Příspěvek je věnován poměrně inovativní technologii energetického zakládání. Ta využívá betonové základové prvky, které mají primárně konstrukční účel, ale slouží jako tepelné výměníky pro geotermální systémy. Výměníky jsou tvořeny PE hadicemi či trubkami přichycenými ve smyčkách k ocelové výztuži a jsou zabudovány uvnitř klasických základových prvků, jako jsou piloty, podzemní stěny základové desky a tunelová ostění.
Tyto kolektory, obsahující teplosměnné médium, tvoří primární okruh geotermálního energetického systému. Tepelná výměna se sekundárním okruhem, který představují rozvody ve stěnách a podlahách budov či pod povrchy vozovek a mostních svršků, je zprostředkována tepelným čerpadlem. Nejekonomičtější je celoroční využití systému, tedy k vytápění i chlazení. Článek vyjmenovává výhody technologie energetického zakládání a upozorňuje na rizika s jejím použitím spojená.
Podpovrchové geotermální zdroje představují významný potenciál využívání energie z obnovitelných zdrojů. Ekonomickou atraktivitu získávání geotermální energie pak zvyšuje kombinace tepelných výměníků uložených v konstrukčních základových prvcích ve spojení s tepelným čerpadlem. Jako výměníky geotermálního tepla jsou nejčastěji využívány základové piloty, ale také podzemní stěny, barety, základové desky, podzemní těsnící clony i tunelová ostění. Tato poměrně novátorská kombinace technologií vede k dlouhodobému snížení nákladů na energii a ve srovnání s klasickými tepelnými čerpadly významně snižuje návratnost prvotních investic, neboť nejsou potřeba hluboké vrty nebo plošné podpovrchové kolektory budované výhradně k účelu čerpání tepla. Systémy s tzv. energetickými základy mohou být využívány k udržování teplotního komfortu v interiérech takřka celoročně jakožto kombinace topení i klimatizace. Chlazení pak může být přímé i nepřímé (se zapojením tepelného čerpadla).
Historie a současnost energetických základů
Tepelné čerpadlo pracuje na principu obráceného Carnotova cyklu, popsaného r. 1824. První tepelné čerpadlo vyvinul a sestrojil rakouský vynálezce Peter Rittinger, rodák z Nového Jičína, v letech 1855–1857. Princip spočívá v uvolňování nebo spotřebování tepla při změnách skupenství média v závislosti na tlaku. Chladivo v plynném stavu je stlačeno kompresorem a poté vpuštěno do kondenzátoru, kde odevzdává své skupenské teplo. Zkondenzované chladivo projde expanzní tryskou do výparníku, kde skupenské teplo (při nižším tlaku a teplotě) přijme a odpaří se. Poté opět pokračuje do kompresoru a cyklus se opakuje.
Poměrně krátká historie základů s geotermálními výměníky sahá do počátku 80. let dvacátého století, kdy se začalo využívat teplo ze základových desek, posléze z pilot (1985) a podzemních stěn (1996). Průkopníky tohoto oboru byly Rakousko a Švýcarsko, které si stále udržují vedoucí pozici v energetickém zakládání. V Rakousku je od r. 2005 vyrobeno každý rok okolo 7000 energetických pilot různých průměrů [2]. Energetické zakládání je poměrně široce uplatňováno také v Německu a ve Velké Británii a začíná se prosazovat v Číně.
Koncepce energetických základů
Energetické základové prvky, jako jsou desky, piloty, barety, podzemní stěny, tunelová ostění, mohou být kombinovány s mělce založenými plošnými kolektory nebo jinými typy kolektorů a mohou být použity jak k vytápění anebo chlazení budov, tak i pro temperování vozovek, povrchu mostních desek, letištních ploch apod. Primární okruh je tvořen trubkami nebo hadicemi z -HDPE připevněnými k armatuře základového prvku. Médiem pro přenos tepla v primárním okruhu je čistá voda nebo voda s přísadami snižujícími bod mrazu, s glykolem, nebo (méně často) se solí. Nejčastěji používaná voda s glykolem obsahuje také antikorozní přísady z důvodu prevence koroze sběrných bloků, ventilů, tepelných čerpadel apod. Potrubní systémy jednotlivých základových prvků jsou propojeny sběrnými trubkami položených obvykle v podkladu základové desky. Sekundárním okruhem jsou rozvody topení (případně chlazení) zabudované v podlahách nebo stěnách budov, ve vozovkách nebo mostních svršcích. Primární a sekundární okruh jsou navázány tepelnými výměníky na tepelné čerpadlo mezi nimi, které je schopné při topné fázi zvýšit teplotu z cca 10 °C na 25–35 °C.
