První rok provozu systému tepelných čerpadel s vrty potvrdil výpočty našich projektantů. Letní chlazení zadarmo a vysoká účinnost vytápění a ohřevu vody – to jsou energetické výsledky výrobně-administrativní budovy společnosti TECO a. s. v Kolíně. Znovu se potvrdilo, že tepelná čerpadla jsou velmi perspektivním zdrojem vytápění a chlazení pro tento druh staveb.
Investor či architekt plánující projekt průmyslového či výrobního objektu, by měl brát v úvahu vrty pro tepelná čerpadla jako zdroj a zamyslet se nad možnostmi kombinace efektivního vytápění s chlazením „zdarma“ v jednom zařízení.
Zimní období prověřilo vrtné pole zejména v únoru, kdy byl zaznamenán rekordní počet extrémně mrazivých dnů na většině naší republiky. I tak se nejnižší zaznamenaná teplota na výstupu z vrtného pole pohybovala kolem +9 °C, na vstupu
do vrtů kolem +4 až +5 °C. Při takových teplotách na primárním okruhu je zřejmé, že průměrná roční účinnost systému pro vytápění a přípravu TV bude atakovat, možná i přesahovat hodnotu COP = 5,0. Pro pokrytí špičkového tepelného výkonu budovy (tepelné ztráty) cca 70 kW tak postačuje příkon pouze cca 14 kW elektrického proudu, zbývající energii dodávají vrty.
Letní měsíce vrtné pole také nikterak nešetřilo. Letošní skutečně tropické léto bylo doslova zátěžovým testem vrtného pole v režimu pasivního chlazení. Systém geotermálních vrtů se však choval velmi stabilně. I v těch nejteplejších dnech
byla teplota na výstupu z vrtného pole směřující k výměníku chlazení cca 15–16 °C, což bylo pro systém chlazení zcela dostačující a potvrdilo předpoklady a simulace. Předpokladem bylo, že pro největší letní vedra s potřebou 30 kW chladicího výkonu bude nutné nakoupit 300 W elektrické energie pro pasivní chlazení chladicími stropy.
Při maximálním potřebném výkonu chlazení cca 30 kW, který byl letos potřeba velmi často, však tento systém chlazení potřeboval pouhých cca 250 W pro chod oběhových čerpadel! To odpovídá „chladicímu faktoru“ EER = cca 120, což lze v porovnání s klimatizací (splitové jednotky či jiné kompresorové chlazení s mařením tepla do vzduchu) považovat za chlazení zdarma. (Poznámka redakce: Dle PENB se u tepelného čerpadla předpokládalo COP – coefficient of performance, topný faktor 3,98 a EER – Energy Efficiency Ratio – chladicí faktor 3,7)
V rámci předprojektové i projektové přípravy, která trvala cca 2 roky, bylo na stole více alternativ zásobování objektu teplem a chladem. Tým projektantů hledal co možná nejvhodnější řešení s ohledem na poměr investičních a provozních nákladů, životnosti a komfortu. Zvažovaly se alternativy vzduchových tepelných čerpadel s chlazením a zemní tepelná čerpadla ve variantách energetických pilot, zemního plošného kolektoru a geotermálních vrtů, případné kombinace. S ohledem na systém vytápění téměř výhradně v nízkoteplotním spádu (podlahové vytápění) a chlazení pomocí velkoplošného systému stropního chlazení nakonec vyšla jako nejvhodnější varianta tepelných čerpadel země-voda s geotermálními vrty. Pro zemní plošný kolektor nebyla k dispozici dostatečně velká plocha a systém by nebyl schopen efektivně pracovat v režimu pasivního chlazení, což bylo pro investora jednou z priorit. Energetické piloty zase díky většímu počtu subtilnějších a kratších pilot – daných místní geologií a konstrukcí objektu, ztrácely svoji ekonomiku s ohledem na podíl energetického pokrytí.
Zvolená varianta vrtů s tepelnými čerpadly byla vybrána doslova za pět minut dvanáct s tím, že pro chlazení bude využito výhradně pasivní chlazení z vrtů. Tomuto zásadnímu rozhodnutí předcházely simulace vrtného pole projektanty z firmy GEROtop, které potvrdily maximální předpokládané teploty z vrtů v horizontu cca 13 až 16 °C s tím, že díky značné nerovnováze mezi odběrem a dodávkou energie z/do vrtů ve prospěch odběrů tepla bude teplota v dalších letech pravděpodobně nižší a nižší. Vše samozřejmě bude záležet na konkrétním způsobu užívání objektu a vývoji klimatu v budoucnu.
