Regenerace vrtů pro tepelná čerpadla

Tepelná čerpadla systému země-voda jsou stále rozšířenějším zdrojem tepla a chladu jak u velkých administrativních, bytových či veřejných budov, tak u menších staveb, jakými jsou typicky novostavby i rekonstrukce rodinných domů.

Systém tepelného čerpadla s vrty je dnes „běžným“ zdrojem tepla a chladu, nad kterým se většina lidí už ani nepozastaví a bere jej jako jeden ze standardně využívaných zdrojů spadající do kategorie investičně náročných, ovšem velmi úsporných, udržitelných, a dokonce státem podporovaných (aktuálně až 140 tisíc Kč v programu NZÚ).

V souvislosti s tím logicky narůstá zájem o více informací ze strany samotných uživatelů tohoto systému, ale také stavebníků, projektantů a architektů. Jedním ze zajímavých dotazů mířící přímo na samotné vrty je jejich tzv. regenerace.

Obr. 1 Předpokladem dlouhé životnosti vrtu je použití sondy z kvalitního materiálu.

Co je regenerace vrtů

Pojem regenerace vrtů vychází ze samotné podstaty slova regenerace, tedy odpočinek, nabrání dalších sil, v tomto případě tedy navracení teploty okolí vrtu do stavu před zahájením provozu vrtu. Vrty regenerují buď přirozeně – díky stálé teplotě a obrovské kapacitě okolního horninového prostředí, nebo nuceně pomocí „vracení tepla“ do podloží (souběžná přirozená regenerace samozřejmě probíhá také). Ve výjimečných případech, typicky speciální stavby nebo některé administrativní objekty, mohou požadavky na chlazení převyšovat požadavky na vytápění. V těchto případech pak můžeme o nucené regeneraci mluvit jako o „vracení chladu“ do podloží. Odběr tepla ze země při vytápění je v tu chvíli pro nás regenerace.

Je regenerace vrtů nutná?

Už při samotném návrhu musí projektant primárního okruhu brát v potaz, zda bude z vrtu teplo jen čerpáno nebo i dodáváno Teda zda bude systém využit jen pro vytápění, vytápění i chlazení s převahou vytápění, vytápění a chlazení s převahou chlazení nebo snad jen pro chlazení. V simulaci systému musí být toto vždy zohledněno. Právě stanovení „správných“ bilancí je jedním ze zásadních kroků při projektování. Zatímco na bilancování odběrů tepla z vrtů máme k dispozici poměrně přesný výpočtové nástroje, tak bilancování chladu bývá zpravidla vždy větší neznámou. Pro chlad neexistují jednoduché bilanční výpočty jako pro potřeby tepla na teplou vodu, či potřebu tepla na vytápění, např. pomocí denostupňové metody. Projektant vytápění/chlazení by měl bilance stanovovat samozřejmě „bezpečně“ ovšem s ohledem na ekonomiku daného záměru. Faktor bezpečnosti by zde neměl být tak vysoký, neboť může celý záměr investičně značně prodražit.

Pokud je vrt dimenzován a simulován na provoz vytápění bez nucené regenerace, musí být navržen tak, že jeho nucená regenerace není potřeba a minimální teploty kapaliny v primárním okruhu budou, i po simulovaném období, které by mělo dosahovat minimálně 25 let, splněny.

Pokud bude systém změněn a chlazení vrtem doplněno, bude to ve prospěch systému. Přidáním nucené regenerace vrtu chlazením vždy zvyšuji v letním období teplotu ve vrtech, a tím okolí vrtu „předehřívám“ na zimní odběr tepla. Vyšší teplota na primárním okruhu v zimě dokáže zvýšit účinnost tepelného čerpadla o cca 3 až 5 % s každým stupněm navíc.

