Toplinske pumpe s izvorom u tlu

2017. godine Ball State University u Indiani zatvorilo je posljednji od četiri kotla na ugljen koji su desetljećima grijali njegov kampus. Umjesto njih, izbušila je oko 3600 bušotina ispod svog zemljišta i povezala ih, kroz dvije energetske stanice, s toplinskim pumpama koje griju i hlade kampus. Sustav je koštao oko 65 milijuna dolara, a sveučilište se obvezalo smanjiti emisiju stakleničkih plinova za gotovo 80.000 tona godišnje (Wikipedia, Ball State University).

Geotermalne toplinske pumpe nisu novi izvor energije. To je multiplikator: koristi električnu energiju za prijenos topline koja je već u tlu u zgradu, te isporučuje tri do pet jedinica topline za svaku jedinicu električne energije koju koristi (IEA, 2022). Zrela je, pouzdana i tiha. Također je skupo instalirati, zbog čega ova stranica troši toliko vremena na troškove kao i na fiziku.

Što je to?

Toplinska pumpa sa zemljom sastoji se od tri dijela: petlja uzemljenja od plastične cijevi zakopane u rovovima ili ispuštene u bušotine, ispunjene vodom i antifriza; Toplinska pumpa za grijanje veličine hladnjaka, obično u zatvorenom prostoru; i Sustav distribucije topline, kao što su radijatori ili podno grijanje. Zimi tekućina u petlji uzima toplinu iz tla i toplinska pumpa je koncentrira na 35 do 55 °C za kuću. Ljeti isti stroj može raditi u obrnutom smjeru, hladeći zgradu i vraćajući toplinu natrag u tlo.

Male kuće s vrtovima mogu koristiti vodoravne petlje postavljene 1 do 2 m dubine. Većina ostalih zgrada koristi vertikalne bušotine, obično dubine od 15 do 150 m; samostojeća kuća kojoj je potrebno 10 kW topline može trebati tri bušotine od 80 do 110 m (Wikipedia, Ground source heat pump). Cijele ulice i kampusi mogu dijeliti jedno polje bušotina kroz Toplinska mreža: krug vode na sobnoj temperaturi koji povezuje mnoge zgrade, svaka s vlastitom toplinskom pumpom.

Kako to funkcionira

Toplinska pumpa je hladnjak okrenut naopako. Radna tekućina (radno sredstvo) ispari na niskoj temperaturi u izmjenjivaču topline spojenom na petlju tla, apsorbirajući toplinu. Kompresor stisne paru, što podiže njezinu temperaturu. U drugom izmjenjivaču topline kondenzira i oslobađa tu toplinu u vodu koja ide do radijatora. Ekspanzijski ventil smanjuje tlak i ciklus počinje iznova.

Množitelj. Isporučena toplina podijeljena s utrošenom električnom energijom je koeficijent učinkovitosti, COP. Najbolje što bilo koja toplinska pumpa može učiniti je Carnot COP:

COP_max = T_hot / (T_hot − T_cold), s temperaturama u kelvinima.

Dostava vode na 40 °C (313 K) iz tla na 5 °C (278 K) nakon gubitaka izmjenjivača topline daje 313 / 35 ≈ 8.9. Pravi strojevi dosežu otprilike pola Carnotovog broja, dakle oko 4.5. Dvije stvari proizlaze izravno iz jednadžbe:

• Dizanje je važnije od ičega. Svaki stupanj između izvora i radijatora košta učinkovitost. Povećanje temperature protoka s 35 °C na 55 °C smanjuje naš modelirani COP izvora u zemlji s oko 4,5 na 3,0. Veći radijatori ili podno grijanje, koji rade na nižim temperaturama, čine svaku toplinsku pumpu boljom.
• Temperaturni izvor je važan. Vanjski zrak je najhladniji upravo kada je toplina najviše potrebna. Na −7 °C i 55 °C protoka, jedinica izvora zraka u našem modelu pada na oko 2.3; tlo, na oko 10 °C, daje 3.0 pri istoj temperaturi protoka. To je cijela prednost terena.

