Жер астындагы жылуулук насосу

2017-жылы Индиана штатындагы Болл-Стейт университети он жыл бою кампусун жылыткан төрт көмүр менен иштеген казандын акыркысын жабды. Алардын ордуна, ал жер алдында 3600гө жакын бургулоо иштерин жасап, аларды эки энергостанция аркылуу кампусту жылытып жана муздаткан жылуулук насосторуна туташтырды. 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).

Жер астындагы жылуулук насосу жаңы энергия булагы эмес. Бул мультипликатору: ал электр энергиясын жердин ичиндеги жылуулукту имаратка өткөрүү үчүн колдонот, жана ал колдонгон ар бир электр энергиясы үчүн үчтөн бешке чейинки ысык берүүчү единицаларды берет (IEA, 2022). Ал мыкты, ишенимдүү жана тынч. Аны орнотуу да кымбатка турат, ошондуктан бул барак физикага караганда чыгымдарга көп убакыт сарптайт.

Бул эмне

Жер астындагы жылуулук насосу үч бөлүгүнөн турат: жер астындагы спираль, ал суу жана антифриз менен толтурулган пластмассадан жасалган түтүктөн турат, ал траншеяларга же бургулоо чокуларына коюлат; жылуулук насосу, ал муздаткычка окшош өлчөмдө, адатта имараттын ичинде; жана жылытыкты бөлүштүрүү системасы, мисалы радиаторлор же полду жылытуу. Кышында, спиральдагы суюктук жер бетинен жылуулукту алып, аны жылуулук насосу үйгө 35-55 °Cге чейин концентрациялайт. Жай мезгилинде ошол эле машина тескерисинче иштей алат, имаратты муздатып, ысыкты кайрадан жерге кайтарат.

Жаңы курулган үйлөрдүн 1-2 метр тереңдикте горизонталдык катмарлар орнотулат. Башка имараттардын көбү вертикалдык бургулоо жолу менен жылытылышы мүмкүн, алардын тереңдиги 15-150 метр; 10 кВт жылуулук керек болгон жеке үйгө 80-110 метрлик үч бургулоо жолу керек болушу мүмкүн (Wikipedia, Ground source heat pump). Бардык көчөлөр жана кампустар бир бургулоо аянтын термалдык тармак аркылуу бөлүшө алышат: ар бири өз жылуулук насосу менен көп имараттарды байланыштырган айлана-чөйрөнүн температурасы суу цикли.

Кантип иштейт

Жылуулук насосу - бул ичиндеги бөлмөсү сыртка бурулган муздаткычы. Ал эми ысык сууну (көбүнчө муздак сууну) ысытуу үчүн, ал жердеги температураны төмөндөтө турган атайын жабдыктар колдонулат. Компрессор суутек газын кысып, анын температурасын жогорулатат. Ал эми экинчи жылуулук алмаштыргычта ал конденсацияланып, сууга айланып, радиаторлорго кетет. Экспансия клапаны басымды төмөндөтүп, цикл кайрадан башталат.

Мультипликатор. Жылуулуктун берилиши колдонулган электр энергиясына бөлүнүп, бул иштөө коэффициенти, COP. Карно COP

COP_max = T_hot / (T_hot − T_cold), температуралар кельвиндерде

Жердин 5°C (278 K) температурасында 40 °C (313 K) сууну берүү, жылуулук алмаштыргычтын жоготууларынан кийин 313 / 35 ≈ 8.9 берет. Чыныгы машиналар Карнонун санынын жарымына жетет, тагыраагы, болжол менен 4.5ке. Эквиваленттик теңдемеге эки нерсе туура келет:

• Лифт башка нерселерден да маанилүү. Булак менен радиаторлордун ортосундагы ар бир градус эффективдүүлүктү жогорулатат. Жылуулуктун агымын 35°Стен 55°Ске чейин көтөрүү менен, жер үстүндөгү булактардан алынган COP 4.5ден 3.0ге чейин төмөндөйт. Эгерде ысык сууну же жылуулукту жылытуу үчүн колдонсо, анда ал температураны төмөндөтөт.
• Көз карандылык температурасы маанилүү. Тышкы аба эң ысык болгондо, албетте, эң муздак болот. 7 °C жана 55 °C температурада абанын агымы, биздин моделде 2.3ге чейин төмөндөйт; жердин температурасы 10 °C болсо, ошол эле агымдын температурасында 3.0га чейин төмөндөйт. Бул жердин артыкчылыгы.

