Využívanie stavebných konštrukcií budov na ukladanie energie

Na získanie nízkopotencionálnej energie pre tepelné čerpadlá sa využíva rad zdrojov, pričom voľba vhodného systému vychádza vždy z miestnej situácie stavby. Pri väčšine inštalácií sa navrhujú hlbinné vrty, v prípade možnosti záberu veľkej plochy pozemku sa môže realizovať plošný kolektor.

Investične najvýhodnejšia a najefektívnejšia je možnosť využitia stavebných konštrukcií budov, resp. základov budov. Pri inštalácii registra potrubia do základov budov sa podľa spôsobu inštalácie hovorí o energetických pilótach, energetických stenách alebo o energetických základoch. Táto technológia sa obmedzuje len na nasadenie pri novostavbách. Dodatočná inštalácia potrubných systémov do budovy nie je možná. Pritom mnoho možných inštalácií prekazí neznalosť projektantov riešiacich samotnú budovu. Ak s využitím základov nepočítajú už pri návrhu samotnej stavby, dodatočne upravovať projektovú dokumentáciu a začleniť systém ako súčasť stavby a stavebných prác je komplikované.

Kde a ako systém funguje

Projektovú prípravu a schvaľovacie procesy energetických pilót ako zdrojov energie na chladenie a klimatizáciu budov je nevyhnutné riešiť minimálne s polročným predstihom. Nasadenie technológie musí byť pritom v súlade s projektom celej budovy.

Stavby s pilótami sa realizujú spravidla v mies­tach, kde je nespevnené podložie, ktoré by neumožňovalo použitie klasických základov na založenie budovy. Predovšetkým ide o miesta so zvýšenou hladinou spodnej vody, vždy však o miesta vodných tokov.

Pilóty staticky zabezpečujú väčšinu výškových budov, kde slúžia ako kotvy. Jednotlivé pilóty sa svojím počtom, veľkosťou a hĺbkou na rozličných stavbách líšia, ich návrh uskutočňuje špecialista v odbore statiky. Vo všeobecnosti sa na stavbách môžeme stretnúť s pilótami s priemerom 120 až 1 200 mm a s hĺbkami od 3 do 30 m. Vo väčšine prípadov možno tieto pilóty využiť na čerpanie a ukladanie tepelnej energie – vtedy sa nazývajú energetickými pilótami. Oproti klasickému zloženiu pilóty (vŕtaná diera, kovový armovací kôš a betón) sa do týchto pilót inštaluje slučka z potrubia, v ktorej obieha nemrznúca kvapalina. Slučky od jednotlivých pilót sa vedú základmi až do technickej miestnosti, kde sa spájajú v rozdeľovačoch a zberačoch. Hlavným chrbtovým vedením sa vedie médium až do tepelného čerpadla.

Objem betónu a zeminy pod objektom možno využívať ako „akumulátor“ chladu alebo tepla. V zimnom období tepelné čerpadlo do systému pilót chladí, a tým získava potrebné teplo na vykurovanie objektu. Naopak, v letnom období sa uložený chlad využíva na chladenie. Zvlášť pri objektoch, ktoré sa využívajú ako kancelárske, je požiadavka na chlad v lete omnoho väčšia než potreba výkonu na vykurovanie v zimnom období. Chlad uložený do pilót možno v prvých fázach využívať bez nasadenia tepelného čerpadla. Vyradením práce kompresora a využitím výhradne obehových čerpadiel možno cirkulovať chlad z pilót do vykurovacieho systému. Chlad možno využiť priamo vo vzduchotechnike budovy alebo v stropných či stenových paneloch.

Ak využívame stálu teplotu zeme na chladenie budovy bez ďalšieho zariadenia (tepelného čerpadla), hovoríme o tzv. free cooling. Spotreba obehových čerpadiel je minimálna a v porovnaní s výkonom chladenia, ktoré nám systém pilót zabezpečuje, môžeme hovoriť o chlade „zdarma“. Chlad z pilót sa počas leta vyčerpá alebo je jeho potreba taká, že musí pracovať tepelné čerpadlo. Potom sa výkon na chladenie oproti variantu free cooling zvýši.

