Navigace

Rubriky

Reklama

TZB-info / Obnovitelná energie a úspory energie / Geotermální energie / Plytká geotermálna energia: technické riešenia a prevádzková stabilita (2. časť)

Plytká geotermálna energia: technické riešenia a prevádzková stabilita (2. časť)

4.9.2026
Ing. Martin Bolček, PhD., Stavebná fakulta STU Bratislava Katedra technického zariadenia budov
Recenzovaný

Přehrát audio verzi

Plytká geotermálna energia: technické riešenia a prevádzková stabilita (2. časť)

00:00

00:00

1x

  • 0.25x
  • 0.5x
  • 0.75x
  • 1x
  • 1.25x
  • 1.5x
  • 2x

Druhá časť seriálu sa zameriava na inžinierske riešenia primárnych okruhov SGE: energetické pilóty, tepelný odpor vrtu Rb a injektážne zmesi, Thermal Response Test, tepelnú bilanciu vrtného poľa (TURP), siete 5GDHC a ekonomiku systémov.

Reklama

Přečtěte si také Plytká geotermálna energia na Slovensku: potenciál a legislatívny rámec (1. časť) Přečíst článek

Druhá časť seriálu sa dále sústreďuje na inžinierske riešenia a prevádzkovú stabilitu systémov plytkej geotermálnej energie (SGE). Opisuje energetické geokonštrukcie (energetické pilóty), minimalizáciu tepelného odporu vrtu Rb pomocou termicky vodivých injektážnych zmesí a potrubí PE 100-RC, ako aj Thermal Response Test (TRT) ako základ spoľahlivého dimenzovania. Ďalej rozoberá tepelnú bilanciu vrtného poľa metodikou TURP, integráciu do sietí piatej generácie (5GDHC) a ekonomické súvislosti vrátane citlivosti na pomer cien elektriny a plynu. Výsledkom je prehľad stratégií pre dlhodobú prevádzkovú stabilitu a rentabilitu systémov TZB. Na geologický potenciál a legislatívny rámec, rozobraté v 1. časti, tu priamo nadväzujeme.

1. Inovatívne technológie primárnych okruhov

1.1 Energetické geokonštrukcie — pilóty a podzemné steny

Energetické pilóty (Energy Piles) integrujú výmenník tepla priamo do nosných základových prvkov budovy [10]. Do výstužného koša sa pred betonážou fixujú potrubia (zvyčajne zo sieťovaného polyetylénu PE-Xa), ktoré po zatvrdnutí betónu tvoria primárny okruh. Betón vykazuje tepelnú vodivosť λ ≈ 1,0–1,5 W/(m·K) a vďaka masívnemu priereze funguje ako efektívny akumulátor tepla. Pilóty mávajú priemer 0,4–1,5 m a dĺžku rádovo 10–30 m, s orientačným tepelným odberom okolo 30 W na meter dĺžky. Staršie meandrové riešenie (viacnásobná U-trubica) dnes nahrádza špirálový výmenník (typ Helix), ktorý sa jednoduchšie inštaluje do výstužného koša.

Oproti klasickým vrtom prináša toto riešenie:

  • elimináciu nákladov na vŕtanie — pilóty sú pre statiku nevyhnutné
  • vyšší povrch výmeny tepla pri rovnakom zastavanom priestore
  • ideálnu kombináciu s SUHI v mestskom prostredí a pasívnym chladením v lete

Reálne vyhotovenie výstužných košov pred betonážou dokumentuje obr. 1.

