Тепловые насосы с использованием грунтовых вод

В 2017 году Университет Болл-Стейт в Индиане закрыл последний из четырёх угольных котлоагрегатов, которые на протяжении десятилетий отопляли его кампус. Вместо этого под его территорией было пробурено около 3600 скважин, которые через две энергостанции были подключены к тепловым насосам, обеспечивающим обогрев и охлаждение 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).

A ground-source heat pump is not a new source of energy. Это множитель: использует электроэнергию для передачи тепла, уже находящегося в земле, в здание и обеспечивает от трех до пяти единиц тепла на каждую единицу потребляемой электроэнергии (МЭА, 2022 год). Это зрелый, надежный и тихий. Это также дорого установить, что является причиной, почему эта страница тратит столько же времени на стоимость, как и на физике.

Что это такое

Тепловой насос с грунтовым источником имеет три части: земляную петлю из пластиковой трубы, закопанной в траншеях или упавшей в скважины, заполненной водой и антифриз; тепловой насос размером с холодильник, обычно в помещении; и система распределения тепла, такая как радиаторы или полы с подогревом. Зимой жидкость в контуре поглощает тепло из земли и тепловой насос концентрирует его до 35-55 ° C для дома. Летом та же машина может работать в обратном направлении, охлаждая здание и возвращая тепло обратно в землю.

В небольших домах с садами можно использовать горизонтальные петли, уложенные на глубину от 1 до 2 м. Большинство других зданий используют вертикальные скважины, как правило, от 15 до 150 м глубиной; отдельно стоящий дом, нуждающийся в 10 кВт тепла может потребоваться три скважины 80-110 м (Wikipedia, Земля источник теплового насоса). Целые улицы и кампусы могут разделять одно поле скважин через тепловая сеть: контур водоснабжения с температурой окружающей среды, соединяющий несколько зданий, каждое из которых имеет свой собственный теплонасос.

Как это работает

Тепловой насос - это холодильник, перевернутый с ног на голову. Рабочая жидкость (хладагент) испаряется при низкой температуре в теплообменнике, подключенном к контуру заземления, поглощая тепло. Компрессор сжимает пар, что повышает его температуру. Во втором теплообменнике он конденсируется и высвобождает это тепло в воду, идущую к радиаторам. Расширительный клапан уменьшает давление и цикл начинается заново.

Множитель. Выделенное тепло, поделенное на потребляемую электроэнергию, является коэффициентом производительности, COP. Лучшее любой тепловой насос может когда-либо сделать это Карно COP:

COP_max = T_hot / (T_hot − T_cold), с указанием температуры в кельвинах.

Подача воды при температуре 40°C (313 K) из грунта при температуре 5°C (278 K) после потерь теплообменника даёт 313 / 35 ≈ 8.9. Реальные машины достигают приблизительно половина числа Карно, то есть около 4,5. Из этого уравнения непосредственно следуют две вещи:

• Высота имеет большее значение, чем что-либо. Каждый градус между источником и радиаторами стоит эффективности. Повышение температуры потока с 35°C до 55°C приводит к снижению нашего смоделированного СЭП для наземных источников примерно с 4,5 до 3,0. Большие радиаторы или полы с подогревом, работающие при более низких температурах, делают каждый теплонасос лучше.
• Температура источника имеет значение. Наружный воздух является самым холодным именно тогда, когда тепло необходимо больше всего. При −7°C и 55°C потока, воздушный источник в нашей модели падает до примерно 2,3; грунт, при приблизительно 10°C, даёт 3,0 при той же температуре потока. В этом и заключается преимущество земли.

Земля является медленной батареей. Несколько метров вниз, ежедневные колебания исчезают; на 10 до 20 м земли сидит близко к местной среднегодовой температуры воздуха, и глубже он нагревается примерно на 0,025 ° C на метр (Wikipedia, Земля источник теплового насоса). Тепло в нем поступает главным образом от солнца, нагревающего поверхность, а не из ядра Земли. Буровая скважина, которая всегда извлекает только тепло, медленно охлаждает окружающую ее породу на протяжении многих лет, а плотное поле буровых скважин может охлаждаться быстрее, чем восстанавливается почва. Возвращение тепла летом путем охлаждения зданий поддерживает баланс. Именно поэтому совместные сети, которые объединяют нагрузки по отоплению и охлаждению, работают так хорошо.

Сезонное число. COP на спецификации измеряется в одном испытательном состоянии. Важно знать сезонный коэффициент эффективности (СЭК): тепло, доставленное за целый год, поделенное на всю потребляемую электроэнергию, включая насосы и резервные обогреватели. В ходе полевых испытаний измеряется СФУ, который всегда ниже лабораторного КС.

