Využívání stavebních konstrukcí budov pro ukládání energie

Stále více projektů technických zařízení budov obsahuje tepelná čerpadla jako jediný zdroj pro vytápění a ohřev TUV. Znalost problematiky nasazení tepelných čerpadel u většiny projekčních kanceláří stoupá a investoři se pouštějí do stále zajímavějších projektů.

K získání nízkopotencionální energie pro tepelné čerpadlo využíváme řadu zdrojů. Vhodný systém vždy podmiňuje místní situace stavby. U většiny instalací jsou navrženy hlubinné vrty. V případě možnosti záběru velké plochy pozemku je možné realizovat plošný kolektor.

Investičně nejvýhodnější a nejefektivnější je možnost využití stavebních konstrukcí budov resp. základů budov. Instalování registru potrubí do základů budov se nazývá podle způsobu instalace jako energetické piloty, energetické stěny, energetické základy. Tato technologie se omezuje pouze pro nasazení u novostaveb. Dodatečné instalování potrubních systémů do budovy je nemožné. Řadu možných instalací zhatí neznalost projektantů řešících samotnou budovu. Pokud s využitím základů nepočítají již v prvopočátku návrhu samotné stavby, je komplikované dodatečně upravovat projektovou dokumentaci a začlenit systém jako součást stavby a stavebních prací.

Kde a jak systém funguje:

Je nutné již s půlročním předstihem řešit přípravy projekční a schvalovací procesy energetických pilot jako zdroje energie pro chlazení a klimatizování budov. Nasazení technologie musí být v souladu s projektem celé budovy.

Vizualizace energetických pilot pod objektem

Pohled na armaturu energetické piloty, kde je již aplikováno potrubí. Při zavádění armatury je potrubí pod tlakem 10 bar. Po celou dobu betonáže se sleduje manometr v horní části piloty.

Stavby s piloty se provádí zpravidla v místech, kde je nezpevněné podloží, které by neumožňovalo použití klasických základů pro založení budovy. Zejména jde o místa se zvýšenou hladinou spodní vody, vždy pak v místech vodních toků. Piloty staticky zajišťují většinu výškových budov, kde slouží jako kotvy. Počet, velikost a hloubka jednotlivých pilot se u staveb liší a návrh provádí specialista na obor statiky. Na stavbách se setkáme s piloty o průměru 120 - 1 200 mm a hloubek od 3 do 30 m. Ve většině případů je možné tyto piloty využít pro jímání a ukládání tepelné energie, pak tyto piloty nazýváme jako piloty energetické. Oproti klasickému složení piloty: vrtaná díra, kovový armovací koš a beton, je instalována do těchto pilot smyčka z potrubí, ve které obíhá nemrznoucí kapalina. Smyčky od jednotlivých pilot jsou vedeny základy až do technické místnosti, kde se spojují v rozdělovačích a sběračích. Hlavním páteřním vedením je vedeno medium až do tepelného čerpadla.

Objem betonu a zeminy pod objektem je možné využívat jako "akumulátor" chladu nebo tepla. V zimním období tepelné čerpadlo chladí do systému pilot a tím získává potřebné teplo pro vytápění objektu. Naopak v letním období se uložený chlad využívá na chlazení. Zvláště u objektů, které jsou využívány jako kancelářské, je požadavek na chlad v létě mnohem větší, než potřeba výkonu pro vytápění v zimním období. Uložený chlad do pilot je možné v prvních fázích využívat bez nasazení tepelného čerpadla. Vyřazením práce kompresoru a za přičinění pouze oběhových čerpadel je možné cirkulovat chlad z pilot do otopného systému. Chlad je možné využít přímo ve vzduchotechnice budovy nebo ve stropních či stěnových panelech. Pokud využíváme zemní stálé teploty pro chlazení budovy bez dalšího zařízení (tepelné čerpadlo) hovoříme o tzv. "free cooling". Spotřeba oběhových čerpadel je minimální a v porovnání s výkonem chlazení, které nám systém pilot zabezpečuje, můžeme hovořit o chladu "zdarma". Chlad z pilot se v průběhu léta vyčerpá nebo je jeho potřeba taková, že musí pracovat tepelné čerpadlo. Potom se výkon pro chlazení oproti variantě "free cooling" zvýší.

