Sodassa energiankulutuksen vähentämiseksi rintamalinja on vedetty lämpötilan säätelyn alalla. Yhdysvaltain energiaministeriö arvioi, että noin 40 prosenttia koko maan energiankulutuksesta menee kotiemme, toimistojemme ja laitostemme lämmittämiseen ja jäähdyttämiseen. Riippumatta siitä, hyödyntävätkö rakennukset sähköverkkoa kesän kuumuuden torjumiseksi vai polttavatko ne fossiilisia polttoaineita paikan päällä talven kylmyyttä vastaan, rakennukset saavat kaiken kaikkiaan maasturit näyttämään ympäristöystävällisiltä.
Kaikkakin merkittäviä edistysaskeleita on tehty tämän kuvan muuttamiseksi suunnittelemalla tehokkaampia mekaanisia järjestelmiä, parantamalla lämpötehoa ja kehittämällä uusiutuvan energian tuotantoa paikan päällä – kaikki nämä ovat tärkeitä ja ihailtavia edistysaskeleita – ehkäpä arkkitehtuurin kannalta lupaavin resurssi löytyy geotermisten järjestelmien muodossa juuri siitä maasta, jonka päällä rakenteet sijaitsevat.
Kuka tahansa tekniikan asiantuntija kertoo ensimmäiseksi, että rakennusten maalämpöjärjestelmät, joita kutsutaan myös maalämpöpumpuiksi tai maalämpöpumpuiksi (GHP), eivät ole sama asia kuin maalämpövoimalaitokset. Maalämpövoimalaitokset, jotka tunnetaan alalla nimellä hot rock geothermal, ovat suuria laitoksia, jotka on rakennettu (tässä maassa) enimmäkseen Kalliovuorten ja Sierra Nevadan alueelle, jossa maan vaipasta peräisin olevat erittäin korkeat lämpötilat ovat suhteellisen lähellä maanpintaa. Ne hyödyntävät näitä lämpövarastoja ja käyttävät niitä höyryn tuottamiseen, joka sitten pyörittää turbiinia ja tuottaa sähköä.
Maalämpölaitokset taas käyttävät maankuoren yläosaan varastoitunutta lämpöenergiaa rakennuksen lämmittämiseen tai jäähdyttämiseen ja korvaavat tavanomaiset lämmityskattilat ja ilmastointijärjestelmät. ”Maan lämpötila 20 tai 30 jalkaa alempana on suhteellisen vakio ympäri vuoden, jossain 50 ja 60 asteen välillä” F, sanoo John Kelly, Geothermal Exchange Organizationin COO, voittoa tavoittelematon kaupallinen järjestö Washington D.C.:ssä, joka lobbaa tekniikan laajemman käyttöönoton puolesta. ”Maalämpöpumppu siirtää lämpöä maahan ja maasta kierrättämällä vettä kaivon läpi.”
”Sanotaan esimerkiksi”, Kelly tarjoaa, ”että Kansas Cityssä maanalainen lämpötila on 55 astetta. Kesällä ilman lämpötila on 100 astetta ja talvella 20 astetta, mutta maan alla se on edelleen 55 astetta. Ei ole kovin vaikeaa saada tuota vakiolämpötilaa ulos maasta, jotta voit lämmittää talvella ja viilentää kesällä.”
Toisin sanoen talvella GHP siirtää lämpöenergian maan alta rakennukseen, ja kesällä se kääntää prosessin päinvastaiseksi siirtämällä rakennuksen lämpöä alas maan sisään. Näissä järjestelmissä on maahan upotettu putkisto, jonka läpi vesi kiertää, ja lämpöpumppu poistaa vedestä lämpötilan ja jakaa sen rakennuksen läpi samalla tavalla kuin keskusilmastointi toimii. Vaihtoehtoisesti pohjavesi kierrätetään suoraan useiden kaivojen kautta.