Пределы

• Физика. Предел Карно ограничивает СВП для данного подъема; никакой хладагент или компрессор не может избежать его. Настоящие машины уже на половину от этого, а лучшие на чуть больше.
• Потенциал грунта. Каждый метр скважины может обеспечить только несколько десятков ватт тепла, в зависимости от породы и грунтовых вод, поэтому потребность здания в тепле определяет, сколько метров должно быть пробурено. Бурение является самой крупной единичной статьей расходов.
• Пространство и доступ. Буровые установки нуждаются в доступе; плотные городские кварталы, памятники архитектуры и небольшие участки могут быть нигде бурить.
• Качество строительства. Непроницаемый дом с небольшими радиаторами нуждается в высокой температуре потока, что снижает КПД; изоляция и более крупные излучатели часто приходят первыми.
• Цены на электроэнергию. Текущие затраты зависят от цены на электричество, поделенной на цену топлива, которое оно заменяет. В странах, где электроэнергия стоит в три раза дороже газа за кВт·ч (как, например, в Великобритании), тепловому насосу требуется годовой КПД около 3, чтобы свести на нет текущие расходы.
• Skills. Good design and commissioning make a large difference to real SPF, and installer skills are scarce in many countries.

Реальные проекты, измеренные

Проект	Где, когда	Шкала	Что сообщается
Фраунгофер ISE полевых испытаний, WPsmart в наличии	Германия, существующие дома, построенные в период с 1850 по 2001 год, мониторинг с 2017 года	Воздушные и наземные системы в занятых домах	Годовой SPF: наземный источник около 4,1 (диапазон от 3,3 до 4,7), воздушный источник около 3,1 (диапазон от 2,5 до 3,8) (Fraunhofer ISE)
Геотермальная система Университета Болл-Стейт	Манси, Индиана, США, завершено в 2017 году	Около 3600 буровых скважин, две энергетические станции, около 65 млн. долл. США	Заменил все четыре угольных котла; университет обязался почти на 80,000 тонн в год меньше парниковых газов (Wikipedia)
Экспериментальная сетевая геотермальная система Eversource	Фреймингем, Массачусетс, США, 2024	Около трех десятков домов и муниципальных зданий на одномильном кольце	Первая тепловая сеть в США, управляемая коммунальными службами; школьное административное здание, пожарная станция и общественные жилые дома среди пользователей; около $18.6 миллионов; планируется удвоить размеры сети (PBS NewsHour, 2025)
Геообмен Университета Колорадо-Меса	Гранд-Джанкшн, Колорадо, США	16 зданий, 1,2 млн. кв. футов, на общей атмосферной цепи	Обеспечивает 90% отопления и охлаждения кампуса; университет сообщает об экономии энергии в размере $1,5 млн. в год (US DOE case study)
Схема модернизации котлоагрегатов	Англия и Уэльс, 2022 - 2026 годы	82,651 grants paid for heat pumps and biomass boilers by April 2026	Наземный источник является небольшим меньшинством: 98% заявок были для воздух-вода тепловых насосов (DESNZ, 2026)

Европейские теплосети пятого поколения, петли с температурой окружающей среды, которые распределяют тепло между зданиями через индивидуальные тепловые насосы, были проанализированы на десятках объектов (Buffa et al., 2019). Их эффективность в значительной степени зависит от того, насколько хорошо требования отопления и охлаждения баланс.

Что это стоит

Тепловой насос не производит электричества, поэтому сравнение с нашим общем эталоном (солнечная энергия на крыше примерно $ 0.19 за кВт/ч в модели Fan Wall, в диапазоне Lazard на июнь 2026 года $0.09 to $0.20 для коммерческой солнечной энергии на крыше) является косвенным: тепловой насос из грунтовых источников превращает каждый кВт/ч этой солнечной электроэнергии в около четырех кВт/ч тепла. Прямым конкурентом является газовый котел, и справедливой мерой является стоимость в расчете на кВт·ч тепла, включая установку.

Мы используем цифры Великобритании, потому что они являются публичными и последними: средние установленные затраты от схемы модернизации котлов за январь-март 2026 года (£ 27352 для наземного источника, £ 13100 для воздушного источника, оба с учетом НДС) (DESNZ); грант в размере £ 7500; цены-лимит удельных ставок за октябрь-декабрь 2026 года 26.32p за кВт / ч электроэнергии и 7.97p за кВт / ч газа (Ofgem); поля Фраунгофера SPFs; дом, использующий 12000 кВт / ч тепла в год; и 20 лет по 7% реальной дисконтной ставке, как на нашей странице ветра. Для газового котла мы предполагаем £ 3000 установленных и 90% эффективность.

