Konference Alternativní zdroje energie 2016 21. a 22. června 2016 Kroměříž
TEPELNÉ VLASTNOSTI HORNIN A JEJICH VLIV NA VYUŽITÍ ZEMNÍHO TEPLA Mgr. Michal Havlík, Ing. arch. Pavel Cihelka, Stavební geologie – Geosan, s.r.o.
[email protected],
[email protected] ÚVOD V oblasti primárních okruhů tepelných čerpadel typu země x voda se zemními vrty dochází ke zvýšenému zájmu ze strany investorů o využití těchto systémů obnovitelných zdrojů v rámci větších staveb. Jedná se zejména o přípravu projektové dokumentace ať již privátních developerských projektů, tak i veřejných budov, financovaných hlavně z evropských peněz v rámci operačních programů. Nejen v Praze vznikají záměry, které obsahují více než 100 hlubinných vrtů na jedné lokalitě. Tento trend jde v souladu s oživující se ekonomikou a zvyšující se stavební činností Jde však o to, aby tento zvyšující se zájem nezůstal pouze na papíře ve formě nenaplněných studií, mnohdy z důvodu nedostatečně odborné přípravy projektu. Zájem o získávání tepla a chladu pomocí vrtů je možno podpořit zejména kvalitní projektovou přípravou a dostatečným geologickým průzkumem lokality již v rámci přípravy akce včetně měření tepelných vlastností hornin přímo na místě. TEPELNÉ VLASTNOSTI HORNIN A VLIV NA VYUŽITÍ ZEMNÍHO TEPLA Tepelná energie, vyzařovaná sluncem a tepelná energie, která je předávána do atmosféry zemským povrchem je rozhodující pro teploty do tzv. indiferentní hloubkové úrovně, tj. do hloubky cca 15 m pod povrchem terénu. Pod touto úrovní se již na teplotě neprojevuje vliv ročních období a rozhodující je zde přísun vnitřního tepla Země, přičemž platí, že minimálně pro kontinentální kůru je hlavním producentem tohoto tepla rozpad radioaktivních prvků. Zatímco v hloubce kolem 20 m pod terénem je teplota cca 10° C, směrem do hloubky teplota každých 30 m stoupá o cca 1°C. Mluvíme o tzv. geotermickém gradientu. Znamená to, že v hloubce kolem 100 m je teplota přibližně o 3°C vyšší než je střední roční teplota krajiny. Hlavní parametry hornin důležité pro získávání zemního tepla uvádí tabulka 1 a rozsah hodnot vybraných parametrů podle měření prováděných firmou SG-Geosan ukazují obrázky č.1 a č.2. Tab. 1 Hlavní tepelné parametry horninového masivu Parametr Tepelná vodivost hornin λ
Jednotky [W * m-1 * K-1]
Průměrná teplota horninového masivu
[°C]
Teplotní profil na lokalitě/gradient
[°C / 100 m]
Tepelný odpor vrtů Rb
[K * ( W / m)-1]
4.5
Tepelná vodivost [W/(m*K)]
4 maximální hodnoty
3.5
minimální hodnoty
3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 žula
břidlice
písek suchý
písek vlhký
v ČR nejčastěji
Obr. 1 Rozsah hodnot tepelné vodivosti různých hornin v ČR (zdroj: Stavení geologie- Geosan s.r.o.)
Obr. 2 Typické teplotní profily hornin z měření v ČR (zdroj: Stavení geologie- Geosan s.r.o.) Nejčastěji používané systémy tepelných čerpadel k získávání zemského tepla jsou zemní tepelné sondy (s vestavenými vertikální kolektory). Zemní tepelné sondy mohou být používány k vytápění a chlazení budov, popř. k ukládání tepelné energie. Tyto sondy se instalují do vrtů o hloubkách převážně 50 – 150 m, výjimečně mohou být ukládány i v hloubkách menších nebo větších. Obvyklý průměr vrtů ve svrchní části horninového souboru v oboru nezpevněných sedimentů je cca 160 - 180 mm, v níže ležících skalních nebo podskalních horninách cca 120 až 140mm. Nejčastěji používaným typem sondy je dvojitá sonda „U“ skládající se ze spojené dvojice umělohmotných potrubních smyček ve tvaru „U“ . Běžně jsou používány i jednoduché sondy „U“, které se skládají pouze z jedné smyčky umělohmotné trubky.
Podmínkou dobrého přenosu tepla na jedné straně a potřebou oddělit od sebe jednotlivé zvodnělé polohy horninového souboru a stabilizovat stěny vrtu je úprava zaplášťového prostoru, tj. výplň mezikruží mezi stěnou vrtu a vertikálním kolektorem vhodným materiálem. Obvykle se používá směs bentonitu a cementu, v závislosti na místních geologických podmínkách je na výplň mezikruží možné i použití jiných typů materiálů, zejména v kombinaci s případnou potřebou etážového vrstvení zaplášťových vrstev. Ojediněle jsou zatím používány a koaxiální sondy, které se skládají z vnitřní a vnější trubky či jiné typy kolektorů. Speciální případ vrtaných tepelných sond představují tzv. energetické piloty. Jedná se o základové piloty, které jsou vystrojeny uvnitř uloženými umělohmotnými trubkami, které slouží jako tepelné výměníky.
