Yer ısı pompaları

2017 yılında Indiana’daki Ball State Üniversitesi, kampüsünü on yıllardır ısıtan dört kömürle çalışan boyanın sonunu kapattı. In their place it drilled about 3,600 boreholes under its grounds and connected them, through two energy stations, to heat pumps that warm and cool the campus. Sistem yaklaşık 65 milyon dolar maliyetlidir ve üniversite sera gazı emisyonlarını yılda yaklaşık 80.000 ton azaltmaya karar verdi (Wikipedia, Ball State University).

Yerden kaynaklanan bir ısı pompası yeni bir enerji kaynağı değildir. Bir çoklaştırıcı’dır: bir bina için zaten yerde olan ısıyı taşımak için elektrik kullanır ve kullandığı her bir elektrik birimi için üç ila beş adet ısı sağlar (IEA, 2022). Olgun, güvenilir ve sessiz. Ayrıca kurulumu da pahalı, bu yüzden de bu sayfa fizikte olduğu kadar maliyet üzerinde çok zaman harcıyor.

Nedir bu?

Bir yer kaynaklı ısı pompası üç parçadan oluşur: bir yer döngüsü plastik boru, siperlere gömülü veya kuyulara düşmüş, su ve donma önleyici ile doldurulmuş; bir ısı pompası buzdolabının büyüklüğünde, genellikle kapalı; ve bir ısı dağıtım sistemi, radyatörler veya zemin ısıtması gibi. Kışın, döngüdeki sıvı yerden ısıyı toplar ve sıcaklık pompası evi için 35 ila 55 ° C’ye yoğunlaştırır. Yaz aylarında aynı makine ters yönde çalışarak binayı soğutarak ısıyı yere geri gönderebilir.

Bahçeleri olan küçük evler 1 ila 2 m derinliğe yerleştirilmiş yatay döngüler kullanabilir. Diğer binaların çoğu, genellikle 15 ila 150 m derinlikte dikey sondajlar kullanır; 10 kW ısıya ihtiyacı olan bir ev 80 ila 110 m’lik üç sondaja ihtiyaç duyabileceğini düşünebilir (Wikipedia, Yer kaynaklı ısı pompası). Tüm cadde ve kampüsler bir boru hattı aracılığıyla tek bir kuyu alanı paylaşabilir. termal ağ: Birçok binayı birbirine bağlayan, her biri kendi sıcaklık pompasına sahip ortam sıcaklığındaki su döngüsüdür.

Nasıl çalışıyor?

Bir ısı pompası, bir buzdolabının tersine çevrilmiş hali. Bir çalışma sıvısı (soğutma maddesi) ısıyı emerek, toprak döngüye bağlı bir ısı değişimcisinde düşük sıcaklıkta buharlaşıyor. Bir kompresör buharı sıkar, bu da sıcaklığını yükseltir. İkinci bir ısı değişiminde yoğunlaşır ve bu ısıyı radyatörlere giden suya salar. Bir genişleme vanası basıncı düşürür ve döngü tekrar başlar.

Katlayıcı. Verilen ısı kullanılan elektrik ile bölündüğünde performans katsayısı, COP olur. Herhangi bir ısı pompasının yapabileceği en iyi şey Carnot COP’udur:

COP_max = T_hot / (T_hot − T_cold), sıcaklıkları kelvin’de.

Yerden 40 °C (313 K) sıcaklığında su temin etmek, ısı değişimi kayıplarından sonra 5 °C (278 K) verir 313 / 35 ≈ 8.9. Gerçek makineler yaklaşık olarak Yarı Carnot rakamının yaklaşık 4.5’i. Bu denklemden iki şey doğrudan çıkar:

• Asansör her şeyden önemli. Kaynak ve radyatörler arasındaki her derece verimlilik maliyetidir. Akış sıcaklığını 35 °C’den 55 °C’ye çıkarmak, modellenen yer kaynaklı COP’u yaklaşık 4.5’ten 3.0’a düşürür. Daha düşük sıcaklıklarda çalışan daha büyük radyatörler veya zemin ısıtma, her ısı pompasını daha iyi yapar.
• Kaynak sıcaklığı önemlidir. Dış hava, ısıya en çok ihtiyaç duyduğunda en soğuktur. −7 °C ve 55 °C akışta, modelimizdeki bir hava kaynağı birimi yaklaşık 2.3’e düşer; toprak, yaklaşık 10 °C’de, aynı akış sıcaklığında 3.0 verir. Burası çok avantajlı.