Система отопления	Установленная стоимость	Эксплуатационные расходы на кВт·ч тепла	Общая стоимость в расчете на кВт·ч тепла, без субсидий	С помощью гранта в размере 7500 фунтов стерлингов
Газовый котел	3000 фунтов стерлингов (предполагается)	8,9р	11,2р	не подпадают
Воздушный теплонасос, SPF 3.1	£13,100	8,5р	18,8р	13,9р
Тепловой насос с использованием грунтовых вод, SPF 4.1	£27,352	6,4р	27,9р	22,0п

Наши расчеты. Постоянные сборы и расходы на техническое обслуживание не учитываются; они одинаковы для всех вариантов.

Таблица неудобно, и это должно быть. В ценах Великобритании, грунтовых источников теплового насоса для одного дома стоит около в два раза больше за кВт∙ч тепла, чем газ, даже с субсидией, почти полностью из-за установки. Текущие расходы уже ниже. Картина меняется, когда:

• Электричество дешевле газа, как это имеет место в Швеции, Норвегии и Франции, или с использованием тарифа на время использования.
• Земной контур длится более 20 лет. Хорошо установленные скважины, как ожидается, переживут несколько тепловых насосов; распределяются в течение 50 лет вместо 20, годовая стоимость петли падает примерно на четверть.
• Многие здания используют одно буровое поле, проектирование резки, мобилизации и бурения стоимость на дом, и позволить охлаждающие нагрузки перезарядить землю.
• Альтернативой является масло, СНГ или прямое электрическое отопление, которые стоят больше, чем газ.
• Здание нуждается в охлаждении, а также отоплении, которые обеспечиваются той же системой при незначительных дополнительных затратах.

Где она может победить, а где нет

Он может выиграть:

• Университетские городки, больницы, офисные здания и новые жилые комплексы, где одно буровое поле обслуживает множество зданий и требуется как отопление, так и охлаждение.
• Вне газовой сети дома и фермы заменой нефти или сжиженного газа.
• Холодные климаты, где воздушно-тепловые насосы борются в самые холодные недели и земля сохраняет свою температуру.
• Улицы, восстанавливающие газовую сеть. Тепловые сети, управляемые коммунальными службами, подобно Фреймингему, могут заменить стареющие газопроводы общими водопроводными контурами.
• Новые здания, где буровые скважины могут быть пробурены до фундамента и полы с подогревом поддерживают низкую температуру потока.

Он не может выиграть:

• Одинокие существующие дома, где газ дешевый и электричество дорогое, как показывает таблица стоимости, если только цена установки резко не упадет.
• Плотные, старые городские кварталы без места для бурения.
• плохо изолированные здания с небольшими радиаторами, пока здание не улучшится.
• В качестве источника электричества. Он использует электричество; он его не производит.

Что доказано, правдоподобно и спекулятивно

Доказано: предел Карно и важность низкотемпературного подъема; стабильная температура почвы; годовые показатели КПД, измеряемые на местах, составляют около 4 для хорошо спроектированных систем наземных источников; десятилетия надежной эксплуатации в Швеции, Швейцарии, Германии и Северной Америке; системы, используемые в учебных заведениях, заменяющие уголь и газ.

Вероятно: :: создание принадлежащих коммунальным службам тепловых сетей, которые обеспечивают доступное по ценам отопление из грунтовых источников для обычных улиц; гораздо более дешевые буровые установки благодаря улучшению оборудования, стандартным конструкциям и масштабам; буровые поля, накапливающие летнее тепло для использования в зимний период.

Спекулятивные: стоимость установки близка к стоимости газового котла для одноквартирного дома; тепловые насосы значительно превышают 60% предела Карно в полевых условиях; глубокие скважины (500 м и более) становятся достаточно дешевыми для использования в густонаселенных городах.

Открытые исследовательские вопросы

• Дешевле бурение. Бурение может быть самой большой стоимостью наземной системы источника. Более быстрые установки, более мелкие массивы с высокой плотностью, энергетические сваи в фундаментах и горизонтальное направленное бурение - все это требует данных о реальных затратах.
• Network design. How to size shared loops and borefields so that heating and cooling balance over decades, and who should own them.
• Реальная производительность в масштабе. Независимый мониторинг сетей, таких как Framingham: годовой SPF, насосная энергия, тренды температуры грунта и счета клиентов.
• Хладагенты с низким ПГП. Пропановые и CO2 тепловые насосы с высокой эффективностью и безопасной установкой в помещениях.
• Эффекты сети. Как миллионы тепловых насосов изменяют пиковые потребности зимой, и как системы наземного источника уменьшают его по сравнению с воздушным источником.
• Ремонтные пути. Самый дешевый заказ изоляции, модернизации радиаторов и тепловых насосов для различных типов домов.

