I kriget för att minska vår energiförbrukning har en frontlinje dragits upp inom området för temperaturkontroll. Det amerikanska energidepartementet uppskattar att ungefär 40 procent av landets totala energiförbrukning går till uppvärmning och kylning av våra hem, kontor och institutioner. Oavsett om de utnyttjar elnätet för att slå värmen på sommaren eller om de förbränner fossila bränslen på plats för att bekämpa vinterns kyla, får byggnader på det hela taget SUV:er att se miljövänliga ut.
Och även om betydande framsteg har gjorts för att förändra denna bild genom att utforma effektivare mekaniska system, öka den termiska prestandan och utveckla produktion av förnybar energi på plats – alla viktiga och beundransvärda framsteg – så kanske den mest lovande resursen som arkitekturen har tillgång till kan hittas i själva den mark som byggnaderna står på, i form av geotermiska system.
Det första som alla experter på tekniken kommer att säga är att geotermiska system för byggnader, även kallade geotermiska värmepumpar eller jordvärmepumpar (GHP), inte är samma sak som geotermiska kraftverk. Geotermiska kraftverk – i branschen kända som hot rock geotermiska – är stora anläggningar som (i det här landet) främst byggs runt Rocky Mountains och Sierra Nevada, där extremt höga temperaturer från jordens mantel kan hittas relativt nära ytan. De utnyttjar dessa värmereserver och använder dem för att producera ånga, som sedan driver en turbin och producerar elektricitet.
GVP:er å andra sidan använder den värmeenergi som finns lagrad i den övre delen av jordskorpan för att värma eller kyla en byggnad, och ersätter på så sätt konventionella pannor och luftkonditioneringssystem. ”Jordens temperatur på 20 eller 30 fot är relativt konstant året runt, någonstans mellan 50 och 60 grader” F, säger John Kelly, COO för Geothermal Exchange Organization, en ideell handelsorganisation i Washington, D.C., som arbetar för att tekniken skall införas i större utsträckning. ”En geotermisk värmepump flyttar värme till och från jorden genom att cirkulera vatten genom en brunn.”
”Till exempel”, säger Kelly, ”låt oss säga att temperaturen under jorden i Kansas City är 55 grader. På sommaren är lufttemperaturen 100 grader och på vintern 20 grader, men under jorden är den fortfarande 55 grader. Det är inte så svårt att få ut den konstanta temperaturen ur marken så att man kan värma på vintern och kyla på sommaren.”
Med andra ord flyttar en GHP på vintern värmeenergin från underjorden in i byggnaden, och på sommaren vänder den processen och flyttar värmen i byggnaden ner i marken. Dessa system innehåller en rörslinga som är nedgrävd i marken och genom vilken vatten cirkulerar, och värmepumpen tar bort temperaturen från vattnet och distribuerar den genom byggnaden, ungefär på samma sätt som central luftkonditionering fungerar. Alternativt cirkulerar grundvattnet direkt genom en rad brunnar.
Hursomhelst är värmepumpar betydligt billigare i drift än konventionella uppvärmnings- och kylsystem. ”Kostnadsbesparingarna beror på att marken erbjuder starttemperaturer som ligger närmare det som önskas för uppvärmning och kylning än de extrema säsongstemperaturer som många konventionella HVAC-system med luftkällor är beroende av”, säger John Rhyner, senior projektledare vid P.W. Grosser Consulting i Bohemia, New York, ett civilingenjörsföretag som specialiserat sig på geotermisk uppvärmning och som för närvarande håller på att skriva en bok med riktlinjer för tekniken för New York Citys departement för design och byggande. ”Det krävs mindre energi för att kompensera den mindre temperaturskillnaden”, säger Rhyner.
Medan teorin och tekniken bakom GHP är enkel, kan genomförandet av ett GHP-system vara en mer komplicerad fråga. Det finns flera olika typer av GHP-system, och att välja det bästa för ett specifikt projekt kan kräva en hel del studier och anpassning. ”Det är inte ett enkelt tillvägagångssätt”, säger Rhyner. ”Det krävs en viss nivå av genomförbarhetsanalys i förväg för att välja rätt system för en viss plats. För ett medelstort till stort kommersiellt system är noggrannhet och genomförbarhetsanalyser av avgörande betydelse, men de bör inte överskrida budgeten.”
”Målet”, tillägger Rhyner, ”är att få alla på samma sida från början och ge en tydlig inriktning på tillvägagångssättet. Vilken typ av system som är lämpligast varierar geografiskt, allt beroende på de geologiska förhållandena, hur byggnaden kopplas till marken och vilken borrmetod som är lämplig.”
De tre vanligaste typerna av GHP-system är slutna kretsar, öppna kretsar och stående kolonnbrunnar. System med sluten krets cirkulerar vatten genom ett förseglat nätverk av rör som är nedgrävda under jorden. Vattnet i rören överför värme från jorden till byggnaden på vintern och vice versa på sommaren genom en värmeväxlare. Eftersom vattnet flyter i en sluten slinga utbyter det inte hela sin temperatur; det kan bli så varmt som 80-90 grader F på sommaren och så kallt som 40-30 grader F på vintern. Därför kombineras vattnet vanligtvis med en 30-procentig blandning av frostskyddsmedel av livsmedelskvalitet (t.ex. propylenglykol) för att förhindra att vätskan gelerar under vintermånaderna.
