Pasivní chlazení geotermálními vrty

Je chlazení vždy potřeba?

Na úvod je třeba zdůraznit fakt, že samotné cílené chlazení objektu je řešením důsledku, nikoliv příčiny. Příčinou často může být nevhodná orientace objektu, nedostatečná pasivní ochrana před pronikáním slunečního záření do interiéru (přesahy, slunolamy, stromy, venkovní žaluzie), větrání otevřenými okny v době veder, špatné tepelně izolační vlastnosti obálky domu, způsob využití objektu – vysoké vnitřní tepelné zátěže apod. Tyto příčiny však často nejdou ovlivnit, nebo nejsou prioritou stavebníků či architektů ve vazbě na design, okolní zástavbu, regulativy územního plánu, typ provozu apod. Ani energeticky „optimálně“ navržený dům nemusí při trendu současných stále teplejších letních sezón vyhovovat požadavkům na potřebný komfort a dodržení vnitřních návrhových teplot daných normou. Proto je v těchto případech vhodné a stále častěji i nutné se poohlédnout po vhodném zdroji a distribuci chladu. Pokud se nespokojíte s tradičním zdrojem chladu v podobě „klimatizace“ (splitového/multisplitového systému tepelného čerpadla vzduch/vzduch) a chcete od systému mnohem více, věnujte pozornost tomuto článku.

Co je FREE COOLING nebo též pasivní chlazení u tepelných čerpadel země voda?

Tepelná čerpadla země-voda s geotermálním vrtem představují moderní a efektivní způsob, jak získávat energii pro chlazení i vytápění (včetně přípravy teplé vody) přímo ze země. Jednou z největších předností těchto systémů je čerpání energie ze stabilního a „nevyčerpatelného“ zdroje energie a sice přímo z podloží pod naší zahradou nebo domem samotným. Průměrná, roční neovlivněná teplota u vrtů pro tepelná čerpadla bývá standardně v rozsahu 10 až 14 °C, v závislosti na hloubce vrtu, lokalitě, nadmořské výšce a místních hydrogeologických podmínkách, především na zvodnění a geotermálním toku tepla. Pokud začnu s vrty pracovat jako uživatel „běžného“ rodinného domu s tím, že v zimním období vytápím pomocí tepelného čerpadla, v létě pasivně chladím, celý rok připravuji teplou vodu, bývá střední teplota ve vrtech v letním období přibližně shodná, jako je neovlivněná teplota dané lokace. Tedy v rozsahu 10 až 14 °C. Je logické a lze si domyslet, že začátkem chladicí sezóny jsou teploty ve vrtech nižší, postupem času (léta) a s přibývajícím počtem tropických dnů teplota pomalu stoupá.

Co znamená samotný pojem free cooling v souvislosti s tepelným čerpadlem země voda? Free cooling nebo též v překladu volné či pasivní chlazení znamená chlazení využívající čistě jen teplotu ve vrtech bez zapojení kompresorového okruhu tepelného čerpadla s chladivem. Pro využití pasivního chlazení tak stačí využít standardní geotermální vrt pro tepelné čerpadlo a přídavný modul obsahující tepelný výměník glykol-voda, protože vrtem cirkuluje nemrznoucí teplonosná směs vody a glykolu, zatímco v napojené soustavě to je otopná/chladicí voda. Dále obsahuje dle složitosti jedno oběhové čerpadlo na straně glykolu a druhé na straně vody. Někteří výrobci tepelných čerpadel nabízejí své stroje automaticky vybavené tímto doplňkem, bez nutnosti zapojení dalšího příslušenství.

Obr. 1 Základní zjednodušené schéma možného řešení. Toto schéma odpovídá situaci, kdy vytápění i chlazení využívají svůj vlastní distribuční systém, např. vytápění podlahou, chlazení stropem (zdroj www.protc.cz)

Dimenzování vrtů pro pasivní chlazení

Dimenzování vrtů pro tepelná čerpadla je samostatnou a poměrně složitou kapitolou. Ve vazbě na tento článek o pasivním chlazení je však dobré zmínit fakt, že primární okruh s vrtem bývá v našich zeměpisných šířkách standardně navrhován na požadavky vytápění, tedy odběru tepla. Ty v součtu s požadavky na přípravu teplé vody tvoří u naprosté většiny rezidenční výstavby absolutní většinu potřeby energie, a to v záporném směru, tedy v odběrném sloupečku energetických bilancí vrtu. Pokud navrhneme korektně vrtné pole na potřeby vytápění, až na mimořádné výjimky bývá u rezidenční výstavby systém bezpečně dimenzovaný i pro potřeby chlazení.

