Nová budova ČSOB SHQ: Vytápění a chlazení zemními tepelnými čerpadly

V pražských Radlicích byla v loňském roce dokončena nová budova ČSOB SHQ (South Headquarters), která navázala na oceňovanou stavbu ústředí banky od Josefa Pleskota z roku 2006 (zlatý stupeň LEED, stavba roku 2007, Best of Realty 2007 aj.). I nová budova, kterou navrhl ateliér Chalupa architekti, splňuje nejvyšší ekologická kritéria. Jednou z unikátních technologií je kaskáda zemních tepelných čerpadel s topným výkonem až 1300 kW, která zajišťuje tepelný komfort objektu. Technologie je napojena na celkem 179 geotermálních vrtů a svým rozsahem u nás nemá obdoby. Autorem technického řešení a simulací vrtného pole je firma GEROtop, spol. s r. o. Její zkušenosti s přípravou, průzkumem a samotným návrhem zařízení prezentuje tento článek.

Společnost ČSOB sídlí v pár desítek metrů vzdálené budově z roku 2006. Nový objekt umožnil soustředit na jedno místo 1400 zaměstnanců do té doby roztroušených po různých lokalitách Prahy, v budově je i nové školicí centrum banky. Investor se rozhodl u novostavby pokračovat v trendu moderní, ekologické a vstřícné výstavby a využít nejlepší dosažitelné technologie a materiály. O tom, že se to podařilo, svědčí certifikát LEED Platinum. Jde teprve o třetí objekt na této úrovni v ČR. S hodnocením 90 bodů se řadí i v rámci Evropy mezi „top ten“. V Evropě se certifikátem LEED Platinum může pochlubit zhruba stovka budov.

Zadání a volba systému

Začátkem roku 2013, kdy byly již známy uvažované obrysy plánované stavby, se začal řešit koncept vytápění a chlazení objektu. Již v zadání architektonické studie byla jako možný zdroj energie uváděna zemní tepelná čerpadla, ale v té době šlo jen o jednu z možných variant. Nabízelo se i napojení na stávající infrastrukturu a využití energetické koncepce totožné s hlavní budovou ústředí, tedy kombinace plynové kotelny s výrobníky chladu na střeše objektu. Investor však chtěl navrhnout objekt, potažmo i jeho energetický zdroj moderně s ohledem na nízké provozní náklady s výhledem do budoucna a zároveň pro komfort svých zaměstnanců. I samotní zaměstnanci, kteří pracovali ve stávajícím sídle, měli možnost vyjádřit se například k tepelné pohodě na pracovišti, osvětlení, větrání atd., což bylo jedním z hodnoticích kritérií pro volbu systému vytápění/chlazení, potažmo zdroje, a svědčí to o pečlivé a důsledné přípravě.

Z pohledu provozu stávajícího objektu, kdy v některých kancelářích docházelo k diskomfortu vlivem rozložení teplot, vyšla jako nejlepší varianta nasazení velkoplošných sálavých systémů tepla/ chladu s velkou tepelnou akumulací, které jsou schopny rapidně snížit výkonové špičky zejména v letních měsících – tzv. aktivace betonového jádra (BKT – Betonkernaktivierung). Pro tyto velkoplošné systémy s velkou teplosměnnou plochou není potřeba vysokých teplot na vytápění a naopak nízkých teplot na chlazení. Vytvářejí stabilní prostředí bez nepříjemných lokálních ochlazení/ přehřátí místností. Jako zdroj energie pro daný systém se tak varianta tepelných čerpadel země– voda přímo nabízela. Tento zdroj dokáže s nízkoteplotním systémem vytápění/chlazení dosahovat vysokého sezónního zhodnocení elektrické energie, a značně tak přispívá ke snížení energetické náročnosti celé budovy. Zároveň jde o zařízení schopné jak vytápět, tak chladit, případně vytápět i chladit současně.

Příprava, studie a průzkumy

Bylo třeba co nejrychleji vyřešit, zda je tato myšlenka vůbec reálná z hlediska místních hydrogeologických poměrů, tepelnětechnických vlastností podloží, vrtatelnosti apod. Prvním doporučeným krokem tak bylo zhotovení dvou pilotních průzkumných vrtů, které potvrdí „vrtatelnost“ dané lokality a odhalí reálné hydrogeologické poměry. Tyto vrty bylo poté z hlediska rozsahu daného záměru a bezpečného dimenzování nutné měřit metodou TRT (thermal response test) pro zjištění tepelnětechnických parametrů daného horninového prostředí. Průzkum ukázal, že tepelnětechnické vlastnosti horninového prostředí v lokalitě vykazují velmi dobré hodnoty, vhodné pro využití geotermálních vrtů pro tepelná čerpadla. Na průzkumné vrty poté navazovala série jednání, na nichž se upřesňovaly očekávané okrajové podmínky pro předběžný návrh zdroje tepla a chladu, uvažované nákupní ceny energií, koncepty prostorového a stavebního řešení apod. Na základě těchto podkladů byly poté řešeny studie proveditelnosti, které zvažovaly různé možnosti řešení a jejich ekonomiku.

