قررت سو بتلر أن الوقت قد حان للاستغناء عن الوقود الأحفوري. لذلك عندما احتاج فرنها الغازي القديم إلى الاستبدال، لجأت إلى الأرض لإيجاد حل.
وقد قامت بتركيب نظام حراري أرضي - يسمى أيضاً مضخة حرارية أرضية المصدر، أو مضخة حرارية مصدرها المياه، أو نظام التبادل الجغرافي - والذي بدأ مؤخراً في تدفئة وتبريد منزلها في كامبريدج بولاية ماساتشوستس. قالت بتلر إنها كانت مدفوعة بأسباب بيئية ومخاوف بشأن أول أكسيد الكربون الناتج عن حرق الغاز الطبيعي.
“إنها ليست أغلى بكثير ويمكنني تدبر أمرها. كما أنه يعني عدم وجود المزيد من الاحتراق ويخلص المبنى من الكربون، وهو أمر ملح”.
كانت المضخات الحرارية الأرضية المصدر موجودة منذ عقود ولكن يبدو أنها تجذب كل عام المزيد من أصحاب المنازل والمؤسسات الذين يبحثون عن بدائل للتدفئة والتبريد التقليديين. يمكن توصيلها بأنظمة الهواء الساخن القسري والماء الساخن الحالية ولكن ليس حرارة البخار.
ابتداءً من عام 2006، قامت جامعة هارفارد القريبة بتركيب ست مضخات حرارية أرضية المصدر كجزء من مبادرة الحرم الجامعي الأخضر. وقد تم تشغيل مباني الإدارة والمرافق الرياضية بالفعل، ومن المخطط إنشاء مبنيين آخرين.
غرفة المضخة في مبنى سكني في فيتشبرغ، ماساتشوستس.
(الائتمان:MassInnovation)
وقد جعلت شركة ماس إنوفيشن، إحدى شركات التطوير العقاري، من الطاقة الحرارية الأرضية جزءاً لا يتجزأ من مساكنها ومبانيها المكتبية ذات الطابع البيئي. وبعد أن قامت بتجهيز أحد المراكز السكنية لكبار السن بالطاقة الحرارية الأرضية، تخطط الآن لتحويل ما كان في السابق مصنعاً عملاقاً يعود للقرن التاسع عشر إلى أحد أكبر المنشآت الحرارية الأرضية في نيو إنجلاند، وفقاً لما ذكره الرئيس التنفيذي روبرت أنسين.
قالت ديونا روبيرج، مديرة العمليات في شركة Water Energy Distributors، التي توزع أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية من شركة ClimateMaster، إن الأشخاص الذين يستخدمون الطاقة الحرارية الأرضية عادةً ما يكونون مهتمين بها إما لأنها تقنية طاقة نظيفة أو لأنهم يتطلعون إلى الهروب من أسعار الوقود الأحفوري.
“قال روبرغ: ”العمل خارج نطاق السيطرة - بالكاد يمكننا مواكبة ذلك“. يذهب حوالي نصف العملاء إلى الطاقة الحرارية الأرضية لخفض تكاليف التدفئة والتبريد. لكن النصف الآخر ”لا يهتمون بالتكاليف، فهم يريدون فقط أن يصبحوا صديقين للبيئة"، كما قال روبرغ. تضاعف حجم الشركة المملوكة للعائلة خلال السنوات الأربع الماضية.
الحلقة المفتوحة والمغلقة
بالمعنى الدقيق للكلمة، فإن ما يُطلق عليه غالبًا “نظام الطاقة الحرارية الأرضية” هو تسمية خاطئة لأنه يعني الاستفادة من الحرارة في الأرض، وهو أمر يتم بالفعل على نطاق واسع لتزويد المرافق بالكهرباء. هذه الطاقة الحرارية الأرضية - وفرعها الطاقة الحرارية الأرضية المعززة - تعمل فقط في مناطق جغرافية معينة وتستخدم تكنولوجيا مختلفة.
بدلاً من استخدام حرارة باطن الأرض، تستفيد المضخات الحرارية الحرارية الأرضية الملحقة بالمباني من درجة الحرارة الثابتة للأرض أو آبار المياه العميقة. وهي في الواقع تعامل الأرض كبنك عملاق لتوفير الطاقة، حيث تقوم بإيداع أو سحب الحرارة حسب الوقت من السنة.
وحدتان لمضخة حرارية أرضية المصدر مكدستان فوق بعضهما البعض. يتم استخراج الحرارة أو إضافتها إلى الماء الذي يتم ضخه تحت الأرض.
(Credit:Martin LaMonica/china-heatpump.com)
خلال فصل الصيف، تضخ الأنظمة الحرارة الداخلية تحت الأرض وتعتمد على درجات الحرارة المنخفضة للأرض لتبريد المبنى. وفي الأشهر الباردة، تعمل العملية نفسها بشكل عكسي، حيث يتم استخدام الحرارة من الأرض لتدفئة الهواء الداخلي.
المضخات الحرارية الداخلية عبارة عن مضخات حرارية على شكل صندوق تسحب وتدفع إما الماء أو سائل عامل، مثل مضاد التجمد، إلى داخل الأرض وخارجها. وباستخدام نفس آلية حلقة الضاغط التي تستخدمها الثلاجة، يقوم المبادل الحراري بسحب الطاقة من السائل الدائر إما لتدفئة أو تبريد المبنى.
هناك عدد من التكوينات المختلفة لحلقات نقل السوائل - إما آبار مياه على عمق عدة مئات من الأقدام، والتي يقال إنها الأكثر كفاءة، أو لفائف يمكن حفرها على عمق بضعة أمتار فقط تحت الأرض. ويستخدم آخرون جسمًا مائيًا مثل البركة كمشتت للحرارة.
