Žemės šilumos siurbliai

2017 m. Ball State universitetas Indianoje uždarė paskutinius keturis anglimi kūrenamus katilus, kurie dešimtmečius šildė savo miestelį. Vietoj jų po žeme buvo išgręžta apie 3600 gręžinių ir per dvi energijos stotis jie prijungti prie šilumos siurblių, kurie šildo ir vėsina universiteto miestelį. 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).

Geoterminis šilumos siurblys nėra naujas energijos šaltinis. Tai yra daugiklis: naudoja elektros energiją, kad perkeltų žemės paviršiuje esančią šilumą į pastatą, ir kiekvienam sunaudotam elektros energijos vienetui tiekia nuo trijų iki penkių šilumos vienetų (IEA, 2022 m.). Tai brandus, patikimas ir tylus. Tai taip pat brangu įdiegti, todėl šiame puslapyje praleidžiama tiek laiko, kiek kainuoja fizika.

Kas tai yra

Žemės šilumos siurblys susideda iš trijų dalių: a įžeminimo kilpa plastiko vamzdžio, palaidoto tranšėjose arba nuleistas į gręžinius, pripildytas vandens ir antifrizo; Šilumos siurblys šaldytuvo dydžio, paprastai patalpose; ir šilumos paskirstymo sistema, pavyzdžiui, radiatorių ar grindinio šildymo. Žiemą kontūro skystis surenka šilumą iš žemės, o šilumos siurblys ją koncentruoja iki 35–55 °C namo temperatūros. Vasarą ta pati mašina gali veikti atbuline eiga, vėsindama pastatą ir perduodama šilumą į žemę.

Maži namai su sodais gali naudoti horizontalias kilpas, išdėstytas nuo 1 iki 2 m gylio. Dauguma kitų pastatų naudoja vertikalius gręžinius, paprastai nuo 15 iki 150 m gylio; atskiram namui, kuriam reikia 10 kW šilumos, gali prireikti trijų gręžinių nuo 80 iki 110 m (Wikipedia, Ground source heat pump). Visos gatvės ir miesteliai gali pasidalinti vieną lauką gręžinių per šilumos tinklo įrengimas: aplinkos temperatūros vandens kontūras, jungiantis daugelį pastatų, kiekvienas su savo šilumos siurbliu.

Kaip tai veikia

Šilumos siurblys yra šaldytuvas, išverstas iš apačios į viršų. Darbinis skystis (šaltnešis) išgaruoja esant žemai temperatūrai šilumokaityje, prijungtame prie įžeminimo kontūro, sugeriant šilumą. Kompresorius suspaudžia garus, dėl to pakyla jų temperatūra. Antrame šilumokaityje jis kondensuojasi ir išskiria šią šilumą į vandenį, einantį į radiatorius. Išsiplėtimo vožtuvas sumažina slėgį ir ciklas prasideda iš naujo.

Daugintuvas. Pateikta šiluma, padalinta iš sunaudotos elektros energijos, yra našumo koeficientas, COP. Geriausias bet kurio šilumos siurblio pasiekimas yra Carnot COP:

COP_max = T_hot / (T_hot − T_cold), su temperatūra kelvinais.

Vanduo, tiekiamas esant 40 °C (313 K) temperatūrai iš žemės esant 5 °C (278 K) temperatūrai po šilumokaičio nuostolių, duoda 313 / 35 ≈ 8.9. Tikrosios mašinos pasiekia maždaug pusę Karno skaičiaus, taigi apie 4.5. Iš lygties tiesiogiai išplaukia du dalykai:

• Kėlimas yra svarbesnis už viską. Kiekvienas laipsnis tarp šaltinio ir radiatorių kainuoja efektyvumą. Pakėlus srauto temperatūrą nuo 35 °C iki 55 °C, mūsų modeliuotas žemės šaltinio COP sumažėja nuo maždaug 4,5 iki 3,0. Didesni radiatoriai arba grindinis šildymas, veikiantys esant žemesnei temperatūrai, daro kiekvieną šilumos siurblį geresnį.
• Šaltinio temperatūra yra svarbi. Lauko oras šalčiausias būtent tada, kai šilumos reikia labiausiai. Esant −7 °C ir 55 °C srauto temperatūrai, oro šaltinio įrenginys mūsų modelyje nukrenta iki maždaug 2,3; žemė, esant maždaug 10 °C, suteikia 3,0 esant tokiai pačiai srauto temperatūrai. Tai yra visas žemės pranašumas.

