de l'energia es destina a la producció d'Aigua Calenta Sanitària (ACS) en el sector comercial i residencial. A més, la major part de l'energia que conté l'aigua es malgasta en l'ambient després del seu ús. Les bombes de calor han sigut identificades per la seua capacitat de produir ACS amb una alta eficiència i són una gran alternativa cap a la descarbonització de les ciutats. A més, són capaços d'utilitzar com a font de calor, el calor contingut en l'aigua que actualment es desaprofita. Contribuint així, a aconseguir un sector energètic més respectuós amb el Medi Ambient. No obstant això, l'aplicació de l'ús de bombes de calor per a ACS recuperant el calor de les aigües residuals presenta unes característiques diferents de les usuals en bombes de calor. Per tant, és necessari una anàlisi del problema més profund i es requereix una major investigació al respecte amb la finalitat d'aconseguir una alta eficiència: 1.Un disseny de bomba de calor capaç d'operar amb alta eficiència davant dels grans salts de temperatura presents en aquesta aplicació (ACS). 2.Un disseny de bomba de calor capaç d'operar amb alta eficiència davant de salts de temperatura del fluid secundari variables (recuperació de calor). 3.La integració d'aquesta bomba de calor en un sistema d'ACS complet (estratègies de recuperació de calor, components, grandària i estratègia de control). Normalment, els cicles transcrítics han sigut considerats com una de les millors solucions per a la producció d'ACS (on es tenen grans salts de temperatura en l'aigua, 10-60°C). No obstant això, aquest tipus de cicle presenta dos desavantatges principals, la necessitat d'altes pressions en la instal·lació i la dependència de l'eficiència amb el salt de temperatura de l'aigua en el condensador i evaporador. L'objectiu d'aquesta tesi és investigar la bomba de calor aigua-aigua més eficient treballant amb un cicle de refrigerant subcrític per a la producció d'ACS utilitzant com a font de calor el calor disponible en les aigües residuals (a baixa-mitja temperatura) per a determinar el sistema més eficient en aquest tipus d'aplicació. El treball es dividix en: ¿ Disseny de la bomba de calor El desenvolupament de la bomba de calor és una continuació del treball realitzat en la tesi de M. Pitarch [1]. En aquella tesi, es va investigar el paper del subrefredament en una bomba de calor subcrítica per a l'apliació d'ACS. Es va desenvolupar un prototip de bomba de calor amb el disseny de dues configuracions distintes en funció de la manera en què es realitzava el subrefredament. Els resultats van permetre concloure que aquests tipus de bombes de calor (subcrítiques) eren capaços d'operar amb eficiències semblants a les de les bombes de calor basades en cicles transcrítics si s'opera amb un grau de subrefredament òptim. No obstant això, en ambdues configuracions es requereix un component més que en les bombes de calor convencionals. En la present tesi, es va realitzar un estudi i anàlisi teòric de la bomba de calor. Es va desenvolupar i implementar una estratègia de control per al subrefredament i es va construir el prototip de bomba de calor proposat en [1]. De tot aquest treball s'ha obtingut el disseny de bomba de calor basada en cicles subcrítics més interessant per aquest tipus d'aplicacions. ¿Disseny i integració de la Bomba de Calor i el sistema d'ACS La integració del prototip seleccionat en un sistema per a la producció d'ACS amb recuperació de el calor de el calor de les aigües residuals ha sigut analitzada.El sistema més simple i eficient necessari per a aquest tipus d'aplicacions (producció d'ACS amb recuperació de calor provinent d'aigües grisas) està compost per un bescanviador de calor (recuperador), una bomba subrefredada i dos depòsits d'emmagatzemament. / [EN] A significant percentage of energy is destined to produce Domestic Hot Water (DHW) within the building sector. Furthermore, most of that energy contained in the water is wasted to the ambient after its use. Heat pumps have been clearly identified as an efficient technology for DHW production, and as a main vector towards future de-carbonization of cities. In addition, they could use the heat from the wastewater as a heat source. Thus, contributing in two ways towards a more environmentally friendly energetic sector. However, the use of heat pumps for DHW recovering heat from wastewater faces several challenges that require further analysis and development: 1. A heat pump design capable to operate with high performance when variable secondary temperature lifts at the heat sink take place. 2. A heat pump design capable to operate with high performance when variable secondary temperature lifts at the heat source take place. 