The building sector is one of the largest consumers of energy and producers of greenhouse gas emissions in Ontario, representing 13% of the province’s emissions. Recently, countries have been looking to decrease their emissions in response to climate change. The electrification of space heating and domestic hot water preparation has gained traction in reducing emissions in countries with low emission electricity grids. This thesis proposes a novel energy delivery system called the Integrated Community Energy and Harvesting (ICE-Harvest) system. The ICE-Harvest system is a modified 5th Generation District Heating and Cooling (5GDHC) system. An ICE-Harvest system, much like a 5GDHC system, is a district energy system that incorporates heat pumps to couple the thermal and electrical energy demands of buildings. The ICE-Harvest system uses heat pumps to supply both heating and cooling from a one pipe thermal distribution network. The ICE-Harvest system has unidirectional mass flow in a ring arrangement with branches at each building. Bidirectional energy flow between the network and buildings is permitted, meaning that heat rejection from cooling processes can be recovered in the network to reduce the total system heating load. This concept is referred to as energy sharing. The energy needs of the network, and thus the buildings, are serviced through a centralized generation station referred to as the Energy Management Center (EMC). The EMC regulates the supply temperature of the network to the controlled setpoint. Within the EMC, the primary generation source is a Combined Heat and Power (CHP) unit. The purpose of this CHP is to offset the existing centralized natural gas generators on the Ontario electrical grid. These gas generators operate intermittently and inefficiently as a form of dispatchable generation to stabilize the provincial electrical grid. In this research, it is proposed that ICE-Harvest systems with on-site CHPs could replace these gas generators while providing the same support to the electrical grid at a much higher energy utilization ratio. For an accurate comparison, the CHP is constrained to only turn on according to the electricity system operator's gas generator dispatching schedule. An auxiliary boiler is included in the EMC to provide heat when the CHP is not permitted to operate. However, the possibility for Thermal Energy Storage (TES) to replace this boiler is also explored. An ICE-Harvest system's ideal design depends on the market conditions, building energy demands, and available waste energy sources. This research presents an ICE-Harvest system in a heating demand dominated community located in Ontario, Canada. The community consists of five buildings. The ICE-Harvest system is compared to conventional and alternative building energy systems using the energy consumption data of these buildings. The systems are compared according to their energy consumption, emissions produced, and impact on the electrical grid at both the distribution and transmission levels. The topic of using thermal energy storage in ICE-Harvest systems is also discussed, and a parameter sweep is performed on the thermal energy storage capacity. The results show that the ICE-Harvest system offers demand management opportunities to electricity system operators, substantially reduces annual emissions, and offers improved energy utilization compared to conventional systems. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Pour répondre au besoin des clients ainsi qu’aux réglementations gouvernementales, les constructeurs de camions doivent diminuer la consommation et les émissions de leurs véhicules. Une solution-clé est d’améliorer le rendement de la transmission du camion, dont le pont fait partie. Leur design n’a longtemps été optimisé qu’en fonction de critères de durabilité et de bruit. L’objectif de ce travail est donc de caractériser le rendement des ponts de camion. La dissipation de puissance au sein du pont est causée par l’engrènement, les roulements, les joints et le barbotage. Des méthodes permettent d’estimer globalement ces pertes de puissance, mais elles ne sont pas forcément adaptées aux ponts. En effet, l’élément principal du pont est un engrenage spiro-conique ou hypoïde et son importance est étudiée : sa forme influe sur le barbotage, tandis que sa géométrie de denture et sa cinématique gouvernent le frottement à l’engrènement. Il semble ainsi important d’évaluer le frottement de ces couples coniques par une approche locale et d’étudier l’influence des paramètres de denture. Cependant, les pertes de puissance dépendent de la température, via les propriétés de l’huile. Des expériences montrent un important écart de température entre les composants. Il faut donc considérer des températures locales plutôt qu’une température d’huile globale. Le rendement et la durabilité peuvent être impactés par des points chauds. La méthode des réseaux thermiques permet de modéliser les échanges thermiques du pont ainsi que la distribution de températures. Les tests classiques de rendement mesurent uniquement la perte globale et la température d’huile : rien ne permet de confirmer la répartition des pertes entre sources. Une campagne d’essais avec mesures de température est donc réalisée et valide le modèle pour le calcul des températures locales et pour l’estimation des pertes de chaque composant. Ce modèle peut alors être utilisé lors du design de futurs ponts. / To fulfil customer demands, but also government regulations, the truck industry must decrease the fuel consumption and emissions of its vehicles. A key development is to improve the efficiency of the powertrain, which includes the axle. Until recently, optimisation of axle design has mainly concerned durability and noise aspects. The aim of this study is then to characterise the efficiency of truck axles. As for most of the mechanical transmissions, power dissipation in axles is due to gear mesh, rolling element bearings, seals and oil churning. Formulae already exist to estimate these power losses at a global level, but they are not always adapted to axles. Indeed, the main component of axles is a spiral bevel or a hypoid gear set. The influence of these special gears on efficiency is investigated here: their shape drives oil churning losses, while their tooth geometry and their kinematics impact friction at gear mesh. Therefore, the meshing friction of the gear set is also evaluated thanks to a local approach. The influence of some gear parameters is studied. However, power losses are influenced by temperature through oil viscosity. As previous experiments underline non-negligible temperature difference between components, it is necessary to consider local temperatures instead of a global oil temperature. Efficiency but also durability can be impacted by local hot spots. The thermal network method is used to model the thermal exchanges inside and outside the axle and to calculate temperature distribution. Usual efficiency tests on axles measure only global power loss and oil temperature: no evidence allows to confirm a power loss breakdown. Thus, a test campaign with temperature measurements is done and validates the model on local temperature calculation but also on estimation of component power losses. The model can be used at design stage for future development of axles.