Žemė yra lėta baterija. Keliais metrais žemiau dienos svyravimai išnyksta; 10-20 m gylyje žemė yra arti vidutinės metinės oro temperatūros, o giliau ji šildoma apie 0,025 °C metrui (Vikipedija, Žemės šilumos siurblys). Šiluma jame daugiausia ateina iš Saulės, šildančios paviršių, o ne iš Žemės branduolio. Gręžinys, kuris išgauna tik šilumą, lėtai aušina aplink jį esančią uolieną, o tankiai supiltas gręžinių laukas gali atvėsti greičiau nei žemė atsinaujina. Šilumos grąžinimas vasarą, vėsinant pastatus, padeda išlaikyti pusiausvyrą. Štai kodėl bendrai naudojami tinklai, kuriuose šildymo ir vėsinimo apkrovos yra sujungtos, veikia taip gerai.

Sezoninis skaičius. COP duomenų lape yra matuojamas vieno bandymo sąlygomis. Svarbus sezoninis našumo koeficientas (SPF): per metus tiekiama šiluma, padalinta iš visos suvartojamos elektros energijos, įskaitant siurblius ir atsarginius šildytuvus. Lauko bandymuose matuojamas SPF, kuris visada yra mažesnis nei laboratorinių tyrimų metu nustatytas COP.

Ribos

• Fizika. Karno riba riboja COP tam tikram liftui; jokio šaltnešio ar kompresoriaus iš jos neištrūksta. Tikros mašinos jau yra maždaug pusėje, o geriausios - šiek tiek daugiau.
• Žemės pajėgumas. Kiekvienas gręžinio metras gali suteikti tik kelias dešimtis vatų šilumos, priklausomai nuo uolienos ir požeminio vandens, todėl pastato šilumos poreikis lemia, kiek metrų reikia išgręžti. Gręžimas yra didžiausia viena išlaidų.
• Erdvė ir prieiga. Gręžimo įrenginiams reikia prieigos; tankūs miesto kvartalai, įrašyti pastatai ir maži sklypai gali neturėti kur gręžti.
• Statybos kokybė. Nesandariam namui su mažais radiatoriais reikia aukštos srauto temperatūros, kuri sumažina COP; izoliacija ir didesni spinduliuotojai dažnai yra svarbiausi.
• Elektros kainos. Veikimo sąnaudos priklauso nuo elektros energijos kainos, padalintos iš jos pakeičiamo kuro kainos. Kai elektros kaina už kWh yra daugiau nei tris kartus didesnė nei dujų, pavyzdžiui, Jungtinėje Karalystėje, šilumos siurbliui reikia beveik 3 metų COP, kad būtų galima kompensuoti eksploatavimo išlaidas.
• Įgūdžiai. Geras dizainas ir paleidimas daro didelį skirtumą nuo tikrųjų SPF, o montuotojų įgūdžių daugelyje šalių trūksta.

Realūs projektai, išmatuoti

Projektas	Kur, kada ir kodėl	Mastelis	Apie ką pranešama
Fraunhofer ISE lauko bandymas, WPsmart sandėlyje	Vokietija, esami namai pastatyti nuo 1850 iki 2001 m., stebėjimas nuo 2017 m.	Oro ir antžeminės sistemos gyvenamuosiuose namuose	Metinis SPF: antžeminio šaltinio apie 4,1 (diapazonas nuo 3,3 iki 4,7), oro šaltinio apie 3,1 (diapazonas nuo 2,5 iki 3,8) (Fraunhofer ISE)
Ball State universiteto geoterminė sistema	Muncie, Indiana, JAV, baigtas 2017	Apie 3600 gręžinių, dvi energijos stotys, apie $65 milijonų	Replaced all four coal-fired boilers; the university committed to nearly 80,000 tons a year less greenhouse gas (Wikipedia)
Eversource tinklo geoterminis pilotas	Framingham, Masačusetsas, JAV, 2024	Apie tris dešimtis namų ir savivaldybių pastatų vienos mylios kilpoje	Pirmasis komunalinių paslaugų valdomas šilumos tinklas JAV; mokyklos administracijos pastatas, gaisrinė ir viešieji būstai tarp naudotojų; apie 18,6 milijono dolerių; planuojama, kad tinklo dydis padvigubės (PBS NewsHour, 2025)
Kolorado Mesa universiteto geografinis keitimasis	Grand Džanksonas, Koloradas, Jungtinės Valstijos	16 pastatų, 1,2 milijono kvadratinių pėdų, bendras aplinkos garsas	Užtikrina 90 % universiteto miestelio šildymo ir vėsinimo; universitetas praneša apie 1,5 mln. JAV dolerių per metus sutaupytą energiją (JAV DOE atvejo tyrimas)
Katilo atnaujinimo schema	Anglija ir Velsas, 2022–2026 m.	82,651 grants paid for heat pumps and biomass boilers by April 2026	Žemės energijos šaltinis yra nedidelė mažuma: 98 % paraiškų buvo pateikta dėl oro-vandens šilumos siurblių (DESNZ, 2026)

