Evanston-Gebäude installieren Erdwärmepumpen und versuchen, die Energieeffizienz zu steigern

Melden Sie sich für unseren kostenlosen Newsletter anum Evanston-Nachrichten jeden Wochentag direkt in Ihren Posteingang zu bekommen!

Dieser Sommer war nicht normal. Die heißesten Tage der letzten 100.000 Jahre wurden am aufgezeichnetvier aufeinanderfolgende Tage Anfang Juli . Giftiger Rauch kanadischer Waldbrände breitete sich über Tausende von Kilometern aus und vergiftete die Luft in Chicago, New York City und anderswo. Menschen, insbesondere solche mit gesundheitlichen Problemen, wurden angewiesen, drinnen zu bleiben – eine Maßnahme, die der Pandemie nicht unähnlich ist, die im Jahr 2020 Hunderttausende Amerikaner tötete. Doch im Gegensatz zu COVID-19, das für viele mit Impfstoffen und einer N95-Maske bekämpft wurde, Der Klimawandel wird bleiben.

Viele Menschen – von Hausbesitzern und Entwicklern von Eigentumswohnungen bis hin zu Beratern und Architekten – haben begonnen, darüber nachzudenken, was sie tun können, um ihren CO2-Fußabdruck zu reduzieren. Eine innovative Lösung in Evanston ist die Installation eines geothermischen Heiz- und Kühlsystems. Die Geothermie-Technologie gibt es bereits seit den 1950er-Jahren, sie hat jedoch erst vor Kurzem begonnen, sich als sinnvolle erneuerbare Energiequelle durchzusetzen. Vier Standorte in Evanston – zwei Wohn- und zwei institutionelle Standorte – sind nur einige der vielen Orte, die sich der Geothermie zuwenden.

Echte Geothermie, die häufig in Ländern wie Island, Neuseeland und den Philippinen genutzt wird, nutzt Warmwasserreservoirs in unterschiedlichen Tiefen unter der Erdoberfläche. Die Temperaturen können zwischen 300 und über 700 Grad Fahrenheit liegen.

Dieses Ausmaß an Geothermie ist in Evanston jedoch nicht zu finden. Hier beträgt die Bodentemperatur in fünf Fuß Tiefe konstant 55 Grad Fahrenheit. Dies erfordert eine andere Art der Geothermie: Erdwärmepumpen (GSHP). Sie können auf verschiedene Arten installiert werden, aber in Evanston verwenden Designer normalerweise ein vertikales Schleifensystem.

„Bei einem vertikalen System werden Löcher (ca. 10 cm Durchmesser) in einem Abstand von etwa 20 Fuß und einer Tiefe von 100 bis 400 Fuß gebohrt“, erklärt derWebsite des US-Energieministeriums. „Zwei Rohre, die unten mit einem U-Bogen zu einer Schleife verbunden sind, werden in das Loch eingeführt und zur Verbesserung der Leistung vergossen. Die vertikalen Schleifen werden mit horizontalen Rohren verbunden, in Gräben verlegt und an die elektrische Wärmepumpe im Gebäude angeschlossen.“

Im Winter überträgt die Frostschutzflüssigkeit in den Erdrohren die wärmere Erdwärme an den Wärmetauscher der Wärmepumpe im Gebäude, wodurch die Gebäudeluft erwärmt wird. Im Sommer geschieht das Gegenteil: Die Wärmepumpe entzieht der Gebäudeluft Wärme und leitet sie über die Flüssigkeit in den Rohren an den Untergrund weiter, wodurch das Gebäude gekühlt wird.

GSHPs werden weltweit immer häufiger eingesetzt, wobei die Internationale Energieagentur berichtet, dass der weltweite Verkauf von Wärmepumpen im Jahr 2022 um 11 % gestiegen ist, was das zweite Jahr in Folge mit einem zweistelligen Wachstum war. Darüber hinaus gibt das Energieministerium an, dass in den USA jedes Jahr etwa 50.000 Erdwärmepumpen installiert werden.

Eine dieser neuen Wärmepumpen gehört den langjährigen Evanston-Bewohnern Bill und Eleanor Revelle. Obwohl sie ihr bemerkenswert energieeffizientes Haus am See im Jahr 2002 bauten, beschlossen sie erst in diesem Jahr, in ein GSHP zu investieren.

