Dimenzování hlubinných vrtů systémů tepelných čerpadel

Podloží může být využíváno jako zdroj tepla, chladu a pro jeho akumulaci. Díky velkému využitelnému objemu a stejnoměrné úrovni teploty se dobře hodí pro mnoho aplikací v oblasti s nízkými teplotami. Teplo z podloží se získává nejčastěji pomocí tepelných čerpadel ve spojení s horizontálními nebo vertikálními půdními výměníky tepla nebo s čerpáním spodní vody. Tepelná čerpadla mohou být vedle vytápění použita také pro chlazení budov. V některých aplikacích lze v létě provozovat přímé chlazení z podloží bez použití tepelného čerpadla, tzv. Free Cooling.

 Podloží může sloužit také jako tepelný akumulátor pro vytápění, popřípadě chlazení (obr. 1). Teplo z obnovitelných zdrojů (slunce, teplo podzemí apod.) nebo odpadní teplo, které by se jinak ztratilo, může být uchováváno a později použito. Obdobně lze akumulovat chlad. Konečně jsou možné také vyrovnávací nebo rezervní zásobníky v dálkovém zásobníku tepla nebo zásobníky pro průmyslové procesy. Akumulace energie v zemském podloží se hodí především pro uchovávání většího množství tepla nebo chladu na delší časové období.

Obr. 1 Různé systémy odběru zemního tepla

Zemní tepelná čerpadla jsou velmi rozšířena v Severní Americe a v Evropě. Důvodem je vysoké zhodnocení elektrické energie na pohon tepelného čerpadla energií z okolního prostředí. Efektivitu práce stroje vyjadřuje topný faktor COP (Coefficient of Performance), který stanovuje poměr mezi vyrobenou a spotřebovanou energií.

Pro výpočet chladicího výkonu tepelného čerpadla slouží rovnice

    (1)

kde:
    Qt    je    topný výkon tepelného čerpadla,
    COP    –    topný faktor.

Chladicí výkon tepelných čerpadel se přenáší prostřednictvím vertikálních výměníků na podloží. 

Hlubinný vrt pro tepelné čerpadlo – geotermální vertikální vrt (GVV)
Konstrukce vrtu je tvořena odvrtaným otvorem zpravidla o průměru 125 až 165 mm. Do otvoru realizovaného do konečné hloubky (60 až 200 m) se instaluje plastový výměník tvořený uzavřeným okruhem trubního vedení. Většinou se jedná o duplexní, tedy dvousmyčkové systémy z potrubí o průměru 32 mm (DN 25) nebo 40 mm (DN 32). Meziprostor po odvrtání a zapuštění výstroje je tlakově injektován odspoda vzhůru. Tak je zajištěn přenos energie z teplonosné kapaliny uvnitř přes potrubí výměníku na okolní horninové podloží.
Materiálově i konstrukčně může být vrt proveden různými způsoby. Pro výpočet malých zařízení do 30 kW výkonu je brán jako etalon vystrojení 4 × 32 × 3 mm, tedy duplexní (dvouokruhové).

Dimenzování na základě výkonu
Všeobecně se dělí systémy na zařízení do 30 kW výkonu a zařízení nad 30 kW výkonu. Rozdílný musí být přístup při projektování těchto zařízení, respektive jejich primárních okruhů ve formě vrtů. Často se používají zjednodušené návrhy pro malá zařízení i na systémy, kde celkový výkon přesahuje 100 kW. Takto navržené aplikace mohou fungovat pouze se štěstím (hydrogeologicky dynamická oblast), dlouhodobě udržitelně však nikoliv.

Malá zařízení do výkonu 30 kW
Dimenzování u těchto projektů se provádí ve zjednodušeném režimu, není-li úřady (životní prostředí) podmíněno jinak.

Podmínkou je, aby byl systém navržen pouze na vytápění (popřípadě včetně přípravy teplé vody). Projektování může probíhat na základě přiřazení specifické směrné hodnoty měrného výkonu W/m pro odběr tepla z vertikálního vrtu. Jde o hodnotu chladicího výkonu TČ vztaženého na hloubku instalovaného vrtu.

Další okrajové podmínky pro možnost aplikace zjednodušeného výpočtu jsou:
•    hloubka vrtu mezi 60 až 100 m,
•    rozestup mezi vrty = 10 % jejich navrhované délky,
•    duplexní vystrojení vrtu DN 25 (GVS 4 × 32 mm), DN 32 (GVS 4 × 40 mm),
•    vrty v liniovém uspořádání (v řadě),
•    dodržení maximálního ročního zatížení.
 
