Speciální formy geotermálních rostlin poblíž země

Kromě dosud popsaných systémů, které se etablovaly v geotermii, existuje řada specifických forem, které budou v dalších částech blížeji popsány.

Geotermální energetický koš

Specifickou formou kolektorů jsou tak zvané geotermální energetické koše, kdy je spirálovitě nebo rozvinutě pokládáno potrubí [11]. Tyto kompaktní systémy jsou analogicky se zemními kolektory ukládány do výkopů nebo jam či děr, které jsou Nevýhodnou těchto kompaktních forem konstrukcí je malý zemní masiv v okolí, který speciálně v zimě relativně rychle vychladne. Z tohoto důvodu se nabízí kombinované zařízení, umožňující vytápění i chlazení, kdy lze energetické koše využít pro krátkodobé uložení energie.

Energetické piloty

V případě budov, jejichž založení je z důvodů komplikovaných podmínek v podloží (VDI 4640: "podloží bez nosnosti" [3]) třeba provést na pilotách, se nabízí kombinace s využitím zemního tepla [2.4.5]. Piloty sestávají z betonem vyplněného armování, jehož úkolem je přenos zařízení do podloží. Přitom ale nesmí dojít k negativnímu ovlivnění nosnosti, což představuje hlavní funkci piloty [4]. Tak, jako ostatní formy geotermiky, jsou piloty vhodné pro kombinované formy, tedy vytápění i chlazení [3,5].

V zásadě rozlišujeme dva druhy energetických pilotů [1,2,3]:

  • Zarážené prefabrikované piloty: Tyto piloty jsou prefabrikované (kvadratické, šestihranné nebo kulaté) a jsou celé zaráženy do země. Typické rozměry kvadratických pilotů jsou 24 x 24 cm², 30 x 30 cm² nebo 40 x 40 cm² s délkou 2 až 14 m (ekonomické energetické využití od délky 6 m) [3,7]. Při až osmi potrubí v pilotě se jedná o délku trubek od 50 do 100 m [3].
  • Plněné piloty : v této variantě je beton do připravených otvorů plněn až přímo na stavbě Touto technologií je možno vytvářet piloty o průměrech až 2,5 m [3] (ekonomicky smysluplné od průměru 600 m [2]).

Náklady a náročnost jsou nižší, nežli v případě sond, protože není třeba provádět žádné dodatečné práce, jako například vrty [7]. V případě, že se piloty dostanou do kontaktu s kolektory podzemní vody, je nutno pro ně zajistit odpovídající povolení [3].

Energie ze základů budov

V případě novostavby lze potrubí pro přenos tepla integrovat přímo do základové desky jako horizontálně uložené potrubí nebo jako paralelně uložené potrubí. V důsledku toho dojde k termické aktivaci základové desky. Základová deska představuje velkou plochu pro přenos tepla ze zemského masivu. Kromě toho je montáž staticky nezávadná [7]. Aby bylo možno budovu oddělit od geotermického zařízení a zabránit odebírání tepla přímo z budovy, namísto ze zemského masivu, je nutno nad základovou deskou instalovat tepelnou izolaci [2.7]. Jelikož jsou absorbéry instalovány velmi blízko u budovy a tím neexistuje riziko zamrznutí ("termická bublina" pod budovou), lze jako médium pro přenos tepla použít čistou vodu [7].

Zobrazení geotermálních energetických košů. pilotů a sběračů v porovnání s geotermálními sondami
Obr.: Zobrazení geotermálních energetických košů. pilotů a sběračů v porovnání s geotermálními sondami (podle [7])

Ostatní betonové díly v kontaktu se zeminou

Jako tepelný výměník lze kromě pilotů a základových desek využít i další stavební prvky, jako například podzemní stěny, opěrné stěny, štětové stěny, pilotové stěny nebo suterénní stěny [1,2,3], které jsou označovány jako "energetické geostruktury" [6] nebo "termoaktivní prvky založení" [1]. Jelikož některé části, jako například podzemní stěny nebo štětové stěny již po dokončení stavby nejsou potřeba, neexistují u těchto prvků ani žádné statické výhrady pro jejich využití jako tepelného výměníku [2]. Další výhoda spočívá v tom, že se spotřeba plochy pro geotermické zařízení v důsledku využití stávajících stavebních dílů nezvýší. Velmi vhodné jsou přitom právě betonové díly - beton totiž vykazuje poměrně dobré kapacity tepelné vodivosti a kapacity [6]. Tyto systémy mohou kromě toho efektivně sloužit v zimním období k předehřívání ventilačního vzduchu, případně k předchlazení v létě [3]. Pro uložení PE-potrubí jsou do vertikálních stavebních dílů vkládány ocelové rohože, do horizontálních dílů armovací koše podobné těm, které jsou použity v pilotách [3].

Koaxiální vrt

Koaxiální vrty ("Standing Column Wells" [2,3]) představují smíšenou formu z geotermálních sond a vrtů s podzemní vodou. Do vrtu je umístěno výtlačné potrubí, které je na dolním konci spojeno filtrem z podzemní zvodně. Vrt je vyplněn štěrkovou výplní. Pomocí ponorného čerpadla je výtlačným potrubím dopravována k oběhu tepelného čerpadla voda, která se následně vsakuje ve štěrkové kruhové spáře v okolí potrubí, přitom dochází k přenosu tepla mezi masivem Země a průsakem [2.3]. Jelikož se zde jedná o otevřený systém, který je v kontaktu se životním prostředím, nelze použít žádnou nemrznoucí směs [2.3]. Typické hloubky koaxiálních vrtů se pohybují mezi 100 a 250 m, v provozu však jsou rovněž vrty o hloubce 450 m [2.3].

Předehřátí / předchlazení vzduchu v geotermálních vzduchových kanálech

V případě kombinace ventilačního systému s potrubím nebo kanály, uloženými v zemském masivu, lze dosáhnout předehřátí, případně -předchlazení vzduchu. Z důvodů nízké tepelné kapacity, nízké hustoty a poměrně nízké hodnoty součinitele přestupu tepla mezi vnitřní stěnou potrubí a proudem vzduchu je nutno pracovat s velkými objemy proudění vzduchu [2]. Dříve byly takovéto systémy používány pro vykrytí teplotních špiček ve vzduchu, který byl přiváděn do vepřínů, v současné době získávají tyto systémy na významu v souvislosti z nízkoenergetickými a pasivními domy [2].

Rozlišují se dva principy geotermálních vzduchových kanálů [5]:

  • Bezmembránové geotermické tepelné výměníky: Vnější vzduch je nasáván přímo prostřednictvím štěrkové / kamenné sypaniny. Tato varianta je cenově výhodná, je však náchylná na zabahnění.
  • Membránové geotermické tepelné výměníky: zde je zemský masiv a vzduch oddělen stěnou, díky tomu není zařízení citlivé na znečištění.

Literatura

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

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

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

[4] Gesellschaft für Energie a Umwelt mbH: Energiepfahl [Online]. http://www.energiepfähle.com/energiepfahl.html [Otevřeno 12. června 2012].

[5] E. Theiß: Regenerative Energietechnologien. Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart, 2008.

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

[7] F. Bockelmann, N. Fisch a H. Kipry: Erdwärme für Bürogebäude nutzen. Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart, 2011.