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

7. Horniny jako zdroj tepla pro tepelné čerpadlo

V horninách nejsvrchnější části zemské kůry (hloubky maximálně do 300m) je teplo kumulováno z těchto zdrojů:

1. vnitřní zdroje: teplo uvolněné vlivem tektonických a vulkanických aktivit, radioaktivním rozpadem prvků, při geochemických reakcích, při stlačení spodních vrstev nadložím (gravitační teplo), při gravitační diferenciaci, při pohlcování energie seismických vln, teplo pasivně vyzařované Zemí
2. vnější zdroje: energie slunečního záření

Podle (Jakeš, P., 1984) se 47% slunečního záření přemění po dopadu na zemský povrch přímo na teplo - to představuje výkon 81.310 x 10¹² W. Pokud zjednodušeně vztáhneme tuto hodnotu na celý povrch Země (rotační elipsoid o ploše 510.083.058 km²), pak na 1 m² zemského povrchu připadne 159 W/ m². Celkový vnitřní výkon Země činí 33 x 10¹² W, což je pouze 0,04 % slunečního výkonu, resp. po vztažení na plochu Země to představuje cca 65 mW/ m² (jedná se o tzv. tepelný tok Země). Z toho vyplývá, že výkon slunečního záření vztažený na 1 m² zemského povrchu je více než 2.400-krát vyšší než tepelný tok Země. Horniny svrchní části zemské kůry proto představují tepelný akumulátor slunečního záření.

Zemský tepelný tok φ je množství tepla, které projde jednotkovou plochou na zemském povrchu za jednotku času:

φ = λ . ΔT

7.1

λ	tepelná vodivost hornin (W/mK)
ΔT	přírůstek teploty s hloubkou (K/m)

Měřením zemského tepelného toku byly získány tyto základní poznatky (Svoboda 1983):

1. průměrný φ činí 60 ± 10 mW/m²
2. v oblastech se silnou konsolidací zemské kůry (kontinentální štíty) φ = 35 - 40 mW/m²
3. v oblastech třetihorního vrásnění φ = 70 - 80 mW/m²

Stanovení zemského tepelného toku φ je relativně pracné a zdlouhavé: provádí se měřením teploty v hlubinných vrtech pomocí vysoce přesných elektrických odporových termometrů po ustálení teplotního pole v okolí vrtu (tj. týdny až měsíce po jeho dokončení), narušeného cirkulací výplachu. Pro území České republiky byla zpracována v Geofyzikálním ústavu ČAV mapa izolinií zemského tepelného toku.

Z velikosti průměrného φ = 65 mW/m² lze snadno odvodit, že např. plochou o rozloze 1 000 m² na povrchu Země projde tepelný tok o velikosti pouhých 65W. Přitom z vrtu o průměru 120mm a hloubce 100m lze získat topný výkon o hodnotě 4 000 - 7 500 W. Z této jednoduché úvahy vyplývá, že zemský tepelný tok nemůže být dominantním zdrojem nízkopotenciální tepelné energie hornin.

Z uvedeného je zřejmé, že hlavním zdrojem obnovitelné nízkopotenciální energie v horninách je sluneční záření. Podle (Oklahoma State University, 1988) podíl slunečního záření na akumulaci tepla v horninách činí 97 – 98%, zbytek připadá na vnitřní zdroje Země. Lze předpokládat, že v oblastech zvýšené sopečné a tektonické aktivity, resp. v horninách se zvýšeným obsahem radioaktivních prvků se procentuální podíl vnitřních zdrojů o jednotky procent zvýší.

Obr. č. 11: Schéma přestupu tepla z hornin do vrtu

Dalším důkazem silně převažujícího vlivu slunečního záření na tepelnou bilanci v horninách nejsvrchnější části zemské kůry je existence trvale zmrzlých půd (permafrostu), které např. na Sibiři dosahují maximální mocnosti až 600m, průměrně pak 300 - 450m. Pokud by vnitřní zdroje zemského tepla byly vydatnější, pak by permafrost nebyl vyvinutý do takových hloubek.

