Návrh zemní sondy pro tepelné čerpadlo

Úvod

Pro návrh zemních sond pro tepelné čerpadlo země-voda je nutné mít k dispozici správné údaje o samotném zemském masívu, tepelném čerpadle a budově (odběru tepla), do které tepelné čerpadlo teplo ze země přečerpává. V následujícím textu je uveden zjednodušený a detailnější výpočtový postup pro stanovení potřebné délky zemní sondy, která nebude mít za následek výrazný pokles teploty indikující vyčerpávání tepla z jejího okolí a zajistí dlouhodobě udržitelný provoz soustavy.

Zjednodušený výpočet délky zemní sondy

Pro návrh zemní sondy je možné použít zjednodušeného postupu uvedeného v normě ČSN EN 15450 [1], který vychází z německé směrnice VDI 4640-2 [2]. Postup navrhování délky zemních sond tepelných čerpadel platí pro výkon do 30 kW. Z topného výkonu Φ_TC a topného faktoru COP navrženého tepelného čerpadla při jmenovitých podmínkách B0/W35 (vstup do výparníku 0 °C, výstup z kondenzátoru 35 °C) se stanoví chladicí výkon výparníku

Norma ČSN EN 15450 v tab. A.3 v příloze uvádí měrné odběrové tepelné toky q_l [W/m] zemní sondy pro různé druhy zemního masívu (různé energetické kvality podloží) a roční doby provozu tepelného čerpadla, tj. roční doby trvání čerpání tepla, viz tab. 1 [1]. Provozní doba tepelného čerpadla se uvažuje pro režim pouze vytápění 1800 h/rok a pro kombinaci vytápění a přípravy teplé vody 2400 h/rok. Základní hodnotou pro běžné podloží je měrný odběrový tepelný tok 50 W/m. Z tabulky je však patrné, že různá podloží mohou mít diametrálně odlišné hodnoty od cca 20 W/m (suchá štěrková podloží) až do 100 W/m (s prouděním spodní vody). Při prodloužení doby provozu sondy o 600 h/rok se v průměru snižuje odběrový tepelný výkon u všech druhů masívu o cca 20 %.

Tab. 1 Měrné odběrové tepelné toky zemní sondy pro vybrané druhy zemního masívu [1]

Druh zemního masívu	Měrný odběrový tepelný tok
	doba provozu 1 800 h	doba provozu 2 400 h
Obecné směrné hodnoty:
špatné podloží (suchý sediment a λ < 1,5 W/(m∙K)	25 W/m	20 W/m
běžné podloží a vodou nasycený sediment 1,5 < λ < 3,0 W/(m∙K)	60 W/m	50 W/m
pevná hornina s vysokou tepelnou vodivostí λ > 3,0 W/(m∙K)	84 W/m	70 W/m
Jednotlivé druhy zemního masívu:
suchý štěrk nebo písek	< 25 W/m	< 20 W/m
štěrk nebo písek nasycený vodou	65 W/m až 80 W/m	55 W/m až 65 W/m
štěrk nebo písek se silným prouděním spodní vody	80 W/m až 100 W/m	80 W/m až 100 W/m
vlhký jíl	35 W/m až 50 W/m	30 W/m až 40 W/m
vápencový masív	55 W/m až 70 W/m	45 W/m až 60 W/m
pískovec	65 W/m až 80 W/m	55 W/m až 65 W/m
křemičitý magmatit (např. granit, žula)	65 W/m až 85 W/m	55 W/m až 70 W/m
bazální magmatit (např. basalt, čedič)	40 W/m až 65 W/m	35 W/m až 55 W/m
diorit (rula)	70 W/m až 85 W/m	60 W/m až 70 W/m

Potřebná délka zemní sondy L [m] se pak stanoví ze vztahu

Vypočtená délka se v případě potřeby rozdělí mezi více sond se stejnou délkou. Jako maximální délka jedné sondy se uvažuje 100 m. Zároveň norma uvádí, že by mělo být uváženo, zvláště pro delší doby provozu i odebrané teplo na 1 m hloubky zemní sondy. Množství odebraného tepla by se mělo pohybovat mezi hodnotami 100 a 150 kWh/m za rok [1].

Právě tato často zapomínaná informace, že návrh délky zemní sondy by měl být proveden především podle ročního odebraného množství tepla ze zemního masívu tepelným čerpadlem v závislosti na době provozu tepelného čerpadla během roku, vede k následující úpravě výše uvedeného výpočtového postupu.

