Tepelná čerpadla země-voda jako standardní projektové řešení

Úvod

Jaké základní principy a úvahy by měl inženýr/architekt/projektant při volbě zdroje vytápění a chlazení zvážit, a to zejména s ohledem na legislativní požadavky na energetickou hospodárnost nově projektovaných staveb?

Tepelná čerpadla systému země-voda jsou na českém trhu stabilně k dispozici již více než 25 let. Za tuto dobu došlo i k výraznému posunu v jejich technické úrovni, například v souvisolosti s použitím úsporných oběhových čerpadel na primární i sekundární straně, zlepšených vlastností tepelných výměníků uplatění progresivně řízených expanzních ventilů a nelze opomenout i postupný přechod na chladiva se sníženým potenciálem tvorby skleníkového efektu. Během této doby se všeobecná znalost této technologie v odborných kruzích inženýrů projektantů a architektů neustále rozvíjí. S tím samozřejmě souvisejí i stále rostoucí počty realizovaných a projektovaných akcí.

Vytápění a chlazení v jednom

Zkušenosti s projektováním i realizací TČ země-voda jsou nyní napříč všemi možnými druhy staveb od rodinných domů, přes stavby občanské, bytové, administrativní i průmyslové. Velkou výhodou tohoto systému TČ je možnost vytápění i chlazení v rámci jednoho zařízení – stroje. Proto zejména u administrativních objektů, kde jsou požadavky na vytápění i chlazení dnes již nezbytným standardem, nachází tato technologie své uplatnění a ekonomické opodstatnění. Oba tyto procesy (vytápění i chlazení) mohou dokonce probíhat zároveň, a to za provozní náklady pouze jednoho z nich. Při výrobě chladu tak máme k dispozici i využitelné odpadní teplo např. pro přípravu teplé vody a zbývajícím nevyužitým teplem si můžeme regenerovat „ohřívat“ geotermální vrty na zimní období.

Tichý a prostorově nenáročný zdroj

Jedna z prvotních potřeb pro rozhodnutí se o smyslu TČ je jeho prostorová náročnost. Systém TČ země–voda je tvořen primárním okruhem – venkovní částí a samotným tepelným čerpadlem – vnitřní částí, která se umístí uvnitř řešeného objektu. Primární okruh bývá nejčastěji řešen pomocí zemního plošného kolektoru nebo pomocí geotermálních vrtů. Méně často pak primární okruh tvoří energetické základové konstrukce – piloty, vodní náhony, dno vodní nádrže apod. Venkovní část je zpravidla vždy pod terénem a nenarušuje architektonický ráz budovy. Oproti systému TČ vzduch–voda není tento systém zdrojem žádného hluku či vibrací, které by zatěžovaly okolí či stavbu samotnou. V případě energetických pilot či vrtů může být primární okruh umístěn pod objektem samotným, což prostorové nároky zcela minimalizuje. Vnitřní část – samotné tepelné čerpadlo se umisťuje do technické místnosti podobně jako jiné zdroje tepla a jeho velikost se od „konzervativních“ zdrojů také příliš neliší.

Vysoká účinnost a životnost pro malé i velké stavby

Systém TČ je v praxi projektován v rozsahu od malých rodinných domů o tepelném výkonu 3 kW až do velkých administrativních sídel s tepelným výkonem 1 MW a více. Obecně platné pravidlo návrhu systému vytápění zní, čím nižší teplotní spád, tím vyšší účinnost tepelného čerpadla, respektive topný faktor COP. Tepelná čerpadla jsou dnes schopna připravovat teplou vodu o teplotě až 65°C. Příliš vysoké teploty však mají dopad na nižší účinnost a také životnost zařízení. Proto je vhodné volit velkoplošné systémy vytápění, kde se maximální teploty topné vody pohybují řádově do cca 45°C. Zde jsou dnešní zařízení schopna pracovat s průměrnou roční účinností SPF = 5,0 a s životností více než 20 let provozu. Řádně navržený primární okruh má životnost řádově odpovídající celé stavbě – tedy zůstává a nemění se nikdy.

Strojní i pasivní chlazení

TČ jsou schopna jak strojního – aktivního chlazení pomocí kompresorů, tak pasivního bez kompresorového chlazení pouze primárním okruhem. V prvním případě je zařízení schopné vyrábět „ostrou“ chladicí vodu o běžném teplotním spádu 6/12 °C, který se používá zejména pro fancoily či chladiče ve VZT jednotkách. V případě pasivního chlazení je třeba počítat s vyšší teplotou chladicí kapaliny a sice cca 16/19°C, což je teplota optimální pro velkoplošné chlazení (podlahové, stropní, stěnové) nebo pro aktivaci betonového jádra. U těchto systémů je provoz chlazení prakticky „zdarma“, pouze za cenu oběhových prací čerpadel. Reálná účinnost chlazení se pohybuje kolem EER = 120 (tzn. že jedna spotřebovaná kWh energie dokáže z objektu odvést přebytečných 120 kWh tepelné energie), což tento systém řadí bezkonkurenčně na nejvyšší stupeň co do energetické účinnosti.

