Abstract In the shift to cleaner technologies, coal thermal power plants and mines will be decommissioned earlier than planned. These open-pit coal mines show potential as a geothermal source/sink for space heating and cooling, yet this post-closure use option remains unexplored. Here, we assess the techno-economic feasibility of providing heating and cooling using a decommissioned mine pit as a source or sink of heat for nearby population centres. Mixed integer quadratically constrained programming is employed for operational optimisation. The results show that thermal provisioning, considering centralised and decentralised arrangements, is economically competitive under specific scenarios regarding commodities prices, thermal demands and pit source temperature. Notably, a higher pit temperature reduces the overall thermal provisioning costs for residential thermal demands. Improvements in the economics due to transmission pipeline insulation are limited. While an expected decline in the system lifecycle costs occurs for decreasing electricity prices, the results highlight that the relative economic competitiveness of the thermal systems is tied to the individual alternatives’ performance at the same commodities prices. Overall, this paper identifies general conditions for techno-economic competitiveness for the implementation of shallow geothermal systems in the context of mine closure.

A Ground Coupled Heat Pump (GCHP) is a highly energy efficient heating, ventilation, and air conditioning (HVAC) system that utilises the ground as the heat source when heating and as the heat sink when cooling. This paper investigates GCHP systems with horizontal Ground Heat Exchangers (GHEs) in the rural industry, exemplifying the technology for poultry (chicken) sheds in Australia. This investigation aims to provide an Artificial Neural Network (ANN) model that can be used for GCHP design at various locations with different climates. To this extent, a Transient System Simulation Tool (TRNSYS) model for a typical horizontal GHE applied in a rural farm was first verified. Using this model, over 700,000 hourly performance data items were obtained, covering over 80 different yearly loading patterns under three different climate conditions. The simulated performance data was then used to train the ANN. As a result, the trained ANN can predict the performance of GCHP systems with identical (multiple) GHEs even under climatic conditions (and locations) that have not been specifically trained for. Unlike other works, the newly introduced ANN model is accurate even with limited types of input data, with high accuracy (less than 5% error in most cases tested). This ANN model is 100 times computationally faster than TRNSYS simulations and 10,000 times faster than finite element models.

Shallow geothermal or ground source heat pump (GSHP) energy systems offer efficient space heating and cooling, reducing greenhouse gas emissions and electrical consumption. Incorporating ground heat exchangers (GHEs) within pile foundations, as part of these GSHP systems, has gained significant attention as it can reduce capital costs. The design and optimisation of GHEs connected in parallel within energy piles have been researched widely, considering symmetrical placement, while the potential misplacement due to construction errors and the optimal placement remain mostly unexplored. This study utilises 3D finite element numerical methods, analysing energy piles with diameters from 0.5 m to 1.4 m, equipped with parallelly connected U-tube and W-tube GHEs. The impact of GHE loop placement is analysed, considering the influence of the ground and concrete thermal conductivities, pile length, fluid flow rate, GHE pipe diameter, and pile spacing. Results indicate a marginal impact, less than 3%, on the overall heat transfer when loops deviate from symmetry and less than 5% on the total heat transfer shared by each loop, except for highly non-symmetric configurations. Symmetrical and evenly spaced loop placement generally maintains favourable thermal performance and ease of installation. This study underscores the flexibility in GHE design and construction with a low risk of thermal yield variations due to uncertainties, particularly with a separation-to-shank distance ratio between 0.5 and 1.5 in a symmetrical distribution.