3. The integration of the heat pump within a system (heat recovery strategies, components, sizing, operation strategy). Usually, transcritical cycles have been considered the most suitable cycle for DHW production (high temperature lifts of the heat sink, 10-60°C). However, this cycle involves several drawbacks as for instance the requirement of high pressures in the installation or a significant reduction of the performance with the increase of water inlet temperature at the condenser. Instead, subcritical cycles have demonstrated great potential for DHW applications if a proper control of subcooling is performed. The objective of this thesis is to investigate the most efficient water-to-water heat pump working with a subcritical cycle for DHW production using as a heat source wasted heat at medium-low temperature and to determine the most efficient system based on heat pumps for this application. The work is divided in two differentiated parts: ¿ Heat pump concept This development is a continuation from the PhD work of M. Pitarch [1]. In that PhD work, the role of the subcooling in the performance of a subcritical heat pump for DHW applications was investigated. Two different configurations of a heat pump prototype were designed based on the way subcooling was made. The results showed that a subcooling optimized subcritical heat pump was able to provide comparable performance than present HPs employing transcritical cycles. However, both configurations require one more component than usual heat pumps. Thus, a new prototype based only on the typical components (compressor, condenser, expansion valve and evaporator) was proposed as future work. In this thesis, a theoretic analysis of the heat pump was done. A subcooling control methodology was developed and tested. The proposed prototype in [1] has been built and characterized. From all the results, the most convenient heat pump design was obtained. ¿ Integral Heat pump-DHW system The integration of the most convenient heat pump prototype within a system for the DHW production based on heat recovery from wastewater has been analyzed. The research has included the development of a model of the entire system in Trnsys and the optimization of the main components of the system: their sizing and their operation with the objective of reaching the maximum global efficiency of the complete system. Due to the complexity of the problem, the analysis was performed in three main steps: first, a study of the direct heat exchange,second, an study focusing on the condenser side, that is, the consideration of an infinite heat source (large availability of sewage water for instance) and third, the focus was done on the evaporator side. That is, the optimization of the complete system in which a finite heat source is considered (grey waters collected from the building for instance). The simplest and most efficient system required in DHW production and heat recuperation from wastewater has been determined. / Esta tesis se enmarca dentro del proyecto “APROVECHAMIENTO DEL CALOR RESIDUAL A BAJA TEMPERATURA MEDIANTE BOMBAS DE CALOR PARA LA PRODUCCION DE AGUA CALIENTE” a través de una beca FPI del Ministerio de Economía y Competitividad. / Hervás Blasco, E. (2020). Aprovechamiento del calor residual a baja temperatura mediante bombas de calor para la producción de agua caliente [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/137776 / Compendio

Lately, car manufacturers have been put to a big challenge to reduce the CO2 emission of their entire fleets. Norms of pollutant emissions limit the ways to achieve the desired CO2 emission goals, as some of the solutions that would lead to lower CO2 emission also lead to higher pollutant emission. Waste Heat Recovery (WHR) could be a good solution to lower the CO2 emission of the Internal Combustion Engine (ICE) without increasing the pollutant emission. In the present thesis different WHR strategies are analysed and the results suggested it would be interesting to further study the Brayton cycle machine. Air Brayton Cycle (ABC) represents a way to recover a part of the heat energy of the ICE exhaust gases and transform it into mechanical energy. Recovered mechanical energy would then be returned to the crankshaft of the ICE, thereby reducing the amount of energy that has to be liberated by combustion of fuel which lowers the fuel consumption and CO2 emission. The study of ABC started with an analysis of the ideal cycle in order to obtain the theoretical maximum of the system. The study continued with an analysis of the semi ideal cycle where all losses are taken into account only by two efficiency coefficients. This analysis showed that for the diesel engine efficiency of the ABC is very low because of the low exhaust gas temperature. For the gasoline engine the cycle could be viable when the ICE is working under steady condition and higher load. These conditions could be fulfilled when the vehicle is driven on the highway. Detailed analysis was aimed at determining the cycle main losses. They were determined to be: pumping losses, losses caused by heat transfer and mechanical losses. Taking into account these main losses along with other direct and indirect losses it was concluded that the cycle is not viable for the types of the WHR machines that were considered in this study. In order for the cycle to be viable some other either existing or new machine type should be tested, that would lower the main losses and offer good isentropic and