Kummassakin tapauksessa GHP-järjestelmät ovat huomattavasti halvempia käyttää kuin perinteiset lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmät. ”Kustannussäästöt johtuvat siitä, että maaperä tarjoaa lähtölämpötilat, jotka ovat lähempänä lämmitykselle ja jäähdytykselle haluttua lämpötilaa kuin kausittaiset lämpötilan ääriarvot, joihin monet perinteiset ilmalämpöjärjestelmät perustuvat”, sanoo John Rhyner, vanhempi projektipäällikkö P.W. Grosser Consultingissa Bohemiassa, N.Y.:ssä sijaitsevassa rakennustekniikkayhtiössä, joka on erikoistunut geotermiseen lämmitykseen ja joka on parhaillaan laatimassa kirjasta ohjeistusta tästä teknologiasta New Yorkin kaupunkisuunnittelu- ja rakentamisvirastolle. ”Tarvitaan vähemmän energiaa pienemmän lämpötilaeron tasoittamiseen”, Rhyner sanoo.
Vaikka GHP-järjestelmän teoria ja tekniikka ovat yksinkertaisia, GHP-järjestelmän toteuttaminen voi olla monimutkaisempi asia. GHP-järjestelmiä on useita eri tyyppejä, ja parhaan järjestelmän valitseminen tiettyyn hankkeeseen voi vaatia paljon tutkimusta ja räätälöintiä. ”Se ei ole mikään malliesimerkki”, Rhyner sanoo. ”Oikean järjestelmän valitseminen tiettyyn kohteeseen edellyttää jonkinasteista toteutettavuusanalyysia. Kun kyseessä on keskisuuri tai suuri kaupallinen järjestelmä, huolellisuus ja toteutettavuusanalyysi ovat ratkaisevan tärkeitä, eikä niiden pitäisi rikkoa budjettia.”
”Tavoitteena on”, Rhyner lisää, ”saada kaikki aluksi samalle viivalle ja antaa selkeä ohjeistus lähestymistavasta”. Sopivin järjestelmätyyppi vaihtelee maantieteellisesti, kaikki riippuu geologisista olosuhteista, siitä, miten rakennus kytkeytyy maahan, ja siitä, mikä porausmenetelmä on tarkoituksenmukainen.”
Kolme yleisintä GHP-järjestelmätyyppiä ovat suljettu silmukka, avoin silmukka ja seisova pylväskaivo. Suljetuissa järjestelmissä vesi kiertää maan alle haudatun tiiviin putkiverkoston kautta. Putkien sisällä oleva vesi siirtää lämmönvaihtimen avulla lämpöä maasta rakennukseen talvella ja päinvastoin kesällä. Koska vesi virtaa suljetussa kierrossa, se ei vaihda kaikkea lämpötilaansa; se voi lämmetä kesällä 80-90 celsiusastetta ja kylmetä talvella 40-30 celsiusastetta. Tästä syystä veteen yhdistetään yleensä 30-prosenttinen sekoitus elintarvikekäyttöön soveltuvaa pakkasnestettä (esimerkiksi propyleeniglykolia), jotta neste ei hyytyisi talvikuukausina.
Suljetun kierron järjestelmät voidaan sijoittaa joko vaakasuoraan pelloille, jotka haudataan juuri pakkasrajan alapuolelle, tai pystysuoraan porakaivoihin, jotka porataan tyypillisesti 200-500 jalkaa syvälle. Vaakasuoria järjestelmiä käytetään yleensä pienemmissä hankkeissa tai asuinrakennuksissa. Ne ovat halvempia asentaa, mutta ulkoilman lämpötila vaikuttaa niihin, mikä tarkoittaa, että niiden tehokkuus voi heikentyä kauden edetessä ja maaperän ottaessa ilman lämpötilan ominaisuudet.