Je nevyhnutné vedieť, že nasadenie energetických pilót výhradne na vykurovanie alebo chladenie nie je možné. Vždy sa musí pracovať v režime vykurovanie/chladenie. Základy budovy majú len obmedzenú tepelnú kapacitu, ktorú môžeme napr. obyčajným chladením základov vyčerpať. Ďalšia energia už neprichádza. Základy neovplyvňuje priame alebo nepriame slnečné žiarenie ako pri zemných plošných kolektoroch. V lokalitách s pohybom spodnej vody možno energiu čerpať neobmedzene, čiže kombinácia silne zvodneného a štrkového podložia s pohybom vôd zaručuje neobmedzený prísun energie.

Konštrukcia energetických pilót

Konštrukciu pilóty tvorí oceľová armatúra s medzipriestorom vyplneným betónom. Energia sa z pilóty odvádza pomocou potrubia, ktoré je navinuté na armatúre pilóty. Ako potrubný materiál sa využíva vysokohustotný polyetylén so zvýšenou odolnosťou s rozmermi 25 × 2,3 mm. V potrubí koluje nemrznúca kvapalina, ktorá odovzdáva tepelnú energiu priamo tepelnému čerpadlu.

Celý systém sa zapája podľa zásad hydrauliky a s pokiaľ možno najnižšou tlakovou stratou, teda aj s minimalizovaným nárokom na obehové práce systému.

Na dimenzovanie systému treba poznať počet, priemer a dĺžku jednotlivých navrhnutých pilót v základoch budovy, druh použitého betónu na vyliatie pilót, ako aj geologické pomery. Možno využiť aj steny základov napr. podzemnej garáže, steny tunelov metra a cestných tunelov. Dimenzovanie musí uskutočniť špecializovaná firma, ktorá pozná podmienky inštalácie. Nesprávny návrh totiž môže poškodiť základy objektu.

Zemné plošné kolektory alebo hlbinné vrty využívané ako zdroj pre tepelné čerpadlo sa dimenzujú tak, že ku koncu vykurovacej sezóny sa môže pracovať v režime záporných hodnôt v primárnom okruhu. Pri využití základov budov sa nesmieme dostať dlhodobo do záporných hodnôt. Povolená hranica je –2 °C, keď ešte nedochádza k takému premŕzaniu, ktoré by spôsobilo problém.

Vo väčšine prípadov inštalácie pokryje základ s pilótami celú energetickú náročnosť budovy. Ak však energetické pilóty celú potrebu nepokryjú, je možná aj kombinácia s hlbinnými vrtmi medzi pilótami, alebo dokonca mimo základov na voľnom priestranstve.

Investície

Keď sa budova zakladá na pilótach pre založenie stavby, je nevyhnutné realizovať všetky práce spojené s inštaláciou pilót. Navinúť potrubie do armatúr a využiť pilóty ako energetické je ekonomicky a technologicky nenáročné. Pre predstavu o výške investície do systému uvádzame orientačné číslo, ktoré vyjadruje priemer z niekoľkých projektovaných inštalácií na území ČR.

Investícia do 1 kW výkonu na vykurovanie je približne 2 000 Kč do systému vystrojenia a zvedenia pilót k tepelnému čerpadlu. Môže sa líšiť v závislosti od zložitosti systému. Suma nezahŕňa sekundárnu časť vykurovania a samotné tepelné čerpadlo s technickou miestnosťou. Podstatné však je, že za investované peniaze získame aj výkon na chladenie objektu, čo väčšinu váhavých investorov jednoznačne presvedčí.

Myšlienka využiť v maximálnej miere stavebné konštrukcie vedie k mnohým úsporám ďalších investícií. V prípade nasadenia tepelného čerpadla môžeme hovoriť o investícii s istou návratnosťou.

Autor pôsobí ako technický riaditeľ v spoločnosti GEROtop, s. r. o., ktorá sa zaoberá systémami primárnych okruhov pre tepelné čerpadlá a technológiami pre vŕtané studne.