System med slutna kretslopp kan anläggas antingen horisontellt på fält, nedgrävda strax under frostgränsen, eller vertikalt i brunnar, som vanligen borras 200 till 500 fot djupa. Horisontella system används i allmänhet för mindre projekt eller bostadsprojekt. De är billigare att installera, men påverkas av lufttemperaturen utomhus, vilket innebär att de kan bli mindre effektiva när säsongen fortskrider och jorden antar lufttemperaturens egenskaper.
Vertikalt borrade slutna kretsloppssystem är effektivare än horisontella system, eftersom en större del av röret är i kontakt med de stabila, svala jordmaterialen. De är effektivast om de kan borras i grundvatten i stället för i torr mark, eftersom vatten är en god värmeledare. System med slutna kretslopp kräver vanligtvis stora mängder mark. ”För ett system med slutna kretslopp är allt en funktion av hur mycket rör man kan få ner i marken med den öppna markyta man har att arbeta med”, säger Rhyner. ”Man får ett visst antal ton per löpmeter och kan få in mer rör i marken vertikalt än horisontellt.”
Oppna kretsloppssystem tar upp grundvattnet från en brunn, förflyttar det genom en värmeväxlare och skickar sedan tillbaka vattnet till separata brunnar, där det tillåts perkolera tillbaka till grundvattnet. Tillförsels- och returbrunnarna (de senare kallas också ”injektionsbrunnar”) måste placeras tillräckligt långt ifrån varandra för att säkerställa att det termiskt förändrade vattnet (dvs. det vatten som värms eller kyls) inte sugs tillbaka in i systemet genom tillförselsbrunnarna tills det återfår marktemperaturen. Antalet injektionsbrunnar som behövs beror helt och hållet på den flödeshastighet som genereras från matningsbrunnarna.
Öppna kretsloppssystem är i allmänhet effektivare än slutna kretsloppssystem eftersom de är bättre kopplade till marktemperaturen, utan att någon värmeöverföring sker över det slutna plaströret eller den injekteringsmassa som används för att försegla borrhålet. Dessa system innebär dock utmaningar, framför allt när det gäller vattenkemin, som kan korrodera värmepumpsutrustningen eller med tiden förorena systemet, vilket kräver extra rengöring. Om grundvattnet innehåller höga halter av salt, mineraler eller järn är slutna system i allmänhet att föredra.
Stående kolonnbrunnar är en specialiserad typ av öppna system som lämpar sig väl där berggrunden inte ligger alltför djupt under ytan. Stående kolonnbrunnar borras till ett djup av 1 500 till 2 000 fot. Den grunda delen av brunnen genom jordzonen har ett stålhölje installerat, medan det återstående djupet borras och lämnas som ett öppet bergborrhål. I dessa system pumpas grundvattnet upp från brunnens botten, leds genom en värmepump eller värmeväxlare och återförs sedan till brunnens topp, där det filtreras långsamt nedåt och utbyter värme med den omgivande berggrunden.
Enligt Rhyner ”ger stående kolonnbrunnar den största värmekapaciteten per installation, vilket gör dem populära på urbana platser som New York City med begränsad mark att borra på”. Där berggrunden är djupare än 100 till 125 fot kan det bli för dyrt att installera dessa brunnar, på grund av den mängd stålhölje som skulle behövas för att försegla jordzonen.
För att välja vilket av dessa system som är rätt för ett specifikt projekt krävs att man beräknar en byggnads behov av uppvärmning och nedkylning och att man gör en analys av undergrunden för att fastställa platsens termiska kapacitet, och hur många brunnar eller hur stort slingfält som kommer att behövas. Om beräkningarna görs korrekt och systemet utformas på rätt sätt kan värmepumparna hantera alla byggnadens värme- och kylbehov, oavsett vilka klimatförhållanden som råder.
”Värmepumpar fungerar överallt i världen”, säger Kelly. ”De fungerar verkligen bra i hela Nordamerika. De används i stor utsträckning i Kanada och likaså i Mexiko.” När GHP:er utformas och installeras på rätt sätt minskar de drastiskt den energimängd som behövs för att värma och kyla en byggnad. Enligt U.S. Environmental Protection Agency är GHP:er 48 procent effektivare än den bästa gasugnen och 75 procent effektivare än den bästa oljeugnen. De kräver 25-50 procent mindre energi än andra VVS-system och sänker drifts- och underhållskostnaderna med så mycket som 40 procent.
