Vrty do horninového masivu - zdroj energie pro tepelná čerpadla (III)

5. Zdroje tepla pro tepelná čerpadla

Zdrojem nízkopotenciální tepelné energie pro tepelné energie lze rozdělit na dvě základní kategorie:

1. přírodní obnovitelné zdroje (voda, vzduch, zeminy, horniny)
2. průmyslové zdroje (odpadní vody a jiné kapaliny při různých technologiích, teplý odpadní vzduch např. z důlních jam apod.)

V současné době převládají aplikace využívající přírodních obnovitelných zdrojů. V průmyslu často vznikají velká množství odpadního tepla, které lze přímo využít a proto tepelných čerpadel není potřeba. Jedná se spíše o specifické případy a není účelem této studie o nich dále pojednávat.

Systémy pracující s přírodními obnovitelnými zdroji jsou označovány jako tepelné čerpadlo voda/voda, vzduch/voda (vzduch) a země/voda.

Systém voda/voda

Tento systém využívá nízkopotenciální tepelné energie v přírodě se vyskytující vody povrchové a podzemní jakožto zdroje a teplovodní otopný systém ve stavebním objektu pro odběr tepelné energie.

Jako zdroj povrchové vody lze využít vody z vodních toků, vody z různých přírodních i umělých vodních nádrží, průsaků přes hráze přehrad apod.

Obr. č. 6 - Příklad primárního výměníku pro tepelné čerpadlo ve tvaru
smyčky uložené do jezírka

Do těchto vodních zdrojů je od tepelného čerpadla vyvedena smyčka z polyetylénových trubek (tzv. primární výměník), ve které je cirkulována ekologická nemrznoucí směs na bázi vody s technickým lihem. Pomocí této nemrznoucí směsi je vodě odebíráno teplo, přiváděno do tepelného čerpadla, které zvýší jeho energetickou úroveň pro praktické využití (vytápění, ohřev TUV). Nevýhody této aplikace TČ jsou následující:

• tento zdroj vody není na většině lokalit dostupný,
• složitá legislativa pro povolení o zapuštění primárního výměníku do vodních nádrží a toků,
• nebezpečí poškození primárního výměníku (povodně, vandalismus apod.),
• velká délka primárního výměníku,
• většinou nestabilní topný faktor TČ, který je závislý na počasí a tedy na kolísavé teplotě zdroje.

Z důvodu těchto nevýhod není systém využívající povrchových vod příliš rozšířený, jedná se spíše o místně specifické případy.

Zdrojem podzemní vody bývají zpravidla kopané nebo vrtané studny, specifickým případem jsou pak např. jeskynní jezera, stará důlní díla a hlubinné vrty. Obvykle je voda přímo čerpána pomocí ponorného čerpadla ze studny do výměníku TČ nebo do předřazeného výměníku v případech silně mineralizovaných vod, aby nebylo nutno složitě čistit výměník TČ. Při utrácení vody, která projde TČ, je nutno postupovat dle rozhodnutí místního vodohospodářského orgánu - zpravidla vypouštění do vodního toku, utrácecí vrt nebo studna.

Obr. č. 7 - Příklad čerpacího vrtu na vodu pro tepelné čerpadlo, utrácení
vody prováděno do vodní nádrže

Výhodou této aplikace jsou vysoké topné faktory (4 a více) v případech, že zdroj vody má minimálně 10°C i v zimním období. Nevýhody jsou následující:

• požadavek na silný a stabilní přítok podzemní vody, což je v mnohých lokalitách problém,
• požadavek na dlouhodobou (cca 30 let) stálost přítoku podzemní vody: vlivem lidských aktivit a přírodních vlivů může dojít k poklesu přítoku podzemní vody v čase,
• silná mineralizace podzemních vod vyžadující nákladnou filtraci,
• utrácecí vrt nebo studna není schopna pojímat vyčerpanou vodu zpět,
• nákladné vystrojení vrtu (speciální filtry) pro zajištění spolehlivého dlouhodobého fungování čerpadla vrtu v podmínkách tzv. pískujících vodních obzorů,
• u mělkých studní nebo v blízkosti vodních toků může docházet ke kolísání teploty podzemní vody v závislosti na počasí,
• pro spolehlivé ověření vydatnosti zdroje podzemních vody je většinou nutno provést dlouhodobou čerpací zkoušku, která je pro některé investory dosti nákladná,
• nalezení zdroje podzemní vody se silným přítokem může být nákladnou záležitostí, pokud již není v nejbližším okolí takovýto zdroj znám,
• u hlubinných důlních děl a vrtů může být topný faktor výrazně snížen v důsledku potřeby velkého el. příkonu pro ponorné čerpadlo.