Co se týče měrných výkonů vrtů, liší se vždy s ohledem na geologii a poměr bilancí odběr/dodávka tepla. Dále, jak již bylo zmíněno, teplota ve vrtu v průběhu léta stoupá s nabývajícím počtem hodin chlazení chladicí výkon klesá. Stejně tak se může měnit v průběhu let, opět s ohledem na velikost disbalance, nevyváženosti odběru a dodávky tepla a dle geologie. Neznámých je mnoho.

Pro malé aplikace a rezidenční objekty, na které tento článek cílí, je bezpečné uvažovat s výkonovou hodnotou cca 30 až 40 W/m vrtu při přibližně 1 000 hodinách chlazení za rok u kvalitně provedeného vrtu s dvouokruhovou sondou a injektáží termosměsí. Tyto hodnoty počítají pro chlazení s využitím velkoplošných systémů s provozními teplotami 18/22 °C a vyššími. Při potřebě nižších provozních teplot pro chlazení pak tento výkon klesá vlivem stálé teploty podloží, viz výše.

Za zmíňku stojí i samotná neovlivněná teplota horninového prostředí. S přibývající hloubkou teplota ve vrtech roste. To samozřejmě působí negativně ve smyslu potřeb chladu. Je však vždy věcí priorit pro jaký účel má být systém primárně navržen, jaký je poměr bilancí (teplo/chlad) a jaké teploty pro chlazení potřebuji.

Konstrukce vrtů pro tepelné čerpadlo

Konstrukce vrtů pro tepelná čerpadla s využitím i pro pasivní chlazení se ve své podstatě nijak neliší. Jako standardní řešení je využívána dvouokruhová geotermální sonda z materiálu PE 100 RC, která je dlouhodobě odolná teplotám až +40 °C. Oproti zimním měsícům, kdy je energie z vrtů odebírána tepelným čerpadlem, je při pasivním chlazení průměrný teplotní gradient mezi teplonosným médiem a okolním horninovým prostředím (její neovlivněnou teplotou) nižší. Naopak průběh pasivního chlazení je v rámci denního cyklu poměrně dlouhý i více než 12 h/den.

Proto u vrtů využívaných i pro pasivní chlazení nabývá na ještě vyšší důležitosti kvalita a parametry použité injektáže, jakožto přestupový můstek mezi samotnou sondou a horninovým prostředím, viz obr. 2. Pro tyto vrty je obvzláště doporučováno injektovat termosměsí, jejíž tepelná vodivost dosahuje nebo se alespoň blíží průměrné tepelné vodivosti okolního prostředí. Ta v průměru bývá vždy cca 2,0 W/(m·K) a vyšší – zejména u skalního podloží, viz obr. 3.

Obr. 2 Foto z realizace geotermálních vrtů s důkladnou injektáží vrtu termosměsí. Na obrázku je jasně patrné důkladné a těsné proinjektování profilu vrtu s dokonalým napojením na okolní horninové prostředí. (Zdroj: realizace GEROtop)

Obr. 3 Foto z realizace geotermálních vrtů. Na obrázku je patrný složený materiál – termosměs a směšovací/injektovací zařízení zajišťující optimální konzistenci a tlak pro výplň vrtu (Zdroj: realizace GEROtop)

Distribuce chladu při pasivním chlazení

Vzhledem k průměrným středním teplotám získávaným z vrtů v rozmezí cca 10 až 16 °C je pro potřeby využití pasivního chlazení ideální a nejvíce efektivní velkoplošná chladicí soustava. Ta je standardně řešena pomocí chladicích stropů, jejichž výkon bývá v rozsahu 45 až 55 W/m². Existují však i speciální chladicí podhledy s výkony až 80 W/m². Dalším možným řešením je využití podlahového vytápění, u kterého lze počítat s měrným výkonem cca 25 až 35 W/m² s ohledem mimo jiné i na typ podlahové krytiny. Ne každému však může být chlad od podlahy komfortní. Vhodnou alternativou mohou být i stěnové systémy, tvoří však jen zlomek běžně řešených distribučních soustav vytápění/chlazení.