Tlo je spora baterija. Nekoliko metara niže, dnevne oscilacije nestaju; na 10 do 20 m dubine tlo se nalazi blizu lokalne prosječne godišnje temperature zraka, a dublje se zagrijava za oko 0,025 °C po metru (Wikipedia, Ground source heat pump). Toplina u njemu dolazi uglavnom od Sunca koje zagrijava površinu, a ne iz Zemljine jezgre. Bušotina koja samo izvlači toplinu polako hladi stijene oko sebe tijekom godina, a gusto nabijeno polje bušotina može se ohladiti brže nego što se tlo oporavlja. Vraćanje topline ljeti, hlađenjem zgrada, održava ravnotežu. Zato dijeljene mreže koje kombiniraju opterećenja grijanja i hlađenja tako dobro funkcioniraju.

Sezonski broj. COP na specifikacijskom listu mjeri se u jednom ispitnom stanju. Ono što je važno je sezonski faktor učinkovitosti (SPF): toplinska snaga isporučena tijekom cijele godine podijeljena sa svom upotrijebljenom električnom energijom, uključujući crpke i rezervne grijače. U terenskim ispitivanjima mjeri se SPF, a on je uvijek niži od laboratorijskog COP-a.

Granice

• Fizika. Carnotova granica ograničava COP za dan dizalicu; nema rashladno sredstvo ili kompresor izlazi iz njega. Pravi strojevi su već na oko pola toga, a najbolji na malo više.
• Zemlja kapaciteta. Svaki metar bušotine može proizvesti samo nekoliko desetaka vata topline, ovisno o stijenama i podzemnim vodama, tako da potreba za toplinom zgrade određuje koliko metara mora biti izbušeno. Bušenje je najveći pojedinačni trošak.
• Prostor i pristup. Bušaći uređaji trebaju pristup; gusti gradski blokovi, zaštićene zgrade i male parcele možda nemaju gdje bušiti.
• Kvaliteta gradnje. Kuća s propuštanjem i malim radijatorima treba visoku temperaturu protoka, što smanjuje COP; izolacija i veći emiteri često dolaze na prvo mjesto.
• Cjene električne energije. Trošak rada ovisi o cijeni električne energije podijeljenoj s cijenom goriva koje zamjenjuje. U zemljama gdje je cijena struje tri puta veća od cijene plina po kWh, kao što je to slučaj u Velikoj Britaniji, dizalici topline potreban je godišnji COP blizu 3 samo da bi se pokrili troškovi rada.
• Vještine. Dobar dizajn i puštanje u rad čine veliku razliku za pravi SPF, a instalaterske vještine su rijetke u mnogim zemljama.


Stvarni projekti, izmjereni

Projekt	Gdje, kada	Mjera	Što je prijavljeno
Fraunhofer ISE terenski test, WPsmart na zalihama	Njemačka, postojeće kuće izgrađene između 1850. i 2001. godine, praćenje od 2017.	Sustavi s izvorom u zraku i sustavi s izvorom u tlu u naseljenim domovima	Godišnji SPF: izvor na tlu oko 4,1 (raspon od oko 3,3 do 4,7), izvor u zraku oko 3,1 (raspon od oko 2,5 do 3,8) (Fraunhofer ISE)
Geotermalni sustav Ball State University	Muncie, Indiana, SAD, završeno 2017.	Oko 3600 bušotina, dvije energetske stanice, oko 65 milijuna dolara	Zamjenila su sva četiri kotla na ugljen; sveučilište se obvezalo da će godišnje smanjiti emisiju stakleničkih plinova za gotovo 80.000 tona (Wikipedia)
Eversource umreženi geotermalni pilot	Framingham, Massachusetts, SAD, 2024	Oko tri desetine kuća i općinskih zgrada na petlji od jedne milje	Prva toplinska mreža u SAD-u; zgrada školske uprave, vatrogasna postaja i javna stanovanja među korisnicima; oko 18,6 milijuna dolara; mreža se planira udvostručiti (PBS NewsHour, 2025.)
Sveučilište Colorado Mesa	Grand Junction, Colorado, SAD	16 zgrada, 1.2 milijuna četvornih stopa, na zajedničkoj ambijentalnoj petlji	Osigurava 90% grijanja i hlađenja kampusa; sveučilište izvještava o uštedi energije od 1,5 milijuna USD godišnje (studija slučaja američkog DOE-a)
Program nadogradnje kotlova	Engleska i Wales, 2022. do 2026.	82.651 isplaćena bespovratna sredstva za toplinske crpke i kotlove na biomasu do travnja 2026.	Ground source is a small minority: 98% of applications were for air-to-water heat pumps (DESNZ, 2026)

