Sekliojo geoterminio šildymo sistemos vis plačiau naudojamos individualios ir visuomeninės paskirties pastatų šildymui. Tokių sistemų viena svarbiausių dalių yra kolektorius, tiekiantis žemės šilumą šilumos siurbliui. Nuo tinkamo kolektoriaus parametrų parinkimo labai priklauso geoterminio šildymo sistemos efektyvumas ir jos įrengimo kaštai. Inžineriniams kolektorių parametrų skaičiavimams plačiai naudojami artutiniai, gana apytiksliai metodai. Šiame darbe atliktas vertikalaus U-tipo kolektoriaus kompiuterinis modeliavimas, baigtinių elementų metodu, panaudojant COMSOL Multiphysics kompiuterinių programų paketą. Išspręstas 3D šilumos laidumo uždavinys, leidžiantis tiksliau įvertinti kolektoriaus parametrus. Ištirta kolektoriaus šilumos srauto priklausomybė nuo gręžinio gylio, kolektoriuje tekančio šilumnešio greičio bei temperatūros, užpildo, grunto ir šilumnešio parametrų. / Geothermal heating systems are becoming increasingly popular to generate heat for public and individual buildings. But they have some disadvantages, most notable of which is that such systems require major investments in geological research and the installation of the thermal heat exchanger. One of the most important components in this type of systems is a heat exchanger, supplying the geothermal heat to the heat pump. Selecting the proper parameters of a heat exchanger is critical for overall efficiency and installation costs of a geothermal heating system. Simulations of engineering parameters of heat exchangers are based on quite approximate methods. In this work, we carried out a Finite Element Method computer simulation of a vertical U-type heat exchanger using the COMSOL Multiphysics software package. We solved a 3D heat conduction problem, allowing more accurate assessment of vertical U-type heat exchanger parameters, such as the thermal resistance and heat flux, depending on geometry of the wells, ground and soil parameters.

Les Réseaux de Chaleur (RdC) connaissent un nouvel essor en France qui s’explique par leur capacité à valoriser, à un prix raisonnable, des énergies bas carbone dans les domaines du chauffage et de l’eau chaude sanitaire aujourd’hui fortement émetteurs de CO2. L’amélioration du contrôle de ces systèmes complexes est un enjeu clé pour accroître leur compétitivité et favoriser leur développement. Cette thèse s’intéresse à la gestion par commande optimale des RdC. Pour cette application, nous avons développé et évalué un algorithme qui, à partir d’une prévision de la demande, optimise l’utilisation des différents moyens de production ainsi que la température de départ et la pression différentielle. Par rapport aux systèmes existants, les originalités de notre solution sont de tirer pleinement partie des capacités de stockage thermique dans le réseau et de déterminer le meilleur compromis entre coûts liés au pompage et pertes thermiques. Cette thèse débute par un travail de modélisation dynamique réalisé à l’échelle composant. En nous appuyant sur une démarche de validation expérimentale, nous avons systématiquement recherché le meilleur compromis entre précision et efficacité numérique (Chapitre 1). Le cas d’étude, décrit dans le Chapitre 2, est un RdC virtuel à l’échelle d’un quartier, représentatif du cas Grenoble. Pour le développement du système de gestion avancée, nous présentons ensuite une version linéarisée du modèle de réseau de distribution que nous intégrons à un optimiseur en suivant le formalisme de la programmation linéaire mixte. L’algorithme de gestion proposé est ensuite décrit (Chapitre 3). Il associe un modèle dynamique non-linéaire et l’optimiseur précité. L’objet du quatrième chapitre est l’évaluation des performances de notre algorithme par la simulation et la comparaison à des méthodes de contrôle existantes. Enfin, un dernier chapitre étudie la robustesse de l’algorithme en condition de commande réelle, c’est-à-dire en tenant compte de différentes sources d’incertitude. / District Heating (DH) are currently fast-growing in France. This situation is explained by their ability to exploit and disseminate massively, at a reasonable price, energy sources with low CO2 contents in the sectors of space heating and domestic hot water production, nowadays strongly emitters of greenhouse gases. Improving the control of these complex energy systems is a key issue for increasing their competitiveness and promote their development.This thesis focuses on the optimal control of DH systems. For this application, we have developed and tested an algorithm that optimizes, given a load prediction, the use of the production means, the supply temperature and the differential pressure. Compared to existing methods, the original features of the developed solution are to fully exploit the thermal storage capacity of the network and to determine the best compromise between costs for pumping and heat losses.This thesis begins with a work on dynamic modeling carried out at the component scale. Based on an experimental validation approach, we systematically sought the best compromise between accuracy and computational efficiency (Chapter 1). The case study, described in Chapter 2, is a virtual DH at the district scale, representing the Grenoble case. For the development of the advanced control system, we then present a linearized version of the distribution network model that we integrate into an optimizer relying on Mixed Linear Programming. The proposed control algorithm is described in Chapter 3. It combines a nonlinear dynamic model and the aforementioned optimizer. The topic of the fourth chapter is the evaluation of the performance of our algorithm by simulation and comparison with existing methods of control. A final chapter examines the robustness of the algorithm in real control conditions considering various sources of uncertainty.

