Současné možnosti čerpání a ukládání energie – hloubkové vrty, plošné kolektory, vodní díla, energetické piloty

Tepelná čerpadla systému země–voda jsou na slovenském trhu stabilně k dispozici již více než 25 let. Během této doby se všeobecná znalost této technologie v odborných kruzích inženýrů, projektantů a architektů neustále rozvíjí. S tím samozřejmě souvisí i stále rostoucí počty realizovaných a projektovaných akcí.

Zkušenosti s projektováním i realizací zemních tepelných čerpadel jsou nyní rozvinuté napříč všemi možnými druhy staveb od rodinných domů přes stavby občanské, bytové až po administrativní a průmyslové. Velkou výhodou systému tepelných čerpadel je možnost vytápění i chlazení v rámci jednoho zařízení.

Proto zejména u administrativních objektů, kde jsou požadavky na vytápění i chlazení dnes již nezbytným standardem, nachází technologie tepelných čerpadel země–voda své uplatnění a ekonomické opodstatnění. Oba procesy (vytápění i chlazení) mohou dokonce probíhat současně, a to za provozní náklady pouze jednoho z nich.

Při výrobě chladu tak máme k dispozici odpadní teplo např. na přípravu teplé vody, zbývajícím nevyužitým teplem si zregenerujeme (ohřejeme) geotermální vrty na zimní období.

Tichý a prostorově nenáročný zdroj

Jedna z prvotních potřebných informací pro rozhodnutí se o smyslu tepelného čerpadla je jeho prostorová náročnost. Systém tepelných čerpadel země–voda je tvořen primárním okruhem – vnější částí – a samotným tepelným čerpadlem – vnitřní částí, která se umístí uvnitř řešeného objektu.

Primární okruh bývá nejčastěji řešen pomocí zemního plošného kolektoru nebo pomocí geotermálních vrtů. Méně často pak primární okruh tvoří energetické základové konstrukce – piloty, vodní náhony, dno vodní nádrže apod. Vnější část je zpravidla vždy pod terénem a nenarušuje architektonický ráz budovy.

Oproti systému tepelného čerpadla vzduch–voda není tento systém zdrojem žádného hluku či vibrací, které by zatěžovaly okolí či stavbu samotnou. V případě energetických pilot či vrtů může být primární okruh umístěn pod objektem samotným, což prostorové nároky zcela minimalizuje.

Účinnost a životnost pro velké i malé stavby

Systém tepelných čerpadel je v praxi projektován v rozsahu od malých rodinných domů s tepelným výkonem 3 kW až do velkých administrativních sídel s tepelným výkonem 1 MW a více. Obecně platné pravidlo návrhu systému vytápění zní: čím nižší teplotní spád, tím vyšší účinnost tepelného čerpadla COP.

Tepelná čerpadla jsou dnes schopná vyrábět teplou vodu s teplotou až 65 °C. Příliš vysoké teploty však mají vliv na nižší účinnost a také životnost zařízení. Proto je vhodné volit velkoplošné systémy vytápění, kde se maximální teploty topné vody pohybují řádově do cca 45 °C. Zde jsou dnešní zařízení schopna pracovat s průměrnou roční účinností COP = 5,0 a vydrží více než 20 let provozu.

Řádně navržený primární okruh má životnost řádově odpovídající celé stavbě – tedy zůstává a nemění se nikdy. TČ jsou schopné jak strojního (aktivního) chlazení pomocí kompresorů, tak pasivního bez kompresorového chlazení, pouze primárním okruhem.

V prvním případě je zařízení schopné vyrábět „ostrou“ chladicí vodu o běžném teplotním spádu 6/12 °C, která se používá zejména pro fancoily či chladiče ve VZT jednotkách. V případě pasivního chlazení je třeba počítat s vyšší teplotou chladicí kapaliny, a sice cca 16/19 °C, což je teplota optimální pro velkoplošné chlazení (podlahové, stropní, stěnové) nebo pro aktivaci betonového jádra.

U těchto systémů je provoz chlazení pouze za cenu oběhových prací. Reálná účinnost chlazení se pohybuje okolo EER = 120, což tento systém řadí bezkonkurenčně na nejvyšší stupeň co do energetické účinnosti.