Obr. 2 Zobrazení průměrných středních teplot kapaliny ve vrtech a teplot při špičkovém zatížení u „běžného“ rodinného domu s tepelnou ztrátou 5 kW a jedním 90m vrtem.

a) Vrt je dimenzován na provoz bez chlazení (bez regenerace) – nejnižší střední průměrná teplota po 25 letech = 2,2 °C nejnižší střední teplota kapaliny při špičce −3,5 °C

b) Při realizaci systému bylo doplněno chlazení – vrt bude regenerován pasivním chlazením přes podlahový systém – nejnižší střední průměrná teplota po 25 letech = 3,2 °C nejnižší střední teplota kapaliny při špičce −2,5 °C

Přímé chlazení s využitím nízké teploty kapaliny v primárním okruhu je vždy pouze za cenu práce dvou oběhových čerpadel s investicí do jednoho tepelného výměníku, případně i jen jednoho čerpadla, pokud se pro to v napojené soustavě vytvoří vhodné podmínky. Například při výkonu chlazení cca 4 kW za cenu cca 40 až 60 W elektrického příkonu. V závislosti na konkrétním podílu chlazení na regeneraci vrtu, viz například obr. 2, se zvýší minimální teploty ve vrtu o 1 °C v zimním období a až několik stupňů v období letním a přechodovém. A to znamená vyšší sezónní účinnost systému SPF o cca 5 %.

Někteří výrobci nabízejí svá tepelná čerpadla už ve standardu s funkcí pasivního nebo i aktivního chlazení, čímž odpadají prostorové nároky a pracnost při zapojení systému v technické místnosti.

Přípustné teploty pro regeneraci vrtů

Průměrná, neovlivněná teplota u vrtů bývá standardně v rozsahu 10 až 14 °C, v závislosti na hloubce vrtu, lokalitě, nadmořské výšce a místních geologických podmínkách, především zvodnění a geotermálním toku tepla. Prvních 10 až 20 m do hloubky vrtu je teplota vrtu proměnná, ovlivněna sezónní venkovní teplotou, intenzitou dešťů aj. Níže už není teplota vnějším klimatem krátkodobě ovlivněna a roste o cca 1,5 až 3 °C na 100 m hloubky v závislosti na místních hydrogeologických podmínkách, zejména geotermálnímu tepelnému toku.

V ČR zatím neexistuje žádný zákon, směrnice nebo norma, která by předepisovala maximální i minimální teploty teplonosné kapaliny nebo případně teplotní ovlivnění okolního prostředí. V návrzích se tak projektanti opírají zejména o německou směrnici VDI 4640, která pro mělké geotermální systémy stanovuje následující podmínky.

Při jmenovitém zatížením odběrem tepla nesmí klesat průměrná měsíční teplota kapaliny na vstupu do vrtu, vrtného pole pod hodnotu 0 °C. To znamená při běžně uvažovanému teplotnímu gradientu v primárním okruhu ΔT = 3 K návrh na minimální střední teplotu 1,5 °C. Při špičkovém zatížení, pak nesmí tato teplota klesnout pod −5 °C, tedy minimální střední teplotu −3,5 °C

Při jmenovitém zatížení vrtu dodávkou tepla, tedy při jeho regeneraci například v režimu chlazení, nesmí stoupat průměrná měsíční teplota kapaliny na vstupu do vrtného nad hodnotu 15 °C vůči neovlivněné teplotě. To zpravidla při neovlivněné teplotě 10 až 14 °C znamená návrh na max. střední teplotu 23,5 °C až 27,5 °C.

Při špičkovém zatížení, pak nesmí tato teplota vzrůst nad 20 °C vůči neovlivněné teplotě. Maximální teplota směřující do vrtů bude v rozmezí cca 30 °C až 34 °C dle lokality. Toto jsou reálně maximální teploty, které se v běžných systémech mělké geotermie vyskytují.

Přečtěte si také Vrt pro tepelné čerpadlo - model dlouhodobé energetické bilance - 1. část Přečíst článek

Materiálové řešení geotermálních sond s ohledem na regeneraci vrtů

Pro vystrojení vrtů pro tepelná čerpadla se aktuálně používá výhradně materiál PE 100 RC. Mezi hlavní klady tohoto materiálu patří zejména houževnatost a odolnost proti šíření trhlin, velmi dobrá svařitelnost (svár netvoří nejslabší místo systému) a velký rozptyl teplotní použitelnosti v rámci mělké geotermie. Maximální teplota je dlouhodobě až 40 °C. Další zásadní výhodou je vysoká tlaková odolnost celé sondy. Většina sond na trhu navíc disponuje zesílenou patou sondy dle výrobců, tlaková odolnost paty sondy – nejvíce namáhané části vrtu je pak PN20, PN22 nebo dokonce až PN25.