Požadavky na provoz geotermálního systému
Základní podmínkou pro efektivní provoz systému topného, resp. chladicího, systému s využitím základů se zabudovanými geotermálními výměníky je, že teplota geologického prostředí musí být vyšší než teplota vzduchu v zimě, resp. nižší než teplota vzduchu v létě. Teplota geologického prostředí je ovlivněna řadou místních faktorů, obecně však lze konstatovat, že na většině území ČR kolísá teplota v hloubce 5 m pod povrchem mezi 8 a 12 °C, od hloubky 18 m zůstává teplota stálá po celý rok na hodnotě cca 10 °C, od hloubky okolo 50 m pak začne teplota pozvolna narůstat v gradientu 2–3 °C na 100 m.
Účinnost systému charakterizuje topný faktor (COP, coefficient of performance), udávající poměr vyrobeného tepla ke spotřebované elektrické energii tepelného čerpadla. Obecně se uvádí, že hodnota COP je okolo 4, to znamená, že z celkového objemu energie využitelné pro vytápění tvoří ¼ dodaná elektrická energie a ¾ získaná geotermální energie. Efektivita tepelného čerpadla je silně ovlivněna rozdílem mezi teplotou podloží a teplotou skutečně využívanou pro vytápění. Vysoká teplota pro vytápění a nízká extrakční teplota v primárním okruhu snižují účinnost. Aby bylo dosaženo ekonomicky výhodné účinnosti, neměla by být teplota potřebná k vytápění vyšší než cca 45 °C a extrakční teplota kapaliny v podzemních kolektorech by neměla klesnout pod 0–5 °C [2].
Údajem lépe vypovídajícím o ekonomické výhodnosti systému je sezónní topný faktor (SPF, seasonal performance factor), ukazatel průměrných hodnot za celou sezónu, jenž v sobě zahrnuje nejen spotřebu energie samotného tepelného čerpadla, ale také další energetické vstupy a ztráty, jako je např. elektrická spotřeba oběhových čerpadel. V současnosti se uvádí součinitel sezónního výkon v rozmezí 3,8 a 4,3; kterého je dosahováno standardními elektrickými čerpadly. Speciální zařízení s přímým odpařováním může zvýšit součinitel o 10–15 % [2].
Systémy s geotermálními výměníky v základech mohou pracovat ve dvou režimech:
a) ve výlučně topném režimu odebírajícím geotermální energii;
b) v celoročním režimu kombinujícím vytápění a chlazení.
Zatímco výlučně topný režim odebírá pouze jednosměrně teplo z podloží, celoroční režim využívá termodynamické setrvačnosti pro ukládání tepla v letním období, které je posléze odebíráno v zimní fázi cyklu. Celoroční provoz zvyšuje ekonomickou efektivitu systému; díky podmínkám blízkým energetické rovnováze může teplota v okolí geotermálních kolektorů zůstávat bez významných výkyvů mnoho let po zahájení provozu. V případech, kdy nejsou tak vysoké nároky na vytápění, resp. chlazení, je možný provoz v „přímém“ modu, tedy bez zapojení tepelného čerpadla. Nutné energetické vstupy se pak omezují na spotřebu oběhových čerpadel.
Návrh a okrajové podmínky geotermálního systému
Pro prvotní rozvahu o možnosti uplatnění energetických základů je nutná dobrá znalost inženýrskogeologických a hydrogeologických poměrů. Odběrové teplo, přenášené primárním okruhem, je závislé především na vlastnostech zeminy či horniny, jako jsou vlhkost, ulehlost, porozita, mineralogické složení, obsah organické hmoty, objemová hmotnost, míra zvětrání, vrstevnatost, výška hladiny podzemní vody a hydraulický spád atd. Pro návrhy topných systémů využívajících základových prvků je možné použít tabulkové hodnoty odběrového tepla pro jednotlivé typy zemin či hornin. Pokud nelze přiřadit lokální geologické podmínky k jasně definované kategorii v tabulce, je nutné provést zkoušky teplotní odezvy geologického prostředí (TRT, Thermal Response Test) [5]. K provádění TRT se obvykle automaticky přistupuje také v případě výkonnějších systémů; hranicí bývá výkon čerpadla od 30–50 kW.