The installation of variable renewable energy sources has rapidly increased during the last decade in several countries. It is likely that it will also increase in Sweden. Such a development could lead to periods of very high power production. In order to keep the stability of the electric grid, curtailment is the most common feed-in management method. This study examines how Power-to-Heat can utilize this surplus power in Swedish district heating systems instead of using curtailments and thereby facilitate the development of installed variable renewable energy sources. During this study a model was developed in MatLab where the capacity utilization was simulated for Power-to-Heat. The study indicates that the capacity utilization varies from 1,1–4,2 TWh electricity. In this scenario a share of the base load is substituted with new installed wind and solar power; 50 TWh respectively 10 TWh. The parameter that showed greatest sensitivity for the analysis were how the net power profile was simulated.

This diploma thesis is focused on the evaluation of changes in non-freezing heat transfer liquid composed of mixture of polyols and water, used in the real solar thermic system. On the base of the research a new heat transfer liquid is proposed on the platform of 1,3-polyols. The emphasis is put on the non-toxic properties of such system revealing the two chemical candidates for a new heat transfer liquid: 1,3-propanediol and glycerol. These chemicals are mixed together with water using different volume concentrations and properties of such liquids are evaluated.

This thesis deals with the evaluation of changes in properties of an antifreeze heat transfer fluid based on polyols used in real solar thermal system. Emphasis is placed on the use of substances with low impact on the environment.

The thesis is aimed on a proposal from heating sources, heating systems and ventilation of family house. Designing of a house is provided by Keeo4design. This proposal contains a complex of two houses. The first one is used for residential purposes, the other is made up of mostly parking garages. The work focuses on heat loss calculation objects. Subsequently, on a proposal from heating sources, heating systems, ventilation systems and their regulation.

This diploma thesis deals with the evaluation of changes in properties of an antifreeze heat transfer liquids based on glycols used in real solar thermal system. Emphasis is placed on the use of non-toxic substances, which include propane-1,3-diol.

Dissertation thesis falls within the area of indoor climate and deals with a hydraulics of heating systems, mainly with the hydraulic separator. This earlier widely used element of the heating system, which hydraulically separates heat source and heat appliance, is nowadays in the heating systems based on condensation technologies inappropriate, as the results obtained from experimental measurements show. This findings also well correlate with own theoretical solution based on the calorimetric equation. Conclusion of the dissertation thesis shows fact that in case of imbalance flow rate between heat source and heat appliance adverse warming of return pipe water in the heating system with hydraulics separátor is caused. This effect in practice reduces the efficiency of heat production and expected condensation process of flue gas is discontinued.