Životnost materiálu je dána zejména vztahem mezi pracovní teplotou a tlakem. V reálném provozu je třeba brát v potaz průměrné teploty (celoroční průměr) ve vrtných polích v rozmezí cca 6 až 12 °C pro vrty využívané čistě k odběru tepla až po teploty cca 10 až 18 °C pro vrty využívané ve vyrovnané bilanci odběru a dodávky tepla při kombinaci vytápění/chlazení, nebo i více pro chlazení.

Z pohledu pracovních teplot je právě materiál PE 100 RC se zesílenou patou sondy ideální volbou pro mělkou geotermii. Viz příklad údajů jednoho z výrobců geotermálních sond v tabulce 1, který popisuje vztah mezi tlakovou odolností, stálou teplotou materiálu a dobou zaručeného provozu.

Tabulka 1: Příklad vztahu mezi provozní teplotou, tlakem a dobou záruky za provoz. Zobrazení tlakové odolnosti u sondy SDR9/PN20 – návrhy pro vrty hluboké nejčastěji 200 m a více a SDR11/PN16 pro standardní vrty do 200 m hloubky, průměrná teplota prostředí 10 °C, po 100 letech provozu

Nejdražší na zhotovení vrtu pro tepelné čerpadlo je vždy samotná realizace – doprava strojního zařízení, organizace, vrtání a likvidace vrtné drtě. Samotná sonda tvoří jen malý podíl v celkových nákladech, a proto zde rozhodně není místo pro žádné improvizace nebo úspory. Certifikovanou sondu řádné tlakové odolnosti s co nejvyšší bezpečností (např. zesílení paty) by měl investor v rámci svého záměru vždy vyžadovat, ať už bude vrt využíván jen pro vytápění, nebo vytápění a chlazení.

Do souvislosti s regenerací vrtu lze dát speciální aplikace, typicky se jedná o nucenou akumulaci tepla do podloží, provozy s vysokými tepelnými zátěžemi a nutností maření odpadního tepla (např. průmysl) případně speciální výzkumné projekty. Takové aplikace vyžadují sondy z jiného materiálu. Nevýhodou speciálních sond jsou vždy vyšší investiční náklady.

Přečtěte si také Generační výměna tepelného čerpadla země-voda. Fotovoltaika pro regeneraci vrtu? Přečíst článek

Pro vyšší teploty je použitelný například materiál PE-RT-RC. Vychází z PE 100 RC, ale granulát PE je upraven tak, že je schopen krátkodobě snášet teploty až 95 °C. Přitom si zachovává všechny výhody PE 100 RC uvedené výše.

Dalším materiálem je PE 100 RT. Ten vychází z PE 100 a rovněž krátkodobě dokáže snášet teploty až 95 °C. Absence přívlastku RC (resist to crack) však znamená, že sonda nedisponuje zvýšenou odolností proti šíření trhlin, což může zásadně ovlivnit její životnost. Sonda z materiálu PE 100 RT však disponuje velmi dobrou svařitelností.

Poslední sonda dostupná na trhu geotermie odolávající vyšším teplotám je vyrobená ze síťovaného polyethylenu PE-Xa. Její výhodou je obdobná odolnost proti šíření trhlin, jako má PE 100 RC, a krátkodobá odolnost vůči teplotám také až 95 °C. Její nevýhodou je však problematické svařování. Svar je slabým místem snižující tlakovou odolnost a mechanické spoje nejsou pro vkládání do vrtů vhodné. Absence tlakového zesílení v patě sondy, nižší tlaková odolnost při stejné tl. stěny materiálu a v neposlední řadě vyšší cena. I to je důvod malého využití na trhu.

