W wojnie o zmniejszenie naszego zużycia energii, linia frontu została narysowana w dziedzinie kontroli temperatury. Amerykański Departament Energii szacuje, że około 40 procent ogólnego zużycia energii w kraju idzie na ogrzewanie i chłodzenie naszych domów, biur i instytucji. Niezależnie od tego, czy korzystają z sieci elektrycznej, aby pokonać upał latem, czy spalają paliwa kopalne na miejscu, aby walczyć z chłodem zimą, budynki, ogólnie rzecz biorąc, sprawiają, że SUV-y wyglądają na przyjazne dla środowiska.
Pomimo że poczyniono znaczne postępy w celu zmiany tego obrazu, projektując bardziej wydajne systemy mechaniczne, zwiększając wydajność cieplną i rozwijając wytwarzanie energii odnawialnej na miejscu – wszystkie ważne i godne podziwu postępy – być może najbardziej obiecujące zasoby dostępne dla architektury można znaleźć w samej ziemi, na której siedzą konstrukcje, w postaci systemów geotermalnych.
Pierwszą rzeczą, jaką powie każdy ekspert w dziedzinie tej technologii, jest to, że systemy geotermalne dla budynków, znane również jako geotermalne pompy ciepła lub gruntowe pompy ciepła (GHP), nie są tym samym, co elektrownie geotermalne. Elektrownie geotermalne, znane w branży jako geotermia gorących skał, są dużymi instalacjami zbudowanymi (w tym kraju) głównie wokół Gór Skalistych i pasma Sierra Nevada, gdzie ekstremalnie wysokie temperatury z płaszcza Ziemi można znaleźć stosunkowo blisko powierzchni. Wykorzystują one te rezerwy ciepła do produkcji pary, która następnie napędza turbinę, wytwarzając w ten sposób energię elektryczną.
GHP, z drugiej strony, wykorzystują energię cieplną zgromadzoną w górnej części skorupy ziemskiej do ogrzewania lub chłodzenia budynku, zastępując konwencjonalne kotły i systemy klimatyzacji. „Temperatura Ziemi na głębokości 20 lub 30 stóp jest względnie stała przez cały rok, gdzieś pomiędzy 50 a 60 stopni” F, mówi John Kelly, dyrektor operacyjny Geothermal Exchange Organization, organizacji handlowej non-profit w Waszyngtonie, która lobbuje za szerszym przyjęciem tej technologii. „Geotermiczna pompa ciepła przenosi ciepło do i z Ziemi poprzez cyrkulację wody w studni.”
„Na przykład”, oferuje Kelly, „powiedzmy, że w Kansas City, temperatura pod ziemią wynosi 55 stopni. W lecie temperatura powietrza wynosi 100 stopni, a w zimie 20, ale pod ziemią nadal jest 55. Nie jest tak trudno wydobyć tę stałą temperaturę z ziemi, aby można było ogrzewać zimą i chłodzić latem.”
Innymi słowy, zimą GHP przenosi energię cieplną spod ziemi do budynku, a latem odwraca ten proces, przenosząc ciepło z budynku w dół do ziemi. Systemy te obejmują pętlę rur zakopanych w ziemi, przez którą przepływa woda, a pompa ciepła usuwa temperaturę z wody i rozprowadza ją po budynku, podobnie jak w przypadku centralnej klimatyzacji. Alternatywnie, woda gruntowa krąży bezpośrednio w serii studni.
W każdym razie, GHP są znacznie tańsze w eksploatacji niż konwencjonalne systemy ogrzewania i chłodzenia. „Oszczędność kosztów wynika z tego, że temperatura początkowa gruntu jest bliższa temu, co jest pożądane do ogrzewania i chłodzenia, niż sezonowym ekstremom temperaturowym, na których opiera się wiele konwencjonalnych systemów HVAC wykorzystujących powietrze” – mówi John Rhyner, starszy kierownik projektu w P.W. Grosser Consulting w Bohemia, N.Y., firmie inżynieryjnej, która specjalizuje się w geotermii i jest obecnie autorem książki z wytycznymi dotyczącymi tej technologii dla Departamentu Projektowania i Budownictwa Miasta Nowy Jork. Rhyner mówi: „Potrzeba mniej energii, aby wyrównać tę mniejszą różnicę temperatur”.