NH-Sicherungseinsätze (Niederspannungs-Hochleistungs-Sicherungseinsätze) für allgemeine Anwendung (gG) werden in der Niederspannungstechnik in großer Stückzahl in Schaltgeräten wie Schalter-Sicherungs-Einheiten oder Sicherungslasttrennschaltern eingesetzt und dienen dem Schutz von Betriebsmitteln vor Fehlerströmen. Die Sicherungseinsätze besitzen einen Schmelzleiter, der im Normalbetrieb den Betriebsstrom zuverlässig und verlustarm führen und im Fehlerfall durch ein rasches Aufschmelzen Fehlerströme sicher unterbrechen soll. Langzeit- und Betriebsverhalten der Schmelzleiter hängen dabei stark von der Temperatur ab. Aus der Literatur ist bisher nicht bekannt, inwieweit die Temperatur der Schmelzleiter im Normalbetrieb erhöht werden kann, ohne die Zuverlässigkeit des gesamten NH-Sicherungseinsatzes zu beeinträchtigen. In der vorliegenden Arbeit wurde daher das Langzeitverhalten von Schmelzleitern experimentell untersucht. Es wurden Schmelzleiter bei verschiedenen Temperaturen für eine Zeit von 10.000 h thermisch beansprucht und anschließend das Erwärmungs- und Schaltverhalten der Schmelzleiter ermittelt. Es konnte gezeigt werden, dass bereits eine dauerhaft hohe thermische Beanspruchung im festen Zustand des Lotes besonders das Schaltverhalten im Bereich kleiner Überströme beeinträchtigen kann. Die Auswirkungen auf den Normalbertrieb der Schmelzleiter sind in der Regel vernachlässigbar. Das Langzeitverhalten wird wesentlich von der Alterung der Schmelzleiter durch Interdiffusion im Normalbetrieb bestimmt. Es wurde ein Zusammenhang zwischen dem Wachstum intermetallischer Phasen an der Grenzfläche zwischen Schmelzleiter und Lot und der Schmelzzeit im Bereich kleiner Überströme hergestellt. Auf Basis der Ergebnisse wurden Grenztemperaturen für einen langzeitstabilen Betrieb der untersuchten Schmelzleiter hergeleitet. Die Temperatur des Schmelzleiters kann in der Praxis nicht zerstörungsfrei gemessen werden. Stellvertretend wird häufig die Temperatur des Sicherungsmessers als alternatives Bewertungskriterium empfohlen. Um den Zusammenhang zwischen der Erwärmung des Schmelzleiters und des Sicherungsmessers zu untersuchen, wurde das thermische Verhalten der Sicherungseinsätze mit der Wärmenetzmethode berechnet und verifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass die Temperaturdifferenz zwischen Schmelzleiter und Sicherungsmesser eine charakteristische Kenngröße eines Sicherungseinsatzes ist. Es wurden die Einflussparameter auf die Temperaturdifferenz im Betrieb untersucht und empirische Gleichungen entwickelt, mit denen Grenztemperaturen der Sicherungsmesser für unterschiedliche Einbausituationen berechnet werden können. Die ermittelten Grenztemperaturen sind belastungsabhängig und werden insbesondere von der individuellen Dimensionierung des Sicherungseinsatzes bestimmt.:1 Einleitung 2 Das NH-Sicherungssystem 2.1 Aufbau und Einteilung 2.2 Funktion im Normalbetrieb und Überstrombereich 3 NH-Sicherungseinsätze der Betriebsklasse gG 3.1 Normen für die Anwendung von NH-Sicherungseinsätzen 3.2 Thermisches Verhalten von NH-Sicherungseinsätzen im Normalbetrieb 3.2.1 Aktuelle Randbedingungen im Praxiseinsatz 3.2.2 Die Erwärmung bei stationärer Belastung 3.3 Langzeitverhalten von Schmelzleitern 3.3.1 Alterung durch Interdiffusion 3.3.2 Alterung durch Oxidation 3.4 Untersuchte Sicherungseinsätze und Schmelzleiter 4 Präzisierte Aufgabenstellung 5 Langzeitverhalten von Schmelzleitern im Normalbetrieb und im Bereich kleiner Überströme 5.1 Vorbetrachtungen 5.1.1 Der elektrische Widerstand des Schmelzleiters im Bereich der Engstelle mit Lotdepot 5.1.2 Die Temperatur im Bereich der Engstelle mit Lotdepot 5.2 Einfluss hoher thermischer Beanspruchung auf die Alterung des Schmelzleiters im