Zemní vrty pro tepelná čerpadla

Autoři se v článku věnují simulacím konfigurací vertikálních horninových tepelných výměníků, využívaných pro tepelná čerpadla, v návrhovém softwaru Earth Energy Designer. Do simulací zahrnují geometrické vlastnosti výměníků (uspořádání smyček, vzájemnou vzdálenost vrtů, průměr vrtů), druh horniny (obsah vody, kompaktnost) a materiál potrubí výměníku. Rovněž se věnují analýze výsledků simulací využití vertikálního horninového výměníku pro vytápění a pro vytápění a chlazení dvou velikostních typů budov.

Recenzent: Radomír Adamovský

Výhodou svislých zemních vrtů pro tepelná čerpadla (TČ) je, že vyžadují jen malou plochu pozemku. Průměry vrtů se pohybují od 80 až 150 mm a dosahují většinou hloubky okolo 50 až 150 m. Předpokládána životnost vrtů se odhaduje na více než 50 let. Cílem provedených simulací bylo zjistit, jaké vlastnosti horniny, geometrie vrtu či interakce mezi jednotlivými vrty ovlivní návrh a provoz celého systému.

Návrh délky vrtů

Množství energie, které můžeme z vrtu získat, je závislé na mnoha faktorech. Velmi důležité jsou vlastnosti horniny – tepelná vodivost hornin, tepelný odpor horniny, množství vody obsažené v podloží, záleží i na tom, zda je hornina kompaktní či ne. Dalším faktorem ovlivňujícím délku vrtu je jeho geometrické uspořádání. Tím je myšlena vzdálenost mezi jednotlivými vrty, dimenze vrtů, umístění smyček ve vrtu a jejich vzájemné vzdálenosti, jinými slovy geometrie umístění. Neméně důležité jsou také materiály použité pro potrubí a injektážní materiál. [2]

Pro dimenzování vrtů je však také nezbytné dobře znát potřebný výkon na pokrytí tepelné ztráty objektu. Existují metody jak získat přehled o tepelnych vlastnostech hornin např. pomocí tzv. Thermal response testu – test teplotní odezvy. Pomocí tohoto testu získáme informace o tepelné charakteristice hornin, jejich stratigrafii a hydrogeologii. V České republice se však k návrhu hloubky vrtů používají převážně tyto postupy:

• je určena jako podíl topného výkonu TČ a maximálního tepelného zisku z 1 m vrtu,
• podle podílu chladicího výkonu TČ a maximálního tepelného zisku z 1 m vrtu,
• na základě empirických zkušeností z provozu TČ poblíž dané lokality,
• je přejímána pro daný typ TČ z firemních projekčních podkladů.

Tyto metody mohou vést k poddimenzování hloubky vrtů, a to zejména pro větší počty vrtů, které se mohou vzájemně ovlivňovat. [3]

Další zdroje doporučují rozdělit dimenzování do dvou výkonových rovin, kde do 30 kW může návrh vykonávat odborník v oblasti tepelných čerpadel dle dat výrobců a se znalostí hydrogeologických a geologických poměrů v dané lokalitě. Od výkonu 30 kW je nutné posouzení odborníka na základě průzkumného vrtu a pomocí speciálního softwaru. [4]

V evropském měřítku se pro návrh standardních konfigurací geotermálních vrtů používají návrhové softwary např. EED (Earth Energy Designer), GLD (Ground Loop Design), DeST(Designer’s Simulation Toolkit). [5]

V České republice není vytvořen univerzální program k návrhu dimenze vrtů, proto při návrzích převažují výše uvedené metody. Tato technologie, také nepatří k finančně nenáročným, a proto je přesný návrh důležitý nejen k zajištění požadovaného výkonu, ale i k možné finanční úspoře.