Жер - бул жай иштей турган батарея. Бир нече метрге ылдый түшкөндө, күн сайын өзгөрүлүп туруучу температура жоголот; 10-20 метрден кийин жердин орточо жылдык абанын температурасы жакындап калат, андан тереңирээк болсо ал метрине 0.025 °C жылыйт (Wikipedia, Ground source heat pump). Күндүн нуру жер бетине тийгенде, ал жердеги суулар жана башка заттар ысыйт. Жылуулукту гана чыгаруучу бургулоо жолу жыл өткөн сайын айланасындагы ташты жай ысытат, ал эми бир топ бургулоо жолу жердин калыбына келишинен да тез ысып кетиши мүмкүн. Жай мезгилинде жылуулукту кайтарып, имараттарды ысытып, балансты сактап калуу. Ошондуктан, ысык жана муздак сууну аралаштырган бөлүштүрүүчү тармактар абдан жакшы иштейт.

Сезондук номер. Спецификациянын бетиндеги COP бир тесттик шартта өлчөнөт. Эң маанилүүсү сезондук эффективдүүлүк фактору (SPF): бир жыл ичинде жеткирилген ысык энергияны, насостор жана резервдик жылыткычтар да кошо эсептегенде, колдонулган электр энергиясына бөлүп алганда. Территориялык тестирлөө SPF өлчөмүн аныктайт, ал лабораториялык COPдон ар дайым төмөн.

Чектөөлөр

• Физика. Карно чектөөсү берилген көтөргүч үчүн COPду чектейт; ал жерден эч кандай муздатуу каражаттары же компрессорлор өтпөйт. Чыныгы машиналар бул көрсөткүчтүн дээрлик жарымында, ал эми эң мыктылары андан да аз көбүрөөк.
• Ground capacity. Бир метрлик бургулоо скважинасы, таштын жана жер астындагы суулардын абалына жараша, бир нече жүз ватт жылуулукту гана өндүрө алат, ошондуктан имараттын жылуулук муктаждыгы канча метрди бургулоо керектигин аныктайт. Бургулоо эң чоң бирдиктүү чыгым.
• Сервис жана жеткиликтүүлүгү. Бургулоо платформаларына жеткиликтүүлүк керек; шаарлардын көп кабаттуу үйлөрүнүн, тарыхый имараттардын жана чакан жер тилкелеринин бургулоого эч кандай мүмкүнчүлүгү жок болушу мүмкүн.
• Курулуштун сапаты. Кичинекей радиаторлору бар, суу чыгып турган үйгө жогорку температура керек, бул COPду төмөндөтөт; изоляция жана чоңураак эмиттерлер көп учурда биринчи орунда турат.
• Электричествонун баасы. Жүргүзүлгөн чыгымдар электр энергиясынын баасына жана аны алмаштырган күйүүчү майдын баасына жараша болот. Эгерде электр энергиясы бир кВт/саат үчүн газга караганда үч эсе кымбат болсо, мисалы, Британияда, жылуулук насосу жылына 3 пайызга жакын COP талап кылат, ал эми бул иштөө чыгымдарынын теңдештирилишин камсыздайт.
• Способности. Хороший дизайн и запуск делают большую разницу с настоящим SPF, а установщики в многих странах не хватает.

