エネルギー使用量を削減するための戦争で、温度調節の分野に最前線が引かれているのです。 米国エネルギー省の試算によると、全米の電力消費の約40パーセントが、家庭やオフィス、施設の冷暖房に費やされているそうです。 夏の暑さをしのぐために電力網を利用するか、冬の寒さをしのぐために現場で化石燃料を燃やすかにかかわらず、全体として、建物は SUV を環境にやさしいものに見せているのです。
この技術の専門家が最初に言うのは、地熱ヒートポンプまたは地熱源ヒートポンプ（GHP）とも呼ばれる建築用の地熱システムは、地熱発電所とは別物であるということです。 地熱発電所は、ホットロック地熱と呼ばれ、主にロッキー山脈やシエラネバダ山脈など、地球のマントルからの高温が比較的地表に近い場所に建設される大規模な設備です（日本では、この呼び名で知られています）。 一方、GHPは、地殻の上部に蓄えられた熱エネルギーを利用して建物の冷暖房を行うもので、従来のボイラーやエアコンの代わりとなる。 ワシントンD.C.にある非営利の業界団体Geothermal Exchange OrganizationのCOOであるジョン・ケリー氏は、「20～30フィート下の地球の温度は、年間を通じて50～60度の間で比較的一定しています」と言います。 「地熱ヒートポンプは、井戸を通して水を循環させることによって、地球との間で熱を移動させます」
「たとえば、カンザスシティで地下温度が55度だとしましょう」と、ケリーは提案します。 夏は気温が100度、冬は20度ですが、地下は55度のままです。 地中の温度を一定に保つのはそれほど難しいことではありませんから、冬は暖房、夏は冷房になります」
つまり、GHPは冬に地中の熱エネルギーを建物に運び、夏には逆に建物内の熱を地中に移動させるのです。 このシステムは、地中に埋設した配管ループに水を循環させ、ヒートポンプで水の温度を下げて建物内に送り込むという、セントラル空調と同じような仕組みになっています。 また、地下水を直接井戸に通して循環させる方法もあります。
いずれにしても、GHPは従来の冷暖房システムより大幅に安く運用することができます。 「地熱を専門とする土木工学事務所で、現在ニューヨーク市設計建設局向けにこの技術に関するガイドラインを執筆しています。 「
GHPの背後にある理論と技術は単純ですが、GHPシステムの実装はより複雑な問題になる可能性があります。 GHPシステムにはいくつかの種類があり、特定のプロジェクトに最適なものを選ぶには、十分な調査と調整が必要です。 「とライナーは言います。「型にはまったアプローチではありません。 「特定の場所に適したシステムを選ぶには、ある程度前もってのフィージビリティ分析が必要です。 中規模から大規模の商用システムでは、デューディリジェンスとフィージビリティ分析が重要であり、予算を浪費すべきではありません」
「目的は、最初に全員が同じページに立ち、アプローチについて明確な指示を与えることです」と、ライナーは付け加えます。 最も適したシステムのタイプは地理的に異なり、地質条件、建物がどのように地面と結合するか、どの掘削方法が適切かによってすべてが決まります」
最も一般的なGHPシステムのタイプは、閉ループ、開ループ、および立柱井戸の3つです。 クローズドループシステムは、地中に埋設された密閉されたパイプのネットワークを通じて水を循環させる。 パイプ内の水は、熱交換器を介して、冬は地球から建物に、夏は逆に建物に熱を伝える。 水は閉ループを流れるため、すべての温度を交換するわけではなく、夏は80〜90℃、冬は40〜30℃まで温かくなる。 このため、水は通常、食品用の不凍液（たとえば、プロピレングリコール）を30％混合して、冬季に液体がゲル化しないようにする。
閉ループシステムは、霜線のすぐ下に埋められた田畑に水平に、または通常200～500フィートの深さの井戸に垂直に敷設することができる。 水平システムは、一般に小規模または住宅用プロジェクトに使用されます。 1500>