Den största hindren för att växthusgasaggregat ska kunna användas i stor skala i dag är den relativt höga initialkostnaden för installation, som till största delen går till borrning för att anlägga brunnar och slingfält samt till den utformning och analys som krävs för att skräddarsy ett system för en byggnad. Själva den mekaniska utrustningen – värmepumparna och värmeväxlarna – är inte dyrare än konventionella värme- och kylsystem. De årliga besparingarna på energiräkningarna kompenserar dock för den initiala kostnaden. Återbetalningstiden för kommersiella GHP-system beräknas i allmänhet till 10-20 år, men kan ofta vara kortare, till exempel om systemet ersätter ett åldrande, ineffektivt VVS-system. GHP-system kan vara kostnadsmässigt konkurrenskraftiga jämfört med många konventionella system vid nybyggnation. Därför har GHP-system främst varit populära bland kommunala och institutionella kunder, byggnadsägare som planerar att bebo och driva sina anläggningar på lång sikt och de som helt enkelt är mer intresserade av miljövård än av slutresultatet.
Staden Chicago håller för närvarande på att bygga fem nya biblioteksfilialer som innehåller ett antal hållbara konstruktionsdetaljer. Biblioteken har utformats av Lohan Anderson och bygger på GHP-system. Bland dem finns Richard M. Daley Branch Library, en 16 300 kvadratmeter stor anläggning som ska få LEED Silver-certifiering. Filialen försörjs av 24 geotermiska brunnar med slutna kretslopp som borrats 395 meter under parkeringsplatsen. Dessa ger varmt eller kallt vatten till ett luftbehandlingsaggregat och även till ett strålningssystem under golvet. Även om GHP-systemets termiska kapacitet är tillräcklig för att tillgodose alla bibliotekets behov av värme och kyla, begärde kunden också en reservpanna.
”Staden har inte mycket erfarenhet av dessa system, så de kände sig inte bekväma med att enbart förlita sig på geotermisk värme”, förklarar Stephen Novak, projektingenjör vid Henneman Engineering i Chicago, som har konstruerat bibliotekets GHP-system. ”Efter en viss tid, när det finns mer dokumentation och de ser att dessa system fungerar, kan pannorna kanske tas bort från stadens prototyp för filialbibliotek.”
GHP:er behöver inte nödvändigtvis vara skräddarsydda för enskilda projekt. Novak ser byggandet av stora geotermiska distriktsfält som investerare skulle kunna utnyttja på samma sätt som ett allmännyttigt företag som ett sätt att tekniken skulle kunna bli mer utbredd i framtiden. Boise i Idaho har till exempel ett geotermiskt fjärrvärmesystem som värmer byggnader i centrum. Men systemet är beroende av geologiska varma källor, en naturresurs som de flesta städer inte har tillgång till.
Ball State University i Muncie, Ind., arbetar å andra sidan för närvarande på ett GHP-system i liknande skala. När det är färdigt kommer det att vara det största GHP-systemet med slutna kretslopp i landet. Projektet kommer att ersätta fyra åldrande koleldade pannor med 3 600 borrhål i fält som ligger över hela det 660 hektar stora campuset. Fälten kommer att ge värme och kyla till mer än 45 byggnader, vilket kommer att halvera universitetets koldioxidavtryck och spara 2 miljoner dollar per år i driftskostnader. Hela systemet kommer att gå via två energistationer, där värme som dras från marken eller återförs till marken kommer att utbytas med hjälp av värmepumpar som är anslutna till två olika slingor som löper genom campus. Den ena slingan kommer att transportera kallt vatten med en konstant temperatur på 42 grader och den andra kommer att transportera varmt vatten med en konstant temperatur på 150 grader. Dessa kretsar kommer att gå genom värmeväxlare i varje byggnad, där fläktar kommer att leverera den önskade temperaturen till de boende.
Som GHP-system har uppenbara miljöincitament ger de också arkitekter en möjlighet att befria sig från bördan av att dölja fula mekaniska utrustningar, eftersom de flesta komponenterna i systemen ligger under jord, väl utom synhåll. Detta kan vara särskilt välkommet när man moderniserar historiska byggnader.
Ett sådant projekt är Helpern Architects design för restaureringen av Knox Hall vid Columbia University. Knox Hall, som färdigställdes 1909, är en sju våningar stor nygotisk stenbyggnad på 50 000 kvadratmeter med sadeltak av koppar. ”Det är inte ett landmärke, men vi behandlade den som om den vore det eftersom den används av Columbia University på Union Theological Seminary campus”, säger Margaret Castillo, AIA, en av huvudmännen på Helpern. ”Vi studerade fem olika HVAC-system, inklusive jordvärme. Även om de arkitektoniska aspekterna var en faktor – det hade inte varit lätt att placera kylmaskiner på taket – visade sig jordvärme vara det mest kostnadseffektiva på driftsnivå.”
Knox Hall förlitar sig på fyra stående kolonnbrunnar som borrats på 1 800 meters djup för att tillgodose alla behov av uppvärmning och nedkylning. Systemet bidrog till att projektet fick LEED-guld. Även om den initiala kostnaden var relativt hög uppskattar Columbia att återbetalningen kommer att vara ungefär sex eller sju år. ”De är mycket nöjda med att projektet minskar energianvändningen och utsläppen av växthusgaser”, säger Castillo.