Generační výměna tepelného čerpadla země-voda. Fotovoltaika pro regeneraci vrtu?

Obr. Ze semináře Tepelná čerpadla – Všichni je chtějí, málokdo jim opravdu rozumí. (Foto a copy: Společnost pro techniku prostředí)

Každoročně bylo v horizontu posledních dvaceti let instalováno přibližně 1000 až 2000 kusů tepelných čerpadel země-voda. V roce 2022 jich přibylo a zaevidováno bylo dokonce 2269 kusů [1], [2]. Tepelná čerpadla země-voda pracují v podmínkách, které namáhají jejich konstrukci méně, než je tomu u tepelných čerpadel vzduch-voda, a proto lze u nich počítat s delší životností. Například na odborném semináři „Tepelná čerpadla – Všichni je chtějí, málokdo jim opravdu rozumí,“ který pořádala Společnost pro techniku prostředí 9. listopadu 2023 v Praze zaznělo, že v případě tepelných čerpadel země-voda lze reálně uvažovat s životností dvacet, ale i více let, což potvrzovaly zkušenosti realizační firmy.

Z výše uvedených statistických dat lze odvodit, že nyní, jak každým rokem přibývají nová do provozu instalovaná tepelná čerpadla země-voda, tak přibližně stejně rychle roste počet těch, která jsou na konci životnosti a jsou nebo brzo budou měněna za nová.

V této souvislosti je nutné mít na paměti, že nové tepelné čerpadlo bude mít s velkou pravděpodobností vyšší energetickou efektivitu než staré, neboť za posledních dvacet let došlo k výraznému pokroku v konstrukci. Většina tepelných čerpadel je provozována s jedním nebo i více vrty. Pokud byl vrt navržen odborně správně, s rezervou, nebude generační výměna tepelného čerpadla za účinnější problematická. Pokud v tomto není jistota, je důležité ještě před ukončením provozu starého tepelného čerpadla ověřit teplotní a tepelné poměry vrtu a podle výsledku navrhnout optimální řešení, které zajistí spokojenost provozovatele na dalších, třeba i dvacet let.

Shodou okolností jsem se osobně k jedné generační výměně tepelného čerpadla dostal a věřím, že následující informace mohou být užitečné nejen stávajícím provozovatelům tepelných čerpadel země-voda, ale i těm budoucím.

V daném případě panovala s tepelným čerpadlem země-voda po dobu cca 18 let v podstatě absolutní spokojenost. Podnětem k řešení generační výměny tepelného čerpadla se staly až vícenásobné provozní výpadky a zásadně zvýšená spotřeba elektřiny v úhrnu za celý rok. Jako příčina poruch a vysoké spotřeby elektřiny byla identifikována opotřebovanost komponentů tepelného čerpadla, a také příliš nízká teplota teplonosné látky cirkulující mezi tepelným čerpadlem a vrty. Vrty se podle názoru servisního technika založeného na údajích z řídicího systému starého tepelného čerpadla jevily po dvaceti letech značně podchlazené. Při provozu tepelného čerpadla byl na primárním okruhu identifikován teplotní spád až −8 °C na −6 °C. Přitom by se tyto teploty měly ideálně pohybovat v okolí 0 °C.

Obr. Kvalitní tepelné čerpadlo je schopné ukázat teplotní poměry v primárním i sekundárním okruhu v servisním módu, do kterého má přístup technik proškolený výrobcem. Zde na příkladu tepelného čerpadla Viessmann 333 G. (Foto a copy: autor)

Pozor, v obrázku je zachycen netypický stav. Pro krátkou dobu byly v servisním módu navoleny maximální 100% průtoky primárním a sekundárním okruhem tepelného čerpadla a 100% výkon kompresoru, aby byl ukázán příklad, co je možné v servisním módu měnit.