Choć teoria i technologia stojąca za GHP są proste, wdrożenie systemu GHP może być bardziej złożoną sprawą. Istnieje kilka różnych typów systemów GHP, a wybór najlepszego z nich dla konkretnego projektu może wymagać sporej ilości badań i dopasowania. To nie jest podejście typu „cookie-cutter”, mówi Rhyner. „Pewien poziom wstępnej analizy wykonalności jest potrzebny, aby wybrać odpowiedni system dla danego miejsca. W przypadku średnich i dużych systemów komercyjnych, należyta staranność i analiza wykonalności są krytyczne, ale nie powinny nadszarpnąć budżetu.”
„Celem”, dodaje Rhyner, „jest uzyskanie wszystkich na tej samej stronie na początku i zapewnienie jasnego kierunku podejścia. Typ systemu, który jest najbardziej odpowiedni, różni się pod względem geograficznym, wszystko zależy od warunków geologicznych, sposobu połączenia budynku z gruntem oraz odpowiedniej metody wiercenia.”
Trzy najbardziej powszechne typy systemów GHP to systemy z zamkniętym obiegiem, systemy z otwartym obiegiem oraz systemy ze stojącą kolumną. Systemy z zamkniętą pętlą cyrkulują wodę poprzez szczelną sieć rur zakopanych pod ziemią. Woda w rurach przenosi ciepło z ziemi do budynku w zimie i odwrotnie w lecie za pomocą wymiennika ciepła. Ponieważ woda płynie w obiegu zamkniętym, nie wymienia całej swojej temperatury; może się rozgrzać do 80-90 stopni F latem i do 40-30 stopni F zimą. Z tego powodu, woda jest zwykle połączona z 30-procentową mieszanką spożywczej klasy antifreeze (na przykład, glikol propylenowy), aby utrzymać płyn z żelowania w miesiącach zimowych.
Systemy zamkniętej pętli mogą być ułożone albo poziomo w polach, zakopane tuż poniżej linii mrozu, lub pionowo w studniach, znudzony zazwyczaj 200 do 500 stóp głębokości. Systemy poziome są zazwyczaj stosowane w mniejszych projektach lub projektach mieszkaniowych. Są one tańsze w instalacji, ale są pod wpływem temperatury powietrza na zewnątrz, co oznacza, że mogą stać się mniej wydajne w miarę postępu sezonu i jak gleba nabiera cech temperatury powietrza.
Pionowo wiercone systemy zamknięte pętli są bardziej wydajne niż systemy poziome, jak więcej rury jest w kontakcie ze stabilnymi, chłodnych materiałów ziemnych. Są one najbardziej wydajne, jeśli mogą być wiercone w wodzie gruntowej, a nie w suchym gruncie, ponieważ woda jest dobrym przewodnikiem ciepła. Systemy z zamkniętym obiegiem wymagają zazwyczaj dużej ilości ziemi. „W przypadku systemu z zamkniętą pętlą wszystko zależy od tego, ile rur można umieścić w ziemi na otwartym terenie, który jest dostępny do pracy” – mówi Rhyner. „Dostajesz pewną liczbę ton na metr kwadratowy i możesz uzyskać więcej rur w ziemi, idąc pionowo niż poziomo.”
Systemy otwartej pętli czerpią rzeczywistą wodę gruntową ze studni, przesuwają ją przez wymiennik ciepła, a następnie zwracają wodę do oddzielnych studni, gdzie jest dozwolone przesiąkać z powrotem do warstwy wodonośnej. Studnie zasilające i powrotne (te ostatnie znane są również jako „studnie iniekcyjne”) muszą być umieszczone wystarczająco daleko od siebie, aby zapewnić, że woda zmieniona termicznie (tj. woda, która jest ogrzewana lub chłodzona) nie zostanie zassana z powrotem do systemu przez studnie zasilające, dopóki nie odzyska temperatury gruntu. Liczba potrzebnych studni iniekcyjnych zależy całkowicie od szybkości przepływu generowanego przez studnie zasilające.
Systemy otwartej pętli są generalnie bardziej wydajne niż systemy zamkniętej pętli, ponieważ są lepiej sprzężone z temperaturami gruntu, bez wymiany ciepła przez plastikową rurę zamkniętej pętli lub zaczyn używany do uszczelnienia otworu. Jednak systemy te wiążą się z pewnymi wyzwaniami, przede wszystkim z chemią wody, która może powodować korozję urządzeń pomp ciepła lub z czasem może zanieczyszczać system, co wymaga dodatkowego czyszczenia. Jeśli wody gruntowe zawierają wysoki poziom soli, minerałów lub żelaza, systemy z obiegiem zamkniętym są ogólnie preferowane.