Les exigences croissantes sur l'efficacité énergétique des bâtiments, l'évolution du {marché} énergétique, le développement technique récent ainsi que les particularités du poste de chauffage ont fait du MPC le meilleur candidat pour la régulation thermique des bâtiments à occupation intermittente. Cette thèse présente une méthodologie basée sur la commande prédictive distribuée visant un compromis entre l'optimalité, la simplicité et la flexibilité de l'implantation de la solution proposée. Le développement de l'approche est progressif : à partir du cas d'une seule zone, la démarche est ensuite étendue au cas multizone et / ou multisource, avec la prise en compte des couplages thermiques entre les zones adjacentes. Après une formulation quadratique du critère MPC pour mieux satisfaire les objectifs économiques du contrôle, la formulation linéaire est retenue. Pour répartir la charge de calcul, des méthodes de décomposition linéaire (comme Dantzig-Wolfe et Benders) sont employées. L'efficacité des algorithmes distribués proposés est illustrée par diverses simulations. / The increasing requirements on energy efficiency of buildings, the evolution of the energy market, the technical developments and the characteristics of the heating systems made of MPC the best candidate for thermal control of intermittently occupied buildings. This thesis presents a methodology based on distributed model predictive control, aiming a compromise between optimality, on the one hand, and simplicity and flexibility of the implementation of the proposed solution, on the other hand. The development of the approach is gradually. The mono-zone case is initially considered, then the basic ideas of the solution are extended to the multi-zone and / or multi-source case, including the thermal coupling between adjacent zones. Firstly we consider the quadratic formulation of the MPC cost function, then we pass towards a linear criterion, in order to better satisfy the economic control objectives. Thus, linear decomposition methods (such as Dantzig-Wolfe and Benders) represent the mathematical tools used to distribute the computational charge among the local controllers. The efficiency of the distributed algorithms is illustrated by simulations.

