În războiul pentru reducerea consumului de energie, s-a trasat o linie de front în domeniul controlului temperaturii. Departamentul de Energie al SUA estimează că aproximativ 40 la sută din consumul total de energie al națiunii este alocat încălzirii și răcirii locuințelor, birourilor și instituțiilor noastre. Fie că apelează la rețeaua electrică pentru a învinge căldura în timpul verii, fie că ard combustibili fosili la fața locului pentru a combate frigul iernii, clădirile, în general, fac ca SUV-urile să pară ecologice.
În timp ce s-au făcut pași importanți pentru a schimba această imagine prin proiectarea unor sisteme mecanice mai eficiente, prin creșterea performanțelor termice și prin dezvoltarea generării de energie regenerabilă la fața locului – toate acestea fiind progrese importante și admirabile – poate că cea mai promițătoare resursă disponibilă pentru arhitectură poate fi găsită chiar în interiorul terasei pe care se află structurile, sub forma sistemelor geotermale.
Primul lucru pe care vi-l va spune orice expert în această tehnologie este că sistemele geotermale pentru clădiri, cunoscute și sub numele de pompe de căldură geotermale sau pompe de căldură din sol (GHP), nu sunt același lucru cu centralele electrice geotermale. Centralele geotermale – cunoscute în industrie sub denumirea de geotermie din roci fierbinți – sunt instalații mari construite (în această țară) mai ales în jurul Munților Stâncoși și a lanțului Sierra Nevada, unde temperaturile extrem de ridicate din mantaua Pământului pot fi găsite relativ aproape de suprafață. Ele exploatează aceste rezerve de căldură și le folosesc pentru a produce abur, care apoi acționează o turbină, producând astfel energie electrică.
PHE, pe de altă parte, utilizează energia termică stocată în partea superioară a scoarței terestre pentru a încălzi sau răci o clădire, înlocuind cazanele convenționale și sistemele de aer condiționat. „Temperatura Pământului la o adâncime de 20 sau 30 de picioare este un număr relativ constant pe tot parcursul anului, undeva între 50 și 60 de grade” F, spune John Kelly, directorul de operațiuni al Geothermal Exchange Organization, o organizație comercială non-profit din Washington, D.C., care face lobby pentru o adoptare mai largă a acestei tehnologii. „O pompă de căldură geotermală deplasează căldura către și dinspre Pământ prin circulația apei printr-un puț.”
„De exemplu”, oferă Kelly, „să spunem că în Kansas City, temperatura subterană este de 55 de grade. Vara, temperatura aerului este de 100 de grade, iar iarna este de 20 de grade, dar în subteran este tot 55 de grade. Nu este atât de greu să scoți această temperatură constantă din pământ, astfel încât să poți încălzi iarna și răcori vara.”
Cu alte cuvinte, iarna, un GHP mută energia termică de sub pământ în interiorul unei clădiri, iar vara inversează acest proces, mutând căldura dintr-o clădire în jos, în pământ. Aceste sisteme încorporează o buclă de conducte îngropată în pământ prin care circulă apa, iar pompa de căldură elimină temperatura din apă și o distribuie prin clădire, în același mod în care funcționează aerul condiționat centralizat. Alternativ, apa subterană este circulată direct printr-o serie de puțuri.
În ambele cazuri, BHE sunt semnificativ mai ieftine de exploatat decât sistemele convenționale de încălzire și răcire. „Economiile de costuri apar deoarece solul oferă temperaturi de pornire mai apropiate de ceea ce se dorește pentru încălzire și răcire decât temperaturile sezoniere extreme pe care se bazează multe sisteme HVAC convenționale cu sursă de aer”, spune John Rhyner, manager senior de proiect la P.W. Grosser Consulting din Bohemia, N.Y., o firmă de inginerie civilă specializată în geotermie și care în prezent este autoarea unei cărți de îndrumări privind această tehnologie pentru Departamentul de Proiectare și Construcții al orașului New York. „Este nevoie de mai puțină energie pentru a compensa acea diferență mai mică de temperatură”, spune Rhyner.
