Pracovní princip dubletové systémy

Podzemní voda v blízkosti povrchu obecně vykazuje konstantní teplotní úroveň v rozsahu 8 - 12 °C [1,2] a je tedy vhodná jako zdroj tepla a jako teplonosné médium v otevřených systémech. Zařízení se skládá z alespoň jednoho čerpacího vrtu, vybaveného ponorným čerpadlem pro odběr vody. Z tohoto vrtu je odebírána voda, která je přímo vedena do tepelného čerpadla. V případě, kdy lze počítat s vysokou mineralizací vody, je možno za účelem zamezení znečištění tepelného čerpadla zapojit do systému dodatečný výměník tepla. Systém se dále skládá z alespoň jedné vsakovací jámy, která slouží k vracení podzemní vody. Typické hloubky vrtů činí zpravidla 5 až 15 m [1],v případě větších zařízení může být hloubka i výrazně vyšší.

Schéma duletového systému (podle [1])
Obr.: Schéma duletového systému (podle [1])
Předpokladem pro provoz takového zařízení je existence zvodně (aquifer) s dostatečným objemem podzemní vody a dostatečně rychlým přítokem v případě odběru vody [2].Kromě toho by se zvodeň neměla nacházet v přílišné hloubce, neboť to by vyžadovalo vysoký výkon čerpadel, což se negativně odrazilo v energetické bilanci [3].

K tomu, aby bylo zamezeno vzájemnému ovlivnění mezi odběrem tepla a dodáním chladu do zvodně, musejí být oba vrty vybudovány v dostatečné vzájemné vzdálenosti [1,2,3]. Pro řazení vrtů musí být navíc známý směr proudění podzemní vody, který je třeba zohlednit. Vsakovací jáma se přitom nesmí nacházet proti směru proudění [2]. Aby bylo ovlivnění fyzikálních a chemických vlastností nízké, mělo by být toto zařízení koncipováno tak, aby rozdíl teplot nepřekročil hodnotu 6 K mezi čerpacím a jímacím vrtem [1,4] (zpravidla 3 - 4 K [3]). Jinak může v závislosti na složení podzemní vody docházet ke vzniku sraženin [2]. Z tohoto důvodu je nezbytné analyzovat složení podzemní vody.

Tak jako v případě uzavřených systémů, například solankových výměníků, mohou dubletová zařízení sloužit kromě využití v topné sezóně i k chlazení během léta, protože teplota podzemní vody kolem 10 °C může přímo sloužit jako tepelná jímka. V Německu jsou však tato zařízení v současné době koncipována většinou pro účely vytápění.

Kromě poskytování tepla a chladu z mělkých vrstev je prostřednictvím otevřených dubletových systémů možné získávat energii z hloubek nad 400 m (hluboká geotermie). Díky tomu, že se stoupající hloubkou stoupá i teplota zemského masivu, může být pro účely vytápění využíváno teplo s vyšší teplotní úrovní. To umožňuje efektivní provoz systémů tepelných čerpadel. Zčásti k tomu postačují několik kilometrů do Země vyhloubené vrty. Teplotami, které místy překračují 100 °C lze kromě dodávek tepla provozovat rovněž procesy pro výrobu elektrické energie. Jako procesní médium zde zpravidla slouží organické médium (organic rankine cycle-Prozess) nebo směs amoniaku a vody (Kalinův cyklus).

Podobně, jako v případě využití mělké podzemní vody, je možno zpřístupnit i hluboké a teplé zvodně v hydrotermálních kolektorech. Kromě toho je možno využít petrotermálních systémů (Hot-Dry-Rock). V tomto případě není k dispozici zvodeň, ale teplá kompaktní hornina. Pro účely energetického využití je pomocí vysokotlakých čerpadel uměle vtlačována injekčními vrty do zemského masivu voda. Po jejím zahřátí v rozpukané hornině je tato voda odebírána prostřednictvím čerpacích vrtů.

Literatura

[1] M. Kaltschmitt, W. Streicher a A. Wiese: Erneuerbare Energien (čtvrté, aktualizované, opravené a doplněné vydání). Springer Verlag, Berlin Heidelberg, 2006.

[2] I. Stober a K. Bucher: Geothermie. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2012.

[3] M. Tholen a S. Walker-Hertkorn: Arbeitshilfen Geothermie. wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH, Bonn, 2008.

[4] Verein Deutscher Ingenieure: VDI 4640, Blatt 2: Thermische Nutzung des Untergrundes - Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen. 2001.