Термопомпи с въздух

През 2017 г. университетът в Индиана затвори последния от четирите въглищни котела, които са отоплявали кампуса му в продължение на десетилетия. Вместо тях, той проби около 3600 сондажа под земята и ги свърза чрез две енергийни станции към термопомпи, които отопляват и охлаждат кампуса. The system cost about $65 million, and the university committed to cutting its greenhouse gas emissions by nearly 80,000 tons a year (Wikipedia, Ball State University).

Термопомпата с геотермална енергия не е нов източник на енергия. Това е множител: използва електричество, за да пренася топлина, която вече е в земята, в сградата и доставя от три до пет единици топлина за всяка единица електроенергия, която използва (МААЕ, 2022 г.). Той е зрял, надежден и тих. Също така е скъпо да се инсталира, поради което тази страница прекарва толкова време за разходите, колкото и за физиката.

Какво е това?

A ground-source heat pump has three parts: a ground loop of plastic pipe buried in trenches or dropped into boreholes, filled with water and antifreeze; a heat pump the size of a fridge, usually indoors; and a heat distribution system, such as radiators or underfloor heating. През зимата течността в контура поема топлина от земята и термопомпата я концентрира до 35-55 °С за къщата. През лятото същата машина може да работи в обратна посока, охлаждайки сградата и връщайки топлината обратно в земята.


Малките къщи с градини могат да използват хоризонтални контури, поставени на дълбочина от 1 до 2 м. Most other buildings use vertical boreholes, typically 15 to 150 m deep; a detached house needing 10 kW of heat might need three boreholes of 80 to 110 m (Wikipedia, Ground source heat pump). Цели улици и кампуси могат да споделят едно поле на сондажи чрез Топлофикационна мрежа: воден контур с температура на околната среда, който свързва много сгради, всяка със своя собствена термопомпа.


Как работи

Термопомпата е хладилник, обърнат отвътре навън. Работната течност (хладилният агент) се изпарява при ниска температура в топлообменник, свързан към заземителния контур, като абсорбира топлината. Компресор изстисква парата, което повишава температурата й. Във втори топлообменник тя се кондензира и освобождава тази топлина във водата, която отива към радиаторите. Разширителен клапан намалява налягането и цикълът започва отново.

Множителя. Доставената топлина, разделена на използваната електроенергия е коефициентът на ефективност, COP. Най-доброто, което може да направи една термопомпа е коефициентът на полезно действие на Карно:

COP_max = T_hot / (T_hot − T_cold), с температури в Келвини.

Доставянето на вода при 40 °C (313 K) от земята при 5 °C (278 K) след загубите в топлообменника дава 313 / 35 ≈ 8.9. Истинските машини достигат приблизително половина на фигурата на Карно, така че около 4.5. Две неща следват директно от уравнението:

• Лифтът е по-важен от всичко. Всеки градус между източника и радиаторите струва ефективност. Повишаването на температурата на потока от 35 °С до 55 °С понижава нашия моделиран СОР на земния източник от около 4,5 до 3,0. По-големите радиатори или подово отопление, които работят при по-ниски температури, правят всяка термопомпа по-добра.
• Температурата на източника има значение. Външният въздух е най-студен точно когато топлината е най-необходима. При −7 °С и 55 °С поток, единица въздух-източник в нашия модел пада до около 2.3; земята, при около 10 °С, дава 3.0 при същата температура на потока. Това е цялото предимство на земята.

Външното тяло на термопомпата, с голям вентилатор зад решетка, корпуса и стената до него покрити със сняг.](Въздушна термопомпа в снега. Тя трябва да взема топлината си от външния въздух точно когато въздухът е най-студен; заземяващата верига черпи от земята, която остава близо до 10 °С. Снимка: Петър Източен, CC BY-SA 4.0”)

Земята е бавна батерия. На няколко метра под земята дневните колебания изчезват; на 10 до 20 м почвата е близо до местната средногодишна температура на въздуха, а по-надолу се затопля с около 0.025 °С на метър (Термопомпа с въздух-вода). Топлината в нея идва най-вече от слънцето, затоплящо повърхността, а не от земното ядро. Сонда, която извлича само топлина, бавно охлажда скалата около нея през годините, а гъсто натъпкано поле от сондажи може да се охлади по-бързо, отколкото земята се възстановява. Възстановяването на топлината през лятото чрез охлаждане на сградите поддържа баланса. Ето защо споделените мрежи, които смесват отоплителни и охлаждащи товари, работят толкова добре.

Сезонният номер. КПД-то на спецификационния лист се измерва при едно тестово състояние. Това, което има значение е сезонният коефициент на ефективност (СЕК): топлинната енергия, доставена за цяла година, разделена на цялата използвана електроенергия, включително помпи и резервни отоплители. Полевите тестове измерват и той винаги е по-нисък от лабораторния.