Реалдуу долбоорлор, өлчөнгөн

Долбоор	Кайда, качан	Масштаб	Маалымат
Fraunhofer ISE field test, WPsmart колунда	Германия, 1850-2001-жылдары курулган үйлөр, мониторинг 2017-жылдан	Үйдө аба жана жер булагы системалары	Жыл сайын SPF: жер бетиндеги булак 4,1 (диапазону 3,3-4,7), абадагы булак 3,1 (диапазону 2,5-3,8) (Fraunhofer ISE)
Геотермалдык система	Манси, Индиана, АКШ, 2017-жылы бүтүрүлгөн	3600 бургулоо, эки электр станциясы, болжол менен $65 миллион	Replaced all four coal-fired boilers; the university committed to nearly 80,000 tons a year less greenhouse gas (Wikipedia)
Eversource геотермалдык пилоттук тутуму	Фреймингхэм, Массачусетс, АКШ, 2024	About three dozen homes and municipal buildings on a one-mile loop	АКШда биринчи коммуналдык кызмат көрсөтүүчү жылуулук тармагы; мектептин административдик имараты, өрт өчүрүү бекети жана коомдук турак жайлар колдонуучулардын арасында; болжол менен $18.6 миллион; тармактын көлөмүн эки эсеге көбөйтүү пландалууда (PBS NewsHour, 2025)
Колорадо Меса университети	Гранд-Джанкшен	16 имарат, 1.2 миллион чарчы фут, бирдиктүү айлана-чөйрө	Кампустун 90% жылуулук жана суук менен камсыз кылат; университет жылына $1.5 миллион энергияны үнөмдөп жатат (US DOE case study)
Котелдин жаңыртуу схемасы	England and Wales, 2022 to 2026	82,651 grants paid for heat pumps and biomass boilers by April 2026	Жер астындагы булактар азчылыкты түзөт: 98% колдонмолор аба-суу жылуулук насосторуна багытталган (DESNZ, 2026)

Европанын бешинчи муундагы жылуулук тармактары, айлана-чөйрөнүн температурасы менен байланышкан, жеке жылуулук насосторунун жардамы менен имараттар ортосунда ысыкты бөлүшкөн циклдер, ондогон сайттарда текшерилген (Buffa et al., 2019). Алардын эффективдүүлүгү ысытуу жана муздатуу талаптарынын балансына абдан көз каранды.

Баасы

Жылуулук насосу электр энергиясын өндүрөт, ошондуктан биздин сайттын жалпы баалуулугун салыштыруу (Fan Wall модели боюнча жылуулук жылытуу үчүн $0.19/kWh, Lazard’s June 2026 диапазону боюнча $0.09 to $0.20 коммерциялык жылуулук жылытуу үчүн) кыйыр: жер-жерлердеги жылуулук насосу күндүн электр энергиясынын ар бир кВтчын болжол менен төрт кВтч жылуулукка айландырат. Түз атаандашы газ котел, жана алардын ортосундагы айырмачылыкты аныктоо үчүн кВт/саат жылуулук үчүн чыгымдарды эсептеп чыгуу керек.

Биз Британиянын сандарын колдонобуз, анткени алар ачык жана акыркы: 2026-жылдын январь айынан мартка чейинки Боельный модернизациялоо схемасынын орточо орнотулган чыгымдары (жергиликтүү булак үчүн £27,352, аба булагы үчүн £13,100, экөө тең салыктарды кошпогондо) (ДЕСНЗ); £7,500 грант; баасы-кап 2026-жылдын октябрь-декабрь айларында бирдиктүү тарифтер 26.32p кВт / саат электр энергиясы жана 7.97p кВт / саат газ (Сактоо); Фраунгофер аянтынын SPFs; үй жылына 12,000 кВт / саат жылуулукту колдонот; жана 20 жыл 7% реалдуу арзандатуу менен, биздин шамал бетинде. Газ котел үчүн биз £ 3,000 орнотулган жана 90% натыйжалуулугун болжолдойбуз.

