Pompa panas sumber tanah

Pada tahun 2017, Ball State University di Indiana menutup empat boiler batubara terakhir yang telah menghangatkan kampusnya selama beberapa dekade. Sebagai gantinya, universitas ini menggali sekitar 3.600 lubang di bawah tanah dan menghubungkannya melalui dua stasiun energi ke pompa panas yang memanaskan dan mendinginkan kampus. Sistem ini menghabiskan biaya sekitar $65 juta, dan universitas berkomitmen untuk memotong emisi gas rumah kacanya hampir 80.000 ton per tahun (Wikipedia, Ball State University).

Pompa panas dari sumber tanah bukanlah sumber energi baru. Ini adalah multiplier: menggunakan listrik untuk memindahkan panas yang sudah ada di tanah ke dalam bangunan, dan memberikan tiga hingga lima unit panas untuk setiap satuan listrik yang digunakan (IEA, 2022). Ini matang, dapat diandalkan dan tenang. Ini juga mahal untuk diinstal, itulah mengapa halaman ini menghabiskan banyak waktu pada biaya sebagai fisika.

Apa itu

Pompa panas sumber tanah memiliki tiga bagian: loop tanah dari pipa plastik yang dikubur dalam parit atau jatuh ke lubang bor, dipenuhi dengan air dan antifris; sebuah pompa panas ukuran kulkas, biasanya di dalam ruangan; dan sebuah sistem distribusi panas, seperti radiator atau pemanas lantai. Pada musim dingin cairan di loop mengambil panas dari tanah dan pompa kalor mengkonservasi ke 35 hingga 55 ° C untuk rumah. Pada musim panas mesin yang sama dapat berjalan dalam arah berlawanan, mendinginkan gedung dan memasukkan panas kembali ke tanah.

Rumah-rumah kecil dengan taman dapat menggunakan loop horizontal yang diletakkan 1 hingga 2 m dalam. Kebanyakan bangunan lain menggunakan lubang bor vertikal, biasanya 15 hingga 150 m dalam; sebuah rumah terpisah yang membutuhkan 10 kW panas mungkin memerlukan tiga lubang bor dari 80 sampai 110 m (Wikipedia, Ground source heat pump). Seluruh jalan dan kampus bisa berbagi satu lapangan lubang melalui jaringan termal: sebuah siklus air dengan suhu lingkungan yang menghubungkan banyak bangunan, masing-masing dengan pompa panasnya sendiri.

Bagaimana cara kerjanya

Pompa panas adalah sebuah kulkas yang dibalik. Sebuah cairan kerja (refrigeran) menguap pada suhu rendah dalam sebuah pengganti panas yang terhubung ke siklus tanah, menyerap panas. Sebuah kompresor menggulung uap, yang meningkatkan suhunya. Dalam pengganti panas kedua ia mengendap dan melepaskan panas itu ke dalam air yang menuju ke radiator. Katup ekspansi menurunkan tekanan dan siklus dimulai lagi.

Multiplikator. Panas yang dihasilkan dibagi dengan listrik yang digunakan adalah koefisien kinerja, COP. Pompa panas terbaik yang pernah ada adalah pompa Carnot.

COP_max = T_hot / (T_hot − T_cold), dengan suhu dalam kelvin.

Mengirimkan air pada 40 °C (313 K) dari tanah pada 5 °C (278 K) setelah kehilangan pemanas-penggantian memberikan 313 / 35 ≈ 8.9. Mesin nyata mencapai kira-kira setengah dari angka Carnot, jadi sekitar 4.5. Dua hal yang langsung mengikuti dari persamaan:

• Lift itu lebih penting dari apapun. Setiap derajat antara sumber dan radiator menghabiskan efisiensi. Meningkatkan suhu aliran dari 35 °C ke 55 °C menurunkan model sumber tanah COP kami dari sekitar 4,5 hingga 3,0. Radiator yang lebih besar atau pemanas lantai, yang bekerja pada suhu yang lebih rendah, membuat setiap pompa panas lebih baik.
• Suhu sumber penting. Udara luar adalah paling dingin tepat ketika panas yang paling dibutuhkan. Pada -7 ° C dan 55 ° C aliran, satuan sumber udara dalam model kami turun menjadi sekitar 2,3; tanah, pada sekitar 10 ° C, memberikan 3,0 pada suhu aliran yang sama. Itu adalah keuntungan dari tanah.

