The beachfront hotel with hybrid geothermal heat pump system (HyGSHP), located in the hot-humid climate, is simulated by TRNSYS in the thesis, and the simulation results are validated by the measured data. The simulation of alternative HVAC systems, complete ground source heat pump and conventional air source heat pump, are included to conduct the comparative study with HyGSHP based on the energy consumption and life cycle analysis. The advantages and disadvantages of HyGSHP are discussed in the thesis. Two ground source heat exchanger parameters, U-tube size and grout materials, are investigated in order to study the effects on the ground heat exchanger thermal performance. The preliminary work and results are shown in the thesis.

<p>During installation and operation of a geothermal heat pump system leakage of an antifreezing agent can appear in a borehole and leak out in surrounding groundwater. To guarantee high quality drinking water for generations to come Sweden has dedicated some areas as water protection areas. The local authority gives permits for the installation of heat pump systems within water protection areas. Before giving a permit the local authority makes an evaluation of the risks involved in installation and operation of the system within the area. By keeping a certain distance between the protected object in the area and the heat pump system the risk of polluting the protected object with an anti-freezing agent can be reduced.</p><p>This thesis makes a comparison between three different methods of calculating an appropriate distance between the protected object and the heat pump system. These methods include different numbers of parameters to calculate the appropriate distance.</p><p>The results are evaluated with regard to the parameters used. The methods used are a simplified version of an empirical point-count system made by LeGrand, an analytical solution from Baetsle and a numerical solution with Visual MODFLOW 4.0.</p> / <p>Miljöbalken med bakomliggande miljömål skall bidra till att skydda viktiga naturområden för en hållbar utveckling. Ett stort problem för att tillgodose detta behov är dock alla konkurrerande intressen som kan finnas inom ett och samma område.</p><p>Vattenskyddsområden utfärdas i syfte att ge tillgång till rent vatten för framtida dricksvatten, men konkurrerande intressen påverkar även dessa områden. Beslut om vilka verksamheter som skall vara tillåtna inom ett vattenskyddsområde tas av den kommun inom vilken området finns.</p><p>Ett ökande oljepris har under senare år lett till ett ökat intresse av att installera bergvärmeanläggningar. Denna kraftiga ökning har gjort att negativa effekter av att installera dessa anläggningar förbisetts och att installatörer med dåliga kunskaper fått en chans att etablera sig på marknaden. Före eventuell installation av en bergvärmeanläggning inom ett vattenskyddsområde är det viktigt att beakta de risker som en bergvärmeanläggning kan medföra för omgivande grundvatten. En noggrann utredning kräver beaktande av alla de riskmoment som installation och drift av en sådan anläggning kan medföra. För omgivande grundvatten är det dock främst läckage av köldbärarvätska, dvs. vatten med tillfört frostskyddsmedel, som kan ha en större inverkan. Det finns idag ingen övergripande lagstiftning över tillåtna köldbärarvätskor, men enligt de hänsynsregler som finns i miljöbalken och rekommendationer av bl.a. Sveriges Geologiska Undersökning skall etanol användas som frostskyddsmedel. Etanol för tekniskt bruk innehåller denatureringsmedel för att motverka konsumtion.</p><p>Denatureringsmedel samt etanol kan ge smak och lukt till vatten och är därför inte önskvärda att ha i ett vattenskyddsområde. Dessa ämnen tillför även negativa effekter genom att de som substrat för bakterier kan ge en ökad bakteriehalt i marken. Under nedbrytning av dessa ämnen kan även syrefria förhållanden utbildas i jorden vilket kan leda till utfällningar av järn och mangan samt utbildning av svavelväte.</p><p>Det finns olika riktlinjer för hur risk med att införa en bergvärmeanläggning i ett vattenskyddsområde beaktas i olika kommuner. Ett lämpligt skyddsavstånd mellan en bergvärmeanläggning och ett skyddsobjekt kan dock göra att risken för att förorena ett skyddsobjekt med etanol kan minimeras. Detta arbete har utförts i syfte att jämföra olika metoder för att ta fram ett skyddsavstånd för en första övergripande undersökning av vilken effekt ett läckage av etanol kan ha på ett skyddsobjekt ett visst avstånd från en ansatt bergvärmeanläggning. De metoder som använts är en förenklad form av en empirisk lösning av LeGrand, en analytisk lösning av Baetsle och en numerisk lösning i Visual MODFLOW.</p>