Yer yavaş bir bataryadır. Birkaç metre aşağıda, günlük dalgalanmalar kaybolur; 10 ila 20 m kadar yerde yerel yıllık ortalama hava sıcaklığına yakın oturuyor ve daha derin ise metre başına yaklaşık 0.025 °C ile ısınıyor (Wikipedia, Yer kaynaklı ısı pompası). İçindeki ısı, Dünya’nın çekirdeğinden değil, çoğunlukla yüzeyi ısıtan güneşten geliyor. Sadece ısıyı çıkaran bir sondaj deliği, yıllar içinde etrafındaki kayaları yavaşça soğutur ve yakından dolu bir sondaj alanı, toprağın iyileşmesinden daha hızlı soğuyabilir. Yaz aylarında binaları soğutarak ısıyı geri vermek dengeyi koruyor. Bu yüzden ısıtma ve soğutma yüklerini karıştıran paylaşılan ağlar bu kadar iyi çalışıyor.

Mevsimsel sayı. Bir spesifikasyon sayfasındaki COP, bir test koşulunda ölçülür. Önemli olan mevsimsel performans faktörü (SPF): pompalar ve yedek ısıtıcılar da dahil olmak üzere bir yıl boyunca sağlanan ısı, kullanılan tüm elektrikten bölünür. Saha testleri SPF’yi ölçer ve her zaman laboratuvar COP’den daha düşüktür.

Sınırlar

• Fizik. Carnot limiti verilen bir kaldırım için COP’u kapatır; hiçbir soğutma veya kompresör ondan kaçmaz. Gerçek makineler zaten bunun yarısı kadar ve en iyileri biraz daha fazla.
• Yeraltı kapasitesi. Her bir metrelik sondaj deliği, kaya ve yeraltı suyuna bağlı olarak sadece birkaç on vat ısı sağlayabilir, bu yüzden bir binanın ısı talebi kaç metre kazılması gerektiğini belirler. En büyük tek maliyet sondaj.
• Alan ve erişim. Sondaj platformları erişime ihtiyaç duyar; yoğun şehir blokları, kayıtlı binalar ve küçük araziler sondaj yapacak bir yere sahip olamayabilir.
• Bina kalitesi. Küçük radyatörlere sahip sızıntılı bir eve, COP’u azaltan yüksek akış sıcaklığına ihtiyacı vardır; izolasyon ve daha büyük yayıcılar genellikle ilk gelir.
• Elektrik fiyatları. Çalışan maliyet, elektrik fiyatının yerine geçen yakıtın fiyatına bölünmesine bağlıdır. Elektrik maliyetinin kWh başına gazın üç katından fazla olduğu yerlerde, örneğin Birleşik Krallık’ta, ısı pompası sadece işletim masraflarını karşılamak için yılda 3’e yakın bir COP’a ihtiyaç duyar.
• Skills. İyi tasarım ve komuta gerçek SPF’ye büyük bir fark yaratır, ve kurulum becerileri birçok ülkede azdır.

Gerçek projeler, ölçülmüş

Proje	Nerede, ne zaman	Ölçüm	Ne bildirildi?
Fraunhofer ISE alan testi, WPsmart mevcuttur	Almanya, 1850 ve 2001 yılları arasında inşa edilmiş mevcut evler, 2017 yılından beri izlenmektedir.	Evlerdeki hava kaynaklı ve yer kaynaklı sistemler	Yıllık SPF: yer kaynakları yaklaşık 4.1 (3.3 ile 4.7 arasında), hava kaynakları yaklaşık 3.1 (2.5 ile 3.8 arasında) (Fraunhofer ISE)
Ball State Üniversitesi jeotermal sistemi	Muncie, Indiana, ABD, 2017’de tamamlandı	Yaklaşık 3600 sondaj, iki enerji istasyonu, yaklaşık 65 milyon dolar.	Dört kömürle çalışan boyanın tamamı değiştirildi; üniversite yılda yaklaşık 80.000 ton daha az sera gazı salmaya karar verdi (Wikipedia)
Eversource ağ jeotermal pilotu	Framingham, Massachusetts, ABD, 2024	About three dozen homes and municipal buildings on a one-mile loop	ABD’deki ilk hizmet işleten termal ağ; bir okul yönetim binası, itfaiye istasyonu ve kamu konutları kullanıcılar arasında; yaklaşık 18.6 milyon dolar; ağın büyüklüğünün iki katına çıkması planlanıyor (PBS NewsHour, 2025)
Colorado Mesa Üniversitesi	Grand Junction, Colorado, ABD	16 bina, 1.2 milyon metrekarelik bir alanda, ortak bir çevresel döngüde	Kampüs ısıtma ve soğutma ihtiyacının %90’ını karşılar; üniversite yılda $1.5 milyon enerji tasarrufu rapor eder (US DOE vaka çalışması)
Boiler Yenileme Planı	İngiltere ve Galler, 2022-2026	82,651 grants paid for heat pumps and biomass boilers by April 2026	Yer kaynakları küçük bir azınlıktır: %98’i hava-su ısı pompaları için başvuru yapmıştır (DESNZ, 2026)