Z těchto důvodů je aplikace voda/voda rozšířena jen v oblastech s výbornými hydrogeologickými podmínkami, které jsou dopředu známy a není nutno investovat do hydrogeologického průzkumu, který může být negativní z hlediska využití vody pro TČ.

Systém vzduch/voda (vzduch)

Zdrojem tepla je zpravidla okolní atmosféra, jejíž teplota silně závisí na klimatu a ročním období. Tento zdroj tepla je nejsnáze dostupný, vzduch je nasáván do výměníku TČ ventilátorem, který je umístěn buď ve venkovním prostředí, nebo v kotelně stavebního objektu.

Obr. č. 8 - Příklad tepelného čerpadla systému vzduch/voda
s venkovním ventilátorem

Otopný systém v objektu může být u této aplikace také vzduchový, což je využíváno především v USA. Výhodou jsou relativně nízké celkové investiční náklady, protože není nutno pořizovat žádný primární výměník ve formě kolektoru. Nevýhody této aplikace jsou následující:

• topný faktor je nestabilní - v zimním období výrazně klesá, je nutno nastartovat přídavné el. topení, které je součástí tohoto typu TČ,
• snížená životnost kompresoru TČ v důsledku práce s extrémně nízkými teplotami,
• dlouhotrvající hluk z venkovního ventilátoru, přestože u seriózních výrobců splňuje hygienické normy, může obtěžovat okolí nebo investora, protože TČ může pracovat až 22 hodin denně,
• venkovní ventilátor v plechové skříni může snižovat estetickou hodnotu pozemku nebo stavebního objektu, a to zvláště u velkých aplikací s více tepelnými čerpadly.

Aplikace vzduch/voda (vzduch) je velmi vhodná v odpovídajících klimatických poměrech (např. jižní Evropa), kdy i v zimním období se teplota vzduchu pohybuje mírně nad 0°C. Proto někteří světoví výrobci TČ tuto aplikaci ani sériově nevyrábějí (např. švédská firma IVT Energy).

Systém země/voda

U tohoto systému se využívají dva zdroje nízkopotenciální tepelné energie:

• zeminy: jedná se o horniny do hloubky cca 2m
• horniny: jedná se o hloubkové vrty do hornin

Při využití zemin jako zdroje je primární výměník ve tvaru horizontální smyčky z polyetylénových trubek kladen do mělkých výkopů na pozemku.

Obr. č. 9 - Příklad primárního výměníku pro tepelné čerpadlo ve tvaru
smyčky uložené do výkopu v zeminách

Výhodou této aplikace jsou relativně nízké investiční náklady. Nevýhody:

• ovlivnění povrchové vegetace vychlazováním zemin a topný faktor, který je ovlivněn střídáním ročních období - proto je nutné projektovat dostatečně dlouhý primární výměník (řádově stovky metrů), což klade vysoké nároky na rozlohu pozemku,
• pro větší topné výkony TČ je limitující právě rozloha pozemku,
• pozemek je zpravidla znehodnocen tím, že pod jeho velkou částí jsou uloženy trubky primárního výměníku - nelze na něm dále stavět, vysazovat stromy
• v kamenitých zeminách nebo silně zvodnělých štěrcích jsou výkopové práce velmi nákladné, ve skalním podloží se tato aplikace neprovádí.

Je zřejmé, že hlavním omezujícím faktorem této aplikace je rozloha pozemku a jeho znehodnocení z hlediska možnosti osázení vegetací a z hlediska budoucích stavebních záměrů.

Využití hornin jako zdrojů tepla - viz obr. č. 10 - je velmi rozšířené po celém světě, zvláště pak v USA, Švédsku, Švýcarsku a Německu. Vrty jsou prováděny do hloubek většinou do 150m, s aplikací finančně náročnějších technologií vrtání až 300m (Skandinávie, západní Evropa).

Obr. č. 10 - Schéma napojení hloubkových vrtů pro tepelné čerpadlo
v objektu

Důvodem jsou následující výhody:

• téměř stabilní topný faktor TČ bez ohledu na klima nebo střídání ročních období (nelze použít pouze v oblastech s permafrostem až stovky metrů hluboko - např. Sibiř, Kanada),
• výskyt podzemní vody není podmínkou fungování této aplikace,
• primární výměník z polyetylénových trubek je zapouštěn do hloubkových vrtů, jejichž nároky na velikost pozemku jsou velmi nízké,
• v porovnání s výše uvedenými aplikacemi nejuniverzálnější použití - nejsou vázány na žádné specifické geologické/hydrogeologické podmínky.