Simulace vlastností vrtů

Za účelem ověření nejdůležitějších parametrů ovlivňujících návrh vrtů byla provedena simulace v programu EED (Earth Energy Designer). Do simulace byly zahrnuty jak geometrické vlastnostu vrtu, tak vlastnosti hornin, zásypových materilálů, materiálů potrubí atd. Software Earth Energy Designer je program pro návrh vertikálních zemních výměníků. Algoritmus byl odvozen z modelování a parametrické studie s numerickým simulačním modelem SBM [7], vyvíjejícím analytické řešení tepelného toku s mnoha funkcemi pro vrt a jeho geometrii.

Simulace se prováděly na modelu objektu knihovny v Hradci Králové, s tepelnou ztrátou 662 kW. Pro vytápění bylo zvoleno TČ země-voda s vertikálními vrty. Vrtů je dohromady 80, původní rozmístění je obdélníkové 4 x 20 vrtů. Vrty jsou v modelovém případě od sebe vzdáleny 15 m. Průměr vrtu je 110 mm, potrubí ve vrtu má tvar dvojité smyčky, dimenze 32 x 3 mm. Vzdálenost mezi jednotlivými smyčkami ve vrtu je 73 mm. Jako teplonosná látka byl zvolen monoetylenglykol s teplotou tuhnutí –21 °C. Zemina v okolí vrtu je uvažována jílovitá (vlhčí).

Závislost délky vrtů na druhu zeminy podloží

V simulaci byly použity nejenom různé druhy podloží, ale měnilo se i množství vody a bralo se v úvahu, zda je hornina kompaktní, či ne. Byla porovnávána celková délka vrtu pro daný typ horniny, tepelný odpor vrtu, tepelná vodivost hornin, množství tepla získané z horniny a teplota teplonosné látky. Jak je vidět na grafu 1 množství vody obsažené v hornině zvyšuje její tepelnou vodivost a tím i pozitivně ovlivňuje délku vrtu. Množství tepla, získané z vrtu, ovlivní i kompaktnost horniny, je-li hornina kompaktnější, její výsledné tepelné vlastnosti jsou výhodnější pro vystrojení vrtu.

Závislost délky vrtů na geometrickém uspořádání smyček ve vrtu

a) Uspořádání smyček ve vrtu

Potrubí ve vrtu je uspořádáno buď do smyček, nebo koaxiálním způsobem. Výsledek simulace ukázal (graf 2), že pro stejnou budovu knihovny by musely být nejdelší vrty s použitím jednoduché U-smyčky. Lépe vycházejí dvojité U-smyčky, které se také nejčastěji po­užívají v evropských podmínkách. Při použití trojitých U-smyček by také došlo k mírnému zkrácení délky vrtu.

b) Vzájemná vzdálenost vrtů

Jelikož není přesně dána univerzální doporučená vzdálenost a různé prameny uvádějí různé hodnoty, a to od 5 až do 20 metrů, byla tato situace simulována pro vzdálenosti: 5, 10, 15, 20, 30, 40 a 50 m. Dle výsledků simulace (graf 3) celková délka vrtů klesá s rostoucí roztečí mezi jednotlivými vrty. Nemá však smysl vrty navrhovat s roztečí větší než 20 m, protože je vidět, že se vrty při takovýchto rozestupech téměř vzájemně tepelně neovlivňují. Z dlouhodobého hlediska můžeme vysledovat, že čím blíže jsou vrty u sebe, tím dochází k rychlejšímu snižování teploty teplonosné látky ve vrtu. Pro rozestupy větší než 15 m je tento pokles teploty teplonosné látky již velmi pozvolný.

c) Průměr vrtu

Dalším posuzovaným faktorem je průměr vrtu (graf 4). Při posuzování vlivu průměru vrtu na celkovou délku vrtů, je vidět, že čím větší průměr vrtu máme, tím kratší celkové vrty mohou být. Je to dáno zvětšením teplosměnné plochy potrubí. Dále hraje významnou roli umístění trubek ve vrtu, jsou-li jednotlivé trubky umístěny blíže k vnějšímu obvodu vrtu, dochází k lepšímu přenosu tepla a výrazně se pak sníží celková délka vrtů.