Obr. 1 Výstužné koše vŕtaných pilót pripravené na stavenisku. Pri energetických pilótach sa do koša pred betonážou fixuje výmenník tepla (potrubie PE-Xa), takže nosný základový prvok zároveň slúži na odber a ukladanie tepla. Foto: GE-TRA s.r.o., dostupné z https://www.ge-tra.cz/problematiky/zemni-plosne-kolektory-energeticke-piloty
Obr. 1 Výstužné koše vŕtaných pilót pripravené na stavenisku. Pri energetických pilótach sa do koša pred betonážou fixuje výmenník tepla (potrubie PE-Xa), takže nosný základový prvok zároveň slúži na odber a ukladanie tepla.
Foto: GE-TRA s.r.o., dostupné z www.ge-tra.cz/problematiky/zemni-plosne-kolektory-energeticke-piloty
Obr. 2 Schéma plytkých geotermálnych sond: a) vertikálna U-sonda (BHE) vo vrte s injektážnou zmesou (hĺbka 100–200 m), b) helikálna (špirálová) sonda do hĺbky 3–5 m, realizovateľná bežnou stavebnou technikou bez vrtnej súpravy. Zdroj: [11, 12].
Obr. 2 Schéma plytkých geotermálnych sond: a) vertikálna U-sonda (BHE) vo vrte s injektážnou zmesou (hĺbka 100–200 m), b) helikálna (špirálová) sonda do hĺbky 3–5 m, realizovateľná bežnou stavebnou technikou bez vrtnej súpravy. Zdroj: [11, 12].
Obr. 3 Priečny rez vertikálnou geotermálnou sondou (BHE). Tepelný odpor vrtu Rb závisí od tepelnej vodivosti injektážnej zmesi, vzdialenosti rúrok od steny vrtu a tepelnej vodivosti horniny. Minimalizácia Rb je hlavným nástrojom znižovania metráže vrtného poľa.
Obr. 3 Priečny rez vertikálnou geotermálnou sondou (BHE). Tepelný odpor vrtu Rb závisí od tepelnej vodivosti injektážnej zmesi, vzdialenosti rúrok od steny vrtu a tepelnej vodivosti horniny. Minimalizácia Rb je hlavným nástrojom znižovania metráže vrtného poľa.

1.2 Tepelný odpor vrtu Rb a injektážne zmesi

Tepelný odpor vrtu Rb je kľúčový parameter kvality BHE (obr. 3). Znižovanie Rb sa dosahuje výberom injektážnej zmesi (grout) s čo najvyššou tepelnou vodivosťou:

  • Čistý bentonit: λ = 0,4–0,8 W/(m·K) — nevhodný ako jediný grout pre geotermálne vrty z termodynamického hľadiska [11]
  • Komerčné zmesi bentonit–kremeňový piesok: λ = 1,4–1,8 W/(m·K) — bežný štandard v praxi
  • Termicky vylepšené zmesi (grafit, kremenná múčka): λ = 2,0–2,4 W/(m·K) — skrátenie vrtného poľa o 15–20 % [11]

Deklarovanú vodivosť dosiahneme len pri tlakovej injektáži zdola nahor (cez tzv. tremie trubku). Ak v medzikruží zostanú vzduchové kaverny, tepelný odpor vrtu Rb výrazne stúpne.

1.3 Materiálová odolnosť a geometria sond

Štandardom pre potrubia BHE je PE 100-RC (Resistance to Crack) — modifikovaný polyetylén s extrémnou odolnosťou voči pomalému šíreniu trhlín a bodovému zaťaženiu od ostrých hornín. Pre stiesnené parcely bez prístupu ťažkej vrtnej súpravy ponúkajú helikálne (špirálové) sondy realizovateľné bežnou stavebnou technikou do hĺbky 3–5 m (obr. 2). Tieto plytké kolektory treba odlíšiť od špirálového výmenníka integrovaného do nosnej pilóty (Helix, pozri kap. 1.1). Rashidi et al. [12] konštatujú, že ich tepelná stabilita je nižšia ako u hlbinných BHE v neutrálnej zóne, ale predstavujú funkčné riešenie pre malé inštalácie.

2. Thermal Response Test (TRT) ako základ spoľahlivého dimenzovania

Smerné hodnoty ql (Tab. 1 v 1. časti) sú orientačnými hodnotami pre predbežný odhad. Pre zodpovedné dimenzovanie väčších polí sa realizuje Thermal Response Test (TRT) podľa postupu Zhang et al. [13]: cirkulácia teplonosnej kvapaliny s konštantným príkonom (~1 800–2 400 h ekvivalentnej prevádzky) a analýza teplotnej odozvy masívu v čase. TRT priamo a lokálne meria:

  • tepelnú vodivosť horninového masívu λ [W/(m·K)]
  • tepelný odpor vrtu Rb [m·K/W]
  • nenarušenú teplotu masívu T0 [°C]

Výsledky TRT eliminujú závislosť na generalizovaných mapách a podľa skúseností z praxe znižujú projektovú neistotu dimenzovania orientačne o 20–30 %. Pre inštalácie s výkonom nad 30 kW je TRT štandardom [7].