Das Haus der Revelles blickt durch dreifach verglaste Fenster auf den Michigansee und im Garten gedeihen lebhafte einheimische Pflanzen. Mit allem, von Solar-Warmwasserkollektoren in der Einfahrt über Photovoltaik-Schindeln auf dem Dach bis hin zu Doppelspültoiletten in den Badezimmern, spiegelt dieses Anwesen ein Gleichgewicht aus Natur, Technik und Architektur wider. Es basiert auf Nachhaltigkeit. Die Photovoltaik-Dachschindeln erzeugen 85 % des im Haus verbrauchten Stroms und unterstützen den Betrieb der neuen Wärmepumpe.

„[Die Architektin Ellen Galland, Eleanor und ich] wollten das energieeffizienteste Haus bauen, das wir damals bauen konnten“, sagt Bill Revelle.

Die Revelles – Eleanor, Mitglied des Stadtrats des zweiten Bezirks, und William, Professor für Psychologie an der Northwestern University – haben keine Kosten gescheut, um ihr Haus nachhaltig zu bauen. Allerdings nutzten sie 20 Jahre lang Gas als Ergänzung zu ihrer Solarenergie. Dies lag daran, dass sie der Meinung waren, dass die Installation eines GSHP beim Bau des Hauses im Jahr 2002 nicht umweltfreundlich wäre.

„Wir haben [Erdwärme] nicht gemacht, weil wir es damals geplant hatten und die Menge an Kohlenstoff, die zur Stromerzeugung für die Erdwärmepumpe benötigt wurde, damals höher war als die Verwendung von Gas dafür.“ Bill erklärte.

Warum haben sie sich also entschieden, das GSHP jetzt zu installieren?

„Der Hauptgrund dafür ist, dass wir auf Erdgas verzichten wollen“, sagte Eleanor. Ihr Mann fügte hinzu: „Wärmepumpen gibt es schon seit geraumer Zeit, aber in den letzten zehn Jahren sind sie viel effizienter geworden.“

Trotz der jüngsten Verbesserungen im Wärmepumpendesign ist die Installation einer GSHP nicht einfach. Die Revelles erklärten, dass die Arbeiter durch 110 Fuß Ton und dann durch Kalkstein, Schiefer und Sand bohren mussten. Das Bohren durch Sand ist besonders schwierig, da der Sand den frei gewordenen Raum füllt, wenn ein Loch gegraben wird.

Das System war für die Revelles ein Erfolg.

„Bisher haben wir nur den Klimatisierungsteil des Systems genutzt, der sehr effizient zu sein scheint und sehr leise und effizient für Kühlung und Entfeuchtung sorgt“, sagte Bill.

Während das Haus der Revelles eine außergewöhnliche Leistung nachhaltiger Technologie darstellt, verfügten die Revelles über die finanziellen Mittel, um ihr Geothermiesystem zu finanzieren. In den Stadthäusern an der Lake Street und der Ashland Avenue wurden die Kosten für die Installation von GSHPs auf die sieben Einheiten aufgeteilt.

Die Entwicklung trägt den Titel „Homes That Work“. Tom Engel, einer der Entwickler des Projekts von 2009, erklärt, warum diese Stadthäuser einzigartig sind.

„Es war ein B1-Bezirk, also konnte man im Erdgeschoss ein Geschäft betreiben und darüber ein Haus mit drei Schlafzimmern“, sagt Engel.

Die Gebäude wurden nicht nur so konzipiert, dass sie Geschäftliches mit Wohnen verbinden, sie wurden auch im Hinblick auf Nachhaltigkeit gebaut. Die Designer verwendeten energieeffiziente Geräte, bei denen Isolierung und Energieeinsparung im Vordergrund standen. Und sie entschieden sich für die Installation von GSHPs, die, wie Engel erklärt, auf lange Sicht Geld sparen sollten.

„In diesem Klima ist Geothermie für die Klimatisierung sehr erfolgreich“, sagt Engel. „Grundsätzlich sind die Kosten sehr gering [sobald das System installiert ist]. Die einzigen Kosten für die Klimaanlage sind tatsächlich der Betrieb eines Ventilators, der einer Glühbirne entspricht.“

Ein weiterer Vorteil des Einsatzes von Erdwärmepumpen zur Kühlung ist der Wegfall lauter Außenkondensationseinheiten, sagte Marian Tweedie, einer der Architekten von Homes That Work.

Allerdings sind in den rund 14 Jahren, die seit Einführung der GSHPs vergangen sind, einige Einschränkungen aufgetreten. Engel sagt, dass Erdwärme aufgrund ihrer Einschränkungen im Winter bei kaltem Wetter eine viel weniger praktikable Energieoption darstellt als andere erneuerbare Energien wie Wind und Sonne. Bei sehr kaltem Wetter wird Strom benötigt, um zusätzliche Wärme bereitzustellen.

