Vytápění a chlazení budovy a technologií MFF UK tepelnými čerpadly země-voda

Budovy Matematicko-fyzikální fakulty na Karlově v Praze 2 jsou zajímavé nejen svou historií a tradicí, ale také množstvím nejrůznější technologie a laboratorních přístrojů, které se v nich nacházejí. Počínaje výkonnými lasery a mikroskopy konče.

Většina těchto přístrojů vyžaduje chlazení o velkém výkonu. Z minulých dob byly přístroje chlazeny vodou z vodovodního řádu a ohřátá odpadní voda byla odváděna do kanalizace. Se zvyšujícími se cenami vody se stal tento způsob neúnosný a vedení fakulty hledalo způsob, jak chladit levněji a pokud možno využít tepelnou energii obsaženou v odpadní vodě.

Jako logické se jevilo vybudování centrálního chladicího okruhu. A co bude zdrojem chladu? Při pohledu na velké zahrady nad Albertovem patřící MFF UK se okamžitě nabídlo řešení využít zemní teplo pro vytápění budov a v případě přebytku tepla naopak toto ukládat zpět do země a vrty regenerovat. Ochlazenou vodu vniklou odebráním tepla pak využít jako chladicí médium v centrálním chladicím okruhu.

GEROtop spol. s r.o.
Kateřinská 589
463 03 Stráž nad Nisou - Liberec

Tel.: 485 148 723
E-mail: gerotop@gerotop.cz
www.gerotop.cz

Pojďme se blíže podívat na použitou technologii.

Každý takto velký a složitý projekt založený na hlubinných vrtech vyžaduje systémový přístup. Přesto že byl znám geologický profil v místě zamýšlených vrtů, je nutné u velkých vrtných polí realizovat tzv. Geothermal Response Test – GRT, polní zkoušku tepelné vodivosti podloží. Samotný test na zkušebních vrtech odhalil vyšší průměrnou teplotu podloží, než která se očekávala.

Obr. 1 – zapouštění Geotermální vertikální sondy s ochranou PUSH

Obr. 2 – přesun vrtné techniky na spodní část zahrad

Výsledkem průzkumu bylo konstatování, že pozemek je schopný uspokojit jak předpokládané potřeby pro vytápění, tak dostatečný potenciál pro chlazení technologií MFF. Získaná data následně zpracovalo technické oddělení GEROtop, které provedlo výpočty, simulace a optimalizovaný návrh vrtných polí.

Výsledkem byla potřeba realizovat 27 vrtů o hloubce 135 metrů rozdělených dispozičně do dvou vrtných polí. Jako technologie pro jímání zemního tepla byl zvolen systém GEROtherm, který patří mezi špičku v tomto oboru. Použitím systému GEROtherm a ochrany PUSH na dna vrtů bylo možné využít prodloužené záruky švýcarského výrobce výstrojí vrtů a to až na 20 let.

Ve vrtech cirkuluje teplonosná ekologická směs, která je v případě úniku snadno přirozeně odbouratelná.

Pro vědecké účely jsou čtyři vrty osazeny soustavou čidel a monitorovány v řídicím systému TRONIC 2000^® dodavatele strojovny technologie TRONIC CONTROL^® s.r.o. Teploty jsou v pravidelných intervalech automaticky zaznamenávány pro budoucí možnost analýzy chování horninového masivu ve vztahu s odebíráním tepla a případným zpětným ukládáním tepla odpadního.

Technologie strojovny tepelných čerpadel

Obr. 3 – kaskáda tepelných čerpadel ve strojovně technologie

Původním zdrojem tepla pro oba objekty byla plynová kotelna 1360 kW. Vybudovaný bivalentní zdroj tepla sestává z této plynové kotelny a nových tepelných čerpadel o celkovém výkonu 270 kW. Bod bivalence je 0 °C. Pro tuto teplotu je potřebný tepelný výkon 250 kW.