Tabulka: Geologický profil lokality zjištěný z průzkumných vrtů

Ověření simulací na UCEEB

Po definitivním rozhodnutí investora pro variantu geotermálních vrtů následovaly další podrobnější simulace a výpočty, do kterých byly v oblasti simulace chování budovy zapojeni i experti z pražského ČVUT. Tým doc. Matušky na UCEEB vypracoval modely chování tepelných čerpadel a BKT. Byla provedena optimalizace předpokládaného provozu a ověření potřeby náhradních zdrojů tepla a chladu stejně jako možnosti využití volného chlazení přímo z vrtů. Samostatnou studií byly ověřeny parametry tepelné pohody v kancelářích při akumulačním způsobu vytápění a chlazení. Společnost GEROtop se zaměřila na simulace chování vrtného pole.

Veškeré závěry a debaty ohledně možného přenášeného výkonu a možných dodaných energií pomocí vrtného pole poté vedly až k finálnímu zadání pro tvorbu projektové dokumentace a zahájení legislativního řízení. Zde kromě projektové dokumentace vrtů bylo nutné provést velmi podrobný hydrogeologický posudek, který přesvědčil odbor životního prostředí o nevýznamném dopadu daného zařízení z hlediska změn hydrogeologických poměrů, chráněných území a střetu zájmů okolních jímacích objektů (studen) apod. Vrtné pole dostalo i díky kvalitním podkladům a provedeným průzkumům od úřadů zelenou a celý systém byl připraven zkoordinovat se s finálními výstupy všech dotčených profesí v realizační dokumentaci stavby.

Vrtné pole jako monovalentní zdroj vytápění

S ohledem na bilance energií objektu, hydrogeologické podmínky, resp. výsledky měření TRT a další faktory, bylo nutné vrtné pole koncipovat pro akumulační způsob využívání s hlídáním/monitorováním provozních teplot i energií v systému. Vrtné pole má být provozováno jako jakýsi velký podzemní akumulátor, který je sezónně nabíjen teplem (maření odpadního tepla při chlazení, pasivní chlazení) a poté vybíjen odběrem tepla při vytápění pomocí tepelných čerpadel. Zařízení je navrženo jako monovalentní zdroj vytápění a je schopno přenášet i výkonové špičky v topné sezóně. Proto nebylo nutné doplňovat systém o plynovou kotelnu ani o přípravu pro její budoucí osazení. Investor se rozhodl vložit veškerou důvěru ohledně zajištění tepelné pohody na technologii tepelných čerpadel.

Hybridní chladicí věže pro tropické letní dny

Požadovaný chladicí výkon v letním období téměř dvakrát převýšil požadovaný výkon na vytápění, což je u moderních administrativních budov běžné. Dimenzovat geotermální vrty na přenášení špičkových výkonů pro chlazení nebylo s ohledem na prostor reálné a hlavně by to nebylo ekonomické. Proto byly geotermální vrty pro tropická letní období doplněny o hybridní chladicí věže, odvádějící odpadní teplo na kondenzátorové straně kompresorových jednotek. Jejich provoz je uvažován zejména v době teplotních špiček a jako záložní zdroj pro odvod tepla. Drtivá většina energie chlazení však bude pokryta pomocí vrtů.

Systém předpokládá dvě teplotní úrovně pro vytápění i chlazení, nízkoteplotní vytápění pro BKT a vyšší teploty pro otopná tělesa a vzduchotechnické jednotky, podobně vysokoteplotní chlazení pro BKT a běžné chlazení pro vzduchotechniku a doplňkové chlazení. Běžné chlazení je zajištěno pomocí velkoplošných podlahových/stropních systémů, radiátorů a FCU. Tento koncept spolu s přečerpáváním tepla a chladu mezi akumulačními zásobníky v budově i polem vrtů umožňuje maximálně efektivní výrobu tepla a chladu s minimální spotřebou elektrické energie. V rozvodech primárního okruhu – vrtech – je použita nemrznoucí kapalina na bázi monoethylenglykolu.

Vrty pro tepelná čerpadla

Veškeré vrty jsou situovány pod základovou desku objektu a jsou rozděleny do osmi samostatně řízených polí. Jsou schopny přenášet výkon kompresorových jednotek až 1300 kW na straně vytápění, při chlazení budou vrty přenášet odpadní teplo o špičkovém výkonu až 1600 kW.

Samotné projekční práce navazovaly na zmíněné průzkumné vrty, které otestovaly fyzickou realizovatelnost finálních vrtů v místě stavby. Průzkumné vrty také poskytly přesnou informaci o geologickém uspořádání vrstev v podloží. Na těchto vrtech byl následně proveden TRT (thermal response test), který zpřesnil hodnoty výtěžnosti vrtů a rychlost reakce vrtů na zatížení teplem, nebo chladem. Nález z průzkumných vrtů je uveden v tabulce.