Aktualizační poznámka - vysvětlení autora (2.1.2024, 18:40):
Po odpaření chladiva při tlaku 5,9 bar se v obrázku zobrazuje teplota par chladiva jako 6,0 °C. Tento stav je zdánlivě logicky nemožný, když teplota vody přitékající z vrtu je jen 5,5 °C, na což mne laskavě upozornil pozorný čtenář Jakub Šafanda. Tento stav však není chybný. Problém jsem konzultoval s Ing. Vladimírem Šulcem, Ph.D., ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prostředí, který je v tomto oboru specialistou. Příčinou vyšší teploty par nasávaných kompresorem jsou tepelné zisky přestupující do par chladiva po té, co páry opustí výparník. Tyto tepelné zisky pochází z okolního prostředí a především z kompresoru, odkud teplo uniká kovovým potrubím přivádějícím chladivo. Zvýšení teploty par chladiva o cca 0,5 až 0,8 °C (fyzikálně správně bych měl uvést K) na vstupu do kompresoru oproti teplotě nemrznucí směsi (směs vody a nízkotuhnoutí tekutiny) z vrtů, která vstupuje do výparníku, je v tomto případě běžný provozní stav.

Základní údaje pro původní tepelné čerpadlo

Rodinný dům s vytápěnou plochou 224 m² byl zprvu vytápěn samostatným elektrickým kotlem o výkonu 12 kW. Ohřev vody probíhal částečně v elektrickém bojleru, částečně v průtokových ohřívačích.

V roce 2001 byl proveden energetický audit za účelem výběru vhodnějšího způsobu vytápění. Tepelná ztráta domu byla spočtena podle tehdy platné ČSN 06 0210 při −12 °C na 11,8 kW. Otopná soustava byla navržena ve skladbě z podlahového vytápění s návrhovým spádem 48/38 °C v přízemí, okruhu s radiátory se spádem 55/45 °C v podkroví. Do jedné místnosti v podkroví byl zaveden samostatný okruh napojený paralelně k primárnímu okruhu mezi tepelným čerpadlem a vrty. Tento okruh s vlastním cirkulačním čerpadlem byl osazen klimatizační jednotkou GEA EKO UKW 3 - 1NL pro teplotní spád 7/12 °C, tedy s využitím nízké teploty z vrtů pro chlazení místnosti. Potřeba tepla na vytápění byla určena na 24 800 kWh/rok, na ohřev vody 4380 kWh/rok, celkem tedy 29 180 kWh/rok.

Jako nejvhodnější řešení za elektrokotel bylo navrženo tepelné čerpadlo země-voda o výkonu 6 kW (cca 50 % tepelné ztráty) s tím, že bivalentně pracující elektrokotel výkon doplní. Audit stanovil, že oproti provozu jen s elektrokotlem dojde ke snížení potřeby elektřiny na 8080 kWh/rok (36,1 kWh/m².rok). Z těchto údajů vyplývá, že audit počítal s průměrným ročním topným faktorem tepelného čerpadla 3,61 (3,7 pro vytápění, 2,9 pro ohřev vody), tedy s přiměřenými hodnotami. Přibližnou shodu mezi auditovanou potřebou 8080 kWh ročně a reálnou spotřebou potvrdili i majitelé domu.

Jako primární zdroj tepla byl navržen jeden vrt o hloubce 80 metrů. S ohledem na okolní geologické poměry a údajný výskyt artézské vody byly zhotoveny dva vrty údajně po 40 metrech.

Vrty nejsou dostatečné

Návrhy a realizací vrtů pro tepelná čerpadla se odborně dlouhodobě zabývá společnost Gerotop. K orientačnímu ověření potřebné hloubky vrtů lze využít její pomůcku „Návrh vrtů pro tepelná čerpadla“, kterou má na webu.

Obr. Pomůcka Návrh vrtů pro tepelná čerpadla

Základem výpočtu je teplo Q_ch , které bude z vrtu odebíráno.

(1)

kde je

Q_ch

teplo odebrané vrtu za sezónu [rok]

Q_t

teplo předané otopné soustavě včetně ohřevu vody za sezónu [rok]

SPF

průměrný topný faktor soustavy s tepelným čerpadlem za sezónu [rok]

Po dosazení konkrétních hodnot:

(2)

Podle pomůcky bychom při návrhu vrtu měli vycházet z cca 2400 provozních hodin ročně, a to znamená, že vrt musí mít tepelný výkon:

Určení hloubky vrtu záleží na konkrétní skladbě zemního podloží. Specifický návrhový odběrový výkon se ve většině případů na území České republiky pohybuje mezi 20 až 70 W na 1 metr hloubky vrtu.

V možném rozmezí specifických výkonů vrtu 20 až 70 W na 1 metr pak vychází pro daný případ návrhová hloubka vrtu mezi 429 až 125 metry. Tedy významně větší, než je realizovaných 80 metrů.

