I krigen om at reducere vores energiforbrug er der blevet trukket en frontlinje inden for temperaturstyring. Det amerikanske energiministerium anslår, at ca. 40 procent af landets samlede energiforbrug går til opvarmning og køling af vores hjem, kontorer og institutioner. Uanset om de trækker på elnettet for at slå varmen om sommeren eller brænder fossile brændstoffer på stedet for at bekæmpe vinterens kulde, får bygninger i det store og hele SUV’er til at se miljøvenlige ud.
Mens der er gjort betydelige fremskridt for at ændre dette billede ved at designe mere effektive mekaniske systemer, øge den termiske ydeevne og udvikle produktion af vedvarende energi på stedet – alt sammen vigtige og beundringsværdige fremskridt – er den måske mest lovende ressource, som arkitekturen har til rådighed, at finde i selve det terræn, som bygningerne ligger på, i form af geotermiske systemer.
Den første ting, som enhver ekspert i denne teknologi vil fortælle dig, er, at geotermiske systemer til bygninger, også kendt som geotermiske varmepumper eller jordvarmepumper, ikke er det samme som geotermiske kraftværker. Geotermiske kraftværker – i branchen kendt som hot rock geotermiske – er store anlæg, der (i dette land) hovedsagelig er bygget omkring Rocky Mountains og Sierra Nevada-bjergkæden, hvor ekstremt høje temperaturer fra Jordens kappe findes relativt tæt på overfladen. De udnytter disse varmereserver og bruger dem til at producere damp, som derefter driver en turbine og dermed producerer elektricitet.
GEP’er bruger på den anden side den termiske energi, der er lagret i den øverste del af jordskorpen, til at opvarme eller køle en bygning og erstatter dermed konventionelle kedler og klimaanlæg. “Jordens temperatur nede i 20 eller 30 fod er et relativt konstant tal året rundt, et sted mellem 50 og 60 grader” F, siger John Kelly, COO for Geothermal Exchange Organization, en nonprofit handelsorganisation i Washington, D.C., der lobbyer for en bredere anvendelse af teknologien. “En geotermisk varmepumpe flytter varme til og fra jorden ved at lade vand cirkulere gennem en brønd.”
“Lad os for eksempel sige,” siger Kelly, “at temperaturen i undergrunden i Kansas City er 55 grader. Om sommeren er lufttemperaturen 100 grader, og om vinteren er den 20 grader, men under jorden er den stadig 55 grader. Det er ikke så svært at få den konstante temperatur ud af jorden, så man kan opvarme om vinteren og køle om sommeren.”
Med andre ord flytter et GHP om vinteren varmeenergien fra under jorden ind i en bygning, og om sommeren vender det den proces om og flytter varmen i en bygning ned i jorden. Disse systemer omfatter et rørsystem, der er nedgravet i jorden, hvorigennem der cirkuleres vand, og varmepumpen fjerner temperaturen fra vandet og fordeler den gennem bygningen på samme måde som central airconditionering. Alternativt cirkulerer grundvandet direkte gennem en række brønde.
Hver som helst er varmepumper betydeligt billigere i drift end konventionelle varme- og kølesystemer. “Omkostningsbesparelserne opstår, fordi jorden giver starttemperaturer, der ligger tættere på det, der ønskes til opvarmning og køling, end de sæsonbestemte ekstreme temperaturer, som mange konventionelle luftbaserede HVAC-systemer er afhængige af”, siger John Rhyner, seniorprojektleder hos P.W. Grosser Consulting i Bohemia, New York, et civilingeniørfirma, der har specialiseret sig i geotermi og i øjeblikket er ved at udarbejde en bog med retningslinjer om teknologien for New York City Department of Design and Construction. “Det kræver mindre energi at opveje den mindre temperaturforskel”, siger Rhyner.