V případě využití rekuperačního větracího systému, který se u novostaveb stává pomalu ale jistě standardem, lze přiváděný vzduch též „přichlazovat“ odebíráním tepelné energie a jejím odváděním do vrtů. S ohledem na běžné větrací výkony u RD v hodnotách 120 až 200 m³/h větracího vzduchu jsou však získané výkony chlazení jen v hodnotách nižších stovek Wattů. Přínos ale může mít tento systém i v zimě. A to jako ochrana rekuperačního výměníku před jeho zamrzáním tím, že venkovní vzduch je naopak mírně předehříván.

Posledním systémem může být i využití otopných těles či konvektorů v podlaze. Výkon zde bude hodně závislý na „dovolené“ teplotě s ohledem na rosný bod, velikosti teplosměnné plochy, možnosti nucené konvekce podporované ventilátorem apod. U standardních domů s velkoplošným systémem v 1. NP a obytným podkrovím s otopnými tělesy v 2. NP toto může být způsob, jak zpříjemnit přehřátý interiér v podkroví.

Obecně lze říci, že vždy je efektivní využít distribuční soustavu jak pro vytápění tak pro chlazení, což značně snižuje investiční náklady. Dále je třeba vždy hlídat teplotu chladicí vody s ohledem na teplotu rosného bodu vzduchu v interiéru pro zamezení „rosení“ na teplosměnných plochách. Regulace některých tepelných čerpadel je na to připravena. Vždy je také třeba brát v potaz nižší pružnost systému v porovnání s „běžnou klimatizací“. Chlad získaný z vrtu a distribuovaný pomocí velkoplošného systému je ovšem mnohem rovnoměrněji předáván do místnosti a hlavně bez zvýšené rychlosti proudění chladného vzduchu, bez pocitu průvanu.

Výhody systému pasivního chlazení s vrty

Mezi hlavní výhody tohoto zdroje oproti jiným zdrojům chladu patří:

• Téměř nulové provozní náklady, efektivita vyjádřená SEER se reálně pohybuje okolo hodnoty cca 80 a více. Např. pro chladicí výkon 4 kW je zapotřebí jen příkon oběhových čerpadel v součtu cca 40 až 60 W
• Zdroj chladu lze jednoduše zapojit do systému a výhodně využít stávající distribuční systém i pro letní chlazení (podlaha, strop, stěny, otopná tělesa)
• Pasivním chlazením doslova „zabijeme dvě mouchy jednou ranou“. Souběžně s chlazením téměř zdarma vrty regenerujeme/oříváme odpadním teplem z domu, čímž zvyšujeme jejich teplotu a potenciál v zimních a přechodových měsících. Díky chlazení jsme tak schopni dosahovat vyšších účinností při vytápění i přípravě teplé vody v rámci celého roku
• Jde o jeden zdroj tepla/chladu = jedny náklady = jeden servis
• Vrt pro tepelné čerpadlo je zdroj energie s téměř neomezenou životností (počítá se s životností až 100 let) a vzhledem k jeho konstrukci též zcela bezúdržbovou a spolehlivou (celoplastové řešení bez složitých mechanických či elektromechanických součástí)
• Zdroj chladu (tepla) v podobě vrtu je vně domu zcela neviditelným a neslyšitelným. Na fasádě ani v její blízkosti není žádná „krabice s ventilátorem“.Toto ocení nejen samotní uživatelé a architekti navrhující design a hygienické parametry (hlukové emise) stavby, ale také vaši sousedé