Autor pomůcky uvádí:

„U poddimenzované velikosti TČ jsou běžné roční náběhy 3 500 až 4 500 pracovních hodin stroje. V tomto režimu není zpravidla problém s výkonem; TČ běží při požadavku na dodávku tepla v chladných měsících nepřetržitě a pro stroj samotný to není na škodu, ale primární okruh (vrt) se dostává do energetické spirály, kdy není schopen dodat potřebnou energii, a je stále více vychlazován. Se snižující se teplotou vrtu se snižuje výkon TČ, ale požadavek na dodávku tepla zůstává. Tento efekt se často projevuje při natápění novostaveb, které jsou dostavěny v období podzimu nebo brzké zimy. TČ běží nepřetržitě a snaží se vytopit dům, kde jsou chladné všechny konstrukce. Primární okruhy často pracují v režimu −5 °C/−2 °C a nejsou neobvyklé teploty −7 °C/−4 °C. Krátkodobý provoz je možný, ale pokud v těchto teplotách pracuje systém v již provozovaném objektu, často je to důsledek právě nadměrných provozních hodin naznačujících poddimenzovaný vrt.“

Vzhledem k tomu, že výkon tepelného čerpadla byl navržen na cca polovinu tepelné ztráty domu, je jisté, že nepřetržitý provoz tepelného čerpadla na plný výkon musel být poměrně běžný nejen v rozsahu hodin, ale dnů a možná i týdnů, podle klimatických poměrů v otopné sezóně. O zvýšeném riziku vychlazení vrtu při zvýšeném počtu provozních hodin tepelného čerpadla se autor pomůcky rovněž zmiňuje.

Generační výměna tepelného čerpadla země-voda zvyšuje riziko nadměrného vychlazování vrtu

V popisovaném případě byla provedena generační výměna tepelného čerpadla země-voda. Doplnění délky vrtu nebylo zvoleno s tím, že bude řešeno tepelnou regenerací vrtu.

Nově bylo instalováno tepelné čerpadlo s modulací výkonu 2,4 kW až 11,4 kW. Vzhledem k technickému pokroku v konstrukci tepelných čerpadel, zvýšené účinnosti, a tedy vyššímu topnému faktoru lze předpokládat, že se průměrný sezónní topný faktor oproti předchozímu stavu 3,61 zvýší. Proveďme si s pomocí pomůcky výpočet vrtu pro zvýšený průměrný sezónní topný faktor oproti předchozímu stavu 3,61 o pouhých 10 %, tedy s hodnotou 3,97 podle rovnice (1). Po dosazení:

(4)

Analogicky k výpočtu (3) pak vychází

Při možném specifickém výkonu vrtu cca 20 až 70 W na 1 metr hloubky vrtu z potřebných 9100 Watt vychází hloubka vrtu 455 metrů až 130 metrů. To znamená, že současná nedostatečnost vrtů se zvýšila.

Instalací tepelného čerpadla země-voda nové generace s vyšší energetickou účinností se zvýší odběr tepla z vrtu.

V této souvislosti je nutné uvést, že někteří výrobci tepelných čerpadel země-voda uvádí, že jejich špičkové výrobky mohou pracovat s průměrným ročním topným faktorem dokonce i nad 4,5, a to by samozřejmě poměry ve stávajících vrtech zhoršilo více.

V případě, na který se vztahuje tento text, je nutné zdůraznit, že generačně nové tepelné čerpadlo má nejen vyšší energetickou účinnost, ale i vyšší výkon až 11,3 kW. Tím, že má vyšší výkon, mělo by snížit potřebu využití bivalentního zdroje, elektrokotle, a nahradit ho svou činností. A s tím je spojeno zvýšené čerpání tepla z vrtů.

Jednodušší a rychlý orientační výpočet hloubky vrtu

Orientační představu o potřebné hloubce vrtu si lze poměrně jednoduše udělat i pomocí jiné webové kalkulačky, která je dostupná zde: https://www.geotermalnienergie.cz/kalkulacka/.