Tanah adalah baterai lambat. Beberapa meter ke bawah, gejolak harian menghilang; dengan 10 hingga 20 m tanah duduk dekat dengan suhu udara rata-rata lokal tahunan, dan lebih dalam ia memanaskan sekitar 0,025 ° C per meter (Wikipedia, Ground source heat pump). Panas di dalamnya sebagian besar berasal dari matahari memanaskan permukaan, bukan dari inti Bumi. Sebuah sumur bor yang hanya mengekstraksi panas perlahan-lahan mendinginkan batuan di sekitarnya selama bertahun-tahun, dan lubang bor yang berdekatan dapat mendingin lebih cepat daripada tanah yang pulih. Memasukkan panas kembali di musim panas, dengan mendinginkan gedung-gedung, menjaga keseimbangan. Itulah mengapa jaringan yang dibagikan yang menggabungkan beban pemanasan dan pendingin bekerja dengan baik.

Nomor musim. COP pada lembar spesifikasi diukur pada satu kondisi uji. Yang penting adalah faktor kinerja musim (SPF): jumlah panas yang dihasilkan selama satu tahun dibagi dengan seluruh listrik yang digunakan, termasuk pompa dan pemanas cadangan. Tes lapangan mengukur SPF, dan selalu lebih rendah dari COP laboratorium.

Batas-batasnya

• Fisika. Batas Carnot menutupi COP untuk lift tertentu; tidak ada refrigeran atau kompresor yang lolos darinya. Mesin nyata sudah sekitar setengah dari itu, dan yang terbaik sedikit lebih.
• Kapasitas tanah. Setiap meter lubang bor hanya dapat menghasilkan beberapa puluh watt panas, tergantung pada batuan dan air tanah, sehingga permintaan panas bangunan menentukan berapa banyak meter yang harus dibor. Pengeboran adalah biaya tunggal terbesar.
• Ruang dan akses. Rig pengeboran membutuhkan akses; blok kota padat, bangunan terdaftar dan lahan kecil mungkin tidak memiliki tempat untuk menggali.
• Kualitas bangunan. Sebuah rumah yang bocor dengan radiator kecil membutuhkan suhu aliran tinggi, yang mengurangi COP; insulasi dan emitor yang lebih besar sering kali datang pertama.
• Harga listrik. Biaya operasional tergantung pada harga listrik dibagi dengan harga bahan bakar yang digantikan. Di negara-negara dimana listrik lebih dari tiga kali lebih mahal dibandingkan gas per kWh, seperti di Inggris, pompa panas membutuhkan COP tahunan sekitar 3 hanya untuk menutupi biaya operasional.
• Keterampilan. Desain dan pelaksanaan yang baik membuat perbedaan besar dengan SPF nyata, dan keterampilan instalasi langka di banyak negara.

Proyek nyata, diukur

Proyek	Dimana, kapan	Skala	Apa yang dilaporkan
(Inggris) Fraunhofer ISE field test, WPsmart di situs web resmi	Jerman, rumah yang ada dibangun antara 1850 dan 2001, pemantauan dari tahun 2017	Sistem sumber udara dan sumber tanah di rumah yang dihuni	SPF tahunan: sumber tanah sekitar 4.1 (kisaran sekitar 3.3 hingga 4.7), sumber udara sekitar 3.1 (kisaran sekitar 2.5 hingga 3.8) (Fraunhofer ISE)
Sistem geotermikal Universitas Ball State	Muncie, Indiana, Amerika Serikat, selesai 2017	Sekitar 3.600 lubang bor, dua stasiun energi, sekitar $ 65 juta	Menggantikan semua empat boiler batubara; universitas berkomitmen untuk hampir 80.000 ton per tahun kurang gas rumah kaca (Wikipedia)
Eversource pilot geotermal terhubung	Framingham, Massachusetts, Amerika Serikat, 2024	Sekitar tiga lusin rumah dan gedung pemerintahan di satu mil loop	Jaringan termal pertama yang dijalankan oleh utilitas di AS; gedung administrasi sekolah, stasiun pemadam kebakaran dan perumahan umum di antara penggunanya; sekitar $18.6 juta; jaringan ini direncanakan akan berlipat ganda dalam ukuran (PBS NewsHour, 2025)
Universitas Colorado Mesa	Grand Junction, Colorado, Amerika Serikat	16 bangunan, 1.2 juta kaki persegi, di lingkaran lingkungan yang sama	Memberikan 90% dari pemanasan dan pendingin kampus; universitas melaporkan $1.5 juta per tahun penghematan energi (US DOE case study)
Skema Perbaikan Boiler	Inggris dan Wales, 2022 sampai 2026	82.651 hibah dibayarkan untuk pompa panas dan boiler biomassa pada April 2026	Sumber tanah adalah minoritas kecil: 98% aplikasinya untuk pompa panas udara-ke-air (DESNZ, 2026)