Μετά την πρώτη ενεργειακή κρίση την δεκαετία του ’70 κατά την οποία τα περιορισμένα αποθέματα ενέργειας προκάλεσαν την πρώτη σημαντική αύξηση στην τιμή της ενέργειας, η χρήση ενέργειας στα θερμοκήπια έχει γίνει κύριο ερευνητικό ζήτημα. Η ανάγκη για μείωση του ενεργειακού κόστους είναι σημαντική, γιατί η ενέργεια αποτελεί σημαντικό κλάσμα του συνολικού κόστους παραγωγής. Στις Μεσογειακές χώρες έχει υπολογιστεί ότι η χρήση ενέργειας για έλεγχο των συνθηκών περιβάλλοντος και ειδικότερα για τη θέρμανση, είναι 20% - 30% του συνολικού κόστους παραγωγής, ποσοστό το οποίο στις βορειότερες χώρες αυξάνεται. Ταυτόχρονα, με το έντονο ενδιαφέρον για το παγκόσμιο φαινόμενο του θερμοκηπίου και τις κλιματικές αλλαγές, η χρήση των συμβατικών καυσίμων είναι και πάλι στην πολιτική ατζέντα. Έτσι και η βιομηχανία θερμοκηπίων είναι αντιμέτωπη με οικονομική, πολιτική και κοινωνική πίεση για μείωση της χρήσης ενέργειας και βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης των θερμοκηπίων μέσω τεχνολογικών καινοτομιών. Η κατανάλωση ενέργειας για τη θέρμανση του θερμοκηπίου αποτελεί ένα πολύ σοβαρό πρόβλημα διότι οι απώλειες του θερμοκηπίου σε θερμότητα λόγω των λεπτών τοιχωμάτων του και της κατασκευής του, είναι πολύ μεγάλες, 6-12 φορές μεγαλύτερες από εκείνες ενός συνήθους κτίσματος ίσου όγκου. Η θερμότητα παρέχεται στο θερμοκήπιο κυρίως μέσω συμβατικών συστημάτων θέρμανσης (συστήματα σωληνώσεων θερμού νερού, συστήματα θερμού αέρα) και σε περιορισμένη έκταση με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ηλιακή, γεωθερμία, βιομάζα). Για να επιτευχθεί με αυτές τις μεθόδους η απαραίτητη θερμοκρασία στο επίπεδο των φυτών, το εσωτερικό του θερμοκηπίου πρέπει να θερμανθεί στην ίδια ή υψηλότερη θερμοκρασία από την επιθυμητή θερμοκρασία των φυτών με αποτέλεσμα την δημιουργία ισοθερμοκρασιακού κλίματος σε ολόκληρο το θερμοκήπιο (όλον κλίμα). Το αποτέλεσμα αυτής της πρακτικής σε όλες τις μελέτες που διεξάγονται είναι ότι, τα θερμοκήπια καταναλώνουν απαράδεκτα υψηλά ποσά ενέργειας σε σχέση με την ενέργεια που απορροφάται από τα φυτά, για να καλύπτουν τις αυξημένες ενεργειακές απώλειες που λόγω κατασκευής παρουσιάζουν. Στην παρούσα διατριβή αναπτύσσεται μια ολοκληρωμένη πρόταση για την δημιουργία ενός "ψυχρού θερμοκηπίου" στο οποίο τα φυτά θα λαμβάνουν απευθείας την ενέργεια που χρειάζονται προκειμένου να φτάσουν και να διατηρήσουν την επιθυμητή για την ανάπτυξή τους θερμοκρασία χωρίς να υπάρχει ανάγκη για αύξηση της θερμοκρασίας του αέρα του θερμοκηπίου. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιείται σύστημα θέρμανσης με μικρού μήκους υπέρυθρη ακτινοβολία (NIR). Σε αυτά τα συστήματα η θερμότητα μεταδίδεται απευθείας από την πηγή στον δέκτη, στην προκειμένη περίπτωση στα φυτά και το έδαφος και το αποτέλεσμα είναι η δημιουργία ισοθερμοκρασιακού κλίματος μόνο στην περιοχή του φυτικού θόλου (τοπικό κλίμα). Ειδικότερα η παρούσα εργασία αντιμετωπίζει τη θερμική συμπεριφορά του θερμοκηπίου λαμβάνοντας υπόψη όλα τα ουσιαστικά θερμικά φαινόμενα που συμβαίνουν κατά την διάρκεια θέρμανσης (με συμβατικό και με σύστημα θέρμανσης με ακτινοβολία) και παρουσία καλλιέργειας. Γι αυτό τον λόγο δίνεται ιδιαίτερη βαρύτητα στην ανάπτυξη ενός μαθηματικού μοντέλου που προσομοιάζει επαρκώς τις κύριες διαδικασίες μεταφοράς θερμότητας μέσα στο θερμοκήπιο, το οποίο περιλαμβάνει ένα σύνολο λειτουργικών συνθηκών, και στο οποίο καθορίζονται με σχετική ακρίβεια οι παράγοντες που επηρεάζουν την θερμική συμπεριφορά του θερμοκηπίου. Το μοντέλο προσομοίωσης δίνει την δυνατότητα αξιόπιστης περιγραφής του περιβάλλοντος του θερμοκηπίου, και σαφούς εκτίμησης των ενεργειακών αναγκών του και με τις δυο τεχνικές θέρμανσης. Ετσι προσδιορίζεται το εξοικονομούμενο ενεργειακό όφελος που προκύπτει με τη χρήση συστήματος θέρμανσης με ακτινοβολία. Ο έλεγχος της ποιότητας του μοντέλου προσομοίωσης και η περαιτέρω βελτίωσή του γίνεται με σύγκριση των θεωρητικών αποτελεσμάτων με πειραματικά δεδομένα, η συλλογή και επεξεργασία των οποίων αποτελεί τον πυρήνα της έρευνας. Τα πειραματικά δεδομένα προέρχονται από πειράματα που διεξήχθησαν σε δύο πειραματικά θερμοκήπια συζευγμένα με αυτόματο μετεωρολογικό σταθμό, στα οποία εφαρμόζεται συμβατικό σύστημα θέρμανσης και θέρμανση με υπέρυθρη ακτινοβολία αντίστοιχα. Αυτό δίνει την δυνατότητα πιστοποίησης των δυνατοτήτων της θέρμανσης με ακτινοβολία και ποσοτικοποίησης του ενεργειακού οφέλους που επιτυγχάνεται. Συμπερασματικά, η συστηματική θεωρητική και πειραματική μελέτη ενός "ψυχρού" θερμοκηπίου με χρήση μικρού μήκους υπέρυθρης ακτινοβολίας (NIR) και ενός "θερμού θερμοκηπίου" με χρήση συμβατικού συστήματος θέρμανσης αναδεικνύουν το κύριο πλεονέκτημα της υπέρυθρης ακτινοβολίας, δηλαδή η θερμότητα να μεταδίδεται απευθείας από το σύστημα ακτινοβολίας στα φυτά και το έδαφος χωρίς να παρεμβάλεται ο αέρας του εσωτερικού περιβάλλοντος του θερμοκηπίου. Αυτό οδηγεί σε ομοιομορφία θέρμανσης του φυτικού θόλου και ταυτόχρονα σε σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας της τάξεως του 40-50%. / After the first energy crisis in the seventies during which limited energy supplies led to an important increase in energy prices, greenhouse energy consumption has again become a major research issue. The energy cost reduction need is significant, since energy forms a substantial fraction of the total production costs. In Mediterranean countries it has been estimated that energy consumption for environment conditions control and more specifically for heating, consists 20% - 30% of total production cost, a percentage that is higher in northern countries. Moreover, due to the recent pronounced interest in the global greenhouse effect and climatic change, the use of fossil fuels is once again in the political agenda. Therefore the greenhouse industry is confronted with economical, political and social pressure to reduce energy usage and improve the greenhouse energy efficiency via technological innovations. Energy consumption for greenhouse heating represents a serious concern because greenhouse heat losses due to thin covers and construction specifics are 6-12 times higher than those of a common building of equal volume. Traditionally, thermal energy is transmitted to the greenhouse mainly through conventional heating systems (either by hot water circulation through a piping system or by air heaters) and, in a limited scale, through renewable energy sources (solar, geothermal, biomass). In order for the plants to reach required temperature through these methods, the greenhouse interior has to be heated to the same or even to a slightly higher temperature than the value targeted for the plants (entire climate). This practice results in extremely increased heat losses compared to the energy absorbed by plants, because of the increased energy losses due to construction specifications. The present thesis formulates a complete proposal for the creation of a "cold greenhouse" where plants will directly receive the needed energy in order to reach and preserve the desirable growth temperature without having to increase the internal greenhouse air temperature. The near infrared radiation (NIR) is used for this purpose. In the radiation system, heating is transmitted straight from the source to the receiver, in this particular case plants and soil. The result is an isothermal climate formation in the plant canopy (local climate). Specifically this study investigates the greenhouse thermal performance taking into account all the essential thermal phenomena that take place during heating (conventional and IR heating) and cultivation. For this reason, emphasis is given to the development of a mathematical model that simulates the main heating transfer procedures inside the greenhouse, takes into account a sum of operational conditions and determines all factors influencing the greenhouse thermal performance with relevant accuracy. The simulation model allows a credible description of greenhouse environment as well as a clear estimation of its energy needs with both heating systems. Thus the resulting energy saving by IR heating usage is determined. Quality control of the simulation model and its forward improvement is done by comparing the theoretical results with experimental data. Collecting and processing these data forms the research kernel. The experimental data correspond to experiments that took place in two experimental greenhouse connected with automatic meteorological station where conventional and IR heating have been used respectively. This method makes possible the identification of IR heating potential and quantification of energy saving. Concluding, the systematic theoretical and experimental study of a "cold" greenhouse using near IR heating, and of a "warm" greenhouse using conventional heating, proves the main advantage of IR heating that is that, the heat is directly transferred from the radiation system to the plants and the soil without interference of the internal greenhouse air. This leads to uniform heating of the plant canopy and at the same time to a significant energy saving of 40-50%.