Europos penktosios kartos šilumos tinklai, aplinkos temperatūros kilpos, kurios dalijasi šiluma tarp pastatų per individualius šilumos siurblius, buvo apžvelgti dešimtyse vietų (Buffa et al., 2019). Jų efektyvumas labai priklauso nuo to, kaip gerai šildymo ir vėsinimo poreikiai yra subalansuoti.

Kiek tai kainuoja

A heat pump does not generate electricity, so the comparison with our site-wide benchmark (rooftop solar at about $0.19 per kWh in the Fan Wall model, within Lazard’s June 2026 range of $0.09 to $0.20 for commercial rooftop solar) is indirect: a ground-source heat pump turns each kWh of that solar electricity into about four kWh of heat. Tiesioginis konkurentas yra dujinis katilas, o sąžiningas matas yra kaina už kWh šilumos, įskaitant montavimą.

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.

Šildymo sistema	Įrengimo kaina	Veikimo sąnaudos už kWh šilumos	Bendros šilumos kWh sąnaudos, be subsidijos	Su £ 7,500 dotacija
Dujų katilas	£3,000 (manoma)	8,9p	11.2p	netinkamas
Oro šilumos siurblys, SPF 3.1	£13,100	8,5p	18.8p	13.9p
Žemės šilumos siurblys, SPF 4.1	£27,352	6.4p	27.9p	22.0p

• Mūsų skaičiavimas. Nuolatiniai mokesčiai ir priežiūra neįskaičiuoti; jie yra panašūs visoms parinktims.*


Stalo nepatogu, ir taip turėtų būti. Didžiosios Britanijos kainomis grunto šilumos siurblys vienam namui kainuoja apie du kartus daugiau už kWh šilumos nei dujos, net su dotacija, beveik vien tik dėl įrengimo. Veikimo sąnaudos jau yra mažesnės. Paveikslėlis pasikeičia, kai:

• Elektra yra pigesnė, palyginti su dujomis, kaip Švedijoje, Norvegijoje ir Prancūzijoje, arba naudojant laiko tarifą.
• Grundo kontūras tarnauja ilgiau nei 20 metų. Tikimasi, kad gerai įrengti gręžiniai išlaikys kelis šilumos siurblius; paskirstyti per 50 metų vietoj 20, metinės kontūro sąnaudos sumažėja maždaug ketvirtadaliu.
• Daugelis pastatų dalijasi vienu gręžiniu, pjovimo projektavimas, mobilizavimas ir gręžimo išlaidos vienam namui, ir leidžiant aušinimo apkrovoms įkrauti žemę.
• Alternatyva yra alyva, SND arba tiesioginis elektrinis šildymas, kuris kainuoja daugiau nei dujos.
• Pastatui reikia tiek vėsinimo, tiek šildymo, kuriuos už nedidelę papildomą kainą suteikia ta pati sistema.

Kur ji gali laimėti, o kur negali

Ji gali laimėti:

• Universitetų miesteliai, ligoninės, biurai ir nauji gyvenamieji kvartalai, kur vienas gręžinio laukas aptarnauja daug pastatų ir reikia tiek šildymo, tiek vėsinimo.
• Ne dujų tinklo namuose ir ūkiuose pakeičiant naftą ar SND.
• Šalto klimato šalys, kur oro šilumos siurbliai kovoja šalčiausiomis savaitėmis ir žemė išlaiko savo temperatūrą.
• Gatvės pertvarko savo dujų tinklą. Komunalinių paslaugų valdomi šilumos tinklai, kaip antai Framingham’as, galėtų pakeisti senėjančius dujotiekius bendrais vandens kontūrais.
• Nauji pastatai, kur gręžiniai gali būti išgręžti prieš pamatus ir grindų šildymas palaiko žemą srauto temperatūrą.