Pystysuoraan poratut suljetut järjestelmät ovat tehokkaampia kuin vaakasuorat järjestelmät, koska suurempi osa putkesta on kosketuksissa vakaiden, viileiden maa-ainesten kanssa. Ne ovat tehokkaimpia, jos ne voidaan porata pikemminkin pohjaveteen kuin kuivaan maahan, koska vesi on hyvä lämmönjohdin. Suljetun kierron järjestelmät vaativat yleensä suuria maa-alueita. ”Suljetun kierron järjestelmässä kaikki riippuu siitä, kuinka paljon putkea saadaan maahan sillä avoimella maa-alueella, joka on käytettävissä”, Rhyner sanoo. ”Saat tietyn määrän tonneja neliömetriä kohti, ja voit saada maahan enemmän putkia pystysuoraan kuin vaakasuoraan.”
Open-loop-järjestelmät imevät varsinaisen pohjaveden kaivosta, siirtävät sen lämmönvaihtimen läpi ja palauttavat sen jälkeen veden erillisiin kaivoihin, joista se pääsee suotautumaan takaisin pohjavesialueelle. Syöttö- ja paluukaivot (jälkimmäisiä kutsutaan myös ”injektiokaivoiksi”) on sijoitettava riittävän etäälle toisistaan, jotta varmistetaan, että lämpömuutettu vesi (eli lämmitetty tai jäähdytetty vesi) ei imeydy takaisin järjestelmään syöttökaivojen kautta, ennen kuin sen maanpinnan lämpötila palautuu. Tarvittavien injektointikaivojen määrä riippuu täysin syöttökaivoista syntyvän virtauksen määrästä.
Avaimennetut järjestelmät ovat yleensä tehokkaampia kuin suljetut järjestelmät, koska ne kytkeytyvät paremmin maan lämpötiloihin, eikä lämmönsiirtoa tapahdu suljetun kierron muoviputken tai porausreiän tiivistämiseen käytetyn laastin läpi. Näihin järjestelmiin liittyy kuitenkin haasteita, joista tärkeimpiä ovat veden kemialliset ominaisuudet, jotka voivat syövyttää lämpöpumppulaitteita tai liata järjestelmää ajan mittaan, mikä edellyttää ylimääräistä puhdistusta. Jos pohjavesi sisältää runsaasti suolaa, mineraaleja tai rautaa, suljetun kierron järjestelmät ovat yleensä suositeltavampia.
Seisovat pylväskaivot ovat erityyppinen avoimen kierron järjestelmä, joka soveltuu hyvin silloin, kun kallioperä ei ole liian syvällä pinnan alla. Seisovat pylväskaivot porataan 1 500-2 000 jalan syvyyteen. Maaperävyöhykkeen läpi kulkevaan matalaan kaivon osaan asennetaan teräsvaippa, kun taas loppusyvyys porataan ja jätetään avoimeksi kallioporakaivoksi. Näissä järjestelmissä pohjavesi pumpataan ylöspäin kaivon pohjasta, johdetaan lämpöpumpun tai lämmönvaihtimen läpi ja palautetaan sitten kaivon yläosaan, jossa se suodattuu hitaasti alaspäin vaihtaen lämpöä ympäröivän kallioperän kanssa.
Rhynerin mukaan ”seisovissa pylväskaivoissa on eniten lämpökapasiteettia asennusta kohden, joten ne ovat suosittuja New York Cityn kaltaisilla urbaaneilla paikkakunnilla, joilla on rajallinen määrä kiinteistöjä, joita voidaan porata”. Jos kallioperä on syvemmällä kuin 100-125 jalkaa, näiden kaivojen asentaminen voi tulla liian kalliiksi, koska maaperävyöhykkeen sulkemiseen tarvittaisiin paljon teräsvaippaa.
Sen valitseminen, mikä näistä järjestelmistä sopii tiettyyn hankkeeseen, edellyttää rakennuksen lämmitys- ja jäähdytystarpeen laskemista ja maaperäanalyysin tekemistä, jotta voidaan määritellä paikan lämpökapasiteetti ja se, kuinka monta kaivoa tai kuinka suuri silmukkakenttä tarvitaan. Jos laskelmat tehdään oikein ja järjestelmä suunnitellaan oikein, lämpöpumput pystyvät hoitamaan rakennuksen kaikki lämmitys- ja jäähdytyskuormat riippumatta siitä, millaiset ilmasto-olosuhteet vallitsevat.