3. Tepelná bilancia vrtného poľa a metodika TURP

3.1 Dlhodobá stabilita masívu

Dlhodobý pokles teploty masívu (thermal depletion) nastáva pri jednostrannom zimnom odbere tepla bez letnej regenerácie. Pre väčšie vrtné polia (spravidla nad 10 vrtov) prúdenie tepla z okolia nestačí bilanciu kompenzovať. V praxi sa preto volí minimálny rozstup vrtov približne 6 m, aby sa obmedzilo ich vzájomné tepelné ovplyvňovanie. Termická bilancia sa hodnotí metodikou TURP (Thermal Use and Recharge Potential) [14]:

TURP = Qrecharge / Quse
 

kde je

Qrecharge
teplo vrátené do masívu letným chladením a
Quse
teplo odobraté zimným vykurovaním.
 

Pre TURP ≈ 1 funguje masív ako celoročná energetická batéria.

Pre malé inštalácie (niekoľko BHE) zabezpečuje regeneráciu prirodzený tepelný tok z okolia a prísne sledovanie TURP nie je kritické. Pre väčšie polia (komerčné budovy, mestské štvrte) je aktívne bilancovanie podmienkou dlhodobej prevádzkovej stability [14].

3.2 Dynamický monitoring a digitálne dvojčatá

Pre väčšie zdroje (nad 50 kW) sú dnes štandardom digitálne dvojčatá vrtných polí prepojené s IoT senzormi (obr. 4). Riadiace systémy optimalizujú bivalentné spínanie na základe predpovede počasia a spotových cien elektriny, čím maximalizujú využitie lacnej elektriny a minimalizujú riziko podchladenia masívu v extrémnych zimách.

Obr. 4 Digitálne dvojča vrtného poľa s dynamickým monitoringom a prediktívnym riadením. IoT senzory vo vrtoch poskytujú dáta o teplote masívu. Model integruje predpoveď počasia a spotové ceny elektriny pre optimalizáciu bivalentného spínania a minimalizáciu nákladov na prevádzku.
Obr. 4 Digitálne dvojča vrtného poľa s dynamickým monitoringom a prediktívnym riadením. IoT senzory vo vrtoch poskytujú dáta o teplote masívu. Model integruje predpoveď počasia a spotové ceny elektriny pre optimalizáciu bivalentného spínania a minimalizáciu nákladov na prevádzku.

3.3 Výkonové parametre — SCOP

Tepelne vybilancované systémy s nízkoteplotnou sústavou (prívod ≤ 35 °C) a obmedzeným podielom TUV dosahujú SCOP v rozsahu 3,8–5,0 (obr. 5) podľa Eze et al. [15] a Kljajić et al. [16]. Tieto hodnoty závisia od:

  • teploty prívodnej vody vykurovacej sústavy (najvýznamnejší faktor)
  • podielu prípravy TUV (znižuje ročný SCOP)
  • klimatickej oblasti a teploty masívu

Kým predchádzajúci graf porovnáva sezónne SCOP, v zimných mrazoch je rozdiel ešte výraznejší pri okamžitom COP: ASHP pri −15 °C dosahuje COP ≈ 1,5–2,0, zatiaľ čo GSHP so stabilným zdrojom v masíve udržiava výparník na 0–5 °C a COP ≈ 3,0–3,5. Ide o okamžité hodnoty COP (nie sezónne SCOP) a platia pri rovnakých teplotách prívodu a podiele TUV [15].

