Ve válce o snížení spotřeby energie se fronta rozběhla v oblasti regulace teploty. Americké ministerstvo energetiky odhaduje, že zhruba 40 % celkové spotřeby energie v zemi jde na vytápění a chlazení našich domovů, kanceláří a institucí. Ať už budovy čerpají energii z elektrické sítě, aby v létě překonaly horko, nebo spalují fosilní paliva na místě, aby bojovaly s chladem v zimě, celkově vypadají jako ekologické vozy SUV.
Přestože byly učiněny významné kroky ke změně tohoto stavu navrhováním účinnějších mechanických systémů, zvyšováním tepelného výkonu a rozvojem výroby obnovitelné energie na místě – což jsou všechno důležité a obdivuhodné pokroky – možná nejslibnější zdroj, který má architektura k dispozici, se může nacházet v samotném terénu, na kterém stavby stojí, a to v podobě geotermálních systémů.
V první řadě vám každý odborník na tuto technologii řekne, že geotermální systémy pro budovy, známé také jako geotermální tepelná čerpadla nebo tepelná čerpadla ze země (GHP), nejsou totéž co geotermální elektrárny. Geotermální elektrárny – v oboru známé jako geotermální elektrárny na horké horniny – jsou rozsáhlá zařízení vybudovaná (u nás) převážně v okolí Skalistých hor a pohoří Sierra Nevada, kde se relativně blízko povrchu nacházejí extrémně vysoké teploty ze zemského pláště. Využívají tyto zásoby tepla a vyrábějí z nich páru, která pak pohání turbínu a vyrábí tak elektřinu.
GHP naproti tomu využívají tepelnou energii uloženou v horní části zemské kůry k vytápění nebo chlazení budov a nahrazují tak běžné kotle a klimatizační systémy. „Teplota Země v hloubce 20 nebo 30 stop je celoročně relativně konstantní, někde mezi 50 a 60 stupni“ F, říká John Kelly, provozní ředitel Geothermal Exchange Organization, neziskové obchodní organizace ve Washingtonu, D.C., která lobuje za širší zavedení této technologie. „Geotermální tepelné čerpadlo přenáší teplo do země a ze země cirkulací vody ve vrtu.“
„Například,“ nabízí Kelly, „řekněme, že v Kansas City je teplota v podzemí 55 stupňů. V létě je teplota vzduchu 100 stupňů a v zimě 20, ale v podzemí je stále 55 stupňů. Není tak těžké dostat tuto konstantní teplotu ze země, abyste mohli v zimě topit a v létě chladit.“
Jinými slovy, v zimě GHP přesouvá tepelnou energii z podzemí do budovy a v létě tento proces obrací a přesouvá teplo v budově dolů do země. Tyto systémy obsahují potrubní smyčku zakopanou v zemi, kterou cirkuluje voda, a tepelné čerpadlo odebírá vodě teplotu a rozvádí ji po budově, podobně jako funguje centrální klimatizace. Alternativou je přímá cirkulace podzemní vody prostřednictvím řady vrtů.
V obou případech je provoz GHP výrazně levnější než u konvenčních systémů vytápění a chlazení. „K úspoře nákladů dochází proto, že země nabízí počáteční teploty bližší požadovaným teplotám pro vytápění a chlazení než sezónní teplotní extrémy, na které spoléhá mnoho konvenčních vzduchotechnických systémů,“ říká John Rhyner, vedoucí projektový manažer společnosti P.W. Grosser Consulting v Bohemii ve státě New York, stavební inženýrské firmy, která se specializuje na geotermální technologie a v současné době je autorem knihy pokynů k této technologii pro newyorský odbor pro projektování a výstavbu. „K vyrovnání menšího rozdílu teplot je zapotřebí méně energie,“ říká Rhyner.