Normalbetrieb 5.2.1 Versuchsaufbau und –durchführung 5.2.2 Ergebnisse der Versuche im Wärmeschrank 5.2.3 Ergebnisse der Versuche bei Strombelastung in unterschiedlichen Atmosphären 5.3 Einfluss der Alterung auf die Funktion im Normalbetrieb und im Bereich kleiner Überströme 5.3.1 Versuchsaufbau 5.3.2 Versuchsdurchführung, Randbedingungen und Bewertungskriterien 5.3.3 Versuchsergebnisse 5.4 Vergleichende Langzeitversuche an NH-Sicherungseinsätzen bei hoher thermischer Beanspruchung im Normalbetrieb 5.4.1 Versuchsaufbau 5.4.2 Versuchsergebnisse 5.5 Zusammenfassung der Untersuchungen zum Langzeitverhalten von Schmelzleitern 6 Berechnen des thermischen Verhaltens von NH Sicherungseinsätzen bei stationärer Belastung 6.1 Grundlagen der Erwärmungsberechnung mit Wärmenetzen 6.2 Aufbau von Berechnungsmodellen für NH-Sicherungseinsätze in verschiedenen Einbausituationen 6.2.1 Wärmenetzmodelle der NH-Sicherungseinsätze 6.2.2 Berechnungsmodell für die Einbausituation frei in Luft 6.2.3 Berechnungsmodell für die Einbausituation in einer NH-Sicherungs-Lastschaltleiste 6.3 Die Temperaturdifferenz  zwischen Schmelzleiter und Sicherungsmesser 6.3.1 Einfluss der Temperatur der Anschlüsse der Sicherung 6.3.2 Einfluss der Umgebungstemperatur des Sicherungseinsatzes 6.3.3 Einfluss des Belastungsstromes durch den Sicherungseinsatz 6.3.4 Berechnen der Temperaturdifferenz  zwischen Schmelzleiter und Sicherungsmesser in der Einbausituation 6.4 Die Temperatur der Sicherungsmesser als Kriterium zum Bewerten der zulässigen thermischen Beanspruchung im Betrieb 7 Zusammenfassung 8 Ausblick 9 Literaturverzeichnis 10 Bildverzeichnis 11 Tabellenverzeichnis Anhang / In low-voltage power systems, NH fuse-links for general use (gG) are widely used to protect electrical devices in case of overloads or short-circuit currents. Mainly they are installed in switchgears like fuse-combination units or fuse-switch-disconnetors. The fuse-links are equipped with a fuse element, which, in normal operation, should conduct the load current reliably and with low losses and, in the event of a fault, should interrupt the current by melting quickly. Thereby, the long-term and operational behaviour of the fuse elements depends strongly on the temperature. It is not yet known from the literature to what extent the temperature of the fuse element can be increased during normal operation without impairing the reliability of the whole NH fuse-link. Therefore, the long-term behaviour of fuse elements was experimentally investigated in this thesis. Fuse elements were subjected to constant thermal stress at various temperatures for a period of 10,000 h and then the temperature rise performance and the tripping behaviour were determined. It could be shown that even a high thermal stress in the solid state of the solder can impair the tripping behaviour in the range of small over-current. The effects on the normal operation of the fuse elements are usually negligible. The long-term behaviour is essentially determined by the ageing of the fuse elements due to interdiffusion in normal operation. A correlation was established between the growth of intermetallic compounds at the interface between the fuse element and the solder and the melting time in the range of small over-current. Based on these results limiting temperatures were derived for a long-term stable operation of the investigated fuse elements. The temperature of the fuse element cannot be measured non-destructively in practice. The temperature of the blade contact is often recommended as an alternative evaluation criterion. In order to investigate the correlation between the temperature rise of the fuse element and the blade contact, the thermal behaviour of the fuse-links was calculated