Mens teorien og teknologien bag GHP er enkel, kan gennemførelsen af et GHP-system være en mere kompleks sag. Der findes flere forskellige typer GHP-systemer, og valget af det bedste system til et specifikt projekt kan kræve en hel del studier og skræddersyning. “Det er ikke en standardmetode”, siger Rhyner. “Der er behov for en vis grad af forudgående gennemførlighedsanalyse for at vælge det rigtige system til et bestemt sted. For et mellemstort til stort kommercielt system er due diligence og gennemførlighedsanalyse afgørende og bør ikke sprænge budgettet.”
“Målet”, tilføjer Rhyner, “er at få alle på samme side fra starten og give en klar retning for fremgangsmåden. Hvilken type system, der er mest velegnet, varierer geografisk, alt afhængigt af de geologiske forhold, hvordan bygningen kobles til jorden, og hvilken boremetode der er hensigtsmæssig.”
De tre mest almindelige typer af GHP-systemer er lukkede kredsløb, åbne kredsløb og stående søjlebrønde. Lukkede kredsløbssystemer cirkulerer vand gennem et lukket net af rør, der er nedgravet under jorden. Vandet i rørene overfører varme fra jorden til bygningen om vinteren og omvendt om sommeren ved hjælp af en varmeveksler. Da vandet strømmer i et lukket kredsløb, udveksler det ikke hele sin temperatur; det kan blive så varmt som 80 til 90 grader F om sommeren og så koldt som 40 til 30 grader F om vinteren. Derfor kombineres vandet normalt med en 30 % blanding af frostvæske af fødevarekvalitet (f.eks. propylenglycol) for at forhindre, at væsken gelerer i vintermånederne.
Systemer med lukket kredsløb kan anlægges enten horisontalt på markerne, hvor de er begravet lige under frostgrænsen, eller vertikalt i brønde, der typisk er boret 200 til 500 fod dybt. Horisontale systemer anvendes generelt til mindre projekter eller boligprojekter. De er billigere at installere, men påvirkes af den udendørs lufttemperatur, hvilket betyder, at de kan blive mindre effektive, efterhånden som sæsonen skrider frem, og efterhånden som jorden får samme karakteristika som lufttemperaturen.
Vertikalt borede lukkede kredsløbssystemer er mere effektive end horisontale systemer, da en større del af røret er i kontakt med de stabile, kølige jordmaterialer. De er mest effektive, hvis de kan bores i grundvand i stedet for i tør jord, da vand er en god varmeleder. Systemer med lukkede kredsløb kræver typisk store mængder jord. “For et lukket kredsløbssystem afhænger det hele af, hvor mange rør man kan få ned i jorden med det åbne areal, man har til rådighed”, siger Rhyner. “Man får et vist antal tons pr. lineær fod, og man kan få flere rør i jorden vertikalt end horisontalt.”
Open loop-systemer trækker faktisk grundvand fra en brønd, flytter det gennem en varmeveksler og returnerer derefter vandet til separate brønde, hvor det får lov til at sive tilbage til grundvandsmagasinet. Tilførsels- og returbrønde (sidstnævnte kaldes også “injektionsbrønde”) skal placeres med tilstrækkelig stor afstand fra hinanden for at sikre, at det termisk ændrede vand (dvs. det vand, der opvarmes eller afkøles) ikke suges tilbage til systemet gennem tilførselsbrøndene, før det igen opnår jordtemperatur. Det nødvendige antal injektionsbrønde afhænger helt af den strømningshastighed, der genereres fra forsyningsbrøndene.
Opne kredsløbssystemer er generelt mere effektive end lukkede kredsløbssystemer, fordi de er bedre koblet til jordtemperaturen, idet der ikke sker nogen varmeoverførsel på tværs af det lukkede plastrør eller den injektionsmørtel, der anvendes til at forsegle borehullet. Disse systemer giver dog visse udfordringer, især med hensyn til vandkemien, som kan ætse varmepumpeudstyret eller med tiden forurene systemet, hvilket kræver ekstra rengøring. Hvis grundvandet indeholder store mængder salt, mineraler eller jern, er lukkede systemer generelt at foretrække.