<p>The aim of this report was to do a case study at a geothermal heating system which has been in operation for about 5 years, and study if its performance has changed during this period of time. A literature study about the processes involved was also done in purpose of background knowledge.</p><p>The tenant-owner’s association Duvan at Petterslundsgatan in Uppsala installed year 1999-2000 a geothermal heating system. The purpose of this installation was that they hoped it would lead to a smaller usage of district heating which would lead to a reduction of the heating expenses for their buildings. The geothermal heating system consists of 19 energy wells and 4 geothermal heat pumps, and it is one of the first systems of that size in the region of Uppsala. Due to that, the system at Duvan is referred to as a reference project for geothermal heating system of this size. The reason that the study was made after 5 years is that it takes about 5 years before the heat equilibrium in the bedrock has been stabilized after a geothermal heat system has been installed. The temperature in the bedrock will decrease during this 5 year period and the performance of the system will change.</p><p>In this report factors such as geology, groundwater levels and temperature changes are examined to get a summery of the processes that extract heat from the bedrock and convert it to conventional energy. Data from the compressors has been examined, energy usage before and after the installation of the system has been compared and finally an economical calculation of the tenant-owner’s association energy consumption has been made. All the main points in this report point to the fact that the system is working properly and that it has contributed to an economical benefit regarding to the energy usage.</p> / <p>Syftet med detta examensarbete var att göra en fallstudie på ett befintligt bergvärmesystem som har varit i drift i 5 år, och studera om dess prestanda har förändrats under den tid som systemet använts. Som bakgrund genomfördes även en litteraturstudie över de processer som äger rum då geotermisk energi kan utvinnas samt hur denna energi konverteras till konventionell energi för uppvärmning av lokaler.</p><p>Bostadsrättsföreningen Duvan på Petterslundsgatan i Uppsala installerade under år 1999-2000 ett bergvärmesystem som skulle leda till ett mindre användande av fjärrvärme och således bidra till att utgifterna för inköp av energi skulle minska. Systemet består av 19 energibrunnar och 4 värmepumpar, och är en av de första anläggningarna av denna storlek i Uppsala regionen. Detta gör att Bostadsrättsföreningen Duvan ses som ett referensobjekt för anläggningar av denna storlek. Anledningen till att studien gjordes vid denna tidpunkt var att det tar ungefär 5 år innan värmebalansen i berggrunden stabiliseras när ett bergvärmesystem installeras, och temperaturen i berggrunden kommer under denna period minska vilket leder till prestandaförändringar hos värmepumpen. Denna femårsperiod har nu gått och en relevant undersökning av systemet har kunnat göras.</p><p>I denna rapport beskrivs bakomliggande parametrar så som geologi, grundvattennivåer och temperaturförändringar som behövs för att få en överblick över situationen och kunna ge en inblick i vad som påverkar utvinningen av energi i berggrunden. Data från kompressorernas drifttider och förbrukning av energi före och efter installationen av bergvärmesystemet jämförs och slutligen görs en ekonomisk kalkyl för bostadsrättsföreningens energiförbrukning. Alla de punkter som rapporten undersöker visar att systemet fungerar väl och att det bidragit till en ekonomisk vinst med avseende på energianvändandet.</p>

Mr Wayne Tobeck, Director of Southrim Group (SRG), sponsored this 2013 MEM Project titled; A Technical and Economic Feasibility Study for the Integration of GSHP Technology in the Christchurch Rebuild. Following the recent Christchurch earthquakes, a significant amount of land has become too unstable to support traditional building foundations. This creates an opportunity to implement new and unique foundation designs previously unconsidered due to high costs compared to traditional methods. One such design proposes that an Injection Micro-Piling technique could be used. This can also be coupled with HVAC technology to create a Ground Source Heat Pump (GSHP) arrangement in both new buildings and as retrofits for building requiring foundation repair. The purpose of this study was to complete a feasibility study on the merits of SRG pursuing this proposed product. A significant market for such a product was found to exist, while the product was also found to be technically and legally feasible. However, the proposed product was found to not be economically feasible with respect to Air Source Heat Pumps due to the significantly higher capital and installation costs required. Further analysis suggests GSHPs may become more economically attractive in operating temperatures lower than -9oC, though the existence of markets with this climate in NZ has not been studied. It is therefore suggested that SRG do not proceed with plans to develop a GSHP coupled foundation solution for the Christchurch rebuild.

