Hlbinný vrt je ideálny zdroj energie pre tepelné čerpadlo typu zem-voda. Má celoročne stabilnú teplotu, približne 9 °C, čo zabezpečuje vysokú účinnosť vykurovania aj počas nízkej exteriérovej teploty. Tieto systémy majú minimálne požiadavky na plochu pozemku.
Princíp fungovania hlbinného vrtu
Prenos tepla medzi podložím a tepelným čerpadlom typu zem-voda zabezpečuje teplonosná kvapalina (nemrznúca zmes s ochrannými prísadami), ktorá prúdi v potrubiach uložených vo vrtoch. Nemrznúca zmes spĺňa všetky ekologické požiadavky na ochranu životného prostredia. V uzatvorenom systéme hlbinného vrtu táto kvapalina cirkuluje a odvádza teplo zo zeme do výmenníka tepelného čerpadla.
Geotermálny kolektor (osadený hlbinný vrt) je prakticky najdôležitejšou časťou inštalácie tepelného čerpadla typu zem-voda. Vo vrte sú umiestnené plastové potrubia zakončené koncovkou v tvare písmena U (tzv. geotermálne sondy). Vystrojenie musí mať tlakovú odolnosť minimálne 16 barov (PN 16).
Hĺbka vrtu a faktory ovplyvňujúce jej výber
Hĺbka vrtu sa obvykle pohybuje od 80 do 180 m, v závislosti od geologického podložia a energetickej potreby stavby. Väčšina vrtov pre získavanie geotermálneho tepla má hĺbku do 150m, výnimočne môže dosahovať aj 200 m. Pre rodinný dom obvykle postačuje jeden vrt, pre väčšie objekty sú potrebné dva a viac vrtov. Odporúčaná minimálna vzdialenosť medzi vrtmi je 10 m.
Projektovaný výkon tepelného čerpadla a zloženie horninového prostredia sú kľúčové pre výpočet potrebnej hĺbky vrtu. Tepelné podmienky v hĺbkach vrtov sú na väčšine územia Slovenska podobné. Energetický zisk závisí od zloženia pôdy a pohybuje sa v rozmedzí 30 - 100 W na 1 meter hĺbky.
Vo väčšej hĺbke je síce vyššia teplota horniny, ale s hĺbkou stúpajú náklady na inštaláciu (cena vrtu a vystrojenie). Preto je dôležité prepočítať pred investíciou do hlbších vrtov výšku zriaďovacích nákladov s predpokladaným ziskom (v podobe úspory).
Teplotný profil podložia zeme a geotermálny gradient
Geotermálnu energiu je možné definovať ako teplo v zemskom jadre a plášti. Jej pôvod je vysvetľovaný ako dôsledok zmršťovania hmoty v čase diferenciácie planetárnej hmoty, trenia kontinentálnych platní, tektoniky, vysokého tlaku, rozpadu rádioaktívnych prvkov a energie uvoľňovanej pri premene roztavených hornín jadra na pevnú hmotu. Geotermálna energia je spájaná s endogénnymi (vnútornými) zdrojmi tepla.
Teplota horninového prostredia smerom do hĺbky stúpa. Do určitej hĺbky pod zemským povrchom je teplota horninového masívu ovplyvňovaná „aktuálnymi“ klimatickými podmienkami - striedaním dennej/nočnej teploty a ročným cyklom teploty, vyparovaním a dopadom slnečného žiarenia.
- Denný teplotný výkyv v pôde pozorujeme približne do hĺbky 1 m.
- Ročný teplotný výkyv ovplyvňuje teplotný režim pôdy v našich klimatických podmienkach približne do hĺbky 15 m.
Od hĺbky približne 15 - 20 metrov pod úrovňou terénu sa v našich klimatických podmienkach teplota v pôde nemení, t.j. dosahuje stabilnú úroveň okolo 10 °C. Táto teplota ďalej narastá o 1 °C približne každých 30 - 33 metrov. Pri vzostupe teploty s narastajúcou hĺbkou hovoríme o tzv. geotermickom gradiente. Pre vrty do hĺbky 150m je ale celkový nárast teploty len o 4-5 °C.
Pre použitie hlbinného vrtu pre tepelné čerpadlá je hlavne zaujímavá práve stabilita teploty podložia, ktorá pre tepelné čerpadlo ponúka stabilný zdroj tepelnej energie.
Realizácia a technické aspekty vrtu
Po realizácii tlakovej skúšky sa hadice v vrte zalejú cement-bentonitom. Injektovanie vrtu pre tepelné čerpadlá zaistí kontakt podložia s teplonosnou časťou vrtu. K injektáži vrtu slúži injekčné potrubie, ktoré je zavádzané spolu so sondou do vrtu. Týmto potrubím sa tlakom vypĺňa vrt odspodu, aby bol dosiahnutý ideálny prenos tepla.
Najviac namáhaná časť celého vystrojeného vrtu pre tepelné čerpadlo pri zavádzaní aj počas samotnej prevádzky je vratné U koleno (pätka), ktoré usmerňuje tok média späť. Najdôležitejší prvok celého vystrojenia vrtu pre tepelné čerpadlo je zosilnená päta sondy, ktorá má zväčšený objem separačnej časti a znížený hydraulický odpor teplonosnej kvapaliny.
Pre ľahšiu inštaláciu geotermálnej vertikálnej sondy do vrtu slúži kontajnerové závažie, ktoré olovnicovým efektom smeruje sondu ku dnu vrtu. Pri zavádzaní slúži závažie aj ako ochrana vratného U kolena.