Obr. 5 Porovnanie typických hodnôt SCOP systémov GSHP a ASHP v stredoeurópskych podmienkach. Hodnoty zahŕňajú systémové straty (čerpadlá, riadenie), ale nezohľadňujú podiel prípravy TUV, ktorý výsledný celoročný SCOP znižuje. Zdroj: [15, 16, 17].
Obr. 5 Porovnanie typických hodnôt SCOP systémov GSHP a ASHP v stredoeurópskych podmienkach. Hodnoty zahŕňajú systémové straty (čerpadlá, riadenie), ale nezohľadňujú podiel prípravy TUV, ktorý výsledný celoročný SCOP znižuje. Zdroj: [15, 16, 17].
 

4. Integrácia SGE do sústav centrálneho zásobovania teplom — 5GDHC

Perspektívny koncept systémovej integrácie SGE predstavujú siete piatej generácie (5GDHC – Fifth Generation District Heating and Cooling). Na rozdiel od tradičných teplárenských sietí pracuje 5GDHC s teplonosným médiom blízkym teplote masívu (8–20 °C) v obidvoch smeroch — teplo aj chlad cirkulujú v jednej sieti, pričom každá budova má vlastný GSHP. García-Céspedes et al. [18] hodnotia 5GDHC ako vhodné prostredie pre plošné nasadenie SGE v mestských štruktúrach.

5GDHC spolu s SGE priamo nahrádza fosílne palivá a pokrýva základné zaťaženie (baseload) nezávisle od vonkajšej teploty. Tým odpadajú zimné výkonové špičky a klesá záťaž prenosovej sústavy [18]. V prepojení so scenármi Heat Roadmap Europe môže táto cesta priniesť úspory nákladov na vykurovanie v EÚ približne 100 mld. EUR ročne do roku 2050 (Connolly et al. [19]).

5. Ekonomické hodnotenie a trhové súvislosti

Použitie PE 100-RC a termicky vylepšených injektážnych zmesí zvyšuje CAPEX o 20–30 %, avšak prevádzková životnosť vrtov nad 50 rokov mení dlhodobú ekonomiku stavby. Orientačná prostá návratnosť oproti plynovému vykurovaniu sa pohybuje v rozsahu 7–12 rokov — presná hodnota závisí kriticky od pomeru cien elektriny a zemného plynu.

Tento pomer je kľúčovým trhovým faktorom. Podľa štatistík EHPA [20] klesli predaje tepelných čerpadiel v Európe o 47 % v prvom polroku 2024 práve v dôsledku vysokej ceny elektriny voči zemnému plynu. Záver: SGE redukuje závislosť od cenovej volatility fosílnych palív, avšak GSHP zostávajú citlivé na pomer cien elektriny a plynu v konkrétnom trhu a čase.

6. Záver

Plytká geotermálna energia predstavuje overenú a legislatívne zakorenenú technológiu, ktorá v kombinácii s nízkoteplotnými TZB sústavami umožňuje dosiahnuť parametre NZEB a lokálnu dekarbonizáciu. Správne dimenzovanie — opierané o TRT, smerné hodnoty ql podľa ČSN EN 15450 (1. časť) a metodiku TURP — spolu s výberom kvalitných materiálov (PE 100-RC, termicky vylepšené injektážne zmesi) rozhoduje o dlhodobej prevádzkovej stabilite a rentabilite systémov. Pre husto zastavané mestské aglomerácie predstavujú energetické pilóty a siete 5GDHC perspektívnu integračnú cestu plošnej dekarbonizácie vykurovania.

Poďakovanie

Práca bola podporovaná Ministerstvom školstva, vedy, výskumu a športu SR prostredníctvom grantu VEGA 1/0482/25.

Príspevok podstatne rozširuje a prepracúva konferenčný príspevok autora [22] (Vykurovanie 2026, STU Bratislava) a v tejto podobe nebol publikovaný inde. Nástroje umelej inteligencie (Google Gemini a Anthropic Claude) boli použité ako jazyková, štylistická a redakčná pomôcka (čitateľnosť, formulácia, korektúra), nie na tvorbu odborného obsahu. Za odborný obsah, interpretácie a závery zodpovedá v plnom rozsahu autor.