Studie jako podklad pro rozhodnutí

Za každým důležitým rozhodnutím při projektování stojí vždy určité úvahy a porovnávání možností, výhod a nevýhod jednotlivých variant. Vzhledem k investiční náročnosti tohoto zdroje tepla je u akcií většího rozsahu vhodné provést prvotní studii, která zhodnotí možné technické řešení ve vazbě na stavební řešení, hydrogeologické podmínky a ekonomickou stránku věci.

Ta vždy závisí na konkrétních podmínkách využití tohoto zařízení, zejména na využitelnosti ve vztahu ke všem energetickým požadavkům budovy (vytápění / chlazení / příprava TV atd.). Při vhodných okrajových podmínkách projektu pak bývá ekonomická návratnost tohoto zařízení zpravidla okolo 6–8 let oproti konzervativnímu řešení zdroje.

Projekt a hydrogeologický posudek vždy předem

Stejně jako pro stavební část, zdravotechniku, sítě, studnu, čističku apod., i tepelná čerpadla země–voda je třeba řádně naprojektovat. Vnitřní část (stroj) je navrhována v rámci projektu vytápění v návaznosti na celý systém vytápění/chlazení a energetické nároky stavby.

Vnější část je řešena samostatnou částí projektu – profesí či stavebním objektem, který je v případě vrtů pro tepelná čerpadla nutné projednat s místně příslušným povodím a následně vodoprávním úřadem. Pro zařízení s tepelným výkonem do 20 kW postačí zařízení pouze územně umístit, pro větší systémy je třeba stavební povolení. Běžně se však dané zařízení povoluje společně s celým domem a projekt je tak tvořen v návaznosti a podrobnosti celé projektové dokumentace.

Součástí projektové dokumentace je v případě geotermálních vrtů vždy hydrogeologický posudek, který je z legislativních důvodů nezbytný. Stejně tak nezbytný je pro projektování daného systému s ohledem na místní hydrogeologické podmínky, případná ochranná pásma, okolní vodní zdroje apod. Žádný jiný průzkum legislativa nevyžaduje.

Dimenzování

Zařízení s menšími výkony jsou projektována a dimenzována podle tepelných bilancí stavby a podle hydrogeologického posouzení, resp. tabulkových hodnot tepelné vodivosti podle geologických map, podkladů z Geofondu apod. Měření přesných tepelnětechnických parametrů podloží by se zde ekonomicky nevyplatilo, a je tak vhodnější počítat s bezpečnými tabulkovými hodnotami.

Pro zařízení větších výkonů řádově nad 50–60 kW se u geotermálních vrtů doporučuje měření přesných tepelnětechnických parametrů podloží, tzv. TRT (thermal response test) – test na pilotním průzkumném vrtu. Test teplotní odezvy horninového prostředí (TRT) je mezinárodně osvědčený a uznávaný postup pro zjištění tepelných parametrů podloží.

Kompletně vystrojený geotermální vrt je při měření tepelně zatížen stanoveným přivedeným teplem po dobu 72 hodin a tím je podloží aktivováno k teplotní odezvě. Tato reakce je charakteristická pro příslušné horniny a dovoluje výpočet efektivní tepelné vodivosti v okolí sondy.

Dále je pomocí testu určena klidová teplota podloží, teplotní profil a tepelný odpor vrtu. Tyto specifické hodnoty jsou nejdůležitějšími veličinami pro následné navrhování/dimenzování geotermálních vrtů. Díky tomuto průzkumu tak můžeme ušetřit mnoho metrů vrtu a tím i investiční náklady.

Samotné dimenzování se pak provádí pomocí výpočetních numerických modelů pro „neomezenou“ životnost vzhledem k zadaným okrajovým podmínkám – bilance tepla/chladu. Korektním dimenzováním primárního okruhu tepelného čerpadla jsme schopni zajistit jednak záruku min.

100% účinnosti tepelného čerpadla vzhledem k udávaným hodnotám od výrobců tepelných čerpadel, tak jistotu stabilního a „trvalého“ zdroje energie s uvažovanou životností více než 80 let.