Obr. 3 Vliv geologických podmínek na zemní vrty pro tepelná čerpadla GEOLOGICKÉ PRŮZKUMY A MĚŘENÍ Ve vztahu k účelu vrtů je třeba v některých případech ověřit podmínky výtěžnosti zemského tepla formou teplotních testů, nebo vydatnosti odběrového objektu. Nejsou-li dostatečně známy údaje o výskytu podzemní vody, vlivu vrtů na okolí nebo údaje o výtěžnosti zemského tepla dostatečně známy, je třeba před projekcí vrtů provést ve smyslu vyhlášky č. 501/2006 Sb. geologický průzkum. V daném případě představuje tento průzkum činnost prováděnou dle zákona č. 62/1988 Sb. a zahrnuje zpravidla vrtnou sondáž a soubor doprovodných prací jako jsou teplotní testy, čerpací zkoušky, režimní měření hladiny podzemní vody, apod. Při vrtné sondáži se budují průzkumné vrty, které jsou určeny pouze k účelu definovanému zákonem č. 62/1988 Sb., tj. pro geologický výzkum nebo geologický průzkum. Jejich projektování, provádění a vyhodnocování musí být plně v souladu s tímto zákonem a prováděcími vyhláškami uvedenými v úvodu tohoto doporučení. Po ukončení
průzkumu se vrty odborně likvidují nebo zabezpečují, a to na základě projektu likvidačních nebo zajišťovacích prací. Pouze v případě, že vrty provedené v rámci geologického průzkumu jsou příhodně umístěny, mají vyhovující technické parametry a výtěžnost zemského tepla se ukáže být dostatečná, je možno tyto průzkumné vrty zabezpečit a upravit k dalšímu využití. K dalšímu využití je nutné územním projednání, stavební povolení a povolení k nakládání s vodami. Tato možnost musí být uvedena již v projektu průzkumných prací.
Obr. 4 Měření tepelných parametrů hornin v terénu tzv. TRT test (zdroj: Stavení geologie- Geosan s.r.o.)
Obr. 5 Výsledky terénních měření
Obr. 6 Kontrola injektáže vrtů pro tepelná čerpadla, měření tepelných odporů vrtů (zdroj: Stavení geologie- Geosan s.r.o.)
STANOVENÍ MĚRNÉHO VÝKONU JÍMÁNÍ Pro návrhové parametry zemních tepelných sond pro tepelné čerpadlo systému země x voda je důležitou veličinou tzv. měrný výkon jímání. Ten udává délku vrtu nutnou pro získání jednoho W tepla. Je významně závislý na charakteru prostředí v němž jsou zemní sondy vybudovány a pohybuje se v širokém rozmezí od 30 do 100 W/m. Konkrétní hodnotu měrného výkonu jímání volí projektant podle výsledků geologického průzkumu. Odhady měrného výkonu jímání je možné použít pouze pro jednoduché aplikace, tj. pro menší zařízení s topným výkonem do 30 kW bez chlazení. U Větších aplikací se používají konkrétní hodnoty tepelné vodivosti hornin na pozemku zjištěné geologickým průzkumem a měřením popsaném v předchozích kapitolách.
Obr. 7 Orientační údaje měrného výkonu jímání jednotlivých litologických typů hornin v ČR MATEMATICKÉ MODELOVÁNÍ PŘENOSU TEPLA V HORNINÁCH Při projektování a zejména při legislativním procesu povolování zemních sond pro tepelná čerpadla často vyvstává nutnost posouzen a přesné kvantifikace změn proudění podzemních vod a šíření teplotních změn do širšího okolí. To je složitý úkol, který většinou není možné řešit pouze odbornými odhady. K tomuto účelu se u větších aplikací používají komplexní 3D matematické modely proudění podzemních vod a přenosu tepla na vymezeném bloku zvodněných hornin. Výstupy těchto modelů má význam z hlediska řešení různých střetů zájmů a dopadu na životní prostředí a z hlediska dlouhodobého zajištění správné funkce zemních sond.
Obr. 14: Matematické modely proudění podzemních vod a přenosu tepla. Ukázky výstupů
(zdroj:
Stavení geologie- Geosan s.r.o.) ZÁVĚR Pestré geologické a hydrogeologické poměry ČR mají vliv na využití geotermálních zdrojů na našem území. Provádění geologických průzkumů a měření tepelných vlastností hornin přímo na lokalitě, ať již ve fázi návrhové nebo realizační, výrazně přispívá k eliminaci rizik při provádění a ke správné funkci primárního okruhu tepelných čerpadel. Výsledkem geologických průzkumů je podklad pro projektanta s doporučením vhodného typu a umístění zemních sond, jejich hloubkové omezení a nejvhodnější technické parametry s ohledem na místní podmínky. Součástí geologického posouzení je i vypořádání rizik spojených s prováděním zemních vrtů