垂直に掘削された閉ループシステムは、パイプの多くが安定した冷たい地球の材料と接触しているため、水平システムよりも効率的です。 水は熱の良い伝導体であるため、乾燥した地面ではなく、地下水中に掘削することができれば、最も効率的です。 クローズドループシステムは、一般的に広大な土地を必要とします。 「クローズドループシステムでは、使える土地の広さに応じて、どれだけのパイプを地中に埋め込むことができるかがポイントになります」とライナーは言います。 「オープンループ・システムでは、井戸から実際の地下水を引き込み、熱交換器を通して移動させ、水を別の井戸に戻し、そこで帯水層に浸透させる。 供給井と戻り井（後者は「注入井」とも呼ばれる）は、熱的に変化した水（すなわち、加熱または冷却された水）が地温を取り戻すまで供給井からシステムに吸い戻されないように、十分に離して配置しなければならない。 必要な注入井戸の数は、供給井戸から発生する流速に完全に依存します。
オープンループシステムは、プラスチック製の閉ループパイプまたはボーリング穴を密閉するために使用されるグラウトにわたって熱伝達が発生しないと、地温との結合が良好であるため、閉ループシステムよりも一般的に効率的である。 しかし、これらのシステムには課題があります。特に、水質がヒートポンプ機器を腐食させたり、時間の経過とともにシステムを汚し、特別な洗浄を必要とする可能性があります。
Standing Column Wellsは、オープンループシステムの特殊なタイプで、岩盤が地表からそれほど深くない場所によく適しています。 スタンディングコラム井戸は、1,500～2,000フィートの深さまで掘削される。 土壌層を通る井戸の浅い部分には鋼鉄製のケーシングが設置され、残りの深さは岩盤を掘削して開放型のボアホールとして残されます。 これらのシステムでは、地下水は井戸の底からくみ上げられ、ヒートポンプや熱交換器を通過した後、井戸の上部に戻され、そこでゆっくりと下向きにろ過されて周囲の岩盤と熱交換を行います。 岩盤が 100 ～ 125 フィートより深いところでは、土壌ゾーンを密閉するために必要なスチール ケーシングの量が多いため、これらの井戸を設置するには費用がかかりすぎることがあります。
特定のプロジェクトに適したこれらのシステムを選択するには、建物の冷暖房需要を計算し、地下の分析を行ってサイトの熱容量、および何本の井戸またはどのくらいの規模のループ フィールドが必要かを判断します。 計算が正しく行われ、システムが適切に設計されていれば、GHPはどんな気候条件でも建物の冷暖房負荷をすべて処理することができます。 「ヒートポンプは世界中どこでも使えます。 カナダでも広く使われていますし、メキシコでも同様です。 正しく設計され、設置されれば、GHP は建物の冷暖房に必要なエネルギー量を劇的に削減します。 米国環境保護庁によると、GHPは最も優れたガス炉よりも48％、最も優れた石油炉よりも75％効率が良い。 そのほとんどは、井戸やループフィールドの建設に伴う掘削や、建物に合わせてシステムを調整するために必要な設計や分析に費やされます。 ヒートポンプや熱交換器といった機械設備そのものは、従来の冷暖房システムと比べてもそれほど高価ではない。 しかし、年間を通したエネルギー料金の節約により、初期費用は相殺されます。 商業用GHPシステムの投資回収期間は、一般的に10年から20年の範囲で計算されますが、老朽化した非効率なHVACシステムを置き換える場合などには、もっと短くなることもあります。 GHPシステムは、新築の場合、多くの従来型システムに対してコスト競争力を持つことができます。 その結果、GHP は主に自治体や機関投資家、長期にわたって施設に居住し運用する予定のビル所有者、そして単に利益よりも環境保護に関心がある人たちに好評です。
The City of Chicago は現在、5 つの新しい分館を建設中ですが、そこには多くの環境保護設計機能が取り入れられています。 Lohan Andersonが設計したこれらの図書館は、GHPシステムを採用しています。 そのうちの1つ、リチャード・M・デイリー分館は、16,300平方フィートの施設で、LEEDシルバー認証を取得する予定です。 この図書館では、駐車場の地下395フィートまで掘削した24本の閉ループ地中熱井戸を利用しています。 これらは、空気処理装置に温水や冷水を供給し、床下輻射システムにも供給されます。 GHPシステムの熱容量は図書館のすべての冷暖房ニーズを満たすのに十分ですが、顧客はバックアップのボイラーも要求しました。
