Az energiafelhasználásunk csökkentéséért folytatott háborúban a hőmérséklet-szabályozás terén is frontvonalra került sor. Az amerikai energiaügyi minisztérium becslése szerint az ország teljes energiafogyasztásának nagyjából 40 százalékát otthonaink, irodáink és intézményeink fűtésére és hűtésére fordítjuk. Akár az elektromos hálózatra támaszkodnak, hogy nyáron legyőzzék a hőséget, akár a helyszínen égetik el a fosszilis tüzelőanyagokat a téli hideg ellen, az épületek összességében környezetbarátnak tűnnek a terepjárók mellett.
Míg jelentős előrelépések történtek e kép megváltoztatására a hatékonyabb gépészeti rendszerek tervezésével, a hőteljesítmény növelésével és a megújuló energia helyszíni előállításának fejlesztésével – mind fontos és csodálatra méltó előrelépés -, az építészet számára elérhető legígéretesebb erőforrás talán éppen abban a földben található, amelyen az építmények állnak, a geotermikus rendszerek formájában.
Az első dolog, amit a technológia bármelyik szakértője elmond, hogy az épületek geotermikus rendszerei, más néven geotermikus hőszivattyúk vagy földhőszivattyúk (GHP-k), nem ugyanaz, mint a geotermikus erőművek. A geotermikus erőművek – az iparágban forró kőzet geotermikus erőművekként ismertek – olyan nagy létesítmények, amelyeket (ebben az országban) főként a Sziklás-hegység és a Sierra Nevada hegység környékén építettek, ahol a földköpenyből származó rendkívül magas hőmérséklet viszonylag közel található a felszínhez. Ezeket a hőtartalékokat megcsapolják, és gőz előállítására használják fel, amely aztán egy turbinát hajt meg, és így villamos energiát termel.
A földgázturbinák viszont a földkéreg felső részében tárolt hőenergiát használják az épületek fűtésére vagy hűtésére, kiváltva a hagyományos kazánokat és légkondicionáló rendszereket. “A Föld hőmérséklete 20 vagy 30 láb mélyen egész évben viszonylag állandó, valahol 50 és 60 fok között van” – mondja John Kelly, a Geothermal Exchange Organization COO-ja, egy washingtoni nonprofit kereskedelmi szervezet, amely a technológia szélesebb körű elterjedéséért lobbizik. “A geotermikus hőszivattyú úgy mozgatja a hőt a földbe és a földből, hogy egy kúton keresztül vizet keringtet.”
“Például”, kínálja Kelly, “mondjuk Kansas Cityben a föld alatti hőmérséklet 55 fok. Nyáron a levegő hőmérséklete 100 fok, télen pedig 20 fok, de a föld alatt még mindig 55 fok van. Nem olyan nehéz kihozni ezt az állandó hőmérsékletet a földből, hogy télen fűteni, nyáron pedig hűteni lehessen.”
Más szóval, télen a GHP a hőenergiát a föld alól mozgatja az épületbe, nyáron pedig megfordítja ezt a folyamatot, és az épületben lévő hőt lefelé mozgatja a földbe. Ezek a rendszerek egy földbe ásott csővezeték-hurkot tartalmaznak, amelyen keresztül a víz kering, a hőszivattyú pedig leveszi a víz hőmérsékletét, és eloszlatja azt az épületben, nagyjából ugyanúgy, ahogyan a központi légkondicionálás működik. Alternatív megoldásként a talajvizet közvetlenül egy sor kúton keresztül keringetik.
A GHP-k üzemeltetése mindkét esetben jelentősen olcsóbb, mint a hagyományos fűtési és hűtési rendszereké. “A költségmegtakarítás azért következik be, mert a talaj a fűtéshez és hűtéshez kívánt hőmérséklethez közelebbi kiindulási hőmérsékletet kínál, mint a szezonális hőmérsékleti szélsőségek, amelyekre sok hagyományos légforrású HVAC-rendszer támaszkodik” – mondja John Rhyner, a P.W. Grosser Consulting vezető projektmenedzsere Bohemiában, N.Y.-ban, egy olyan építőmérnöki cégnél, amely a geotermikus energiára szakosodott, és jelenleg a New York City Department of Design and Construction számára egy útmutatót tartalmazó könyv szerzője a technológiáról. “A kisebb hőmérsékletkülönbség kiegyenlítéséhez kevesebb energiára van szükség” – mondja Rhyner.