Pour la climatisation de bâtiments ou d’installations industrielles, les nappes d’eaux superficielles représentent une source de frigories très convoitée. Leurs exploitations intensives depuis plusieurs dizaines d’années conjuguées au redéploiement de la filière géothermique ces dernières années, soulèvent des préoccupations quant à la préservation des ressources en eau. Dans ce contexte, la présente étude vise à évaluer l’impact de variations locales de température sur la qualité physico-chimique et microbiologique des eaux souterraines sur la base (i) de suivis in-situ au niveau de 3 installations réelles exploitant les nappes d’eaux superficielles et, (ii) d’expérimentations sur un pilote (BIOTHERMEX) permettant de reproduire, en conditions parfaitement maitrisées, l’effet de la propagation d’un panache thermique dans un modèle réduit d’aquifère. Dans la gamme de température relevée sur site, les principaux résultats obtenus montrent que les impacts thermiques sont circonscrits au voisinage immédiat de l’installation, pouvant altérer jusqu’à plus d’une dizaine de degrés la sténothermie des nappes. Le suivi des paramètres physico-chimiques n’ont pas fait apparaitre de perturbations significatives sur la période de surveillance, constat étayé par des modélisations hydrogéochimiques. En revanche, une influence significative a été relevée au niveau des principaux descripteurs microbiologiques (activité, diversité de la microflore totale). Enfin, les expériences menées à l’échelle du laboratoire ont permis d’appréhender finement le comportement réactionnel du système et de définir une température de réinjection critique, au-delà de laquelle des désordres potentiels sont attendus. / The use of shallow groundwater as heat source for heat pump is very coveted for air-conditioning of building or industrial facilities. Their intensive use during many years combined with the redeployment of the geothermal industry these last years, raise concerns about the safeguarding of the water resources. In such a context, the present study aims to evaluate the impact of local variations of temperature on the physicochemical and microbiological quality of groundwater systems on the basis of (I) field investigation and, (II) experiments on a pilot (named BIOTHERMEX) making it possible to reproduce, in perfectly supervised conditions, the effect of the propagation of a thermal plume in a reduced aquifer model. Within the temperature recorded on site, principal outcomes showed that thermal impacts are confined in the immediate vicinity of the installation, and were able to deteriorate, up to about ten degrees, the stenothermy of the groundwater systems. The evolution of the physicochemical parameters did not reveal any significant disturbances over the monitoring period, this being also predicted by hydrogeochemical modeling. On the other hand, a significant influence was raised about some microbiological indicators-descriptors (namely activity, diversity of the total microflora). Lastly, the experiments undertaken on the laboratory scale made it possible to finely apprehend the reactional behavior of the system and to define a critical temperature of re-injection beyond which, potential disorders are expected.