Ограниченията

• Физика. Лимитът на Карно ограничава коефициента на полезно действие за даден асансьор; никой хладилен агент или компресор не може да избяга от него. Реалните машини вече са на около половината от него, а най-добрите - малко повече.
• Капацитет на земята. Всеки метър сондаж може да достави само няколко десетки вата топлина, в зависимост от скалата и подпочвените води, така че топлинните нужди на сградата определят колко метра трябва да бъдат пробити. Пробиването е най-големият единичен разход.
• Пространство и достъп. Сондажните платформи се нуждаят от достъп; гъстите градски квартали, паметниците на културата и малките парцели може да нямат къде да сондират.
• Качество на строителството. Една непропусклива къща с малки радиатори се нуждае от висока температура на потока, което намалява коефициента на полезно действие; изолацията и по-големите емитери често идват на първо място.
• Цени на електроенергията. Разходите за експлоатация зависят от цената на електроенергията, разделена на цената на горивото, което тя замества. Когато електроенергията струва повече от три пъти повече от газа на кВтч, както е в Обединеното кралство, термопомпата се нуждае от годишен коефициент на полезно действие близо до 3 само за да компенсира текущите разходи.
• Умения. Добрият дизайн и пускането в експлоатация правят голяма разлика за истинския СФУ, а уменията на инсталаторите са оскъдни в много страни.


Реални проекти, измерени

Проект	Къде, кога и как	Мащаб	Какво се докладва
Полево изпитване на Фраунхофер в наличност	Германия, съществуващи жилища построени между 1850 и 2001 г., мониторинг от 2017 г.	Въздушни и наземни системи в заети жилища	Годишен СФК: наземен източник около 4.1 (обхват от около 3.3 до 4.7), въздушен източник около 3.1 (обхват от около 2.5 до 3.8) (Фраунхофер ИСЕ)
Геотермална система на Бол Стейт Университет	Мънси, Индиана, САЩ, завършен 2017 г.	Около 3600 сондажа, две електроцентрали, около $65 милиона	Replaced all four coal-fired boilers; the university committed to nearly 80,000 tons a year less greenhouse gas (Wikipedia)
Геотермална пилотна инсталация	Фреймингам, Масачузетс, САЩ, 2024	Около три дузини къщи и общински сгради на една миля цикъл	First utility-run thermal network in the US; a school administration building, a fire station and public housing among the users; about $18.6 million; the network is planned to double in size (PBS NewsHour, 2025)
Колорадски университет в Меса	Гранд Блан, Колорадо, САЩ	16 сгради, 1.2 милиона квадратни фута, на обща амбиентна верига	Осигурява 90% от отоплението и охлаждането на кампуса; университетът съобщава за $1,5 милиона годишни енергийни спестявания (Случай от практиката на МОСВ)
Схема за модернизация на котли	Англия и Уелс, 2022 до 2026	82,651 grants paid for heat pumps and biomass boilers by April 2026	Ground source is a small minority: 98% of applications were for air-to-water heat pumps (DESNZ, 2026)

Европейските топлинни мрежи от пето поколение, които са вериги с температура на околната среда, споделящи топлина между сгради чрез индивидуални термопомпи, бяха преразгледани в десетки обекти (Бъфа и др., 2019). Тяхната ефективност зависи до голяма степен от това колко добре изискванията за отопление и охлаждане са балансирани.


Колко струва

Термопомпата не генерира електричество, така че сравнението с нашия общ бенчмарк (слънчева енергия на покрива при около $0.19 на кВтч в Модел на вентилаторна стена, в рамките на диапазона на Лазард за юни 2026 г. $0.09 to $0,20 за търговска слънчева енергия на покрива) е косвена: геотермална термопомпа превръща всеки кВтч от тази слънчева електроенергия в около четири кВтч топлина. Прекият конкурент е газов котел, а справедливата мярка е цена на кВтч топлина, включително инсталацията.

We use UK figures because they are public and recent: median installed costs from the Boiler Upgrade Scheme for January to March 2026 (£27,352 for ground source, £13,100 for air source, both including VAT) (DESNZ); the £7,500 grant; price-cap unit rates for October to December 2026 of 26.32p per kWh of electricity and 7.97p per kWh of gas (Ofgem); the Fraunhofer field SPFs; a home using 12,000 kWh of heat a year; and 20 years at a 7% real discount rate, as on our wind page. For the gas boiler we assume £3,000 installed and 90% efficiency.