Mýty a fakta ohledně pasivního chlazení

1. Pro pasivní chlazení rodinného domu potřebuji mnohem vyšší metráž navržených vrtů
   Jak již bylo zmíněno výše, návrh vrtů v běžné rezidenční výstavbě je prováděn zejména na požadavky vytápění. Chlazení standardně tvoří jen zlomek potřeby energie a disbalance energetických toků je tak ve prospěch odběru tepla. V drtivé většině případů tak není třeba navyšovat metráž vrtů pro účel chlazení. Vzhledem k efektu regenerace vrtů během procesu chlazení tomu bývá zpravidla naopak a vrtná metráž je díky nucené regeneraci chlazením naopak ponižována.
2. Je vhodné pořídit si samostatný vrt bez tepelného čerpadla a využívat ho čistě jen na chlazení?
   Využití samotného vrtu bez tepelného čerpadla pro chlazení se nejeví jako příliš ekonomické. Tento vrt, který bude jen jednostranně zatěžován dodávkou tepla nebude vykazovat (pokud se nebude jednat o vyloženě vysoce zvodnělé prostředí) takových výkonů jako vrt, který byl v zimních měsících „vychlazen“. I proto nejsou tyto aplikace běžně řešeny a projektovány. Kombinace se zapojením do VZT jednotky zvýší využitelnost systému třeba i v zimních měsících, relevantnost tohoto návrhu bude však vždy rozporuplná a individuální.
3. Je možné pro chlazení využít i zemní plošný kolektor?
   Využití zemního plošného kolektoru je možné, je ovšem nutné počítat s omezeným množstvím energie a výkonu (teplotní spád). Vzhledem k běžnému umístění plošného kolektoru v hloubce 1,2–1,5 m pod terénem bývá v letních měsících teplota okolní zeminy v rozsahu 16–20 °C. To je oproti vrtům s uváděnou průměrnou neovlivněnou teplotou 10–14 °C značný hendikep. Jsou však reálné zkušenosti s provozem, kde i tento systém dobře funguje a je využitelný. V případě využití plošného kolektoru pro chlazení je vhodnější uložení kolektoru hlouběji a ideálně mimo přímý svit slunečních paprsků. Významně zde budou promlouvat i hydrogeologické parametry podloží. Pro konkrétní návrh je třeba se obrátit na odborníky – projektanty primárního okruhu tepelných čerpadel
4. Výkon pasivního chlazení je příliš nízký
   Výkon pasivního chlazení závisí na mnoha proměnných. V každém případě není vhodný pro „ostrou“ chladící vodu se spádem např. 6/12 °C pro systémy s fancoily nebo VZT. Je třeba si uvědomit startovací teplotu/potenciál chladu okolního prostředí. Při využití velkoplošných systémů (podlaha/strop) s vyššími teplotními spády o středních teplotách 18–20 °C je pak průměrný chladicí výkon vrtů solidní a pro chlazení běžné rezidenční ale i jiné občanské výstavby dostatečný. I tak tímto systémem nelze garantovat projektované parametry vnitřního prostředí. Výkon souvisí a mění se v průběhu sezóny případně i v průběhu let provozu. Na začátku sezóny chlazení jsou vrty po zimě chladnější, koncem sezóny se teplota zvyšuje a výkon klesá.

Závěrem

Vrty pro tepelná čerpadla zajišťují stabilní výkon v průběhu celého roku. Na rozdíl od tepelných čerpadel vzduch-voda, která jsou závislá na venkovní teplotě, tepelná čerpadla země-voda využívají konstantní teplotu podloží. To znamená, že i v těch nejmrazivějších zimních dnech poskytují spolehlivý výkon a vysokou účinnost. V letních měsících pak mohou tato tepelná čerpadla fungovat jako efektivní klimatizace, a to téměř zadarmo. Tímto způsobem zajistí komfortní teplotu ve vašem domově po celý rok a za minimální náklady.

Využívání vrtů pro vytápění je dnes již standardem a všeobecně známou informací. O možnosti využití toho samého vrtu a případně i té samé teplosměnné plochy v domě (podlahy/stropu) pro účel chlazení se stále tak často nemluví. Přitom investiční náklady vynaložené na doplnění pasivního chlazení jsou v kontextu celé investice zcela minoritní. Získáme tím ovšem kromě zdroje tepla i zdroj chladu a zároveň zvýšíme celoroční účinnost systému na přípravu teplé vody i na vytápění v zimní sezóně. Z tohoto pohledu i z pohledu vývoje klimatu by pasivní chlazení mělo být budoucím standardem všech instalací zemních tepelných čerpadel.

Zdroje:
Odborný portál: www.geotermelnienergie.cz
Odborný portál: www.protc.cz
Archivní podklady společnosti GEROtop