Heat pumps are a key component in the transition to sustainable energy. In particular, geothermal heat pumps offer significant potential for delivering renewable heating and contributing to a sustainable future. Although considerable research has been conducted, the performance of ground-source heat pump systems could be improved by optimizing flow rates within the system.

This master’s thesis investigates the impact of the secondary fluid mass flow rate on the overall performance of a ground-source heat pump system. Two main components are analyzed using numerical models: the borehole side and the evaporator side. These are coupled through an iterative convergence model to evaluate the system’s steady-state coefficient of performance (COP).The simulation uses an iterative approach to provide in-depth insight into dynamic parameters, suchas the heat transfer coefficient in the evaporator. Various operating conditions are considered, including the borehole wall temperature and the inner diameter of the U-pipe used in the system design.

The results identified two local maxima for the COP. The first corresponds to the transition of the secondary fluid from laminar to turbulent flow, which enhances heat transfer through increased convection. The second occurs at a lower flow rate, corresponding to the initial decrease in the borehole’s total effective thermal resistance. In most configurations, the turbulent flow point represents the optimal flow rate, delivering the highest COP. However, for systems with lower borehole wall temperatures and smaller pipe diameters, the maximum COP was achieved at the lower flowrate. In these cases, minimizing pumping power proved to be a more efficient strategy for system performance

Värmepumpar har visat sig fundamentala i den gröna energiomställningen. Särskilt geotermiska värmepumpar har potential att tillföra förnybar värme och kan bidra till att forma en hållbar framtid. Men dessa system kan fortfarande effektiviseras, i synnerhet geotermiska värmepumpars prestanda skulle förbättras om flödeshastigheterna kunde optimeras.

Detta examensarbete syftar till att undersöka och förstå hur sekundärvätskans massflöde påverkar den totala prestandan i ett geotermiskt värmepumpsystem. Två delar av systemet behandlas för vilka numeriska modeller utvecklas: borrhålet och förångaren. Dessa kopplas samman i en iterativ konvergensmodell för att beräkna systemets prestandakoefficient i steady-state. Simuleringen bygger på ett iterativt arbetssätt som möjliggör en djupare förståelse för dynamiska parametrar, såsom värmeöverföringskoefficienten i förångaren. Undersökningarna görs med varierande driftsparametrar, bland annat borrhålsväggens temperatur och den inre diametern på U-röret använd i designen.

Två lokala maxpunkter för prestandakoefficienten identifierades. En motsvarar övergången från laminärt till turbulent flöde i sekundärvätskan, vilket leder till ökat värmeflöde via konvektion. Den andra maxpunkten återfanns vid lägre flödeshastigheter och motsvarar den första minskningen av det totala effektiva motståndet i borrhålet. För de flesta konfigurationer var det turbulenta flödet den optimala punkten som gav högst  prestandakoefficient. Dock visade det sig att vid lägre temperaturer i borrhålsväggen och mindre rördiametrar nåddes den högsta prestandakoefficienten vid det lägre flödet, vilket innebär att låg pumpeffekt var en mer energieffektiv strategi för vederbörande system.