Závislost délky vrtu na materiálu potrubí

Různé materiály mají různé tepelné vlastnosti. Co se týče tepelné vodivosti, vévodí jasně kovy. Je nutné ale brát v úvahu jejich cenu a náročnost spojů, což vede ve většině případů k použití plastů. Nezáleží pouze na průměru materiálu trubky, ale i tloušťce trubek. Při zvětšení průměru PE potrubí z 25 na 30 mm o stejné tloušťce 2 mm, ušetříme v průměru 2 m na vrt (graf 5). Dále například když máme průměr PE trubky 40 mm s tloušťkou 2,3 mm, vrt bude cca o 3 m kratší než při použití tloušťky 3,7 mm, stejného průměru. Při porovnání s polypropylenem dosahujeme lepších výsledků při použití polyetylenu téhož průměru a tloušťky. Tento rozdíl je způsoben rozdílnou tepelnou vodivostí materiálů, zatímco PE má l = 0,42 W/(m·K), PP má tepelnou vodivost nižší l = 0,22 W/(m·K). [2]

Simulace využití geotermálního TČ pouze pro vytápění, a nebo pro vytápění a chlazení

Při této simulaci se porovnávaly dva velikostní typy budov vybavených vrty a TČ, rodinný dům a veřejná knihovna. Všechny simulace se prováděly v klimatických podmínkách Prahy. Rodinný dům má cca 250 m² podlahové plochy, tepelné ztráty 14,2 kW (t_e = – 12 ° C, t_i = 20 ° C) a letní solární zisky 18,5 kW. Roční potřeba energie na vytápění činí 40,3 MWh/rok (nezahrnuje přípravu teplé vody) a roční potřeba energie na chlazení 6,67 MWh/rok. Všechny provedené simulace mají shodný typ hor­niny, vlhký jíl s tepelnou vodivostí 1,6 W/m·K. Trubka ve vrtu má tvar dvojitého U průměru 25 mm, průměr vrtu je 80 mm s roztečí trubek 50 mm. Vrt je injektován bentonitem. Trubky jsou z polyetylenu, a teplonosnou látkou je monoetylenglykol s teplotou tuhnutí –21 °C. TČ pracuje ve všech případech se sezónním topným faktorem 3.

Simulace knihovny proběhla s podobnými parametry. Podložím je také vlhký jíl, tvar potrubí dvojité U-smyčky o průměru 32 mm, průměr vrtu 110 mm injektován bentonitem a rozteč trubek ve vrtu 73 mm. Vzdálenost mezi jednotlivými vrty je 20 m. Tepelná ztráta je 661 kW a tepelnými zisky v letním období 432 kW. Roční potřeba tepla na vytápění je 916,4 MWh/rok a chlazení 78,33 MWh/rok.

Byly porovnány tyto parametry: celková délka vrtu pro vytápění/chlazení, množství energie získané z horniny, tepelný odpor vrtu a průměrná teplota teplonosné kapaliny.

Výsledkem simulace rodinného domu je potřeba 156 m vrtů pro pouze pro vytápění a 166 m pro vytápění a chlazení. V tomto případě je to dáno velkou potřebou chladu pro daný rodinný dům, tepelná zátěž dokonce převyšovala tepelnou ztrátu. Množství energie získané z horniny a průměrná teplota kapaliny po 1 roce provozu jsou znázorněny na grafech 6 a 7 pro rodinný dům a 8 a 9 pro knihovnu.

Celková délka vrtů pro knihovnu pouze pro vytápění vychází 9863 m a pro vytápění a chlazení je kratší, 7617 m. Výhodou je zde tentýž systém využitelný po celý rok a také nižší náklady hloubení vrtu. Průměrná teplota teplonosné kapaliny se neliší v průběhu prvního roku, ale rozdíl jejích teplot mezi vytápěním a kombinací vytápění a chlazení každým rokem roste. Po 50 letech je průměrný teplotní rozdíl průměrné teploty teplonosné kapaliny mezi vytápěcím provozem a vytápěním i chlazením kolem 4,7 °C, jak je patrné z grafů 10 a 11.