Jis negali laimėti:

• Vienviečiai esami namai, kuriuose dujos yra pigios, o elektra brangi, kaip rodo sąnaudų lentelė, nebent įrengimo kaina smarkiai sumažėtų.
• Tankūs, seni miesto kvartalai be vietos gręžti.
• Blogai izoliuoti pastatai su mažais radiatoriais, kol pastatas bus pagerintas.
• Kaip elektros šaltinis. Jis naudoja elektrą; jis jos nedaro.

Kas yra įrodyta, tikėtina ir spekuliacinė

Patikrinta: Karno riba ir žemos temperatūros pakilimo svarba; stabili grunto temperatūra; lauko išmatuoti metinės SPF apie 4 gerai suprojektuotoms antžeminėms sistemoms; dešimtmečiais patikimas veikimas Švedijoje, Šveicarijoje, Vokietijoje ir Šiaurės Amerikoje; universiteto mastu sistemos pakeičiančios anglį ir dujas.

Galimas: komunalinėms įmonėms priklausantys šilumos tinklai, kurie leidžia įprastoms gatvėms naudotis prieinama grunto šiluma; daug pigesnis gręžimas naudojant geresnes platformas, standartinius projektus ir mastą; gręžinių laukai, kuriuose vasaros šiluma kaupiama žiemos naudojimui.

Spekuliacinis: įrengimo išlaidos yra panašios kaip ir vienbučių namų dujinio katilo; šilumos siurbliai gerokai viršija 60 % Karno ribą lauke; gilūs gręžiniai (500 m ir daugiau) tampa pakankamai pigūs, kad juos būtų galima naudoti tankiai gyvenamuose miestuose.

Atviri tyrimo klausimai

• Pigesnis gręžimas. Gręžimas gali būti didžiausia žemės šaltinio sistemos kaina. Greitesniems įrenginiams, seklesnėms tankių masyvų gręžimo platformoms, energijos poliams pamatuose ir horizontaliam kryptiniam gręžimui reikia realių sąnaudų duomenų.
• Tinklo projektavimas. Kaip išmatuoti bendrus kontūrus ir gręžinius, kad šildymas ir vėsinimas būtų subalansuotas per dešimtmečius, ir kam jie turėtų priklausyti.
• Tikroji galia dideliu mastu. Nepriklausomas tinklų, tokių kaip Framingham’s, stebėjimas: metinis SPF, siurbimo energija, žemės temperatūros tendencijos ir klientų sąskaitos.
• Mažo GWP šaltnešiai. Propano ir CO2 šilumos siurbliai, pasižymintys dideliu efektyvumu ir saugiu montavimu patalpose.
• Tinklelio efektai. Kaip milijonai šilumos siurblių keičia žiemos piko poreikius ir kaip antžeminės sistemos sumažina juos, palyginti su oro šaltiniu.
• Remontuojame kelius. Pigiausi šilumos siurbliai, radiatorių atnaujinimai ir izoliacija įvairiems namų tipams.

Ko reikėtų darbiniam prototipui

Šilumos siurbliai yra brandūs; naudingos idėjos yra pigesnės žemės grandinės, bendri tinklai ir išmanesnis valdymas. Darbinis modelis turėtų tiekti išmatuotą šilumą, su išmatuota elektros energija ir šiluma.

Fazė	Darbas	Sprendimas, kurį jis leidžia	Apytikslė kaina	Laikas
1. Dokumentinis tyrimas	Tikrų pastatų šilumos poreikis, grunto duomenys iš geologinių tyrimų, kontūro projektavimas su standartine programine įranga, gręžėjų kainos pasiūlymai	Ar idėja pigesnė už kW nei šiandieniniai gręžiniai?	$5k to $20k	2-3 mėnesiai
2. Bandymo ciklas	Vienas gręžinys arba vienas naujas grunto šilumokaičio projektas su šiluminio atsako bandymu, mažas šilumos siurblys, šilumos ir elektros skaitikliai, grunto temperatūros jutikliai	Išmatuota šiluma metrui ir SPF per žiemą	$30k to $80k	6–12 mėnesių
3. Gatvės pilotas	Nuo 5 iki 20 pastatų bendrame kontūre, vienerių metų matavimo duomenys, klientų sąskaitos	Tikrosios išlaidos vienam namui ir vienai šilumos kWh	$0.5M to $3M	18–24 mėnesiai

