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

Pracovní postup při testování byl následující:

• umístění testovacího karavanu co nejblíže vrtu, aby se minimalizovalo teplotní ovlivnění nadzemní části PE-kolektoru počasím, ustavení přívěsu se snímací elektronikou
• připojení kolektoru k testovacímu zařízení,
• izolace nadzemní části kolektoru, která vede k testovacímu zařízení, aby se zabránilo teplotnímu ovlivnění okolním prostředím,
• doplnění kolektoru a celého okruhu nemrznoucí směsí, cirkulace směsi v okruhu pomocí oběhového čerpadla, aby se odstranily případné vzduchové bubliny z kolektoru,
• nastartování systému ukládání dat, seřízení rychlosti ukládání dat na požadovanou hodnotu, start cirkulačního čerpadla - krátká zkouška funkčnosti zařízení
• cirkulace nemrznoucí směsi oběhovým čerpadlem testovacího zařízení po dobu několika hodin za účelem záměru teploty horninového masivu v přirozeném stavu,
• zapnutí elektrokotle na požadovaný příkon,
• snímání teploty nemrznoucí směsi v kolektoru na vstupu a výstupu z vrtu po dobu cca 2,5 dne nepřetržitě,
• vypnutí cirkulačního čerpadla, odpojení systému sběru dat,
• odstranění izolace z nadzemní části kolektoru a odpojení testovacího zařízení.

Výsledkem testů TRT je zjištění třech fyzikálních parametrů provrtávaných hornin:

• tepelné vodivosti hornin : pro celý vrt je určena jediná hodnota, která charakterizuje teplotní odezvu všech provrtaných typů hornin,
• teploty horninového masivu v přirozeném stavu - jediná hodnota pro celý vrt,
• celkový teplotní odpor vrtu Rb mezi stěnou vrtu a nemrznoucí směsí v kolektoru.

V České republice se zatím testování tepelné vodivosti hornin in-situ neprovádí - jedním z důvodů jsou především jeho finanční náročnost a nulové zkušenosti s vyhodnocováním. Využití výpočtového software pro dimenzování vrtů rovněž není běžnou záležitostí. Ve většině případů se v naší provozní praxi postupuje těmito způsoby:

1. hloubka vrtů je určována jako podíl topného výkonu tepelného čerpadla a maximálního teplotního zisku z 1 m vrtu (ten je doporučován některými výrobci tepelných čerpadel v rozmezí 40 - 70 W/m)
2. hloubka vrtů je určována jako podíl chladícího výkonu tepelného čerpadla a maximálního teplotního zisku z 1 m vrtu
3. hloubka vrtů je určována na základě empirických zkušeností s provozem tepelného čerpadla poblíž dané lokality nebo podle obdobných geologických podmínek
4. hloubka vrtů je přejímána pro daný typ tepelného čerpadla z firemních projekčních podkladů

Firmy instalující tepelná čerpadla zpravidla používají kombinaci výše uvedených způsobů stanovení hloubek vrtů. Je nutné zdůraznit, že způsob 2) může vést k poddimenzování hloubky vrtů, a to hlavně u většího počtu vrtů, které se projevuje vzájemným teplotním ovlivňováním vrtů.

V zahraničí jsou vcelku běžně prováděny testy TRT pro velké stavební objekty s větším množstvím vrtů, které jsou dimenzovány tak, aby v letním období sloužily pro "uskladnění" přebytečného tepla pocházejícího z klimatizace objektu. V odborné literatuře se hovoří o tzv. Borehole Thermal Energy Storage (BTES) - tj. uskladňování tepelné energie pomocí vrtů. Jedná se o "dobíjení" tepelného akumulátoru - tj. horninového masívu - prostřednictvím vrtů v letním období a čerpání tepla z tohoto akumulátoru v topné sezóně. Takovéto hospodaření s teplem má výrazný vliv na ekonomiku celého projektu: umožňuje snížit počet vrtů nebo jejich hloubku, protože je využíván efekt jejich zrychleného "dobíjení" v letním období. V současné době jsou ve Švédsku prováděny také experimenty s rodinnými domy vytápěnými s použitím principu BTES.