Byla instalována dvě tepelná čerpadla země/voda každé o jmenovitém topném výkonu 135 kW a chladicím výkonu 100 kW (pro vstupní teplotu primární vody 10 °C a výstupní teplotu sekundární vody 55 °C). Tepelná čerpadla jsou zapojena paralelně do nabíjecího okruhu akumulační nádoby o objemu 1 m³. Z akumulační nádoby je topná voda čerpána do rozdělovače otopné soustavy objektu.

Pro regeneraci vrtného pole je využíváno odpadní teplo z technologií chlazení, případně teplo vzniklé v režimu aktivního chlazení tepelnými čerpadly. V tomto režimu je pokryta potřeba centrální chladicí soustavy.

Technologie pracuje v těchto režimech:

Režim vytápění bez chlazení – tepelná čerpadla pracují v kaskádě a připravují topnou vodu teplou v závislosti na venkovní teplotě (ekvitermní regulace), maximálně 55 °C.

Režim vytápění a chlazení – tepelná čerpadla pracují v kaskádě a připravují topnou vodu teplou v závislosti na venkovní teplotě (ekvitermní regulace), maximálně 55 °C. Chlad vzniklý odebráním tepla je předán přes výměník do zásobníku chladné vody centrálního chladicího okruhu.

Režim přirozeného chlazení – tepelná čerpadla jsou mimo provoz a cirkulaci teplonosné látky v primárním okruhu obstarává oběhové čerpadlo. Při potřebě chladicí vody 13 °C je nabíjena akumulace chladu přes výměník chladu.

Režim aktivního chlazení – tepelná čerpadla pracují v kaskádě podle požadavku regulace chlazení a připravují topnou vodu o teplotě 55 °C. Naakumulované teplo je přes výměník předáváno do vrtů – probíhá regenerace vrtů. Chlad vzniklý odebráním tepla je předán přes výměník do zásobníku chladné vody centrálního chladicího okruhu.

Obr. 4 – vizualizace technologie na operátorském pracovišti a na Internetu

Technologie je řízena digitálním modulárně rozšiřitelným řídicím systémem TRONIC 2000^® s operátorským řízením. Řídicí systém zajišťuje optimální přepínání mezi popsanými provozními režimy. Řídicí systém je pomocí komunikace Ethernet připojen k nadřazenému centrálnímu dispečinku, na kterém je instalován vizualizační a bilanční software operátorského řízení.

Instalací výše popsané technologie tepelných čerpadel země/voda bylo docíleno:

1. výrazné snížení spotřeby pitné vody,
2. využití odpadního tepla pro regeneraci zemních vrtů (letní režim),
3. využití odpadního tepla pro vytápění budovy (zimní a přechodný režim),
4. postupné odstranění stávajících split/multisplit jednotek z fasády budovy.

Závěr

Instalovaná tepelná čerpadla byla uvedena do provozu v roce 2012. Nyní mají za sebou skoro jednu sezónu a je možno začít porovnávat předpokládané a skutečné spotřeby energií a provozní úspory. Dosud bylo dosaženo úspor ve spotřebě plynu pro vytápění 26 % a studené vody 3000 m³ v I.Q 2013. Vzhledem k probíhající optimalizaci systému a průběžnému napojování dalších experimentálních zařízení se předpokládá, že tato čísla nejsou konečná. Zkušenosti ze zkušebního provozu dokazují, že pro takto technicky náročnou aplikaci je bezpodmínečně nutná nejen spolupráce všech zúčastněných subjektů před-během-po realizaci, ale i důvěra ohledně sdíleného know-how. Investor i dodavatelské firmy prezentují fungování systému formou aktuálních provozních dat na internetu a chtějí průběžně vyhodnocovat projekt včetně chování vrtných polí a energetických bilancí. Koneckonců, kde jinde získávat takové nevšední zkušenosti než na akademické půdě?