Жылуулук системасы	Орнотуу баасы	КВт/саат жылуулуктун бир кВт/саатына кеткен чыгым	Жалпы чыгымдар кВт/саат жылуулук үчүн, грант жок	7500 фунт грант менен
Газ казаны	3,000 фунт (жоопкерчилик)	8.9p	11.2p	жараксыз
Air-source жылуулук насосу, SPF 3.1	£13,100	8.5p	18.8п	13.9p
Жер астындагы жылуулук насосу, SPF 4.1	£27,352	6.4p	27.9п	22.0p

Биздин эсептөө. Жаңылоо жана тейлөө чыгымдары эске алынбайт; алар бардык варианттар үчүн бирдей.

Таблица ыңгайсыз, бирок ошондой болушу керек. Британиядагы баалар боюнча, бир үйгө ылайыкташтырылган жер астындагы жылуулук насосу газга караганда кВт/саат жылытуу үчүн эки эсе кымбат, грант менен да, анткени ал толугу менен орнотулат. Жүргүзүү чыгымдары буга чейин эле төмөн. Сүрөт өзгөргөндө:

• Электр энергиясы газга салыштырмалуу арзан, Швеция, Норвегия жана Францияда болгондой, же убакытка жараша тариф менен.
• Жер астындагы контур 20 жылдан ашык убакытка созулат. Жакшы орнотулган бургулоо бир нече жылуулук насосун сактап калышы күтүлөт; 20 жылдын ордуна 50 жылга созулуп, жылдык контурдун баасы болжол менен төрттөн бири менен төмөндөйт.
• Көбүнчө имараттар бир бургулоо аянтын колдонушат, бул үйгө бөлүнгөн долбоорлоо, мобилизация жана бургулоо чыгымдарын азайтат, ошондой эле жерди муздатуу үчүн заряддарды кайрадан жүктөөгө мүмкүндүк берет.
• Алтернативдүү варианттар - май, суюлтулган газ же түз электр жылытуу, алар газга караганда кымбат.
• Үйдүн жылуулук менен бирге эле ысытуу да керек, ал бир эле системаны аз кошумча чыгым менен камсыз кылат.

Кайсы жерде жеңиши мүмкүн, кайсы жерде жеңиши мүмкүн эмес

Ал жеңиши мүмкүн:

• Кампустуктар, ооруканалар, офистер жана жаңы турак жай комплекстери, бир бургулоо аянты көп имараттарды тейлейт жана ысытуу жана муздатуу керек.
• Газсыз үйлөр жана фермалар, мунай же суюлтулган газды алмаштыруу.
• Суу климаттар, бул жерде аба-көздөн чыккан жылуулук насосу эң суук жумаларда да иштей алат жана жер өз температурасын сактап калат.
• Сулуттар газ тармагын кайра куруу. Фреймингхэмдегидей коммуналдык кызмат көрсөтүүчүлөр тарабынан башкарылуучу жылуулук тармактары эскирген газ түтүктөрүн суу менен камсыздоо тутуму менен алмаштырышы мүмкүн.
• Жаңы имараттар, анда фундаменттен мурун бургулоо иштери жүргүзүлөт жана жер астындагы жылытуу системасы абанын температурасын төмөн кармайт.

Ал жеңе албайт:

• Газ арзан, электр кымбат болгон бир үй, чыгымдар таблицасы көрсөткөндөй, эгерде орнотуу баасы кескин төмөндөбөсө.
• Жаңы шаардын эски блоктору, бургулоо үчүн орун жок.
• Кыска радиаторлору бар, начар изоляцияланган имараттар, имарат жакшыртылганга чейин.
• Электр энергиясынын булагы катары. Ал электр энергиясын колдонот; аны жаратпайт.

Эмне далилденген, ишенимдүү жана спекулятивдүү

Проверено: Карно чекити жана төмөнкү температуранын көтөрүлүшүнүн мааниси; туруктуу жердин температурасы; жакшы иштелип чыккан жер-жердеги системалар үчүн 4 тегерегиндеги жылдык SPF; Швецияда, Швейцарияда, Германияда жана Түштүк Америкада он жыл бою ишенимдүү иштөө; кампус масштабындагы системалар көмүр жана газды алмаштырат.