mechanical efficiency for desired conditions. / Últimamente los fabricantes de automóviles se han puesto el gran reto de reducir la emisión de CO2 en la totalidad de sus flotas. Las nuevas normativas para la reducción de las emisiones contaminantes limitan los medios para lograr los objetivos deseados en la emisión de CO2 porque algunas de las soluciones que llevan a la reducción en la emisión de CO2 también dan lugar a un incremento en la emisión de otros contaminantes. La recuperación de calor residual (WHR) podría ser una buena solución para reducir las emisiones de CO2 del motor de combustión interna (ICE) sin poner en peligro la emisión de contaminantes. En la presente Tesis se analizaron diferentes estrategias de WHR y se concluyó que sería interesante estudiar más a fondo la máquina de ciclo Brayton. El Ciclo Brayton de Aire (ABC) permite recuperar una parte del calor de los gases de escape del ICE y transformar este calor en energía mecánica. La energía mecánica recuperada se devuelve al cigüeñal del ICE, reduciendo de ese modo la cantidad de energía que tiene que ser liberada por la combustión del combustible, lo cual permite reducir el consumo de combustible y las emisiones de CO2. En esta Tesis se estudia el ABC mediante un análisis del ciclo ideal con el fin de obtener el máximo teórico del sistema. El modelo se mejora con un análisis del ciclo semi-ideal donde se tienen en cuenta todas las pérdidas mediante el uso de dos coeficientes generales. Este análisis muestra que para el motor diesel la eficiencia del ciclo ABC es muy baja debido a la baja temperatura del gas de escape. Para el motor de gasolina el ciclo podría ser viable cuando el ICE está trabajando bajo condiciones estacionarias y una carga mayor. Estas condiciones se podrían cumplir cuando el vehículo está circulando en autopista. El análisis detallado de este ciclo tiene como objetivo determinar las pérdidas principales de ciclo. Las pérdidas principales se identificaron como: las pérdidas de bombeo, las pérdidas causadas por la transferencia de calor y las pérdidas mecánicas. Teniendo en cuenta estas pérdidas principales junto con otras pérdidas directas e indirectas, se concluyó que el ciclo no es viable para los tipos de máquinas WHR que fueron considerados en este estudio. Para que el ciclo sea viable se tiene que buscar alguna otra máquina existente o un nuevo tipo de máquina que reduzca las principales pérdidas y ofrezca un buen rendimiento isentrópico y mecánico para las condiciones deseadas. / Últimament els fabricants d'automòbils s'han posat el gran repte de reduir l'emissió de CO2 de la totalitat de les seues flotes. Les noves normatives de reducció de les emissions contaminants limiten els mitjans per assolir els objectius desitjats d'emissió de CO2 perquè algunes de les solucions que porten a la reducció en l'emissió de CO2 també donen lloc a un increment a l'emissió de altres contaminants. La recuperació de calor residual (WHR) podria ser una bona solució per reduir les emissions de CO2 del motor de combustió interna (ICE) sense posar en perill l'emissió de contaminants. En la present Tesi s'han analitzat diferents estratègies WHR i es va concloure que seria interessant estudiar més a fons el cicle Brayton. El Cicle Brayton d'Aire (ABC) representa una manera de recuperar una part de la calor dels gasos d'escapament de l'ICE i transformar calor a l'energia mecànica. L'energia mecànica recuperada es retorna al cigonyal de l'ICE reduint d'aquesta manera la quantitat d'energia que ha de ser alliberada per la combustió del combustible permitint la reducció del consum de combustible i les emissions de CO2. En aquesta Tesi s'ha començat estudiant un ABC amb una anàlisi del cicle ideal per tal d'obtenir el màxim teòric del sistema. Este model es millora amb una anàlisi del cicle semiideal on es tenen en compte totes les pèrdues amb tan sols dos coeficients d'eficiència. Aquesta anàlisi va mostrar que per al motor dièsel l'eficiència del cicle ABC és molt baixa a causa de la baixa temperatura del gas d'escapament. Per al motor de gasolina el cicle podria ser viable quan l'ICE està treballant sota condicions estacionàries i una càrrega més gran. Aquestes condicions es podrien complir quan el vehicle està circulant en autopista. L'anàlisi detallada del cicle va tenir com a objectiu determinar les pèrdues principals de cicle. Les pèrdues principals es van identificar com: les pèrdues de bombament, les pèrdues causades per la transferència de calor i les pèrdues mecàniques. Tenint en compte aquestes pèrdues principals juntament amb altres pèrdues directes i indirectes, es va concloure que el cicle no és viable per als tipus de màquines WHR que van ser considerats en aquest estudi. Perquè el cicle puga ser viable s'ha de buscar alguna altra màquina existent o un nou tipus de màquina que puga reduir les principals pèrdues i puga oferir un bon rendiment isentròpic i mecànic per a les condicions desitjades. / Kleut, P. (2016). Recuperation of the exhaust gases energy using a Brayton cycle machine [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/76807