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

Aplikace software EED 2.0 pro dimenzování vrtů

Software Earth Energy Designer (EED) 2.0 byl vytvořen skupinou švédských a německých výzkumných a univerzitních pracovníků - specialistů v oboru fyzika stavebních objektů a matematická fyzika (Hellstrőm, G., et al. 2000). EED 2.0 je určen pouze pro dimenzování vrtů pro systém země/voda v hloubkovém rozsahu do 200m. Tento software umožňuje formou jednoduchých dialogových oken s databázemi vstupních parametrů rychlý výpočet těchto konečných parametrů:

• průměrné teploty nemrznoucí směsi v kolektorech pro zvolenou hloubku vrtů
• hloubku vrtů pro zvolené rozmezí teploty nemrznoucí směsi v kolektorech

Software EED 2.0 zatím neumí zohlednit přítoky podzemních vod do vrtu - vypočítává hloubky vrtu pro tzv. suché teplo z hornin - tj. přestup tepla vedením v horninách. Je třeba poznamenat, že ve většině případů zatím není možné před realizací vrtu určit, v jaké hloubce a v jakém množství nastane přítok podzemní vody. Další možnou neznámou je fakt, že potenciální přítok podzemní vody do vrtu může být z dlouhodobého hlediska nestálý (vliv čerpání podzemní vody člověkem v širším okolí daného vrtu, vliv dlouhodobého srážkového deficitu apod.).

EED 2.0 disponuje těmito databázemi (Hellstrőm, G., et al. 2000):

• různé průměry vrtů
• tepelná vodivost různých typů hornin (minimální, maximální, doporučená)
• tepelná vodivost různých výplní vrtů
• 2.465 g-funkcí v závislosti na vzdálenostech mezi vrty a jejich hloubkami
• 308 různých uspořádání vrtů
• nemrznoucí směsi v kolektorech (jejich fyzikální vlastnosti)
• zemský tepelný tok pro různé lokality v Evropě
• průměrná teplota při povrchu terénu různé lokality v Evropě
• různé materiály kolektorů (jejich fyzikální vlastnosti), jejich různé systémy

Uživatel musí zadat do software tyto vstupní parametry:

• tepelnou vodivost λ hornin vrtem zastižených (jedna hodnota pro celý vrt)
• zemský tepelný tok Φ pro danou lokalitu
• průměrnou roční teplotu na povrchu terénu (je přibližně rovna průměrné roční teplotě vzduchu pro danou lokalitu)
• typ injektážní směsi ve vrtu
• celkový teplotní odpor vrtu R_b mezi stěnou vrtu a nemrznoucí směsí v kolektoru
• topný výkon tepelného čerpadla
• litráž oběhových čerpadel primárního okruhu tepelného čerpadla vztaženou na 1 vrt
• typ nemrznoucí směsi v kolektorech tepelného čerpadla
• měsíční energetickou potřebu daného stavebního objektu, včetně potřeby klimatizace
• odhad doby chodu tepelného čerpadla s maximálním topným výkonem pro každý měsíc

Na základě provedené analýzy citlivosti jednotlivých vstupních údajů na hloubku vrtu lze konstatovat:

1. Tepelná vodivost hornin je fyzikální parametr hornin, který nelze ovlivnit, a přitom má výrazný vliv na hloubku vrtů.
2. Zemský tepelný tok nemá na dimenzování hloubky vrtů významný vliv: i když jeho hodnota vzroste o 100%, hloubka vrtů se zkrátí o pouze maximálně 8%, a to i v případě větší skupiny vrtů. Proto postačuje dosadit do softwaru přibližné hodnoty zemského tepelného toku získané např. z odborné literatury v oboru geofyziky.
3. Výrazný vliv na dimenzování hloubky vrtů má průměrná teplota na povrchu terénu: ke zkrácení nebo prodloužení vrtů dochází o desítky procent, a to zvláště v případě nízké teploty pro větší skupinu vrtů. Je proto nezbytně nutné zjistit co nejpřesněji tento parametr pro danou lokalitu. Dle autorů softwaru EED 2.0 můžeme průměrnou teplotu na povrchu terénu ztotožnit s průměrnou teplotou vzduchu na dané lokalitě, přičemž toto zjednodušení má zanedbatelný vliv na určení hloubky vrtů. Průměrnou teplotu vzduchu lze získat od hydrometeorologické stanice nejblíže ležící zájmové lokalitě (tyto údaje lze např. také nalézt v ČSN 06 0210 a např. také podrobněji ve firemním software fy. PZP Komplet, a.s. - předního českého výrobce vzduchových tepelných čerpadel).