Nevýhody:

• relativně nejvyšší investiční náklady z důvodu realizace vrtů,
• některé pozemky jsou nedostupné z hlediska dojezdu vrtné techniky,
• vrty pro TČ nelze realizovat tam, kde josu pozemky legislativně chráněny (např. lázně, vodní zdroje pro hromadné zásobování obyvatel vodou, podzemní přiváděče vody, důlní díla).

TČ se systémem země/voda s použitím hloubkových vrtů jsou zvláště výhodná pro větší stavební objekty (školy, nemocnice, domovy důchodců, penzióny, hotely, apod.). U těchto typů objektů všechny výše uvedené systémy většinou vykazují četná omezení, a to z hlediska:

• přírodních podmínek (např. nízká teplota vzduchu v zimním období, požadavek na vysoký a stálý přítok podzemní vody nelze na většině pozemků splnit),
• technických požadavků (stálý topný faktor, instalace TČ nesmí narušovat vzhled budovy nebo pozemku),
• velikosti pozemku, která je k dispozici.

Literatura:

Eskilson, P. (1987): Thermal Analysis of Heat Extraction Boreholes. Sborník referátů, University of Lund, Švédsko.

Hellstrőm G., Sanner B. (2000): Earth Energy Designer, Version 2.0. Uživatelský manuál software, University of Lund, Švédsko.

Geothermal Resource Technologies, Inc. (2003): Formation Thermal Conductivity Test and Data Analysis. Webové stránky firmy.

Gehlin S. (2002): Thermal Response Test. Doctoral thesis, Lulea University of Technology.

Busso A., Georgiev A., Roth P. (2003): Underground Thermal Energy Storage - First Thermal Response Test in South America, referát RIO 3 - World Climate & Energy Event.

Grmela A., Aldorf J. (2005): VŠB - Technická univerzita Ostrava, aula + CIT vrty pro tepelná čerpadla na parc. č. 1738/30 a 1738/37, k.ú. Poruba. Projekt vodního díla pro územní rozhodnutí a stavební povolení.

Ryška J. (2005): Prováděcí projekt vrtů pro tepelné čerpadlo č. DPV - 047-02-03-2005. OKD, DPB, a.s.

Belica P., Křupka J. (2004): Aula a CIT VŠB - TU Ostrava - Poruba. Energetický audit.

Mareš S. a kol. (1979): Úvod do užité geofyziky, SNTL Praha.

Svoboda J. a kol. (1983): Encyklopedický slovník geologických věd. ACADEMIA Praha.

Rybach L., Sanner B. (2000): Ground - Source Heat Pump Systems: The European Experience, GHC Bulletin.

Žeravík A. (2003): Stavíme tepelné čerpadlo. Vydáno vlastním nákladem.

Dvořák Z. (1986): Základy chladící techniky. SNTL Praha.

Spitler J. D., Rees S. J., Yavuzturk C. (2002): Recent Developments in Ground Source Heat Pump System Design, Modelling and Applications. Referát z webových stránek IGSHPA.

Stiebel-Eltron (2002): Tepelná čerpadla. Projektování a instalace. Firemní technické podklady.

Oklahoma State University (1988): Closed-Loop/Ground-Source Heat Pump Systems. Installation Guide.

Jakeš P. (1984): Planeta Země. Mladá fronta Praha.

Kunz, A., Ryška, J., Koníček, J., Bujok, P. (2002): Využití horninového prostředí jako stálého efektivního zdroje energie pro tepelná čerpadla. Sborník přednášek "Nové poznatky v oblasti vŕtania, ťažby, dopravy a uskladňovania uhľovodíkov. Podbánské, s. 69-75, ISBN 80-7099-895-4

Kunz, A., Ryška, J., Koníček, J., Bujok, P., Mazáč, J. (2002): Speciální technika pro realizaci vrtů umožňujících využití nízkopotenciálních zdrojů tepla. Sborník referátů 7. r. mezinárodní konference "Geotechnika 2002", Štrbské Pleso, s. 199-201, ISBN 80-248-0115-9

Ryška, J., Bujok, P. (2002): Možnosti využití horninového prostředí pro získávání nízkopotenciálního tepla - zkušenosti OKD, DPB a.s. Sborník referátů konference" Současnost a perspektiva těžby a úpravy nerudních surovin", VŠB-TU Ostrava, s. 239-240, ISBN 80-248-0081-0

Časopis Alternativní energie č. 5/2005