Ve středočeských Nebřenicích se vytápí tepelnými čerpadly s vrty

Nově budovaná ekologická vesnice Nebřenice poblíž Prahy vsadila na technologii tepelných čerpadel. Pět set hlubinných vrtů pro tepelná čerpadla zásobují teplem a chladem celou vesnici. Jde zatím o nejkomplexnější využívání vrtů s tepelnými čerpadly v ČR.

Nová vesnice s důrazem na kvalitu života vzniká v Nebřenicích ve Středočeském kraji šest kilometrů jižně od Prahy. Moderně řešené stavby nové vesnice jsou svou koncepcí nízkoenergetické. Avšak vzdušné konstrukce plné skleněných velkoformátových prvků mají speciální požadavky jak na vytápění, tak na chlazení.

Technologie tepelných čerpadel s vrty poskytuje komfortní a levnou dodávku tepla a chladu. V konečné fázi bude v místě realizováno pět set hlubinných vrtů, které budou zásobovat jak rodinné domy, tak obecní infrastrukturu.

Prezentace projekčních prací představí průzkum, testovací práce a následné průzkumy, které mají zabezpečit udržitelnost vrtů po dobu životnosti staveb. Numerické výpočty byly doplněny o trojdimenzionální modelace šíření tepla a chladu v horninovém masivu v průběhu budoucích pětadvaceti až padesáti let.

Výstupy následně sloužily architektům k zapracování změn, které se projevily na tepelněizolačních vlastnostech objektů. Díky těmto postupům bude zajištěno bezpečné zásobování teplem a chladem celého nově vznikajícího projektu.

Průzkum tepelné odezvy vrtů

Vzhledem k rozsahu celé akce byly pro celou lokalitu vybrány tři body pro umístění průzkumných vrtů. Byla snaha zmapovat geologický profil celé lokality. Průzkumné vrty tvoří téměř rovnostranný trojúhelník. Toto uspořádání je ideální pro přesnější data následného trojdimenzionálního modelu.

Průzkumné vrty se realizují se záměrem získat přesnou představu o geologickém profilu, počtu zasažených zvodní, jejich mocnosti. Vrtání musí být také efektivní a musí mít ekonomický smysl. Proto pokud se při průzkumu narazí na geologické anomálie, které vrty prodražují a zpomalují vrtání, zvažuje se zda pokračovat dále, nebo průzkumné práce zastavit a pracovat pouze s efektivně realizovanou hloubkou vrtů.

Současné dostupné technologie v ČR již umožňují vrtat vrty pro tepelná čerpadla do hloubek 200 – 300 m. U tohoto projektu se tak hluboké vrty neplánovaly. V lokalitě Nebřenice se podařilo všechny tři průzkumné vrty dokončit do plánované maximální hloubky 150 m.

Teplotní profil vrtu

Návrhy systémů zemního tepla se opírají z velké míry o těžení energie, tepla, které je naakumulované v zemním masivu. Pro výpočty je tedy velmi zásadní původní neovlivněná teplota. Pro zjištění této hodnoty se vrt „loguje“ v celém svém profilu a z průměrných naměřených hodnot vychází neovlivněná teplota podloží, která je zásadní hodnotou pro další dimenzování vrtů.

Tepelná vodivost horninového masivu

Průzkumné vrty jsou plnohodnotné vrty pro tepelné čerpadlo včetně vystrojení výměníkem z PE 100-RC a tlakové injektáže. Vrt musí být proveden ve vysokém standardu tak, aby výkon vrtů byl maximální. Průzkumné vrty jsou vystrojeny systémem GEROtherm 4 x 32 a meziprostor mezi výměníkem a stěnou vrtu je tlakově vyplněn směsí se zvýšenou tepelnou vodivostí Calidutherm EKO (2,0 WmK).

Každý z vrtů byl postupně napojen na měřicí aparaturu, která vrty zatížila tepelným výkonem 7150 W. Záznam průběhu testu „thermal response“ se dále vyhodnocuje a výsledkem je průměrná tepelná vodivost jednoho metru konkrétního vrtu.

3D model kontroluje ochlazení podloží

Data z průzkumných vrtů posloužila jako vstupní informace pro návrh trojdimenzionálního modelu celé lokality. Plánovaná výstavba nové vesnice obsahuje mnoho solitérních budov, ale také soubory objektů, jako řadové domy, bytové domy a objekty občanské vybavenosti.

Každý z objektů má zcela jiné energetické potřeby tepla, chladu a energie pro přípravu teplé vody. Aby zemský masiv pod lokalitou Nebřenice zůstal energeticky udržitelný, bylo zapotřebí celou oblast simulovat ve 3D prostředí.

Jedině tak bylo možné zanést všechny objekty s vrty a porovnávat vzájemné ovlivňování různě používaných vrtných polí. 3D model je stále „živým“ podkladem, který se neustále doplňuje o objekty, které se v lokalitě teprve plánují. Současný simulovaný stav viz obr. 3.