Další parametry, které mají vliv na dimenzování hloubky vrtů, jsou ryze technického charakteru, a proto jsou snadno určitelné a ovlivnitelné:

1. režim toku nemrznoucí směsi v kolektorech - při turbulentní režimu toku lze zkrátit hloubky vrtů až o 14 - 21% u 2-trubkového kolektoru
2. pokud z technických či ekonomických důvodů není turbulentní tok nemrznoucí směsi v kolektorech vhodný, pak použitím 4-trubkového kolektoru lze zkrátit vrty o 10 - 15% v porovnání s 2-trubkovým kolektorem
3. vliv vzdálenosti mezi vrty narůstá na významu u větší skupiny vrtů, kde dochází k jejich vzájemnému teplotnímu ovlivnění: např. pro 10 vrtů je žádoucí rozteč vrtů 10m
4. vliv způsobu uspořádání většího počtu vrtů: při uspořádání např. 10 vrtů do jedné linie dosáhneme optima z hlediska minimálního vzájemného teplotního ovlivnění vrtů, což má za následek zkrácení hloubek vrtů cca 6 - 8% v porovnání s 2 řadami po 5 vrtech
5. pokud chceme zabránit vychlazování hornin v okolí vrtů a volíme proto vyšší minimální teplotu nemrznoucí směsi v kolektoru, pak toto opatření vede k výraznému zvětšení hloubky vrtů (v rozmezí 20 - 30% pro dosažení teploty -2,5°C místo -5°C)
6. vliv typu injektážní směsi - tento parametr má vliv na tzv. celkový teplotní odpor vrtu R_b. Při použití speciálních injektážních směsí např. s křemitým pískem lze snížit hodnotu R_b a tím i hloubku vrtu

Jedním z grafických výstupů EED 2.0 je průběh teploty nemrznoucí směsi v kolektoru v závislosti na dlouhodobém chodu tepelného čerpadla. Při dostatečné hloubce každého vrtu nastává výraznější pokles této teploty během prvních cca dvou let chodu tepelného čerpadla, další pokles teploty je velmi mírný, nakonec dojde k dlouhodobé stabilizaci teploty směsi v kolektorech. Teplota nemrznoucí směsi v kolektoru je důležitým parametrem - čím je vyšší, tím je vyšší topný faktor COP tepelného čerpadla.

Je nutné zdůraznit, že přesnost dimenzování vrtů pomocí EED 2.0 závisí především na dobré znalosti energetické potřeby (včetně klimatizace) vytápěného objektu, a to hlavně u velkých staveb, a dále na praktickém určení tepelné vodivosti hornin pomocí polních testů. Jako každý modelovací software vyžaduje také praktické zkušenosti jeho uživatele a jeho technický cit pro věc.

Jedním z důležitých předpokladů pro přesné dimenzování vrtů je realizace polních zkoušek ve vystrojeném vrtu.

Určení tepelné vodivosti hornin

V současné době existují dvě metody zjišťování tepelné vodivosti hornin:

• laboratorní metody: je nezbytné provést aspoň intervalové jádrování vrtu pro získání reprezentativních vzorků hornin
• metody měření ve vystrojeném vrtu: v Evropě se označují jako testy teplotní odezvy (Thermal Response Test - TRT), v USA jako testy tepelné vodivosti hornin (Formation Thermal Conductivity Testing)

V případě jádrování celého vrtu bez ohledu na náklady jsou výsledky laboratorních metod pouze orientační, protože nemohou zohlednit řadu faktorů působících ve vrtu (např. vlhkost hornin, vliv tektoniky, vliv strukturně texturních vlastností celého profilu vrtu na tepelnou vodivost, vliv typu injektážní směsi, průměru vrtu a rozmístění trubek kolektoru ve vrtu). Proto jsou jednoznačně upřednostňovány metody měření ve vrtu.

Pro analýzu získaných dat z Thermal Response Testu se ve světě nejčastěji používá metoda "liniového zdroje". Tato metoda je založena na předpokladu vyzařování tepla z nekonečně tenkého zdroje o konstantní velikosti do nekonečného okolí.

Hypoteticky se předpokládá, že kolem vrtu je teplotní pole neporušené a že do vrtu proudí konstantní množství tepelné energie během dostatečně dlouhé doby. Pak je za těchto předpokladů možné použít zjednodušené rovnice pro liniový zdroj, která má tento tvar (Spitler, J. D., et al. 2002):

8.11

ΔT	změna teploty (K)
A	konstanta
Q	množství dodávaného tepla (W)
π	3,14159
λ	tepelná vodivost (W/mK)
ln(t)	přirozený logaritmus času testování

Teplota představuje průměrnou hodnotu z měřených hodnot teploty na vstupu a výstupu z kolektoru. Výše uvedená rovnice může být převedena na tvar pro určení tepelné vodivosti λ:

8.12

kde:

H	hloubka vrtu (m)
SP	směrník přímky

Směrník přímky SP se určí na semilogaritmickém grafu závislosti průměrné teploty v PE-kolektoru na čase v logaritmické stupnici.

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