Zatímco teorie a technologie GHP jsou jednoduché, realizace systému GHP může být složitější záležitostí. Existuje několik různých typů systémů GHP a výběr toho nejlepšího pro konkrétní projekt může vyžadovat hodně studia a přizpůsobení. „Nejedná se o jednoduchý přístup,“ říká Rhyner. „K výběru správného systému pro konkrétní místo je zapotřebí určitá úroveň předběžné analýzy proveditelnosti. U středně velkého až velkého komerčního systému je rozhodující náležitá prověrka a analýza proveditelnosti, která by neměla narušit rozpočet.“
„Cílem,“ dodává Rhyner, „je, aby byli všichni na začátku na stejné vlně a poskytli jasný směr přístupu. Typ systému, který je nejvhodnější, se liší geograficky, vše závisí na geologických podmínkách, způsobu spojení budovy se zemí a vhodné metodě vrtání.“
Tři nejběžnější typy systémů GHP jsou uzavřená smyčka, otevřená smyčka a stojatý sloupový vrt. Systémy s uzavřenou smyčkou zajišťují cirkulaci vody prostřednictvím uzavřené sítě trubek uložených pod zemí. Voda v potrubí předává prostřednictvím výměníku tepla v zimě teplo ze země do budovy a v létě naopak. Protože voda proudí v uzavřené smyčce, nevymění si celou svou teplotu; v létě může být teplá až 80 až 90 °C a v zimě studená 40 až 30 °C. Z tohoto důvodu se voda obvykle kombinuje s 30procentní směsí nemrznoucí směsi potravinářské kvality (např. propylenglykolu), aby kapalina v zimních měsících neztuhla.
Systémy s uzavřenou smyčkou mohou být položeny buď horizontálně v polích, zakopané těsně pod hranicí mrazu, nebo vertikálně ve studnách, navrtaných obvykle 200 až 500 stop hluboko. Horizontální systémy se obvykle používají pro menší nebo rezidenční projekty. Jejich instalace je levnější, ale jsou ovlivněny teplotou venkovního vzduchu, což znamená, že s postupující sezónou a s tím, jak půda přebírá vlastnosti teploty vzduchu, mohou být méně účinné.
Vertikálně vrtané uzavřené systémy jsou účinnější než horizontální systémy, protože větší část potrubí je v kontaktu se stabilními, chladnými zemními materiály. Nejúčinnější jsou, pokud je lze navrtat do podzemní vody, nikoli do suché země, protože voda je dobrým vodičem tepla. Uzavřené systémy obvykle vyžadují velké množství půdy. „U systému s uzavřenou smyčkou záleží na tom, kolik potrubí můžete do země dostat, když máte k dispozici volnou plochu,“ říká Rhyner. „Získáte určitý počet tun na lineární stopu , a můžete dostat do země více potrubí, které jde vertikálně než horizontálně.“
Systémy s otevřenou smyčkou čerpají skutečnou podzemní vodu ze studny, přesouvají ji přes tepelný výměník a pak vodu vracejí do samostatných vrtů, kde se nechá prosakovat zpět do vodonosné vrstvy. Přívodní a vratné vrty (ty jsou také známé jako „injekční vrty“) musí být umístěny dostatečně daleko od sebe, aby se zajistilo, že tepelně změněná voda (tj. voda, která je ohřívána nebo ochlazována) nebude nasávána zpět do systému přes přívodní vrty, dokud znovu nezíská teplotu země. Počet potřebných vstřikovacích vrtů závisí výhradně na rychlosti průtoku generovaného z přívodních vrtů.
Systémy s otevřenou smyčkou jsou obecně účinnější než systémy s uzavřenou smyčkou, protože jsou lépe propojeny s teplotou půdy, přičemž nedochází k přenosu tepla přes plastové potrubí uzavřené smyčky nebo maltu použitou k utěsnění vrtu. Tyto systémy však přinášejí problémy, zejména chemické složení vody, které může způsobit korozi zařízení tepelného čerpadla nebo může systém časem znečistit a vyžadovat další čištění. Pokud podzemní voda obsahuje vysoké množství soli, minerálů nebo železa, jsou obecně vhodnější uzavřené systémy.
