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>

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.

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.

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.

With the need to reduce greenhouse gas emissions in the building sector, this thesis analyzes two common heating solutions: radiator and underfloor heating. As systems with the same purpose, but with diverse installation components, it was of interest to study the climate impact of different materials. Moreover, the energy performance of the systems was investigated for two different modes of heat supply: with district heating or heat pumps. By coupling the heating systems with modes of heat supply, four models were studied. The thesis aimed at analyzing the climate impact of the models by combining the embodied and operational carbon generated during the life cycle of the heating systems, thus conducting a life cycle assessment. The operational carbon was determined by making an energy analysis in IDA ICE combined with energy carrier emission rates. With an analysis of the material and production stage of the heating systems, the embodied carbon is estimated with the software One Click LCA. The results showed that the embodied carbon had a much smaller influence on the total emissions of the building compared to the operational carbon. It was also concluded that the coupling with a heat pump was more energy efficient than having heat supplied from a district heating network. Regarding the heating systems, the underfloor heating system was slightly more efficient than the radiator heating system when coupled with the heat pump, but required more top-up heating. Throughout the study, several different aspects of the systems were encountered. Changing the district heating supplier resulted in drastic changes in the operational carbon. The electricity mix also heavily influenced the emissions produced by the heat pump. These are factors that vary greatly with the location of the project and one combination of heating and supply systems is far from obvious to be a universal solution. / Med behovet av att minska utsläppen av växthusgaser inom byggsektorn så analyserar detta examensarbete två vanliga värmelösningar: radiatorer och golvvärme. De båda systemen fyller samma syfte, men med olika installationskomponenter, vilket gör det intressant att studera klimatpåverkan av de olika materialen som systemen bygger på. Dessutom undersöktes energiprestandan hos systemen för två olika typer av värmekällor: fjärrvärme eller värmepump. Genom att kombinera värmesystemen med värmekällorna undersöktes fyra olika modeller. Examensarbetet syftade till att analysera modellernas klimatpåverkan genom att kombinera den inbyggda och operativa klimatpåverkan som genererades under värmesystemens livscykel, och följaktligen genomföra en livscykelanalys. De utsläpp som genereras från systemens driftskeden fastställdes genom att göra en energianalys i IDA ICE kombinerat med utsläpp från de olika värmekällorna. Med en analys av material- och produktionsstadiet för värmesystemen så uppskattades den inbyggda klimatpåverkan i programvaran One Click LCA. Resultaten visade att den inbyggda klimatpåverkan hade en mycket mindre effekt på byggnadens totala utsläpp jämfört med den under driftskedet. Det konstaterades också att driva värmesystemet med en värmepump var mer energieffektivt än att få det levererat från ett fjärrvärmenät. Gällande de olika värmesystemen så presterade golvvärmesystemet bättre än radiatorsystemet när det drevs med en värmepump, men det krävdes mer spetsvärme. Under studien stötte man på flera olika variationer av systemens uppbyggnad och funktion, vilket ledde till att val behövde göras för att anpassa till studiens begränsningar. Att byta fjärrvärme distributör resulterade i drastiska skillnader för driftskedets klimatpåverkan. Elmixen påverkade också kraftigt utsläppen som genererades av att driva värmepumpen. Dessa är faktorer som varierar kraftigt beroende på vart byggnaden är placerad och det gick inte att konstatera att ett värmesystem är den universiellt bästa lösningen.

Heating, Ventilating and Air Conditioning Systems (HVAC) are not only one of the most energy consuming components in buildings but also contribute to green house gas emissions. As a result often environmental design strategies are focused on the performance of these systems. New HVAC technologies such as Geothermal Heat Pump systems have relatively high performance efficiencies when compared to typical systems and therefore could be part of whole-building performance design strategies. In collaboration with the Virginia Tech Corporate Research Center, Inc., this research studies the energy consumption and cost benefits of the Geothermal Heat Pump System that has been integrated and operated in the KnowledgeWorks I and II buildings located on the Virginia Tech campus. The purpose of this thesis is to understand the energy and cost benefits of the Geothermal Heat Pumps System when compared to the conventional package variable air volume (VAV) with hot water coil heating and air-source heat pump systems using computer simulation and statistical models. The quantitative methods of building energy performance and life-cycle cost analyses are applied to evaluate the results of simulation models, the in-situ monitoring data, and the associated documents. This understanding can be expanded to the higher level of architectural systems integration. / Master of Science