Europske toplinske mreže pete generacije, petlje s temperaturom okoline koje dijele toplinu između zgrada putem pojedinačnih toplinskih crpki, pregledane su na desetcima lokacija (Buffa et al., 2019). Njihova učinkovitost uvelike ovisi o tome koliko dobro grijanje i hlađenje zahtijevaju ravnotežu.

Koliko košta

Toplinska pumpa ne proizvodi električnu energiju, pa je usporedba s našim referentnim vrijednostima na cijelom području (krovna solarna elektrana pri oko 0,19 USD po kWh U kući Model ventilatora na zidu, unutar Lazardovog raspona od lipnja 2026. $0.09 to $0,20 za komercijalne krovne solarne sustave) je neizravna: geotermalna toplinska pumpa pretvara svaki kWh te solarne električne energije u oko četiri kWh topline. Izravni konkurent je plinski kotao, a fer mjera je trošak po kWh topline, uključujući instalaciju.

Koristimo brojke iz Ujedinjenog Kraljevstva jer su javne i nedavne: srednji instalirani troškovi iz programa nadogradnje kotlova za siječanj do ožujka 2026. (£ 27,352 za zemaljski izvor, £ 13,100 za zrakovni izvor, oboje uključujući PDV) (DESNZ); £7,500 bespovratnih sredstava; cijena-capping jedinične stope za listopad do prosinca 2026 od 26.32p po kWh električne energije i 7.97p po kWh plina (Spremi); Fraunhoferova polja SPF-a; kuća koja koristi 12.000 kWh topline godišnje; i 20 godina uz realnu diskontnu stopu od 7%, kao na našoj stranici o vjetru.Za plinski kotao pretpostavljamo instaliranu cijenu od 3.000 funti i učinkovitost od 90%.

Sustav grijanja na drva	Trošak instaliranja	Trošak rada po kWh topline	Ukupni trošak po kWh topline, bez subvencije	Sa 7.500 funti
Plinski bojler	3.000 funti (pretpostavlja se)	8.9p	11.2p	nije prihvatljivo
Zračna toplinska pumpa, SPF 3.1	£13,100	8.5p	18.8p	13.9p
Geotermalne toplinske pumpe, SPF 4.1	£27,352	6.4p	27.9p	22.0p

Naš izračun. Stalne naknade i troškovi održavanja izostavljeni su; oni su slični za sve opcije.


Stolac je neugodan, i tako bi trebao biti.Po cijenama u UK-u, toplinska pumpa sa zemljom za jednu kuću košta oko dva puta više po kWh topline nego plin, čak i uz subvenciju, gotovo u potpunosti zbog instalacije. Trošak rada je već niži. Slika se mijenja kada:

• Stroj je jeftiniji u odnosu na plin, kao što je to slučaj u Švedskoj, Norveškoj i Francuskoj, ili s tarifom za vrijeme uporabe.
• Zemlja petlja traje dulje od 20 godina. Očekuje se da će dobro instalirane bušotine preživjeti nekoliko toplinskih crpki; raspoređene tijekom 50 godina umjesto 20, godišnji trošak petlje pada za oko četvrtinu.
• Mnoge zgrade dijele jedno bušno polje, rezanje dizajna, mobilizacije i troškova bušenja po domu, te dopuštanje hlađenja opterećenja napuniti tlo.
• Alternativa je ulje, LPG ili izravno električno grijanje, koje košta više od plina.
• Zgrada treba hlađenje kao i grijanje, koje isti sustav osigurava uz mali dodatni trošak.

