Příprava využití tepelných čerpadel pro vytápění a chlazení v Nebřenicích

Nebřenice jsou malá vesnice ve Středočeském kraji v okrese Praha-východ 6 km jižně od okraje Prahy. Pro svou polohu byla tato lokalita vybrána jako místo, kde vznikne nový koncept moderní ekologické vesnice s důrazem na kvalitu života. Odlehlost místa pro městské inženýrské sítě se paradoxně stala příležitostí pro využití nových technologií. Celý projekt pojmenovaný Oaks Prague vsadil po detailním průzkumu lokality na využití tepelných čerpadel systému země–voda s hlubinnými vrty. V konečné fázi bude v místě realizováno 500 hlubinných vrtů, které budou zásobovat jak rodinné domy, tak obecní infrastrukturu.

Moderně řešené stavby jsou svou koncepcí nízkoenergetické, jejich vzdušné konstrukce plné skleněných velkoformátových prvků ale znamenají vyšší nároky jak na vytápění, tak na chlazení. Technologie tepelných čerpadel s vrty, která poskytuje komfortní a levnou dodávku tepla a chladu, těmto nárokům dokáže vyhovět.

Myšlenku využití vrtů jako hlavního a pro většinu objektů jediného zdroje tepla a chladu bylo nutné podložit pečlivým průzkumem. Zpracovatelem byla firma GEROtop, pro níž se jednalo o zatím nejsložitější výzvu v oblasti využité mělké geotermie. K ověření udržitelnosti vrtů po dobu živostnosti staveb byly provedeny podrobné průzkumy, testovací práce a následné doprůzkumy. Numerické výpočty byly doplněny o 3D modelace šíření tepla a chladu v horninovém masivu v průběhu 25–50 let do budoucna. Výstupy následně sloužily zpět architektům k zapracování změn, které se projevily na tepelněizolačních vlastnostech objektů. Díky těmto postupům bude zajištěno bezpečné zásobování teplem a chladem celého nově vznikajícího projektu Oaks Prague.

Měření tepelné odezvy vrtů

Vzhledem k rozsahu celé akce byly pro celou lokalitu vybrány tři body pro umístění průzkumných vrtů. Byla snaha zmapovat geologický profil celé lokality. Průzkumné vrty tvoří téměř rovnostranný trojúhelník. Toto uspořádání je ideální pro přesnější data následného 3D modelu.

Průzkumné vrty

Průzkumné vrty se realizovaly se záměrem získat přesnou představu o geologickém profilu, počtu zasažených zvodní, jejich mocnosti. Vrtání musí být také efektivní a mít ekonomický smysl. Proto se v případě, že se při průzkumu narazí na geologické anomálie, které vrty prodražují a zpomalují vrtání, zvažuje, zda pokračovat dále, nebo průzkumné práce zastavit a pracovat pouze s efektivně realizovanou hloubkou vrtů. Na lokalitě Nebřenice se podařilo všechny tři průzkumné vrty dokončit do plánované maximální hloubky 150 m. Současné dostupné technologie v ČR již umožňují vrtat vrty pro TČ do hloubek 200–300 m. U tohoto projektu se tak hluboké vrty neplánovaly.

Teplotní profil

Návrhy systémů zemního tepla se opírají z velké míry o těžení energie – tepla, které je naakumulované v zemním masivu. Pro výpočty je tedy velmi zásadní původní neovlivněná teplota. Pro zjištění této hodnoty se vrt „loguje“ v celém svém profilu a z průměrných naměřených hodnot vychází neovlivněná teplota podloží, která je zásadní hodnotou pro další dimenzování vrtů.