Nejpříznivější podmínky z hlediska odběru podzemního tepla mají písky a štěrky se silným prouděním podzemní vody, u nichž je udáván specifický odběrový výkon 55–85 W/m za podmínek výkonu čerpadla do 30 kW a době provozu 2400 hodin. Hůře jsou na tom z hlediska odběrového výkonu vlhké jíly a hlíny, kde se hodnota pohybuje v rozmezí 30–40 W/m; nejhůře pak suché písky a štěrky, kde bývá výkon < 20 W/m [9]. Suché půdy vyžadují pro stejný odběr tepla hlouběji založené piloty a větší plochu tepelného výměníku.
Značný vliv na účinnost odběru geotermální energie má přítomnost podzemní vody. Pro systém určený výhradně pro vytápění, respektive pouze pro klimatizaci, je výhodou podloží s vysokou permeabilitou a proudění podzemní vody. Nicméně v případě kombinovaného celoročního režimu, tedy odběru tepla z podloží v zimě a ukládaní tepla v létě, je naopak vhodnější nižší tepelná permeabilita a pomalá výměna podzemní vody. Energetický potenciál základů s geotermálními výměníky pochopitelně narůstá s hloubkou. Ekonomicky výhodná minimální hloubka pilot, podzemních stěn a jiných prvků se uvádí okolo 6 m [3]. U běžných zdrojových vrtů pro tepelná čerpadla bývá rentabilní hloubka z důvodu nízké výměnné tepelné kapacity výrazně větší.
Vedle daných geotermálních poměrů je pro účinnost systému rozhodující geometrie základového prvku. Brandl [2] uvádí tyto charakteristické hodnoty odběrového tepla pro různé základové prvky:
– piloty o průměru 0,3–0,5 m; 40–60 W/bm,
– piloty o průměru > 0,6 m; 35 W/m² plochy kontaktu s prostředím,
– podzemní stěny (oboustranně neodhalené); 30 W/m²,
– základní desky; 10–30 W/m².
Návrh a provedení geotermálního energetického systému jsou přirozeně podřízeny některým technickým limitům. Při návrhu energetických základových prvků je nutné zvážit rizika spojená s teplotními změnami v základech a podzákladí, zvláště při střídání topných a chladicích fází. Při topné fázi dochází ke smrštění základového prvku a vznikají v něm přídavná tahová napětí. Opačným tendencím podléhá základový prvek během chladicí fáze. Dalším problémem mohou být velké ztráty tepla nebo pokles tlaku kvůli přílišné délce potrubí geotermálního kolektoru. Klíčovým aspektem návrhu systému je i výběr teplonosného média v primárním okruhu. Nejčastěji používaným médiem je „nemrznoucí“ směs vody s glykolem. Systém, který je navržen pro vodu bez nutnosti použití přísady snižující teplotu tání, má své výhody:
1. nižší náklady na médium;
2. snížení provozních nákladů z důvodu nižší viskozity samotné vody a tím snížení elektrické spotřeby čerpadel;
3. lepší přenos tepla v kolektoru ve srovnání se směsí glykol – voda;
4. absence ekologického rizika v případě úniku média;
5. teplota konstrukčních základových prvků a jejich okolí by neměla klesnout pod bod mrazu [4].
Kolísání teplot může mít vliv i na geomechanické vlastnosti okolní zeminy. V letních měsících mohou vysoké teploty způsobovat prvotní zpevnění zeminy (zvýšení modulu přetvárnosti). Vysoké teploty mohou nicméně zhoršovat vlastnosti zemin vysýcháním. To však záleží na typu zeminy, míře saturace a proudění podzemní vody. Problematické je zejména chování jílů, jež jsou náchylné jak ke smrštění, tak i ke zvětšení objemu v závislosti na jejich konsolidaci. V chladném období naopak hrozí riziko promrznutí. Tomu lze předcházet vhodným založením objektu a vyváženým návrhem odebírání a ukládání tepla do základového prvku [5].
Příklady využití geotermálních systémů
Stále větší počet realizovaných energetických základů v okolních zemích dokazuje, že při správném návrhu založení objektu a vyváženém odběru i ukládání tepla v základových prvcích lze diskutovaným úskalím s úspěchem čelit a že výhody těchto geotermálních systémů převažují. V jímání geotermální energie výrazně dominují energopiloty, často v kombinaci se základovými deskami. V současnosti se začínají prosazovat i podzemní stěny s podobně instalovanými výměníky. Samostatnou kapitolu ve využívání geotermální energie zaujímají dopravní tunely. V porovnání se základovými prvky budov mají podstatně větší plochu využitelnou pro výměnu geotermálního tepla. Kromě toho mohou mít tunely s velkou mocností nadloží vyšší průměrnou teplotu než jejich geologické prostředí.