Literatúra

Poznámka: číslovanie zdrojov je priebežné pre celý seriál (1. a 2. časť).

  1. ČSN EN 15450. Tepelné soustavy v budovách — Navrhování tepelných soustav s tepelnými čerpadly. Praha : ÚNMZ, 2008. Vychádza z VDI 4640-2.
  1. MAGDY, Alaaeldin, et al. A review of exploiting shallow geothermal energy through tunnels: Current status and future prospects. Renewable Energy [online]. 2025, roč. 238, 121958. ISSN 0960-1481. Dostupné z:
    https://doi.org/10.1016/j.renene.2024.121958
  2. SAPIŃSKA-ŚLIWA, Aneta, et al. Testing the thermal conductivity of the borehole heat exchanger grouting materials. Energy Reports [online]. 2021, roč. 7, s. 556–563. ISSN 2352-4847. Dostupné z:
    https://doi.org/10.1016/j.egyr.2021.01.034
  3. RASHIDI, Saman, et al. Progress and challenges of helical-shaped geothermal heat exchangers. Environmental Science and Pollution Research [online]. 2021, roč. 28, s. 28965–28992. ISSN 1614-7499. Dostupné z:
    https://doi.org/10.1007/s11356-021-13766-0
  4. ZHANG, Linfeng, et al. A Novel Approach to the Analysis of Thermal Response Test (TRT) with Interrupted Power Input. Energies [online]. 2020, roč. 13, č. 22, 6084. ISSN 1996-1073. Dostupné z: https://doi.org/10.3390/en13226084
  5. INTERREG DANUBE. Report on Criteria Catalogue for optimization of shallow geothermal hybrid systems. 2024. Dostupné z: https://interreg-danube.eu/
  6. EZE, Val Hyginus Udoka, et al. Recent progress and emerging technologies in geothermal energy utilization for sustainable building heating and cooling. Frontiers in Built Environment [online]. 2025, roč. 11, 1594355. ISSN 2297-3362. Dostupné z: https://doi.org/10.3389/fbuil.2025.1594355
  7. KLJAJIĆ, Miroslav V., et al. Shallow geothermal energy integration in district heating system: An example from Serbia. Renewable Energy [online]. 2020, roč. 147, s. 2791–2800. ISSN 0960-1481. Dostupné z:
    https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.12.073
  8. ČSN EN 14825. Klimatizátory vzduchu, jednotky pro chlazení kapalin a tepelná čerpadla — Zkoušení a hodnocení v podmínkách mimo jmenovité provozní podmínky. Praha : ÚNMZ, 2022.
  9. GARCÍA-CÉSPEDES, Jordi, et al. Fifth-Generation District Heating and Cooling Networks Based on Shallow Geothermal Energy: A Review and Possible Solutions for Mediterranean Europe. Energies [online]. 2023, roč. 16, č. 1, 147. ISSN 1996-1073. Dostupné z: https://doi.org/10.3390/en16010147
  10. CONNOLLY, David, et al. Heat Roadmap Europe: Combining district heating with heat savings to decarbonise the EU energy system. Energy Policy [online]. 2014, roč. 65, s. 475–489. ISSN 0301-4215. Dostupné z:
    https://doi.org/10.1016/j.enpol.2013.10.032
  11. EHPA. European Heat Pump Market Report 2025 [online]. Brussels : European Heat Pump Association, 2025. Dostupné z: https://ehpa.org/market-data/
  1. BOLČEK, Martin. Perspektívy využívania plytkej geotermálnej energie na Slovensku. In: Vykurovanie 2026: 34. medzinárodná konferencia. Bratislava : STU, 2026.
English Synopsis
Shallow Geothermal Energy: Technical Solutions and Operational Stability (Part 2)

Part 2 focuses on engineering solutions and the operational stability of shallow geothermal energy (SGE) systems: energy piles, minimisation of borehole thermal resistance Rb through thermally enhanced grouts and PE 100-RC pipes, the Thermal Response Test as the basis for reliable sizing, the thermal balance of the borehole field (TURP methodology), fifth-generation district heating and cooling (5GDHC), and the economics of GSHP systems.

 
 

Reklama