Что нужно для рабочего прототипа

Сами по себе тепловые насосы уже давно разработаны; полезные идеи заключаются в более дешевых наземных контурах, общих сетях и более эффективном управлении. Работающая модель должна обеспечивать измеряемое тепло, причем поступление электроэнергии и выделение тепла должны быть измерены.

Фаза	Работа	Решение, которое оно позволяет	Приблизительная стоимость	Время
1. Аналитическое исследование	Потребность в тепле реальных зданий, данные о грунте из геологических обследований, проектирование контуров с помощью стандартного программного обеспечения, расчеты стоимости от бурильщиков	Дешевле ли эта идея за кВт, чем сегодняшние скважины?	$5k to $20к	2-3 месяца
2. Испытательная петля	Одно скважинное бурение или один новый проект теплообменника с испытанием на термическую чувствительность, небольшой тепловой насос, счетчики тепла и электроэнергии, датчики температуры грунта	Измеренная теплота на метр и СФ в течение зимы	$30k to $80к	6-12 месяцев
3. Пилотный проект по строительству улиц	От 5 до 20 зданий на общей цепи, годовые данные измерений, счета клиентов	Реальные затраты на одно жилище и на кВт·ч тепла	$0.5M to $3М	18-24 месяца

Кто нам нужен

• Геологи и гидрогеологи читать землю и модели буровых полей.
• Бурение подрядчиков готовы протестировать новые методы и поделиться реальные расходы.
• Теплонасос и инженеры ОВК для проектирования, ввода в эксплуатацию и мониторинга.
• Районные специалисты по планированию в области энергетики и коммунального хозяйства для совместных сетей и моделей собственности.
• Специалисты по физике зданий для модифицированных серийных и низкотемпературных излучателей.
• Экономисты и разработчики тарифов установить справедливые цены на тепло и вознаградить за гибкость.

Есть идея получше?

Некоторые члены Фонда могут иметь контакты, которые могли бы услышать идею о сильной энергии. Для того чтобы быть представленной, идея нуждается в работающая, реальная модель, которая фактически производит энергию; для такой идеи, как тепловая энергия, это означает модель, которая обеспечивает измеряемое тепло, причем ее выход и потребление электроэнергии регистрируются на приборах, не требующихся. Идеи на бумаге также приветствуются: если физика и числа тверды, мы можем опубликовать их здесь на сайте. Но привлечение капитала без рабочей модели очень трудно, и здесь нет никаких обещаний финансирования, доходов или введений.

Отправьте свою идею через форма взноса с проблемой, которую она решает, проверкой физики, приблизительной стоимостью на кВт·ч тепла и самым дешевым тестом, который мог бы доказать ее неверность. Если у вас есть рабочая модель, включите ее измеренный выход и как вы его измерили. На странице источников энергии сравнивается эта и другие альтернативы на идейном радар.

Источники

1. Википедия. Ball State University: геотермальная система завершена в 2017 году.
2. МЭА (2022 год). Будущее тепловых насосов.
3. Фраунгофер ИС. WPsmart im Bestand: тепловые насосы в существующих зданиях, полевая проверка.
4. Википедия. Грунтовой источник теплового насоса: глубины скважин, температуры грунта и геотермальный градиент.
5. Департамент по энергетической безопасности и нулевому чистому выбросу (2026 год). Статистика Схемы модернизации котлоагрегатов, апрель 2026, таблицы Q1.1A и 1.1.
6. Ofgem (2026). Удельные ставки ценового потолка на энергоносители, с 1 октября по 31 декабря 2026 года.
7. PBS NewsHour (2025). Невероятный альянс строит более чистую геотермальную энергетическую сеть в сообществе Массачусетса.
8. Министерство энергетики США. Геотермальный тепловые насосы тематическое исследование: Колорадо Меса университета.
9. Буффа, С., Коззини, М., Д ’ Антони, М., Баратьери, М. и Федрици, Р. (2019). 5th generation district heating and cooling systems: a review of existing cases in Europe. Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии 104, 504-522.
10. Стафел, И., Бретт, Д., Брэндон, Н. и Хоукс, А. (2012). Обзор бытовых тепловых насосов. Энергетика и окружающая среда 5, 9291.
11. Lazard (June 2026). Уровненная стоимость энергии+, версия 19.
12. Local Solar System Фонд. Открытая модель Fan Wall: эталонная солнечная батарея на крыше стоимостью $ 0,19 за кВт.ч.