+
Přidat firmu
Vyhledávání
Menu

Jak skutečně fungují tepelná čerpadla země-voda?

23.10.2017 Autor: Ing. Pavel Dědina Časopis: 6/2017

Zkušenosti z provozu Otevřené zahrady v Brně potvrzují předpoklad, že vyšší investiční náklady do tepelných čerpadel se vrací již během 6–9 let v závislosti na tom, s jakým jiným zdrojem energie jsou porovnávány. Předpokládaná životnost geotermálních systémů je přitom až 100 let.

Image 0Obr. 1 • Vrtání geotermálních vrtů se sondami GEROtherm

Nejvyšší náklady na provoz administrativních objektů tvoří zpravidla vytápění a chlazení. I proto byl s ohledem na maximální úspory primární energie využit systém tepelných čerpadel s geotermálními vrty, který zde slouží pro vytápění, požadavky vzduchotechniky, přípravu teplé vody a chlazení rekonstruovaného objektu B a pasivní novostavby objektu C. Použitá technologie tepelných čerpadel s geotermálními vrty má proto zásadní vliv na celkovou hospodárnost a tím i nejnižší ekologický dopad budovy na životní prostředí.

Návratnost investice do zemních tepelných čerpadel za méně než 9 let

Často kladeným dotazem, v souvislosti se zemními tepelnými čerpadly, je ekonomická návratnost vložené investice. Po několika letech provozu a zjištěných reálných spotřebách tepla a chladu provedla Nadace partnerství výpočet prosté doby návratnosti dané technologie tepelných čerpadel s geotermálními vrty. K výpočtu prosté návratnosti je vždy nutné vztáhnout návratnost k určitému konzervativnímu řešení zdroje tepla a chladu. Jako konzervativní varianta byla zvolena plynová kotelna a výrobník chladu na střeše objektu s mařením odpadního tepla do vzduchu.

Dále jsou uvedeny reálné investiční a provozní náklady instalované technologie TČ a předpokládané (odborný odhad daný výpočty a poptávkami technologie) investiční a provozní náklady konzervativního řešení plynové kotelny s výrobníkem chladu.

Vrty mají dlouhou životnost

Při výpočtech návratnosti je také nutné uvědomit si životnost daného zařízení. U technologie tepelných čerpadel země-voda s geotermálními vrty ve výše popsaném objektu lze vzhledem k provozním podmínkám reálně uvažovat s životností 25–30 let, přičemž po dané době dojde k výměně pouze technologie strojovny (případně jen části). U vrtů se počítá s životností v řádu 100 let.

Naproti tomu u konzervativní va­rianty plynové kotelny s výrob­níkem chladu lze předpokládat ­výměnu celého zařízení již v horizontu 10–15 let dle dlouhodobých zkušeností s danou technologií.

Tento fakt do výpočtu návratnosti, resp. ziskovosti technologií tepelných čerpadel v delším časovém horizontu značně promlouvá a je nutné si jej uvědomit.

Návratnost investice do technologie tepelných čerpadel s geotermálními vrty

Technologie tepelných čerpadel s geotermálními vrty:

  • Skutečné investiční náklady včetně provedení vrtů, montáže a kompletní strojovny TČ: 2 200 000 Kč
  • Skutečné provozní náklady na vytápění a chlazení (rok 2015) – elektřina dle fakturace: 55 000 Kč

Technologie plynové kotelny a výrobníku chladu na střeše objektu:

  • Odborný odhad investice (přípojky plynu, odkouření, plynová kotelna, výrobník chladu) uvažováno včetně kompletní montáže: 1 200 000 Kč
  • Uvažované provozní náklady dle skutečné spotřeby objektu – el. + plyn (odborný odhad): 170 000 Kč

Výpočet prosté návratnosti investice:

  • Rozdíl v investičních nákladech obou variant: 2 200 000 – 1 200 000 = 1 000 000 Kč
  • Rozdíl (úspora) v provozních nákladech: 170 000 – 55 000 = 115 000 Kč
  • Prostá návratnost bez úvahy nárůstu cen energií: 1 000 000/115 000 = 8,7 let

Systém pro chlazení i vytápění

Systém tvoří kaskáda čtyř paralelně zapojených tepelných čerpadel IVT EQ E17 o celkovém výkonu 62,4 kW. Tato technologie je napojena na primární okruh tepelných čerpadel tvořený osmi geotermálními vrty vystrojenými dvouokruhovou sondou GEROtherm v celkové délce 905 m. Před realizací vrtného pole byl projektantem geo­termálních vrtů, firmou GEROtop spol. s r.o., navržen pilotní zkušební vrt, který byl podroben testu teplotní odezvy horninového prostředí, tzv. TRT test. TRT test je mezinárodně osvědčený a uznávaný postup pro zjištění tepelných parametrů podloží. Kompletně vystrojený geotermální vrt je při měření zatížen předepsaným tepelným ­výkonem po předepsaný časový úsek. Tím je podloží aktivováno k teplotní odezvě (response) a díky měření a záznamu dat nám dovoluje výpočet efektivní tepelné vodivosti v okolním horninovém prostředí.