Jediným zdrojem tepla a chladu pro novostavbu výrobně-administrativního objektu jsou tepelná čerpadla země-voda s geotermálními vrty, konkrétně kaskáda 2 tepelných čerpadel 2 × 41 kW a 12 geotermálních vrtů. Jako záložní a špičkový bivalentní zdroj je navrhována série elektrických topných spirál integrovaná do taktovací nádrže vytápění o celkovém výkonu 5 × 6 = 30 kW a integrované spirály o výkonu 9 kW v nádrži TV jako nouzový ohřev.
Geotermální vrty byly navrženy každý s hloubkou 125 m a byly vystrojeny dvouokruhovou sondou GEROtherm dimenze 4 × d32 × 3,0 mm. Vrty byly z hlediska maximálně efektivního přenosu tepla tlakově injektovány ekologicky nezávadnou termosměsí CALIDUTHERM EKO o zaručené tepelné vodivosti min. 2,0 W/m.K. Použitá injektáž vrtů vedla nejen k maximalizaci výkonnosti vrtů, ale také k zamezení propojení jednotlivých vodních horizontů v podloží a k zabránění kontaminace podpovrchových vod povrchovými. Vrtné pole bylo dle situace rozděleno do dvou shodných systémů po 6 vrtech, které jsou napojeny vždy ke svému tepelnému čerpadlu. Obě tepelná čerpadla z kaskády mají svůj vlastní primární okruh a provozovatel má tak možnost díky svým řídicím systémům nastavovat a optimalizovat chod celého zařízení. Vrty jsou vně objektu sloučeny pomocí 2 sběrných jímek (každá pro 6 vrtů) vybavených celoplastovou technologií rozdělovače/sběrače, která je pro životnost a trvalou funkčnost vyvažovacích armatur ve venkovním prostředí zcela zásadní. Páteřní rozvody poté spojují jednotlivé sběrné jímky s tepelnými čerpadly. Celý systém primárního okruhu je naplněn nemrznoucí kapalinou, kterou oběhová čerpadla v režimu vytápění/ přípravy TV ženou na výparníky tepelných čerpadel. V režimu chlazení se spínají oběhová čerpadla pro chlazení a nemrznoucí směs proudí přes společný deskový výměník nemrznoucí kapalina/chladicí voda. Chlazení je řešeno pouze tímto způsobem – pasivně přímo z vrtů bez běhu kompresorů tepelných čerpadel. Efektivita chlazení je tak na té nejvyšší možné úrovni co do nuceného chlazení.
Aby byl koncept zdroje tepla/chladu v podobě tepelného čerpadla s vrty maximálně hospodárný, byl zvolen velkoplošný systém vytápění i chlazení. Systém distribuce tepla do objektu je tvořen zejména podlahovým vytápěním a z části FanCoily, kam tepelná čerpadla dodávají topnou vodu o teplotě 30–40 °C – ekvitermní řízení topné vody dle venkovní teploty. V létě je interiér budovy chlazen zónově radiačními chladicími stropy a FanCoily pasivně přímo z vrtů, teplotní spád chladicí vody je vždy nad teplotou kondenzace (17–18 °C vstup, 21–22 °C vratné). Servrovna je pomocí Fan- Coilů chlazena celoročně. V budově není žádné aktivní kompresorové chlazení. Veškeré teplosměnné plochy systému, zejména podstropní FanCoily, bylo nutné navrhnout s ohledem na chlazení „vyššími teplotami“. Pasivní chlazení pomocí vrtů však plní nejen funkci zdroje chladu v letním období, slouží také k regeneraci – ohřátí vrtného pole na další zimní sezónu, kdy se bude teplo zase odebírat. Zregenerované vrtné pole je v zimních měsících schopno pracovat s vyššími teplotami, tepelná čerpadla mají tedy vyšší účinnost, z tohoto pohledu je pasivní chlazení efektivní hned dvakrát.
„Roční zkušenosti z provozu ukázaly, že systém využívající vrty s tepelnými čerpadly pro vytápění a přímé pasivní chlazení představují jednu z nejefektivnějších možností zabezpečení komfortního prostředí v budově, s velmi dobrými provozními náklady. Výhodou tohoto systému je nejen minimální energetický nárok na chlazení budovy – pro chlazení budovy běží pouze 3 oběhová čerpadla i zanedbatelné energetické nároky na celoroční chlazení serverovny. Nakonec i odebraná energie serverovny se vrací do systému vytápění a vrtů. Velkým plusem je i komfortní řešení umožňující v každé místnosti chladit nebo topit nezávisle na zbytku budovy,“ uvádí Ing. Jindřich Kubec, technický ředitel společnosti TECO a.s.
Ing. Pavel Dědina
Vedoucí oddělení projekce a autor
projektu geotermálních vrtů
GEROtop spol. s r.o.