Svedení potrubí od pilot do prostoru, kde bude umístěný rozdělovač / sběrač. Místo musí být utěsněno proti vodě nebo nad hladinou spodní vody. Základy budovy MAIN TOWER

Budova MAIN TOWER, která kompletní potřebu tepla a chladu řeší tepelnými čerpadly, která využívají energetické piloty pod stavbou. Celkový počet energetických pilot je 287.

Nutné je vědět, že nasazení energetických pilot pouze pro vytápění nebo pouze pro chlazení není možné. Vždy musíme pracovat v režimu vytápění / chlazení. Základy budovy mají pouze omezenou tepelnou kapacitu, kterou můžeme třeba pouhým chlazením základů vyčerpat. Další energie nepřichází. Základy nejsou ovlivňovány přímým nebo nepřímým slunečním zářením jako je tomu u zemních plošných kolektorů. V lokalitách, kde je pohyb spodní vody, je možné energii čerpat bez omezení. Tedy kombinace silně zvodnělého a štěrkového podloží s pohybem vod zaručuje neomezený přísun energie.

Konstrukce energetických pilot:

Konstrukce piloty je tvořena ocelovou armaturou a meziprostor je vyplněn betonem. Energie je z pilot odváděna pomocí potrubí, které je navinuto na armatuře piloty. Jako potrubí materiál se využívá vysokohustotní polyetylen se zvýšenou odolností dimenze 25 x 2,3 mm. V potrubí koluje nemrznoucí kapalina, která předává tepelnou energii přímo tepelnému čerpadlu.

Celý systém je zapojen dle zásad hydrauliky a s co možná nejnižší tlakovou ztrátou, tedy i minimalizovaným nárokem na oběhové práce systému.

K dimenzování systému je nutné znát počet, průměr a délky jednotlivých navržených pilot v základech budovy, druh použitého betonu na vylití pilot, jakož i geologické poměry. Lze také využít stěn základů např. podzemní garáže, stěn tunelů metra a silničních tunelů. Dimenzování musí provádět specializovaná firma, která zná podmínky instalace. Špatný návrh může poškodit základy objektu.

Zemní plošné kolektory nebo hlubinné vrty využívané jako zdroj pro tepelné čerpadlo se dimenzují tak, že ke konci topné sezóny můžeme pracovat v režimu záporných hodnot v primárním okruhu. U využití základů budov se dlouhodobě nesmíme do záporných hodnot dostat. Povolená hranice je -2°C kdy ještě nedochází k takovému promrzání, aby způsobilo problém.

Ve většině případů instalací pokryje základ s piloty celou energetickou náročnost budovy. Pokud energetické piloty nepokryjí celou potřebu, je možná i kombinace s hlubinnými vrty mezi piloty nebo dokonce mimo základy na volném prostranství.

V případech, kdy se budova zakládá na pilotech pro založení stavby je nutné provádět veškeré práce spojené s instalací pilot. Je velmi ekonomicky a technologicky nenáročné navinout potrubí do armatur a využít piloty jako energetické. Pro představu o výši investice do systému uvádím hrubé číslo, které je průměrem několika projektovaných instalací na území ČR.

Investice do 1 kW výkonu pro vytápění je cca 2.000 Kč do systému vystrojení a svedení pilot k tepelnému čerpadlu. Liší se v závislosti na složitosti systému. Částka nezahrnuje sekundární část topení a samotné tepelné čerpadlo s technickou místností. Zásadní je, že za investované peníze získáme i výkon pro chlazení objektu, což většinu váhavých investorů jasně přesvědčí.

Myšlenka využít maximálně stavební konstrukce vede k mnoha úsporám dalších investic, v případě nasazení tepelného čerpadla můžeme hovořit o investici s jistou návratností.