V ČR je většina tepelných čerpadel systému země – voda u výkonů do 30 kW navrhována na vytápění i přípravu TV. Pro tyto provozní podmínky se navrhují vrty s roční zátěží 2 400 provozních hodin (viz druhý sloupec v tab. 1).

Vzhledem ke geologické rozmanitosti území České republiky nelze zjednodušeně uvažovat střední hodnotu 50 W/m, která se stala neprávem synonymem běžného měrného výkonu vrtu pro tepelná čerpadla. Zásadní chybou je pak opomíjení výše uvedených okrajových podmínek. Při každém plánování systému s tepelným čerpadlem je nutné zařadit informaci o předpokládané geologii jako jednu ze zásadních veličin i pro malá zařízení.

Provozní maximální roční zátěž vrtů je z dlou­hodobého zachování výkonu zařízení zásadní parametr. Při plánování je spíše vhodné uvažovat celkovou možnou dodanou energii z vrtů, která je 95 až 145 kWh/rok na jeden metr vrtu v režimu 2 400 hodin zátěže. Takto uvedená hodnota je přesnější a projektant může při navýšení o příkon kompresoru lépe vrty navrhnout.   

Příklad:
Potřeba tepla objektu
pro vytápění     12 800 kWh
Potřeba tepla na ohřev vody    4 700 kWh
Celková potřeba     17 500 kWh
17 500 kWh/2 400 h = 7,3 kW

Pro návrh hloubky vrtů bude uvažováno tepelné čerpadlo o tepelném výkonu 7,3 kW. Příklad: tepelné čerpadlo s topným výkonem 7,3 kW a COP 4,6 má chladicí výkon 5,71 kW. Potom potřebná hloubka vrtu pro konkrétní podloží je např.5 710 W/50 W = 114,2 m.

Pokud pro dům s celkovou roční potřebou tepla 17 500 kWh navrhneme vrt(-y) pro ­oblast se střední tepelnou vodivostí 2 až 3 W/(m . K) o celkové hloubce 114 m, bude zařízení fungovat správně.

Pro daný objekt se může volit nižší výkon TČ, ale celková hloubka vrtu(-ů) by měla být zachována. V praxi je častým problémem přiřazení menšího výkonu TČ s primárním okruhem navrženým ne na potřeby objektu, ale pouze na chladicí výkon TČ.

U poddimenzované velikosti TČ jsou běžné roční náběhy 3 500 až 4 500 pracovních hodin stroje. V tomto režimu není zpravidla problém s výkonem; TČ běží při požadavku na dodávku tepla v chladných měsících nepřetržitě a pro stroj samotný to není na škodu, ale primární okruh (vrt) se dostává do energetické spirály, kdy není schopen dodat potřebnou energii, a je stále více vychlazován. Se snižující se teplotou vrtu se snižuje výkon TČ, ale požadavek na dodávku tepla zůstává. Tento efekt se často projevuje při natápění novostaveb, které jsou dostavěny v období podzimu nebo brzké zimy. TČ běží nepřetržitě a snaží se vytopit dům, kde jsou chladné všechny konstrukce. Primární okruhy často pracují v režimu –5 °C/–2 °C a nej­sou neobvyklé teploty –7 °C/–4 °C. Krátkodobý provoz je možný, ale pokud v těchto teplotách pracuje systém v již provozovaném objektu, často je to důsledek právě nadměrných provozních hodin naznačujících poddimenzovaný vrt.

Velká zařízení nad 30 kW výkonu
Výhodné ekonomické parametry a krátkou dobu návratnosti mají projekty, kde je požadavek jak na vytápění, tak chlazení. Zemní masiv funguje částečně jako akumulátor energie. Takto provozované systémy i větších výkonů mají v podstatě vždy krátkou návratnost. Investicí do jednoho velmi technicky jednoduchého systému získáme jak možnost vytápět, tak chladit, a to v jednom procesu zároveň.

U zařízení, kde požadovaný výkon přesahuje 30 kW nebo jsou vrty uskupeny jinak než liniově, je nutné navrhovat vrtné pole s využitím analytických simulačních programů. Není možné používat specifické směrné hodnoty z tab. 1. V praxi fungují doporučené postupy, jak realizovat tepelná čerpadla země – voda s větším výkonem. Aby byl návrh primárního okruhu postaven na pevných základech, je nutné vždy realizovat průzkumný vrt, který slouží k zodpovězení hned několika neznámých.