図書館のGHPを設計したシカゴのHenneman Engineeringのプロジェクトエンジニア、Stephen Novak氏は、「市はこうしたシステムの経験があまりないため、地熱だけに依存するのは気が進まなかったのです」と説明しています。 GHPを設計したシカゴのHenneman Engineering社のプロジェクトエンジニア、Stephen Novak氏は次のように説明します。「一定期間後、より多くの文書が作成され、これらのシステムが機能することがわかれば、市の分館プロトタイプからボイラーがなくなるかもしれません」
GHP は必ずしも個々のプロジェクトのためにカスタム設計される必要はありません。 Novak は、投資家が電力会社と同じように利用できる大規模な地域地熱フィールドの建設が、将来この技術がより一般的になる方法の 1 つであると見ています。 例えば、アイダホ州のボイシでは、ダウンタウン中心部の建物を暖めるために地域地熱システムが導入されています。 しかし、このシステムは、ほとんどの都市では利用できない天然資源である地質温泉に依存しています。
一方、インディアナ州マンシーのボール州立大学では、現在、同様の規模の GHP システムを研究しています。 完成すれば、国内最大のクローズドループGHPシステムになります。 このプロジェクトでは、老朽化した4基の石炭焚きボイラーを、660エーカーのキャンパス内にある畑にある3,600個のボーリング孔に置き換える予定です。 これらの穴は45棟以上の建物の冷暖房をまかない、大学の二酸化炭素排出量をおよそ半分に減らし、年間200万ドルの運営コストを削減する予定です。 システム全体は2つのエネルギーステーションを経由し、地下から取り出した熱や地下に戻した熱は、キャンパス内を走る2つのループに接続されたヒートポンプによって交換されることになっています。 一方のループでは42度の冷水を、もう一方のループでは150度の温水を一定に保ちます。 これらのループは、各建物の熱交換器を通って、ファンが居住者に希望の温度を提供します。
GHP システムには明らかな環境上の利点がありますが、システムのほとんどのコンポーネントが地下にあって見えないため、建築家は見苦しい機械装置を隠す負担から解放される機会もあります。 これは、歴史的建造物を改修する際に特に歓迎されます。
そのようなプロジェクトの 1 つに、コロンビア大学のノックス・ホールの修復のための Helpern Architects の設計があります。 1909 年に完成したノックス ホールは、広さ 50,000 平方フィート、7 階建てのネオ ゴシック様式の石造りの建物で、銅の勾配屋根が特徴です。 「ランドマーク的な建造物ではありませんが、ユニオン神学校のキャンパスでコロンビア大学が使用しているため、ランドマーク的な扱いを受けていました」と、Helpern社の代表者であるMargaret Castillo（AIA）は述べています。 と、Helpern社のプリンシパルであるMargaret Castillo（AIA）は言います。「私たちは、地熱を含む5種類のHVACシステムを検討しました。 最終的には、建築的な懸念もありましたが、屋根の上に冷却装置を設置するのは簡単ではなかったでしょうから、地熱が運用レベルで最もコスト効率が良いことが証明されました」
Knox Hallは、すべての冷暖房ニーズを満たすために、深さ1800フィートまで掘られた4つの立坑に頼っています。 このシステムは、プロジェクトがLEEDゴールドを獲得するのに貢献しました。 初期費用は比較的高額でしたが、コロンビアは投資回収が 6、7 年程度かかると見積もっています。 「このプロジェクトがエネルギー使用量と温室効果ガス排出量を削減していることに、彼らはとても満足しています」と、カスティーリャは言います
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