3D model odhalil ohrožená místa, která by s výhledem na pětadvacet až padesát let provozu vykazovala značné snížení teploty v okolí vrtných polí. Jednalo se především o vrtná pole R5 a R6, která slouží bytovým domům. U bytových domů je výrazně větší odběr tepla než u standardních smíšeně využívaných objektů. Hlavní měrou se podílí požadavek na přípravu teplé vody.

Eliminace vysoce podchlazených míst

Díky výstupu z 3D modelu bylo možné optimalizovat vrtná pole tak, že vysoce podchlazená místa se podařilo eliminovat. Změnilo se rozmístění vrtů, jejich vzájemné rozestupy. Zpětný požadavek na architekty a stavební projektanty ležel v optimalizaci schránek budov tak, aby vrty, umístěné zpravidla pod objekty, byly využívány správně. Došlo i k navýšení požadavku na letní chlazení, a tedy zpětný zisk energie do vrtů.

Z výsledků (obr. 4, obr. 5) je patrné, že v centru vrtných polí jednotlivých objektů se výrazně projevuje cyklický odběr a zpětné ukládání (dotace) tepla během provozu tepelných čerpadel. Roční rozsah kolísání teploty dosahuje 1 – 2 °C.

V centru vrtného pole každé skupiny BHE se projevuje nejvýraznější poklesový trend. Po pětadvaceti letech provozu lze předpokládat pokles průměrné teploty hornin v centru přibližně o 3 °C. Oblast s výrazným snížením teploty o více než 6 °C po pětadvaceti letech se omezuje pouze na bezprostřední okolí exploatačních vrtů.

S rostoucí vzdáleností od centra vrtného pole postupně zaniká kolísání vlivem cyklického provozu tepelného čerpadla a snižuje se rovněž míra celkového tepelného ovlivnění hornin. Ve vzdálenosti patnácti metrů od centra vrtného pole objektu č. 15 dosahuje pokles teploty cca 2 °C, ve vzdálenosti pětadvaceti metrů cca 1 °C a ve vzdálenosti pětačtyřiceti metrů se jedná zhruba o 0,5 °C.

Nejvyšší míru ovlivnění tepelného pole v rámci simulované lokality po pětadvaceti letech vykazují oblasti R1 a R4 (rodinné vily), kde průměrný pokles teploty v hloubce dvaceti metrů nepřesahuje 3,5 °C – oproti současné neovlivněné teplotě 10 °C. To je dáno tím, že u lokalit R1 a R4 se v rámci modelu nepočítalo s chlazením – tedy regenerací vrtných polí.

I přes velmi optimistické výsledky modelového řešení je třeba upozornit, že ani po pětadvaceti letech nedojde k úplnému ustálení tepelného pole, ale bude pokračovat proces postupného ochlazování tepelného masivu. Další pokles teploty již však bude velice pozvolný a celkové konečné snížení teploty po ustálení tepelných poměrů může být cca o třetinu vyšší, než je prezentovaný stav po pětadvaceti letech provozu.

Dosah ovlivnění tepelného pole po pětadvaceti letech provozu tepelného čerpadla je zároveň patrný z obr. 4. Jedná se o třetí modelovou vrstvu, tj. stav v hloubce cca dvaceti metrů pod 0,5 °C od výchozího stavu.

Oblast se sníženou teplotou má asymetrický tvar, je mírně protažena ve směru proudění podzemní vody, což indikuje přítok relativně teplé vody do oblasti vrtů a odtok vychlazené vody. Vliv tektonicky porušené zóny ve směru JV-SZ, situované v severovýchodní části modelového území, na teplotní pole horninového prostředí je možné označit za zanedbatelný.

Nejkomplexnější využívání vrtů

Na projektu Nebřenice OAKS proběhl zatím nejpodrobnější a nejkomplexnější průzkum v historii využívání zemního tepla a chladu na území ČR. Podařilo se vytvořit vysoce sofistikované modelové řešení pro bezpečné a udržitelné dimenzování geotermálních vrtů v rámci lokality.

Simulace potvrdila, že rodinné vily R1 a R4, tedy menší vrtná pole, není pro dlouhodobou udržitelnost nutné regenerovat zpětnou dodávkou tepla do vrtů při letním období. Naopak u velkých vrtných polí R5, R6, R7, R8 a R12 je nutné regeneraci vrtů zajistit, a to optimálně v hodnotě rovnající se odběru tepla z vrtů v zimních měsících.

Tato vrtná pole tak budou pracovat do jisté míry akumulačně. Sestrojený nástroj je „živý“ model, který se postupným zpřesňováním bilancí jednotlivých objektů ladí a slouží jako nástroj pro bezpečné dimenzování v dané lokalitě v rámci dílčích projektových dokumentací pro provedení stavby DPS.