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

Postup prací při hloubení vrtů

Úvodní interval vrtu je realizován technologií rotačně-příklepného vrtání se vzduchovým výplachem, a to s průběžným propažováním vrtů. Je používána dvojitá rotační hlava, která umožňuje současné vrtání a pažení vrtu pomocí vrtné kolony silnostěnných trubek Ø95mm s ponorným kladivem a dlátem Ø152 a pomocí silnostěnných pažnic Ø146mm s pažnicovou patou - roubíkovou TK. Princip technologie spočíval v předvrtávání vrtu pomocí ponorného kladiva s dlátem, které má oproti pažnicové koloně předstih 8 - 15cm. Do tohoto předvrtu je současně pažena manipulační pažnicová kolona, která také rotuje, a tím je eliminována možnost jejího příchvatu v nezpevněných horninách.

Pro řízený odvod vrtné drti slouží dvojitá rotační hlava, ze které je drť odváděna otěruvzdornou pryžovou hadicí do přistaveného kontejneru.

Hloubka pažení bývá obvykle do 30m, avšak v geologických podmínkách střídajících se jílů se zvodnělými štěrkopísky pak dosahuje až 70m.

Po zavrtání manipulační pažnicové kolony Ø146mm do relativně kompaktních hornin je dvojitá rotační hlava demontována a vrtná kolona vytěžena.

Interval vrtů do konečné hloubky je provrtán technologií rotačně-příklepného vrtání (skalní horniny), resp. rotačního vrtání se vzduchovým výplachem, bez pažení. Je používána vrtná kolona Ø95mm s ponorným kladivem a dlátem Ø120mm nebo s třílistým dlátem Ø120mm.

Pro řízený odvod vrtné drti je na ústí manipulační pažnicové kolony instalována mechanická těsnící hlava opatřená kotouči ze speciální těsnící pryže, ze které je drť odváděna pryžovou hadicí do přistaveného kontejneru.

Po dosažení konečné hloubky a řádném pročištění vrtu vzduchovým výplachem je vrtná kolona neprodleně vytěžena z vrtu, zatímco manipulační pažnicová kolona Ø146mm je ve vrtech dočasně ponechána.

Vystrojení vrtů pro tepelné čerpadlo

V průběhu vrtání jsou na ruční buben nasunuty 2 točence PE-kolektorů Ø40mm, resp. 4 točence PE-kolektorů Ø32mm spojenými PE-paticí Ø95mm.

Obr. č. 17 je PE- kolektor se speciální spojovací paticí svinutý do kotouče před odvozem na vrtné pracoviště. Jediným spojem na PE - kolektoru je navaření koncové PE-patice, která spojuje jednotlivé trubky kolektoru. Svaření je prováděno pomocí svařovacího automatu, který si světelným perem odečte čárkový kod patice a provede svár dle tohoto kódu. Tímto způsobem je vyloučena subjektivní chyba svářeče. Tento spoj je kritický - pokud není řádně proveden, kolektor je zmetkový, po zapuštění do vrtu již nelze vytáhnout a celý vrt včetně vystrojení se musí opakovat.

Navaření patice probíhá v dílenských podmínkách, kde poté je provedena také tlaková těsnostní zkouška kolektoru vzduchem.

Obr. č. 17 - Speciální spojovací PE-patice (modré barvy) na kotouči PE-trubek
(tzv. PE-kolektor), který je zapuštěn do vrtu pro tepelné čerpadlo

Buben s PE-kolektorem je upevněn přes vrtnou trubku do svěr upínací hlavy, pomocí které je přiblížen k ústí zapaženého vrtu tak, aby PE-kolektor mohl být do vrtu hladce zapuštěn.

Pak vrtná osádka PE-kolektor ručně zapouští odvíjením z bubnu se současným přidáváním ocelových injektážních trubek.