Система за отопление	Инсталирана цена	Експлуатационни разходи за кВтч топлина	Обща цена на кВтч топлина, без субсидия	С безвъзмездната помощ от £7,500
Газов котел за отопление	£3,000 (предполагаемо)	8.9п	11.2п	не е допустимо
Термопомпа с въздушен източник, СФ 3.1	£13,100	8.5п	18.8п	13.9п
Термопомпа с въздух-вода, СФУ 4.1	£27,352	6.4p	27.9п	22.0p

• Нашето изчисление. Постоянните такси и поддръжката са пропуснати; те са сходни за всички опции.*


Таблицата е неудобно и трябва да бъде. При цени в Обединеното кралство, една геотермална термопомпа за единичен дом струва около два пъти повече на киловатчас топлина отколкото газ, дори и с безвъзмездни средства, почти изцяло поради инсталацията. Разходите за експлоатация вече са по-ниски. Картината се променя, когато:

• Електричеството е по-евтино в сравнение с газа, както в Швеция, Норвегия и Франция, или с тарифа за време на ползване.
• Заземителният контур трае повече от 20 години. Добре инсталираните сондажи се очаква да надживеят няколко термопомпи; разпределени в продължение на 50 години вместо 20, годишните разходи за контура падат с около една четвърт.
• Много сгради споделят едно сондажно поле, проектиране на рязане, мобилизация и сондиране на разходите за домакинство, както и оставяне на охлаждащи товари презареждане на земята.
• Алтернативата е нафта, втечнен газ или директно електрическо отопление, които струват повече от газ.
• Сградата се нуждае от охлаждане, както и отопление, които същата система осигурява при малко допълнителни разходи.

Къде може да спечели и къде не може

Тя може да спечели:

• Университети, болници, офиси и нови жилищни комплекси, където едно сондажно поле обслужва много сгради и са необходими както отопление, така и охлаждане.
• Извънгазови домове и ферми подмяна на масло или втечнен природен газ.
• За студени климати, където термопомпите с въздушен източник се борят през най-студените седмици и земята запазва температурата си.
• Улиците възстановяват газовата си мрежа. Топлофикационните мрежи, управлявани от комунални предприятия, като тази на Фреймингам, могат да заменят остарелите газопроводи с общи водни вериги.
• Нови сгради в София, където сондажите могат да се пробиват преди фундаментите и подовото отопление поддържа температурата на потока ниска.


Тя не може да спечели:

• Единични съществуващи домове, където газът е евтин и електричеството скъпо, както показва таблицата с разходите, освен ако цената на инсталацията не падне рязко.
• Плътни, стари градски блокове без място за пробиване.
• Лошо изолирани сгради с малки радиатори, докато сградата се подобри.
• Като източник на електричество. Той използва електричество; той не го прави.

Какво е доказано, правдоподобно и спекулативно

Доказано: лимита на Карно и значението на нискотемпературния възход; стабилни температури на почвата; измерени в полето годишни около 4 за добре проектирани системи от земен източник; десетилетия надеждна работа в Швеция, Швейцария, Германия и Северна Америка; системи с мащаб на университетски градове, заместващи въглища и газ.


Вероятно: собствени топлинни мрежи, които правят топлоизточника на земята достъпен за обикновените улици; много по-евтино сондиране чрез по-добри платформи, стандартни проекти и мащаб; сондажни полета, които съхраняват лятната топлина за зимна употреба.

Спекулативна: разходи за инсталиране, близки до тези на газов котел за еднофамилни къщи; термопомпи, значително надвишаващи 60% от границата на Карно в областта; дълбоки сондажи (500 м и повече), които стават достатъчно евтини за гъста градска употреба.

Отворени изследователски въпроси

• По-евтино пробиване. Сондирането може да бъде най-голямата цена на системата от земен източник. По-бързите платформи, по-плитко разположените плътни масиви, енергийните купчини в основите и хоризонталното насочено сондиране се нуждаят от реални данни за разходите.
• Дизайн на мрежата. Как да се оразмерят споделените вериги и сондажни полета, така че отоплението и охлаждането да бъдат балансирани в продължение на десетилетия, и кой трябва да ги притежава.
• Истинска производителност в мащаб. Независим мониторинг на мрежи като тези на Фреймингам: годишна енергия от помпите, тенденции в температурата на почвата и сметки на клиентите.
• Хладилни агенти с нисък ПГЗ. Пропанови и СО2 термопомпи с висока ефективност и безопасен монтаж на закрито.
• Ефекти на мрежата. Как милиони термопомпи променят пиковото потребление през зимата и как системите с надземен източник го намаляват в сравнение с въздушния източник.
• Ремонтни пътеки. Най-евтината поръчка на изолация, радиаторни надстройки и термопомпи за различни видове домове.


