Syftet med rapporten är att göra en jämförelse av två olika metoder för att kyla ett fiktivt kontorshus som är 2 000 m² stort och beläget i Västerås. För att representera ett normalt kontorshus har kyleffektbehovet valts till 50 W/m² vilket ger totala kyleffektbehovet 100 kW. I ena fallet finns en kylmaskin som kyler byggnaden och i andra byts kylmaskinen mot ett antal borrhål som motsvarar hela kyleffekten. För att kunna bedöma de tekniker som har använts har energianvändning och växthuspotential beräknats i ett livscykelperspektiv. Denna energianvändning beräknas som inbäddad energi, vilket är all energi som använts från framtagande av råmaterialen till färdiginstallerat system. Växthuspotentialen beräknas i alla dessa steg som totala koldioxidekvivalenter. Ett sätt att bedöma den energibesparing som har gjorts är med en EROI-analys. EROI beräknas som sparad energi dividerat med investerad energi och är ett dimensionslöst tal som ger en indikation på hur värdefull investeringen är från energisynpunkt. Kylbehovet som finns i byggnader består av värmeöverskott, som uppkommer av bland annat belysning, datorer, kopiatorer och värme från människor. För att kyla bort denna värme finns ett antal olika kyltekniker. Kylmaskinen betraktas ofta som det klassiska sättet att skapa kyla, men är förknippad med en stor energianvändning under dess drift, främst till kompressor-drift. Till borrhålslösningen utgör en cirkulationspump enda elbehovet för att kunna skapa kyla, eftersom denna driftenergi är mycket lägre än för kylmaskinens kompressor ses ofta kyla från borrhål som gratis- eller frikyla. Byggnadens kylenergibehov har bedömts till 40 kWh/m2, år eller totalt 80 000 kWh/år. Detta kylenergibehov ger upphov till driftenergibehov. De årliga elbehoven beräknades till 26 145 kWh/år för kylmaskinen och 2 000 kWh/år för borrhålen. Dessa elbehov motsvarar de totala energierna 4 235 460 MJ för kylmaskinen samt 324 000 MJ för borrhålen under byggnadens livslängd. För att beräkna den inbäddade energin i dessa två lösningar krävdes livscykelanalyser. Det framkom snart att det inte fanns, av denna anledning användes byggvarudeklarationer för komponenterna. Till det hämtades livscykelanalyser för material. I de fall där det funnits varken livscykelanalyser eller byggvarudeklarationer har antaganden gjorts. Det som saknades var information om vad en kylmaskin innehåller, därför har det antagits att en värmepump och kylmedelkylare tillsammans kan fungera på samma sätt som en kylmaskin. Resultatet av beräkningarna för den inbäddade energin, tillverkning och transporter, beräknades till 74 627 MJ för kylmaskinen och 480 490 MJ för borrhålslösningen. Koldioxidutsläppen i samma skeden blev 4,8 ton koldioxidekvivalenter för kylmaskinen respektive 29,5 ton koldioxidekvivalenter för borrhålen. De stora skillnader som ses i inbäddad energi och koldioxidekvivalenter uppkommer av dieselanvändning, som krävs för att borra borrhålen. I denna rapport studeras scenariot att ersätta en kylmaskin som använts i fem år med ett antal borrhål, med samma kyleffekt, om detta kan vara fördelaktigt ur en energi- och miljömässig synpunkt. Studien visar att efter bara 4,5 år använder borrhålslösningen mindre energi, trots den höga inbäddade energin vid installationen. Den stora skillnaden består av elbehovet i driftskedet, där borrhålen har en cirkulationspump som använder betydligt mindre el än kylmaskinens kompressor. Den andra kategorin som har undersökts i denna studie har varit växthuspotential i form av koldioxidekvivalenter, som uppkommer under hela livstiden för båda lösningarna. Ett av kylmaskinens utsläpp kommer från köldmediet (R407C), ett kg köldmedie motsvarar 1 526 kg koldioxidekvivalenter. Det antogs att 4 % av detta köldmedie årligen läcker till omgivningen under alla år 45 år, detta läckage gav en total växthusverkan på 46,6 ton koldioxidekvivalenter. Det förekommer även stora koldioxidutsläpp i driftskedet, eftersom elbehoven är totalt 1 177 MWh för kylmaskinen och 90 MWh för borrhålen. En litteraturstudie visade att koldioxid-utsläppen vid produktion av el varierar mycket beroende på vilka förhållanden som råder, utsläppen varierar från 0 till 1 269 kg/MWh. Det visade sig dock att borrhålets koldioxid-utsläpp är lägre än kylmaskinens även vid låga koldioxidemissioner från elproduktion. Detta beror på läckaget av köldmedie som förekommer i kylmaskinen. Resultaten visar att oavsett utsläpp från elproduktion