Tabulka: Naměřená průměrná neovlivněná teplota průzkumných vrtů

Tepelná vodivost horninového masivu

Průzkumné vrty jsou plnohodnotné vrty pro tepelné čerpadlo včetně vystrojení výměníkem z PE 100-RC a tlakové injektáže. Vrt musí být proveden ve vysokém standardu tak, aby výkon vrtů byl maximální. Průzkumné vrty jsou vystrojeny systémem GEROtherm 4x 32 a meziprostor mezi výměníkem a stěnou vrtu je tlakově vyplněn směsí se zvýšenou tepelnou vodivostí Calidutherm EKO (2,0 W/m. K). Každý z vrtů byl postupně napojen na měřicí aparaturu, která vrty zatížila tepelným výkonem 7150 W. Záznam průběhu Thermal Response Testu se dále vyhodnocuje a výsledkem je průměrná tepelná vodivost jednoho metru konkrétního vrtu.

3D MODEL

Data z průzkumných vrtů posloužila jako vstupní informace pro návrh 3D modelu celé lokality. Plánovaná výstavba projektu Oaks Prague obsahuje mnoho solitérních budov, ale také soubory objektů, jako řadové domy, bytové domy a objekty občanské vybavenosti.

Každý z objektů má zcela jiné energetické potřeby tepla, chladu a energie pro přípravu TV. Aby zemský masiv pod lokalitou Nebřenice zůstal energeticky udržitelný, bylo zapotřebí celou oblast simulovat ve 3D prostředí. Jedině tak bylo možné zanést všechny objekty s vrty a porovnávat vzájemné ovlivňování různě používaných vrtných polí. 3D model je stále „živým“ podkladem, který se neustále doplňuje o objekty, které se na lokalitě teprve plánují. Současný simulovaný stav je vidět na obrázku 3.

3D model odhalil ohrožená místa, která by s výhledem na 25 až 50 let provozu, vykazovala značné snížení teploty v okolí vrtných polí. Jednalo se především o vrtná pole R5 a R6, která slouží bytovým domům. U bytových domů je výrazně větší odběr tepla než u standardních smíšeně využívaných objektů. Hlavní měrou se podílí požadavek na přípravu TV. Díky výstupu z 3D modelu bylo možné optimalizovat vrtná pole tak, že vysoce podchlazená místa se podařilo eliminovat. Změnilo se rozmístění vrtů a jejich vzájemné rozestupy. Zpětný požadavek na architekty a stavební projektanty byl na optimalizaci schránek budov tak, aby vrty umístěné zpravidla pod objekty byly využívány správně. Došlo i k navýšení požadavku na letní chlazení, a tedy zpětné ukládání energie do vrtů.

Z výsledků prezentovaných na obrázcích 4 a 5 je patrné, že v centru vrtných polí jednotlivých objektů se výrazně projevuje cyklický odběr a zpětné ukládání (dotace) tepla během provozu TČ. Roční rozsah kolísání teploty dosahuje cca 1–2 °C. V centru vrtného pole každé skupiny BHE se projevuje nejvýraznější poklesový trend. Po 25 letech provozu lze předpokládat pokles průměrné teploty hornin v centru o přibližně 3 °C. Oblast s výrazným snížením teploty o více než 6 °C po 25 letech se omezuje pouze na bezprostřední okolí exploatačních vrtů. S rostoucí vzdáleností od centra vrtného pole postupně zaniká kolísání vlivem cyklického provozu TČ a snižuje se rovněž míra celkového tepelného ovlivnění hornin. Ve vzdálenosti 15 m od centra vrtného pole objektu č. 15 dosahuje pokles teploty cca 2 °C, ve vzdálenosti 25 m cca 1 °C a ve vzdálenosti 45 m se jedná o zhruba 0,5 °C.

Nejvyšší míru ovlivnění tepelného pole v rámci simulované lokality po 25 letech vykazují oblasti R1 a R4 (rodinné vily), kde průměrný pokles teploty v hloubce 20 m nepřesahuje 3,5 °C – oproti současné neovlivněné teplotě 10 °C. To je dáno tím, že u lokalit R1 a R4 se v rámci modelu nepočítalo s chlazením – tedy regenerací vrtných polí.