وبغض النظر عن النوع، فإن المضخات الحرارية الأرضية المصدر تعتبر من أكثر أشكال التدفئة والتبريد كفاءة.
وقالت الجمعية الدولية للمضخات الحرارية الأرضية المصدر، ومقرها في ستيلووتر بولاية أوكلاهوما، إن المضخة الحرارية الأرضية أكثر كفاءة في التدفئة بنسبة 50 إلى 70 في المئة من الأنظمة الأخرى. وتقول وزارة الطاقة الأمريكية إن المضخة الحرارية الأرضية المصدر تستهلك كهرباء أقل بنسبة 25 إلى 50 في المئة من أنظمة التدفئة والتبريد التقليدية.
وقالت روبرغ إن تكاليف صيانة أنظمة التدفئة والتبريد الحرارية الأرضية تبلغ نصف تكلفة أنظمة التدفئة والتبريد التقليدية. وقالت إن مردود أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية، الذي كان في السابق حوالي سبع سنوات، أصبح الآن أربع سنوات في العادة. تشمل الآن حوافز الطاقة المتجددة الفيدرالية التي تم إقرارها مؤخرًا ائتمانًا ضريبيًا بقيمة $2,000 سنويًا.
جرين إيدج
ولكن حتى مع هذه الفوائد، لا يزال التدفئة والتبريد الحراري الأرضي منتجًا متخصصًا نسبيًا، حيث يتم تركيب حوالي 50,000 وحدة سنويًا في الولايات المتحدة، وفقًا لوزارة الطاقة.
أحد الأسباب هو التكلفة الأولية. قال روبرغ إن تركيب نظام التدفئة والتبريد الحراري الجوفي، بما في ذلك أعمال مجاري الهواء، سيكون أكثر تكلفة بنحو 50 في المائة من النظام القائم على الوقود الأحفوري.
وعادةً ما يكون الحفر هو الجزء الأكبر من الفاتورة لأنه قد يكلف عشرات الآلاف من الدولارات فقط. يمكن أن تكلف مضخات التبادل الجغرافي نفسها للمنازل ما بين 1 تيرابايت و17,000 إلى 1 تيرابايت و30,000 دولار، وفقاً لبتلر.
حلقة “رأسية” من مصدر أرضي أو حلقة أرضية مفتوحة المصدر مضخة حرارية.
(الائتمان:WaterFurnace International)
ويحذر الخبراء من أن تركيبات هذه الأنظمة خاصة جداً بالموقع - فالتركيب السيئ للقنوات، على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي إلى ضعف أداء الوحدة.
كما يبدو أن بعض المناطق تبدو أكثر ملاءمة لتكنولوجيا التبادل الحراري الأرضي؛ فقد أفاد بعض المطورين أن المضخات التي تقضي معظم العام في ضخ الحرارة تحت الأرض، ووقتاً قليلاً في سحب الحرارة للخارج، لا تعمل بشكل جيد مع مرور الوقت.
في تحليلها لأنظمتها الستة الأولى للطاقة الحرارية الأرضية (اضغط على ملف PDF)، حددت هارفارد عدداً من تحديات التركيب المتعلقة بتصميم الآبار وفهم الموارد المائية تحت الأرض.
التحدي الأكثر دقة هو الوضع الراهن. فأصحاب المنازل الذين ليسوا على دراية بأنظمة الطاقة الحرارية الأرضية سيقومون بتركيب ما يوصي به المقاولون - غير الملمين بالتكنولوجيا -.
وقد واجه أنسين من شركة ماس إنوفيشن للتطوير العقاري هذه الشكوك المؤسسية بشكل مباشر أثناء تجديد مصنع أحذية مهجور في فيتشبرغ بولاية ماساتشوستس.
كان يبحث في إنفاق جزء كبير من ميزانيته الإجمالية - حوالي $500,000 على فرن صناعي قياسي ومبرد عندما التقى صدفةً بصديق عامل حفر اقترح عليه أن المضخات الحرارية الأرضية قد تكون أرخص.
لم يكن أنسين قد سمع عن الطاقة الحرارية الأرضية من قبل، ولكن بمجرد أن نظر في الأمر، أدرك أنها يمكن أن تكون فعالة من حيث التكلفة وتسمح له بتمييز مبانيه بطريقة أخرى غير الموقع فقط. يتم تسويق المنشأة، التي تسمى شقق أنويلت هيريتدج للشقق السكنية، كمبنى صديق للبيئة يستخدم مضخة حرارية أرضية المصدر ومجموعة شمسية.
وقال أنسين الذي أصبح الآن مالكاً جزئياً لشركة حفر، إن تكلفة هذا النظام تبلغ حوالي نصف تكلفة النظام التقليدي. وهو ينقل تكاليف المرافق المنخفضة إلى الأشخاص في 86 مسكناً، الذين يدفعون أقل من نصف ما كانوا يدفعونه في فواتير المرافق.
إنه متحمس جداً للتكنولوجيا ولكنه يعترف بأن صناعة الطاقة الحرارية الأرضية غير ناضجة مقارنةً بأعمال التدفئة والتبريد التقليدية.
“وأضاف قائلاً: ”على الرغم من أن المضخات الحرارية وتكييف الحرارة الجوفية موجودة منذ فترة، إلا أنها لا تزال تعتبر سوقاً جديدة إلى حد كبير، وبالتالي لا يوجد عدد كافٍ من المقاولين والمهندسين“، مضيفاً أن التركيب قد يتطلب تنسيق مقاولين مختلفين. ”لسوء الحظ، إلى أن يكون لديك حل شامل، لن يصبح هذا الحل منتشراً في كل مكان كما يمكن أن يكون."
