Zásady navrhování primární strany pro tepelná čerpadla

V naší zeměpisné šíři jsou nejrozšířenější tepelná čerpadla země - voda, která odebírají nízkopotencionální teplo okolnímu prostředí, podloží, uzavřeným systémem horizontálních nebo vertikálních primárních okruhů. Musí u nich být kladen důraz nejenom na výběr samotného stroje, ale také na ty části, které pro práci, správný chod stroje, získávají potřebné teplo. Kvalita a provedení právě těchto částí je při instalaci zásadní.

Obr 1: Řez nevhodným vystrojením vrtu. Na obrázku je vidět spodní část vystrojení. Výronky ze svařování značně omezují průtok.

Obr 2: Pohled na nevhodné vystrojení

Je nutné si uvědomit, že primární okruh země - voda je část systému tepelného čerpadla, která se nedá vůbec nebo jen s obtížemi opravit. Proto je nutné, aby veškeré části, které budou v provozu několik desítek let, byly z kvalitních materiálů, a tedy i faktor pasivní bezpečnosti co možná nejvyšší. S tímto je spojená pochopitelně i kvalitní montáž.

Další opomíjenou podmínkou efektivního provozu jsou hydraulické tlakové ztráty celého systému, které musí být co možná nejnižší. Zbytečné tlakové ztráty versus dlouholetý provoz zvyšují namáhání oběhového čerpadla. Toto se promítá do ekonomiky provozu TČ.

Obr 3: Dílensky zhotovená geotermální vertikální sonda se závažím

ZEMNÍ PLOŠNÝ KOLEKTOR (DÁLE ZPK)

V praxi je nejméně náročný na realizaci a finance. Podmínkou je dostatečně velký pozemek v okolí budovy, který nebude dále upravován (stavby, komunikace). V případech, kde není dostatečný prostor pro zemní plošný kolektor nebo potřebný výkon TČ bude vyšší, je vhodnější realizovat geotermální vertikální sondy.

Kolektor je vyroben z polyethylenového potrubí, které se klade do výkopů v nezámrzné hloubce, v našich geografických podmínkách se doporučuje hloubka 1,2 - 1,5 m. Při dimenzování je především důležitá plošná výměra zemního kolektoru více, jak systém položení a vzdálenosti jednotlivých smyček. Doporučená ideální délka jednotlivých okruhů je pro snížení tlakových ztrát 100 m.

Následující úvahy o instalaci se vztahují především na stavební formu ZPK, jiné typy jako např. příkopový kolektor, spirálové potrubí (slinky) atd. zde nebudou popisovány.

Obecně je třeba u ZPK zohlednit, že může být zanedbán geotermický proud tepla (0,1 W/m²). ZPK využívá proud tepla, který přichází ze shora a je přijímán svrchní vrstvou země nad ním, z přímé nebo nepřímé sluneční energie (záření, déšť atd.). Tím jsou při instalaci a plánování rozhodující nejen termické vlastnosti půdy, ale i poloha místa a jejího okolí. Z těchto stručně uvedených důvodů nesmějí být kolektory zemního tepla zakryty. Podle vlastnosti půdy kolísá výkon tepla získaný ze země mezi 10 - 40 W/m².

Pro zemní plošný kolektor doporučujeme použít potrubí z vysokohustotního polyethylenu PE 100 (HDPE), který je vhodný pro svoje mechanické vlastnosti jako např. dlouhodobé odolávání bodovému tlaku (v praxi je to tlak kamenů na potrubí v zemi). Používané dimenze potrubí DN 25 a 32 mm zabezpečí při dané rychlosti média ideální přenosovou plochu vztaženou na objem v potrubí.

GEOTERMÁLNÍ VERTIKÁLNÍ SONDY (DÁLE GVS)

Vrty pro TČ jsou nejrozšířenějším řešením. Jedná se o potrubní sondy (jednoduché -U-, dvojité -U-, koaxiální sondy atd.) z PE 100 ve svislých vrtech. Výhody jsou zřejmé, malá prostorová náročnost, neznehodnocení pozemku, výborné tepelné zisky během zimních měsíců. I zde ovšem platí zásady dobrého dimenzování a hlavně vhodného použití materiálů. Ideálně zvolená celková délka vrtů vztažená na složení podloží lokality zabezpečí provoz bez omezení. Shodně jako u ZPK je nutné co možná nejpřesnější dimenzování. Poddimenzování vede při velkém odběru tepla k silnému ochlazení země až k vytvoření zámrzu kolem stvolu vrtu. Tím se zmenšuje nejen výkonnost tepelného čerpadla, ale v letním období se nemohou zcela regenerovat nižší vrstvy kvůli omezenému toku tepla. Pokud projektant pochybí a navrhne vrty kratší, v průběhu 3 - 7 let tak může očekávat nižší výstupní hodnoty celého systému. V tomto případě není zaručena rovnováha mezi přenosem tepla v podloží a jeho odčerpáváním.

Obr 4: Vratné U koleno geotermální vertikální sondy (GVS)

Obr 5: Stavebnicový systém rozdělovače i sběrače pro 2 geotermální vertikální sondy (GVS). Každá větev je uzavíratelná s regulovaným průtokem.