Právě z poznatku, že sluneční záření je zdrojem tepla pro tepelná čerpadla vyplývá velká univerzálnost vrtů pro tepelná čerpadla: tyto vrty nejsou vázány na lokality pouze s výskytem podzemní vody ani na určité specifické geologické podmínky. Při vytápění pomocí tepelného čerpadla dochází v topné sezóně k vychlazování horninového masívu, které se však při dostatečných hloubkách vrtů stabilizuje (tzn. že teplota teplonosného média na vstupu do tepelného čerpadla je téměř konstantní - zpravidla kolem 0°C). Během přechodného období a zvláště v létě dochází k "dobíjení" horninového masivu slunečním zářením, tepelné čerpadlo produkuje v letním období jen teplo pro ohřev teplé užitkové vody. Velice výhodná je aplikace tepelného čerpadla pro klimatizaci objektu: přebytečné teplo je z objektu odváděno do vrtů, a tím dochází k rychlejšímu a teplotně vyššímu "dobíjení" horninového masivu. Tím je dosahováno vyššího topného faktoru COP a při aplikacích s velkým počtem vrtů je vyloučen případný dlouhodobý pokles teploty horninového masivu z důvodu vzájemného teplotního ovlivňování vrtů.

Vzhledem k tomu, že tepelné čerpadlo při napojení na kolektor ve vrtu vyvolá v okolí teplotní nerovnováhu, dochází neustále k přenosu tepla v horninách směrem k vrtu - viz Obr. č. 12 v příštím díle. Tento přenos tepla se uskutečňuje především vedením (kondukcí): tzn., že teplo se předává pouze vlněním krystalické mřížky minerálů tvořících horniny. Populárně bývá také označováno jako "suché" zemské teplo, aby bylo odlišeno od tepla přenášeného prouděním těles podzemních vod (konvekcí).

Vrty pro tepelná čerpadla bývají často laickou veřejností zaměňovány s geotermálními vrty: tyto vrty však jsou zpravidla mnohem hlubší (1 000 - 6 000m) a jsou vrtány po předchozím průzkumu v předem vytipovaných místech výskytu hlubinných teplých vod a/nebo zón s anomálně vysokým zemským tepelným tokem. Zdrojem tepla v horninách jsou výše uvedené vnitřní zdroje a hlubinná podzemní voda, pokud se na dané lokalitě vyskytuje. Ve spojení s geotermálními vrty jsou zpravidla budovány elektrárny (teplárny) k vytápění celých sídelních celků - jedná se již o využití obnovitelného zemského tepla v průmyslovém měřítku. Dalším zdrojem geotermální energie jsou např. vulkanicky a geologicky "mladé" oblasti (např. jižní Slovensko): teplé termální vody mohou být zastiženy již od hloubek cca 300m a vyžívají se k lázeňským účelům nebo k provozování termálních koupališť. Společným jmenovatelem všech geotermálních zdrojů jsou anomální geologické a/nebo hydrogeologické podmínky, které se však vyskytují jen v určité úzce vymezené a předem dobře prozkoumané oblasti.

V homogenním izotropním prostředí se šíření tepla vedením řídí Fourierovou rovnicí (Eskilson, P., 1987):

7.2

a	součinitel teplotní vodivosti (m2/s)
T	teplota (K)
t	čas (s)

Součinitel teplotní vodivosti a hornin udává rychlost vyrovnání teploty v horninovém prostředí:

7.3

λ	měrná tepelná vodivost hornin (W/mK)
c	měrná tepelná kapacita hornin při konstantním tlaku (J/kgK)
ρ	přirozená hustota hornin (kg/m3)

Měrná tepelná vodivost hornin λ je pro danou horninu v izotropním homogenním prostředí konstantou, která charakterizuje schopnost horniny vést teplo. Je rovna množství tepla, které projde jednotkovou plochou za jednotku času při jednotkovém teplotním rozdílu. Tento parametr je složitou funkcí především mineralogického složení, strukturně texturních vlastností horniny, její hustoty, pórovitosti a obsahu vody v hornině. Může vykazovat anizotropii, ve větších hloubkách je též funkcí teploty a tlaku v horninách, avšak tuto závislost můžeme zanedbat, protože vrty pro tepelná čerpadla jsou realizovány maximálně do hloubky 400m. Měrná tepelná vodivost hornin nabývá nejvyšších hodnot pro křemen (λ = 8,4 W/mK), zatímco pro některé jíly a jílovce je nejnižší (λ = 0,4 - 0,8 W/mK). U většiny hornin zemské kůry se tento parametr pohybuje v rozmezí λ = 2,1 - 4,2 W/mK.

Měrná tepelná vodivost hornin byla donedávna většinou zjišťována laboratorně na reprezentativních vzorcích hornin z vrtného jádra. Nejrozšířenější je metoda tzv. dělené tyče (divided bar) prováděná např. na pracovišti Geofyzikálního ústavu ČAV (Mareš et al. 1979).

Právě měrná tepelná vodivost hornin má z horninových parametrů zcela zásadní význam pro dimenzování vrtů pro tepelná čerpadla.

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