Výhody a nevýhody geotermálnych vrtov
Výhody geotermálneho vrtu:
- Celoročná stála teplota zdroja (približne 9 °C).
- Nezávislosť od vonkajšej teploty.
- Stabilný výkon a vysoká účinnosť aj pri extrémne nízkych teplotách.
- Minimálne požiadavky na plochu pozemku (stačí menší pozemok).
- Nie je potrebná podzemná voda.
- Tepelné čerpadlo zem-voda neprodukuje lokálne žiadne emisie CO₂, pretože nevyužíva spaľovanie fosílnych palív.
- Možnosť pasívneho chladenia v lete.
- Dlhá životnosť systému (často presahujúca dve desaťročia, udávaná až 50 rokov pre samotné vrty).
- Systém je prakticky bezúdržbový, s minimálnymi kontrolami (netesnosť okruhu, chladiace médium, funkcia kompresora).
- Nehnuteľnosti s geotermálnymi vrtmi majú vyššiu trhovú hodnotu.
Nevýhody a dôležité aspekty:
- Vyššie zriaďovacie náklady v porovnaní s niektorými inými typmi čerpadiel alebo systémov.
- Vyžaduje si oznamovaciu povinnosť alebo stavebné povolenie, čo závisí od plánovanej hĺbky vrtu.
- V prípade poddimenzovania vrtu môže v priebehu niekoľkých rokov prísť k vymrznutiu geotermálneho vrtu (vrt sa nebude stíhať regenerovať).
- Kvalitu vyhotovenia nemožno po realizácii ľahko upraviť alebo opraviť.
Priemerná návratnosť geotermálneho systému získavania tepla sa pohybuje v rozsahu 5 - 8 rokov, čo je pri životnosti minimálne 20 rokov rozhodne zaujímavá alternatíva k tradičnému spôsobu vykurovania.
Najpokročilejší vrták v dejinách ľudstva
Porovnanie s inými systémami
Hlbinný vrt vs. Horizontálny kolektor
Tepelné čerpadlá zem-voda vyžadujú pre svoju prevádzku buď zhotovenie zemného kolektora alebo hĺbkového vrtu. Rozhodnutie, ktorá možnosť je správna, závisí väčšinou od veľkosti pozemku. Horizontálne kolektory vyžadujú väčšiu voľnú plochu, aby bolo možné umiestniť potrubia v primeranej hĺbke (zvyčajne 1,2 - 1,5 metra). Plocha kolektora sa odvíja od výkonu a tepelnej potreby domu. Pokiaľ nemáte na pozemku dostatok priestoru (bez prekážok ako stromy, záhrady, stavby), riešením sú vertikálne sondy, ktoré zaberajú menej miesta na povrchu.
Hlbinný vrt (zem-voda) vs. Voda-voda systém
V prípade použitia tepelného čerpadla typu voda-voda nie je nutné vŕtať hlboké vrty ako pri type zem-voda. Je však nevyhnutné navŕtať jednu dieru/studňu s výdatným zdrojom vody (sacia diera, hĺbka 30 - 40 metrov) a druhú dieru, ktorá slúži na vypúšťanie vody (prepadová diera, hĺbka 20 metrov). Tento spôsob je podstatne lacnejší ako tepelné čerpadlo zem-voda a rovnako účinný, ale závisí od zdroja vody. Vrty do zeme pre tepelné čerpadlá systému zem-voda sú vhodné hlavne pre tvrdšie podložie. Prítomnosť podzemných vôd je z pohľadu tepelnej regenerácie vrtu výhodou.
Profesionálny návrh a realizácia
Projekt geotermálneho vrtu je potrebné prenechať odborníkom, aby mohol spoľahlivo slúžiť po dlhé obdobie. Projektovanie vrtu na tepelné čerpadlo patrí do rúk skúseného projektanta. Ten vezme do úvahy miestne podmienky a na základe geologického rozboru a hydrogeologických podmienok určí intenzitu prestupu tepla. Nemenej dôležité je zveriť vyhotovenie vrtu odbornej firme, ktorá má pre takúto činnosť autorizáciu a aj zodpovedajúce skúsenosti.
Postup pri realizácii geotermálnych vrtov zahŕňa:
- Potrebný návrh od projektanta, výpočet výkonu tepelného čerpadla alebo tepelnej potreby/stratí.
- Obhliadku a vytýčenie budúceho vrtu, posúdenie terénnej dostupnosti pre vŕtaciu techniku.
- Vybavenie ohlášky na Banskom úrade pre budúci vrt.
- Realizáciu vrtu najmodernejšími vrtnými súpravami, pričom spôsob vŕtania (rotačné príklepové alebo vodným výplachom) sa určí podľa geológie.
- Zabudovanie certifikovanej geotermálnej sondy a injektáž certifikovaným výplňovým materiálom s tepelnou vodivosťou 2,00 W/(m.K).
- Tlakovú a prietočnú skúšku geotermálnej sondy.
- V prípade väčších objektov, kde je uvažovaných viac vrtov, sa vykonáva aj tzv. thermal response test (TRT test), ktorý vyhodnotí výkonnostnú odozvu vrtu pre budúci projekt.
Po ukončení samotného vrtu je možné prepojiť vrty elektrozvarmi a pripojiť primárny okruh pre budúce tepelné čerpadlo zem-voda priamo do technickej miestnosti. Následne sa celý primárny okruh natlakuje nemrznúcou kvapalinou.
Tepelné čerpadlá zem-voda pracujú s priemerným ročným vykurovacím faktorom 3 - 5,5.