În timp ce teoria și tehnologia din spatele GHP sunt simple, implementarea unui sistem GHP poate fi o chestiune mai complexă. Există mai multe tipuri diferite de sisteme GHP, iar alegerea celui mai bun pentru un proiect specific poate necesita o bună parte de studiu și adaptare. „Nu este o abordare de tip cookie-cutter”, spune Rhyner. „Este nevoie de un anumit nivel de analiză de fezabilitate inițială pentru a alege sistemul potrivit pentru un anumit amplasament. Pentru un sistem comercial de dimensiuni medii spre mari, diligența necesară și analiza de fezabilitate sunt esențiale și nu ar trebui să distrugă bugetul.”
„Obiectivul”, adaugă Rhyner, „este de a-i pune pe toți pe aceeași lungime de undă de la început și de a oferi o direcție clară privind abordarea. Tipul de sistem care este cel mai potrivit variază din punct de vedere geografic, totul depinzând de condițiile geologice, de modul în care clădirea este cuplată la sol și de metoda de forare adecvată.”
Cele mai comune trei tipuri de sisteme GHP sunt cele cu buclă închisă, cele cu buclă deschisă și puțul cu coloană verticală. Sistemele cu buclă închisă fac să circule apa printr-o rețea etanșă de țevi îngropate sub pământ. Apa din interiorul țevilor transferă căldura din pământ către clădire în timpul iernii și viceversa în timpul verii, prin intermediul unui schimbător de căldură. Deoarece apa circulă într-o buclă închisă, nu-și schimbă toată temperatura; aceasta poate ajunge să se încălzească până la 80 – 90 grade F vara și să se răcească până la 40 – 30 grade F iarna. Din acest motiv, apa este de obicei combinată cu un amestec de 30 la sută de antigel de calitate alimentară (de exemplu, propilenglicol) pentru ca fluidul să nu se gelifice în timpul lunilor de iarnă.
Sistemele cu buclă închisă pot fi amplasate fie pe orizontală în câmpuri, îngropate chiar sub linia de îngheț, fie pe verticală în puțuri, forate de obicei la o adâncime de 200 până la 500 de picioare. Sistemele orizontale sunt utilizate în general pentru proiecte mai mici sau rezidențiale. Ele sunt mai ieftine de instalat, dar sunt afectate de temperaturile aerului exterior, ceea ce înseamnă că pot deveni mai puțin eficiente pe măsură ce sezonul avansează și pe măsură ce solul capătă caracteristicile temperaturii aerului.
Sistemele cu circuit închis forate vertical sunt mai eficiente decât cele orizontale, deoarece o mai mare parte a conductei este în contact cu materialele stabile și reci ale pământului. Ele sunt mai eficiente dacă pot fi forate mai degrabă în apă subterană decât în sol uscat, deoarece apa este un bun conductor de căldură. Sistemele cu circuit închis necesită, de obicei, suprafețe mari de teren. „Pentru un sistem cu buclă închisă, totul depinde de cantitatea de țeavă pe care o puteți introduce în pământ cu suprafața de teren deschis pe care o aveți la dispoziție pentru a lucra”, spune Rhyner. „Obții un anumit număr de tone pe metru liniar , și poți obține mai multă țeavă în pământ mergând pe verticală decât pe orizontală.”
Sistemele cu buclă deschisă extrag apa subterană reală dintr-un puț, o trec printr-un schimbător de căldură și apoi returnează apa în puțuri separate, unde i se permite să percoleze înapoi în acvifer. Puțurile de alimentare și de retur (acestea din urmă sunt, de asemenea, cunoscute sub numele de „puțuri de injecție”) trebuie să fie plasate la o distanță suficient de mare pentru a se asigura că apa modificată termic, (adică apa care este încălzită sau răcită) nu este aspirată înapoi în sistem prin puțurile de alimentare până când își recapătă temperatura solului. Numărul de puțuri de injecție necesare depinde în întregime de debitul generat de puțurile de alimentare.
Sistemele cu circuit deschis sunt, în general, mai eficiente decât cele cu circuit închis, deoarece sunt mai bine cuplate cu temperaturile solului, neavând loc niciun transfer de căldură prin țeava de plastic cu circuit închis sau prin chitul folosit pentru a etanșa gaura de foraj. Cu toate acestea, aceste sisteme prezintă provocări, mai ales din punct de vedere al chimiei apei, care poate coroda echipamentul pompei de căldură sau poate murdări sistemul în timp, necesitând o curățare suplimentară. În cazul în care apa subterană conține niveluri ridicate de sare, minerale sau fier, sistemele cu circuit închis sunt, în general, preferabile.