Studie jako podklad rozhodnutí pro tepelné čerpadlo země-voda

Za každým důležitým rozhodnutím při projektování stojí vždy určité úvahy a porovnávání možností, výhod a nevýhod jednotlivých variant. Vzhledem k investiční náročnosti systému tepleného čerpadla země-voda je u akcí většího rozsahu vhodné provést prvotní studii, která nám zhodnotí možná technická řešení ve vazbě na stavební řešení, hydrogeologické podmínky a ekonomickou stránku věci. Ta vždy závisí na konkrétních podmínkách využití tohoto zařízení, zejména na využitelnosti ve vztahu ke všem energetickým požadavkům budovy (vytápění/chlazení/příprava TV/atd.). Při vhodných okrajových podmínkách projektu pak bývá ekonomická návratnost tohoto zařízení zpravidla kolem 6 – 8 let, oproti konzervativnímu řešení zdroje. Studie nasazení technologie TČ země-voda tak často bývá prvním relevantním podkladem architektů a investorů při rozhodování se o využití této technologie.

Objednejte projekt a hydrogeologický posudek

Stejně jako pro stavební část, zdravotechniku, sítě, studnu, čističku apod, i TČ země-voda je třeba řádně naprojektovat. Vnitřní část – stroj je navrhován v rámci projektu vytápění v návaznosti na celý systém vytápění/chlazení a energetické nároky stavby. Venkovní část je řešena samostatnou částí projektu – profesí či stavebním objektem, který v případě vrtů pro TČ je nutné projednat s místně příslušným povodím a následně vodoprávním úřadem. Pro zařízení o tepelném výkonu do 20 kW postačí zařízení pouze územně umístit, pro větší systémy je třeba stavební povolení. Běžně se však dané zařízení povoluje společně s celým domem a projekt je tak tvořen v návaznosti a podrobnosti celé projektové dokumentace. Součástí projektové dokumentace je v případě geotermálních vrtů vždy hydrogeologický posudek, který je z legislativních požadavků nezbytný. Stejně tak nezbytný je pro projektování daného systému s ohledem na místní hydrogeologické podmínky, případná ochranná pásma, okolní vodní zdroje apod. Žádný jiný průzkum není legislativně vyžadován.

Nechte si systém správně nadimenzovat

Aplikace menších výkonů jsou projektovány a dimenzovány dle tepelných bilancí stavby a dle hydrogeologického posouzení, resp. tabulkových hodnot tepelné vodivosti dle geologických map, podkladů z geofondu apod. Měření přesných tepelně-technických parametrů podloží by se zde ekonomicky nevyplatilo a je tak vhodnější počítat s bezpečnými tabulkovými hodnotami. Pro zařízení větších výkonů, řádově nad 50 – 60 kW, je u geotermálních vrtů doporučováno změření přesných tepelně-technických parametrů podloží – provedením tzv TRT (thermal response test) testu na pilotním průzkumném vrtu. Test teplotní odezvy horninového prostředí (TRT) je mezinárodně osvědčený a uznávaný postup pro zjištění tepelných parametrů podloží. Kompletně vystrojený geotermální vrt je při měření tepelně zatížen stanoveným přivedeným teplem po dobu 72 hodin a tím je podloží aktivováno k teplotní odezvě („response“). Tato reakce je charakteristická pro příslušné horniny a dovoluje výpočet efektivní tepelné vodivosti v okolí sondy. Dále je pomocí testu určena klidová teplota podloží, teplotní profil a tepelný odpor vrtu. Tyto specifické hodnoty jsou nejdůležitějšími veličinami pro následné navrhování/dimenzování geotermálních vrtů. Díky tomuto průzkumu tak můžeme ušetřit mnoho metrů vrtu a tím i investiční náklady. Samotné dimenzování se pak provádí pomocí výpočtových numerických modelů pro „neomezenou“ životnost vzhledem k zadaným okrajovým podmínkám – bilancím tepla/chladu. Korektním dimenzováním primárního okruhu tepelného čerpadla jsme schopni zajistit jednak záruku min. 100% účinnosti TČ vzhledem k udávaným hodnotám od výrobců TČ, tak jistotu stabilního a „trvalého“ zdroje energie s uvažovanou životností více než 80 let.

Obr. Výřez grafického výstupu z numerického 3D modelu proudění podzemní vody a tepla pro rozsáhlé vrtné pole

Obr Grafický výstup simulace vývoje maximální a minimální střední teploty teplonosné kapaliny přiváděné z vrtu k tepelnému čerpadlu v horizontu 25 let