using the thermal network method. It could be shown that the temperature difference between the fuse element and the blade contact is a characteristic parameter of a fuse-link. The influencing parameters on the temperature difference were investigated and empirical equations were developed with which limiting temperatures of the blade contacts for different assembly situations can be calculated. The limiting temperatures are load-dependent and are determined in particular by the individual dimensioning of the fuse-link.:1 Einleitung 2 Das NH-Sicherungssystem 2.1 Aufbau und Einteilung 2.2 Funktion im Normalbetrieb und Überstrombereich 3 NH-Sicherungseinsätze der Betriebsklasse gG 3.1 Normen für die Anwendung von NH-Sicherungseinsätzen 3.2 Thermisches Verhalten von NH-Sicherungseinsätzen im Normalbetrieb 3.2.1 Aktuelle Randbedingungen im Praxiseinsatz 3.2.2 Die Erwärmung bei stationärer Belastung 3.3 Langzeitverhalten von Schmelzleitern 3.3.1 Alterung durch Interdiffusion 3.3.2 Alterung durch Oxidation 3.4 Untersuchte Sicherungseinsätze und Schmelzleiter 4 Präzisierte Aufgabenstellung 5 Langzeitverhalten von Schmelzleitern im Normalbetrieb und im Bereich kleiner Überströme 5.1 Vorbetrachtungen 5.1.1 Der elektrische Widerstand des Schmelzleiters im Bereich der Engstelle mit Lotdepot 5.1.2 Die Temperatur im Bereich der Engstelle mit Lotdepot 5.2 Einfluss hoher thermischer Beanspruchung auf die Alterung des Schmelzleiters im Normalbetrieb 5.2.1 Versuchsaufbau und –durchführung 5.2.2 Ergebnisse der Versuche im Wärmeschrank 5.2.3 Ergebnisse der Versuche bei Strombelastung in unterschiedlichen Atmosphären 5.3 Einfluss der Alterung auf die Funktion im Normalbetrieb und im Bereich kleiner Überströme 5.3.1 Versuchsaufbau 5.3.2 Versuchsdurchführung, Randbedingungen und Bewertungskriterien 5.3.3 Versuchsergebnisse 5.4 Vergleichende Langzeitversuche an NH-Sicherungseinsätzen bei hoher thermischer Beanspruchung im Normalbetrieb 5.4.1 Versuchsaufbau 5.4.2 Versuchsergebnisse 5.5 Zusammenfassung der Untersuchungen zum Langzeitverhalten von Schmelzleitern 6 Berechnen des thermischen Verhaltens von NH Sicherungseinsätzen bei stationärer Belastung 6.1 Grundlagen der Erwärmungsberechnung mit Wärmenetzen 6.2 Aufbau von Berechnungsmodellen für NH-Sicherungseinsätze in verschiedenen Einbausituationen 6.2.1 Wärmenetzmodelle der NH-Sicherungseinsätze 6.2.2 Berechnungsmodell für die Einbausituation frei in Luft 6.2.3 Berechnungsmodell für die Einbausituation in einer NH-Sicherungs-Lastschaltleiste 6.3 Die Temperaturdifferenz  zwischen Schmelzleiter und Sicherungsmesser 6.3.1 Einfluss der Temperatur der Anschlüsse der Sicherung 6.3.2 Einfluss der Umgebungstemperatur des Sicherungseinsatzes 6.3.3 Einfluss des Belastungsstromes durch den Sicherungseinsatz 6.3.4 Berechnen der Temperaturdifferenz  zwischen Schmelzleiter und Sicherungsmesser in der Einbausituation 6.4 Die Temperatur der Sicherungsmesser als Kriterium zum Bewerten der zulässigen thermischen Beanspruchung im Betrieb 7 Zusammenfassung 8 Ausblick 9 Literaturverzeichnis 10 Bildverzeichnis 11 Tabellenverzeichnis Anhang

This diploma thesis deals with methods used to determine the temperature field distribution within an electric machine. The first part is focused on methods of temperature measurement, generation and transfer of the thermal energy within the electric machine, asynchronous motor in particular. The thesis describes classical methods of temperature measurement and it also deals with ANSYS Workbench finite element method for thermal analysis of the motor. The final part of the thesis is focused on a comparation of all discussed methods with respect to results of thermal test for real asynchronous motor and concludes the most proper method.