Provedené simulace ukazují, že kombinace vytápění a chlazení pomocí vrtů geotermálního tepelného čerpadla je v naší klimatické oblasti výhodná pouze u aplikací s vyššími tepelnými nároky (rozlehlejší budovy). Pro knihovnu bychom při celoročním využití vrtů ušetřili 160 metrů vrtu. V případě rodinného domu by vrty pro vytápění i chlazení musely být delší o cca 47 m.

Neméně podstatnou výhodou je, že pokles teploty v zemním masivu by při využití pro vytápění i chlazení nebyl tak intenzivní. Pokud bychom využívali vrtů pouze na vytápění, tak průměrná teplota teplonosné látky v zemině klesá rychleji a např. po 50 letech provozu poklesne až o 10,3 °C (graf 10). Při vy­užití vrtů pro vytápění i chlazení je tento pokles teploty teplonosné látky pomalejší a během zimních měsíců se nikdy teplota teplonosné látky nedostane do záporných teplot (graf 11). To je velmi zásadní pro topný faktor tepelného čerpadla. Pokud máme vyšší teplotu na ­výparníku, tak se rozdíl mezi výparnou a kondenzační teplotou snižuje a získáváme mnohem vyšší topné faktory. Účinnost takového systému by byla vyšší, snížily by se provozní náklady a návratnost by se urychlila v porovnání s využitím vrtů pouze k vytápění. [6]

Závěr

Existuje mnoho faktorů, které ovlivňují výslednou délku vrtů. Musí se brát v úvahu i okolní stavby, které mohou využívat geotermální energie a mohly by se vzájemně ovlivňovat. A jak dokazují výsledky simulací, důležitým faktorem je i typ provozu tepelného čerpadla. Návrh vrtů by tedy měl být zvlášť při stavbě větších budov posuzován velmi detailně pomocí návrhových programů a s ohledem na skutečný provoz.

Poděkování

Příspěvek vznikl za podpory grantu SGS10/234/OHK1/3T/11.

Literatura

[1] VAVŘINOVÁ, Kristýna. Tepelná čerpadla země/voda pro domy s nízkou spotřebou energie, Sborník přednášek 8. Letní školy TZB 2010. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2010, s. 87–100.
ISBN 978-80-02-02256-5.
[2] VAVŘINOVÁ, Kristýna; KABELE, Karel. Modelování energetických vrtů pro tepelná čerpadla k vytápění a chlazení budov, Simulace budov a techniky prostředí. Praha: IBPSA-CZ, 2010, s. 13–18.
ISBN 978-80-254-8661-0.
[3] BUJOK, Petr; VRTEK, Mojmír; HORÁK, Bohumil, HÁJOVSKÝ, Radovan; HELLSTRÖM Göran. Studie odezvy horninového masivu pro instalace tepelných čerpadel, VŠB Technická univerzita Ostrava.
[4] MOLEK, Milan. Kvalita prevedenie primárnych okruhov pre tepelná čerpadla zem/ voda. Energetické pilóty aplikované do praxe. Vykurovanie 2012, 20. Medzinárodná konferencia, ISBN 978-80-89216-45-1.
[5] Strategic Research Priorities for Geothermal Energy, European Technology Platform on Renewable Heating and Cooling, April 2012.
[6] VAVŘINOVÁ, Kristýna; KABELE, Karel. Geo­thermal potential for supply and storage of thermal energy, Indoor Climate of Buildings ´10, Indoor Environment, Energy ­Auditing and Certification of Buildings. Bratislava: Slovenská spoločnosť pre techniku prostredia ZSVTS, 2010, p. 303–310. ISBN 978-80-89216-37-6.
[7] HELLSTRÖM, Göran. Experiences with borehole heat exchanger software EED. Megastock 1977 Conference Sapporo, Japan.

---

Boreholes for ground source heat pumps

Authors compares different configuration of vertical boreholes for ground source heat pumps. Design software Earth Energy Designer was used for the simulations. Simulations compare the different wells arrangement, soil pro­perties and materials.

Keywords: soil properties, boreholes, ground heat exchanger