„Im Frühling und Herbst ist [ein GSHP] sehr effektiv zum Heizen und sehr wirtschaftlich. Mitten im Winter werden die Temperaturen eiskalt. Es wird immer noch genutzt, aber es ist eine Ergänzung, und die zusätzliche Wärme, die dafür benötigt wird, ist sehr teuer“, sagte Engel.

Nate Kipnis, bekannt für seine nachhaltigen Praktiken als Architekt im Raum Chicago, teilte Engels Sicht auf die Herausforderungen der Geothermie im Mittleren Westen.

„Bodenquellen sind viel zu teuer, an vielen Standorten zu invasiv und erfordern viel zu viel Ausrüstung“, schrieb Kipnis in einer E-Mail an den RoundTable. „Außerdem verbrauchen sie viel mehr Energie für die Pumpen, die erforderlich sind, um die Flüssigkeit durch das unterirdische Rohrleitungssystem zu zirkulieren.“

Kipnis sagte, er bevorzuge den Einsatz von Luftwärmepumpen (ASHPs), die der Außenluft Wärme entziehen, sie komprimieren und in den Innenbereich befördern. Kipnis sagt, dass ASHPs billiger und einfacher zu installieren sind und weniger Ausrüstung und Platz verbrauchen.

Allerdings gibt es, ähnlich wie bei der Erdheizung, ein eklatantes Problem bei der Luftheizung: kaltes Wetter.

„Der einzige Vorteil von Erdwärmepumpen besteht tatsächlich darin, dass sie bei extrem kaltem Wetter etwas besser sind als Systeme mit Luftquellen“, sagte Kipnis.

Bill Revelle fügte hinzu, dass Luftheizungen einfach viel weniger effizient seien als Erdwärmeheizungen.

„Wir hatten Luftwärmepumpen im Vergleich zu Erdwärmepumpen in Betracht gezogen“, schrieb Revelle in einer E-Mail. „Ein einfacher Vergleich legt nahe, dass die Luftquelle billiger, aber weniger effizient ist als die Bodenquelle.“ Er wies darauf hin,laut einem Artikel in Energy Sage „Die Effizienz eines Bodenquellensystems ist etwa 50 % höher als die einer Luftquelle.“ Unser Ziel war es, den Einsatz CO2-produzierender Energiequellen so weit wie möglich zu reduzieren. Daher die Wahl des Bodenquellensystems.“

Während Engel die Schwierigkeiten von GSHPs bei kaltem Wetter in Lake und Ashland hervorhebt, kratzen niedrige Temperaturen nur an der Oberfläche der Probleme an einem zweiten geothermischen Standort am Seeufer.

Im Jahr 2010 entschieden sich die Administratoren des Garrett-Evangelical Theological Seminary – einer Graduiertenschule für Theologie der United Methodist Church auf dem Campus im Nordwesten – mithilfe der Indie Energy Systems Company für die Installation von Geothermie in zwei ihrer Gebäude. Das Unternehmen hatte eine „intelligente Geothermie“-Technologie geschützt, die erschwinglich und zuverlässig sein sollte. Leider erwies sich ihre Technologie für das Seminar als weder erschwinglich noch zuverlässig.

Einige Jahre nach der Installation des 27-Well-GSHP-Systems wurde Grumman|Butkus Associates (GBA) – ein in Evanston ansässiges Beratungsunternehmen – mit der Bewertung des problematischen Systems beauftragt. Steve Zehr war Projektmanager bei GBA und erklärte in einer E-Mail an den RoundTable, was mit den GSHPs von Garrett Evangelical schief gelaufen ist.

„Das bei Garrett installierte GSHP-System funktionierte in den ersten Betriebsjahren nicht wie vorgesehen“, schrieb er. „Die Wärmepumpen konnten im Sommer nicht für ausreichende Kühlung sorgen und im Winter nutzten sie Campus-Dampf zum Heizen des Kreislaufs und nicht Erdwärme.“

Grumman|Butkus stellte fest, dass dies geschah, weil es nicht genügend geothermische Brunnen gab, um das Gebäude mit Wärme und Kälte zu versorgen. Darüber hinaus wurden die beiden Ventilgewölbe, die die unterirdischen Rohrleitungen versorgten, aus den falschen Materialien hergestellt und korrodierten schnell – zeitweise sogar undicht.

Im Jahr 2012 musste Indie Energy sein Geschäft aufgeben, und die erheblichen Kosten für die Reparatur des Geothermiesystems führten dazu, dass die Garrett-Gebäude nur teilweise auf die „intelligente Geothermie“ des Unternehmens zurückgreifen konnten.