Parametric performance analyses and comparison of a basic geothermal heat pump, a heat pump cycle with motor cooling/refrigerant preheating, and a heat pump cycle utilizing an economizer with respect to first law is conducted through simulation. Changing compressor, pump, and motor efficiency, along with condenser pressure, evaporator pressure, degree of subcooling at the condenser exit and degree of superheating at the evaporator exit is investigated. Economizer arrangements yield the highest coefficient of performance and resilience to change in COP with variation in evaporator pressure, and degree of superheating and subcooling. The basic vapor compression and motor cooling/refrigerant preheating systems have the lowest COP throughout and greatest resilience to variation in compressor efficiency, motor efficiency and condenser pressure. Motor cooling/refrigerant preheating and economizers have advantages over basic vapor compression cycles. Motor cooling reduces ground loop heat exchanger length with similar COP, and economizers allow for an increase in COP compared to the basic cycle. / UOIT

During installation and operation of a geothermal heat pump system leakage of an antifreezing agent can appear in a borehole and leak out in surrounding groundwater. To guarantee high quality drinking water for generations to come Sweden has dedicated some areas as water protection areas. The local authority gives permits for the installation of heat pump systems within water protection areas. Before giving a permit the local authority makes an evaluation of the risks involved in installation and operation of the system within the area. By keeping a certain distance between the protected object in the area and the heat pump system the risk of polluting the protected object with an anti-freezing agent can be reduced. This thesis makes a comparison between three different methods of calculating an appropriate distance between the protected object and the heat pump system. These methods include different numbers of parameters to calculate the appropriate distance. The results are evaluated with regard to the parameters used. The methods used are a simplified version of an empirical point-count system made by LeGrand, an analytical solution from Baetsle and a numerical solution with Visual MODFLOW 4.0. / Miljöbalken med bakomliggande miljömål skall bidra till att skydda viktiga naturområden för en hållbar utveckling. Ett stort problem för att tillgodose detta behov är dock alla konkurrerande intressen som kan finnas inom ett och samma område. Vattenskyddsområden utfärdas i syfte att ge tillgång till rent vatten för framtida dricksvatten, men konkurrerande intressen påverkar även dessa områden. Beslut om vilka verksamheter som skall vara tillåtna inom ett vattenskyddsområde tas av den kommun inom vilken området finns. Ett ökande oljepris har under senare år lett till ett ökat intresse av att installera bergvärmeanläggningar. Denna kraftiga ökning har gjort att negativa effekter av att installera dessa anläggningar förbisetts och att installatörer med dåliga kunskaper fått en chans att etablera sig på marknaden. Före eventuell installation av en bergvärmeanläggning inom ett vattenskyddsområde är det viktigt att beakta de risker som en bergvärmeanläggning kan medföra för omgivande grundvatten. En noggrann utredning kräver beaktande av alla de riskmoment som installation och drift av en sådan anläggning kan medföra. För omgivande grundvatten är det dock främst läckage av köldbärarvätska, dvs. vatten med tillfört frostskyddsmedel, som kan ha en större inverkan. Det finns idag ingen övergripande lagstiftning över tillåtna köldbärarvätskor, men enligt de hänsynsregler som finns i miljöbalken och rekommendationer av bl.a. Sveriges Geologiska Undersökning skall etanol användas som frostskyddsmedel. Etanol för tekniskt bruk innehåller denatureringsmedel för att motverka konsumtion. Denatureringsmedel samt etanol kan ge smak och lukt till vatten och är därför inte önskvärda att ha i ett vattenskyddsområde. Dessa ämnen tillför även negativa effekter genom att de som substrat för bakterier kan ge en ökad bakteriehalt i marken. Under nedbrytning av dessa ämnen kan även syrefria förhållanden utbildas i jorden vilket kan leda till utfällningar av järn och mangan samt utbildning av svavelväte. Det finns olika riktlinjer för hur risk med att införa en bergvärmeanläggning i ett vattenskyddsområde beaktas i olika kommuner. Ett lämpligt skyddsavstånd mellan en bergvärmeanläggning och ett skyddsobjekt kan dock göra att risken för att förorena ett skyddsobjekt med etanol kan minimeras. Detta arbete har utförts i syfte att jämföra olika metoder för att ta fram ett skyddsavstånd för en första övergripande undersökning av vilken effekt ett läckage av etanol kan ha på ett skyddsobjekt ett visst avstånd från en ansatt bergvärmeanläggning. De metoder som använts är en förenklad form av en empirisk lösning av LeGrand, en analytisk lösning av Baetsle och en numerisk lösning i Visual MODFLOW.