Podurile cu coloană staționară sunt un tip specializat de sistem cu circuit deschis care se potrivește bine în cazul în care roca de bază nu este prea adâncă la suprafață. Puțurile cu coloană staționară sunt forate la adâncimi cuprinse între 1.500 și 2.000 de picioare. Pe porțiunea de mică adâncime a puțului care traversează zona de sol este instalată o carcasă de oțel, în timp ce restul adâncimii este forată și lăsată ca o gaură de sondă deschisă în rocă. În aceste sisteme, apa subterană este pompată în sus de la fundul puțului, trece printr-o pompă de căldură sau un schimbător de căldură și apoi se întoarce în partea superioară a puțului, unde se filtrează încet în jos, făcând schimb de căldură cu roca de bază din jur.
După Rhyner, „Puțurile cu coloană în picioare oferă cea mai mare capacitate termică pe instalație, astfel că sunt populare în localitățile urbane, cum ar fi New York City, cu proprietăți imobiliare limitate pentru a fora.” În cazul în care roca de bază este mai adâncă de 100 până la 125 de picioare, instalarea acestor puțuri poate deveni prea costisitoare, din cauza cantității de tubulatură de oțel de care ar fi nevoie pentru a sigila zona de sol.
Să alegeți care dintre aceste sisteme este potrivit pentru un proiect specific necesită calcularea cererii de încălzire și răcire a clădirii și efectuarea unei analize a subsolului pentru a determina capacitatea termică a site-ului și câte puțuri sau cât de mare va fi necesar un câmp de bucle. În cazul în care calculele sunt efectuate corect și sistemul este proiectat corespunzător, BHE-urile pot gestiona toate sarcinile de încălzire și răcire ale unei clădiri, indiferent de condițiile climatice predominante.
„Pompele de căldură funcționează oriunde în lume”, spune Kelly. „Cu siguranță funcționează bine în toată America de Nord. Ele sunt utilizate pe scară largă în Canada și, la fel, în Mexic”. Atunci când sunt proiectate și instalate corect, PHE-urile reduc drastic cantitatea de energie necesară pentru a încălzi și răci o clădire. Potrivit Agenției de Protecție a Mediului din SUA, BPE-urile sunt cu 48% mai eficiente decât cel mai bun cuptor cu gaz și cu 75% mai eficiente decât cel mai bun cuptor cu petrol. Ele necesită cu 25 până la 50 la sută mai puțină energie decât alte sisteme HVAC și reduc costurile de operare și întreținere cu până la 40 la sută.
Principalul inhibitor al adoptării pe scară largă a BHE-urilor în prezent este costul inițial relativ ridicat al instalării, cea mai mare parte a acestuia fiind alocat pentru forajul implicat în construcția puțurilor și a câmpurilor de bucle, precum și pentru proiectarea și analiza necesare pentru a adapta un sistem la o clădire. Echipamentul mecanic în sine – pompele de căldură și schimbătoarele de căldură – nu este mai scump decât sistemele convenționale de încălzire și răcire. Cu toate acestea, economiile anuale la facturile de energie compensează costurile inițiale. Perioadele de recuperare a investiției pentru sistemele comerciale GHP sunt în general calculate în intervalul 10-20 de ani, dar adesea pot fi mai scurte, de exemplu, dacă sistemul înlocuiește un sistem HVAC îmbătrânit și ineficient. Sistemele GHP pot fi competitive din punct de vedere al costurilor față de multe sisteme convenționale în cazul construcțiilor noi. Ca urmare, GHP-urile au fost populare în primul rând în rândul clienților municipali și instituționali, al proprietarilor de clădiri care plănuiesc să locuiască și să își exploateze instalațiile pe termen lung și al celor care sunt pur și simplu mai interesați de protecția mediului decât de profit.
Orașul Chicago se află în prezent în plin proces de construcție a cinci noi biblioteci secundare care încorporează o serie de caracteristici de proiectare durabilă. Proiectate de Lohan Anderson, bibliotecile se bazează pe sisteme GHP. Printre acestea se numără biblioteca Richard M. Daley Branch Library, o instalație de 16.300 de metri pătrați prevăzută pentru certificare LEED Silver. Filiala este deservită de 24 de puțuri geotermale cu circuit închis, forate la 395 de metri sub parcare. Acestea vor furniza apă caldă sau răcită unei unități de tratare a aerului și, de asemenea, unui sistem radiant sub pardoseală. În timp ce capacitatea termică a sistemului GHP este suficientă pentru a asigura toate nevoile de încălzire și răcire ale bibliotecii, clientul a solicitat și un cazan de rezervă.