Stojące studnie kolumnowe są wyspecjalizowanym rodzajem systemu z obiegiem otwartym, który jest dobrze dostosowany do miejsc, gdzie skała macierzysta nie jest zbyt głęboko pod powierzchnią. Studnie z kolumną stojącą są wiercone na głębokości od 1 500 do 2 000 stóp. W płytkiej części odwiertu przechodzącej przez strefę glebową instaluje się stalową obudowę, natomiast na pozostałej głębokości wykonuje się odwiert i pozostawia jako otwarty otwór skalny. W tych systemach, woda gruntowa jest pompowana z dna studni, przepuszczana przez pompę ciepła lub wymiennik ciepła, a następnie powraca do góry studni, gdzie filtruje powoli w dół, wymieniając ciepło z otaczającą skałą macierzystą.
Według Rhynera, „stojące studnie kolumnowe zapewniają największą pojemność cieplną na instalację, dlatego są popularne w miastach, takich jak Nowy Jork, z ograniczoną nieruchomością do wiercenia.” Tam, gdzie skała macierzysta jest głębsza niż 100 do 125 stóp, instalacja tych studni może okazać się zbyt kosztowna, ze względu na ilość stalowej obudowy, która będzie potrzebna do uszczelnienia strefy glebowej.
Wybór, który z tych systemów jest odpowiedni dla konkretnego projektu wymaga obliczenia zapotrzebowania budynku na ogrzewanie i chłodzenie oraz przeprowadzenia analizy podpowierzchniowej w celu określenia pojemności cieplnej miejsca oraz tego, ile studni lub jak duże pole pętli będzie potrzebne. Jeśli obliczenia są wykonane prawidłowo, a system jest właściwie zaprojektowany, GHP mogą obsługiwać wszystkie obciążenia grzewcze i chłodnicze budynku, bez względu na panujące warunki klimatyczne.
„Pompy ciepła działają wszędzie na świecie” – mówi Kelly. „Z pewnością dobrze sprawdzają się w całej Ameryce Północnej. Są szeroko stosowane w Kanadzie i podobnie w Meksyku.” Gdy są zaprojektowane i zainstalowane prawidłowo, GHP drastycznie zmniejszają ilość energii potrzebnej do ogrzewania i chłodzenia budynku. Według Amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska, GHP są o 48% bardziej wydajne niż najlepszy piec gazowy i o 75% bardziej wydajne niż najlepszy piec olejowy. Wymagają one od 25 do 50 procent mniej energii niż inne systemy HVAC i obniżają koszty eksploatacji i konserwacji nawet o 40 procent.
Głównym czynnikiem hamującym rozpowszechnienie GHP na szeroką skalę jest stosunkowo wysoki koszt wstępny instalacji, z którego większość idzie na wiercenia związane z budową studni i pętli, a także projekt i analizy potrzebne do dostosowania systemu do budynku. Sam sprzęt mechaniczny – pompy ciepła i wymienniki ciepła – nie jest droższy niż konwencjonalne systemy ogrzewania i chłodzenia. Roczne oszczędności na rachunkach za energię rekompensują jednak koszty początkowe. Okresy zwrotu inwestycji dla komercyjnych systemów GHP są zazwyczaj obliczane w zakresie od 10 do 20 lat, ale często mogą być krótsze, na przykład, jeśli system zastępuje starzejący się, nieefektywny system HVAC. Systemy GHP mogą być konkurencyjne cenowo w stosunku do wielu systemów konwencjonalnych w nowym budownictwie. W rezultacie, systemy GHP są popularne wśród klientów komunalnych i instytucjonalnych, właścicieli budynków, którzy planują zamieszkiwać i eksploatować swoje obiekty przez długi czas, oraz tych, którzy są po prostu bardziej zainteresowani ochroną środowiska niż zyskiem końcowym.
Miasto Chicago jest obecnie w trakcie budowy pięciu nowych filii bibliotek, które zawierają szereg zrównoważonych cech projektowych. Biblioteki te, zaprojektowane przez Lohan Anderson, wykorzystują systemy GHP. Wśród nich jest biblioteka Richard M. Daley Branch Library, obiekt o powierzchni 16 300 stóp kwadratowych, który ma uzyskać certyfikat LEED Silver. Filia jest obsługiwana przez 24 zamknięte odwierty geotermalne wykonane na głębokości 395 stóp pod parkingiem. Będą one dostarczać gorącą lub schłodzoną wodę do centrali wentylacyjnej, a także do podłogowego systemu promiennikowego. Chociaż wydajność cieplna systemu GHP jest wystarczająca, aby zaspokoić wszystkie potrzeby biblioteki w zakresie ogrzewania i chłodzenia, klient zażyczył sobie również rezerwowego kotła.