Stående kolonnebrønde er en specialiseret type åbent system, der er velegnet, hvor grundfjeldet ikke er for dybt under overfladen. Stående kolonnebrønde bores til en dybde på 1.500 til 2.000 fod. Den lavvandede del af brønden gennem jordzonen er forsynet med stålforinger, mens den resterende dybde bores og efterlades som et åbent bjergartsboringshul. I disse systemer pumpes grundvandet op fra bunden af brønden, ledes gennem en varmepumpe eller varmeveksler og returneres derefter til toppen af brønden, hvor det filtreres langsomt nedad og udveksler varme med det omgivende grundfjeld.
Ifølge Rhyner “giver stående søjlebrønde den største varmekapacitet pr. installation og er derfor populære i byområder som New York City med begrænsede grunde at bore på.” Hvor grundfjeldet er dybere end 100 til 125 fod, kan det blive for dyrt at installere disse brønde på grund af den mængde stålforingsrør, der skal bruges til at forsegle jordzonen.
At vælge, hvilket af disse systemer der er det rigtige til et specifikt projekt, kræver, at man beregner en bygnings varme- og kølebehov og foretager en analyse af undergrunden for at bestemme stedets termiske kapacitet, og hvor mange brønde eller hvor stort et sløjfefelt, der er nødvendigt. Hvis beregningerne er udført korrekt, og systemet er korrekt designet, kan varmepumperne håndtere alle en bygnings varme- og kølebelastninger, uanset hvilke klimatiske forhold der hersker.
“Varmepumper fungerer overalt i verden”, siger Kelly. “De fungerer i hvert fald godt i hele Nordamerika. De er meget udbredt i Canada, og det samme gælder i Mexico.” Når de er designet og installeret korrekt, reducerer varmepumper drastisk den mængde energi, der er nødvendig for at opvarme og køle en bygning. Ifølge U.S. Environmental Protection Agency er GHP’er 48 procent mere effektive end den bedste gasovn og 75 procent mere effektive end den bedste olieovn. De kræver 25-50 % mindre energi end andre HVAC-systemer og reducerer drifts- og vedligeholdelsesomkostningerne med op til 40 %.
Den største hindring for en udbredt indførelse af varmeproduktionsanlæg i dag er de relativt høje startomkostninger for installation, hvoraf størstedelen går til de boringer, der er nødvendige for at anlægge brønde og sløjfefelter, og det design og den analyse, der er nødvendig for at skræddersy et system til en bygning. Selve det mekaniske udstyr – varmepumperne og varmevekslerne – er ikke dyrere end konventionelle varme- og kølesystemer. De årlige besparelser på energiregningerne opvejer dog de indledende omkostninger. Tilbagebetalingstiden for kommercielle GHP-systemer beregnes generelt i intervallet 10-20 år, men kan ofte være kortere, f.eks. hvis systemet erstatter et aldrende, ineffektivt HVAC-system. GHP-systemer kan være omkostningskonkurrencedygtige i forhold til mange konventionelle systemer i nybyggeri. Som følge heraf har GHP’er primært været populære hos kommunale og institutionelle kunder, bygningsejere, der planlægger at bebo og drive deres faciliteter på lang sigt, og dem, der simpelthen er mere interesseret i miljøforvaltning end i bundlinjen.
Byen Chicago er i øjeblikket i gang med at opføre fem nye filialbiblioteker, der omfatter en række bæredygtige designelementer. Bibliotekerne, der er designet af Lohan Anderson, er baseret på GHP-systemer. Blandt dem er Richard M. Daley Branch Library, et 16.300 kvadratmeter stort anlæg, der er planlagt til at få LEED Silver-certificering. Filialen betjenes af 24 geotermiske brønde med lukkede kredsløb, der er boret 395 meter under parkeringspladsen. Disse boringer leverer varmt eller koldt vand til en luftbehandlingsenhed og også til et strålesystem under gulvet. Selv om GHP-systemets varmekapacitet er tilstrækkelig til at dække alle bibliotekets varme- og kølebehov, bad kunden også om en reservekedel.