Gdje može pobijediti, a gdje ne može

Može pobijediti:

• Univerzitetski kampusi, bolnice, uredi i nova stambena naselja, gdje jedno bušotinsko polje opslužuje mnoge zgrade te su potrebna grijanje i hlađenje.
• Kuće i farme izvan plinske mreže zamjenjuju ulje ili ukapljeni naftni plin.
• Hladne klime, gdje se dizalice topline sa zrakom bore u najhladnijim tjednima i tlo održava svoju temperaturu.
• Ulice obnavljaju svoju plinsku mrežu. Toplinske mreže koje upravljaju komunalne tvrtke, poput Framinghamove, mogle bi zamijeniti stareće plinovode zajedničkim vodovodnim petljama.
• Novogradnje i obnove, gdje se bušotine mogu izbušiti prije temelja i podno grijanje održava temperaturu protoka niskom.


Ne može pobijediti:

• Pojedinačne postojeće kuće gdje je plin jeftin, a struja skupa, kao što pokazuje tablica troškova, osim ako cijena instalacije oštro ne padne.
• Guste, stare gradske četvrti bez prostora za bušenje.
• Slabo izolirane zgrade s malim radijatorima, dok se zgrada ne poboljša.
• Kao izvor električne energije. Koristi električnu energiju; ne proizvodi je.

Što je dokazano, vjerodostojno i spekulativno

Dokazano: Carnotova granica i važnost niskog temperaturnog dizanja; stabilne temperature tla; godišnji SPF-ovi izmjereni na terenu oko 4 za dobro dizajnirane sustave izvora tla; desetljeća pouzdanog rada u Švedskoj, Švicarskoj, Njemačkoj i Sjevernoj Americi; sustavi veličine kampusa koji zamjenjuju ugljen i plin.


Plausible: toplinske mreže u vlasništvu komunalnih poduzeća koje čine toplinu iz tla pristupačnom za obične ulice; mnogo jeftinije bušenje kroz bolje platforme, standardne dizajne i razmjere; bušotine koje skladište ljetnu toplinu za zimsku uporabu.

Spekulativno: Troškovi instalacije blizu su troškovima plinskog kotla za pojedinačne kuće; toplinske pumpe znatno premašuju 60% Carnotove granice na terenu; duboke bušotine (500 m i više) postaju dovoljno jeftine za gusto naseljene gradove.

Otvorena istraživačka pitanja

• Jeftinije bušenje. Bušenje može biti najveći trošak sustava izvora na tlu. Brži bušaći strojevi, plići gusti nizovi, energetski piloti u temeljima i horizontalno usmjereno bušenje zahtijevaju podatke o stvarnim troškovima.
• Mrežni dizajn. Kako dimenzionirati zajedničke petlje i bušotine tako da se grijanje i hlađenje uravnoteže tijekom desetljeća, te tko bi ih trebao posjedovati.
• Prava izvedba u mjerilu. Nezavisno praćenje mreža poput Framinghamove: godišnji SPF, energija crpljenja, trendovi temperature tla i računi korisnika.
• Radna sredstva s niskim GWP-om. Dizalice topline na propan i CO2 visoke učinkovitosti i sigurne ugradnje u zatvorenim prostorima.
• Rešetkasti efekti. Kako milijuni toplinskih pumpi mijenjaju vršnu potražnju tijekom zime i kako je sustavi sa zemaljskim izvorom smanjuje u usporedbi s izvorom zraka.
• Retrofit staza. Najjeftiniji red izolacije, nadogradnje radijatora i toplinske pumpe za različite vrste doma.

Što bi radni prototip trebao

Same toplinske pumpe su zrele; korisne ideje su u jeftinijim zemaljskim petljama, zajedničkim mrežama i pametnijem upravljanju. Radni model trebao bi isporučivati izmjerenu toplinu, s izmjerenom električnom energijom i toplinom.