Pokud se do kalkulačky zadá hloubkový vrt s průměrným podložím v ČR, klasický patrový rodinný dům s převážně osluněnou jižní stranou, nadmořská výška cca 250 m n.m., tepelná ztráta 11,8 kW a 3 osoby na potřebu teplé vody, pro soustavu s otopnými tělesy se navrhne doporučený výkon tepelného čerpadla 8,7 kW (při teplotním spádu mezi primárním okruhem 0 °C a okruhem s otopnou vodou 55 °C), tak hloubka vrtu vychází cca 2krát 80 m. To je dvojnásobek oproti současnému stavu v domě.

Ať se použije pomůcka „Návrh vrtů pro tepelná čerpadla“, nebo „geotermální kalkulačka“, je zřejmé, že primární okruh nebyl dobře navržen vzhledem k parametrům domu. Pokud by byl optimálně navržen, dokázal by dodávat teplo více generacím tepelných čerpadel jdoucím po sobě a životnost vrtu by odpovídala životnosti rodinného domu.

Příčinou úvodní chyby může být to, že primární okruh byl dimenzován podle výkonu tepelného čerpadla, a ne podle tepelných potřeb objektu. Zřejmě byl zvolen, bohužel často používaný, postup návrhu primárního okruhu podle tabulky přiřazující k výkonu zvoleného tepelného čerpadla požadovanou hloubku vrtu. Tak bylo možné dojít k tomu, že pro tepelné čerpadlo o výkonu 6 W byl navržen vrt 80 m, v realizační fázi 2 vrty po 40 m, které nerespektovaly potřeby objektu.

Tepelná regenerace vrtu

Řešením poddimenzovaných a vymrzlých vrtů může být jejich nucená tepelná regenerace. Předpokladem je, že zemní podloží má v okolí vrtu vhodnou skladbu a že teplo do něj ukládané nebude nadměrně rychle odváděno mimo dosah vrtu.

Energeticky výhodným řešením regenerace je využít nízkou teplotu vrtu k letnímu ochlazování interiéru domu. Při vhodném řízení a návrhu lze k odvádění tepla z interiéru vyžít i stávající otopnou soustavu. Do primárního okruhu tepelného čerpadla s vrty se vloží vhodně dimenzovaný výměník tepla. V něm se od chladné vody (nemrznoucí směsi) cirkulující vrty ochlazuje otopná voda a ta následně odvádí teplo z chlazených místností do vrtu. Cirkulaci zajistí oběhová čerpadla, která jsou již součástí soustavy. Jinou možností, bez vkládání výměníku, je vytvořit samostatný okruh pro chlazení, například s aktivními konvektory, klimatizační jednotkou, napojený na primární okruh tepelného čerpadla s vrtem. Tento způsob byl v popisovaném případě pro jednu místnost původně použit, ale jeho regenerační přínos byl evidentně nedostatečný a nedokázal kompenzovat poddimenzování vrtů.

Druhou možnost nabízí využití tepelné energie ze slunečního záření. V případě tepelné solární soustavy je časté, že v létě jsou k dispozici přebytky tepla, které nelze využít k ohřevu pitné vody, ani bazénu atp. Aby se solární soustava nedostávala do stavu stagnace, což je stav, kdy se kapalina v solárních kolektorech přehřeje a vypařuje, lze přebytečné teplo převádět do primárního okruhu tepelného čerpadla a do vrtu. Tento způsob nebyl v popisovaném případě využit.

Současná doba přeje fotovoltaické výrobě elektřiny na střeše domu. Vhodným návrhem výkonu fotovoltaické elektrárny lze vytvořit předpoklad k tomu, aby v době nadbytku výroby elektřiny nad spotřebou domu, při plném nabití baterií a nevýhodné výkupní ceně elektřiny, byl tímto nadbytkem elektřiny zahříván primární okruh tepelného čerpadla a vloženým teplem se regenerovaly vrty. Využití elektřiny pro regeneraci vrtů bylo v popisovaném případě využito. Na domě byla instalována fotovoltaická elektrárna s výkonem 15 kWp.

Tepelná regenerace vrtu vyžaduje regulovat ohřev primárního okruhu tak, aby nedošlo k překročení přípustné teploty z hlediska zkrácení životnosti výstroje vrtů. Také z hlediska přípustné teploty na primáru tepelného čerpadla, aby nedošlo k jeho poruše. Podle konkrétní situace, je nutné si ji ověřit, může jít o teplotu až cca 35 °C na vstupu do vrtů a 20 °C na výstupu z vrtů.