The aim of this report was to do a case study at a geothermal heating system which has been in operation for about 5 years, and study if its performance has changed during this period of time. A literature study about the processes involved was also done in purpose of background knowledge. The tenant-owner’s association Duvan at Petterslundsgatan in Uppsala installed year 1999-2000 a geothermal heating system. The purpose of this installation was that they hoped it would lead to a smaller usage of district heating which would lead to a reduction of the heating expenses for their buildings. The geothermal heating system consists of 19 energy wells and 4 geothermal heat pumps, and it is one of the first systems of that size in the region of Uppsala. Due to that, the system at Duvan is referred to as a reference project for geothermal heating system of this size. The reason that the study was made after 5 years is that it takes about 5 years before the heat equilibrium in the bedrock has been stabilized after a geothermal heat system has been installed. The temperature in the bedrock will decrease during this 5 year period and the performance of the system will change. In this report factors such as geology, groundwater levels and temperature changes are examined to get a summery of the processes that extract heat from the bedrock and convert it to conventional energy. Data from the compressors has been examined, energy usage before and after the installation of the system has been compared and finally an economical calculation of the tenant-owner’s association energy consumption has been made. All the main points in this report point to the fact that the system is working properly and that it has contributed to an economical benefit regarding to the energy usage. / Syftet med detta examensarbete var att göra en fallstudie på ett befintligt bergvärmesystem som har varit i drift i 5 år, och studera om dess prestanda har förändrats under den tid som systemet använts. Som bakgrund genomfördes även en litteraturstudie över de processer som äger rum då geotermisk energi kan utvinnas samt hur denna energi konverteras till konventionell energi för uppvärmning av lokaler. Bostadsrättsföreningen Duvan på Petterslundsgatan i Uppsala installerade under år 1999-2000 ett bergvärmesystem som skulle leda till ett mindre användande av fjärrvärme och således bidra till att utgifterna för inköp av energi skulle minska. Systemet består av 19 energibrunnar och 4 värmepumpar, och är en av de första anläggningarna av denna storlek i Uppsala regionen. Detta gör att Bostadsrättsföreningen Duvan ses som ett referensobjekt för anläggningar av denna storlek. Anledningen till att studien gjordes vid denna tidpunkt var att det tar ungefär 5 år innan värmebalansen i berggrunden stabiliseras när ett bergvärmesystem installeras, och temperaturen i berggrunden kommer under denna period minska vilket leder till prestandaförändringar hos värmepumpen. Denna femårsperiod har nu gått och en relevant undersökning av systemet har kunnat göras. I denna rapport beskrivs bakomliggande parametrar så som geologi, grundvattennivåer och temperaturförändringar som behövs för att få en överblick över situationen och kunna ge en inblick i vad som påverkar utvinningen av energi i berggrunden. Data från kompressorernas drifttider och förbrukning av energi före och efter installationen av bergvärmesystemet jämförs och slutligen görs en ekonomisk kalkyl för bostadsrättsföreningens energiförbrukning. Alla de punkter som rapporten undersöker visar att systemet fungerar väl och att det bidragit till en ekonomisk vinst med avseende på energianvändandet.

District heating is an efficient way to integrate renewable energies in the energy mix. In the French region Ile-de-France, district heating and renewables have known strong developments for several years, and they are expected to grow much more in the future. The expansion of renewable energies depends partly on their competitiveness compared to fossil fuels, which is related to public subsidies, and on the spread of district heating networks in the region. Thus, it could be assess what is the future business model for district heating based on renewables in Ile-de-France. The data at the disposal of ADEME, the French agency for environment and renewable energies, show that district heating systems based on biomass could soon become more competitive than fossil fuels, whereas systems based on geothermal heat have fairly high costs. Yet, geothermal heat is more developed than biomass, and is expected to reach the targets set by the regional action plan for 2020, on the contrary to biomass. Though the increasing competitiveness of renewables will cut the necessity of public subsidies, the difficulty to reach some regional targets might mean that further actions should be implemented. From the energy operators’ point of view, the sector of district heating will surely grow considerably and therefore represent a large potential of development for those companies.