Плагиат: коммуналдык кызматтарга таандык ысык булактардын тармактары, алар жер астындагы жылуулукту жөнөкөй көчөлөргө жеткиликтүү кылат; жакшы жабдуулар, стандарттуу дизайн жана масштаб аркылуу кымбат бургулоо; жайкы ысыкты кыш мезгилинде колдонуу үчүн сактаган бургулоочу аянттар.

Спекулятивдүү: орнотулган чыгымдар бир үйгө газ котелинин чыгымдарына жакын; жылуулук насосторунун 60% Карно чектөөсүнөн жогору; терең бургулоо (500 м жана андан көп) шаарларда кеңири колдонулуу үчүн жетиштүү арзан болуп калды.

Ачык суроолор

• Кыргызстандын геологиялык изилдөөлөр борбору Жаңы жабдуулар, тереңдикке жакын жайгашкан массивдер, фундаменттеги энергия топтомдору жана горизонталдык бургулоо үчүн реалдуу чыгымдар тууралуу маалыматтар керек.
• Сетевой дизайн. Жалпы колдонулган контурларды жана бургулоо аянттарын канчалык өлчөмдө бөлүштүрүү керек, ошондо жылуулук жана сууктоо бир нече жылдар бою баланста болот, жана ким аларга ээ болушу керек?
• Маскалада реалдуу иштөө. Фреймингхем сыяктуу тармактардын көзөмөлү: жылдык SPF, насостук энергия, жердин температурасынын тенденциясы жана кардарлардын эсеп-фактуралары.
• Гидросфера ысык. Пропан жана CO2 жылуулук насосторунун жогорку натыйжалуулугу жана коопсуз орнотуу.
• Грид эффекттери. Миллиондогон жылуулук насосторунун кыш мезгилиндеги максималдуу керектөөсүн кантип өзгөрткөнү жана жер астындагы системалар аны аба булагы менен салыштырганда кантип азайткандыгы.
• Ретрофит жолдору. Изоляциянын, радиаторлордун жана жылуулук насосторунун ар кандай түрлөрү үчүн эң арзан буйрутма.

Эмнеге прототипке муктаж

Жылуулук насосторунун өздөрү да мыкты; пайдалуу идеялар арзан жер астындагы контурларда, биргелешкен тармактарда жана акылдуу башкарууда. Иштөөчү модель өлчөнгөн жылуулукту, өлчөнгөн электр энергиясын жана өлчөнгөн жылуулукту берүүгө тийиш.

Фаза	Иш	Бул чечимди ишке киргизет	Жалпы чыгым	Убакыт
1. Иш столу	Реалдуу имараттардын жылуулук муктаждыгы, геологиялык изилдөөлөрдүн маалыматтары, стандарттык программа менен циклди долбоорлоо, бургулоонун чыгымдарынын сметасы	Бул идея бүгүнкү бургулоодон арзанбы?	$5k to $20к	2-3 ай
2. Тест цикли	Бир бургулоо же бир жаңы жер-суу алмаштыргычтын дизайны, термикалык реакция тести, кичинекей жылуулук насосу, жылуулук жана электр эсептегичтери, жердин температурасын сезгичтер	Кыш мезгилинде метрге жана SPF-га карата өлчөнгөн жылуулук	$30k to $80к	6-ден 12 айга чейин
3.Стрит-пилот	5-20 имарат бирдиктүү циклде, бир жыл ичинде өлчөнгөн маалыматтар, кардарлардын эсеп-фактуралары	Бир үйгө жана бир кВт/саат жылуулукка болгон реалдуу чыгым	$0.5M to $3М	18-24 ай

Бизге ким керек

• Геологдор жана гидрогеологдор жерди окуп, бургулоо аянттарын моделдештирүүгө.
• Кыруу подрядчылары жаңы ыкмаларды сынап көрүүгө жана реалдуу чыгымдарды бөлүшүүгө даяр.
• Кысык насосу жана HVAC инженерлери дизайн, ишке киргизүү жана мониторинг.
• Райондогу энергия жана коммуналдык кызматтарды пландаштыруучулар бөлүшүлгөн тармактар үчүн жана ээлик моделдери үчүн.
• Строительная физика специалисты для ретрофит секвенирования и низкотемпературных эмиттеров.
• Экономисттер жана тарифтерди иштеп чыгуучу ысык сууну акыйкат баада сатуу үчүн жана ийкемдүүлүк үчүн сыйлык.