”Lämpöpumput toimivat kaikkialla maailmassa”, Kelly sanoo. ”Ne toimivat varmasti hyvin kaikkialla Pohjois-Amerikassa. Niitä käytetään laajalti Kanadassa ja samoin Meksikossa.” Kun GHP:t suunnitellaan ja asennetaan oikein, ne vähentävät huomattavasti rakennuksen lämmittämiseen ja jäähdyttämiseen tarvittavan energian määrää. Yhdysvaltain ympäristönsuojeluviraston mukaan GHP-laitteet ovat 48 prosenttia tehokkaampia kuin paras kaasu-uuni ja 75 prosenttia tehokkaampia kuin paras öljyuuni. Ne vaativat 25-50 prosenttia vähemmän energiaa kuin muut LVI-järjestelmät ja alentavat käyttö- ja ylläpitokustannuksia jopa 40 prosenttia.
GHP-järjestelmien laajamittaisen käyttöönoton pääasiallinen este on nykyisin suhteellisen korkeat alkuvaiheen asennuskustannukset, joista suurin osa kuluu porauskaivojen ja silmukkakenttien rakentamiseen liittyviin poraustöihin sekä suunnitteluun ja analyyseihin, joita tarvitaan järjestelmän räätälöimiseksi rakennusta varten. Itse mekaaniset laitteet – lämpöpumput ja lämmönvaihtimet – eivät ole kalliimpia kuin perinteiset lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmät. Vuotuiset säästöt energialaskuissa kompensoivat kuitenkin alkukustannukset. Kaupallisten GHP-järjestelmien takaisinmaksuaika on yleensä 10-20 vuotta, mutta se voi usein olla lyhyempi, jos järjestelmällä korvataan esimerkiksi ikääntyvä, tehoton LVI-järjestelmä. GHP-järjestelmät voivat olla kustannuksiltaan kilpailukykyisiä moniin perinteisiin järjestelmiin verrattuna uudisrakentamisessa. Tämän vuoksi GHP-järjestelmät ovat olleet ensisijaisesti suosittuja kunnallisten ja institutionaalisten asiakkaiden keskuudessa, rakennusten omistajien keskuudessa, jotka aikovat asua ja käyttää tilojaan pitkällä aikavälillä, ja niiden keskuudessa, jotka ovat yksinkertaisesti kiinnostuneempia ympäristönsuojelusta kuin lopputuloksesta.
Chicagon kaupunki on parhaillaan rakentamassa viittä uutta sivukirjastoa, jotka sisältävät useita kestävän kehityksen piirteitä. Lohan Andersonin suunnittelemat kirjastot perustuvat GHP-järjestelmiin. Niiden joukossa on Richard M. Daleyn sivukirjasto, joka on 16 300 neliömetrin kokoinen ja jonka on tarkoitus saada LEED Silver -sertifikaatti. Haaraosastoa palvelee 24 suljetun kierron maalämpökaivoa, jotka on porattu 395 jalan syvyyteen parkkipaikan alle. Niistä saadaan kuumaa tai jäähdytettyä vettä ilmankäsittelykoneeseen ja myös lattian alla olevaan säteilyjärjestelmään. Vaikka GHP-järjestelmän lämpökapasiteetti riittää kattamaan kirjaston kaikki lämmitys- ja jäähdytystarpeet, asiakas pyysi myös varakattilaa.
”Kaupungilla ei ole paljon kokemusta näistä järjestelmistä, joten he eivät halunneet luottaa pelkästään maalämpöön”, kertoo Stephen Novak, projekti-insinööri chicagolaiselta Henneman Engineering -yhtiöltä, joka suunnitteli kirjaston GHP-järjestelmän. ”Jonkin ajan kuluttua, kun saadaan lisää dokumentaatiota ja nähdään, että nämä järjestelmät toimivat, kattilat saatetaan poistaa kaupungin sivukirjastojen prototyypeistä.”