Podrobný výpočtový postup

Pro správný návrh je potřeba znát roční potřebu tepla domu v dané instalaci pro vytápění, např. v souladu s ČSN EN ISO 13790 [3] a pro přípravu teplé vody, např. v souladu s ČSN EN 15316-3-1 až 3 [4–6]. Aby bylo možné stanovit roční množství tepla odebraného z masívu, je nutné stanovit roční provozní topný faktor COP_rok tepelného čerpadla. To lze například jednoduchým odhadem s využitím tab. A.9 až A.11 uvedených v TNI 73 0331 [7], na základě jmenovitého topného faktoru COP_N konkrétního použitého tepelného čerpadla, jmenovité teploty přívodní otopné vody soustavy vytápění a požadované teploty přípravy teplé vody. Podrobnější postup předpokládá, že projektant už ve fázi projektu provede celoroční bilanci provozu tepelného čerpadla intervalovou metodou podle ČSN EN 15316-4-2 [8] nebo podle zjednodušené verze v TNI 73 0351 [9] pro podmínky konkrétní instalace (konkrétní tepelné čerpadlo zapojené do konkrétní tepelné soustavy v konkrétním domě). Výhodou složitějšího postupu je získání informací nejen o ročním topném faktoru tepelného čerpadla COP_rok, ale i informace o skutečně dodané energii tepelným čerpadlem do domu Q_del, celkové spotřebě elektrické energie celého systému E_sys nebo roční provozní době tepelného čerpadla τ_TC.

Z ročního množství tepla dodaného tepelným čerpadlem do budovy Q_del [kWh/rok] a ročního topného faktoru COP_rok samotného tepelného čerpadla v dané aplikaci lze stanovit tepelnou energii Q_ex [kWh/rok] odebranou ze zemního masívu výparníkem tepelného čerpadla za rok podle vztahu

Z energie odebrané výparníkem Q_ex [kWh/rok] a z předpokládané doby provozu tepelného čerpadla τ_TC [h/rok] se stanoví průměrný roční odběrový výkon [kW] jako

Jak již bylo uvedeno, roční dobu provozu tepelného čerpadla lze stanovit intervalovou metodou nebo lze zjednodušeně použít poměr energie dodané tepelným čerpadlem Q_del [kWh/rok] k jeho jmenovitému výkonu Φ_TC

Ve většině instalací tepelných čerpadel země-voda je tepelné čerpadlo provozováno jako monovalentní zdroj tepla a energii dodanou tepelným čerpadlem lze proto ve vztahu (3) nahradit potřebou tepla pro vytápění a přípravu teplé vody.

Roční odběrový výkon Φ_ex se potom použije ve vztahu (2) pro výpočet potřebné délky zemní sondy.

Závěr

Evropská norma ČSN EN 15450 ukazuje jednoduchý a spolehlivý postup výpočtu délky zemní sondy za běžných podmínek návrhu a provozu tepelného čerpadla pro vytápění, případně pro přípravu teplé vody v rodinném domě. V případě nestandardních podmínek lze použít podrobný postup s využitím výsledků z bilancování provozu tepelného čerpadla, který více zohledňuje reálný provoz budovy a reálně odebranou energii ze zemního masívu.

Poděkování

Tento příspěvek vznikl za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov.

Odkazy

• [1] ČSN EN 15450 Tepelné soustavy v budovách – Navrhování tepelných soustav s tepelnými čerpadly
• [2] VDI 4640-2 Thermische Nutzung des Untergrundes – Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen, Technische Regel, 2001.
• [3] ČSN EN ISO 13790 Energetická náročnost budov – Výpočet spotřeby energie na vytápění a chlazení, ÚNMZ, 2009.
• [4] ČSN EN 15316-3-1 Tepelné soustavy v budovách – Výpočtová metoda pro stanovení potřeb energie a účinností soustavy – Část 3-1: Soustavy teplé vody, charakteristiky potřeb (požadavky na odběr vody, ÚNMZ, 2010.
• [5] ČSN EN 15316-3-2 Tepelné soustavy v budovách – Výpočtová metoda pro stanovení potřeb energie a účinností soustavy – Část 3-2: Soustavy teplé vody, rozvody, ÚNMZ, 2010.
• [6] ČSN EN 15316-3-3 Tepelné soustavy v budovách – Výpočtová metoda pro stanovení potřeb energie a účinností soustavy – Část 3-3: Soustavy teplé vody, příprava, ÚNMZ, 2010.
• [7] TNI 73 0331 Energetická náročnost budov – Typické hodnoty pro výpočet, ÚNMZ, 2013.
• [8] ČSN EN 15316-4-2 Tepelné soustavy v budovách – Výpočtová metoda pro stanovení energetické potřeby a účinností soustavy – Část 4-2: Výroba tepla pro vytápění, tepelná čerpadla, ÚNMZ, 2011.
• [9] TNI 73 0351 – 730351 Energetické hodnocení soustav s tepelnými čerpadly – Zjednodušený výpočtový postup, ÚNMZ, 2014.