„Nu există prea multă experiență din partea orașului în ceea ce privește aceste sisteme, așa că nu s-au simțit confortabil să se bazeze doar pe geotermie”, explică Stephen Novak, inginer de proiect la Henneman Engineering din Chicago, care a proiectat sistemul GHP al bibliotecii. „După o perioadă de timp, odată ce va exista mai multă documentație și vor vedea că aceste sisteme funcționează, este posibil ca boilerele să fie eliminate din prototipul bibliotecii filiale a orașului.”
GHP nu trebuie neapărat să fie proiectate la comandă pentru proiecte individuale. Novak vede construcția de câmpuri geotermice de district mari, pe care investitorii le-ar putea exploata la fel ca o companie de utilități, ca pe o modalitate prin care tehnologia ar putea deveni mai răspândită în viitor. Boise, Idaho, de exemplu, are un sistem geotermal districtual care încălzește clădirile din centrul orașului. Dar sistemul se bazează pe izvoarele termale geologice, o resursă naturală care nu este disponibilă pentru majoritatea orașelor.
Pe de altă parte, Universitatea Ball State din Muncie, Ind. lucrează în prezent la un sistem GHP de o scară similară. Când va fi finalizat, acesta va fi cel mai mare sistem GHP în buclă închisă din țară. Proiectul va înlocui patru cazane învechite alimentate cu cărbune cu 3.600 de foraje în câmpuri situate de-a lungul campusului de 660 de acri. Aceste câmpuri vor asigura încălzirea și răcirea a peste 45 de clădiri, reducând aproximativ la jumătate amprenta de carbon a universității și economisind 2 milioane de dolari pe an din costurile de funcționare. Întregul sistem va trece prin două stații energetice, unde căldura extrasă din sol sau returnată în sol va fi schimbată prin intermediul unor pompe de căldură conectate la două bucle distincte care traversează campusul. O buclă va transporta apă rece la o temperatură constantă de 42 de grade, iar cealaltă va transporta apă caldă la o temperatură constantă de 150 de grade. Aceste bucle vor trece prin schimbătoarele de căldură din fiecare clădire, unde ventilatoarele vor furniza ocupanților temperatura dorită.
În timp ce sistemele GHP prezintă stimulente evidente pentru mediu, ele oferă arhitecților și o oportunitate de a se elibera de povara ascunderii echipamentelor mecanice inestetice, deoarece majoritatea componentelor sistemelor sunt subterane, bine ferite de vedere. Acest lucru poate fi deosebit de binevenit în special în cazul modernizării structurilor istorice.
Un astfel de proiect este cel al biroului Helpern Architects pentru restaurarea Knox Hall de la Universitatea Columbia. Finalizată în 1909, Knox Hall este o clădire neogotică din piatră de 50.000 de metri pătrați, cu șapte etaje, cu acoperișuri de cupru înclinate. „Nu este o structură emblematică, dar am tratat-o ca și cum ar fi fost, deoarece este ocupată de Universitatea Columbia în campusul Union Theological Seminary”, spune Margaret Castillo, AIA, director la Helpern. „Am studiat cinci sisteme HVAC diferite, inclusiv geotermal. În cele din urmă, deși preocupările arhitecturale au fost un factor – nu ar fi fost ușor să punem răcitoarele pe acoperiș – geotermia s-a dovedit a fi cea mai eficientă din punct de vedere al costurilor la nivel operațional.”
Knox Hall se bazează pe patru puțuri cu coloane în picioare forate la o adâncime de 1.800 de picioare pentru toate nevoile sale de încălzire și răcire. Sistemul a ajutat proiectul să obțină distincția LEED Gold. În timp ce costul inițial a fost relativ ridicat, Columbia estimează că amortizarea va fi de aproximativ șase sau șapte ani. „Ei sunt foarte mulțumiți că acest proiect reduce consumul de energie și emisiile de gaze cu efect de seră”, spune Castillo.