„Die Erdwärmepumpentechnologie hat sich als zuverlässig erwiesen und wird ein wichtiger Teil unserer Dekarbonisierungsbemühungen sein, aber sie erfordert eine sorgfältige technische Planung, um wie beabsichtigt zu funktionieren.“

Zehr kommt zu dem Schluss. „Leider war das bei Garrett installierte System mangelhaft.“

Die geothermische Technologie hat sich als unvollkommen erwiesen, aber sie verbessert sich. MIT Technology Review berichtet, dass Wärmepumpen immer besser werden, wobei neue Modelle „effizienter und besser für kaltes Wetter geeignet“ sind. Dies wird an einem anderen Ort am See bewiesen: dem Evanston History Center.

Das EHC lebt im ehemaligen Zuhause von Charles Gates Dawes, einem ehemaligen US-Vizepräsidenten und Friedensnobelpreisträger. Das Dawes House wurde 1894 erbaut und dient heute als gut erhaltenes Museum und Archivarchiv; für die Beheizung sorgt eine Geothermieanlage aus dem Jahr 2013.

„Nur weil [das Haus] alt ist, heißt das nicht, dass es in der heutigen Welt mit der heutigen Technologie nicht funktionieren kann“, sagt Kris Hartzell, Director of Facilities bei EHC. „Ich denke, dass es Teil unserer Mission ist, die Tatsache zu zeigen, dass wir als historisches Gebäude absolut anpassungsfähig an die aktuellen Technologien sind.“

Hartzell glaubt, dass eine erfolgreiche Geothermieanlage individuell und gut durchdacht sein muss.

„Ich denke, man darf kein Ego haben. Ich denke, man muss das System und die Parameter oder Einschränkungen, die einem gegeben werden, verstehen und damit arbeiten und darf nicht einfach nur sagen: „Das sollte funktionieren.““, sagt Hartzell. „Sie müssen verstehen, wie sich die Materialien und die Konstruktion auf die Wirksamkeit Ihres Systems auswirken.“

Die sieben GSHPs in der hoch aufragenden Villa am Seeufer sind seit ihrer Installation vor fast einem Jahrzehnt ein Erfolg und wurden an kälteren Wintertagen mit Hilfe zusätzlicher elektrischer Heizung ausgestattet.

„Die Heizung hat gut funktioniert. Es ist einfach großartig. Hatte nie ein Problem, war nie fröstelnd“, betont Hartzell.

Bei richtiger Auslegung sparen GSHPs den Evanstonianern aufgrund ihrer Effizienz und Langlebigkeit Geld. Und während sich die Technologie immer weiter verbessert, zeigen diese Beispiele in Evanston, dass Menschen aller Berufe und Hintergründe in erneuerbare Energien investieren, in der Hoffnung, einen grüneren Planeten für zukünftige Generationen zu schaffen.

„Wir müssen unseren CO2-Fußabdruck beseitigen. So einfach ist das“, schließt Bill Revelle.

Für Garrett-Evangelical Theological Seminary: https://evanstonroundtable.com/2010/08/17/a-boring-but-informative-visit-schakowsky-visits-garrett-site-of-geothermal-drilling/

Für Häuser, die funktionieren: https://evanstonroundtable.com/2008/03/18/development-offers-new-take-on-neighborhood-business-district/

Und https://evanstonroundtable.com/2009/08/04/eye-on-evanston-in-the-context/

Für das Evanston History Center: https://evanstonroundtable.com/2013/08/28/ehc-turns-to-geothermal-heating-and-cooling

Als Mitglied des RoundTable unterstützt Ihre Unterstützung das ganze Jahr über unsere Arbeit bei der Berichterstattung über alle wichtigen Nachrichten, die in Evanston wichtig sind!Bitte denken Sie darüber nach, ein zusätzliches Geschenk zu machen!

Ihr Beitrag ist steuerlich absetzbar. Wir schätzen ihre Unterstützung!

Wussten Sie, dass der Evanston RoundTable eine gemeinnützige Nachrichtenredaktion ist? Werden Sie noch heute Mitglied, um den Community-Journalismus zu unterstützen!

Ihr Beitrag ist steuerlich absetzbar. Wir schätzen ihre Unterstützung!

Milo Slevin ist Sommerpraktikant 2023 beim Evanston RoundTable. Er ist Oberstufenschüler der Evanston Township High School und Feuilletonredakteur der Schülerzeitung „The Evanstonian“. Milo spielt gerne Fußball,... Mehr von Milo Slevin