GHP-järjestelmiä ei välttämättä tarvitse suunnitella räätälöidysti yksittäisiä hankkeita varten. Novak näkee suurten kaukomaalämpökenttien rakentamisen, joita sijoittajat voisivat hyödyntää yleishyödyllisen laitoksen tavoin, yhtenä tapana, jolla teknologia voisi yleistyä tulevaisuudessa. Esimerkiksi Idahon osavaltiossa sijaitsevassa Boisessa on kaukomaalämpöjärjestelmä, joka lämmittää rakennuksia sen keskustan ytimessä. Järjestelmä perustuu kuitenkin geologisiin kuumiin lähteisiin, jotka ovat luonnonvaroja, joita ei ole saatavilla useimmissa kaupungeissa.
Ball State University Munciessa, Ind. osavaltiossa, työskentelee parhaillaan samankokoisen GHP-järjestelmän parissa. Valmistuttuaan siitä tulee maan suurin suljetun kierron GHP-järjestelmä. Hankkeessa korvataan neljä ikääntynyttä hiilikattilaa 3 600 porakaivolla, jotka sijaitsevat eri puolilla 660 hehtaarin kokoista kampusta sijaitsevilla kentillä. Näillä kentillä lämmitetään ja jäähdytetään yli 45 rakennusta, mikä puolittaa yliopiston hiilijalanjäljen ja säästää 2 miljoonaa dollaria vuodessa käyttökustannuksissa. Koko järjestelmä kulkee kahden energia-aseman kautta, joissa maasta otettua tai maahan palautettua lämpöä vaihdetaan lämpöpumppujen avulla, jotka on liitetty kahteen kampuksen läpi kulkevaan erilliseen silmukkaan. Toiseen silmukkaan johdetaan kylmää vettä, jonka lämpötila on vakiona 42 astetta, ja toiseen kuumaa vettä, jonka lämpötila on vakiona 150 astetta. Nämä silmukat kulkevat kussakin rakennuksessa olevien lämmönvaihtimien kautta, joissa puhaltimet tuottavat halutun lämpötilan asukkaille.
Vaikka GHP-järjestelmät tarjoavat ilmeisiä ympäristökannustimia, ne tarjoavat arkkitehdeille myös mahdollisuuden vapauttaa itsensä epämiellyttävien mekaanisten laitteiden kätkemisen taakasta, koska suurin osa järjestelmien komponenteista on sijoitettu maan alle, pois näkyvistä. Tämä voi olla erityisen tervetullutta, kun historiallisia rakenteita kunnostetaan.
Yksi tällaiseksi hankkeeksi voidaan mainita Helpern Architectsin suunnitelma Knox Hallin kunnostamiseksi Columbian yliopistossa. Vuonna 1909 valmistunut Knox Hall on 50 000 neliömetrin kokoinen, seitsenkerroksinen uusgoottilainen kivirakennus, jossa on vino kuparikatto. ”Se ei ole maamerkkirakennus, mutta kohtelimme sitä ikään kuin se olisi, koska Columbia University käyttää sitä Union Theological Seminaryn kampuksella”, sanoo Margaret Castillo, AIA, joka on Helpernin päämies. ”Tutkimme viittä erilaista LVAC-järjestelmää, myös maalämpöjärjestelmää. Loppujen lopuksi, vaikka arkkitehtoniset näkökohdat vaikuttivat asiaan – jäähdyttimien sijoittaminen katolle ei olisi ollut helppoa – maalämpö osoittautui kustannustehokkaimmaksi toiminnallisella tasolla.”
Knox Hallin kaikki lämmitys- ja jäähdytystarpeet katetaan neljällä pylväskaivolla, jotka on porattu 1 800 jalan syvyyteen. Järjestelmä auttoi hanketta saavuttamaan LEED-kultaa. Vaikka alkukustannukset olivat suhteellisen korkeat, Columbia arvioi takaisinmaksun olevan noin kuusi tai seitsemän vuotta. ”He ovat erittäin tyytyväisiä siihen, että hanke vähentää energiankulutusta ja kasvihuonekaasupäästöjä”, Castillo sanoo.