I přes velmi optimistické výsledky modelového řešení je třeba upozornit, že ani po 25 letech nedojde k úplnému ustálení tepelného pole, ale bude pokračovat proces postupného ochlazování tepelného masivu. Další pokles teploty již však bude velice pozvolný a celkové konečné snížení teploty po ustálení tepelných poměrů může být o cca 1/3 vyšší než je prezentovaný stav po 25 letech provozu.

Dosah ovlivnění tepelného pole po 25 letech provozu TČ je zároveň patrné z obrázku 4. Jedná se o třetí modelovou vrstvu, tj. stav v hloubce cca 20 m pod 0,5 °C od výchozího stavu. Oblast se sníženou teplotou má asymetrický tvar, je mírně protažena ve směru proudění podzemní vody, což indikuje přítok relativně teplé vody do oblasti vrtů a odtok vychlazené vody. Vliv tektonicky porušené zóny ve směru JV–SZ situované v severovýchodní části modelového území na teplotní pole horninového prostředí je možné označit za zanedbatelný.

Inklinometrie vrtů

Dimenzování a návrhy vrtů pracují s předpokladem, že vrty jsou ve svislici. To v praxi při realizaci není možné zajistit. Při vrtání maloprofilových vrtů pro tepelné čerpadlo (d 120–140 mm) dochází k odklonu vrtů od svislice. V lokalitě Nebřenice se v průběhu vrtání vrtů měří na vybraných vrtech inklinometrie vrtů, tedy odklon od svislice. Naměřené hodnoty vykazují odklon vrtů 4–10 metrů. Tento odklon není nijak výjimečný a dochází k němu vlivem vrstvení horninových vrstev, směru a úhlu vrstvení, po kterém vrták při hloubení vrtů „klouže“.

Všechny měřené vrty mají shodný směrový odklon od svislice směrem na severovýchod. Riziko vzájemného provrtání vrtů je tedy minimální. Tento stav nemá výrazný vliv ani na dimenzování vrtného pole. Na obrázku 6. je horizontální znázornění odklonu vrtu od svislice. Je patrné, že ze vzrůstající hloubkou je odklon výraznější.

Závěr

Na projektu v Nebřenicích proběhl zatím nejpodrobnější a nejkomplexnější průzkum v historii využívání zemního tepla a chladu na území ČR. Podařilo se vytvořit vysoce sofistikované modelové řešení pro bezpečné a udržitelné dimenzování geotermálních vrtů v rámci lokality. Simulace potvrdila, že menší vrtná pole pro rodinné vily R1 a R4 není pro dlouhodobou udržitelnost nutné regenerovat zpětnou dodávkou tepla do vrtů při letním období. Naopak u velkých vrtných polí R5, R6, R7, R8 a R12 je nutné regeneraci vrtů zajistit, a to optimálně v hodnotě rovnající se odběru tepla z vrtů v zimních měsících. Tato vrtná pole tak budou pracovat do jisté míry akumulačně.

Sestrojený nástroj je „živý“ model, který se postupným zpřesňováním bilancí jednotlivých objektů ladí a slouží jako nástroj pro bezpečné dimenzování v dané lokalitě v rámci dílčích projektových dokumentací pro provedení stavby DPS.

Výstavba ekologické vesnice v Nebřenicích probíhá; projekt vzniká v několika etapách. Tepelná čerpadla s vrty mají u projektu stále zelenou a i přes dostupnost plynových přípojek je většina plánovaných objektů se aktuálně projektuje s vytápěním a chlazením pomocí zemních vrtů. Právě chlazení je zásadní výhodou tepelných čerpadel, kdy jedna instalovaná technologie umí jak vytápět, tak chladit, a to i současně. Aktuálně se to týká 15 objektů, mezi nimi jsou jak řadové domy a viladomy, tak bytové domy a mateřská školka.

Text: Milan Trs (*1978)
– absolvoval SSPŠN Liberec. Pracuje jako technický ředitel ve firmě GEROtop, spol. s r. o. Projektování využití tepelných čerpadel v Oaks Prague v Nebřenicích technicky zaštiťoval.
Foto: archiv autora, vizualizace Oaks Prague