Болжолдуу идеяңыз барбы?

Фонддун айрым мүчөлөрүнүн байланыштары болушу мүмкүн, алар күчтүү энергия идеясын угуп калышы мүмкүн. Идеяны сунуштоо үчүн, ага иштөөчү, чыныгы жашоодо энергияны өндүрө турган модель керек; бул сыяктуу ысык идея үчүн, бул өлчөнгөн жылуулукту жеткирүүчү модель, анын чыгарылышы жана электр энергиясын колдонуусу инструменттерде катталган, бирок талап кылынбаган. Эгерде физика жана сандардын ортосундагы байланыш чын болсо, анда биз аларды бул жердеги веб-сайтта жарыялай алабыз. Бирок иштөөчү моделсиз капиталды чогултуу өтө кыйын, жана бул жерде эч нерсе финансылоо, киреше же ишке киргизүү жөнүндө убадалардын бири да жок.

Свое предложение отправьте через форму для внесения вклада с указанием проблемы, которую оно решает, физических проверок, приблизительной стоимости на кВт·ч тепла и недорогого теста, который мог бы доказать его несостоятельность. Эгерде сизде иштей турган модель болсо, анын өлчөмүн жана аны кантип өлчөгөндү көрсөтүңүз. energy sources page бул жана башка альтернативаларды идея радарында салыштырат.

Булактар

1. Википедия Ball State University: геотермалдык система 2017-жылы аяктаган.
2. IEA (2022). Жарыктын келечеги.
3. Фраунгофер атындагы институту. WPsmart im Bestand: existing buildings, field test.
4. Википедия Жер астындагы жылуулук насосу: бургулоо чуңкурунун тереңдиги, жер астындагы температура жана геотермалдык градиент.
5. Department for Energy Security and Net Zero (2026). Боельный модернизационный план статистики, апрель 2026, таблицы Q1.1A и 1.1.
6. Туулган жылы — 2026. Энергетикалык баалардын максималдуу бирдиктүү чендери, 1-октябрдан 31-декабрга чейин 2026.
7. PBS NewsHour (2025). Массачусетс коомунда геотермалдык энергиянын тазартылган тармагын курууга мүмкүн эмес альянс.
8. Энергетика министрлиги. Geothermal heat pump case study: Colorado Mesa University.
9. Buffa, S., Cozzini, M., D’Antoni, M., Baratieri, M. and Fedrizzi, R. (2019). 5-класстагы райондук жылуулук жана муздатуу системалары: Европадагы учурдагы учурлардын талдоосу. 104, 504-522.
10. Staffell, I., Brett, D., Brandon, N. and Hawkes, A. (2012). Жаңы жылуулук насосу. Энергетика жана айлана-чөйрөнү коргоо илимдери 5, 9291.
11. Lazard (June 2026). Энергетиканын жогорулатылган баасы+, 19-версия.
12. Local Solar System Фундамент. The Fan Wall open model: кВт/саатына 0,19 долларга бааланган күн панелдеринин баасы.
13. А.А., Т.Кусуда жана П.Р. Ахенбах (1965). Жердин температурасы жана термалдык диффузиясы Америка Кошмо Штаттарында тандалган станцияларда. National Bureau of Standards Report 8972.
14. Википедия Вар-компрессордук муздатуу: испаритель, компрессор, конденсатор жана кеңейтүү клапаны.
15. Википедия Направленное бурение: скважинасыз буруу төмөнкү дубалдын үстүндө.