“Der er ikke meget erfaring fra byens side med disse systemer, så de følte sig ikke trygge ved udelukkende at stole på geotermisk varme”, forklarer Stephen Novak, projektingeniør hos Henneman Engineering i Chicago, som har designet bibliotekets GHP-system. “Efter et stykke tid, når der er mere dokumentation, og de kan se, at disse systemer fungerer, vil kedlerne måske blive fjernet fra byens prototype af filialbiblioteker.”
GHP’er behøver ikke nødvendigvis at blive specialudviklet til individuelle projekter. Novak ser opførelsen af store geotermiske distriktsområder, som investorer kan udnytte på samme måde som en forsyningsvirksomhed, som en måde, hvorpå teknologien kan blive mere udbredt i fremtiden. Boise, Idaho, har f.eks. et geotermisk distriktssystem, som opvarmer bygninger i byens centrum. Men systemet er afhængig af geologiske varme kilder, en naturressource, som de fleste byer ikke har adgang til.
Ball State University i Muncie, Ind., arbejder på den anden side i øjeblikket på et GHP-system af lignende størrelse. Når det er færdigt, vil det være det største GHP-system med lukket kredsløb i landet. Projektet vil erstatte fire aldrende kulfyrede kedler med 3.600 boringer i marker, der er placeret på hele det 660 hektar store campus. Disse felter vil levere varme og køling til mere end 45 bygninger, hvilket vil halvere universitetets CO2-fodaftryk og spare det 2 millioner dollars om året i driftsomkostninger. Hele systemet vil køre gennem to energistationer, hvor den varme, der hentes fra jorden eller returneres til jorden, vil blive udvekslet ved hjælp af varmepumper, der er forbundet til to forskellige kredsløb, der løber gennem campus. Det ene kredsløb vil transportere koldt vand med en konstant temperatur på 42 grader, mens det andet kredsløb vil transportere varmt vand med en konstant temperatur på 150 grader. Disse kredsløb vil løbe gennem varmevekslere i hver bygning, hvor ventilatorer vil levere den ønskede temperatur til beboerne.
Som GHP-systemer giver indlysende miljømæssige incitamenter, giver de også arkitekter en mulighed for at slippe for at skjule grimt mekanisk udstyr, da de fleste komponenter i systemerne ligger under jorden, langt ude af syne. Dette kan være særligt velkomment, når historiske bygninger skal renoveres.
Et af disse projekter er Helpern Architects’ design til restaurering af Knox Hall på Columbia University. Knox Hall, der blev færdiggjort i 1909, er en syv etager stor nygotisk stenbygning i syv etager på 50.000 kvadratmeter med et skråt kobbertag. “Det er ikke et vartegn, men vi behandlede det som om det var et vartegn, fordi det er beboet af Columbia University på Union Theological Seminary campus”, siger Margaret Castillo, AIA, en af Helpern’s hovedmestre. “Vi undersøgte fem forskellige HVAC-systemer, herunder geotermiske systemer. I sidste ende viste jordvarme sig at være det mest omkostningseffektive på det operationelle plan, selv om de arkitektoniske hensyn var en faktor – det ville ikke have været let at placere køleanlæg på taget.”
Knox Hall er afhængig af fire stående søjlebrønde, der er boret i en dybde af 1.800 fod, til at dække alle behov for opvarmning og køling. Systemet hjalp projektet med at opnå LEED Gold. Selv om de indledende omkostninger var relativt høje, vurderer Columbia, at tilbagebetalingstiden er ca. seks eller syv år. “De er meget tilfredse med, at dette projekt reducerer energiforbruget og udledningen af drivhusgasser”, siger Castillo.