Jaringan pemanas generasi kelima Eropa, lingkaran suhu lingkungan yang berbagi panas antara gedung melalui pompa panas individu, telah ditinjau di lusinan situs (Buffa et al., 2019). Efisiensi mereka sangat tergantung pada seberapa baik pemanasan dan pendinginannya.

Berapa harganya

Pompa panas tidak menghasilkan listrik, sehingga perbandingan dengan benchmark kami di seluruh situs (surya atap sekitar $0.19 per kWh dalam model Fan Wall, dalam rentang Lazard Juni 2026 dari $0.09 to $0.20 untuk surya atap komersial) adalah tidak langsung: pompa panas sumber tanah mengubah setiap kWh listrik surya menjadi sekitar empat kWh panas. Pesaing langsung adalah boiler gas, dan ukuran yang adil adalah biaya per kWh panas, termasuk instalasi.

Kami menggunakan angka-angka Inggris karena mereka adalah publik dan baru: median biaya terpasang dari Boiler Upgrade Scheme untuk Januari hingga Maret 2026 (£27.352 untuk sumber tanah, £13.100 untuk sumber udara, keduanya termasuk pajak) (DESNZ); hibah £7,500; harga-cap unit tarif untuk Oktober hingga Desember 2026 dari 26.32p per kWh listrik dan 7.97p per kWh gas (Simpan); SPF lapangan Fraunhofer; sebuah rumah menggunakan 12.000 kWh panas per tahun; dan 20 tahun dengan diskon 7% nyata, seperti pada halaman angin kami. untuk boiler gas kita asumsikan £3.000 dipasang dan efisiensi 90%.

Sistem pemanasan	Biaya terpasang	Biaya berjalan per kWh panas	Total biaya per kWh panas, tanpa subsidi	Dengan hibah £7,500
Boiler gas	£3,000 (diduga)	8.9p	11.2p	tidak layak
Pompa panas sumber udara, SPF 3.1	£13,100	8.5p	18.8p	13.9p
Pompa panas sumber tanah, SPF 4.1	£27,352	6.4p	27.9p	22.0p

*Perhitungan kami. Biaya tetap dan pemeliharaan tidak termasuk; mereka mirip di seluruh pilihan. *

Meja ini tidak nyaman, dan seharusnya juga tidak. Berdasarkan harga di Inggris, pompa panas dari sumber tanah untuk rumah tunggal membutuhkan biaya sekitar dua kali lebih banyak per kWh panas daripada gas, bahkan dengan bantuan hibah, hampir seluruhnya karena instalasi. Biaya operasionalnya sudah lebih rendah. Gambar berubah ketika:

• Listrik lebih murah dibandingkan gas, seperti di Swedia, Norwegia dan Prancis, atau dengan tarif waktu penggunaan.
• Loop tanah bertahan lebih dari 20 tahun. Borehole yang terpasang dengan baik diharapkan dapat bertahan lebih lama daripada beberapa pompa panas; tersebar selama 50 tahun bukan 20, biaya tahunan loop turun sekitar seperempat.
• Banyak bangunan berbagi satu borefield, memotong desain, mobilisasi dan biaya pengeboran per rumah, dan membiarkan beban pendingin mengisi ulang tanah.
• Alternatifnya adalah minyak, LPG atau pemanas listrik langsung, yang lebih mahal dari gas.
• Gedung ini membutuhkan pendingin serta pemanas, yang sistem yang sama menyediakan dengan sedikit biaya tambahan.