Míg a GHP mögött álló elmélet és technológia egyszerű, a GHP-rendszer megvalósítása sokkal összetettebb dolog lehet. A GHP-rendszereknek többféle típusa létezik, és az adott projekthez legmegfelelőbb rendszer kiválasztása sok tanulmányt és testre szabást igényelhet. “Ez nem egy sütire szabott megközelítés” – mondja Rhyner. “Bizonyos szintű előzetes megvalósíthatósági elemzésre van szükség ahhoz, hogy a megfelelő rendszert válasszuk ki egy adott helyszínre. Egy közepes-nagyméretű kereskedelmi rendszer esetében az átvilágítás és a megvalósíthatósági elemzés kritikus fontosságú, és nem szabad, hogy tönkretegye a költségvetést.”
“A cél az” – teszi hozzá Rhyner – “hogy a kezdet kezdetén mindenki egy oldalon álljon, és világos irányt adjon a megközelítésre vonatkozóan”. A legmegfelelőbb rendszer típusa földrajzilag változó, minden a geológiai viszonyoktól függ, attól, hogy az épület hogyan kapcsolódik a talajhoz, és milyen fúrási módszer a megfelelő.”
A GHP-rendszerek három leggyakoribb típusa a zárt hurkú, a nyitott hurkú és az álló oszlopkút. A zárt hurkú rendszerek a vizet a föld alá temetett, zárt csőhálózaton keresztül keringetik. A csövekben lévő víz télen hőcserélő segítségével adja át a hőt a földből az épületnek, nyáron pedig fordítva. Mivel a víz zárt hurokban áramlik, nem cseréli ki teljes hőmérsékletét; nyáron akár 80-90 fokos meleg is lehet, télen pedig 40-30 fokos hideg. Emiatt a vizet általában 30 százalékos élelmiszeripari fagyálló keverékkel (például propilénglikollal) keverik, hogy a folyadék a téli hónapokban ne zselésedjen meg.
A zárt hurkú rendszereket vagy vízszintesen, közvetlenül a fagyhatár alá temetve, vagy függőlegesen, általában 200-500 láb mélyen fúrt kutakban lehet elhelyezni. A vízszintes rendszereket általában kisebb vagy lakossági projekteknél használják. Olcsóbb a telepítésük, de a külső levegő hőmérséklete befolyásolja őket, ami azt jelenti, hogy az évszak előrehaladtával és a talajnak a levegő hőmérsékletére jellemző tulajdonságainak átvételével csökkenhet a hatékonyságuk.
A függőlegesen fúrt zárt hurkú rendszerek hatékonyabbak, mint a vízszintes rendszerek, mivel a cső nagyobb része érintkezik a stabil, hűvös földanyagokkal. Akkor a leghatékonyabbak, ha nem száraz talajba, hanem talajvízbe fúrhatók, mivel a víz jó hővezető. A zárt hurkú rendszerek általában nagy mennyiségű földterületet igényelnek. “Egy zárt hurkú rendszer esetében minden attól függ, hogy mennyi csövet tudunk a földbe fektetni a rendelkezésre álló szabad földterület mellett” – mondja Rhyner. “Egy bizonyos számú tonnát kapunk vonalanként, és több csövet tudunk a földbe helyezni függőlegesen, mint vízszintesen.”
A nyílt hurkú rendszerek tényleges talajvizet vesznek fel egy kútból, átvezetik egy hőcserélőn, majd a vizet külön kutakba vezetik vissza, ahol hagyják, hogy visszaszivárogjon a víztartó rétegbe. Az ellátó és a visszavezető kutakat (ez utóbbiakat “injektáló kutaknak” is nevezik) egymástól elég távol kell elhelyezni ahhoz, hogy a termikusan megváltozott víz (azaz a felmelegített vagy lehűtött víz) ne kerüljön vissza a rendszerbe az ellátó kutakon keresztül, amíg vissza nem nyeri a talajhőmérsékletet. A szükséges injektáló kutak száma teljes mértékben az ellátó kutakból keletkező áramlási sebességtől függ.
A nyílt hurkú rendszerek általában hatékonyabbak, mint a zárt hurkú rendszerek, mivel jobban kapcsolódnak a talajhőmérséklethez, mivel nem történik hőátadás a műanyag zárt hurkú csövön vagy a fúrólyuk lezárására használt habarcson keresztül. Ezek a rendszerek azonban kihívásokkal járnak, különösen a víz kémhatása miatt, amely korrodálhatja a hőszivattyú berendezéseket, vagy idővel elszennyezheti a rendszert, ami extra tisztítást igényel. Ha a talajvíz nagy mennyiségű sót, ásványi anyagokat vagy vasat tartalmaz, a zárt rendszereket általában előnyben részesítik.