Po jeho zapuštění je PE-kolektor napuštěn dodanou ekologickou nemrznoucí směsí na bázi vody s technickým líhem, aby nedošlo k jeho vyplavení z vrtu při následné injektáži vrtu cemento-bentonitovou směsí. Injektáž se provádí šnekovým čerpadlem přes injektážní kolonu a to podélným otvorem v poslední injektážní trubce vzestupně od počvy vrtu až po jeho ústí.

Cemento-bentonitová směs je připravována v injektážní lince na pracovišti (nerez nádrž 500 litrů s ejektorovou míchačkou). Injektáž vrtu plní tyto funkce:

• ochraňuje PE-kolektor před případným poškozením, resp. smáčknutím při vyjíždění hornin ze stěn vrtu,
• vytváří homogenní výplň vrtu bez vzduchových kapes a tím zlepšuje přestup tepla z hornin do PE-kolektoru,
• zabraňuje případné křížové kontaminaci zvodnělých vrstev ve vrtu.

Vrtná osádka nakonec provede tlakovou těsnostní zkoušku PE-kolektorů ve vrtech, a to tlakem 3 - 5 barů po dobu cca 30 minut (závisí na smlouvě s objednatelem). Kolektory vyčnívají z vrtu cca 1m nad terén. Jednotlivé trubky PE-kolektoru jsou na ústí ovázány izolepou, aby bylo zabráněno případnému průniku nečistot do kolektorů. Firma instalující tepelné čerpadlo provede spádovaný zemní výkop (hloubka obvykle 100 - 130cm), do kterého uloží napojení vrtu pomocí PE-trubek na tepelné čerpadlo ve stavebním objektu. Po zaházení výkopu zeminou není vrt na pozemku vůbec patrný viz Obr. č. 10.

10. Závěr

Tento seriál článků přináší pouze základní přehled o problematice vytápění stavebních objektů tepelnými čerpadly a je zaměřen hlavně na využití nízkopotenciálního tepla hornin pomocí hloubkových vrtů.

Pokud je vrt pro tepelné čerpadlo správně dimenzován - tj. jeho hloubka je dostatečná vzhledem ke geologickým podmínkám na dané lokalitě a energetická potřeba domu není poddimenzována, pak nehrozí žádné nebezpečí z titulu nevratného vychlazování horninového masivu. Převážná část tepelné energie v horninách pochází ze slunečního záření - nejsvrchnější část zemské kůry se chová jako tepelný akumulátor slunečního záření - a proto v letním období dochází k regeneraci teplotního pole v okolí vrtu. Tohoto principu v zahraničí úspěšně využívají projekty BTES (tj. uskladňování tepelné energie pomocí vrtů) pro velké objekty, kdy přebytky tepla z klimatizace objektu jsou prostřednictvím vrtů ukládány do hornin, a tím je umožněno snížení počtu nebo hloubek vrtů, protože jejich tepelná regenerace je rychlejší. V současné době jsou ve Švédsku prováděny zkoušky s aplikací principu BTES také pro rodinné domy.

Při projektování hloubek, počtu a rozmístění více vrtů pro vytápění objektu tepelným čerpadlem se v zahraničí používá software EED 2.0. Jedním z hlavních fyzikálních parametrů hornin je jejich tepelná vodivost. V zahraničí je tento parametr určován na základě testů teplotní odezvy (TRT), který se provádí ve vrtu vystrojeném PE - kolektorem a zalitém injektážní směsí. První TRT testy byly provedeny v dubnu 2005 také v České republice. V současné době jsou tyto zkoušky relativně nákladné, a proto se realizují pro rozsáhlé projekty. Vývoj testů TRT však pokračuje s cílem jak zmenšit testovací zařízení, tak snížit dobu trvání zkoušky.

Vrty pro tepelná čerpadla by měly být realizovány speciálně vyvinutou vrtnou technologií a řádně vystrojeny kvalitními kolektory z vysokohustotního polyetylénu s injektáží, protože jsou neopravitelné a musí sloužit po několik generací. Vrtná firma by měla být schopna vrty spolehlivě provádět ve všech regiónech České republiky v nejrůznějších geologických podmínkách.

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