Avrupa’nın beşinci nesil ısı ağları, bireysel ısı pompaları aracılığıyla binalar arasında ısıyı paylaşan çevre sıcaklığı döngüleri düzinelerce sitede incelenmiştir (Buffa et al., 2019). Onların verimliliği büyük ölçüde ısıtma ve soğutma gereksinimlerinin ne kadar iyi dengelenmesine bağlıdır.

Ne kadara mal oluyor?

Bir ısı pompası elektrik üretmez, bu yüzden site çapındaki referansımızla karşılaştırma (çatıda güneş yaklaşık Kilowatt saat başına 0,19 dolar - Nerede? Fan Duvar modeliLazard’ın Haziran 2026 tahminleri dahilinde. $0.09 to $0,20 ticari çatıda güneş) dolaylı olarak: bir yer kaynaklı ısı pompası bu güneş enerjisinin her kWh’sini yaklaşık dört kWh ısıya çevirir. Doğrudan rekabetçi bir gaz boyası ve adil ölçüm, kurulum dahil olmak üzere kWh başına ısı maliyeti dir.

İngiltere rakamlarını kullanıyoruz çünkü onlar kamusal ve son: Ocak-Mart 2026 için Boiler Upgrade Scheme’den ortalama kurulum maliyeti (yer kaynakları için £ 27,352, hava kaynağı için £ 13,100, her ikisi de KDV dahil) (DESNZ); £7,500 hibe; Ekim-Aralık 2026 için kWh başına elektrikte 26.32p ve kWh başına doğalgazda 7.97p’lik fiyat sınırı (Kaydet); Fraunhofer alan SPF’leri; yılda 12.000 kWh ısı kullanan bir ev ve rüzgar sayfamızda olduğu gibi %7 gerçek indirim oranıyla 20 yıl. gaz borusu için kurulum maliyeti £3.000 ve %90 verimlilik varsayıyoruz.

Isıtma sistemi	Kurulum maliyeti	Isı kWh’sine göre işletim maliyeti	Isı kWh’si başına toplam maliyet, hibe yok	7.500 sterlinlik burs ile
Gazlı boiler	3.000 sterlin (varsayılan)	8.9p	11.2p	uygun değil
Hava kaynaklı ısı pompası, SPF 3.1	£13,100	8.5p	18.8p	139 ^ sayfası
Yer kaynaklı ısı pompası, SPF 4.1	£27,352	6.4p	27.9p	22.0p

*Bizim hesaplamamız. Sürekli ücretler ve bakım giderleri dışarıda bırakılmıştır; bunlar seçenekler arasında benzerdir. *

Masa rahatsız, ve öyle olması gerekiyor. İngiltere fiyatlarında, tek bir ev için yer kaynaklı bir ısı pompası kWh başına gazdan iki kat daha fazlaya mal oluyor, yardımla bile, neredeyse tamamen kurulum nedeniyle. İşletme maliyeti zaten daha düşük. Resim değişirken:

• Elektrik, doğalgaza göre daha ucuz, İsveç, Norveç ve Fransa’da olduğu gibi, ya da kullanım süresine göre tarife ile.
• Yer döngüsü 20 yıldan daha uzun sürer. İyi kurulan sondaj deliklerinin birkaç ısı pompasından daha uzun yaşamaları beklenir; 20 yerine 50 yıl boyunca yayılmış, döngünün yıllık maliyeti yaklaşık olarak çeyreğe düşer.
• Birçok bina bir sondaj sahasını paylaşıyor, tasarımı, seferberlik ve ev başına sondaj maliyetini azaltmak ve soğutma yüklerinin toprağı yeniden doldurmasına izin vermek.
• Alternatif, gazdan daha pahalı olan petrol, LPG veya doğrudan elektrikli ısıtma.
• Binanın ısıtma yanında soğutmaya da ihtiyacı var, ki bu da aynı sistem tarafından az bir ek maliyetle sağlanıyor.

Kazanabileceği ve kazanamayacağının yeri.