Stojanové sloupové vrty jsou specializovaným typem otevřeného systému, který je vhodný tam, kde horninové podloží není příliš hluboko pod povrchem. Stojaté sloupové vrty se vrtají do hloubky 1 500 až 2 000 stop. V mělké části vrtu procházející půdní zónou je instalována ocelová pažnice, zatímco zbývající hloubka je vyvrtána a ponechána jako otevřený horninový vrt. V těchto systémech je podzemní voda čerpána ze dna vrtu nahoru, prochází tepelným čerpadlem nebo výměníkem tepla a poté se vrací do horní části vrtu, kde pomalu filtruje směrem dolů a vyměňuje si teplo s okolní horninou.
Podle Rhynera: „Stojaté sloupové vrty poskytují největší tepelnou kapacitu na jedno zařízení, a proto jsou oblíbené v městských lokalitách, jako je New York, kde je omezený počet nemovitostí k vrtání.“ Tam, kde je skalní podloží hlubší než 100 až 125 stop, může být instalace těchto vrtů příliš nákladná, protože by bylo potřeba množství ocelových plášťů k utěsnění půdní zóny.
Výběr, který z těchto systémů je vhodný pro konkrétní projekt, vyžaduje výpočet potřeby vytápění a chlazení budovy a provedení podpovrchové analýzy, která určí tepelnou kapacitu místa a kolik vrtů nebo jak velké smyčkové pole bude potřeba. Pokud jsou výpočty provedeny správně a systém je správně navržen, mohou GHP zvládnout veškerou zátěž budovy na vytápění a chlazení bez ohledu na klimatické podmínky.
„Tepelná čerpadla fungují kdekoli na světě,“ říká Kelly. „Rozhodně fungují dobře v celé Severní Americe. Jsou hojně využívána v Kanadě a stejně tak v Mexiku.“ Při správném návrhu a instalaci GHP výrazně snižují množství energie potřebné k vytápění a chlazení budovy. Podle americké Agentury pro ochranu životního prostředí jsou GHP o 48 % účinnější než nejlepší plynová kamna a o 75 % účinnější než nejlepší olejová kamna. Vyžadují o 25 až 50 procent méně energie než jiné systémy HVAC a snižují náklady na provoz a údržbu až o 40 procent.
Hlavní překážkou širokého rozšíření GHP jsou dnes poměrně vysoké počáteční náklady na instalaci, z nichž většina jde na vrty spojené s výstavbou vrtů a smyčkových polí a na návrh a analýzu potřebnou k přizpůsobení systému budově. Samotné mechanické zařízení – tepelná čerpadla a výměníky tepla – není dražší než konvenční systémy vytápění a chlazení. Roční úspory účtů za energii však kompenzují počáteční náklady. Doba návratnosti komerčních systémů GHP se obvykle počítá v rozmezí 10-20 let, ale často může být kratší, například pokud systém nahrazuje zastaralý, neefektivní systém HVAC. Systémy GHP mohou být v nové výstavbě cenově konkurenceschopné oproti mnoha konvenčním systémům. V důsledku toho si systémy GHP oblíbili především klienti z řad obcí a institucí, majitelé budov, kteří plánují obývat a provozovat své objekty dlouhodobě, a ti, kteří se jednoduše více zajímají o ochranu životního prostředí než o hospodářský výsledek.
Město Chicago je v současné době uprostřed výstavby pěti nových poboček knihoven, které zahrnují řadu prvků udržitelného designu. Knihovny, které navrhla společnost Lohan Anderson, spoléhají na systémy GHP. Mezi nimi je i pobočka Richard M. Daley Branch Library o rozloze 16 300 metrů čtverečních, která má získat stříbrnou certifikaci LEED. Pobočka je obsluhována 24 geotermálními vrty s uzavřenou smyčkou, které jsou vyvrtány v hloubce 395 stop pod parkovištěm. Ty budou dodávat teplou nebo chlazenou vodu do vzduchotechnické jednotky a také do podlahového sálavého systému. Přestože tepelný výkon systému GHP je dostatečný pro zajištění všech potřeb knihovny v oblasti vytápění a chlazení, zákazník požadoval také záložní kotel.