Způsob instalace trubek geotermálního kolektoru závisí na technologii provádění tunelu. V případě hloubených tunelů se používá stejný postup uchycení trubek na armatuře jako u podzemních stěn, pilot a základových desek. U ražených tunelů je technologie odlišná – pro tunely ražené metodou NRTM se používají energetické geotextilie obsahující smyčky hadic s teplonosným médiem, vkládané mezi primární a sekundární ostění tunelu. Koncept geotermálních výměníků je použitelný i pro plnočelbově ražené tunely pomocí štítu TBM, kde mohou být rozvody zabudovány do prefabrikovaných segmentů ostění [4].
Příkladem využívání geotermální energie z tunelů jsou železniční tunely ve Vídni, které zásobují teplem okolo 1200 bytů a několik velkých veřejných budov [3]. K jímání geotermální energie slouží ve Vídni rovněž některé nové úseky a stanice metra. Využívání metra jakožto tepelného zdroje pro vytápění budov má značný potenciál, díky odpadnímu teplu z provozu může teplota v jeho prostorách dosahovat okolo +20 °C i během zimních měsíců. V Česku je využívání základových prvků pro získávání geotermální energie zatím poměrně ojedinělé. Z významnějších projektů je to např. AZ Tower v Brně, která je založena na 118 energopilotách do hloubky 30 m, jež představují potenciál až 230 kW [8].
Závěr
V současné době se často hovoří o potřebě navýšení podílu využití zdrojů obnovitelné energie. Do této pestré skupiny spadají i geotermální systémy s tepelnými čerpadly. U „klasických“ systémů se hovoří o návratnosti investice do 5 let provozu. Energetické základy vystrojené geotermálními výměníky jsou alternativním řešením, které umožňuje snížení prvotních nákladů. Jedná se o systémy s dobrou účinností, snadnou údržbou a čistým provozem. Proto by měla být technologie energetických základů, v některých zemích již hojně rozšířená, konkurenceschopná také v českém prostředí i bez berličky subvenčních programů.
JAN BUDKOVSKÝ
foto archiv firmy GE-TRA, s. r. o.
Zdroje:
1. AMIS, T., J. S. McCartney, F. Loveridge, C. G. Olgun, M. E. Bruce a K. Murphy. Identifying best practice, installation, laboratory testing and field testing. The Journal of the Deep Foundations Institute, 2014, roč. 8, č. 2, s. 74–83.
2. BRANDL, H. Thermo-Active Ground-Source Structures for Heating and Cooling. 11th International Conference on Modern Building Materials, Structures and Techniques. 2013, Procedia Engineering 57, s. 9–18.
3. BRANDL, H. Geothermal Heating and Cooling of Buildings. 4. Šukljetovi dnevi, Slovensko geotehniško društvo, 2003, Slovinsko.
4. BOUAZZA A., ADAM, D. Turning geostructures into sources of renewable energy. 11th Australia-New Zealand Conference on Geomechanics Ground Engineering in a Changing World. Conference Proceedings (2012) 1051–1056.
5. HOZA, M. Pilotové základy – energetické piloty. Bakalářská práce. VUT v Brně, 2014.
6. MAREŠOVÁ, M., Energetické piloty. Studentská a vědecká činnost, Akademický rok 2011/2012. VUT v Brně, 2012.
7. XIA C., M. SUN, G. ZHANG, S. XIAO a Y. ZOU. Experimental study on geothermal heat exchangers buried in diaphragm walls. Energy and Buildings, č. 52, 2012, s. 50–55. ISSN: 0378–7788.
8. LAFARGE. Česko má novou nejvyšší budovu. lafarge.cz [online]. © 2013. Dostupné z: http://www.lafarge.cz/2013_01.pdf
9. VDI 4640 – 1: 06-2010. Thermal use of the underground – Fundamentals, approvals, environmental aspects.
Mgr. Jan Budkovský (*1976)
absolvoval magisterské studium na Přírodovědecké fakultě UK v oboru geologie, specializace geochemie. Poté pracoval na České geologické službě na Oddělení vysoce aktivních odpadů (jako geochemik), v současnosti je vedoucím laboratoře technicko-technologického oddělení v Zakládání staveb, a. s.
