Geotermální tepelná čerpadla

Mají obrovský potenciál, vždy je však třeba brát v úvahu, zda jsou v rámci daného objektu nejlepším řešením.Využívání geotermálních tepelných čerpadel zaznamenává v posledních letech značný nárůst. Geotermální tepelná čerpadla (Ground Source Heat Pumps, GSHP) jsou nejrychleji se rozvíjející aplikací z oboru geotermální energie, který má v rámci obnovitelných zdrojů největší potenciál. GSHP jsou vhodné nejen do malých budov, stále více se používají i u větších projektů.

V současnosti je v Evropě už více než milion instalací GSHP. Mezi země s nejvyšším počtem těchto systémů patří Švédsko, Německo a Švýcarsko [1].Navzdory narůstající oblibě těchto zařízení stále neexistuje pevně zakotvený a standardizovaný přesný postup návrhu hloubky vrtů a není úplně jasné ani chování zemních vrtů po určité době využívání systému. Vrty se často navrhují na základě empirických zkušeností projektantů nebo instalačních firem, v důsledku čehož se často předimenzují či poddimenzují.Nejběžnějším způsobem hodnocení účinnosti tepelného čerpadla je v současnosti stále COP (topný faktor). Metodika jeho měření je popsána v normě EN 14511. U geo­termálních tepelných čerpadel se COP obvykle měří při těchto podmínkách: voda (nebo teplonosná látka) na vstupu do tepelného čerpadla ze zeminy má teplotu 2 °C a výstupní voda má teplotu 35 °C. Měření účinnosti prostřednictvím COP však není úplně objektivní a nedokáže popsat chování tepelného čerpadla během celého období provozu. Proto byl zaveden hodnoticí parametr SPF (celoroční topný faktor), který nejen popisuje účinnost systému, ale je i velmi užitečný k určení provozních nákladů a hodnocení návratnosti investic [2].

Nastavení okrajových podmínek
Předmětem článku je modelování tří budov s různou velikostí prostorů vytápěných geotermálními tepelnými čerpadly (teplá voda není součástí dodávky). Všechny tři budovy se modelovaly v klimatických podmínkách Prahy. Shodné byly i další okrajové podmínky – vše se simulovalo s použitím jílovité, vlhčí zeminy s tepelnou vodivostí 1,6 W/(m . K), vrty měly průměr 110 mm, polyetylenové trubky s průměrem 32 × 3 mm byly ve vrtu uspořádány pomocí dvojité U-smyčky a vždy byl použit tentýž druh teplonosné látky: monoetylenglykol s teplotou tuhnutí –21 °C. Rozestupy mezi jednotlivými vrty se při všech simulacích zachovaly na 10 m. Bylo bráno v úvahu, že tvar všech simulovaných budov je kompaktní. pro každý objekt byla v softwaru EED (Earth Energy Designer) navržena odpovídající hloubka vrtu a výkon tepelného čerpadla, který plně pokrýval tepelnou ztrátu budovy. První, nejmenší budovu představoval samostatně stojící rodinný dům s tepelnou ztrátou nižší než 10 kW. K vytápění tohoto domu slouží dva vrty s hloubkou 100 m. Tepelná ztráta druhé budovy byla 80 kW, tepelné čerpadlo využívalo geotermální energii z dvaceti vrtů s hloubkou 100 m. Třetí případ zastupuje budova s tepelnou ztrátou 320 kW a na její vytápění bylo třeba navrhnout 85 vrtů s délkou 100 m. U simulovaných budov se počítalo se zateplením na doporučené hodnoty podle normy ČSN EN 12831, s procentem zasklení 20 %, bez zahrnutí vnitřních zisků. Systém vytápění a topný spád byly opět ve všech případech stejné – vytápění pomocí fan-coilů 45 °C/40 °C. Za návrhovou vnitřní teplotu byla u všech modelovaných objektů považována hodnota 20 °C. Pro simulaci geotermálního systému tepelného čerpadla a jeho součinnosti s budovami byl vybrán simulační software TRNSYS.

Obr. 1 Model systému v programu TRNSYS

Modelování systému
TRNSYS je software, který se používá na dynamickou analýzu energetických systémů budov. Obsahuje širokou nabídku komponentů – od základních ohřívačů až po regulaci a sestavení detailního modelu budovy [3]. Ve všech třech případech simulace byl použit tentýž základ. Hlavními komponenty všech systémů byly zemní výměník tepla, tepelné čerpadlo s akumulační nádrží, zařízení na rozvod tepla pomocí fan-coilů a samotná budova. Provoz tepelného čerpadla nebyl invertorový, ale kompresor pracoval na principu ON/OFF na základě nastaveného rozsahu teplot. Elektronický regulátor měřil teplotu vratné vody na vstupu do tepelného čerpadla a zajišťoval udržování teploty vratné vody v určitém východiskovém teplotním rozsahu. Když teplota vratné vody překročila horní hranici nastaveného rozmezí teplot, kompresor tepelného čerpadla se zastavil. Když po vypnutí kompresoru teplota znova poklesla a dosáhla spodní hranice rozsahu, kompresor se znovu spustil. Simulace sledovala dobu chování systému během jednoho roku v hodinových intervalech.