Di mana ia bisa menang, dan di mana ia tidak dapat

Ia bisa menang:

• Kampus, rumah sakit, kantor dan perumahan baru, di mana satu lapangan bor melayani banyak bangunan dan pemanasan dan pendingin diperlukan.
• Rumah dan peternakan yang tidak menggunakan gas menggantikan minyak atau LPG.
• Iklim dingin, di mana pompa panas sumber udara berjuang dalam minggu-minggu terdingin dan tanah menjaga suhunya.
• Jalan-jalan membangun kembali jaringan gas mereka. Jaringan termal yang dikelola oleh utilitas, seperti Framingham, dapat menggantikan pipa gas tua dengan siklus air bersama.
• Gedung baru, di mana lubang bor dapat dibor sebelum fondasi dan pemanasan lantai menjaga suhu aliran rendah.

Ia tidak bisa menang:

• Rumah tunggal yang ada di mana gas murah dan listrik mahal, seperti yang ditunjukkan oleh tabel biaya, kecuali harga instalasi turun tajam.
• Blok kota tua yang padat tanpa ruang untuk menggali.
• Gedung yang kurang terisolasi dengan radiator kecil, sampai gedungnya diperbaiki.
• Seperti sumber listrik. Ia menggunakan listrik; ia tidak membuatnya.

Apa yang terbukti, masuk akal dan spekulatif

Diuji: batas Carnot dan pentingnya kenaikan suhu rendah; suhu tanah yang stabil; SPF tahunan diukur di lapangan sekitar 4 untuk sistem sumber tanah yang dirancang dengan baik; operasi yang dapat diandalkan selama beberapa dekade di Swedia, Swiss, Jerman dan Amerika Utara; sistem skala kampus menggantikan batubara dan gas.

Plausible: jaringan termal milik utilitas yang membuat panas dari sumber tanah terjangkau untuk jalan-jalan biasa; pengeboran yang jauh lebih murah melalui rig yang lebih baik, desain standar dan skala; borefields yang menyimpan panas musim panas untuk digunakan di musim dingin.

Spekulasi: biaya instalasi yang dekat dengan boiler gas untuk rumah tunggal; pompa panas yang jauh melebihi 60% dari batas Carnot di lapangan; sumur dalam (500 m dan lebih) menjadi cukup murah untuk penggunaan kota padat.

Pertanyaan penelitian terbuka

• Penyedot yang lebih murah. Pengeboran dapat menjadi biaya terbesar dari sistem sumber tanah. Peralatan yang lebih cepat, array yang lebih dangkal dan padat, tumpukan energi di fondasi dan pengeboran arah horizontal semua memerlukan data biaya nyata.
• Desain jaringan. Bagaimana ukuran lingkaran dan lapangan yang dibagikan sehingga pemanasan dan pendingin seimbang selama beberapa dekade, dan siapa yang harus memilikinya.
• Performa nyata dalam skala. Pemantauan independen dari jaringan seperti Framingham: SPF tahunan, energi pembangkit, tren suhu tanah dan tagihan pelanggan.
• Low-GWP refrigerants. Propane dan CO2 pompa panas dengan efisiensi tinggi dan instalasi aman di dalam ruangan.
• Grid effects. Bagaimana jutaan pompa panas mengubah permintaan puncak musim dingin, dan bagaimana sistem sumber tanah menguranginya dibandingkan dengan sumber udara.
• Retrofit pathways. Pesanan termurah dari insulasi, upgrade radiator dan pompa panas untuk berbagai jenis rumah.

Apa yang diperlukan untuk membuat prototipe

Pompa panas sendiri sudah matang; ide-ide yang berguna adalah ground loop yang lebih murah, jaringan bersama dan kontrol yang lebih pintar. Model yang bekerja harus memberikan panas yang diukur, dengan listrik yang diukur masuk dan panas keluar.