Vrtatelnost zájmové lokality
Průzkumný vrt pro tepelné čerpadlo je plnohodnotný vrt pro tepelné čerpadlo osazený geotermální vertikální sondou. Později je zařazen do systému jako funkční vrt. Nejedná se tedy o zbytečně proinvestované prostředky.

Do jaké hloubky je oblast ekonomicky vrtatelná, do jaké hloubky je možné vrtat dostupnou technikou, jaké geologické vrstvy a zvodnění jsou stvolem vrtu zasaženy – to jsou základní otázky, na které lze po odvrtání získat odpověď.

Data získaná z průzkumného vrtu a hodnoty potřeb energií slouží jako vstupní hodnoty pro simulace fungování vrtného pole. Simulace se provádějí pomocí specializovaného softwaru, nejčastěji EED (Earth Energy Designer). Mezi další vstupní hodnoty patří plánovaná rozteč vrtů, konstrukce vrtu, tepelná vodivost injektáže vrtů, průtok sondou.

Aby data pro simulační software co nejvíce vystihovala reálnou tepelnou průměrnou výkonnost na 1 m vrtu, nahrazuje se záznam hydrogeologa z průběhu vrtání polní zkouškou tepelné vodivosti podloží – zkoušky tepelné odezvy, tedy GRT (Geotermal Response Test). 

GRT – Geotermal Response Test
Jde o nejrozšířenější dostupnou zkoušku průzkumného vrtu pro tepelná čerpadla. Výstupem z testování je hodnota průměrné tepelné vodivosti jednoho metru vystrojeného vrtu pro tepelné čerpadlo. Minimální doba měření je 72 hodin na lokalitě s průzkumným vrtem a ustálenou klidovou geologií. Jiné vrtné práce tedy nemohou na lokalitě probíhat a samotné měření by se mělo realizovat minimálně 3 dny po úplném dokončení průzkumného vrtu. Testovaný vrt se zatěžuje v závislosti na hloubce tepelným výkonem 5 až 9 kW. Před zahájením testování se zaznamená teplotní profil a stejné měření se provede na konci testování (obr. 2). Výsledné křivky se porovnají a podle záměru (vytápění, chlazení, kombinace vytápění/chlazení, akumulace) se zhodnotí, jaké vrstvy je vhodné zasáhnout co největším počtem vrtů. Vrstvy, kde teplo „zmizí“, jsou dynamické s pohybem spodní vody. Z grafu je patrné, že vrstva v hloubce 40 m je se silným pohybem spodní vody. Opačně vrstvy mezi 80 a 150 m jsou ve skalním masivu s dobrou tepelnou vodivostí a vhodné k akumulaci tepla/chladu (obr. 2).

Obr. 2 Záznam teplotního profilu vrtu před zkouškou GRT a po ní

Hydraulika a ideální rychlost proudění
Vypočtenou celkovou hloubku vrtů je třeba rozdělit do jednotlivých vrtů/okruhů. V systémech zemních výměníků je vhodné dosáhnout turbulentního proudění, kdy dochází k dobrému přenosu z teplonosné kapaliny na podloží. Vyšší rychlosti vedou ke zvýšení oběhové práce a ke zhoršení ekonomiky provozu. Nelze oddělovat část dimenzování vrtů a hydraulického zapojení.

Závěr
Výše uvedená doporučení pro dimenzování patří mezi běžnou projekční praxi v zemích EU, převážně v zemích, kde se tepelná čerpadla využívají masově (Německo, Rakousko, Švýcarsko, Švédsko). Zjednodušené návrhy počítají s faktorem bezpečnosti pro plošné nasazení TČ bez zvýšených rizik.

V příspěvku byly popsány i přesnější způsoby návrhu zohledňující dynamiku podloží, místní hydrogeologické anomálie a poruchy.

Existují i další postupy a výpočty, které jsou zatím pro běžnou praxi (výstavbu) příliš zdlouhavé a nákladné a používají se pouze ve specifických případech.

Ing. Milan Trs
Obrázky: autor

Autor působí ve společnosti GEROtop, spol. s r. o.

Příspěvek odzněl na konferenci Vytápění Třeboň 2013.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.

Literatura
1.    Spolek německých inženýrů, VDI 4640 publikace, prosinec 2000.
2.    ČSN EN 15450 Tepelné soustavy v budovách – Navrhování tepelných soustav s tepelnými čerpadly, ČNI, 2011.
3.    Projekt Berounské terasy, GEROtop, spol. s r. o., Dimenzování a studie proveditelnosti ve stavu DUR, 2009.