Kazanabilir:

• Kampüsler, hastaneler, ofisler ve yeni konut kompleksleriBir sondaj sahası birçok binayı beslerken, hem ısıtma hem de soğutma gerekiyor.
• Gaz şebekesinden uzak evler ve çiftlikler petrol veya LPG’nin yerini alıyor.
• Soğuk iklimlerHava kaynaklı ısı pompalarının en soğuk haftalarda bile mücadele ettiği ve toprağın sıcaklığını koruduğu bir yer.
• Sokaklarda doğalgaz ağı yeniden inşa ediliyor. Framingham’daki gibi, kamu hizmetleri tarafından işletilen termal ağlar, yaşlanan doğalgaz borularının yerini paylaşılan su döngüsüne bırakabilir.
• Yeni binalar, burada kuyular temellerden önce kazılabiliyor ve zemin ısıtma akış sıcaklığını düşük tutuyor.

Kazanamaz:

• Maliye tablosunun gösterdiği gibi, gaz ucuz ve elektrik pahalı olan tek mevcut evler, montaj fiyatı aniden düşmezse.
• Yoğun, eski şehir blokları, kazmak için yer yok.
• Küçük radyatörlerle kötü yalıtılmış binalar, bina iyileştirilene kadar.
• Elektrik kaynağı olarak. Elektrik kullanır; üretir değil.

Kanıtlanmış, muhtemel ve spekülatif olan nedir?

Kabul edilmiş: Carnot limiti ve düşük sıcaklık yükseltmesinin önemi; sabit yer sıcaklıkları; iyi tasarlanmış yer kaynaklı sistemler için 4 civarında alan ölçümlü yıllık SPF’ler; İsveç, İsviçre, Almanya ve Kuzey Amerika’da on yıllarca güvenilir işleyiş; kömür ve gaz yerine kampüs ölçekli sistemler.

Makul: hizmete ait termal ağlar, yer kaynaklı ısıyı sıradan sokaklarda uygun hale getirir; daha iyi platformlar, standart tasarımlar ve ölçek sayesinde çok daha ucuz sondaj; yaz ısını kış kullanımı için depolayan boru sahaları.

Spekülatif: tek evler için bir gaz borusu ile aynıya yakın kurulum maliyeti; alanlarda Carnot sınırının %60’ını aşan ısı pompaları; yoğun kent kullanımı için yeterince ucuz hale gelen derin sondajlar (500 m ve daha fazla).

Açık araştırma soruları

• Ucuz sondaj. Sondaj, yer kaynaklı bir sistemin en büyük maliyeti olabilir. Daha hızlı platformlar, daha sığ yoğun diziler, temellerdeki enerji yığınları ve yatay yönlü sondajların hepsi gerçek maliyet verilerine ihtiyaç duyar.
• Ağı tasarlamak. Nasıl paylaşılan döngüler ve boru alanları ölçülür ki ısıtma ve soğutma on yıllar boyunca denge olsun, ve onlara kim sahip olmalı?
• Gerçek ölçekli performans. Framingham’ınki gibi bağımsız ağların izlenmesi: yıllık SPF, pompalama enerjisi, yer sıcaklığı trendleri ve müşteri faturaları.
• Düşük GWP soğutucu maddeler. Yüksek verimli ve güvenli bir şekilde kapalı alanlarda kurulabilen propan ve CO2 ısı pompaları.
• Grid effects. Milyonlarca ısı pompasının kış taleplerini nasıl değiştirdiği ve yer kaynaklı sistemlerin hava kaynağına kıyasla nasıl azalttığı.
• Yenileme yolları. En ucuz izolasyon, radyatör yenileme ve farklı ev tipleri için ısı pompası siparişi.

Çalışan bir prototipin neye ihtiyacı olur?

Isı pompalarının kendileri olgunlaşmıştır; yararlı fikirler daha ucuz yer döngüleri, paylaşılan ağlar ve daha akıllı kontroldedir. Çalışan bir model ölçülmüş ısıyı, ölçülmüş elektrik ile ve ısıyla dışarıya sağlamalıdır.

Faz	İş	Bu karar,	Tahmini maliyet	Zaman
1. Masa çalışması	Gerçek binaların ısı talebi, jeolojik araştırmalardan elde edilen yer bilgisi, standart yazılım ile döngü tasarımı, sondajcılardan alınan maliyet teklifleri	Fikri kW başına bugünkü sondajlardan daha ucuz mu?	$5k to $20k	2-3 ay.
2. Test loop	Bir sondaj deliği veya bir yeni yer değiştirici tasarımı, termal yanıt testi, küçük bir ısı pompası, ısı ve elektrik ölçerleri, yer sıcaklığı sensörleri	Bir kış boyunca metre başına ölçülen ısı ve SPF	$30k to $80k	6 ila 12 ay
3. Sokak pilotu	5 ila 20 bina ortak bir döngüde, bir yıllık ölçüm verileri, müşteri faturaları.	Ev başına ve ısıtma için kilowatt saat başına gerçek maliyet	$0.5M to $3M	18 ila 24 ay

Kime ihtiyacımız var?