Ethyl alcohol (ethanol) as secondary fluids is very popular as heat transfer fluid for indirect refrigeration system with ground source heat pump systems (GSHP) in several countries such as Sweden, Norway, Switzerland, Finland and other European countries. There have been several researches about the future ofthe refrigeration sector, refrigerants and refrigeration systems. Moreover, strict regulations such as F-gasregulation and Kigali Amendment forcing a phase down of many current widely used high global warming potential (GWP) refrigerants, i.e. R134a or R410A. Therefore, secondary refrigeration systems and their working fluids are expected to play a key role in order to minimize the refrigerant charge in the systems, reduce the indirect refrigerant leakages as well as increase the safety during operation. The aim of this thesis is to investigate the effect different additives to increase the flame point together with ethanol-based secondary fluids and validate their thermophysical properties by comparing them with reference values for pure ethanol water solutions. The study aims to design a new commercial ethyl alcohol-based product for GSHP system that could replace existing ones in the Swedish market and could workwith natural or flammable low GWP refrigerants. Different high flash point additives were tested such as 1-propyl alcohol, n-butyl alcohol, glycerol andpropylene carbonate. Thermophysical properties were investigated and a GSHP model in Excel was created in order to assess the energy performance of the resulted blends. After screening different blends and assessing the energy performance, glycerol as additive in low concentration seems to be the future for the ethyl alcohol-based secondary fluids because of its high flashpoint (160ºC) that will reduce the flammability risk associated to ethyl alcohol blends, the low viscosity (by 12% lower compared to pure ethyl alcohol blends) that help reduce pumping power by 4.5% compared topure ethyl alcohol blends. Moreover, ethyl alcohol and glycerol blend showed the lost in heat transfer coefficient by 4% lower compared to pure ethyl alcohol blends due to lower thermal conductivity compared to pure ethyl alcohol blends. Finally, it is a rather cheap and natural product which has no problem related to corrosion since ethyl alcohol and glycerol are less corrosive than water. Although, flash point test was not conducted so there is no data regarding the flash point, it is expected the flash point is increased due to the high flash point of glycerol compared to ethyl alcohol or other possible additives. Therefore, it is expected that the flammability risk associated to ethyl alcohol-based secondary fluids is reduced. / Etylalkohol (etanol) som köldbärare är mycket populärt som värmeöverföringsvätska för indirekt kylsystemmed bergvärmepumpsystem (BVP) i Sverige, Norge, Schweiz, Finland och andra europeiska länder. Fleraundersökningar har gjorts om kylsektorns framtid, köldmedier och kylsystem. Dessutom strängaförordningar som F-gas förordning och Kigali- förordning tvingar en utfasning av många nuvarande allmäntanvända köldmedier med den höga globala uppvärmningspotentialen (GWP), dvs. R134a eller R410A. Därför förväntas det att kylsystem och deras köldbärare spela en nyckelroll för att minimera köldmediumsmängd i systemen, minska de indirekta köldmedieläckage och öka säkerheten under drift. Syftet med detta examensarbete är att undersöka effekten av olika tillsatser för att öka flammanpunkten tillsammans med etanolbaserade köldbärare och validera deras termofysikaliska egenskaper genom att jämföra dem med referensvärden för rena etanolvattenlösningar. Studien syftar till att utforma en nykommersiell etylalkoholbaserad produkt för BVP-system som skulle kunna ersätta befintliga produkter på den svenska marknaden och kan arbeta med naturliga eller brandfarliga köldmedier med låg GWP. Olika tillsatser med hög flampunkt testades såsom 1-propylalkohol, n-butylalkohol, glycerol och propylenkarbonat. Termofysikaliska egenskaper undersöktes och en BVP-modell i Excel skapades för att bedöma energiprestanda för olika blandningarna. De erhållna resultaten för olika blandningar visar att glycerol i en låg koncentration som tillsats kan vara framtidens additiv för de etylalkoholbaserade köldbärare på grund av dess höga flampunkt (160 ºC) som förmodligen kan minska brandrisken för etylalkoholblandningar. Dessutom hade glycerol och etanolblandningar den lägsta viskositeten (c.a.12% lägre jämfört med ren etylalkoholblandningar) som bidrar tillen minskning av pumpeffekten med c.a. 4,5% jämfört med rena etylalkoholblandningar. Däremot visade etylalkohol och glycerol blandningen c.a. 4% lägre värmeöverövergångstal jämfört med de rena etylalkoholblandningar på grund av lägre värmeledningsförmåga jämfört med ren etylalkoholblandningar. Slutligen är glycerol en ganska billig och naturlig produkt som inte har några korrosionsproblem eftersom etylalkohol och glycerol är mindre frätande än vatten. Även om flampunkttest inte genomfördes i projektet, förväntas det att flampunkten ökas lite på grund av den höga flampunkten av glycerol jämfört med etylalkohol och andra tillsatser. Därför förväntas det att brännbarhetsrisken förknippad med etylalkoholbaserade köldbärare reduceras.