Fase	Bekerja	Keputusan yang memungkinkan	Biaya kasar	Waktu
1. Meja belajar	Permintaan panas dari bangunan nyata, data tanah dari survei geologis, desain loop dengan perangkat lunak standar, kutipan biaya dari bor	Apakah idenya lebih murah per kW daripada sumur bor saat ini?	$5k to $20k	2 sampai 3 bulan
2. Uji loop	Satu lubang bor atau satu desain baru ground-echanger dengan tes respon termal, pompa panas kecil, pemanas dan meter listrik, sensor suhu tanah	Ukuran panas per meter dan SPF selama musim dingin	$30k to $80k	6 sampai 12 bulan
3. pilot jalanan	5 sampai 20 bangunan pada satu loop, satu tahun data meteran, tagihan pelanggan	Biaya nyata per rumah dan per kWh panas	$0.5M to $3M	18 sampai 24 bulan

Siapa yang kita butuhkan

• Geolog dan hidrogeolog untuk membaca tanah dan model borefields.
• Kontraktor pengeboran bersedia untuk menguji metode baru dan berbagi biaya nyata.
• Insinyur pompa panas dan HVAC untuk desain, pelaksanaan dan pemantauan.
• District energy and utility planners untuk jaringan yang dibagi dan model kepemilikan.
• Spesialis fisika bangunan untuk pengurutan retrofit dan emitor suhu rendah.
• Para ekonom dan perancang tarif untuk membayar panas secara adil dan menghargai fleksibilitas.

Kau punya ide yang lebih baik?

Beberapa anggota Yayasan mungkin memiliki kontak yang bisa mendengarkan ide energi yang kuat. Untuk diluncurkan, sebuah ide membutuhkan bekerja, model kehidupan nyata yang sebenarnya menghasilkan daya; untuk ide panas seperti ini, itu berarti model yang memberikan pemanasan diukur, dengan keluaran dan penggunaan listriknya tercatat pada instrumen, tidak diklaim. Ide-ide kertas juga disambut: jika fisika dan angkanya kuat, kami bisa menerbitkannya di sini di situs web. Namun, mengumpulkan modal tanpa model yang bekerja sangat sulit, dan tidak ada jaminan pendanaan, keuntungan atau pengenalan.

Kirim ide Anda melalui formula kontribusi dengan masalah yang dipecahkan, periksa fisika, biaya kasar per kWh panas, dan tes termurah yang dapat membuktikan bahwa itu salah. Jika Anda memiliki model kerja, masukkan keluaran yang diukur dan bagaimana Anda mengukurnya. Halaman sumber energi membandingkan ini dan alternatif lainnya pada radar ide.

Sumber

1. Wikipedia. Ball State University: sistem geothermal selesai pada 2017.
2. IEA (2022). Masa Depan Pompa Panas.
3. Fraunhofer ISE. WPsmart im Bestand: heat pumps in existing buildings, field test (dalam bahasa Jerman).
4. Wikipedia. Ground source heat pump: kedalaman sumur bor, suhu tanah dan gradien geotermal.
5. Departemen Keamanan Energi dan Net Zero (2026). Boiler Upgrade Scheme statistics, April 2026, tabel Q1.1A dan 1.1.
6. Ofgem (2026). Harga satuan harga energi, 1 Oktober hingga 31 Desember 2026.
7. PBS NewsHour (2025). Aliansi yang tidak mungkin membangun jaringan energi geotermal yang lebih bersih di komunitas Massachusetts.
8. Departemen Energi Amerika Serikat. Geothermal heat pump case study: Colorado Mesa University.
9. (Inggris) Buffa, S., Cozzini, M., D’Antoni, M., Baratieri, M. and Fedrizzi, R. (2019). 5th generation district heating and cooling systems: a review of existing cases in Europe (dalam bahasa Inggris). Energi Terbarukan dan Berkelanjutan Review 104, 504-522.
10. Staffell, I., Brett, D., Brandon, N. dan Hawkes, A. (2012). Sebuah tinjauan dari pompa panas domestik. Energy and Environmental Science 5, 9291.
11. Lazard (Juni 2026). Levelized Cost of Energy+, versi 19.
12. Local Solar System Yayasan. Model terbuka Fan Wall: benchmark surya atap sebesar $0.19 per kWh.