Geotermální vrty byly dimenzovány pomocí numerického simulační modelu, který byl zatížen předepsanými odběry a dodávkami tepla v uvažovaných měsíčních poměrech. Dalšími vstupními podmínkami pro simulace byly parametry podloží, získané měřením TRT na dvou zkušebních vrtech. Výstupem výpočtu jsou informace o maximálních a minimálních teplotách systému v rámci každého roku, případně měsíce. Systém byl projektován pro ustálený a udržitelný stav s ohledem na minimální teplotní ovlivnění sousedních pozemků a staveb, případně staveb plánovaných. Tento základní přístup k dimenzování ovšem nezobrazuje geometricky celkový teplotní výkyv, resp. dosah teplotních změn v podloží jak v horizontálním směru, tak ve směru vertikálním, tedy po hloubce vrtů. Proto bylo v rámci dodavatelské dokumentace stavby doporučeno sestrojení 3D modelu šíření tepla a podzemních vod, který dokáže mnohem lépe zobrazit výše uvedené teplotní změny v podloží a též vyhodnotit vliv zařízení na stávající přirozené proudění podzemní vody. Tento přístup k dimenzování rozsáhlejších akcí je na západ od našich hranic již standardem a zvyšuje bezpečnost navrhovaných systémů před „vytěžením“ lokality. Jako příklad z dimenzování vrtných polí pomocí 3D modelu můžeme uvést aktuálně připravovaný projekt energeticky úsporné vesnice Nebřenice, kterým se společnost GEROtop aktuálně zabývá.

Veškeré vrty pro tepelná čerpadla jsou umístěny pod základovou desku objektu. Vzhledem k rozsahu a náročnosti daného systému co do trasování horizontálních rozvodů, umístění sběrných systémových prostupů skrz bílou vanu, umístění technologie rozdělovačů/sběračů v rámci samostatných místností apod., probíhala náročná koordinační jednání s dotčenými profesemi pro vyřešení všech otázek proveditelnosti a ke spokojenosti a souladu se stavbou a požadavky již vybraného zhotovitele. Výkresová dokumentace se měnila doslova každý týden a stále více se přibližovala kýženému cíli. Vrtné pole bylo nakonec naprojektováno z úrovně provádění v rámci podkladního betonu, veškeré rozvody poté byly zality další vrstvou armovaného podkladního betonu a teprve poté bude vylita základová deska – bílá vana. S ohledem na požadavky vodotěsného řešení prostupů skrz bílou vanu byly navrženy systémové multipažnice s těsnicími vložkami tvořící certifikovaný systém s tlakovou odolností min. 3 bar (30 m vodního sloupce). Rozteče jednotlivých pažnic přímo navazují na rozteče rozdělovačů/sběračů umístěných v místnostech nad nimi a celý detail byl profesionálně vyřešen.

Monitoring a optimalizace systému

Návrh systému primárního okruhu tepelných čerpadel, potažmo návrh samotných tepelných čerpadel jakožto zdroje tepla a chladu, vychází vždy z určitých předpokladů (počet osob, tepelná ztráta, tepelné zisky, uvažovaný provoz apod.). Tyto předpoklady se ovšem od reálného stavu vždy více či méně liší, a tím mohou systém vyvést z rovnováhy. Proto je nutné u systémů tohoto rozsahu zajistit, aby fungovaly co možná nejefektivněji a nejhospodárněji a jejich ekonomická návratnost byla co nejkratší. Proto projektová dokumentace předepsala zřídit monitoring systému, který bude měřit a následně ukládat data (energie, teploty) v určitém časovém intervalu.

Zjištěná data z předchozího roku poté povedou k optimalizaci provozu technologie v roce následujícím, zjednodušeně řečeno: je možné do vrtů ukládat více tepla při chlazení, protože se teploty neblíží hraničním teplotám, případně naopak. Vzhledem k bezpečnému návrhu a informovanosti o teplotách podloží pod objektem SHQ bylo v rámci celého vrtného pole vybráno celkem 16 referenčních vrtů. Tyto referenční vrty slouží pro měření teplot podloží ve čtyřech výškových horizontech. Referenční vrty jsou vybaveny teplotními čidly po výšce vrtu v předepsaných hloubkách. Kabely od čidel jsou napojeny vždy do datové sběrnice příslušného rozdělovače/sběrače. Teploty se opět budou zaznamenávat do systému monitorovacího zařízení MaR.

Největší projekt využívající geotermální energii u nás

Projekt zdroje a chladu využívající geotermální energii u nového sídla společnosti ČSOB je svým rozsahem jistě největší v rámci České republiky a jedním z největších v rámci celé střední Evropy. Projekt vrtů na akci ČSOB SHQ zároveň ukázal, že pro administrativní objekty s vysokými požadavky na chlazení mají tepelná čerpadla v kombinaci s vrty smysl a je možné s nimi počítat jako s monovalentním zdrojem energie.

Text: Ing. Pavel Dědina (*1986) 
– absolvoval Fakulta stavební ČVUT v Praze, obor budovy a prostředí. Pracuje jako vedoucí oddělení projekce – geotermie ve firmě GEROtop, spol. s r. o. Je spoluautorem studie zdroje tepla/chladu budovy ČSOB SHQ a autorem projektové dokumentace vrtného pole jako zdroje tepla/chladu v podrobnosti DSP i DPS.
Foto: archiv firmy GEROtop, spol. s r. o.