• Jeologlar ve hidrojeologlar Yerleşim alanlarını ve sondaj sahalarını modellemek için.
• Çukur kazma müteahhitleri Yeni yöntemleri denemeye ve gerçek maliyetleri paylaşmaya istekliler.
• Isı pompaları ve HVAC mühendisleri tasarımı, kurulumu ve izlenmesi için.
• Bölgesel enerji ve hizmet planlayıcıları paylaşılan ağlar ve sahiplik modelleri için.
• Bina-fizik uzmanları retrofit dizilim ve düşük sıcaklık emicileri için.
• Ekonomistler ve tarife tasarımcıları ısıyı adil bir şekilde fiyatlandırmak ve esnekliği ödüllendirmek için.

Daha iyi bir fikrin var mı?

Vakfın bazı üyelerinin güçlü bir enerji fikri için bir teklif duyabilecek kişilerle temasları olabilir. Bir fikrin ortaya konması için, gerçek hayatta çalışan, aslında güç üreten bir modelBu gibi bir ısı fikri için, bu ölçülen ısıyı sağlayan bir model demektir. Onun üretimi ve elektrik kullanımı aletlerde kaydedilir, iddia edilmez. Kağıt üzerindeki fikirler de memnuniyetle karşılanıyor: fizik ve sayılar sağlam ise, onları burada web sitemizde yayınlayabiliriz. Fakat işleyen bir model olmadan sermaye toplamak çok zor ve burada hiçbir şey finansman, kazanç veya tanıtım sözü vermez.

Fikirinizi çözdüğü problem, fizik kontrolü, kWh başına yaklaşık bir ısı maliyeti ve yanlış olduğunu kanıtlayabilecek en ucuz test ile katkı formunu kullanarak gönderin. Eğer çalışma modeliniz varsa, ölçülen çıktısını ve nasıl ölçtüğünüzü de ekleyin. enerji kaynakları sayfası bu ve diğer alternatifleri fikir radarında karşılaştırmaktadır.

Kaynaklar

1. Wikipedia. Ball State University: 2017 yılında tamamlanan jeotermal sistem.
2. NGC 2022 (İngilizce). Isı pompalarının geleceği.
3. Fraunhofer ISE. WPsmart im Bestand: mevcut binalarda ısı pompaları, saha testi.
4. Wikipedia. Ground source heat pump: boru derinlikleri, toprak sıcaklıkları ve jeotermal gradient.
5. Enerji Güvenliği ve Net Zero Dairesi (2026). Boiler Upgrade Scheme istatistikleri, Nisan 2026, tablolar Q1.1A ve 1.1.
6. NGC 2026 (İngilizce). Enerji fiyatının üst sınırı birim oranları, 1 Ekim - 31 Aralık 2026.
7. PBS NewsHour (2025). İmkânsız ittifak Massachusetts toplumunda temiz jeotermal enerji ağı inşa ediyor.
8. ABD Enerji Bakanlığı. Geothermal heat pump case study: Colorado Mesa University.
9. Buffa, S., Cozzini, M., D’Antoni, M., Baratieri, M. ve Fedrizzi, R. (2019). 5. nesil bölgesel ısıtma ve soğutma sistemleri: Avrupa’da mevcut vakaların bir gözden geçirmesi. Yenilenebilir ve Sürdürülebilir Enerji İncelemeleri 104, 504-522.
10. Staffell, I., Brett, D., Brandon, N. ve Hawkes, A. (2012). İç ısı pompaları için bir inceleme. Energy and Environmental Science 5, 9291.
11. Lazard (Haziran 2026). Levelized Cost of Energy+, sürüm 19.
12. Local Solar System Kuruluş. Fan Duvar açık modeli: kWh başına $ 0.19’luk çatıdaki güneş referansı.
13. Kusuda, T. ve Achenbach, P.R. (1965). Earth temperature and thermal diffusivity at selected stations in the United States (İngilizce). Ulusal Standartlar Bürosu Raporu 8972.
14. Wikipedia. Buhar-kompresyon soğutma: Buharlaştırıcı, kompresör, yoğunlaştırıcı ve genişleme valfi.
15. Wikipedia. Direksyonel sondaj: sığ bir yayda çukursuz sondaj.