Zkušenosti s projektováním i realizací zemních tepelných čerpadel jsou nyní napříč všemi možnými druhy staveb od rodinných domů, přes stavby občanské, bytové, administrativní i průmyslové. Velkou výhodou systému tepelných čerpadel je možnost vytápění i chlazení v rámci jednoho zařízení – stroje. Proto zejména u administrativních objektů, kde jsou požadavky na vytápění i chlazení dnes již nezbytným standardem, nachází tato technologie tepelných čerpadel země - voda své uplatnění a ekonomické opodstatnění. Oba procesy (vytápění i chlazení) mohou dokonce probíhat zároveň, a to za provozní náklady pouze jednoho z nich. Při výrobě chladu tak máme k dispozici odpadní teplo např. pro přípravu teplé vody, zbývajícím nevyužitým teplem si zregenerujeme (ohřejeme) geotermální vrty na zimní období.
Tepelná čerpadla země - voda jsou tichý a prostorově nenáročný zdroj
Jedna z prvotních potřeb pro rozhodnutí se o smyslu TČ je jeho prostorová náročnost. Systém tepelných čerpadel země-voda je tvořen primárním okruhem – venkovní částí a samotným tepelným čerpadlem – vnitřní částí, která se umístí uvnitř řešeného objektu. Primární okruh bývá nejčastěji řešen pomocí zemního plošného kolektoru nebo pomocí geotermálních vrtů. Méně často pak primární okruh tvoří energetické základové konstrukce – piloty, vodní náhony, dno vodní nádrže apod. Venkovní část je zpravidla vždy pod terénem a nenarušuje architektonický ráz budovy. Oproti systému tepelného čerpadla vzduch–voda není tento systém zdrojem žádného hluku či vibrací, které by zatěžovali okolí či stavbu samotnou. V případě energetických pilot či vrtů může být primární okruh umístěn pod objektem samotným, což prostorové nároky zcela minimalizuje. Vnitřní část – samotné tepelné čerpadlo se umisťuje do technické místnosti podobně jako jiné zdroje tepla a jeho velikost se od konzervativních zdrojů také příliš neliší.
Systém tepelných čerpadel je v praxi projektován v rozsahu od malých rodinných domů o tepelném výkonu 3 kW až do velkých administrativních sídel s tepelným výkonem 1 MW a více. Obecně platné pravidlo návrhu systému vytápění zní: čím nižší teplotní spád, tím vyšší účinnost tepelného čerpadla COP. Tepelná čerpadla jsou dnes schopna vyrábět teplou vodu o teplotě až 65°C. Příliš vysoké teploty však mají dopad na nižší účinnost a také životnost zařízení. Proto je vhodné volit velkoplošné systémy vytápění, kde se maximální teploty topné vody pohybují řádově do cca 45°C. Zde jsou dnešní zařízení schopna pracovat s průměrnou roční účinností COP = 5,0 a vydrží více než 20 let provozu.
Řádně navržený primární okruh má životnost řádově odpovídající celé stavbě – tedy zůstává a nemění se nikdy. TČ jsou schopna jak strojního – aktivního chlazení pomocí kompresorů, tak pasivního bez kompresorového chlazení pouze primárním okruhem.
Za každým důležitým rozhodnutím při projektování stojí vždy určité úvahy a porovnávání možností, výhod a nevýhod jednotlivých variant. Vzhledem k investiční náročnosti tohoto zdroje tepla je u akcí většího rozsahu vhodné provést prvotní studii, která nám zhodnotí možná technická řešení ve vazbě na stavební řešení, hydrogeologické podmínky a ekonomickou stránku věci. Ta vždy závisí na konkrétních podmínkách využití tohoto zařízení, zejména na využitelnosti ve vztahu ke všem energetickým požadavkům budovy (vytápění/chlazení/příprava TV/atd.). Při vhodných okrajových podmínkách projektu pak bývá ekonomická návratnost tohoto zařízení zpravidla kolem 6–8 let oproti konzervativnímu řešení zdroje. Studie nasazení technologie tepelných čerpadel země-voda tak často bývá prvním relevantním podkladem architektů a investorů při rozhodování se o využití této technologie.
Stejně jako pro stavební část, zdravotechniku, sítě, studnu, čističku apod. i tepelná čerpadla země-voda je třeba řádně naprojektovat. Vnitřní část – stroj je navrhován v rámci projektu vytápění v návaznosti na celý systém vytápění/chlazení a energetické nároky stavby. Venkovní část je řešena samostatnou částí projektu – profesí či stavebním objektem, který je v případě vrtů pro tepelná čerpadla je nutné projednat s místně příslušným povodím a následně vodoprávním úřadem. Pro zařízení o tepelném výkonu do 20 kW postačí zařízení pouze územně umístit, pro větší systémy je třeba stavební povolení. Běžně se však dané zařízení povoluje společně s celým domem a projekt je tak tvořen v návaznosti a podrobnosti celé projektové dokumentace. Součástí projektové dokumentace je v případě geotermálních vrtů vždy hydrogeologický posudek, který je z legislativních důvodů nezbytný. Stejně tak nezbytný je pro projektování daného systému s ohledem na místní hydrogeologické podmínky, případná ochranná pásma, okolní vodní zdroje apod. Žádný jiný průzkum legislativa nevyžaduje.
Zařízení s menšími výkony jsou projektována a dimenzována dle tepelných bilancí stavby a dle hydrogeologického posouzení, resp. tabulkových hodnot tepelné vodivosti dle geologických map, podkladů z geofondu apod. Měření přesných tepelně-technických parametrů podloží by se zde ekonomicky nevyplatilo a je tak vhodnější počítat s bezpečnými tabulkovými hodnotami.
Pro zařízení větších výkonů řádově nad 50–60 kW se u geotermálních vrtů doporučuje měření přesných tepelně-technických parametrů podloží – tzv. TRT (thermal response test) test na pilotním průzkumném vrtu. Test teplotní odezvy horninového prostředí (TRT) je mezinárodně osvědčený a uznávaný postup pro zjištění tepelných parametrů podloží. Kompletně vystrojený geotermální vrt je při měření tepelně zatížen stanoveným přivedeným teplem po dobu 72 hodin a tím je podloží aktivováno k teplotní odezvě (response). Tato reakce je charakteristická pro příslušné horniny a dovoluje výpočet efektivní tepelné vodivosti v okolí sondy. Dále je pomocí testu určena klidová teplota podloží, teplotní profil a tepelný odpor vrtu. Tyto specifické hodnoty jsou nejdůležitějšími veličinami pro následné navrhování/dimenzování geotermálních vrtů. Díky tomuto průzkumu tak můžeme ušetřit mnoho metrů vrtu a tím i investiční náklady. Samotné dimenzování se pak provádí pomocí výpočtových numerických modelů pro „neomezenou“ životnost vzhledem k zadaným okrajovým podmínkám – bilancím tepla/chladu. Korektním dimenzováním primárního okruhu tepelného čerpadla jsme schopni zajistit jednak záruku min. 100% účinnosti TČ vzhledem k udávaným hodnotám od výrobců tepelných čerpadel, tak jistotu stabilního a „trvalého“ zdroje energie s uvažovanou životností více než 80 let.
Ing. Pavel Dědina
vedoucí oddělení projekce
GEROtop spol. s r.o.
