Dimenzování geotermálních vrtů
Návrh vrtů pro tepelná čerpadla
Podloží může být využíváno jako zdroj tepla, chladu i pro dlouhodobou akumulaci energie.
Díky velkému využitelnému objemu a stabilní teplotní úrovni je vhodné pro řadu nízkoteplotních aplikací. Teplo z podloží se nejčastěji získává pomocí tepelných čerpadel ve spojení s horizontálními nebo vertikálními půdními výměníky tepla, případně čerpáním spodní vody.
Tepelná čerpadla lze využít nejen pro vytápění, ale také pro chlazení budov. U některých aplikací je možné v létě provozovat přímé chlazení z podloží bez použití kompresoru tepelného čerpadla, tzv. Free Cooling.
Princip systému
Jímání energie z vrtu
Podloží může sloužit jako zdroj energie i jako tepelný akumulátor pro vytápění a chlazení. Teplo z obnovitelných zdrojů, sluneční energie, podzemí nebo odpadního tepla lze do zemského masivu ukládat a později znovu využít. Obdobně lze akumulovat také chlad.
Zemní tepelná čerpadla jsou rozšířena v Evropě i Severní Americe především díky vysokému zhodnocení elektrické energie potřebné pro jejich provoz. Efektivitu práce stroje vyjadřuje topný faktor COP, tedy poměr mezi vyrobenou a spotřebovanou energií.
Výpočet výkonu
Chladicí výkon tepelného čerpadla
Význam použitých veličin
Qt je topný výkon tepelného čerpadla.
COP je topný faktor vyjadřující poměr mezi vyrobenou a spotřebovanou energií.
Konstrukce vrtu
Vrt pro tepelné čerpadlo – geotermální vertikální vrt
Konstrukce vrtu je tvořena odvrtaným otvorem zpravidla o průměru 125 až 165 mm. Do otvoru realizovaného do konečné hloubky přibližně 60 až 200 m se instaluje plastový výměník tvořený uzavřeným okruhem trubního vedení.
Vystrojení vrtu
Nejčastěji se používají duplexní, tedy dvousmyčkové systémy z potrubí o průměru 32 mm (DN 25) nebo 40 mm (DN 32). Pro malá zařízení do 30 kW se jako etalon běžně uvažuje vystrojení 4 × 32 × 3 mm.
Injektáž a přenos energie
Meziprostor po zapuštění výstroje se tlakově injektuje odspodu vzhůru. Tím je zajištěn přenos energie mezi teplonosnou kapalinou, potrubím výměníku a okolním horninovým prostředím.
Základní členění
Návrh vrtu podle výkonu
Geotermální systémy se obecně dělí na zařízení do 30 kW a zařízení nad 30 kW. Přístup k jejich projektování se zásadně liší. Zjednodušené návrhy vhodné pro malé instalace nelze bez dalšího aplikovat na systémy s výkony přesahujícími 100 kW.
Takto navržené aplikace mohou fungovat pouze ve výjimečně příznivých hydrogeologických podmínkách. Dlouhodobě udržitelný provoz však vyžaduje podrobný návrh.
Zařízení do 30 kW
Dimenzování vrtů pro malá tepelná čerpadla
U menších projektů lze použít zjednodušený způsob dimenzování, pokud příslušný úřad nebo orgán ochrany životního prostředí nestanoví jinak. Podmínkou je, aby byl systém určen pouze pro vytápění, případně také pro přípravu teplé vody.
Návrh může vycházet ze specifické směrné hodnoty měrného výkonu ve W/m, která vyjadřuje chladicí výkon tepelného čerpadla vztažený na jeden metr instalovaného vrtu.
Podmínky pro zjednodušený výpočet
- hloubka vrtu přibližně 60 až 100 m,
- rozestup mezi vrty alespoň 10 % jejich navrhované délky,
- duplexní vystrojení DN 25 (GVS 4 × 32 mm),
- případně DN 32 (GVS 4 × 40 mm),
- vrty uspořádané liniově, tedy v jedné řadě,
- dodržení maximálního ročního energetického zatížení.
V České republice je většina tepelných čerpadel země–voda do 30 kW navrhována pro vytápění a přípravu teplé vody. Pro tyto podmínky se uvažuje roční zatížení přibližně 2 400 provozních hodin.
Geologické podmínky
Proč nelze automaticky počítat s hodnotou 50 W/m
Vzhledem ke geologické rozmanitosti České republiky nelze obecně používat střední hodnotu 50 W/m jako univerzální měrný výkon vrtu. Zásadní chybou je především opomenutí okrajových podmínek, ročního zatížení a reálné geologie lokality.
Pro dlouhodobé zachování výkonu zařízení je důležitým parametrem maximální roční energetická zátěž. V režimu 2 400 hodin lze orientačně uvažovat celkovou možnou dodanou energii přibližně 95 až 145 kWh za rok na jeden metr vrtu.
60–100 mtypická hloubka pro zjednodušený návrh malých systémů
2 400 hběžné roční zatížení při vytápění a přípravě teplé vody
95–145 kWh/morientační roční množství energie na jeden metr vrtu
Modelový příklad
Výpočet potřebného výkonu
- Potřeba tepla pro vytápění
- 12 800 kWh
- Potřeba tepla pro ohřev vody
- 4 700 kWh
- Celková potřeba tepla
- 17 500 kWh
- 17 500 kWh / 2 400 h
- 7,3 kW
Výpočet hloubky
Dimenzování vrtů v modelovém příkladu
Pro návrh se uvažuje tepelné čerpadlo s topným výkonem 7,3 kW. Pokud má při COP 4,6 chladicí výkon 5,71 kW, vychází při orientačním měrném výkonu 50 W/m potřebná celková hloubka vrtu na přibližně 114,2 m.