kommer borrhålen ha en lägre växthuspotential än kylmaskinen. Om kylmaskinen skulle användas under byggnadens livslängd skulle den ha en viss inbäddad energi och om borrhålen användes under byggnadens livslängd skulle de ha en annan inbäddad energi. Skillnaden i dessa energier kallas sparad energi. Investerad energi beräknas som den energi som krävs för att ersätta kylmaskinen med borrhålen. Med sparad och investerad energi kan först nettoenergin beräknas som skillnaden mellan dessa, den blev 3 089 025 MJ. EROI beräknas sedan som kvoten av sparad och investerad energi och blev 7,4, vilket innebär att ett byte av en befintlig kylmaskin till en borrhålslösning är fördelaktig ur energisynpunkt. / The purpose of this study is to compare cooling from a refrigeration machine and a borehole system. These technologies are chosen because they are observed as each other’s opposites. A refrigeration machine is associated with a requirement of large amounts of electric energy, while the borehole system is often seen as free cooling. The study is performed on a fictional building located in Västerås. The building has an area of 2 000 m² and a cooling requirement of 50 W/m². In the scenario studied the building is already equipped with a refrigeration machine, the goal is to examine if it can be motivated to remove this machine and replace it with a borehole system. The chosen environmental impact categories are embodied energy and carbon dioxide equivalents. In order to evaluate the embodied energy, EROI (Energy return on investment) is used to calculate the energy saved by removing the refrigeration machine. For the refrigeration machine most of the energy used is during the operation phase, this is because of the compressor which is used to produce cooling energy. In the borehole system 40 % of the energy used is during the operation phase and 60 % during the manufacturing phase. The drilling used 8.1 m3 diesel fuel, which dominated both the embodied energy and the carbon dioxide emissions of the borehole system. Results show that after only 4.5 years after installation the borehole system has less total embodied energy. EROI was then calculated as saved energy divided by invested energy and the result was an EROI of 7.4. The carbon dioxide emissions from both systems are heavily dependent on the CO2-emissions from electricity generation. Though, if a refrigeration machine were used during the buildings entire lifetime the leakage of refrigerant would be big enough to counteract this dependence.

La première partie de la thèse comporte l’étude des machines à froid, en tenant compte de la vitesse finie des processus. L’approche est basée sur une nouvelle méthode d’optimisation des processus et cycles à vitesse finie, la Méthode Directe d’étude et évaluation des irréversibilités. Les performances de ces cycles sont évaluées en prenant en compte les irréversibilités internes générées par la vitesse finie, notamment (1) les pertes de pression dues au laminage, (2) les pertes de pression dues à la vitesse finie du piston, (3) les pertes de pression dues aux frottements interne et mécanique et (4) l’irréversibilité due aux pertes de chaleur. On obtient ainsi directement l'expression du rendement ou du coefficient de performance et de la génération d’entropie en fonction de la vitesse des processus et d'autres paramètres géométriques et fonctionnels. Le travail proposé pour cette partie de thèse analyse la génération des irréversibilités dans une machine thermique fonctionnant selon le cycle inverse quasi-Carnot (Machine Frigorifique à compression mécanique des vapeurs), en proposant un schéma de calcul complètement analytique. A l’aide de ce schéma de calcul on peut développer des études de sensibilité et d’optimisation de ces machines, sans avoir besoin d’utiliser de tableaux des vapeurs saturés.La deuxième partie du mémoire présente l’application des modèles thermodynamiques (la Méthode Directe, la Méthode de la Thermodynamique en Dimensions Physiques Finies (TDPF), la méthode isotherme de Schmidt, la méthode adiabatique de Finkelstein) dans l’étude des machines Stirling – moteurs et récepteurs et confrontation avec l’expérience.La Méthode de la TDPF est une méthode qui regroupe les techniques de la thermodynamique en temps, vitesse et dimensions géométriques finies. Cette méthode introduit les exo-irréversibilités dues aux transferts de chaleur finis entre les réservoirs (source