Vrty pro TČ se nedají po zavedení sondy již nikdy opravit, proto použití vystrojení vrtů, které nebylo pro tento účel vyvinuto, je vzhledem k cenám vrtných prací drahým hazardem, který se nemusí vyplatit. Například pouze statický tlak u vrtu hloubky 120 m je u dna vrtu 12 barů. Nesmí se opomíjet ještě další zvýšení tlaku o 4 bary při tlakové zkoušce těsnosti systému. Doporučuje se tak používat geotermální sondy odolné a označované PN 16 (odolné do 16 barů). Jediným vhodným materiálem pro vystrojování vrtů je vysokohustotní polyethylen PE 100, který nemá tendence šířit trhliny. Právě při zavádění sondy dochází k velkému namáhání materiálu a vrypům po celé délce. Dalším podceněním může být provedení spodní části vystrojení, která je nejvíce namáhána během montáže a provozu.

Neodborně svařená vystrojení v řadě realizovaných vrtů v ČR jsou v EU již řadu let zakázány pro svůj nízký faktor bezpečnosti a známým nehodám. Improvizovaně vyrobené vratné koleno má omezený průtok, jenž zvyšuje hydraulické ztráty v některých případech až o 50 %. To se samozřejmě promítne do ekonomiky provozu TČ. Celou instalaci tepelného čerpadla může poškodit právě jen použití nevhodného vystrojení.

Cenový rozdíl mezi profesionálně připravenými sondami a "svařencem" je v náhledu na cenu realizace pakatel. Zákazník zaplatí cenu za vrt s přesvědčením, že kvalita toho ostatního, co je k tepelnému čerpadlu zapotřebí, je minimálně na stejné úrovni. Informací o těchto částech je málo anebo se k zákazníkům vůbec nedostanou. Na západ od našich hranic jsou již stanoveny jasná pravidla v použití materiálů a vyplňování vrtů cementojílovitou směsí. U každého vrtu musí být vytěžená hornina nahrazena. Pokud se navrtají různé horizonty spodních vod, může docházet k pronikání hlubinné tlakové vody s obsahem např. železitých prvků do vrchních horizontů, odkud je čerpána v řadě oblastí pitná voda. Vyplněním vrtu zabráníme právě těmto nevratným ekologickým katastrofám. Není divu, že se zvyšuje tlak hydrogeologů na jasná stanovení specifik a kvalit na provádění vrtů pro tepelná čerpadla. Zároveň injektováním zabezpečíme důležitý termický styk GVS s podložím v lokalitách, kde není dostatek spodní vody.

ROZDĚLOVAČE I SBĚRAČE PRO TEPELNÁ ČERPADLA

Tyto části jsou neméně důležitou částí primárního okruhu. Neodborné provedení zhorší nebo znemožní odvzdušnění celého systému. Zvláště u těchto komponentů jsou důležité minimální tlakové ztráty, dimenzování vstupů i výstupů a vnitřního průměru. V evropské směrnici, která jasně uvádí specifika na provedení komponentů primárního okruhu, je mimo jiné uvedeno, že každá větev okruhu musí být na obou koncích uzavíratelná. Toto je důležité při odvzdušňování celého systému a při servisu. Snaha je zajistit stejné délky jednotlivých okruhů, vyhneme se tak použití drahých armatur regulujících průtok a snížíme tím tlakové ztráty. Ne vždy to ovšem dispozice vrtů a ZPK dovolí. Potom je nutné regulovat jednotlivé větve, aby došlo k vyvážení průtoků. Rozdělovače i sběrače umísťujeme jako nejvyšší bod primární strany pro snadné odvzdušnění. Jsou známé případy používání sekundárních rozdělovačů i sběračů (např. podlahové vytápění), které jsou se svými vnitřními dimenzemi absolutně nevhodné. Rychlost média v rozdělovači i sběrači by se měla pohybovat v rozmezí 0,3 - 0,8 m/s, což je důležité pro snížení tlakových ztrát a hlučnosti systému. Umístění rozdělovačů je vhodné mimo budovu do jímky nebo přístavku. Odpadá izolování složitých tvarů komponentů a do budovy se prochází pouze potrubím pro chod vpřed a zpětný chod.

SPOJOVÁNÍ V ZEMI

Pro spojování polyethylenového potrubí použitého v primárním okruhu pro tepelná čerpadla se používají shodné spojky jako v plynárenství nebo pro rozvody vody. Jde o způsob svařování elektrotvarovkami, které je ideální, nebo svěrnými mechanickými spojkami. Zvláště u mechanických svěrných spojek je důležitá chemická odolnost pryžové těsnící planžety, která musí být dlouhodobě (min. 50 let) odolná všem používaným nemrznoucím směsím (lihové směsi, solanka). Použití mechanických spojek, od kterých nám výrobce neposkytl informace o chemické stabilitě vnitřního těsnění, se nedoporučuje!

Obr 6: Příklad napojování geotermální vertikální sondy na horizontální vedení. Spoj proveden elektrospojkou.

Obr 7: Rozdělovače i sběrače různé velikosti od rodinného domu až po průmyslové aplikace

Právě improvizace na stavbě a používání nestandardních dílů omezuje funkčnost i toho nejkvalitnějšího tepelného čerpadla. Přitom právě primární okruh je zisková část, která tepelnému čerpadlu dodává potřebné teplo. Omezení, která vznikají použitím nevhodných komponentů, se projeví na životnosti a hlavně efektivitě tepelného čerpadla.