„Město nemá s těmito systémy mnoho zkušeností, takže se necítilo pohodlně spoléhat pouze na geotermální systém,“ vysvětluje Stephen Novak, projektový inženýr chicagské společnosti Henneman Engineering, která systém GHP v knihovně navrhla. „Po určité době, až bude k dispozici více dokumentace a oni uvidí, že tyto systémy fungují, mohou být kotle z prototypu městské pobočky knihovny vyřazeny.“
GHP nemusí být nutně navrženy na míru pro jednotlivé projekty. Jako jeden ze způsobů, jak by se tato technologie mohla v budoucnu rozšířit, vidí Novak výstavbu velkých oblastních geotermálních polí, které by investoři mohli využívat podobně jako energetické společnosti. Například město Boise ve státě Idaho disponuje distriktním geotermálním systémem, který vytápí budovy v centru města. Tento systém se však spoléhá na geologické horké prameny, což je přírodní zdroj, který není pro většinu měst dostupný.
Naopak Ball State University v Muncie v Indii v současné době pracuje na systému GHP podobného rozsahu. Po dokončení se bude jednat o největší systém GHP s uzavřenou smyčkou v zemi. Projekt nahradí čtyři stárnoucí kotle na uhlí 3 600 vrty v polích rozmístěných po celém 660akrovém kampusu. Tato pole budou zajišťovat vytápění a chlazení pro více než 45 budov, což sníží uhlíkovou stopu univerzity zhruba na polovinu a ušetří jí 2 miliony dolarů ročně na provozních nákladech. Celý systém bude procházet dvěma energetickými stanicemi, kde se bude teplo odebrané ze země nebo vrácené do země vyměňovat prostřednictvím tepelných čerpadel napojených na dvě samostatné smyčky procházející kampusem. Jedna smyčka bude přivádět studenou vodu o konstantní teplotě 42 stupňů, druhá bude přivádět teplou vodu o konstantní teplotě 150 stupňů. Tyto smyčky budou procházet přes výměníky tepla v každé budově, kde budou ventilátory dodávat požadovanou teplotu obyvatelům.
Když systémy GHP představují zřejmé ekologické pobídky, nabízejí také architektům příležitost zbavit se břemene skrývání nevzhledných mechanických zařízení, protože většina součástí systémů je umístěna pod zemí, dobře viditelná. To může být vítáno zejména při modernizaci historických objektů.
Jedním z takových projektů je návrh společnosti Helpern Architects na rekonstrukci Knox Hall na Kolumbijské univerzitě. Knox Hall, dokončená v roce 1909, je sedmipatrová novogotická kamenná budova o rozloze 50 000 čtverečních stop se šikmou měděnou střechou. „Není to památková stavba, ale my jsme se k ní chovali, jako by byla, protože ji obývá Kolumbijská univerzita v areálu Union Theological Seminary,“ říká Margaret Castillo, AIA, ředitelka společnosti Helpern. „Studovali jsme pět různých systémů HVAC, včetně geotermálního. Nakonec se ukázalo, že geotermální systém je z hlediska provozních nákladů nejefektivnější, ačkoli v něm hrály roli architektonické zájmy – nebylo by snadné umístit chladicí jednotky na střechu.“
Knox Hall se pro veškeré potřeby vytápění a chlazení spoléhá na čtyři stojaté sloupové vrty vyvrtané do hloubky 1 800 stop. Tento systém pomohl projektu získat zlatý certifikát LEED. I když počáteční náklady byly poměrně vysoké, Columbia odhaduje, že návratnost bude přibližně šest nebo sedm let. „Jsou velmi rádi, že tento projekt snižuje spotřebu energie a emise skleníkových plynů,“ říká Castillo.