chaude, puits froid, régénérateur) et le fluide de travail et, de plus, considère les contraintes qui se présentent à l’ingénieur (la pression maximale, le volume maximum, les températures des réservoirs chaud et froid, la vitesse de rotation). La méthode isotherme de Schmidt est une méthode zéro-dimensionnelle qui permet l’étude de la machine divisée en trois volumes isothermes. Elle permet de décrire l’évolution de paramètres, comme le volume instantané (chaud, froid ou de régénération) ou la pression en fonction du temps. L’analyse des processus de transfert de la chaleur et d’écoulement du gaz de travail, ayant lieu dans le moteur Stirling d’un micro-cogénérateur, est effectuée en utilisant un model adiabatique monodimensionnel. Cette analyse repose sur la division du moteur Stirling en 5 volumes de control auxquels on applique les équations des gaz parfaits et les équations de conservation de masse et d’énergie.Les résultats expérimentaux seront confrontés à ceux obtenus par les quatre méthodes de calcul, ce qui permettra de définir les paramètres d’ajustage afin de valider les modèles thermodynamiques. Cette confrontation permettra le développement d’une autre méthode, une combinaison des trois approches utilisées afin de modéliser au mieux le fonctionnement du système, préservant les avantages de chacune sur des intervalles de vitesse de rotation donnés.Des études de sensibilité et d’optimisation de paramètres géométriques et fonctionnels seront effectuées afin de proposer des améliorations de mise au point système pour fournir puissance et de rendement plus élevés. / This paper presents the author's overall results obtained in his doctoral thesis, on: The analysis of entropy generation and the evaluation of the performances of the inversed cvasi-Carnot cycle; The application of the Direct Method, Finite Physical Dimensions Thermodynamics method (TDFF), Schmidt’s isotherm method and Finkelstein’s adiabatic model in the study of Stirling engines – engines and machines that function on reversed cycles (receivers) and the confrontation of analytical results with the experimental ones. The first part of the thesis covers the study of the refrigeration machines, considering the finite speed of the processes. The study is based on a new method to optimize the processes and the cycles with finite speed, the Direct Method of study and the evaluation of the irreversibilities. The performance of these cycles are evaluated using analytical relations, considering internal irreversibilities generated by finite speed, especially the pressure losses due to (1) throttling (2) finite speed of the piston (3) internal and mechanical friction (4) irreversibilities due to heat losses. These irreversibilities are introduced in the expression of the First Principle of Thermodynamics for processes with finite speed, and its application leads directly and through analytical means to the expressions of efficiency or coefficient of performance and entropy generation, function of the finite speed of the processes and other geometrical and functional parameters of the machine. The proposed study for this first part of the thesis analyzes the generation of thermal irreversibilities in a thermal machine functioning on a cvasi-Carnot reversed cycle (refrigerating machine with mechanical compression of vapor-IFV) proposing a completely analytical calculation scheme. With this calculation scheme sensitivity studies and optimization of these types of machines were developed, without having to use saturated vapor tables.The second part of the thesis presents the application of thermodynamic models (Direct Method, Finite Physical Dimension thermodynamics method, Schmidt's isotherm model and Finkelstein’s adiabatic model) in the study of Stirling engines – engines and machines that function on reversed cycles (receivers) and the confrontation of analytical results with the experimental ones. The Direct Method consists in the study and assessment of the irreversibilities generated in thermal machines by analyzing the cycle step by step (progressive) and the direct integration of the equation the First Principle of Thermodynamics combined with the Second Principle of Thermodynamics with finite speed, for each process of the cycle. This provides analytical expressions for power and efficiency or coefficient of performance COP, function of the speed of the processes and other geometric and functional parameters.