Tepelná čerpadla země-voda jako standardní projektové řešení

Jaké základní principy a úvahy by měl inženýr/architekt/projektant při volbě zdroje vytápění a chlazení zvážit, a to zejména s ohledem na legislativní požadavky na energetickou hospodárnost nově projektovaných staveb?

Tepelná čerpadla systému země-voda jsou na českém 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 souvisejí i stále rostoucí počty realizovaných a projektovaných akcí.

Vytápění a chlazení v jednom

Zkušenosti s projektováním i realizací zemních tepelných čerpadel jsou nyní napříč všemi možnými druhy staveb od rodinných domů, přes stavby občanské, bytové, administrativní i průmyslové. 

Velkou výhodou systému tepelných čerpadel je možnost vytápění i chlazení v rámci jednoho zařízení – stroje. Proto zejména u administrativních objektů, kde jsou požadavky na vytápění i chlazení dnes již nezbytným standardem, nachází tato technologie tepelných čerpadel země-voda své uplatnění a ekonomické opodstatnění. 

Oba procesy (vytápění i chlazení) mohou dokonce probíhat zároveň, a to za provozní náklady pouze jednoho z nich. Při výrobě chladu tak máme k dispozici odpadní teplo např. pro přípravu teplé vody, zbývajícím nevyužitým teplem si zregenerujeme (ohřejeme) geotermální vrty na zimní období.

Tichý a prostorově nenáročný zdroj

Jedna z prvotních potřeb pro rozhodnutí se o smyslu TČ je jeho prostorová náročnost. Systém tepelných čerpadel země-voda je tvořen primárním okruhem – venkovní částí a samotným tepelným čerpadlem, tj. 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. Venkovní 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. Vnitřní část – samotné tepelné čerpadlo – se umisťuje do technické místnosti podobně jako jiné zdroje tepla a jeho velikost se od konzervativních zdrojů také příliš neliší.

Vysoká účinnost a životnost pro malé i velké stavby

Systém tepelných čerpadel je v praxi projektován v rozsahu od malých rodinných domů o tepelném výkonu 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 schopna vyrábět teplou vodu o teplotě až 65 °C. Příliš vysoké teploty však mají dopad 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 schopna jak strojního, aktivního chlazení pomocí kompresorů, tak pasivního bez kompresorového chlazení pouze primárním okruhem.

V prvním případě je zařízení schopno vyrábět „ostrou“ chladicí vodu o běžném teplot 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 kolem EER = 120, což tento systém řadí bezkonkurenčně na nejvyšší stupeň co do energetické účinnosti.

Studie jako podklad pro správné 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 akcí většího rozsahu vhodné provést prvotní studii, která zhodnotí možná technická 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 kolem 6 až 8 let oproti konzervativnímu řešení zdroje. Studie nasazení technologie tepelných čerpadel země-voda tak často bývá prvním relevantním podkladem architektů a investorů při rozhodování se o využití této technologie.

Realizace tepelného čerpadla země-voda

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

Venkovní 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 o tepelném výkonu 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.

Správné dimenzování

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

Pro zařízení větších výkonů řádově nad 50 až 60 kW se u geotermálních vrtů doporučuje měření přesných tepelně-technických 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 (response). 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 výpočtových numerických modelů pro „neomezenou“ životnost vzhledem k zadaným okrajovým podmínkám – bilancím tepla/chladu. Korektním dimenzováním primárního okruhu tepelného čerpadla jsme schopni zajistit jednak záruku min. 100% účinnosti TČ vzhledem k udávaným hodnotám od výrobců tepelných čerpadel, jednak jistotu stabilního a „trvalého“ zdroje energie s uvažovanou životností více než 80 let.

Autor pracuje jako vedoucí oddělení projekce společnosti GEROtop, spol. s r. o.