The Swedish residential sector consumes almost 39 % of Sweden’s final energy consumption. The European Union framework ”Clean Energy for all Europeans package” strives to promote a 32,5 % reduction as a result of energy efficiency measures. The Swedish legislation BBR regulates rules regarding new buildings, extensions and reconstruction of existing buildings. Excerpt 9 regards how energy is being used and determines the demands e.g. for a buildings primary energy use to be classified as a near zero energy building (NZEB). The energy use of a building, located in Västerås, Sweden, is being decided. Various energy efficiency packages are applied to a model in the simulation software IDA ICE. The results are compared with each other deciding the potential benefits of the energy efficiency measures. A substantial decrease of the energy consumption is detected, especially for the energy efficiency packages containing a geothermal heat pump (66 – 78 %). A life cycle cost analysis shows that the package containing a ventilation heat recovery system (FTX) combined with a geothermal heat pump is the optimal solution through an economical point a view. The solution yields a profit after 14 years. The analysis shows that all geothermal solutions, except a system consisting of a geothermal heat pump, FTX, energy efficient windows, rooftop insulation and a photovoltaic system, yields a profit during a 30-year investment period. None of the packages containing a district heat exchanger yield a profit. The simulation results show that by implementing any of the geothermal heat pump packages, the demands for classifying the building according to an NZE building are fulfilled. Regarding the district heating packages, only the package containing all the energy efficiency measures (energy efficient windows, rooftop insulation and PV) meets the demands to be classified as an NZE building. Regarding the environmental impact due to implementing the energy efficiency measures, the results show a reduced impact from applying the geothermal heat pump packages is equivalent to the energy consumption reductions. The results show that by implementing a district heating system, more than one additional energy efficiency measure must be applied to avoid an increased environmental impact. This thesis shows that implementing energy efficiency measures can decrease energy consumption and yield an economical profit to the existing building stock.

Modern energy saving technologies are become increasingly mature, easier to implement and financially profitable. Both the European Union and the Swedish government have directives with goals regarding energy savings for the year 2020 and 2030. Here, making buildings more energy efficient plays a large role as around 40% of the total energy usage in Europe can be related to buildings. Constructing new, nearly zero energy houses is currently very popular, but as a vast majority of all buildings in a country like Sweden are older buildings, built before 1980, a majority of the used energy will come from these buildings. Hence, there is plenty of incentive for carrying out energy saving actions and investments in older buildings. From previous research and interviews with energy consultants, it can be concluded that energy saving actions are not being carried to the extent that is possible. This thesis aims to find out why this is and mainly what the main obstacles are when implementing energy saving solutions in older buildings. A case study, consisting of eight interviews with energy consultants and real estate owners was carried out in order to get an understanding of the current situation and the different stakeholders views on this issue. The results showed that, at least in the represented cases, there is a will among real estate owners for moving forward with energy saving. An understanding has also recently emerged where most real estate owners realize that there are great financial incentives connected to implementing energy saving solutions to current, older buildings. However, increased will of making a change has not yet resulted in a majority of buildings having installed energy saving solutions. One factor for this is that each building is its own individual case and therefore needs to be handled individually due to different conditions and are therefore suitable for different energy saving actions. Other factors include lack of technical and financial understanding among some real estate owners, slow decision making processes and ownership types. The research explores theories related to decision makings to provide a comprehensive overview regarding the current situation of energy saving in Sweden, as well as a contribution to the theoretical literature regarding decision making / Modern teknik inom energibesparing blir allt mer mognare, lättare att implementera och finansiellt lönsamt. Både den europeiska unionen och den svenska regeringen har direktiv med mål för energibesparing för år 2020 och 2030. Här spelar byggnader en viktig roll, då byggnader står för ca 40 % av den totala energianvändningen i Europa. Att bygga nya, nära noll energi byggnader är för närvarande väldigt populärt. Men i ett land som Sverige, där majoriteten av alla byggnader är äldre byggnader, kommer majoriteten av energianvändningen fortfarande från dessa. Därav finns det stora incitament till att genomföra energieffektiviserande åtgärder på äldre byggnader i Sverige. Från tidigare studier och intervjuer med energikonsulter kan det fastslås att energibesparande åtgärder ej genomförs i den grad som det är möjligt. Målet med denna rapport är att utröna varför det är så samt vilka huvudsakliga hinder som kan relateras till energibesparing i äldre byggnader. För att få en överblick av den befintliga situationen samt hur olika intressenter ser på denna fråga genomfördes en fallstudie bestående av åtta intervjuer med energikonsulter och fastighetsägare. Resultaten från studien pekade på att det finns en vilja bland fastighetsägare att gå vidare med energibesparande åtgärder. På senare tid har även en förståelse vuxit fram bland fastighetsägare där man inser att det även finns stora finansiella incitament med att implementera energibesparande åtgärder på äldre byggnader. Detta har dock ännu ej lett till att energibesparande åtgärder genomförts på en majoritet av befintliga byggnader. En anledning till detta är att varje byggnad måste hanteras individuellt då alla har olika förutsättningar och därmed lämpar sig för olika energibesparande lösningar. Andra faktorer inkluderar teknisk och ekonomisk kunskapsbrist bland vissa fastighetsägare, långsamma beslutsprocesser och ägarstrukturer. Studien nyttjar teorier relaterade till beslutsfattning för att ge läsaren en överblick av den befintliga situationen kring energibesparing i Sverige. I tillägg bidrar studien till den teoretiska litteraturen om beslutsfattning.