Nezískal jsem podklad, ani majitelé domu ho nemají, který by ověřoval, zda je zvolené řešení tepelné regenerace vrtu elektrickým vytápěním vrtu ekonomicky výhodné. Z instalovaných zařízení není zřejmé, zda je řízena regenerace vrtu s ohledem na výkupní cenu elektřiny, zda je porovnávána snížená spotřeba elektřiny tepelným čerpadlem pracujícím s vyšším topným faktorem, se spotřebovanou na zlepšení stavu vrtu. Vzhledem k výše uvedenému se může stát, že přínos tepelné regenerace vrtu elektřinou, i z fotovoltaické elektrárny, bude menší než náklady na něj. A také, že nebude ani dostatečný, aby regenerace byla úspěšná.

Jako řešení dané situace se nabízela volba jinak dimenzovaného a jinak řízeného tepelného čerpadla se sníženým odběrem tepla z vrtů. Aby se vrty postupně regenerovaly přirozenou cestou. Bylo možné přípravu teplé vody řešit bez činnosti tepelného čerpadla, bez čerpání tepla z vrtů. Předpoklad k tomu vytvořila, pro potřebu daného domu, silně předimenzovaná fotovoltaická elektrárna.

Test vrtů na jejich tepelnou vydatnost

Nabízelo se i provedení testu vrtů formou GRT – Geotermal Response Test, který by mohl dát podklad k tomu, jak rychle bude probíhat regenerace vrtu. Takový test proveden nebyl.

Výsledkem každého návrhu vrtů by měla být simulace provozu po dobu minimálně 25 let, ze které by bylo patrné, že teplota ve vrtech bude stabilní. V ČR k tomu bohužel nebyla vydána žádná norma. Lze se však řídit osvědčenou německou směrnicí VDI 4640. Na obrázku je příklad, jak by měly vypadat teplotní podmínky ve správně navrženém primárním okruhu (Zdroj: Gerotop).

Závěr

Neměl jsem k dispozici smlouvu o provedení díla, nebo jinou formu smluvní dokumentace, na jejímž základě byla generační výměna tepelného čerpadla provedena. Nebylo možné posoudit, v jakém rozsahu ručí dodavatelská firma za výsledek. Majitelé domu nebyli schopni odpovědět na konkrétní dotazy, protože chybí projekt, popis logiky řízení aj. Podle ústního sdělení přitom nebyla vybrána nejnižší cenová nabídka, rozhodla důvěra ve výrobce tepelného čerpadla.

Přestože se de-facto měnilo jen staré tepelné čerpadlo za nové, tak měl být proveden odborný rozbor situace a návrh na její řešení. Podle mého názoru měl být rozbor stejně detailní, jako tomu bylo před dvaceti lety před instalací prvního tepelného čerpadla. V takovém případě by nevznikl prostor pro tvořivost bez záruky za výsledek.

Popsaný případ naštěstí není typický. Mnoho provozovatelů tepelných čerpadel země-voda je s jejich provozem plně spokojeno a trvale se těší z vysokého topného faktoru.

Poděkování

Autor tímto velmi děkuje za konzultace, které mu poskytli Marek Bezouška, Viessmann, spol. s r.o., a Ing. Ondřej Kaňka, GEROtop spol. s r.o.

Zdroje

1. Tepelná čerpadla v letech 1981 až 2021; druhy, vývoj, prodeje, výkony, tepelné faktory. Dostupné na webu TZB-info.
2. Tepelná čerpadla: Prodeje v roce 2022, scénáře do 2040 a (ne)dostatek elektřiny. Dostupné na webu TZB-info.
3. Návrh vrtů pro tepelná čerpadla. Dostupné: https://www.gerotop.cz/dimenzovani-hlubinnych-vrtu
4. Váš průvodce systémy TČ země/voda. Dostupné: https://www.geotermalnienergie.cz/kalkulacka/?cena=zmena
5. Richtlinie VDI 4640 Thermische Nutzung des Untergrund - Stand der Überarbeitung, Dr. Burkhard Sanner. Dostupné: https://www.hlnug.de/fileadmin/dokumente/geologie/erdwaerme/fachgespraech/2009/sanner_idstein_041109.pdf
6. https://www.hlnug.de/fileadmin/dokumente/geologie/erdwaerme/fachgespraech/2009/sanner_idstein_041109.pdf