Dimenzování vrtůPro návrh hloubky vrtů bude uvažováno tepelné čerpadlo o tepelném výkonu 7,3 kW. Příklad: tepelné čerpadlo s topným výkonem 7,3 kW a COP 4,6 má chladicí výkon 5,71 kW. Potom potřebná hloubka vrtu pro konkrétní podloží je např.5 710 W/50 W = 114,2 m.
Pokud pro dům s celkovou roční potřebou tepla 17 500 kWh navrhneme vrt(-y) pro oblast se střední tepelnou vodivostí 2 až 3 W/(m . K) o celkové hloubce 114 m, bude zařízení fungovat správně.
Pro daný objekt se může volit nižší výkon TČ, ale celková hloubka vrtu(-ů) by měla být zachována. V praxi je častým problémem přiřazení menšího výkonu TČ s primárním okruhem navrženým ne na potřeby objektu, ale pouze na chladicí výkon TČ.
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.
Dimenzování vrtů pro velká čerpadla (nad 30 kW výkonu)
Výhodné ekonomické parametry a krátkou dobu návratnosti mají projekty, kde je požadavek jak na vytápění, tak chlazení. Zemní masiv funguje částečně jako akumulátor energie. Takto provozované systémy i větších výkonů mají v podstatě vždy krátkou návratnost. Investicí do jednoho velmi technicky jednoduchého systému získáme jak možnost vytápět, tak chladit, a to v jednom procesu zároveň.
U zařízení, kde požadovaný výkon přesahuje 30 kW nebo jsou vrty uskupeny jinak než liniově, je nutné navrhovat vrtné pole s využitím analytických simulačních programů. Není možné používat specifické směrné hodnoty z tab. 1. V praxi fungují doporučené postupy, jak realizovat tepelná čerpadla země – voda s větším výkonem. Aby byl návrh primárního okruhu postaven na pevných základech, je nutné vždy realizovat průzkumný vrt, který slouží k zodpovězení hned několika neznámých.
Vrtatelnost zájmové lokality
Průzkumný vrt pro tepelné čerpadlo je plnohodnotný vrt pro tepelné čerpadlo osazený geotermální vertikální sondou. Později je zařazen do systému jako funkční vrt. Nejedná se tedy o zbytečně proinvestované prostředky.
Do jaké hloubky je oblast ekonomicky vrtatelná, do jaké hloubky je možné vrtat dostupnou technikou, jaké geologické vrstvy a zvodnění jsou stvolem vrtu zasaženy – to jsou základní otázky, na které lze po odvrtání získat odpověď.
Data získaná z průzkumného vrtu a hodnoty potřeb energií slouží jako vstupní hodnoty pro simulace fungování vrtného pole. Simulace se provádějí pomocí specializovaného softwaru, nejčastěji EED (Earth Energy Designer). Mezi další vstupní hodnoty patří plánovaná rozteč vrtů, konstrukce vrtu, tepelná vodivost injektáže vrtů, průtok sondou.
Aby data pro simulační software co nejvíce vystihovala reálnou tepelnou průměrnou výkonnost na 1 m vrtu, nahrazuje se záznam hydrogeologa z průběhu vrtání polní zkouškou tepelné vodivosti podloží – zkoušky tepelné odezvy, tedy GRT (Geotermal Response Test).
GRT – Geotermal Response Test
Jde o nejrozšířenější dostupnou zkoušku průzkumného vrtu pro tepelná čerpadla. Výstupem z testování je hodnota průměrné tepelné vodivosti jednoho metru vystrojeného vrtu pro tepelné čerpadlo. Minimální doba měření je 72 hodin na lokalitě s průzkumným vrtem a ustálenou klidovou geologií. Jiné vrtné práce tedy nemohou na lokalitě probíhat a samotné měření by se mělo realizovat minimálně 3 dny po úplném dokončení průzkumného vrtu. Testovaný vrt se zatěžuje v závislosti na hloubce tepelným výkonem 5 až 9 kW. Před zahájením testování se zaznamená teplotní profil a stejné měření se provede na konci testování (obr. 2). Výsledné křivky se porovnají a podle záměru (vytápění, chlazení, kombinace vytápění/chlazení, akumulace) se zhodnotí, jaké vrstvy je vhodné zasáhnout co největším počtem vrtů. Vrstvy, kde teplo „zmizí“, jsou dynamické s pohybem spodní vody. Z grafu je patrné, že vrstva v hloubce 40 m je se silným pohybem spodní vody. Opačně vrstvy mezi 80 a 150 m jsou ve skalním masivu s dobrou tepelnou vodivostí a vhodné k akumulaci tepla/chladu (obr. 2).