Ko mums reikia

• Geologai ir hidrogeologai skaityti žemės ir modelio gręžinių laukus.
• Gręžimo rangovai nori išbandyti naujus metodus ir pasidalinti realias išlaidas.
• Šilumos siurbliai ir ŠVOK inžinieriai projektavimo, paleidimo ir stebėsenos.
• Rajonų energijos ir komunalinių paslaugų planuotojai, skirti bendriems tinklams ir nuosavybės modeliams.
• Pastatų fizikos specialistai modernizavimo seka ir žemos temperatūros spinduotojai.
• Ekonomistams ir tarifų formuotojams sąžiningai įkainioti šilumą ir atlyginti už lankstumą.

Turite geresnę idėją?

Kai kurie fondo nariai gali turėti kontaktų, kurie galėtų išgirsti stiprios energijos idėjos idėją. Kad būtų įgyvendinta, idėjai reikia veikiančio, realaus modelio, kuris iš tikrųjų gamina energiją; šilumos idėjai, kaip ši, tai reiškia modelį, kuris tiekia išmatuotą šilumą, o jos išvestis ir elektros energijos suvartojimas registruojami prietaisuose, o ne reikalaujami. Taip pat laukiame ir popierinių idėjų: jei fizikos ir skaičių pagrindai yra tvirti, galime jas paskelbti čia, svetainėje. Tačiau pritraukti kapitalą be veikiančio modelio yra labai sunku, ir niekas čia nėra finansavimo, grąžos ar įvedimo pažadas.

Siųskite savo idėją per įnašo formą su problema, kurią ji išsprendžia, fizikos patikra, apytiksle kaina už kWh šilumos ir pigiausiu bandymu, kuris galėtų įrodyti, kad ji neteisinga. Jei turite veikiantį modelį, įtraukite jo išmatuotą rezultatą ir kaip jį išmatavote. energijos šaltinių puslapis palygina šią ir kitas alternatyvas idėjų radare.

Šaltiniai

1. Vikipedijos. Ball State University: geoterminė sistema baigta 2017 metais.
2. IEA (2022). Šilumos siurblių ateitis.
3. Fraunhoferio institutas. WPsmart im Bestand: šilumos siurbliai esamus pastatus, lauko bandymas.
4. Vikipedijos. Grunto šilumos siurblys: gręžinio gylis, grunto temperatūra ir geoterminis gradientas.
5. Energetikos saugumo ir nulinės taršos departamentas (2026 m.) Katilų atnaujinimo schemos statistika, 2026 m. balandžio mėn., lentelės Q1.1A ir 1.1.
6. Ofgem (2026). Energijos kainų viršutinės ribos vieneto įkainiai, 2026 m. spalio 1 d.–gruodžio 31 d..
7. PBS NewsHour (2025). Neįtikėtinas aljansas stato švaresnį geoterminio energijos tinklą Masačusetso bendruomenėje.
8. JAV energetikos departamentas. Geoterminio šilumos siurblio atvejo tyrimas: Kolorado Mesa universitetas.
9. Buffa, S., Cozzini, M., D’Antoni, M., Baratieri, M. ir Fedrizzi, R. (2019). 5-osios kartos centralizuoto šilumos ir vėsumos tiekimo sistemos: esamų atvejų Europoje apžvalga. Atsinaujinančiųjų išteklių ir tvarios energijos apžvalgos 104, 504-522.
10. Staffell, I., Brett, D., Brandon, N. ir Hawkes, A. (2012). Buitinių šilumos siurblių apžvalga. Energetikos ir aplinkos mokslai 5, 9291.
11. Lazard (June 2026). Levelized Cost of Energy+, 19 versija.
12. Local Solar System Fondas. Ventiliatoriaus sienos atviras modelis: stogo saulės energijos lyginamasis rodiklis yra 0,19 USD už kWh.
13. Kusuda, T. ir Achenbach, P.R. (1965). Žemės temperatūros ir šilumos difuzijos pasirinktose stotyse Jungtinėse Amerikos Valstijose. National Bureau of Standards Report 8972.
14. Vikipedijos. Garų suspaudimo šaldymas: garintuvas, kompresorius, kondensatorius ir plėtimosi vožtuvas.
15. Vikipedijos. Kryptinis gręžimas: betranšėjinis gręžimas sekliu lanku.