Pro objekt s roční potřebou tepla 17 500 kWh a podložím se střední tepelnou vodivostí 2 až 3 W/(m·K) lze při správném návrhu uvažovat celkovou hloubku vrtu nebo soustavy vrtů přibližně 114 m.
Pro konkrétní objekt lze zvolit i nižší výkon tepelného čerpadla, ale celková potřebná hloubka vrtů by měla zůstat zachována.
Při poddimenzování tepelného čerpadla se běžně objevují roční náběhy 3 500 až 4 500 provozních hodin. Samotnému stroji dlouhý provoz zpravidla nevadí, ale primární okruh se dostává do energetické spirály a postupně se vychlazuje. Klesá teplota ve vrtu, snižuje se výkon tepelného čerpadla a zároveň zůstává zachována potřeba dodávky tepla.
Tento jev se často projeví při prvním vytápění novostaveb dokončených na podzim nebo v zimě. Pokud systém v běžně provozovaném objektu dlouhodobě pracuje s teplotami primárního okruhu kolem −5/−2 °C nebo dokonce −7/−4 °C, může jít o důsledek poddimenzovaných vrtů.
Zařízení nad 30 kW
Dimenzování vrtů pro velká tepelná čerpadla
Velmi výhodných ekonomických parametrů dosahují projekty, které kombinují vytápění a chlazení. Zemní masiv v nich částečně funguje jako akumulátor energie. Jediný technicky jednoduchý systém tak dokáže zajišťovat vytápění i chlazení a v některých případech oba procesy současně.
Pokud požadovaný výkon přesahuje 30 kW nebo jsou vrty uspořádány jinak než liniově, je nutné navrhovat celé vrtné pole pomocí analytických simulačních programů. Nelze používat pouze směrné hodnoty měrného výkonu.
Základem návrhu většího vrtného pole je průzkumný vrt, který později zůstává plnohodnotnou součástí systému.
Průzkumný vrt
Vrtatelnost zájmové lokality
Průzkumný vrt pro tepelné čerpadlo je plnohodnotný vrt osazený geotermální vertikální sondou. Později je zařazen do systému jako funkční vrt, nejde tedy o zbytečně vynaloženou investici.
Co průzkumný vrt ověří
- ekonomicky dosažitelnou hloubku vrtání,
- možnosti dostupné vrtné techniky,
- skladbu geologických vrstev,
- výskyt a charakter zvodnění.
Vstupy pro simulaci
Data z průzkumného vrtu a hodnoty energetických potřeb slouží jako podklad pro simulace vrtného pole, nejčastěji v softwaru EED. Dalšími vstupy jsou rozteč vrtů, jejich konstrukce, tepelná vodivost injektáže a průtok sondou.
Pro přesnější stanovení skutečné tepelné výkonnosti vrtu se hydrogeologický záznam doplňuje polní zkouškou tepelné odezvy podloží – testem GRT, označovaným také jako TRT.
Tepelná odezva podloží
GRT – Geotermal Response Test
GRT je nejrozšířenější dostupnou zkouškou průzkumného vrtu pro tepelná čerpadla. Výsledkem je hodnota průměrné tepelné vodivosti jednoho metru vystrojeného vrtu.
Průběh měření
Minimální doba měření je 72 hodin. Vrt musí být před testem dokončený a geologie ustálená; jiné vrtné práce by na lokalitě neměly probíhat. Měření se obvykle zahajuje nejdříve tři dny po dokončení průzkumného vrtu.
Vyhodnocení výsledků
Vrt je podle hloubky zatěžován výkonem přibližně 5 až 9 kW. Před testem a po jeho ukončení se měří teplotní profil. Porovnání křivek pomáhá vyhodnotit vhodné vrstvy pro vytápění, chlazení, kombinovaný provoz nebo akumulaci energie.
Záznam teplotního profilu vrtu před zkouškou GRT a po ní.
Hydraulické zapojení
Hydraulika a ideální rychlost proudění
Vypočtenou celkovou hloubku vrtů je nutné rozdělit do jednotlivých vrtů a okruhů. V zemních výměnících je vhodné dosáhnout turbulentního proudění, které zajišťuje dobrý přenos tepla mezi teplonosnou kapalinou a podložím.
Příliš vysoké rychlosti však zvyšují potřebnou práci oběhových čerpadel a zhoršují ekonomiku provozu. Dimenzování vrtů proto nelze oddělit od návrhu hydraulického zapojení.
Shrnutí
Správný návrh je základem dlouhodobého provozu
Uvedené postupy pro dimenzování tepelných čerpadel odpovídají běžné projekční praxi v zemích Evropské unie, zejména v Německu, Rakousku, Švýcarsku a Švédsku. Zjednodušené návrhy využívají bezpečnostní faktor vhodný pro menší instalace, zatímco u větších systémů je nutné zohlednit dynamiku podloží, hydrogeologické anomálie a výsledky simulačních výpočtů.
Existují i další podrobnější postupy, které se používají ve specifických případech. Pro běžnou výstavbu však bývají zbytečně časově a finančně náročné.
Milan Trs, senior konzultant geotermie, GEROtop spol. s r.o.
Potřebujete navrhnout vrty pro tepelné čerpadlo?
Pomůžeme s dimenzováním, průzkumným vrtem, GRT měřením i simulací celého vrtného pole.