V zahraničí (Švédsko, USA) jsou již vyvíjena testovací zařízení o velikosti většího cestovního kufru. Dále jsou vyvíjeny metodické postupy vedoucí ke zkrácení doby testování pro určení tepelných charakteristik hornin, a tím zlevnění TRT testů.

9. Realizace vrtů pro tepelná čerpadla

V současné době jsou vrty pro tepelná čerpadla realizovaná v západní Evropě vysoce specializovanou záležitostí: byly vyvinuty speciální technologie vrtání. Jednou z takovýchto firem je německý výrobce vrtných souprav typu NORDMEYER (viz Obr. č. 15), který dodává také speciální technologii pro vrtání vrtů na TČ.

Firma NORDMEYER ročně realizuje přes 60.000 metrů vrtů pro tepelná čerpadla v zemích západní Evropy. Tato technologie je založena na rotačně příklepném vrtání s vodovzdušným výplachem od povrchu terénu do konečné hloubky vrtu (maximálně do cca 150m). Pouze v jílovitých horninách je používána technologie rotačního vrtání s listovým dlátem a vodovzdušným výplachem. Obrovskou výhodou této technologie je aplikace dvojité rotační hlavy v úvodním intervalu vrtu umožňující současné vrtání a pažení vrtu v nesoudržných a nestabilních horninách.

Pokud je stavební objekt vytápěn dvěma a více vrty, pak se v současné provozní praxi používá paralelního zapojení vrtů (viz Obr. č. 10 ve III. díle).

Přednosti výše popsané technologie jsou následující:

• umožňuje úspěšně realizovat vrty i ve velmi nepříznivých geologických podmínkách
• díky progresivnímu systému propažování vrtů a krátké manipulační době s vrtnou kolonou umožňuje vysokou produktivitu práce, tzn. relativně velmi rychlou realizaci a vystrojení vrtu i v nepříznivých geologických podmínkách
• kolektor je zhotoven z vysoce kvalitních HDPE trubek PN 1,6 MPa spojených HDPE kompaktní paticí navařovanou automatem
• umožňuje injektovat vrt odspoda nahoru a tím je zaručena homogenní výplň celého stvolu vrtu
• je velmi šetrná k okolí: ústí vrtu je po celou dobu realizace vrtu těsněné, takže lze vrtat i v ulicích obcí, aniž by došlo k potřísnění okolí vrtu vrtným výplachem
• vrtné průměry jsou relativně malé (152/120mm) - tím je umožněn těsnější kontakt PE-kolektoru s horninou, objem vrtné drti pro likvidaci je relativně malý, malý průměr vrtu znamená také menší problémy se stabilitou stěny vrtu
• výsledným efektem aplikace této speciální technologie je velmi příznivá cena 1 m vystrojeného vrtu při vysoké kvalitě provedeného díla

V Evropě jsou realizovány vrty pro tepelná čerpadla až do hloubky 300m, a to technologií rotačně příklepného vrtání s ponorným kladivem poháněným vodním výplachem. Tato technologie vyžaduje čerpací agregát, který musí vyvíjet výstupní tlak až cca 18 MPa a litráž 150 litrů/min. Vzhledem k vysokým nárokům na množství a čistotu technické vody pro efektivní chod tohoto typu ponorného kladiva není zatím tato technologie v ČR používána.

Na Obr.č. 16 je schéma konstrukce vrtu realizovaného technologií NORDMEYER.

Obr. č. 16: Schéma konstrukce vrtu pro tepelné čerpadlo

Obrovská přednost této technologie spočívá v systému průběžného pažení a vrtání vrtu, který umožňuje realizovat vrty i ve velmi komplikovaných geologických poměrech jen jedním průměrem pažnic (odpadá nutnost použití pažnicového teleskopu).

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