Dále je při testu měřena klidová teplota podloží, teplotní profil a tepelný odpor provedené vrtu. Tyto specifické hodnoty jsou nejdůležitějšími veličinami pro efektivní a ekonomické navrhování geotermálních zařízení vyšších výkonů. Provedený zkušební vrt na dané lokalitě značně snížil původní předpoklad navrhované metráže vrtů a tím přispěl k úspoře investičních nákladů. Výhodou tohoto měření je také fakt, že pilotní vrt neslouží pouze pro účely měření a dimenzování daného zařízení. Po provedeném průzkumu a návrhu zbylého počtu a metráže vrtů je tento zkušební vrt nedílnou součástí vrtného pole.

Image 1Obr. 2 • Potrubní napojení sběrné jímky vrtů se strojovnou TČ (materiál RC Protect)

Základní parametry obou napojených objektů jsou patrné z tab. 1.

Image 4

Distribuce tepla a chladu do objektu

Kaskáda tepelných čerpadel je napojena na otopnou soustavu, která je tvořena zejména velkoplošným systémem aktivace betonového jádra (BKT) a podlahovým vytápěním. Díky tomuto způsobu vytápění, založeném zejména na principu radiace, je maximální výstupní teplota z tepelných čerpadel cca 40 °C, a to i za velmi mrazivých zimních dnů. Tepelná čerpadla dále dodávají teplo do akumulačního zásobníku teplé vody a do vzduchotechnické jednotky.

Image 2Obr. 3 • Strojovna tepelných čerpadel

Chlazení objektu opět využívá možností aktivace betonového jádra (BKT) a systému velkoplošného chlazení, který umožňuje tzv. pasivní chlazení z vrtů, tedy využívání chladu z vrtů pouze za cenu příkonu oběhového čerpadla na primárním okruhu. V zimním období, kdy jsou vrty vychlazeny odběrem tepla, se pohybuje střední teplota média z vrtů kolem hodnoty 3–4 °C. Chlazení je v tu dobu využito pouze pro místnost servovny. Ovšem i v letním období, kdy je požadavek na chlazení dominantní, nepřesahuje teplota média ve vrtech 14 °C, a tak ji lze bez problémů využívat z velké části bez nutnosti spínání kompresorů TČ.

Image 3Obr. 4 • Kaskáda tepelných čerpadel IVT

Systém vytápění a chlazení pomocí tepelných čerpadel s geotermálními vrty zde představuje jednu společnou technologii, která je schopna pokrýt veškeré požadavky na vytápění i chlazení objektu.

Monitoring systému, základ pro relevantní vyhodnocení

Systém je napojen na sofistikovanou technologii měření a regulace Lucid, která za pomoci celkem 46 elektroměrů a 10 kalorimetrů dokáže přesně vyhodnotit provoz a spotřebu tepla/chladu celého objektu a současně přesnou dodávkou tepla a chladu pomocí tepelných čerpadel. Systém dále měří vyrobenou energii pomocí FVE, spotřebu ostatní elektrické energie, spotřebu vody apod. Monitoring zde probíhá již od roku 2013. Díky tomu jsme schopni zachytit reálný provoz daného zařízení a funkci názorně prezentovat na skutečně naměřených hodnotách z let 2013–2016. V tab. 2 jsou uvedeny základní naměřená data za dané období.

Image 5

Z tabulky je patrné, že sezonní zhodnocení výroby energie tepla/chladu pomocí tepelných čerpadel každým rokem stoupá. Tento fakt je způsoben zejména důsledným monitoringem a následnou optimalizací systému co do provozních teplot a obecně potřeb objektu. Hodnota celkového skutečného výkonového čísla (zhodnocení) blížící se hodnotě 6 je vizitkou špičkově fungujícího a energeticky efektivního systému. Využití vyrobeného tepla kolem 90–95 %, resp. chladu 80–85 % je dáno přirozenou ztrátou v rozvodech, zásobnících, ale i možnými odchylkami na jednotlivých kalorimetrech.

Závěrem

Vzhledem k současné legislativě a blízké budoucnosti ve smyslu nutnosti výstavby budov s téměř nulovou spotřebou energie, jsou tepelná čerpadla země-voda velice zajímavým a zřejmě jediným možným technickým řešením pro objekty daných parametrů, ale i budov obecně. Při kombinované potřebě vytápění a chlazení, které bývá dnes již standardem, jsme schopni dosahovat reálných hodnot sezonního zhodnocení výroby tepla/chladu až 6, tedy za 1 kWh elektrické energie vyrobit až 6 kWh energie tepla/chladu.


Podklady: Ing. Vlastimil Rieger; Nadace Partnerství

Foto: „Aliance pro energetickou soběstačnost“

Zdroj: www.ESB-magazin.cz, ročník: VI, číslo: 2/2017

Související časopisy