Obr. 3 Detail zavádění sondy

Pozor na provozní podmínky tepelného čerpadla

Přípustná maximální teplota kapaliny pro regeneraci vrtů nemusí být omezena jen materiálem sondy, ale i přípustnými provozními podmínkami tepelného čerpadla. Jde o maximální teplotu v jeho primárním okruhu, aniž by vznikl poruchový stav.

Tento případ může nastat například při využití přebytků elektřiny z fotovoltaické elektrárny pro regeneraci vrtu, při maření velkého množství odpadního tepla z chlazení či z technologických procesů apod. V závislosti na vlastnostech konkrétního tepelného čerpadla, pokud by na výstupu z vrtu měla kapalina teplotu vyšší než cca 25 °C, hrozí výpadek TČ na vysoký tlak.

Pokud tento stav může nastat, je třeba tomu zabránit již v projektové přípravě. Lze využít MaR k řízení regenerace vrtu tak, aby požadovaná teplota nebyla překročena, lze aplikovat hydraulické řešení (např. pomocí směšovací armatury na primárním okruhu před TČ), kombinovat oba přístupy, anebo zajistit, aby regenerace vrtu kapalinou o vyšší teplotě byla oddělena od tepelného čerpadla. V drtivé většině případů však odpadní teplo z chlazení budov připravuje primárně teplou vodu a až následně regeneruje vrty.

Mýty a fakta ohledně regenerace

1. Vrt je nutné regenerovat, jinak se vymrazí
   Pokud je vrt řádně dimenzován na provoz pouze s přirozenou regenerací, k žádnému vymražení nedojde. Dodatečné využití vrtu i pro chlazení, pokud při něm budou zohledněny materiálové vlastnosti sondy, bude vždy výhodné a zvýší účinnost systému nad projektované hodnoty
2. Okolí vrtu se při regeneraci ohřeje natolik, že se voda v okolí vrtu vypaří a vrt vyschne
   V běžných případech využití zemních tepelných čerpadel jsme schopni zvýšit teplotu nejbližšího okolního prostředí vrtu o max. 10 °C, krátkodobě až 20 °C. V žádném případě není reálné, aby se voda v horninovém prostředí kvůli regeneraci ztratila. Její vydatnost a množství může změnit jen neodborné provedení vrtu, nekvalitní tlaková injektáž vrtu po zavedení sondy.
3. Při regeneraci ohřejeme vodu v blízké studni
   Tepelná kapacita okolního prostředí a proudění podzemní vody je natolik silným akumulátorem energie, že v běžných případech není reálné teplotu i v blízce situovaných studních nijak měnit. Ochranné pásmo vrtaných i kopaných studní bývá zpravidla minimálně 10 až 12 m. Určuje ho vždy zodpovědný hydrogeolog na základě rekognoskace a rešerše dané lokace z důvodu bezpečného a udržitelného umístění vrtu.
4. Při regeneraci vrtu se běžná sonda poškodí vlivem vysoké teploty
   V běžných případech se maximální teplota při regeneraci pohybuje vždy do 35 °C a pouze v extrémních případech až 40 °C. Na tyto teploty je sonda z materiálu PE 100 RC stavěna a je dokonce schopna krátkodobě přenášet i teploty vyšší. Je však třeba vnímat dlouhodobé průměrné teploty, které mají na životnost materiálu vliv, viz tabulka 1. Ve speciálních případech, např. cílená akumulace tepla do podloží, kdy již nejde jen o regeneraci vrtu, doporučujeme využití tepelně odolnějších materiálů.
5. Je možné využívat přebytky z fotovoltaické elektrárny pro regeneraci vrtů?
   Využití elektřiny z fotovoltaické elektrárny může být pro regeneraci vrtů přínosné, a přitom velmi jednoduché. Samozřejmostí musí být zohlednění materiálových a teplotních podmínek. Ekonomické vyhodnocení je však velmi obtížné a závisí na konkrétních geologických podmínkách, jak prokázaly některé projekty, ve kterých se nevyplatila dlouhodobá akumulace tepla v zemním podloží. Je zřejmé, že půjde především o přebytky elektrické energie, které provozovatel FVE nemůže lépe zhodnotit.