Az álló oszlopkút a nyitott rendszer egy speciális típusa, amely jól alkalmazható ott, ahol az alapkőzet nem túl mélyen van a felszín alatt. Az álló oszlopos kutakat 1500-2000 láb mélységig fúrják. A kútnak a talajzónán keresztül vezető sekély szakaszára acélburkolatot szerelnek, míg a fennmaradó mélységben fúrnak, és nyílt kőzetfúrásként hagyják meg. Ezekben a rendszerekben a talajvizet a kút aljáról felfelé szivattyúzzák, átvezetik egy hőszivattyún vagy hőcserélőn, majd visszavezetik a kút tetejére, ahol lassan leszűrődik lefelé, hőt cserélve a környező alapkőzettel.
Rhyner szerint “az álló oszlopkút biztosítja a legnagyobb hőkapacitást telepítésenként, ezért népszerű az olyan városi településeken, mint New York City, ahol korlátozott a fúrható ingatlanterület”. Ahol az alapkőzet 100-125 lábnál mélyebben van, ott túl drágává válhat ezeknek a kutaknak a telepítése, mivel a talajzóna lezárásához rengeteg acélburkolatra lenne szükség.
Az, hogy melyik rendszer a megfelelő egy adott projekthez, megköveteli az épület fűtési és hűtési igényének kiszámítását és egy felszín alatti elemzés elvégzését, hogy meghatározzák a helyszín hőkapacitását, valamint azt, hogy hány kútra vagy mekkora hurokmezőre lesz szükség. Ha a számításokat helyesen végezzük el, és a rendszert megfelelően tervezzük meg, a GHP-k képesek kezelni az épület teljes fűtési és hűtési terhelését, függetlenül attól, hogy milyen éghajlati viszonyok uralkodnak.
“A hőszivattyúk a világon bárhol működnek” – mondja Kelly. “Észak-Amerikában biztosan jól működnek. Széles körben használják őket Kanadában, és ugyanígy Mexikóban is”. Megfelelő tervezés és telepítés esetén a GHP-k drasztikusan csökkentik az épületek fűtéséhez és hűtéséhez szükséges energiamennyiséget. Az Egyesült Államok Környezetvédelmi Hivatala szerint a GHP-k 48 százalékkal hatékonyabbak, mint a legjobb gázkazán, és 75 százalékkal hatékonyabbak, mint a legjobb olajkazán. Más HVAC-rendszerekhez képest 25-50 százalékkal kevesebb energiát igényelnek, és akár 40 százalékkal csökkentik az üzemeltetési és karbantartási költségeket.
A GHP-k széles körű elterjedésének fő gátja ma a telepítés viszonylag magas kezdeti költsége, amelynek nagy részét a kutak és a hurokmezők kialakításával járó fúrások, valamint a rendszer épületre szabásához szükséges tervezés és elemzés teszi ki. Maga a gépészeti berendezés – a hőszivattyúk és hőcserélők – nem drágább, mint a hagyományos fűtési és hűtési rendszerek. Az energiaszámlákon elért éves megtakarítások azonban ellensúlyozzák a kezdeti költségeket. A kereskedelmi célú GHP-rendszerek megtérülési ideje általában 10-20 év, de gyakran rövidebb is lehet, például ha a rendszer egy elöregedett, nem hatékony HVAC-rendszert vált ki. A GHP-rendszerek sok hagyományos rendszerrel szemben versenyképes költséget jelenthetnek az új építkezéseknél. Ennek eredményeképpen a GHP-k elsősorban az önkormányzati és intézményi ügyfelek, a létesítményeiket hosszú távon lakni és üzemeltetni szándékozó épülettulajdonosok, valamint azok körében népszerűek, akiket egyszerűen jobban érdekel a környezetvédelem, mint az eredmény.