Faza	Rad	Odluka koju omogućuje	Bruto trošak	Vrijeme
1. Studija na stolovima	Potrebna toplina stvarnih zgrada, podaci o tlu iz geoloških istraživanja, projektiranje petlje sa standardnim softverom, ponude troškova od bušilica	Je li ideja jeftinija po kW nego današnja bušenja?	$5k to $20k	2 do 3 mjeseca
2. Ispitna petlja	Jedna bušotina ili jedan novi dizajn izmjenjivača topline u tlu s testom toplinskog odziva, mala dizalica topline, brojila za grijanje i električnu energiju, senzori temperature tla	Izmjerena toplina po metru i SPF tijekom zime	$30k to $80k	6 do 12 mjeseci
3. Ulični pilot	5 do 20 zgrada na zajedničkoj petlji, godišnji podaci o mjerenju, računi korisnika	Stvarni trošak po kućanstvu i po kWh topline	$0.5M to $3M	18 do 24 mjeseca


Koga trebamo

• Geolozi i hidrogeolozi za čitanje tla i modeliranje bušotina.
• Bušenje izvođača spremni testirati nove metode i podijeliti stvarne troškove.
• Toplinska pumpa i HVAC inženjeri Za projektiranje, puštanje u rad i nadzor.
• Distriktni planeri energije i komunalnih usluga za zajedničke mreže i modele vlasništva.
• Stručnjaci za fiziku zgrada Za naknadno ugradnju sekvenciranja i niskotemperaturnih emitera.
• Ekonomisti i dizajneri tarifa da cijene toplinu pošteno i nagrade fleksibilnost.

Imaš bolju ideju?

Neki članovi Zaklade mogu imati kontakte koji bi mogli čuti za snažnu energetsku ideju. Da bi se ideja predstavila, treba joj Radni, stvarni model koji zapravo proizvodi energiju; za toplinsku ideju poput ove, to znači model koji isporučuje izmjerenu toplinu, s njezinim izlazom i korištenjem električne energije zabilježenim na instrumentima, a ne potraženim. Dobrodošle su i ideje na papiru: ako je fizika i brojevi čvrsti, možemo ih objaviti ovdje na web stranici. No, prikupljanje kapitala bez radnog modela vrlo je teško, a ovdje ništa nije obećanje financiranja, povrata ili uvođenja.

Pošaljite svoju ideju putem obrazca za doprinose s problemom koji rješava, provjerom fizike, grubim troškom po kWh topline i najjeftinijim testom koji bi mogao dokazati da je pogrešna. Ako imate radni model, uključite njegov izmjereni rezultat i kako ste ga izmjerili. Stranica izvor energije uspoređuje ovu i ostale alternative na radaru ideja.

Izvori

1. Wikipedije. Ball State University: geotermalni sustav završen 2017.
2. IEA (2022). Budućnost toplinskih pumpi.
3. Franje Tuđmana. WPsmart im Bestand: toplinske pumpe u postojećim zgradama, terenski test.
4. Wikipedije. Ground izvor toplinske pumpe: dubine bušotina, temperature tla i geotermalnog gradijenta.
5. Department for Energy Security and Net Zero (2026). Statistika o Programu nadogradnje kotlova, travanj 2026., tablice Q1.1A i 1.1.
6. Ofgem (2026). Jedinična cijena energije, 1. listopada do 31. prosinca 2026..
7. PBS NewsHour (2025). Nevjerojatan savez gradi čistiju geotermalnu energetsku mrežu u zajednici Massachusetts.
8. Ministarstvo energetike SAD-a. Studija slučaja geotermalne toplinske pumpe: Sveučilište Colorado Mesa.
9. Buffa, S., Cozzini, M., D’Antoni, M., Baratieri, M. i Fedrizzi, R. (2019). 5th generation district heating and cooling systems: a review of existing cases in Europe. Obnovljivi i održivi izvori energije 104, 504-522.
10. Staffell, I., Brett, D., Brandon, N. and Hawkes, A. (2012). Pregled kućanskih toplinskih pumpi. Energetika i okoliš 5, 9291.
11. Lazard (June 2026). Ravni troškovi energije+, verzija 19.
12. Local Solar System Zakladu. Otvoreni model ventilacijskog zida: krovna solarna referentna vrijednost od 0,19 USD po kWh.
13. Kušević, A. i Špoljarić, R. (1965). Temperaturna i toplinska difuzivnost Zemlje na odabranim postajama u Sjedinjenim Američkim Državama. Poštanski broj je 8972.
14. Wikipedije. Parno-kompresijsko hlađenje: isparivač, kompresor, kondenzator i ekspanzijski ventil.
15. Wikipedije. Usmjerno bušenje: bušenje bez otvora u plitkom luku.