„Miasto nie ma zbyt dużego doświadczenia w zakresie tych systemów, więc nie czuło się komfortowo, polegając wyłącznie na geotermii” – wyjaśnia Stephen Novak, inżynier projektu w chicagowskiej firmie Henneman Engineering, która zaprojektowała system GHP dla biblioteki. „Po pewnym czasie, kiedy pojawi się więcej dokumentacji i okaże się, że te systemy działają, kotły mogą zostać wyeliminowane z prototypu biblioteki miejskiej”. Novak uważa, że jednym ze sposobów, w jaki technologia ta może stać się bardziej powszechna w przyszłości, jest budowa dużych okręgowych pól geotermalnych, z których inwestorzy mogliby korzystać w sposób podobny do zakładów użyteczności publicznej. Na przykład Boise w stanie Idaho posiada system geotermalny, który ogrzewa budynki w centrum miasta. Jednak system ten opiera się na geologicznych gorących źródłach, naturalnych zasobach niedostępnych dla większości miast.
Ball State University w Muncie, Ind. z drugiej strony, pracuje obecnie nad systemem GHP o podobnej skali. Po ukończeniu będzie to największy w kraju system GHP pracujący w obiegu zamkniętym. W ramach projektu cztery starzejące się kotły węglowe zostaną zastąpione 3600 odwiertami w polach zlokalizowanych na terenie 660-hektarowego kampusu. Pola te zapewnią ogrzewanie i chłodzenie dla ponad 45 budynków, zmniejszając emisję dwutlenku węgla na uniwersytecie mniej więcej o połowę i oszczędzając 2 miliony dolarów rocznie na kosztach operacyjnych. Cały system będzie działał poprzez dwie stacje energetyczne, gdzie ciepło pobrane z ziemi lub zwrócone do ziemi będzie wymieniane za pomocą pomp ciepła podłączonych do dwóch oddzielnych pętli biegnących przez kampus. Jedna pętla będzie transportować zimną wodę o stałej temperaturze 42 stopni; druga będzie transportować gorącą wodę o stałej temperaturze 150 stopni. Pętle te będą biegły przez wymienniki ciepła w każdym budynku, gdzie wentylatory dostarczą pożądaną temperaturę do mieszkańców.
Pomimo, że systemy GHP stanowią oczywistą zachętę dla środowiska, oferują one również architektom możliwość uwolnienia się od ciężaru ukrywania nieestetycznego sprzętu mechanicznego, ponieważ większość komponentów systemów znajduje się pod ziemią, poza zasięgiem wzroku. Może to być szczególnie pożądane w przypadku modernizacji zabytkowych konstrukcji.
Jednym z takich projektów jest projekt biura Helpern Architects dotyczący renowacji Knox Hall na Uniwersytecie Columbia. Ukończony w 1909 roku, Knox Hall to siedmiopiętrowy neogotycki budynek o powierzchni 50,000 stóp kwadratowych, z dwuspadowymi miedzianymi dachami. „Nie jest to obiekt zabytkowy, ale traktowaliśmy go tak, jakby nim był, ponieważ jest zajmowany przez Uniwersytet Columbia na terenie kampusu Union Theological Seminary” – mówi Margaret Castillo, AIA, dyrektor w firmie Helpern. „Przeanalizowaliśmy pięć różnych systemów HVAC, w tym geotermalny. W końcu, chociaż względy architektoniczne były czynnikiem – nie byłoby łatwo umieścić agregaty chłodnicze na dachu – geotermia okazała się najbardziej efektywna kosztowo na poziomie operacyjnym.”
Knox Hall polega na czterech stojących studniach kolumnowych wywierconych na głębokość 1800 stóp dla wszystkich swoich potrzeb grzewczych i chłodniczych. System ten pomógł projektowi zdobyć złoty medal LEED. Chociaż początkowe koszty były stosunkowo wysokie, Columbia szacuje, że zwrot kosztów wyniesie około sześciu do siedmiu lat. „Są bardzo zadowoleni, że ten projekt zmniejsza zużycie energii i emisję gazów cieplarnianych” – mówi Castillo.