Výsledky simulace
Cílem simulace bylo porovnat účinnost systémů s vrty geotermálních tepelných čerpadel u tří různých velikostí budov. Parametrem hodnocení efektivity byl SPF, pro jehož výpočet existuje v současnosti několik metod. Norma ČSN EN 15316-4-2: 2006 Tepelné systémy v budovách: Výpočtová metoda ke stanovení energetické potřeby a účinnosti soustavy udává dva způsoby výpočtu SPF. Prvním je zjednodušená metoda založená na typologii systému, druhým je výpočet podle tzv. intervalové metody. Výpočet je rozdělený na jednotlivé intervaly, které závisí na teplotě vnějšího vzduchu. Další návod na výpočet sezonního výkonového čísla poskytuje norma VDI 4650. V tomto případě se SPF vypočítalo jako průměrná hodnota z vytápěcích součinitelů, které se počítaly v jednotlivých časových krocích, když byl kompresor tepelného čerpadla v provozu. Do výpočtu SPF nebyl zahrnut příkon oběhových čerpadel a dalších pomocných komponentů. Velikost SPF ovlivňuje hlavně teplota na vstupu do tepelného čerpadla (množství tepla získaného ze zeminy) a teplota vody na výstupu z tepelného čerpadla (teplota vody ve vytápěcím okruhu).

Obr. 2. Výsledky simulace celoročního vytápěcího faktoru SPF v závislosti na roční potřebě tepla na vytápění

První výsledek (obr. 2) ukazuje porovnání SPF tří hodnocených objektů v závislosti na jejich tepelné ztrátě – je zřetelný nárůst SPF s rostoucí tepelnou ztrátou. Rodinný dům má nejnižší SPF na úrovni 3,6. Celkovou spotřebu elektrické energie tedy získáme vydělením roční potřeby tepla na vytápění koeficientem 3,6. Budova II vykazuje vůči rodinnému domu růst SPF o 10 %. Třetí, nejvyšší, budova dosahuje SPF 4,12. Na obr. 2 vidíme opět tutéž závislost, ale ve srovnání s roční potřebou tepla na vytápění. Velikost budovy a její tepelná ztráta se tedy jeví jako parametry, jež je dobré vzít v úvahu při rozhodování o systému geotermálního tepelného čerpadla jako zdroje tepla. U menších domů, nebo dokonce u velmi dobře izolovaných pasivních domů, není paradoxně systém s vrty na využívání geotermální energie pomocí tepelného čerpadla tolik efektivní. Tyto budovy mají jen velmi nízkou potřebu tepla a úspory energie při převodu na spotřebu primární energie nejsou tak významné. Větší budova s větší potřebou tepla spotřebuje mnohem více energie. Potenciál využití geotermální energie a úspora energie na vytápění je tak v porovnání s jinými zdroji tepla mnohem vyšší. U větších občanských budov se v létě pro tepelné zisky vyžaduje i chlazení, které se může zabezpečovat tímtéž systémem, čímž se vyřeší i využití vrtů v letním období.

Závěr
Výsledky simulace ukazují rozdíly v SPF u tří budov s různými tepelnými ztrátami, které však byly simulovány při týchž podmínkách. SPF roste s narůstajícími ztrátami tepla a s rostoucí potřebou tepla na vytápění. To může být užitečným faktorem při rozhodování, které budovy jsou pro využívání geotermálních systémů tepelných čerpadel se zemními vrty vhodné. Geotermální energie, hlavně geotermální tepelná čerpadla, je jednou z nejrychleji se rozvíjejících technologií a určitě je právem považována za obnovitelný zdroj energie s minimálními emisemi a vlivem na životní prostředí. Zároveň je však velmi důležité, aby se vždy bralo v úvahu, zda je systém s geotermálními tepelnými čerpadly skutečně nejlepším řešením v rámci dané budovy.

Obrázky: archiv autorů
Ing. Kristýna Vavřinová, prof. Ing. Karel Kabele, CSc.
Recenzoval: prof. Ing. Václav Havelský, Ph.D.

Článek vznikl s podporou z grantu SGS10/234/OHK1/3T/11.
Autoři působí na Katedře technických zařízení budov Stavební fakulty ČVUT v Praze. K. Kabele je vedoucím této katedry.

Literatura
1.    Self, S. J. et al.: Geothermal Heat Pump System: Status Review and Comparison with Other Heating Options. In: Applied Energy, 2012.
2.    Vavřinová, K.: Geothermal Energy Heat Pump Use for Heating and Cooling. In: Odborná diskuse doktorandského studia, Stavební fakulta ČVUT, Praha, květen 2012.
3.    Shonder A. J. – Hughes J. P.: Increasing Confidence in Geothermal Heat Pump Design Methods. Proc. 2nd Stockton Geothermal Conference, 1998, dostupné na: www.geo-journal.stockton.edu.
4.    Matuška, T: Efektivita provozu tepelných čerpadel v budovách, III. In: Sympozium integrovaného navrhování a hodnocení budov, Praha, říjen 2012.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.