От какво би се нуждаел един работещ прототип

Термопомпите са напълно развити; полезните идеи са в по-евтините наземни вериги, споделените мрежи и по-интелигентното управление. Работещият модел трябва да доставя измерена топлина, с измерено електричество и топлинна енергия.

Фаза	Работа	Решението, което дава възможност	Груба цена	Време
1. Проучване на бюрото	Топлопотребление на реални сгради, данни от геоложки проучвания, проектиране на вериги със стандартен софтуер, оферти за разходи от сондажи	По-евтина ли е идеята за кВт от днешните сондажи?	$5k to $20к.	2 до 3 месеца
2. Изпитвателен цикъл	Един сондаж или един нов проект на топлообменник с изпитване за термична реакция, малка термопомпа, топлинни и електрически измервателни уреди, сензори за температурата на почвата	Измерена топлина на метър и през зимата	$30k to $80к	6 до 12 месеца
3. Уличен пилот	5 до 20 сгради на споделен контур, една година измерени данни, сметки на клиентите	Реални разходи за домакинство и на кВтч топлина	$0.5M to $3М	18 до 24 месеца


От кого се нуждаем

• Геолози и хидрогеолози да четат земята и моделните сондажни полета.
• Изпълнители на сондажи желаещи да изпробват нови методи и да споделят реалните разходи.
• Термопомпа и ОВК инженери за проектиране, пускане в експлоатация и мониторинг.
• Районни енергийни и комунални плановици за споделени мрежи и модели на собственост.
• Специалисти по строителна физика за последователност на модернизация и нискотемпературни емитери.
• Икономисти и тарифни дизайнери да се определят справедливи цени за топлинната енергия и да се възнаграждава гъвкавостта.

Имате по-добра идея?

Някои членове на Фондацията може да имат контакти, които биха могли да чуят за силна енергийна идея. За да бъде представена, една идея се нуждае от работещ, реален модел, който всъщност произвежда енергия; за идеята за топлина като тази, това означава модел, който доставя измерена топлина, с нейната продукция и използването на електроенергия, записани на инструменти, които не са заявени. Идеи на хартия също са добре дошли: ако физиката и числата са солидни, можем да ги публикуваме тук в сайта. Но набирането на капитал без работещ модел е много трудно, а нищо тук не е обещание за финансиране, възвръщаемост или въвеждане.

Изпратете идеята си чрез формата за контакти. Форма за участие с проблема, който решава, проверката на физиката, приблизителна цена за кВтч топлина и най-евтиния тест, който може да докаже, че греши. Ако имате работещ модел, включете измерените му резултати и как сте ги измерили. - Да. Източници на енергия сравнява тази и другите алтернативи на идеен радар.

Източници

1. Уикипедия. Бол Стейт университет: геотермална система завършена през 2017 г.
2. IEA (2022). Бъдещето на термопомпите.
3. Фраунхофер ИСЕ. Термопомпи в съществуващи сгради, полеви тестове.
4. Уикипедия. Термопомпа за отопление: дълбочините на сондажите, температурите на почвата и геотермалния градиент.
5. Отдел „Енергийна сигурност и нетна нула“ (2026 г.). Статистика по Схемата за модернизация на котли, април 2026, таблици Q1.1A и 1.1.
6. Ofgem (2026). Единични тарифи за горна граница на цените на енергията, от 1 октомври до 31 декември 2026 г..
7. PBS NewsHour (2025). Малко вероятно съюз изгражда по-чиста геотермална енергийна мрежа в общността на Масачузетс.
8. Министерство на енергетиката на САЩ. Геотермална термопомпа: Университет Колорадо Меса.
9. Д’Антони, М., Баратиери, М. и Федрици, Р. (2019). 5th generation district heating and cooling systems: a review of existing cases in Europe. Възобновяеми и устойчиви енергийни източници 104, 504-522.
10. Стафъл, И., Брет, Д., Брандън, Н. и Хоукс, А. (2012). Преглед на битовите термопомпи. Енергетика и околна среда 5, 9291.
11. Лазар (юни 2026). Изравнена цена на енергията + версия 19.
12. Local Solar System Фондация. Отворен модел на вентилаторна стена: сравнителен показател за слънчевите панели на покрива от $0.19 за кВтч.
13. Кусуда, Т. и Ахенбах, П.Р. (1965). Температура на Земята и топлинна дифузия на избрани станции в САЩ. Национално бюро по стандартите доклад 8972.
14. Уикипедия. Хладилни инсталации с компресия на пара: изпарителя, компресора, кондензатора и разширителния клапан.
15. Уикипедия. Насочено пробиване: безизкопно пробиване в плитка дъга.