A chicagói város jelenleg öt új fiókkönyvtár építésén dolgozik, amelyek számos fenntartható tervezési jellemzőt tartalmaznak. A Lohan Anderson által tervezett könyvtárak GHP rendszerekre támaszkodnak. Ezek között van a Richard M. Daley Branch Library, egy 16 300 négyzetméteres létesítmény, amely LEED Silver minősítést kap. A fiókot 24 zárt hurkú geotermikus kút látja el, amelyeket 395 láb mélyre fúrtak a parkoló alá. Ezek meleg vagy hűtött vizet szolgáltatnak egy légkezelő egységnek, valamint egy padló alatti sugárzó rendszernek. Bár a GHP rendszer hőkapacitása elegendő a könyvtár összes fűtési és hűtési igényének kielégítésére, az ügyfél egy tartalék kazánt is kért.
“A város részéről nincs sok tapasztalat ezekkel a rendszerekkel kapcsolatban, ezért nem érezték kényelmesnek, hogy kizárólag a geotermikus rendszerre támaszkodjanak” – magyarázza Stephen Novak, a chicagói Henneman Engineering projektmérnöke, aki a könyvtár GHP rendszerét tervezte. “Egy idő után, amint több dokumentáció áll rendelkezésre, és látják, hogy ezek a rendszerek működnek, a kazánokat ki lehet iktatni a városi fiókkönyvtárak prototípusából.”
A GHP-ket nem feltétlenül kell egyedi projektekre tervezni. Novak úgy látja, hogy a nagy távoli geotermikus mezők építése, amelyeket a befektetők a közművekhez hasonlóan megcsapolhatnak, az egyik módja annak, hogy a technológia a jövőben elterjedtebbé váljon. Az idahói Boise-ban például van egy távoli geotermikus rendszer, amely a belvárosban lévő épületeket fűti. A rendszer azonban geológiai meleg forrásokra támaszkodik, ami a legtöbb város számára nem elérhető természeti erőforrás.
A Ball State University Muncie-ban, Indiában viszont jelenleg egy hasonló méretű GHP-rendszeren dolgozik. Ha elkészül, ez lesz a legnagyobb zárt hurkú GHP-rendszer az országban. A projekt négy elöregedő széntüzelésű kazánt vált fel 3600 fúrással a 660 hektáros campus területén található mezőkön. Ezek a mezők több mint 45 épület fűtését és hűtését biztosítják majd, nagyjából felére csökkentve az egyetem szén-dioxid-kibocsátását, és évi 2 millió dollár működési költséget takarítva meg. Az egész rendszer két energiaállomáson keresztül fog működni, ahol a talajból kinyert vagy a talajba visszajuttatott hőt hőszivattyúkkal cserélik ki, amelyek két különálló, a kampuszon áthaladó hurokhoz csatlakoznak. Az egyik hurokban a hideg víz állandó 42 fokos, a másikban a meleg víz állandó 150 fokos lesz. Ezek a hurkok minden épületben hőcserélőkön futnak keresztül, ahol ventilátorok biztosítják a kívánt hőmérsékletet a lakók számára.
Míg a GHP rendszerek nyilvánvaló környezetvédelmi ösztönzőket jelentenek, az építészeknek lehetőséget kínálnak arra is, hogy megszabaduljanak a csúnya gépészeti berendezések elrejtésének terhétől, mivel a rendszerek legtöbb eleme a föld alatt van, jól láthatatlanul. Ez különösen jól jöhet a történelmi épületek utólagos felújításakor.
Egy ilyen projekt a Helpern Architects tervei a Columbia Egyetem Knox Halljának felújítására. Az 1909-ben elkészült Knox Hall egy 50 000 négyzetméteres, hétemeletes, neogótikus kőépület rézsútos tetővel. “Nem műemlék jellegű épület, de mi úgy kezeltük, mintha az lenne, mivel a Columbia Egyetem használja az Union Theological Seminary campusán” – mondja Margaret Castillo, AIA, a Helpern egyik vezetője. “Öt különböző HVAC-rendszert vizsgáltunk, köztük a geotermikusat is. Végül, bár az építészeti szempontok is szerepet játszottak – nem lett volna egyszerű hűtőberendezéseket elhelyezni a tetőn -, a geotermikus rendszer működési szempontból a legköltséghatékonyabbnak bizonyult.”
A Knox Hall fűtési és hűtési igényeit négy, 1800 láb mélyre fúrt álló oszlopkútból fedezi. A rendszer hozzájárult ahhoz, hogy a projekt elnyerje a LEED arany fokozatát. Bár a kezdeti költségek viszonylag magasak voltak, a Columbia becslése szerint a megtérülés körülbelül hat-hét év. “Nagyon örülnek, hogy ez a projekt csökkenti az energiafelhasználást és az üvegházhatású gázok kibocsátását” – mondja Castillo.